РАЗДЕЛ 2
УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДА И УСТРОЙСТВ ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ТОЛЩИНЫ
ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ НА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЯХ
Анализ известных технических решений для измерения толщины диэлектрических
покрытий на металлических поверхностях, проведенный в предыдущем разделе
показал, что основными недостатками являются низкая помехоустойчивость и низкая
точность измерений. В связи с этим необходимо разработать устройства, принципы
работы которых, позволяют улучшить указанные показатели.
2.1. Критерии оценки качества диэлектрических покрытий на металлических
поверхностях
Основными физико-механическими характеристиками покрытий, определяющими их
качество являются: толщина, пористость, прочность сцепления, твердость,
износостойкость, внутренние напряжения и т.д. Большинство рассмотренных
физико-механических характеристик покрытий зависит от их толщины, которая
является основным параметром, характеризующим покрытие.
Для оценки равномерности толщины покрытий известен показатель неравномерности
покрытий е1 [90], недостатком которого является возможность маскировки
значительных погрешностей при его расчете. Можно также применять среднее
квадратичное отклонение [91].
В качестве выходных показателей, характеризующих неравномерность покрытия,
предлагается также использовать максимальный разброс толщины покрытия и средний
разброс .
Данные параметры определяются по следующим формулам:
;
;
; (2.1)
,
где - подмножества множества , элементами которых являются толщины покрытий,
определяемые в характерных локальных местах изделия.
Таким образом, для оценки качества диэлектрических покрытий необходимо
измерять толщину покрытий в локальных местах. Для этих целей целесообразно
разработать вихретоковый преобразователь [2, 9].
2.2. Методы математического моделирования процесса вихретокового преобразования
При создании новых современных приборов, реализующих вихретоковый метод (ВТМ),
используется математическое моделирование. Среди методов построения моделей ВТМ
можно выделить две основные группы:
методы построения математических моделей, основанные на решении уравнений
Максвелла;
методы построения математических моделей с использованием эквивалентных схем.
Суть первой группы методов заключается в следующем: определение глубины
проникновения вихревых токов определяют путем решения уравнений Максвелла [92],
преобразованных для гармонического квазистатического состояния:
, (2.2)
где Н – напряженность магнитного поля (вектор); у – удельная электрическая
проводимость; Е – электродвижущая сила; Iст – плотность тока; j – мнимая
единица; щ – круговая частота; м – магнитная проницаемость вещества; p –
постоянная вихревых токов.
Вычисление наводимых э.д.с. для датчика, расположенного над плоским изделием
осуществляется по формуле [93]:
, (2.3)
а при расположении датчика над сферическим изделием – по формуле:
, (2.4)
Приведенные выше выкладки отличаются сложностью их вычисления, что затрудняет
их применение на практике.
В основе построения математических моделей с использованием эквивалентных схем
лежит рассмотрение физической модели изделия в виде двух слоев [63]. Один слой
(исследуемый) разбит на ячейки (в виде параллелепипеда) с физическими
свойствами реального материала. Глубина этого слоя определяется глубиной
проникновения электромагнитной волны. Ячейки слоя, задающие дефект, имеют
характеристики, отличные от характеристик всех остальных ячеек. Второй слой –
пассивный.
Алгоритм построения математической модели ВТМ с использованием эквивалентных
схем состоит из следующих этапов:
1) строится схема замещения взаимодействия магнитной цепи датчика с исследуемым
объектом;
2) в схему вводятся элементы, соответствующие дефектным ячейкам и
соответствующие модели помех. Рассматриваются случайные помехи (скачки
переменного напряжения, скачки частоты) и неслучайные помехи (от состояния
поверхности, от уклона поверхности);
3) определяется магнитное сопротивление цепи с учетом наличия дефектов;
4) определяется магнитное напряжение, создаваемое плоской волной на входе схемы
замещения;
5) определяется магнитный поток, сцепленный с измерительной и возбуждающей
обмотками;
6) определяется ЭДС в измерительной обмотке вихретокового преобразователя,
наводимая потоком Фi, по следующему закону:
; (2.5)
7) э.д.с. в измерительной обмотке сравнивается с эталонной;
8) для определения наличия дефекта вычисляется функция невязки как разность
ЭДС, измеренной над бездефектной областью и над дефектной областью.
Недостатками рассмотренного метода являются возможность ложного срабатывания и
необходимость комплексирования вихретокового метода с другими методами,
например, акустическим.
В теории контроля методом вихревых токов получены выражения для приращения
э.д.с., вызванного изменением электропроводности и магнитной проницаемости,
основанные на использовании некоторых комбинаций функций Неймана и Бесселя
[94]. Недостатком этих моделей является их сложность, а решить их можно только
численными методами, что дает высокую погрешность из-за множества ограничений.
Сложности, возникающие при теоретическом анализе устройств рассмотренными
методами, нелинейность уравнений, упрощение математического описания,
приводящее к существенным погрешностям, и сложность их решения аналитическими
методами, позволяют сделать вывод о целесообразности применения
экспериментально-статистических методов для исследования устройств такого
класса.
2.3. Усовершенствование вихретокового метода для преобразования толщины
- Київ+380960830922