автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Электромагнитные методы и приборы контроля и мониторинга толщины покрытий и стенок изделий

На правах рукописи

СЯСЬКО Владимир Александрович

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ МЕТОДЫ И ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ И МОНИТОРИНГА ТОЛЩИНЫ ПОКРЫТИЙ И СТЕНОК ИЗДЕЛИЙ

Специальность 05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

2 5 АПР 2013

005057911

Санкт-Петербург - 2013

005057911

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Национальном минерально-сырьевом университете «Горный».

Научный консультант -

доктор технических наук, профессор

Потапов Анатолий Иванович

Официальные оппоненты:

Башкарев Альберт Яковлевич доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет», кафедра транспортных и технологических систем, профессор

Катушкин Владимир Петрович доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский технологический институт (технический университет)», кафедра электротехники и электроники, заведующий кафедрой

Дымкин Григорий Яковлевич доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Петербургский государственный университет путей сообщения», кафедра методов и приборов неразрушающего контроля, заведующий кафедрой

Ведущая организация - ЗАО "НИИИН МНПО "Спектр" Защита состоится 28 мая 2013 г. в 14 час. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.224.07 при Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» по адресу: 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, дом 2, ауд. 1166.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального минерально-сырьевого университета «Горный».

Автореферат разослан 12 апреля 2013 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ

диссертационного совет^-^^^Р^-- Габов Виктор Васильевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Проблема обеспечения надежности и безопасности изделий машино-, судо-, авиа-, ракетостроения и энергетики с учетом все возрастающих эксплуатационных требований и экономической эффективности в условиях конкуренции производителей становится все более актуальной.

Жесткие условия эксплуатации, воздействие высоких и низких температур, нагрузок, различных агрессивных веществ, предъявляют высокие требования к защитным покрытиям, что обусловливает большую гамму применяемых материалов и технологий их нанесения. Эффективность использования покрытия оценивается как комплекс функциональных свойств (противокоррозионных, декоративных, износостойких и пр.) на протяжении срока службы. При этом толщина покрытий рассматривается как определяющий функциональный параметр.

Огромную роль в обеспечении нормируемой расчетной конструктивной прочности изделий играет толщина их стенки. Отклонение толщины стенки изделия от заданных значений в процессе производства является грубым дефектом, ее контроль является важной технологической операцией. Кроме того, толщина стенки изделий играет важную роль в обеспечении долговечности изделия, так как в процессе эксплуатации может изменяться вследствие эрозии, коррозии и механических повреждений. В ряде случаев это приводит к авариям и катастрофам. Поэтому проведение контроля толщины стенки изделий в процессе производства и эксплуатации является важнейшей технологической операцией.

При производстве крупногабаритных изделий все большее распространение находят композиционные (в том числе углепластиковые) материалы, требующие обязательного контроля их толщины, как одного из определяющих параметров их жесткости.

В настоящее время для измерения толщины покрытий предлагаются методы магнитного, вихретокового и радиационного видов НК. Для контроля толщины стенок изделий применяют методы акустического и вихретокового видов НК, радиометрический метод, и, в ряде случаев, методы магнитного вида НК.

Анализ показывает, что для большинства задач измерения толщины покрытий и стенок изделий представляется возможным использование электромагнитных методов, основанных на вихретоковом и магнитном видах НК. Достоинством их использования является воз-

можность применения при одностороннем доступе, локальность, высокие потенциальные точность и достоверность.

Значительный вклад в развитие электромагнитных методов внесли отечественные и зарубежные ученые и специалисты: В.Г. Герасимов, Э.С. Горкунов, В.К Гарипов, И.В. Голубятников, A.JI. Дорофеев, А.Г. Ефимов, H.H. Зацепин, В.Д. Ивченко, А.И. Крашенинников, В.В. Клюев, М.Н. Михеев, Ю.Я. Останин, А.Д. Покровский, Н.М. Родигин, А.Б. Сапожников, В.В. Слепцов, В.В. Сухоруков, В.В. Филинов, J1.A. Чернов, В.Е. Шатерников, Г.С.Шелихов, Ю.М. Шкарлет, П.Н.

Шкатов, Е.В. Щербинин, Ф. Ферстер, Д. Вайделих, и другие.

Актуальной задачей дальнейшего совершенствования электромагнитных методов является разработка новых оптимальных геометрически и электрически подобных измерительных преобразователей и алгоритмов получения первичной измерительной информации, преобразования и последующей тестовой обработки (расчета толщины) с подавлением мешающих параметров. Для обеспечения требуемой достоверности результатов измерений необходимо произвести теоретический анализ моделей измерительных преобразователей, рассчитать их оптимальные характеристики, разработать алгоритмы преобразования и методики применения при производстве и эксплуатации изделий, в том числе для мониторинга в процессе эксплуатации, решить вопросы метрологического обеспечения преобразователей и приборов, эталонных мер толщины покрытий и изделий, их сертификации.

Цель работы - повышение эффективности и достоверности комплексного контроля толщины защитных покрытий изделий, а также толщины стенок неферромагнитных электропроводящих и диэлектрических изделий путем применения методов вихретокового и магнитного видов НК при обеспечении заданных погрешности и достоверности результатов контроля.

Идея работы. Электромагнитные методы и приборы, основанные на моделях распределения электромагнитного поля в внхретоковых и магнитоиндукционных преобразователях, позволяют эффективно осуществлять неразрушающий контроль толщины покрытий и стенок изделий с заданной погрешностью и улучшать их качество.

Достоверность результатов диссертационной работы базируется на строгих теоретических подходах, адекватных математических моделях измерительных преобразователей, построенных на их основе, которые подтверждены теоретическими и экспериментальными иссле-

дованиями разработанных приборов, преобразователей, эталонных мер толщины и методик их применения в лабораторных условиях и на ведущих предприятиях.

Задачи исследований:

- анализ современного состояния методов и приборов, предназначенных для решения задач измерения толщины покрытий и стенок изделий современной техники;

- теоретическое обоснование применимости методов вихретоко-вого вида НК для решения рассматриваемых задач и произведение анализа контролируемых и мешающих параметров;

- теоретическое обоснование применимости магнитоиндукцион-ного метода для решения рассматриваемых задач и произведение анализа контролируемых и мешающих параметров;

- анализ возможных структур вихретоковых измерительных преобразователей и разработка схемы измерительных преобразователей, принципов оптимизации их характеристик, методик получения и преобразования первичной измерительной информации и алгоритмов функционирования, обеспечивающих требуемую чувствительность в заданном диапазоне измерения, а также подавление мешающих параметров при измерении толщины покрытий и стенок изделий;

- разработка модели магнитоиндукционного измерительного преобразователя, принципов его оптимизации, расчет характеристик семейства геометрически подобных первичных преобразователей с разбиением на группы по задачам измерения, а также разработка методики получения и преобразования первичной измерительной информации и алгоритмов функционирования, обеспечивающих требуемую чувствительность в заданном диапазоне измерения, а также подавление мешающих параметров при измерении толщины покрытий и стенок изделий;

- анализ физических и геометрических характеристик контролируемых изделий, условий проведения измерений и формирование требований к эталонным мерам толщины покрытий и изделий, обеспечивающих требуемую достоверность результатов при градуировке, поверке, калибровке и измерениях. На основании требований разработка технологии изготовления и выпуск комплекта эталонных металлических и диэлектрических мер толщины;

- разработка многофункционального электромагнитного прибора и комплекта вихретоковых и магнитоиндукционных измерительных преобразователей к нему для измерения толщины номенклатуры за-

щитных покрытий и стенок диэлектрических и электропроводящих неферромагнитных изделий при изготовлении и эксплуатации;

- комплексные экспериментальные исследования электромагнитного прибора и первичных измерительных преобразователей на эталонных мерах толщины и реальных изделиях в лабораторных и производственных условиях;

- разработка методик градуировки, поверки, калибровки и проведения измерений, в том числе, с использованием автоматизированных систем сканирования, сбора, обработки, хранения и представления результатов;

- организация серийного производства приборов, первичных измерительных преобразователей и эталонных мер толщины, проведение их государственные испытания и организация метрологической службы для первичной и периодической поверок;

- внедрение приборов и автоматизированных системы на их базе на ведущих предприятиях машино-, судо-, авиа- и ракетостроения.

Научная новизна работы:

- разработаны модель и теоретические положения, на основании которых рассчитаны оптимальные параметры геометрически подобных магнитоиндукционных первичных измерительных преобразователей для измерения толщины диэлектрических и электропроводящих нефер-ромагнитых покрытий в широком диапазоне толщин;

- разработаны принципы построения измерительных магнитоиндукционных преобразователей, формирования пробной энергии и тестовые алгоритмы обработки первичной измерительной информации, позволяющие подавить мешающие параметры в широком диапазоне их вариации;

- выполнен теоретический и экспериментальный анализ задачи измерения электропроводящих неферромагнитных покрытий на изделиях из цветных металлов с использованием вихретоковых частотных преобразователей, получены зависимости чувствительности и погрешности измерения от контролируемого и основных мешающих параметров, обоснованы возможные области их применения;

- на основании теоретического анализа показана возможность выбора положения начальных точек отсчета на комплексной плоскости для вихретоковых фазовых и амплитудно-фазовых преобразователей, обеспечивающих подавление мешающих параметров при измерениях, и разработана методика их расчета;

- сформирована модель вихретовового амплитудно - фазового преобразователя, выполнены анализ и количественная оценка влияния мешающих параметров, на основании результатов которых разработан и запатентован универсальный совмещенный вихретоковый амплитудно-фазовый вторичный измерительный преобразователь, а также разработано семейство геометрически и электрически подобных первичных измерительных преобразователей;

- разработаны теоретические положения, структура измерительного преобразователя, а также запатентован способ измерения толщины электропроводящих неферромагнитных покрытий на электропроводящих неферромагнитных основаниях вихретоковым амплитудно - фазовым методом;

- выполнен теоретический анализ задачи измерения толщины электропроводящих неферромагнитных изделий, в том числе углепла-стиковых, с использованием вихретоковых фазовых и амплитудно-фазовых преобразователей, разработаны методики выбора оптимальных параметров и совмещенные измерительные преобразователи;

- разработаны модель и основные теоретические положения, описывающие вихретоковый линейный фазовый преобразователь над электропроводящим неферромагнитным изделием, рассчитаны универсальные зависимости, описывающие его работу и позволяющие определить его оптимальные параметры при контроле глубины расслоений уг-лепластиковых материалов;

- выполнены теоретический и экспериментальный анализ мешающих параметров, теоретический анализ задачи обеспечения заданной достоверности измерения толщины покрытий и изделий, на основании которых сформулированы требования и разработаны методики изготовления эталонных мер толщины металлических и диэлектрических покрытий, а также методики градуировки, поверки и калибровки первичных измерительных преобразоватетелей в составе электромагнитных толщиномеров;

- разработаны методики измерения толщины защитных покрытий всех типов (также многослойных) на электропроводящих ферро- и неферромагнитных материалах с подавлением мешающих параметров;

- разработаны методики измерения толщины диэлектрических и электропроводящих неферромагнитных изделий с подавлением мешающих параметров, в том числе с использованием автоматизированных систем сканирования, сбора и представления информации.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Разработанные модели, принципы построения и оптимизации электрически и геометрически подобных фазовых и амплитудно-фазовых вихретоковых первичных измерительных преобразователей и способы их балансировки учитывают влияние контролируемых и мешающих параметров, а выявленные универсальные зависимости параметров и характеристик позволяют на их основе разработать измерительные преобразователи, обеспечивающие заданные чувствительность и достоверность измерений толщины металлических покрытий и стенок изделий при подавлении влияния мешающих параметров в широких диапазонах их вариации.

