Способ бесконтактного неразрушающего контроля толщины и теплофизических свойств изделий
Изобретение относится к области измерительной техники. В способе изделие нагревают точечным источником тепловой энергии, перемещают последний, измеряют первым термоприемником избыточную предельную температуру нагреваемой поверхности изделия в точке, расположенной за точечным источником тепловой энергии по линии его движения, изменяют расстояние отставания точки контроля температуры от пятна нагрева точечным источником тепловой энергии до тех пор, пока избыточная предельная температура станет равной наперед заданному значению, измеряют расстояние отставания точки контроля от центра пятна нагрева точечным источником тепловой энергии и дополнительно измеряют вторым термоприемником избыточную предельную температуру нагреваемой поверхности изделия по линии, перпендикулярной линии движения точечного источника, при разных значениях мощности точечного источника тепловой энергии. Технический результат - расширение функциональных возможностей. 3 ил.
Изобретение относится к области измерительной техники и может быть применено в системах автоматического неразрушающего контроля толщины двухслойных изделий и их теплофизических свойств, используемых в машиностроительной, авиационной, радиотехнической, строительной и других отраслях промышленности.
Известен способ бесконтактного неразрушающего контроля толщины пленочного покрытия изделия (авт. св. СССР 1733917, кл. G 01 В 7/06, 1992 г.), заключающийся в том, что осуществляют нагрев контролируемой поверхности изделия с помощью источника тепловой энергии, мощность которого подбирается так, что температура в зоне нагрева не превышала температуры термодеструкции материала покрытия, измеряют температуру поверхности покрытия с помощью подвижного термоприемника, выбирают два различных значения температуры меньше максимальной температуры нагрева поверхности покрытия, выбирают параметр, характеризующий движение термоприемника, измеряют выбранный параметр и находят два его значения, при которых температура в точке ее измерения будет соответственно равна первому или второму выбранному значению, и определяют искомую толщину покрытия, используя найденные значения параметра, выбранные значения температур и значения мощности источника, нагрев осуществляют подвижным точечным источником тепловой энергии, термоприемник и источник располагают на фиксированном расстоянии друг от друга и перемещают их параллельно друг другу на поверхности изделия с одинаковой скоростью, а в качестве параметра выбирают скорость их перемещения. Недостатком данного способа является возможность определения толщины покрытия только при наличии информации о теплофизических свойствах материалов покрытия и основания, на которые оно нанесено. За прототип принят способ бесконтактного неразрушающего контроля толщины изделия (см. авт. св. СССР 1504491, МКИ G 01 В 7/06, 1989 г.), заключающийся в том, что изделие нагревают и измеряют температуру поверхности изделия в заданных точках, изделие нагревают точечным источником тепловой энергии, перемещают последний, измеряют избыточную предельную температуру нагреваемой поверхности изделия в точке, расположенной за точечным источником тепловой энергии по линии его движения, измеряют расстояние отставания точки контроля температуры от центра пятна нагрева точечным источником тепловой энергии до тех пор, пока избыточная предельная температура станет равной наперед заданному значению, измеряют расстояние отставания точки контроля от центра пятна нагрева точечным источником тепловой энергии, по которому определяют толщину контролируемого изделия. Недостатком данного способа является определение толщины одного слоя двухслойных изделий по известным теплофизическим свойствам слоев изделия и невозможность определения толщины каждого слоя и их теплофизических свойств, что значительно снижает область применения и функциональные возможности. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей путем измерения значений толщины слоев и теплофизических свойств двухслойных изделий и расширение области применения. Поставленная цель достигается тем, что способ бесконтактного неразрушающего контроля толщины и теплофизических свойств изделий, заключающийся в том, что изделие нагревают точечным источником тепловой энергии, перемещают последний, измеряют избыточную предельную температуру нагреваемой поверхности изделия в точке, расположенной за точечным источником тепловой энергии по линии его движения, измеряют расстояние отставания точки контроля температуры от пятна нагрева точечным источником тепловой энергии до тех пор, пока избыточная предельная температура станет равной наперед заданному значению, измеряют расстояние отставания точки контроля от центра пятна нагрева точечным источником тепловой энергии, дополнительно измеряют вторым термоприемником избыточную предельную температуру нагреваемой поверхности изделия по линии, перпендикулярной линии движения точечного источника, при разных значениях мощности точечного источника тепловой энергии, измеряют расстояние между точками контроля температуры по линии, перпендикулярной линии движения точечного источника тепловой энергии до тех пор, пока температура поверхности в точке контроля не достигнет наперед заданного значения, величина которой задается равной чувствительности контрольно-измерительной аппаратуры, измеряют эти расстояния, измеряют также температуру и первым термоприемником по линии движения источника тепловой энергии при разных значениях мощности, а теплофизические свойства и толщину слоев изделия определяют с учетом мощности источника энергии, температуры на линии движения источника энергии, измеренного расстояния отставания точки контроля температуры первым термоприемником и измеренных расстояний между точками контроля температуры вторым термоприемником. На фиг.1 показано устройство бесконтактного неразрушающего контроля толщины и теплофизических свойств изделий. На фиг.2 показана графическая зависимость теплопроводности двухслойного изделия от толщины прогрева тепловой системы при разных значениях мощности источника тепловой энергии. На фиг.3 показана графическая зависимость температуропроводности двухслойного изделия от толщины прогрева тепловой системы при разных значениях мощности источника тепловой энергии. Устройство, реализующее способ, содержит точечный источник 1 тепловой энергии, датчики