На правах рукописи

ИВКИН Антон Евгеньевич

ВИХРЕТОКОВЫЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ

ТОЛЩИНЫ НЕФЕРРОМАГНИТНЫХ

ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩИХ ПОКРЫТИЙ НА

НЕФЕРРОМАГНИТНЫХ

ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩИХ ОСНОВАНИЯХ

Специальность 05.11.13 – Приборы и методы контроля

природной среды, веществ, материалов и изделий

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

2013

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный».

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Потапов Анатолий Иванович

Официальные оппоненты:

Гордиенко Валерий Евгеньевич доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО государственный архитектурноСанкт–Петербургский строительный университет», кафедра технологии конструкционных материалов и метрологии, заведующий кафедрой Герасимов Виктор Иванович кандидат технических наук, ФГБОУ ВПО «Санкт– Петербургский государственный технологический институт», кафедра электротехники и электроники, доцент

ФГБОУ ВПО

– «Санкт

Ведущая организация Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики».

Защита диссертации состоится 28 марта 2013 г. в 14 ч.

30 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.224.07 при Национальном минерально-сырьевом университете «Горный»

по адресу: 199106, Санкт-Петербург, 21-я линия, д. 2, ауд.

№ 1166.

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

Автореферат разослан 27 февраля 2013 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ

диссертационного совета В.В. ГАБОВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Современное промышленное производство характеризуется постоянным повышением требований к качеству выпускаемой продукции. Металлические покрытия изделий из цветных металлов широко распространены во всех отраслях промышленности. Покрытия наносят с целью защиты изделий от коррозии и от воздействия окружающей среды, для придания их поверхностям специальных свойств, улучшения внешнего вида и повышения декоративных свойств. Контроль толщины покрытия является весьма важной операцией в технологическом цикле изготовления изделия, поскольку соответствие реальной толщины покрытия требованиям конструкторской и нормативно-технической документации на изделие является наиболее важным с точки зрения обеспечения функционального назначения покрытия и изделия в целом.

Для неразрушающего контроля толщины электропроводящих неферромагнитных покрытий на электропроводящих неферромагнитных основаниях в настоящее время применяются методы радиационного вида неразрушающего контроля. Сложная методика калибровки, необходимость анализа картины спектров элементов, содержащихся в покрытии и основании, высокая стоимость рентгено-флуоресцентных анализаторов затрудняет их использование в качестве толщиномеров широкой номенклатуры покрытий в цеховых условиях гальванических производств. Повышенные требования безопасности, связанные с работой с источниками радиоактивного излучения и их хранением, а также необходимость использования упорного апертурного кольца преобразователя только под определенный радиус кривизны поверхности объекта измерения снижает эффективность использования толщиномеров, основанных на методе -отражения радиационного вида неразрушающего контроля.

Наиболее универсальными методами неразрушающего контроля толщины неферромагнитных электропроводящих покрытий на изделиях из неферромагнитных материалов являются методы вихретокового вида неразрушающего контроля. Вихретоковые первичные и вторичные преобразователи могут выполняться в малогабаритных, надежных конструктивных исполнениях. В отличие от методов радиационного вида неразрушающего контроля, применение методов вихретокового вида экологически безопасно. Процедура калибровки вихретоковых преобразователей достаточно проста, при их эксплуатации не требуются повышенные меры техники безопасности. Перечисленные обстоятельства позволяют эффективно использовать вихретоковые толщиномеры для оперативного контроля толщины широкой номенклатуры покрытий на изделиях сложного криволинейного профиля, в цеховых условиях, в том числе непосредственно в технологическом процессе нанесения покрытия.

В настоящее время рядом ведущих производителей решены задачи контроля толщины небольшого количества типов покрытий на изделиях из цветных металлов, с заявляемой погрешностью измерения ±(0,01...0,03Т+2...3) мкм. Однако, в области малых толщин покрытий, при проведении измерений в цеховых условиях при реальных технологических разбросах физических и геометрических параметров изделий, заявляемые значения погрешности не обеспечиваются.