2. Теоретически и экспериментально подтвержденная возможность измерения толщины электропроводящих неферромагнитных покрытий на изделиях из цветных металлов с использованием вихретоковых частотных преобразователей и полученные графические зависимости могут быть использованы для оценки чувствительности и погрешности измерения от контролируемого и основных мешающих параметров и обоснования области их применения.

3. Разработаная модель вихретокового линейного фазового преобразователя над многослойным электропроводящим изделием, учитывающая взаимодействие электромагнитного поля с электропроводящим неферромагнитным полупространством, обеспечивает возможность выявления расслоений углепластиковых материалов путем получения универсальных зависимостей, позволяющих определить оптимальные параметры преобразователя при контроле глубины залегания расслоений углепластиковых материалов.

4. Принципы построения модели, расчета и оптимизации магнитной системы позволяют разработать семейство геометрически подобных абсолютных магнитоиндукционных первичных измерительных преобразователей для толщиномеров защитных покрытий, обеспечивающих, при заданных габаритах, максимальную чувствительность в требуемых диапазонах измерения с разбиением на группы по назначению, а разработанная структура магнитоиндукционного измерительного преобразователя и принципы формирования импульсного магнитного поля, отличного от гармонического синусоидального, а также использование в качестве первичного информативного параметра площадей наведенных ЭДС, в совокупности с тестовыми методами обработки первичной измерительной информации, обеспечивают подавление влияния меша-

ющих параметров в широком диапазоне их вариации при измерении толщины неферромагнитных покрытий и изделий.

5. Разработанные и аттестованные комплекты металлических и диэлектрических эталонных мер толщины, толщиномеры и преобразователи, методики градуировки, двухточечной и одноточечной калибровки, контроля и мониторинга (в том числе с использованием автоматизированных систем) обеспечивают заданные достоверность и производительность измерений в цеховых и полевых условиях.

Практическая значимость результатов диссертационной работы заключается в разработке и апробации:

- способов и методик измерения толщины защитных покрытий на металлических и диэлектрических изделиях с подавлением мешающих параметров;

- способов и методик измерения толщины стенок диэлектрических и электропроводящих неферромагнитных изделий с подавлением мешающих параметров;

- многофункциональных электромагнитных толщиномеров "Константа К5" и "Константа Кб" и комплектов магнитоиндукционных, вих-ретоковых частотных, фазовых и амплитудно-фазовых преобразователей для измерения толщины защитных металлических и диэлектрических покрытий (от 1 мкм до 180 мм), а также толщины стенок диэлектрических и электропроводящих неферромагнитных металлических и углепластиковых изделий в диапазоне от нескольких мкм до 120 мм;

- эталонных мер толщины металлических и диэлектрических покрытий, обеспечивающих требуемые достоверность градуировки, поверки, калибровки и измерений с использованием магнитоиндукционных, вихретоковых частотных, фазовых и амплитудно-фазовых измерительных преобразователей;

- программно-аппаратных автоматизированных систем сканирования, сбора, обработки и представления результатов измерений, в том числе для мониторинга толщины покрытий и стенок крупногабаритных изделий в процессе производства и эксплуатации;

- методик измерений защитных покрытий и стенок изделий для ведущих предприятий энергетического комплекса, машино-, ракето-, судо-и авиастроения;

- результатов диссертационных исследований, используемых в учебном курсе "Методы и приборы контроля размеров" по специальности 200100 «Приборостроение» в Национальном минерально-сырьевом

университете "Горный".

Личный вклад автора в работу. Диссертация является итогом более чем двадцатилетней работы автора по тематике, связанной с проблемой комплексного, а том числе автоматизированного, контроля и мониторинга качества защитных покрытий, а также стенок изделий из металлических и композиционных материалов в процессе производства и эксплуатации. Автор диссертации осуществлял постановку задач исследований, непосредственно участвовал в разработке моделей, постановке задач расчетов, разработке методик экспериментов, проведении измерений, интерпретации полученных результатов и создании на этой основе соответствующих моделей изучаемых объектов контроля, разработке средств измерения и методик их градуировки, поверки, калибровки и проведения измерений, установил новые зависимости.

Реализация (внедрение) результатов работы. Результаты диссертационной работы были переданы для разработки многофункциональных приборов контроля геометрических параметров изделий серии «Константа» и автоматизированных систем контроля. Произведено более 6000 приборов, которые используются на таких ведущих предприятиях России как ГКНПЦ им. М.В. Хруничева, Судостроительный завод «Северная верфь», Воронежское акционерное самолетостроительное общество, Долгопрудненское научно-производственное объединение, ряде предприятий СНГ, Европы и Азии.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 47 конференции Британского института неразрушающего контроля NDT 2008 (Cheshire, 2008); 17 Всемирной конференции по неразрушающему контролю WCNDT 2008 (Shanghai, 2008); отраслевой научно-технической конференции «антикоррозионная защита 2010» (Москва, 2010); на 10 Европейской конференции по неразрушающему контролю ECNDT 2010 (Москва, 2010); XIX Всероссийской научно-технической конференции по неразрушающему контролю и технической диагностике (Самара, 2011); 50 конференции Британского института неразрушающего контроля NDT 2011 (Telford, 2011); отраслевой научно-технической конференции «антикоррозионная защита 2012» (Москва, 2012); 18 Всемирной конференции по неразрушающему контролю WCNDT 2012 (Durban, 2012); 51 конференции Британского института неразрушающего контроля NDT 2012 (Northamptonshire, 2012) и др.

Результаты диссертации в полной мере освещены в 41 печатной работе, из них 2 монографии, 15 научных статей в 5-ти рецензируемых научных журналах, входящих в перечень изданий ВАК Минобр-науки России, 7 авторских свидетельств и 3 патента на изобретения.

Объем и структура. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы. Общий объем диссертации 359 страниц и список используемых источников из 184 наименований. В состав основной части входят 292 рисунка и 17 таблиц.

Содержание работы.

Во введении обоснована актуальность темы работы, сформулированы цель исследований и постановка задач. Указана научная новизна и практическая ценность работы, а также основные научные положения, выносимые на защиту, реализация (внедрение) результатов работы, личный вклад автора в работу и апробация работы.

В первой главе выполнен анализ задач измерения толщины покрытий и стенок изделий машино-, судо-, авиастроения и энергетики, применимости видов НК для их решения, состояния приборов электромагнитного НК и мониторинга, поставлены задачи исследований.

Во второй главе представлены результаты теоретического обоснования применимости вихретоковых фазового, амплитудно-фазового, частотного методов и магнитоиндукционного метода для решения рассмотренных задач измерения толщины покрытий и стенок изделий, выполнен анализ контролируемых и мешающих параметров.

В третьей главе рассмотрены методические принципы построения электрически и геометрически подобных измерительных преобразователей, вопросы разработки и оптимизации алгоритмов измерения толщины защитных покрытий и стенок изделий различного назначения.

В четвертой главе на основании критического анализа основных принципов стандартизации в области измерения толщины покрытий и изделий сформулированы требования и разработаны комплекты металлических и диэлектрических мер толщины, рассмотрены вопросы влияния геометрических и физических мешающих параметров объектов контроля на достоверность измерений, разработаны методики градуировки, поверки и калибровки измерительных преобразователей.

В пятой главе выполнены сравнительные экспериментальные исследования разработанных толщиномеров и первичных измерительных преобразователей на эталонных мерах толщины и в производственных условиях, изложены результаты разработки методик контроля

и мониторинга, в том числе с использованием автоматизированных систем сканирования, сбора и обработки результатов.

В заключении отражены обобщенные выводы по результатам исследований.

Защищаемые положения диссертации

1. Разработанные модели, принципы построения и оптимизации электрически и геометрически подобных фазовых и амплитудно-фазовых вихретоковых первичных измерительных преобразователей и способы их балансировки, учитывающие влияние контролируемых и мешающих параметров, а также выявленные универсальные зависимости параметров и характеристик позволяют на нх основе разработать измерительные преобразователи, обеспечивающие заданные чувствительность и достоверность измерений толщины металлических покрытий и стенок изделий при подавлении влияния мешающих параметров в широких диапазонах их вариации.

На основании анализа векторных диаграмм двух- и четырехобмо-точных вихретоковых трансформаторных первичных измерительных преобразователей в качестве основной для расчета и проектирования чувствительных элементов выбрана схема абсолютного трансформаторного четырехобмоточного скомпенсированного измерительного преобразователя (рис. 1.1), разностное напряжение Д и (в общем случае равное вносимому {/„и) на выходе которого функционально зависит от контролируемого и мешающих параметров.

Рис. 1.1. Структурная электрическая схема абсолютного трансформаторного четырехобмоточного скомпенсированного измерительного преобразователя: Г -генератор, У - усилитель, IV, и IV,, - обмотки возбуждения и измерительная чувствительного элемента, IVвк и IV к - обмотки возбуждения и компенсационная компенсационного элемента, ФП - функциональный преобразователь

Для анализа характеристик чувствительных элементов с круго-

выми обмотками удобно использовать обобщенный параметр /? = где Я - эквивалентный радиус обмотки возбуждения;

ю - круговая частота тока возбуждения; а - электропроводность основания; (ы0 - магнитная постоянная; ц.г- относительная магнитная проницаемость объекта.

Относительное вносимое напряжение

и' =ЛдГ.У, (Шн)■/, (ЛЯ,, у^'-" 1Х0с1Л

N М о (1)

г У-яОЪ + чО'^-У + чОЬг-ч*-*"- = ^ +

Хо (А + ЧгМЧг + Чз)«7««* ~ (А ~ Чд<Яг ~ чА*'^

где Тп - толщина металлического покрытия; Лв - эквивалентный радиус обмотки возбуждения; Дц - эквивалентный радиус измерительной обмотки; г„, гв - расстояние от измерительной обмотки и обмотки возбуждения до поверхности изделия соответственно; ¿(кЯ^ - функция Бесселя первого порядка; к - параметр преобразования; <л = оп - электропроводность покрытия; о0- электропроводность основания, М-коэффициент начальной взаимоиндукции между обмотками; со = 2л/-круговая частота тока возбуждения, \Щ - напряжение на обмотке IV,, в отсутствие изделия.

Амплитуда и фаза относительного вносимого напряжения:

Ш = ¿И^нГ + Ч^н]* ' Ф = агад (2)

С целью определения применимости методов для рассматриваемых задач измерения был выполнен анализ годографов иън абсолютного трансформаторного четырехобмоточного измерительного преобразователя над ферро- и неферромагнитным полупространством для фазового и амплитудно-фазового методов измерения толщины Т„ покрытий на электропроводящих основаниях, а также толщины Т„ электропроводящих изделий при вариации контролируемых и мешающих параметров (рис. 1.2).

На основании анализа возможных структур чувствительных элементов, принципов их экранирования, а также принципов их подключения и балансировки разработаны схемы вихретоковых фазового и амплитудно-фазового толщиномеров (рис. 1.3), а также комплект геометрически и электрически подобных первичных измеритель-

13

ных преобразователей (например, представленный на рис. 1.4).