температур 2 и 8, перемещаемые с постоянной скоростью Н относительно измеряемого изделия. Выход датчика температуры 2 и датчика 8 подключены, соответственно, к первому входу вычитающего узла 3 и 10, на вторые входы которых подаются с блоков 4 и 9 задания температур напряжения уставки, моделирующие величину наперед заданной температуры Тзад и Тзад.1 соответственно. Разностный сигнал с выхода вычитающего узла 3 через усилитель 5 мощности поступает на реверсивный двигатель 6, вал которого кинематически соединен с механизмом перемещения относительно источника 1 тепловой энергии. Разностный сигнал с выхода вычитающего узла 10 через усилитель 11 мощности поступает на реверсивный двигатель 12, вал которого кинематически соединен с механизмом перемещения относительно датчика 2 температуры по линии, перпендикулярной линии движения источника тепловой энергии. Датчик 8 соединен с регистрирующим узлом 13, осуществляющим запись и показания толщины прогрева исследуемых изделий. Датчики 2 и 8 соединены также, соответственно, с преобразователями 7 и 14 перемещения в электрический сигнал, выходы которых подключены к микропроцессору 15. Сущность способа заключается в следующем. Включают источник 1 и начинают его перемещение и датчика температуры 2 над исследуемым изделием с постоянной скоростью Н. Датчик температур 2, движущийся при этом по линии А перемещения источника энергии с отставанием от него, зарегистрирует предельную избыточную температуру нагреваемой поверхности, соответствующую установившемуся квазистационарному режиму нагрева. Затем изменяют расстояние отставания точки контроля от центра пятна нагрева источника энергии в соответствии с зависимостью x = xнач+![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/916.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/916.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/916.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/916.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/916.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/916.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/916.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/916.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/916.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/916.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/46/460206.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/46/460207.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/46/460208.gif)
Известно также, что при нагреве поверхности полубесконечного тела подвижным точечным источником энергии избыточная предельная температура этого тела в точке, перемещающейся вслед за источником со скоростью источника, определяется формулой
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/46/460209.gif)
где R - расстояние от точки измерения температуры твердого тела до пятна нагрева поверхности тела сосредоточенным источником энергии, причем
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/46/460210.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/46/460211.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/46/460212.gif)
где y - расстояние от точки регистрации температуры до линии движения источника тепла. Поскольку расстояние от точки регистрации температуры до линии движения источника тепла адаптивно изменяется до момента наступления равенства T(y)= Tзад.1, то из формулы (6) определяется усредненный коэффициент температуропроводности тепловой системы
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/46/460213.gif)
Затем изменяют мощность источника энергии в соответствии с зависимостью
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/46/460214.gif)
и изменяют расстояние от точки регистрации температуры термоприемником 8 до линии движения источника тепла по зависимости (2) до тех пор, пока контролируемая термоприемником 8 избыточная температура станет равной наперед заданному значению Tзад.1=T(y),
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/916.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/46/460215.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/46/460216.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/46/460217.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/955.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/46/460218.gif)
где
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/955.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/955.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/46/460219.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/46/460220.gif)
mП - масса покрытия; mT - масса прогретого слоя основания. Так как mП= VП
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/961.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/961.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/961.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/961.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/961.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/961.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/46/460221.gif)
Подставив (10) в (9) и проведя ряд несложных математических преобразований, получим формулу для определения теплопроводности основания двухслойной системы.
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/46/460222.gif)
где
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/46/460223.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/46/460224.gif)
Температуропроводность aT основания можно определить
aT =
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/955.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/961.gif)
где cT - теплоемкость материала основания. Таким образом, измерив и зафиксировав расстояние между точкой контроля температуры первым термоприемником и центром пятна нагрева, а также расстояние между точками контроля температуры по линии, перпендикулярной линии движения точечного источника тепловой энергии при разных значениях мощности точечного источника тепловой энергии, и измерив при этих значениях мощности источника энергии температуру первым термоприемником по линии движения источника энергии на зафиксированном расстоянии х от него и зная мощность теплового воздействия, значения заданных температур Тзад и Тзад.1, плотность материалов слоев, можно определить не только толщину каждого слоя, но и их теплофизические свойства.
Формула изобретения
РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3