Lek_21-25_Cher

Рисунок 12

ФВН (0 ) R 22 0 H0

1. ФВН (0 ) f( ); f(T); f( r )

2. ФВН (0 ) maxФ ВН (t) зависит только от R2

Если измерять амплитуду импульса вносимого ФВН (0 ) в первый момент после включения, то можно измерять наружный радиус трубы R2 независимо от и толщины стенки трубы.

Для накладного ВТП аналогично по max значению импульса можно измерять зазор независимо от и T листа.

Контроль ферромагнитного ОК:

цилиндр:

Рисунок 13

ФВН (t)t R2 0 H0 (1 r )

Установившееся значение магнитного потока меняет знак на обратный по отношению к первоначальному.

Чем ↑ r , тем ↑ установившееся значение.

ФВН* ( ) (r 1)

ФВН (0 ) не зависит от r .

характеристик, величина которых коррелирует с параметрами структурного состояния в композиционных материалах. Широко используются тепловизионные системы с обработкой результатов на ЭВМ, что повышает надежность, метрологические и сервисные характеристики приборов и устройств. Однако применение этих систем для контроля отслоений, например, фольги в фольгированных материалах сопряжено со значительными трудностями организации процесса импульсного нагрева при активном тепловом контроле (АТК).

Применение комбинированных методов - электрического и теплового, например, позволяем осуществить раздельное измерение толщины и электропроводимости тонких покрытий, но реализация метода сопряжена с трудностями изготовления и использования контактного измерительного устройства и получения удовлетворительных метрологических характеристик.

Тепловой неразрушающий контроль используется в основном для дефектоскопии многослойных конструкций (обнаружение расслоений, непроклеев).

Тепловые методы используются для измерения теплофизических величин, а также для оценки структурного состояния, мерой которого может служить величина коэффициента температуропроводности. Необходимо отметить, что существующие методы и приборы используют для таких измерений образцы специальной формы и требуют большого времени для проведения измерений.

Контроль степени адгезии или в простейшем случае отслоения покрытий может производиться различными методами, наиболее употребительными из которых являются акустический, тепловой, механический или, что наиболее перспективно, комбинированные. Для многослойных изделий со слоями достаточной толщины хорошие метрологические характеристики имеют акустические методы и приборы с использованием зеркального или зеркально-теневого методов. Однако все эти методы встречают значительные трудности при контроле отслоений или степени адгезии тонких поверхностных покрытий.

Для контроля поверхностных слоев и очень тонких покрытий (до 10 15мкм) используется разрушающие и неразрушающие методы. Основная сложность измерения толщины таких покрытий заключается в неопределенности понятия толщины для них. В связи с этим вводится понятие весовой, оптической, электрической толщины. Электрическая проводимость покрытия сильно отличается от проводимости массивного металла и раздельный контроль толщины и проводимости таких покрытий затруднен

Вихретокотепловой преобразователь (ВТТП) (рис.1), состоящий из токовой (радиуса )

(индуктор) и расположенной соосно измерительной катушек, образующих вихретоковый преобразователь (ВТП) и расположенного по их оси (или смещенного) теплового датчика (ТП), преобразующего изменение температуры в электрический сигнал. По токовой катушке циркулируют мощные радиоимпульсы тока , частотой и длительностью (с) (рис. 2а.), которую выбирают намного меньшей характеристического времени теплового процесса

Линии тока на поверхности тонкой пластины, над которой на высоте находится ВТТП,

представляют собой концентрические окружности, центр которых находится на оси симметрии ВТП. На некотором расстоянии от оси токовой катушки плотность вихревых токов достигает максимального значения , уменьшаясь до нуля на оси и при удалении от оси дальше . За

ширину контура вихревых токов (зоны нагрева) принимают кольцевую область шириной с границами R1 и R2 (R1<R2), где плотность вихревых токов убывает до величины

.

Тепловая волна от быстрого (за время ) нагрева начинает распространяться наружу и внутрь кольцевой области, и температура области покрытия, над которой расположен ТП, достигает максимального значения, чему соответствует максимальное напряжение UM на выходе

(удельной теплоемкости Сп, коэффициентов температуропроводности aп, теплопроводности λп), временные характеристики теплового сигнала при малой толщине определяются только величинами Сп, aп, и λп. (рис.4)

Таким образом, проводя совместную обработку сигналов ВТТП, можно определить параметры покрытия σ и В и режима контроля - зазора Нв.

Для анализа распределения вихревых токов в тонкой проводящей пластине (покрытии) в качестве модели токовой катушки был выбран виток радиуса RB с током

. Анализ проводится при следующих

допущениях: а) - толщина покрытия В пренебрежимо мала по сравнению с характерными размерами системы (радиусом витка RB, глубиной проникновения вихревых токов δ; б) - переходными процессами установления электромагнитного поля при включении и выключении индуктора можно пренебречь, считать режим стационарным; в) - система обладает аксиальной симметрией в цилиндрической системе координат (г, z, ).

Плотность вихревых токов J определяется выражением :

(1)

где - векторный потенциал поля витка в отсутствии ОК, - векторный потенциал, обусловленный наличием ОК.

(2)

для принятых допущений имеем:

(3)

Из (3) следует известный вывод о невозможности раздельного контроля толщины В и удельной электрической проводимости σ, т.к. они входят в (3) в виде произведения.