задач измерения толщины: - электропроводящих неферромагнитных покрытий на электропроводящих ферромагнитных основаниях (1); - электропроводящих ферромагнитных покрытий на электропроводящих ферромагнитных основаниях (2); -стенок электропроводящих неферромагнитных изделий (3); - электропроводящих неферромагнитных покрытий на электропроводдящих неферромагнитных основаниях (4 - для а„ <оп, 5 - для оп > ап, 6 - для частотного преобразователя)

До настоящего времени трудность применения выше перечисленных методов вихретокового вида НК обуславливается необходимостью изготовления с высокой точностью нескольких обмоток, а также сложностью функциональных преобразований для определения первичных информативных параметров и непроработанностью методик подавления мешающих параметров в широком диапазоне их изменения: внешних магнитных полей сетевого напряжения частотой 50Гц и импульсных электромагнитных полей преобразователей энергетического оборудования и средств связи, импульсных высокочастотных наводок от микроконтроллеров измерительных преобразователей, температуры 1° окружающей среды и объектов контроля, шероховатости К7 поверх-

ности изделия (покрытия), радиуса г объекта контроля, расстояния Ь от оси преобразователя до края изделия, девиации магнитной проницаемости изделия (роен или |д„) и покрытия (ц„), девиации электропроводности изделия (аосн или аи) и покрытия (ап), зазора И и его девиации.

Отличительной особенностью является размещение электронных элементов схемы в корпусе преобразователя.

Для оптимизации параметров вихретоковых фазовых и амплитудно-фазовых преобразователей, а также методик проведения измерений с подавлением мешающих параметров, разработана модель накладного двухобмоточного трансформаторного преобразователя над объектом контроля (рис. 1.5).

Анализ модели проводился для задач измерения электропроводности, толщины стенок изделий (в том числе углепластнковых), толщины электропроводящих неферромагнитных покрытий на электро-проводящих ферро- и неферромагнитных материалах, а также ферромагнитных электропроводящих покрытий на электропроводящих ферромагнитных материалах. Для этих задач расчитаны годографы и получены универсальные зависимости чувствительности к изменению контролируемых параметров (в безразмерной форме) и геометрических характеристик преобразователей, а также зависимости дополнительной погрешности измерения от вариации мешающих параметров.

На рис. 1.6. представлены зависимости годографов и*вн от контролируемого и мешающих параметров для задачи измерении толщины стенки электропроводящих неферромагнитных изделий.

Показано, что на комплексной плоскости существуют начальные точки отсчета разности фаз, позволяющие отстроиться от влияния мешающих параметров в требуемом диапазоне и описан алгоритм их вычисления (рис. 1.7).

Полученные зависимости позволяют производить выбор параметров преобразователей и контроля, обеспечивающих необходимую погрешность измерения в требуемом диапазоне мешающих параметров.

Для задач измерения толщины электропроводящих покрытий на электропроводящих основаниях в диапазоне малых Т„ разработана конструкция чувствительного элемента амплитудно-фазового преобразователя с дистанционной шайбой из электропроводящего материала в защитном колпачке (рис. 1.4). и способ измерения, иллюстрируемый рис. 1.8 для задачи «оловянное покрытие на латуни».

ч,<1)

б)

Рис. 1.3. Структурные схемы толщиномеров, реализующих фазовый метод с компенсацией температурного дрейфа (а) и амплитудно-фазовый метод (б) вихре-токового вида НК. Г - генератор гармонического напряжения, СБ - схема балансировки, УВ. УП - усилители, К - компаратор, ФД - фазовый детектор, СД - синхронный детектор, ФНЧ - фильтр низкой частоты, АЦП - аналоге - цифровой преобразователь, МК - микроконтроллер, ЦПУ - центральное процессорное устройство.

3 2 1

4

Рис. 1.4. Накладной вихретоковый амплитудно-фазовый преобразователь с миниатюрным чувствительным элементом и сменным защитным колпачком (б): 1 -измерительная, 2 - возбуждающая и 3 - компенсационная обмотки, 4 - ферритовый сердечник, 5 - защитный колпачок, б- корпус

Рассчитаны зависимости и*вн от контролируемого и мешающих параметров (рис. 1.9), разработаны методики выбора параметров малогабаритного измерительного преобразователя, начальных точек отсчета и проведения измерений электропроводящих неферромагнитных покрытий на электропроводящих ферромагнитных основаниях.

114 Чаи

О 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

11т Оа

0.01 0.01 ооз о.м оде оде о.от ода о.оо

- Т*=0.08 —|---->

^ К*_(Т=0,08)

0.01 002 од^ ^ц.(Т*-о.2) о.от ооа ооэ

-0.75

-0.25

-0.5

-0.75

-125

-15

1т ит

О 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

Ч.

йеи^

7 С(Т„=О,Т„=55М0)

Рис. 1.8. Зависимость комплексного вносимого напряжения и*ш от Рис. 1.6. Годографы (У*ш при изменении контролируемого и мешающих параметров для измеряемого и влияющих параметров для стандартного преобразователя (а) задачи измерения толщины стенки электропроводящих неферромагнитных изделий. и сетка годографов £У*В„(ГШ И) для преобразователя с дистанционной шайбой

(б).

в)

Рис. 1.9. Зависимость С/*Вн(Р, Тп*, к*) от контролируемого параметра, параметров первичного измерительного преобразователя и объекта контроля: для200 кГц (а), для/« 2 МГц (б), годографы 0*пн (Т* ,/?*) и отсчетные кривые для диапазонов допускаемого изменения А* от 0 до 0,4; от 0,4 до 0,8; от 0,1 до 1; от 0,8 до 1,4 для2

МГц (в).

О 0,05 0,1 0,15 0,2 0.25 0,3 0,35 0.4 0,45 0,5 h'

Рис. 4.4. Примеры первичных измерительных преобразователей первой, второй и третьей групп

20ms , 20ms 20ms

e(t,h)

Рис. 4.5. Совмещенные зависимости относительных потокосцеплений для преобразователей первой (1), второй (2) и третьей (3) групп (4 и 5 - линии семипроцентного допуска)

ям?

Область покрытия

а)

б)

в)

Рис. 5.1. Эталонная мера толщины металлического покрытия

Рис. 5.2. Многофункциональный прибор измерения геометрических параметров изделий «Константа 6ц» с преобразователями (а) и комплекты мер толщины диэлектрических (б) и

металлических (в) покрытий

а)

б)

Рис. 4.7. Временные диаграммы, иллюстрирующие алгоритм преобразования магнитоиндукционного толщиномера

Рис. 5.3. Преобразователь для механизированной установки контроля покрытий внутри труб (а) и трехкоординатная мобильная автоматизированная система контроля толщины покрытий и стенок крупногабаритных оболочек (б)

Рис. 1.5. Модель накладного абсолютного трансформаторного двухобмоточ-ного преобразователя, расположенного над электропроводящим неферромагнитным объектом контроля, контролируемые и мешающие параметры

Для задачи измерения толщины электропроводящих ферромагнитных покрытий на электропроводящих ферромагнитных основаниях затруднено получение универсальных зависимостей для выбора характеристик преобразователей и оценки влияния мешающих параметров. Данная задача была рассмотрена для покрытий из электролитического (гальванического) никеля как наиболее распространенная (рис. 1.10).

-0.0»

-0.03

-0.02

■0.01

вн 0,01

Гч* 0,01

-чу T'oJhV С л рх 0 ч з\

(д 1апазон h 'r..h*3) -0,01 Х.у» * Г (13

ReU

вн

>

•0,02

Рис I 7 Годограф (У*вн (Г*, И*) и отсчетиые кривые для диапазонов допускаемого изменения И* от 0,02 до 0,08 (1); от 0,06 до 0,14 (2); от 0,1 до 0,2 (3); от 0,14 до 0,26 (4)

Рис. 1.10. Зависимость ¿/*вн(Р,Гп*,/?*, цп) от контролируемого параметра, параметров первичного измерительного преобразователя и параметров объекта контроля: а) для/=200 кГц, б) для/= 2 МГц.

2. Теоретически и экспериментально подтвержденная возможность измерения толщины электропроводящих неферромагнитных покрытий на изделиях из цветных металлов с использованием вихретоковых частотных преобразователей и полученные графические зависимости могут быть использованы для оценки чувствительности и погрешности измерения от контролируемого и основных мешающих параметров и обоснования области их применения.

При рассмотрении вихретокового частотного (параметрического) метода объектом исследования является возбуждаемая переменным током ;'(/) обмотка IVв с собственной индуктивностью Ьв0и собственным активным сопротивлением г „о, располагаемая с зазором к над электропроводящим основанием с электропроводящим покрытием толщиной Тп. Индуктивность катушки 1вт(/г, Т„) = (Ф(й =<х>) - Фвт(/г, Т„))/1, где Ф(И =оо) и Фвт(/7, Тп) - действующие значения магнитных потоков, а / - действующее значение тока. Таким образом, при включении обмотки в резонансный контур автогенераторной схемы (рис. 2.1) частота колебаний

контура будет зависеть от вносимых индуктивности и сопротивления ¿в», гт {И, Г„, о„, аосн, ц0С1„ г, Ц, определяющих изменение реактивной и активной составляющих комплексного сопротивления обмотки. Соответственно будет изменяться и {/„„ (линии 6 на рис. 1.2).

На основании выполненного анализа выделен частотный (параметрический) метод с использованием однообмоточных первичных измерительных преобразователей как потенциально возможный для измерения толщины электропроводящих неферромагнитных покрытий на электропроводящих неферромагнитных основаниях.

Микроконтроллер

Таймер2 Кварцевый

генератор

ЦПУ

кв

Таймер2[

ЯТп)/х

Преобразователь X

С1Т1Уе

Рис. 2.1. Структурная схема толщиномера с первичным измерительным преобразователем, реализующая частотный метод вихретокового вида НК

Частота колебаний автогенератора Г (Та) = 1/2я(7!ТетЖ), где Сэ= С\С2/(С\ + С2) - эквивалентная емкость.

Разработаны миниатюрные первичные измерительные преобразователи (например, рис 2.2) с эквивалентным радиусом обмотки Я ~ 1 мм и получены соотношения для расчета их оптимальных параметров: /опт « (0,6...0,8)/(лц0<т„ Гамаке); Ял/2иГ0пт = ^пИо/Э при р = 60 ... 200.

На рис. 2.3, а представлены зависимости 1(ТН)^1„(ТП)/1(И =°о) при/.эоо- 6,8 МГц для трех типовых задач измерений, соответствующих о„ » а0 (медь/латунь ЛС59), ол « о0 (олово-висмут/медь), ап < о0 (олово/латунь ЛС59) и совмещенные зависимости для определения влияния

мешающих факторов (б).

Выполненные исследования и анализ показали, что:

- при оп > о0 приемлемые результаты измерений достигаются на плоских изделиях и изделиях с малой неизменной погибыо, а также на

образцах - свидетелях;

- в случае о„ « о0 метод применим при измерении покрытий малой толщины (до 10 мкм) на хорошо подготовленных плоских образ-

цах - свидетелях и при измерении покрытий толщиной более 20 ... 30 мкм на квазиплоских изделиях.

Рис. 2,2. Накладной вихретоковый частотный преобразователь для измерения толщины диэлектрических и гальванических покрытий на малоразмерных деталях и его чувствительный элемент: I - ферритовый сердечник, 2 - экран из ферри-тового кольца, 3 - обмотка, 4 - корпус для сборки и запивки.