Уменьшение погрешности измерения возможно за счет оптимизации параметров первичных измерительных вихретоковых преобразователей (ВТП), усовершенствования методик и средств измерения и обработки получаемой с ВТП первичной информации.

Цель работы: Уменьшение погрешности вихретоковых неразрушающих средств измерения толщины электропроводящих неферромагнитных покрытий на электропроводящих неферромагнитных основаниях в области толщин от 0 до 50 мкм.

Идея работы: Использование сбалансированного трехобмоточного накладного вихретокового преобразователя с ферритовым сердечником и заданной частотой тока возбуждения совместно со схемой, обеспечивающей измерение амплитуды и фазы вносимого напряжения, позволяет повысить чувствительность ВТП к толщине покрытия и уменьшить влияние характерных для промышленных производств мешающих параметров на результаты контроля, что обеспечивает уменьшение погрешности измерений.

Задачи исследования:

• провести анализ методов повышения чувствительности вихретоковых средств неразрушающего контроля;

• провести анализ методов уменьшения влияния мешающих параметров вихретокового контроля на результаты измерений;

• разработать модель взаимодействия первичного измерительного ВТП с ферритовым сердечником и заданной частотой тока возбуждения с объектом контроля (ОК);

• разработать способ выделения информативного параметра сигнала ВТП на фоне влияния мешающих параметров, позволяющий проводить измерения с погрешностью, не превышающей заданную;

• разработать методику оптимизации параметров первичного измерительного ВТП;

• разработать средства метрологического обеспечения вихретоковых толщиномеров неферромагнитных электропроводящих покрытий на неферромагнитных электропроводящих основаниях и методику их аттестации;

• изготовить и провести испытания разработанных средств вихретоковой толщинометрии;

• провести внедрение результатов работы на промышленных предприятиях.

Методы исследований.

Для исследования взаимодействия ВТП с ОК использовались методы численного моделирования, основанные на методе конечных элементов, и экспериментальные исследования сигналов макетов ВТП при проведении измерений на натурных мерах толщины покрытий и контрольных образцах покрытий. Экспериментальные данные обрабатывались с использованием методов математической статистики. Исследования алгоритмов выделения информативного параметра сигнала ВТП проводились с применением методов математического моделирования.

Научная новизна работы:

1. Установлены зависимости изменения плотности вихревых токов, наведенных в ОК круговым витком с током заданной частоты, от толщины покрытия, электропроводности покрытия и основания, а также от геометрических размеров ОК.

2. Разработана модель взаимодействия первичного трехобмоточного накладного измерительного ВТП с ферритовым сердечником и заданной частотой тока возбуждения с ОК, представляющим собой неферромагнитное электропроводящее полупространство с неферромагнитным электропроводящим покрытием с заданным значением толщины и относительной электропроводностью.

3. Установлено, что отклонение от плоскостности рабочей поверхности основания меры и неравномерность нанесения покрытия являются основными источниками погрешности мер толщины покрытий.

Положения, выносимые на защиту:

1. Разбалансировка обмоток чувствительного элемента первичного измерительного ВТП, обеспечивающая смещение точки наблюдения по мнимой оси комплексной плоскости годографа вектора вносимого напряжения на заданную величину, при оптимальной частоте тока возбуждения и значении обобщенного параметра вихретокового контроля не более 30 при Тп=0, уменьшает дополнительную абсолютную погрешность измерения толщины неферромагнитных электропроводящих покрытий на неферромагнитных электропроводящих основаниях с относительной электропроводностью п/о>2 до ±0,5…1 мкм в диапазоне толщин от 0 до 50 мкм при девиации относительного зазора h/Rв от 0 до 0,3.

2. Смещение точки, соответствующей Тп=0 и h*=0, вверх по годографу вектора *вн(Тп), обеспечиваемое установкой дистанционной прокладки необходимой толщины из материала с заданной электропроводностью между контактной поверхностью измерительного амплитудно-фазового ВТП и ОК, уменьшает дополнительную абсолютную погрешность измерения толщины неферромагнитных электропроводящих покрытий на неферромагнитных электропроводящих основаниях с относительной электропроводностью п/о2 до ±0,5…1 мкм в диапазоне толщин от 0 до 50 мкм при девиации относительного зазора h/Rв от 0 до 0,3.