Структурная схема алгоритма раздельного контроля удельной электрической проводимости и толщины тонких покрытий, а также контроль его структурного состояния. Рис 3. содержит блок управления БУ. генератор радиоимпульсов тока возбуждения iB, ВТТП такой, что на его выходе имеются только вносимое напряжение, зависящее от параметров ОК, и тепловой сигнал, блок обработки вихретокового сигнала, содержащий фазовые детекторы для выделения ReUвн и ImUвн, блок обработки теплового сигнала и блоки выделения и хранения информации (рис.3, 4). Полагаем, что при проведении измерений расстояние Нв от вихретокового датчика до ОК остается неизменным, а теплообменом между металлическим покрытием и изоляционным

основанием пренебрегаем. Это возможно в случае теплоизолированной пластины, либо при смещении теплового преобразователя от оси ВТП (r=0) ближе к точкам пластины, где максимальная плотность вихревых токов (RM>r>0). При этом сокращается интервал времени , в течение которого происходят потери тепла за счет наличия основания.

Как видно из (3) сигнал вихретокового датчика зависит от произведения Вσ. Блок деления Д2 осуществляет операцию деления ImUвн на ReUвн и на его выходе получаем:

(4)

где КД2 - коэффициент передачи блока деления Д2. Как видно, это напряжение линейно зависит от произведения Вσ. Напряжение на выходе теплового преобразователя Uтп прямо пропорционально энергии возбуждения тепловой волны и обратно пропорционально толщине. Блок деления Д1 осуществляет деление сигнала ReUвн на сигнал Uтп:

(5)

К1 зависит от режима контроля и может быть определен экспериментально. Видно, что напряжение (5) пропорционально толщине В. Блок деления Д3 осуществляет деление

(4) на (5)

(6)

Контроль структурного состояния немагнитных металлов возможно осуществить путем измерения зависящих от его структурного состояния удельной электрической проводимости и коэффициента температуропроводности. Вихретокотепловой метод позволяет быстро определить коэффициент температуропроводности а и получить для немагнитных металлических покрытий еще одну структурночувствительную величину.

Метод измерения реализуется, как и метод «вспышки» (В.Паркер, Р.Дженкинсон, К.Батлер), путем использования цилиндрической тепловой волны, по не расходящейся, а сходящейся, с помощью индуктора, возбуждающего вихревые токи. Как отмечено выше, температура в точке расположения ТПП (r=z=0) достигает максимального значения через интервал времени (рис.2):

(7)

Откуда:

(8)

Таким образом, для определения коэффициента необходимо знать и . Величина определяется из анализа ХТГ, величина зависит от параметров ОК (В, σ) и режима контроля (RB, H, ω). В первом приближении (с ошибкой не более ±1,5%) в

необходимо использовать таблицы, составленные на основании экспериментов с известными покрытиями или рассчитанные по разработанным программам.

Вышеупомянутая структурная схема реализует линеаризованный алгоритм обработки информации, наличие блоков деления и устройств выборки и хранения информации в аналоговой форме (УВХ) определяет значительную погрешность.

Автоматизированный вариант установки для раздельного контроля удельной электрической проводимости и толщины тонких покрытий. При этом можно реализовать алгоритм нелинейной обработки сигналов, используя в качестве исходных кривых зависимости (предполагает передачи сигналов части схемы левее пунктирной линии на АЦП с последующей обработкой на ПК), являющиеся результатом расчета, можно использовать в качестве исходных экспериментально полученные градировочные кривые для объектов контроля с известными параметрами В и σ. Наиболее значительная составляющая погрешности имеет место при изменении зазора. Данная задача (раздельный контроль В и σ) является трехпараметровой, т.к. необходимо иметь в виду изменение зазора Н вследствие перекосов ОК, шероховатости поверхности и т.п. Чтобы свести задачу к двухпараметровой, был выбран метод механической стабилизации зазора. Предусматривается вихретокотепловой преобразователь, в котором измерительный блок (ВТП и ТП) подпружинен и снабжен устройством фиксации зазора H.

Определение степени сцепления тонкого металлического покрытия с изоляционным основанием и поиска отслоений основан на естественном предположении, что наличие хорошего механического сцепления улучшает теплообмен покрытия с основанием и обратно, отсутствие механического сцепления ведет к ухудшению теплообмена покрытия с основанием. Структурная схема (рис.5) содержит блок измерения энергии QH, передаваемой от генератора в ОК и состоящий из перемножителя и интегратора, так что на выходе интегратора получаем (рис.6е) :

(9)

где Ки - коэффициент передачи интегратора.

НТВ распространяется вдоль покрытия и к основанию, при этом основной поток Q0 направлен к основанию (ввиду тонкости покрытия) и согласно принятой гипотезе пропорционален степени сцепления покрытия с основанием. Через некоторый интервал времени количество тепла Qп, характеризующее остывающее покрытие, будет равно:

(10)

где Kc - коэффициент, характеризующий количество тепла, которое при распространении тепловой волны перешло в основание, и который пропорционален степени механического сцепления покрытия с основанием.

На выходе блока вычитания (5)-(10) имеется напряжение:

(11)

где , - коэффициенты передачи блока вычитания и канала теплового сигнала.

(12)

Если поделить (12) на (9), то на выходе блока деления:

(13)

где - коэффициент передачи блока деления,

Таким образом, имеется сигнал, пропорциональный коэффициенту сцепления покрытия с

основанием. Практическая реализация условия производится экспериментально с использованием ОК с известной или номинальной степенью сцепления, с отслоением, бездефектного и т.п.

Рисунок 14.

Рисунок 15.

Рисунок 16