I

а) б)

Рис. 2.3. а) зависимости /(Гп) для трех типовых задач измерения толщины неэкра-нированным преобразователем (1 - олово/латунь ЛС59; 2 - олово-висмут/медь; 3 -медь/латунь ЛС59) и экранированным преобразователем (4 - олово/латунь ЛС59; 5 -олово-висмут/медь; 6 - медь/латунь ЛС59) и 6) совмещенные графики зависимостей 1(К) (кривые 4, 5, и 6) и /(Г„) (1 - олово/латунь ЛС59; 2 - олово-висмут/медь; 3 -медь/латунь ЛС59) для неэкранированного преобразователя.

При обеспечении указанных условий проведения измерений толщины возможно достижение абсолютной допустимой погрешности измерения на уровне ± 1 мкм.

Особое внимание при снятии градуировочных характеристик и эксплуатации преобразователей следует уделить подготовке и аттестации эталонных металлических мер толщины покрытий.

20

3. Разработанная модель вихретокового линейного фазового преобразователя над многослойным электропроводящим изделием, учитывающая взаимодействие электромагнитного поля с электропроводящим неферромагнитиым полупространством, которая обеспечивает возможность выявления расслоений углепластико-вых материалов путем получения универсальных зависимостей, позволяющих определить оптимальные параметры преобразователя при контроле глубины залегания расслоений углепластиковых материалов.

Большинство углепластиковых конструкций можно рассматривать как многослойные изделия, у которых в процессе производства и эксплуатации могут образоваться расслоения, которые необходимо выявлять и определять глубину их залегания. При этом объект контроля следует рассматривать как многослойную электропроводящую неферромагнитную пластину толщиной Г и электропроводностью а, каждого слоя. Можно говорить о некотором интегральном значении электропроводности с„ объекта контроля в объеме распространения вихревых токов. Исследования показали, что для большинства изделий сн ~ 5 ... 40 кСм/м и может сильно варьироваться (до± 10 ... 15 %).

Представляет интерес использование линейных проводников для формирования вихревых токов в изделии. Линейный участок проводника с гармоническим током /(/), параллельный поверхности электропроводящего изделия, а также картина создаваемых им вихревых токов /„(0 в сечении, проходящем через проводник перпендикулярно к поверхности, представлены на рис. 3.1, а. В случае наличия расслоения картина вихревых токов претерпит изменения, возникнут два контура вихревых токов /в(0 и /ДО. представленные на рис. 3.1, б. Здесь же представлена предлагаемая схема обмоток чувствительного элемента линейного тангенциального преобразователя.

Квадратная обмотка возбуждения \Ув2 одной из сторон длиной I устанавливается на изделие и создает вихревой ток /в(0- Измерительная обмотка находится в плоскости обмотки Вносимое напряжение иен на измерительной обмотке \¥л будет зависеть, в том числе, от наличия расслоений и глубины их залегания. Если при сканировании поверхности изделия преобразователь будет пересекать расслоение, сопоставимое по размерам с его зоной контроля, то картина вихревых токов изменится, появятся два контура вихревых токов в каждом из слоев из-

делия, что вызовет изменение амплитуды и фазы 01 _

-------1. №и

ш

........

ЕЮ

<,Т(0 / • ' * ''г(0

а.} 6)

Рис.3.1. Чувствительный элемент преобразователя для выявления внутренних расслоений: ¡>Ув2 - обмотка возбуждения, IV» - измерительная обмотка. Картина распределения вихревых токов в плоскости обмоток: а - без расслоения, б - при расслоении

В качестве обобщенного параметра предлагается принять величину Р2 = ¿(2л/цо<Э|)'/2- Для обеспечения приемлемой чувствительности при контроле расслоений величину будем выбирать на уровне порядка 0,5 ... 2. Максимальная толщина контролируемых изделий должна выбираться из условия Г,пах ~ 1,48 и оптимальное значение /опт ~ 1,96/(лц0а„Г2тах).

На рис. 3.2 представлена зависимость относительного вносимого напряжения £/*„„ = {/*вн/|£/*0| от толщины Г (кривая 2). Кривая 3 - зависимость {/*„„ от положения расслоения по глубине 2.

Рис. 3.2. Зависимость комплексного вносимого напряжения б"*Ю1от глубины залегания расслоения 2 для изделия с параметрами Т= 3,6 мм, а;= 35 кСм/м (Е: 2 = 0,6 мм, Р: г = 1,8 мм. С: 2= 3 мм )

При толщине слоя углепластикового полотна 0,6 мм во всем диапазоне изменения г обеспечивается приемлемая чувствительность, позволяющая уверенно выявлять расслоения при указанной девиации ои.

Линия отвода 4 иллюстрирует влияние И. Рассчитанные годографы носят универсальный характер.

Градуировка преобразователей должна производится на эталонных образцах с искусственными (заложенными) расслоениями, изготавливаемых по технологии производителя.

Абсолютная погрешность измерения глубины залегания дефекта не превышает половины толщины слоя полотна.

4. Принципы построения модели, расчета и оптимизации магнитной системы позволяют разработать семейство геометрически подобных абсолютных магнитоиндукциопных первичных измерительных преобразователен для толщиномеров защитных покрытий, обеспечивающих, при заданных габаритах, максимальную чувствительность в требуемых диапазонах измерения с разбиением на группы по назначению, а разработанная структура магнитоин-дукционного измерительного преобразователя и принципы формирования импульсного магнитного поля, отличного от гармонического синусоидального, а также использование в качестве первичного информативного параметра площадей наведенных ЭДС, в совокупности с тестовыми методами обработки первичной измерительной информации, обеспечивают подавление влияния мешающих параметров в широком диапазоне их вариации при измерении толщины неферромагнитных покрытии и изделий.

На основании анализа процессов возбуждения переменного низкочастотного магнитного поля и принципов анализа его изменения при взаимодействии с ферромагнитными изделиями разработана обобщенная структурная схема измерительного преобразователя магнитоиндук-ционного толщиномера (рис. 4.1).

В общем случае первичный измерительный преобразователь должен содержать несколько включенных последовательно первичных обмоток и включенные последовательно/параллельно вторичные компенсационные и измерительную обмотки, намотанные на единый или раздельные сердечники из диэлектрических или ферромагнитных материалов.

При традиционном возбуждении гармонического магнитного поля током /(/) синусоидальной формы /(<) = /05т(2тг/0 первичный информативный параметр - амплитуда наведенной на вторичной обмотке

ЭДС e(t, h) = {M\2 +Mm(h))(di/dt) = (Mi2 +Мв„(/г))2л/ I0cos(2nft), где M,2 и Mm(h) - коэффициент взаимоиндукции обмоток и вносимый коэффициент взаимоиндукции, соответственно.

Анализ показал, что традиционные структура измерительных преобразователей, а также конструкция и геометрические характеристики чувствительных элементов не оптимальны. Они не обеспечивают требуемых чувствительности и локальности в рассматриваемых диапазонах измерений. Оптимизация конструкции чувствительных элементов с внешними ферромагнитными экранами и их геометрических характеристик, позволит обеспечить требуемые для рассматриваемых задач измерения метрологические характеристики.

На основании анализа структур магнитоиндукционных первичных измерительных преобразователей сформулированы показатели их качества: чувствительность d/dA(MB„(A)) в заданном диапазоне толщин покрытий hmaxt минимально возможный диаметр зоны измерения 0ИЗМ на плоской поверхности (при заданных погрешности измерения ДА и диапазоне hmm), определяющий величину L краевого эффекта и минимально возможный радиус кривизны контролируемых криволинейных поверхностей, конструктивное исполнение, массогабаритные и эргономические показатели, износостойкость, температурная и временная стабильность показаний, простота и удобство эксплуатации. В общем случае предлагаемая геометрическая модель абсолютного первичного измерительного преобразователя с внешним экраном из ферромагнитного материала представлена на рис. 4.2, а.

Рассмотрим данную модель для постоянных магнитных полей. Отношение ф(А)=(Л/|2+Л/вн(/г))/М I2= I +MiB„(/i)/4/i2 показывающее, во сколько раз коэффициент взаимоиндукции при некотором значении h больше коэффициента взаимоиндукции при h - аз, будем называть относительным коэффициентом вносимой взаимоиндукции, определяющим чувствительность.

Для расчета двумерной картины магнитного поля был применен метод конечных элементов, при котором искомый в узловых точках скалярный магнитный потенциал фЛ/ каждого конечного элемента представлен в виде полинома, с постоянными в пределах этого элемента коэффициентами q>w= а; + bp + с\у. После нахождения коэффициентов появляется возможность рассчитать магнитный потенциал в любой точке пространства модели. В простейшем случае формирование системы уравнений для расчета поля методом конечных элементов вы-

полняется методом наименьших квадрантов. В качестве минимизируемого функционала при этом выбрана величина, пропорциональная запасенной в пространстве магнитной энергии = 0,5'/ццо#2с1у. При этом энергия элементов определяется магнитными потенциалами узловых точек №=1¥{щ, ф2... ф„}, в том числе и общих.

Рис. 4.1. Обобщенная структура измерительного преобразователя магнито-индукционного толщиномера покрытий: ► - усилители; IV, и 1Г2 - первичная и вторичная обмотки чувствительного элемента; )УЩ и \Ук] - первичные и вторичные обмотки компенсационных преобразователей

По рассчитываемым магнитным потенциалам вычисляются магнитная индукция и напряженность магнитного поля, необходимые для расчета чувствительности величины вносимого потокосцепления ФВ1у(г, И) и вносимого коэффициента взаимоиндукции МВН(Л) для первичных преобразователей со сложной геометрией внешних и внутренних границ, имеющими подобласти модели с различными магнитными свойствами (рис. 4.2, б).

Под оптимальными геометрическими характеристиками первичного магнитоиндукционного измерительного преобразователя будем понимать такие характеристики и их соотношения, при которых достигается максимальная чувствительность во всех или в некоторой, требуемой, области диапазона измеряемых толщин при минимально возможном диаметре зоны измерения.

а) б)

Рис. 4.2. Геометрическая модель абсолютного первичного магнитоиидукци-онного измерительного преобразователя с внешним ферромагнитным экраном (а) и расчет линий магнитной индукции первичного магнитоиндукционного измерительного преобразователя при удалении от ферромагнитного объекта контроля и при установке на него (б).

При использовании программных продуктов, реализующих метод конечных элементов, можно сформулировать следующую постановку задачи расчета первичного магнитоиндукционного измерительного преобразователя: двухмерная, осесимметричная, стационарная, в общем случае нелинейная, с открытыми границами.

При рассмотрении были приняты соответствующие допущения и предложен вариант модели преобразователя со следующими относительными геометрическими характеристиками: 0С/0Э = 0.2; #с/0э = 1.25; U = /2=/э; ЯсФ= 20с(рис. 4.3).

Были выполнены расчеты для оптимизации расположения и геометрических характеристик первичной и вторичной обмоток, определения влияния Ясф и 0С/0Э.