При контроле толщины неферромагнитных электропроводящих покрытий на неферромагнитных электропроводящих основаниях методами вихретокового вида неразрушающего контроля на сигналы вихретокового преобразователя оказывают влияние как контролируемые, так и мешающие параметры. Очевидно, что для задач измерения толщины покрытий изделий, контролируемым параметром является толщина покрытия. Мешающие параметры, по природе их возникновения, можно условно разделить на электрофизические и геометрические. Наибольшее влияние на сигнал ВТП оказывает девиация относительного воздушного зазора h* между контактной поверхностью преобразователя и ОК и другие геометрические мешающие параметры, например шероховатость, изменение радиуса кривизны поверхности, которые могут быть сведены к эквивалентному относительному зазору hэ*. Расчет взаимодействия ВТП с полем вихревых токов, наведенных в ОК, и сигналов ВТП осуществлялся методами численного моделирования. На рисунке изображена модель первичного трехобмоточного накладного измерительного ВТП и картина распределения плотности вихревых токов в ОК, полученная в программе численного моделирования методами конечных элементов Maxwell. На рисунке 2.а представлен годограф зависимости комплексного относительного вносимого напряжения *вн от контролируемого (Тп) и мешающего (h*) параметров, при относительной электропроводности покрытия п/о>2.

Анализируя данный годограф, становится очевидно, что изменение толщины покрытия Тп оказывает большее влияние на изменение фазы *вн, в то время как изменение относительного зазора h* в основном влияет на амплитуду *вн. Поэтому, в качестве информативного параметра вихретокового преобразователя при измерениях толщины покрытий с относительной электропроводностью п/о>2 целесообразно использовать фазу *вн. Следует отметить, что линии влияния h* (линии отвода) годографа *вн являются практически прямыми в диапазоне от h1* до h2*.

На рисунке 3 представлены зависимости фазы относительного вносимого напряжения *вн при изменении контролируемого (Tп) и мешающего (h*) параметров из точки наблюдения, расположенной на пересечении вещественной и мнимой осей годографа. Из представленных графиков видно, что изменение h* оказывает влияние линейного характера на сдвиг фазы относительного вносимого напряжения *вн.

Для исключения этого влияния необходимо сместить точку наблюдения за фазой вносимого напряжения по оси мнимых значений на величину *раз (рисунок 2.б), определяемую по следующему алгоритму:

1. определяется крайняя точка h2* диапазона изменения относительного зазора. Точка h1* соответствует точке при h*=0 и Тп=0.

2. точки h*1 и h*2 имеют координаты Re1, Im1 и Re2, Im2 соответственно.

3. величина *раз рассчитывается по формуле:

На рисунке 4 представлены зависимости фазы относительного вносимого напряжения *вн при изменении контролируемого (Tп) и мешающего (h*) параметров из точки наблюдения, смещенной на величину *раз по мнимой оси.

В процессе проведения экспериментальных исследований вихретокового преобразователя, смещение точки наблюдения по данному алгоритму позволило уменьшить дополнительную погрешность измерения толщины серебряных покрытий на изделиях из титана в следствии изменения относительного зазора h* в диапазоне от 0 до 0,3 до 8 раз по сравнению с аналогичным преобразователем без смещения. Максимальная абсолютная дополнительная погрешность измерения при этом не превысила ±0,5 мкм в диапазоне измеряемых толщин от 0 до 50 мкм.

Положение 2.

Смещение точки, соответствующей Тп=0 и h*=0, вверх по годографу вектора *вн(Тп), обеспечиваемое установкой дистанционной прокладки необходимой толщины из материала с заданной электропроводностью между контактной поверхностью измерительного амплитудно-фазового ВТП и ОК, уменьшает дополнительную абсолютную погрешность измерения толщины неферромагнитных электропроводящих покрытий на неферромагнитных электропроводящих основаниях с относительной электропроводно-