На основании расчетов и технологических возможностей современных производств разработаны три группы первичных преобразователей (рис. 4.4): малогабаритных (hmax = 300 мкм); общего назначения (¿max = 2 мм); крупногабаритных с пределом измерения hmaii = 30 мм (Табл. 1), позволивших обеспечить требуемые диапазон измерения и чувствительность при меньших диаметрах зоны измерения.

lililí z

r i

6 ó ó ООО ó ó O ООО

oóo

ООО

О о ó

J.....из

W1

к

R„\

R>

411

V

Рис. 4.3. Модель экранированного магнигоиндукционного первичного измерительного преобразователя и точки анализа картины поля.

В частности, характеристики, представленные на рис. 4.5, достигаются при меньших в полтора - два раза диаметрах экрана, чем у традиционно используемых.

Таблица 1.

Оптимальные (достижимые) значения относительных геометрических характеристик для групп преобразователей

Относительная характеристика

0,/0э

/2/0,

Я2/0,

Преобразователь группы

0,45

0,23

0,6

0,42

0,18

0,2

0,45

0,13

0,08

Проведенные расчеты и эксперименты позволили также оптимизировать конструкцию и геометрические характеристики сердечника, применить в качестве материала для его изготовления конструкционные стали высокой твердости, в отличие от традиционно используемых магнитомягких, и разработать технологию нанесения неферромагнитных защитных покрытий, обеспечивающие малую истираемость.

Решение проблемы подавления влияния мешающих параметров, присущих конструкции и применяемым для изготовления преобразователей материалов, а также использованию синусоидальных гармонических магнитных полей и амплитуды ЭДС, наведенной на вторичной обмотке, может быть достигнуто разработкой методик измерения, использующих отличные от синусоидальной формы тока возбуждения /'(/) и тестовые методы повышения точности измерений. Рассмотренные

алгоритмы использования ступенчатого, линейно нарастающего и квазигармонического знакопеременного ¡(0, а также, в качестве первичного информативного параметра площади Я(т, И) наведенной на вторичной обмотке ЭДС е{1, И) на временном интервале Т, кратном периоду питающей сети и большем времени изменения тока от нуля до |/о| и, соответственно, большем времени существования вихревых токов

5{Т,К) = = />» + МвМШйьНг = (Ми + МШ(Ю)1

позволяет подавить влияние мешающих параметров.

Была разработана новая структура магнитоиндукционного толщиномера (рис. 4.6), позволяющего реализовать эти алгоритмы. Также были разработаны алгоритмы возбуждения магнитного поля и обработки первичной информации, представленные на рис. 4.7. Информативным параметром является код ДЛГ(А) = [ЛГ,(А) - - Н2(Ь)] = N,(/1) + 2Ы7(И) + Щй) = £[5 1(А)+252(А)+5з(А)]. При данном алгоритме формирования тока /'(¿) полностью исключается влияние вихревых токов и выполняется перемагничивание сердечника по полному частному циклу гистерезиса, исключающему его остаточное намагничивание, что позволяет применить закаленные магнитожесткие материалы высокой твердости для сердечников, устраняется влияние смещений электрических цепей. Полный цикл преобразования составляет 80 мс. Использование информативного параметра ДЛГ(/») позволяет устранить влияние сетевых наводок, существенно уменьшить влияние импульсных и высокочастотных наводок. Тактирование преобразования от микроконтроллера позволяет организовать алгоритм преобразования, уменьшающий влияние собственных шумов микроконтроллера.

!--выо

Рис. 4.6. Структурная схема магнитоиндукционного толщиномера. МК -микроконтроллер; ИП - импульсный преобразователь; ИТ - источник тока; У -

кет ♦ЗУ

усилитель

Использование данного алгоритма измерения в совокупности с

28

разработанными оптимальными первичными измерительными преобразователями позволило обеспечить требуемые чувствительность и диапазоны измерения при существенно меньших габаритах преобразователей, высокую температурную и временную стабильность работы и сократить потребляемую мощность.

Разработанные алгоритмы позволили, кроме того, реализовать экранные магнитоиндукционные преобразователи для измерения толщины стенок неферромагнитных крупногабаритных конструкций в цеховых условиях.

5. Разработанные н аттестованные комплекты металлических и диэлектрических эталонных мер толщины, толщиномеры и преобразователи, методики градуировки, двухточечной и одноточечной калибровки, контроля и мониторинга (в том числе с использованием автоматизированных систем) обеспечивают заданные достоверность и производительность измерений в цеховых и полевых условиях.

Произведенный анализ жизненных циклов производства и эксплуатации толщиномеров покрытий и изделий с точки зрения их качества - гарантированного обеспечения метрологических характеристик, в том числе, в процессе градуировки, государственных испытаний, поверки и калибровки в структуре государственной поверочной схемы для средств измерения толщины, показал, что одним из главных требований к средствам, применяемы для градуировки, поверки и калибровки, должно быть обеспечение возможности измерения не только передаваемого ими значения толщины, но и параметров покрытия (изделия) толщиномерам, т.е. эталонные меры должны быть изготовлены из материалов с известными свойствами, на величину которых реагирует градуируемый (поверяемый или калибруемый) толщиномер. Эта особенность толщиномеров покрытий и стенок изделий приводит к необходимости специфического подхода к их метрологическому обеспечению, не учитываемому в нормативной документации в полном объеме до настоящего времени. На основании этого, с учетом результатов исследований, сформулированы требования к характеристикам и номенклатуре комплектов мер толщины и образцовых оснований для градуировки, калибровки и поверки вихретоковых и магнитоиндукционных толщиномеров во всем диапазоне толщин. Представляет интерес обес-

печение требуемой достоверности результатов измерений с использованием общепромышленного станочного парка и измерительного оборудования, применяемого в условиях ЦЗЛ.

Совокупность мешающих параметров, действующих в процессе измерений толщины покрытий и изделий, можно подразделить на геометрические и физические величины. Геометрические величины: толщина основания Т0, диаметр D зоны измерения, радиус г кривизны поверхности изделия и ее шероховатость Rz, расстояние L от края, габаритные размеры, отклонение от плоскостности поверхности сторон основания. Физические величины: электропроводность, магнитная проницаемость, коэрцитивная сила, термоэлектрический коэффициент, атомный номер, показатель преломления, температура, внешние электромагнитные поля, вибрации.

Универсализация эталонных мер толщины покрытий и стенок изделий, применяемых для градуировки и поверки толщиномеров требует, чтобы они содержали все мешающие параметры, характерные для толщиномеров, а их значения находились в нормальной области. Эталонные меры толщины покрытий, применяемые для проведения государственных испытаний, должны содержать измеряемые мешающие параметры в диапазоне их допустимой вариации, оговоренной в технических условиях на толщиномер и преобразователи. Это позволит оценить величины дополнительных погрешностей, возникающих при вариации мешающих параметров и тем самым оценить погрешности измерений в условиях реальных производств и условий эксплуатации изделий. В частности, погрешность изготовления и аттестации меры Дм определяется погрешностями: ДА от неравномерности толщины покрытия меры; Д«то от шероховатости поверхности основания; Д/ízm от шероховатости поверхности покрытия; Дг от девиации радиуса основания; Дц

от разброса магнитной проницаемости покрытия и основания; Д01 и Да2 от разброса электропроводности покрытия и основания, соответственно; Д, от влияния температуры; Дст от старения металлов основания и покрытия в процессе эксплуатации; Дд от взаимной диффузии металлов покрытия и основания; ДА аттестации, определяемой методами, используемыми для аттестации меры.

Для магнитоиндукционных толщиномеров покрытий разработаны комплект эталонных металлических мер толщины (хром/сталь Ст20) и трехэтапная технология их изготовления, обеспечивающие однородность магнитных свойств осно- вания, требуемые геометрические

30

характеристики и погрешности при градуировке и при поверке Дh <± (0,01 h +1) мкм в диапазоне толщин до 2000 мкм (рис. 19), а также комплект диэлектрических эталонных мер толщины и образцовых стальных оснований, обеспечивающих А/г < ± (0,01 h +1) мкм в диапазоне толщин до 150 мм. Для вихретоковых толщиномеров разработаны комплекты эталонных металлических мер толщины (никель НМ/сталь Ст20), (никель НМ/медь МО), (никель Нм/титан BTI), (Хром Х.тв/12Х18Н10Т), (серебро/латунь) и др., обеспечивающие погрешность при градуировке и при поверке ДТ„ <± (0,01 Т„ +1) мкм в диапазоне толщин до 200 мкм (рис. 5.1).

Комплект эталонных мер толщины и оснований прошел Государственные испытания и применяется при производстве, поверке и эксплуатации вихретоковых и магнитоиндукционных толщиномеров.

В ряде случаев возникает необходимость производить калибровку толщиномеров на образцах реальной продукции с металлическими покрытиями. Для аттестации этих образцов разработана установка, реализующая метод шарового истирания и методика измерения толщины покрытий с погрешность ДГ,, <± 0,1 ... 0,2 мкм в диапазоне Т„ = 1 ...200 мкм, а также методика ее применения.

Основные трудности обеспечения достоверности результатов возникают при измерении малых толщин. Выполненный анализ характеристик измерительных преобразователей, геометрических и электрофизических мешающих параметров мер толщины и контролируемых объектов показал следующее: дополнительная погрешность измерения от влияния шероховатости Ацгм « ± 0,2RZ, дополнительная погрешность от влияния радиуса Дг = (200 ... 220) г *1,07, где г измеряется в миллиметрах, Дг - в микрометрах; минимальное допустимое расстояние без краевого эффекта до края изделия для экранированных преобразователей L » (0,1 ... 0,2)Д где D - внешний диаметра экрана; минимальная толщина основания для вихретоковых преобразователей Jom¡„ «» 2,5(я/цось)"0'5, для магнитоиндукционных rom¡n « (0,3 ... 0,4)D.

Выполненные исследования показали, что разброс электропроводности основания 02 реальной продукции из цветных металлов может достигать Дсг2 « ±(0,05 ... 0,1 )о2- Соответственно, для металлов и сплавов с электропроводностью а2 = 9 ... 60 МСм/м при Т„ < 20 мкм и эквивалентном радиусе обмоток R 1,5 мм это приведет к разбросу вносимой индуктивности порядка Д£вн ■=» ± (0,012 ...0,025)1вн- Следовательно, дополнительная погреш- ность измерения толщины металли-

ческих покрытий будет достигать До2« ± 1,2 мкм для а2 » 60 МСм/м и

Да2« ± 2 мкм для а2«= 9 МСм/м. Локальный разброс магнитной проницаемости р.2 магнитомягких сталей в пределах образца диаметром 50 мм может достигать 10 ... 20 %. В случае легированных сталей, подвергшихся закалке и шлифовке, разброс ц2 может составлять 40 ... 80 %. Локальный разброс магнитных свойств в области ± 50 % относительно среднего значения приведет к девиации показаний (дополнительной погрешности измерений Дй) от - 1,5 до + 0,7 мкм. При меньших ц2 Для легированных сталей этот разброс, в зависимости от марки материала, Дц может составлять от 1,5 до 4 мкм.

Преобразователи в области малых толщин допустимо градуировать на мерах толщины покрытий из металлических материалов (рабочих эталонах 2-го разряда) в нормальных условиях. Пределы допускаемых абсолютных погрешностей изготовления и аттестации рабочих эталонов 2-го разряда, изготавливаемых по разработанной технологии: (Д/?)рэ £ ± ((0,1 ... 0,3) + 0,025й) мкм.

Вихретоковые фазовые толщиномеры необходимо калибровать с помощью рабочих средств измерений - разработанных металличесикх мер толщины покрытий с различными сочетаниями материалов оснований и покрытий, сгруппированных по назначению, с пределом допускаемой абсолютной погрешности изготовления (ДА)рси ^ ± ((0,2 ... 0,3) + 0,05й) мкм или аттестованных с использованием установки шарового истирания образцах продукции. Магнитоиндукционные толщиномеры должны калиброваться на образцах реальной продукции без покрытий с использованием разработанных диэлектрических мер толщины со строгим учетом ресурса их использования.

Выпускаемые до настоящего времени толщиномеры, комплекты мер толщины и методики их применения, используемые в промышленности, не могут обеспечить заявленную Д(/з) 5 ±(0,01/7 +1) мкм в области малых толщин в условиях технологических разбросов физических и геометрических параметров изделий и внешней среды большинства производств и эксплуатирующих организаций. Выполнение измерений с усреднением по заданной зоне контроля или в пределах определенного количества изделий при указанных мешающих параметрах позволяет получить результат измерения толщины, характеризующий технологический процесс нанесения покрытия с подавлением примерно в л/п раз

разброса показаний, обусловленного мешающими параметрами. При п = 10 ... 15 можно говорить о возможности проведения измерений технологической толщины покрытий для рассмотренных методов измерения с Д/7 ^ ± (1... 2) мкм в области малых толщин с доверительной вероятностью Р = 0,95 ... 0,99. При установлении допусков на толщину покрытия необходимо провести исследование мешающих параметров, учесть их влияние.

Разработанные методики одноточечной и двухточечной калибровки с использованием металлических и диэлектрических мер толщины позволили существенно сократить номенклатуру и количество комплектов при обеспечении заданных погрешности и достоверности результатов последующих измерений.

На основании выполненных исследований спроектированы и освоен серийный выпуск многофункциональных приборов измерения геометрических параметров изделий серии «Константа» (рис. 5.2, а), комплектов мер толщины диэлектрических (рис. 5.2, 6) и металлических покрытий (рис. 5.2, в), выполнена их сертификация и разработаны методики градуировки, поверки, одно- и двухточечной калибровки и проведения измерений для применения в цеховых и полевых условиях в температурном диапазоне от минус 40 до + 50 °С.

Приборы реализованы на базе микроконтроллеров серии М8Р430, имеют малые габариты, комплектуются мерами толщины металлических и диэлектриических покрытий, эталонными образцами толщины стенок, магнитоиндукционными преобразователями серий ИД, ДА и ЭД, вихретоковыми фазовыми серии ФД, амплитудно-фазовыми серии АФД и частотными серии ПД для следующих задач измерения толщины:

- диэлектрических покрытий общего назначения в диапазоне толщин Ъ от 1 мкм до 3 мм с использованием преобразователей ИД1, ИД2 и ПД0 и ПД1. Абсолютная допустимая погрешность измерения Д/г < ± (0.01Л+0,00 Ц мм/

- специальных покрытий и стенок изделий большой толщины в диапазоне А от 2 мм до 150 мм с использованием преобразователей ИДЗ, ИД4, ИД5, ДАО, ДА1, ДА2 и ПДЗ - ПД6, ЭД2. ДИ < ± ((0,01...0,05)Л+(0,01 ...0.1», мм;

- металлических ферро- и неферромагнитных покрытий на изделиях из электропроводящих ферро- и неферромагнитных материалов (в том числе малоразмерных п с большой шероховатостью) в диапазоне Т„

от 1 до 300 мкм с использованием преобразователей ИДО, ИД1, ФД1 -ФДЗ. ДГП <± ((0,01 ...0,03)ГЛ +1)), мкм;

- многослойных покрытий большой номенклатуры на металлических изделиях (например, стальное основание/никель гальванический/лак; сталь/подслой меди/никель гальванический и др.) при толщине слоев до 200 мкм с использованием преобразователей АФД 1-0,1, АФДЗ-0,2 и АФДЗ-1,8. Преобразователи обеспечивают для первого слоя Д Г„ < ± (0,03Т„ +1)), мкм и для второго слоя Д/г <± (0,02/?+1)), мкм.

- электропроводящих нефорромагнитных металлических изделий в диапазоне толщин Гот 0,25 до 3 мм с использованием преобразователей ПФ-ТМ-6Э-А1 и ПФ-ТМ-11э-А1. ДГ<± ((0,05...0,1 )Г +(0,03 ...0,1)), мм;

- углепластиковых изделий в диапазоне Гот 1 до 15 мм с использованием преобразователей ФД-УКМ-1 - ФД-УКМ-3. ДГ < ± (0,03Г +0,01), мм;

- материала до межслоевого расслоения углепластиковых конструкций в диапазоне толщин гот 2 до 12 мм с использованием преобразователей фд-т. дг<± (о,озг+о,1), мм.

Для обеспечения документирования, а также необходимых производительности и достоверности разработан рях механизированных установок и автоматизированных систем контроля крупногабаритных изделий на базе двух- и трехкоординатных мобильных приводов, а также манипуляторов, методики их применения, в том числе для мониторинга (например, рис. 5.3).

Разработанное программное обеспечение и методики применения толщиномеров, механизированных установок и автоматизированных систем позволяют производить сбор, хранение и обработку результатов в памяти компьютеров верхнего уровня, в том числе с координатной привязкой, для документирования и мониторинга изделий в процессе производства и эксплуатации. В ряде случаев программное обеспечение систем позволяет принимать решения о соответствии изделия заданным параметрам и разбраковки, что повышает достоверность и уменьшает недобраковку и перебраковку изделий.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Представленная работа позволила систематизировать и обобщить аналитический и практический опыт, накопленный на протяжении более двадцати лет. В результате выполненных теоретических, экспери-

ментальных и опытно-конструкторских работ решена крупная научно -техническая проблема, имеющая важное хозяйственное значение в области диагностики состояния изделий машино- судо- авиастроения и энергетики, обеспечения надежности и безопасной эксплуатации на основе научного подхода к разработке, производству и комплексному применению вихретоковых и магнитоиндукционных толщиномеров защитных покрытий и стенок изделий, а также автоматизированных систем сканирования, сбора и представления результатов контроля для мониторинга их состояния.

Основные результаты диссертационной работы

1. Обоснован подход, разработаны теоретические и практические положения для расчета оптимальных характеристик вихретоковых и магнитоиндукционных измерительных преобразователей, алгоритмов их работы, а также проектирования толщиномеров и методик измерений толщины покрытий и стенок изделий.

2. Разработаны модель и теоретические положения расчета параметров трех групп магнитоиндукционных первичных измерительных преобразователен для измерения толщины диэлектрических и электропроводящих неферромагнитных покрытий, а также стенок изделий в широком диапазоне толщин;

3. Установлена степень влияния мешающих параметров, разработана структура и алгоритмы работы магнитондукционных измерительных преобразователей, обеспечивающих требуемую чувствительность и подавляющих мешающие параметры в широком диапазоне;

4. Выполнен теоретический и экспериментальный анализ задач измерения толщины металлических защитных покрытий на металлических основаниях с использованием вихретоковых фазовых и амплитудно-фазовых преобразователей, произведена оценка влияния мешающих параметров, показана возможность и разработаны методики выбора начальных точек отсчета, градуировки и калибровки, обеспечивающих подавление мешающих параметров в диапазоне их вариации;

5. Выполнен теоретический анализ, разработана структура измерительного преобразователя и алгоритм работы, запатентован способ измерения толщины электропроводящих неферромагнитных покрытий на электропроводящих нефорромагнитных основаниях вихретоковым амплитудно - фазовым методом;

6. Выполнен теоретический и экспериментальный анализ задачи измерения электропроводящих неферромагнитных покрытий на из-

делиях из цветных металлов с использованием вихретоковых частотных преобразователей, получены зависимости чувствительности и погрешности измерения от контролируемого и основных мешающих параметров, обоснованы возможности их применения при контроле толщины покрытий изделий;

7. Выполнен теоретический анализ задачи измерения толщины стенок электропроводящих неферромагнитных изделий, в том числе углепластиковых, с использованием вихретоковых фазовых и амплитудно-фазовых преобразователей с подавлением влияния мешающих параметров, разработана методика выбора оптимальных параметров чувствительных элементов и разработана структура совмещенных измерительных преобразователен;

8. Для обобщенной модели вихретовового амплитудно - фазового преобразователя выполнена количественная оценка влияния мешающих параметров, разработан и запатентован универсальный совмещенный вихретоковый амплитудно-фазовый вторичный измерительный преобразователь, а также разработано семейство геометрически и электрически подобных первичных измерительных преобразователей для измерения толщины металлических защитных покрытий и стенок изделий;

9. Разработаны модель и теоретические положения, описывающие линейный вихретоковый фазовый преобразователь над электропроводящим неферромагнитным изделием, рассчитаны универсальные зависимости для определения оптимальных параметров при контроле глубины расслоений углепластиковых материалов;

10. На основании теоретических и экспериментальных исследований задачи обеспечения достоверности измерения толщины покрытий и стенок изделий сформулированы требования к эталонным мерам толщины и разработаны методики их изготовления, а также методики градуировки, поверки и калибровки первичных измерительных преобразователей в составе электромагнитных толщиномеров;

11. Разработаны методики измерения толщины диэлектрических и электропроводящих неферромагнитных изделий с подавлением мешающих параметров, в том числе с использованием автоматизированных систем сканирования, сбора и представления информации, обеспечивающие требуемую достоверность результатов;

12. Показано, что применение разработанных толщиномеров и первичных измерительных преобразователей, в том числе в составе ав-

томатизированных систем, а также их методик измерения позволяет обеспечить достоверность результатов, отвечающую требования ведущих отечественных и зарубежных производств.

Научные результаты работы отражены в следующих основных публикациях:

Монографии:

1. Потапов А.И., Илюшин C.B., Сясько В.А. Автоматизация неразрушающего контроля крупногабаритных неметаллических конструкций.- М.: Издательство Всесоюзного заочного политехнического института, 1990. 152 с.

2. Потапов А.И., Сясько В.А. Неразрушающие методы и средства контроля толщины покрытий и изделий. - СПб.: Гуманистика, 2009. 904 с.

Публикации в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендуемых ВАК Минобрнаукн России:

3. Потапов А.И., Сясько В.А., Чертов Д.Н. Выявление расслоений и глубины их залегания в углепластиковых конструкциях с использованием вихретокового вида НК// Известия высших учебных заведений. - МГТУ им. Н. Э. Баумана: Машиностроение. 2012. № 8. С 66-69.

4. Потапов А.И., Соломенчук П.В., Сясько В.А. Обеспечение достоверности при неразрушающем вихретоковом контроле резьбы с использованием тангенциальных преобразователей // Известия высших учебных заведений.- МГТУ им. Н. Э. Баумана: Машиностроение. 2012. №9. С. 58-64.

5. Сясько В.А. Геометрически подобные магнитоиндукционные преобразователи толщиномеров защитных покрытий // Приборостроение. 2011. № 9. С. 64-70.

6. Сясько В.А. Измерение толщины неферромагннтных металлических покрытий на изделиях из цветных металлов с использованием вихретокового частотного метода// Дефектоскопия. 2010. № 12. С. 39-48.

7. Сясько В.А. Подавление влияния мешающих параметров при проектировании магнитоиндукционных толщиномеров защитных покрытий // Контроль. Диагностика. 2010. № 9. С. 16-22.

8. Сясько В.А. Методы и приборы измерения толщины гальванических покрытий. Вопросы применения и обеспечения

достоверности// Гальванотехника и обработка поверхности. 2011. №3. С. 42-52.

9. Сясько В.А, Ивкин А.Е., Чертов Д.Н. Измерение толщины стенок изделий из углеродных композиционных материалов// Дефектоскопия. 2011. № 8. С. 76-84.

10. Сясько В.А., Ивкин А.Е. Измерение толщины покрытий из оловянных сплавов на изделиях из цветных металлов с использованием вихретокового амплитудно - фазового метода// Контроль. Диагностика. 2011. № 5. С. 12-16.

11. Сясько В.А., Ивкин А.Е. Обеспечение достоверности результатов измерений толщины металлических покрытий магнитными и вихретоковыми методами в условиях машиностроительных производств // Метрология. 2011. №2. С. 3-12.

12. Сясько В.А., Соломенчук П.В., Коротеев М.Ю. Вихретоковый неразрушающий контроль резьбы насосно-компрессорных труб // Контроль. Диагностика. 2012. №10. С. 17-22.

13. Сясько В.А. Индукционный интегрирующий толщиномер// Дефектоскопия. 1990. № 12. С. 47-52.

14. Сясько В.А., Илюшин C.B. Импульсный вихретоковый толщиномер диэлектрических покрытий// Дефектоскопия. 1989. № 4. С. 52-58.

15. Илюшин C.B., Сясько В.А. Автоматизированная система для неразрушающего контроля крупногабаритных неметаллических изделий // Дефектоскопия. 1989. № 9. С. 86-88.

16. Брандорф В.Г., Сясько В.А. Интегрирующий электромагнитный толщиномер в составе автоматизированной системы контроля // Дефектоскопия. 1988. № 3. С. 36-42.

17. Брандорф В.Г., Сясько В.А. Разработка н исследование автоматической сканирующей системы ориентации // Дефектоскопия. 1984. №8. С. 66-72.

Авторские свидетельства на изобретения и патенты:

18. A.c. № 1173294 СССР. Устройство для неразрушающего контроля / Брандорф В.Г., Денисов П.Д., Сясько В.А. 1985 г.

19. A.c. № 1436054 СССР. Устройство для неразрушающего контроля изделий / Брандорф В.Г., Денисов П.Д., Сясько В.А. 1988 г.

20. A.c. № 1272207 СССР. Устройство для неразрушающего контроля крупногабаритных цилиндрических изделий / Брандорф В.Г., Денисов П.Д., Сясько В.А. 1985 г.

21. A.c. № 1415162 СССР. Устройство для неразрушающего контроля крупногабаритных цилиндрических изделий / Брандорф В.Г., Денисов П.Д., Сясько В.А. 1988 г.

22. A.c. № 1472813 СССР. Устройство для сканирования при контроле поверхностей крупногабаритных цилиндрических изделий / Брандорф В.Г., Денисов П.Д., Сясько В.А. 1989 г.

23. A.c. № 1268943 СССР. Электромагнитный толщиномер / Брандорф В.Г., Денисов П.Д., Сясько В.А. 1986 г.

24. A.c. № 1040325 СССР. Электромагнитный ориентатор / Брандорф В.Г., Денисов П.Д., Сясько В.А. 1983 г.

25. Патент № 2384839 РФ. Вихретоковый измеритель / Сясько В .А., Булатов A.C., Коротеев М.Ю. 2010 г.

26. Патент № 2129253 РФ. Электромагнитный толщиномер / Сясько В.А., Булатов A.C., Коротеев М.Ю. 1999 г.

27. Патент № 2456589 РФ. Способ вихретокового измерения толщины металлических покрытий / Сясько В.А., Ивкин А.Е. 2012 г.

Статьи н доклады, опубликованные в других научных журналах н изданиях:

28. Сясько В.А., Ивкин А.Е. Измеряем слой металла // O-Journal Очистка. Окраска. 2012. №5-6. С. 48 - 49.

29. Сясько В.А., Чертов Д.Н. Контроль расслоений углепластиковых материалов с использованием тангенциальных вихретоковых преобразователей // В мире неразрушающего контроля. -2012. № 3. С.19 - 21.

30. Сясько В.А., Ивкин А.Е. Измерение толщины покрытий из драгоценных металлов с использованием вихретокового вида контроля // В мире неразрушающего контроля. 2012. №2. С.22 - 25.

31. Сясько В.А., Ивкин А.Е. Методы и средства измерения толщины металлических покрытий Н Мир гальваники. 2011. №4. С. 54 -57.

32. Сясько В.А. Методы и средства измерения толщины металлических покрытий // Мир гальваники. 2011. №5. С. 29 - 32.

33. Сясько В.А. Сканирование при вихретоковом контроле// В мире неразрушающего контроля. 2010. № 3. С. 24 - 26.

34. Сясько В.А., Ивкин А.Е. Вихретоковая толщинометрия неферромагнитных металлических покрытий на изделиях из цветных металлов // Мир измерений. 2010. № 4. С. 18 - 23.

35. Сясько В.А., Соломенчук П.В. Количественная оценка

характеристик металлических изделий с использованием вихретоковых методов // В мире неразрушающего контроля. 2010. № 4. С. 26 - 29.

36. Сясько В.А., Соломенчук П.В., Пивоваров И.С. Электромагнитная толщинометрия защитных покрытий металлических изделий // В мире неразрушающего контроля. 2008. № 2. С.32 - 36.

37. Сясько В.А., Синицкий В.А. Система приборов неразрушающего операционного контроля для технологических процессов подготовки поверхности, нанесения лакокрасочных материалов и коррозионного состояния металлоконструкций // Вестник технологии судостроения. 2003. № 10. С. 88 - 92.

38. Сясько В.А. Электромагнитная толщинометрия защитных покрытий металлических изделий // В мире неразрушающего контроля. 2000.№ 4. С. 12 - 14.

39. Potapov АЛ., Syasko V.A., Ivkin А.Е. 10th European Conference on Non-Destructive Testing // Optimization of a design and parameters of geometrically similar magneto-inductive transducers with the outer ferromagnetic shield with use of a method of fenite elements. Moscow, Russia, 7 - 11 June 2010. - p. 9. http://www.ndt.net/article/ecndt2010/reports/l_0 l_25.pdf

40. Syasko V.A., Pilatova I.V., Ivkin А.Е. 18th World Conference on Nondestructive Testing // Eddy current thickness monitoring of aerospace technics coatings and constructions.- Durban, South Africa, 16-20 April 2012.- p. 13.

http://www.ndt.net/article/wcndt2012/papers/13_wcndtfinal00013.pdf

41. Syasko V.A., Bulatov A.S., Pivovarov I.S. 17th World Conference on Nondestructive Testing// Optimization of structure and operation algorithms for electromagnetic plated coatings thickness meters with the use of digital technologies. -Shanghai, China, 25 - 28 October. - p. 5. http://www.ndt.net/article/wcndt2008/papers/373.pdf

РИЦ Горного университета. 01.04.2013.3.191 Т. 100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21 -я линия, д.2

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ МИНЕРАЛЬНО-СЫРЬЕВОЙ УНИВЕРСИТЕТ «ГОРНЫЙ»

На правах рукописи

05201350985

Сясько Владимир Александрович

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ МЕТОДЫ И ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ И МОНИТОРИНГА ТОЛЩИНЫ ПОКРЫТИЙ И СТЕНОК ИЗДЕЛИЙ

Специальность 05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант - заслуженный деятель науки РФ,

доктор технических наук, профессор Потапов А.И.

Санкт-Петербург - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 6

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ МЕТОДОВ И ПРИБОРОВ КОНТРОЛЯ ТОЛЩИНЫ ПОКРЫТИЙ И СТЕНОК ИЗДЕЛИЙ 14

1.1. Классификация материалов и изделий, анализ задач измерения толщины 14

1.2. Обобщенная структура задач измерения толщины стенок изделий 26

1.3. Обобщенная структура задач измерения толщины покрытий 28

1.4. Анализ современного состояния основных методов неразрушающего контроля и возможности их использования для измерения толщины стенок изделий и защитных покрытий и их сравнительные характеристики 31

1.5. Анализ современного состояния приборов электромагнитного неразрушающего контроля и мониторинга толщины покрытий и стенок изделий 39

1.6. Постановка задач исследований 64 ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ МЕТОДОВ КОНТРОЛЯ ТОЛЩИНЫ ПОКРЫТИЙ И СТЕНОК ИЗДЕЛИЙ С ОБЕСПЕЧЕНИЕМ ЗАДАННОЙ ДОСТОВЕРНОСТИ РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЯ 67 2.1. Теоретическое обоснование вихретокового вида неразрушающего контроля толщины стенок изделий и защитных покрытий. Анализ применимых методов, контролируемых и мешающих параметров 67

2.1.1. Общая характеристика вихретокового вида неразрушающего контроля 67

2.1.2. Вихретоковый фазовый метод измерения толщины электропроводящих ферро- и неферромагнитных покрытий 78

2.1.3. Вихретоковый амплитудный метод измерения толщины диэлектрических покрытий на электропроводящих основаниях 80

2.1.4. Вихретоковый амплитудно - фазовый метод измерения толщины покрытий на электропроводящих основаниях 81

2.1.5. Вихретоковый частотный метод измерения толщины диэлектрических и электропроводящих покрытий на электропроводящих основаниях 83

2.1.6. Вихретоковые фазовый и амплитудно - фазовый методы измерения толщины стенок электропроводящих изделий 86

2.1.7. Вихретоковый фазовый метод измерения остаточной толщины слоев многослойных электропроводящих неферромагнитных изделий

и глубины залеганий расслоений углепластиковых изделий 89

2.1.8. Обобщенные структурные схемы вихретоковых фазового, амплитудно-фазового и частотного толщиномеров. Контролируемые и мешающие параметры 92 2.2. Магнитоиндукционный метод неразрушающего контроля толщины покрытий и стенок изделий. Анализ метода, контролируемых и мешающих параметров 94

2.2.1. Общая характеристика магнитоиндукционного метода измерения толщины покрытий 94

2.2.2. Обобщенная структура измерительного преобразователя магни-тоиндукционных толщиномеров 97

2.2.3. Обобщенная структурная схема магнитоиндукционного толщиномера. Контролируемые и мешающие параметры 102 Выводы к главе 2 104 ГЛАВА 3. МЕТОДИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ И РАСЧЕТА ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ТОЛЩИНОМЕРОВ ПОКРЫТИЙ И СТЕНОК ИЗДЕЛИЙ, МЕТОДЫ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ И ОБРАБОТКИ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИИ 105

3.1. Методические принципы построения вихретоковых измерительных преобразователей и оптимизация их характеристик 105

3.2. Основные методические принципы построения вихретоковых толщиномеров, обеспечивающих подавление мешающих параметров 115

3.3. Геометрически и электрически подобные вихретоковые первичные измерительные преобразователи 125

3.4. Разработка и оптимизация методик и алгоритмов измерения толщины покрытий и стенок изделий, обеспечивающих подавление влияния мешающих параметров на результаты измерения 133

3.5. Методические принципы построения магнитоиндукционных измерительных преобразователей и оптимизация их характеристик 193

3.6. Оптимизация параметров геометрически подобных магнитоиндукционных первичных измерительных преобразователей с внешним ферромагнитным экраном 205

3.7. Разработка алгоритмов возбуждения магнитного поля и обработки первичной измерительной информации, обеспечивающих подавление влияния мешающих параметров 242 Выводы к главе 3 251 ГЛАВА 4. МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТРЕБУЕМОЙ ДОСТОВЕРНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ ТОЛЩИНЫ ПОКРЫТИЙ И СТЕНОК ИЗДЕЛИЙ 253

4.1. Основные принципы стандартизации в области измерения толщины защитных покрытий и стенок изделий 253

4.2. Жизненные циклы толщиномеров покрытий и стенок изделий 254

4.3. Схемы передачи размеров толщины покрытий. Выбор характеристик и установление номенклатуры наборов мер толщины покрытий 258

4.4. Разработка и исследование мер толщины металлических и диэлектрических покрытий 262

4.5. Характеристики толщиномеров и параметры объектов контроля, определяющие достоверность результатов измерений толщины 275

Выводы к главе 4 284

ГЛАВА 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МЕТОДОВ, МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ПРИБОРОВ И СИСТЕМ МОНИТОРИНГА ТОЛЩИНЫ ПОКРЫТИЙ И СТЕНОК ИЗДЕЛИЙ 285

5.1. Многофункциональные электромагнитные приборы измерения геометрических параметров изделий 285

5.2. Толщинометрия диэлектрических покрытий общего назначения 294

5.3. Толщинометрия специальных покрытий и стенок изделий большой толщины 301

5.4. Толщинометрия металлических покрытий 310

5.5. Толщинометрия многослойных покрытий 318

5.6. Меры толщины покрытий электромагнитных толщиномеров 326

5.7. Толщинометрия стенок изделий из электропроводящих неферромагнитных материалов 332

5.8. Методики и аппаратура сканирования при толщинометрии покрытий и стенок изделий 336

5.9. Обработка, представление и хранение измерительной информации

при толщинометрии покрытий и стенок изделий 343

Выводы к главе 5 347

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 348

Список литературы 350

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Проблема обеспечения надежности и безопасности изделий машино-, судо-, авиа-, ракетостроения и энергетики с учетом возрастающих эксплуатационных требований и экономической эффективности в условиях конкуренции производителей и эксплуатирующих организаций становится все более актуальной.

Жесткие условия эксплуатации: воздействие высоких и низких температур, циклических и кратковременных нагрузок (в том числе ударных), различных агрессивных веществ, включая атмосферные, предъявляют высокие требования к защитным покрытиям, что обусловливает большую гамму применяемых материалов и технологий их нанесения. Отклонение от заданной толщины металлических и неметаллических композиционных конструкций при производстве, коррозионные и механические повреждения в процессе эксплуатации могут привести к изменению технических характеристик и вызвать аварии или катастрофы.

Эффективность использования покрытия оценивается как комплекс функциональных свойств (противокоррозионных, декоративных, износостойких и пр.) на протяжении срока службы покрытия. Недопустимо экономить на проведении строгого и тщательного пооперационного контроля всего процесса нанесения покрытия, начиная от контроля исходных материалов до приемки готового покрытия, а также, в ряде случаев, контроля покрытий при эксплуатации и хранении изделий. При этом толщина покрытий рассматривается как определяющий функциональный параметр.

Огромную роль в обеспечении нормируемой расчетной конструктивной прочности изделий играет толщина их стенки. Отклонение толщины стенки изделия от заданных значений в процессе производства является грубым дефектом, и ее контроль является важной технологической операцией. Кроме того, толщина стенки изделий играет важную роль в обеспечении долговечности, так как в процессе эксплуатации может изменяться вследствие эрозии, коррозии и механических повреждений.

Экономические потери от коррозии металлов и разрушений конструкций составляют сотни миллионов рублей в год. В ряде случаев они приводят к авариям и катастрофам с большими экономическими потерями и человеческими жертвами. Поэтому проведение контроля толщины стнки изделий в процессе производства и эксплуатации является важнейшей технологической операцией.

При производстве крупногабаритных изделий все большее распространение находят стекло- и углепластиковые материалы, требующие обязательного контроля при производстве, в том числе их толщины, как одного из определяющих параметров их жесткости.

В настоящее время для измерения толщины покрытий в соответствии с ГОСТ 9.302-88 предлагаются методы магнитного, вихретокового и радиационного видов неразрушающего контроля (НК). Для контроля толщины стенки изделий и листовых материалов в основном применяют методы акустического и вихретокового видов НК, радиометрический метод, и, в ряде случаев, методы магнитного вида НК.

Анализ показывает, что для большинства задач измерения толщины покрытий и стенок изделий современных производств представляется возможным использование электромагнитных методов, основанных на вихретоковом и магнитном видах НК. Достоинством использования этих методов является возможность их применения при одностороннем доступе в цеховых и полевых условиях, достаточная локальность, высокие точность и достоверность (под достоверностью результатов измерений будем понимать обеспечение погрешности измерений с заданной доверительной вероятностью в исследуемом диапазоне измерения).

Значительный вклад в развитие электромагнитных методов внесли отечественные и зарубежные ученые и специалисты В.Г. Герасимов, Э.С.Горкунов, В.К Гарипов, И.В. Голубятников, A.JI. Дорофеев, А.Г. Ефимов, H.H. Зацепин, В.Д. Ивченко, А.И. Крашенинников, В.В. Клюев, М.Н. Михеев, Ю.Я. Останин, А.Д. Покровский, Н.М. Родигин, А.Б. Сапожников, В.В. Слепцов, В.В. Су хору ков, В.В. Филинов, J1.A. Чернов, В.Е. Шатерников, Г.С.Шелихов, Ю.М. Шкарлет, П.Н. Шка-тов, Е.В. Щербинин, Ф. Ферстер, Д. Вайделих и многие другие.

Весьма актуальной задачей дальнейшего совершенствования электромагнитных методов является разработка новых оптимальных геометрически и электрически подобных измерительных преобразователей и алгоритмов получения первичной измерительной информации, ее преобразования и последующей тестовой цифровой обработки (расчета толщины стенок изделий и покрытий) с подавлением мешающих параметров. Для обеспечения требуемой высокой достоверности результатов измерений необходимо произвести теоретический анализ моделей измерительных преобразователей, рассчитать их оптимальные характеристики, разработать алгоритмы преобразования и методики применения при производстве и эксплуатации изделий, в том числе для мониторинга толщины покрытий и изделий в процессе эксплуатации, решить вопросы метрологического обеспечения разрабатываемых преобразователей и приборов, эталонных мер толщины покрытий и изделий, их сертификации.

Цель работы: повышение эффективности и достоверности комплексного контроля толщины всех типов защитных покрытий, а также толщины стенок неферромагнитных электропроводящих и диэлектрических изделий путем применения методов вихретокового и магнитного видов НК при обеспечении заданной погрешности и достоверности результатов контроля.

Задачи исследований:

1. Анализ современного состояния методов и приборов, предназначенных для решения задач измерения толщины покрытий и стенок изделий современной техники;

2. Теоретическое обоснование применимости методов вихретокового вида НК для решения рассматриваемых задач и произведение анализа контролируемых и мешающих параметров;

3. Теоретическое обоснование применимости магнитоиндукционного метода для решения рассматриваемых задач и произведение анализа контролируемых и мешающих параметров;

4. Анализ возможных структур вихретоковых измерительных преобразователей и разработка схемы измерительных преобразователей, принципов оптимизации их характеристик, методик получения и преобразования первичной измерительной информации и алгоритмов функционирования, обеспечивающих требуемую чувствительность в заданном диапазоне измерения, а также подавление мешающих параметров при измерении толщины покрытий и стенок изделий;

5. Разработка модели магнитоиндукционного измерительного преобразователя, принципов его оптимизации, расчет характеристик семейства геометрически подобных первичных преобразователей с разбиением на группы по задачам измерения, а также разработка методики получения и преобразования первичной измерительной информации и алгоритмов функционирования, обеспечивающих требуемую чувствительность в заданном диапазоне измерения, а также подавление мешающих параметров при измерении толщины покрытий и стенок изделий;

6. Анализ физических и геометрических характеристики контролируемых изделий, условий проведения измерений и формирование требований к эталонным мерам толщины покрытий и изделий, обеспечивающих требуемую достоверность результатов при градуировке, поверке, калибровке и измерениях. На основании требований разработка технологии изготовления и выпуск комплекта эталонных мер толщины металлических и диэлектрических покрытий;

7. Разработка многофункционального электромагнитного прибора и комплекта вихретоковых и магнитоиндукционных измерительных преобразователей к нему для измерения толщины защитных покрытий и стенок диэлектрических и электропроводящих неферромагнитных изделий при изготовлении и эксплуатации;

8. Комплексные экспериментальные исследования электромагнитного прибора и первичных измерительных преобразователей на эталонных мерах толщины и реальных изделиях в лабораторных и производственных условиях;

9. Разработка методик градуировки, поверки, калибровки и проведения измерений, в том числе, с использованием автоматизированных систем сканирования, сбора, обработки, хранения и представления результатов;

10. Организация серийного производства приборов, первичных измерительных преобразователей и эталонных мер толщины, проведение их государственных испытаний и организация метрологической службы для первичной и периодической поверок;

11. Внедрение приборов и автоматизированных систем на их базе на ведущих предприятиях машино-, судо-, авиа-, ракетостроения и энергетики.

Идея работы. Электромагнитные методы и приборы, основанные на моделях распределения электромагнитного поля в вихретоковых и магнитоиндукцион-ных преобразователях, позволяют эффективно осуществлять неразрушающий контроль толщины покрытий и стенок изделий с заданной погрешностью и улучшать их качество.

Достоверность результатов диссертационной работы базируется на строгих теоретических, подходах, адекватных математических моделях измерительных преобразователей, построенных на их основе, которые подтверждены теоретическими и экспериментальными исследованиями разработанных приборов, преобразователей, эталонных мер толщины и методик их применения в лабораторных условиях и на ведущих предприятиях.

Научная новизна работы:

1. Разработаны модель и теоретические положения, на основании которых рассчитаны оптимальные параметры геометрически подобных магнитоиндукцион-ных первичных измерительных преобразователей для измерения толщины диэлектрических и электропроводящих неферромагнитых покрытий в широком диапазоне толщин;

2. Разработаны принципы построения измерительных магнитоиндукцион-ных преобразователей, формирования пробной энергии и тестовые алгоритмы обработки первичной измерительной информации, позволяющие подавить мешающие параметры в широком диапазоне их вариации;

3. Выполнен теоретический и экспериментальный анализ задачи измерения электропроводящих неферромагнитных покрытий на изделиях из цветных металлов с использованием вихретоковых частотных преобразователей, получены зависимости чувствительности и погрешности измерения от контролируемого и основных мешающих параметров, обоснованы возможные области их применения;

4. На основании теоретического анализа показана возможность выбора положения начальных точек отсчета на комплексной плоскости для вихретоковых фазовых и амплитудно-фазовых преобразователей, обеспечивающих подавление мешающих параметров при измерениях, и разработана методика их расчета;

5. Сформирована модель вихретовового амплитудно - фазового преобразователя, выполнены анализ и количественная оценка влияния мешающих параметров, на основании результатов которых разработан и запатентован универсальный совмещенный вихретоковый амплитудно-фазовый вторичный измерительный преобразователь, а т