ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И АББРЕВИАТУР

 

R a	– шероховатость поверхности;
	- температуропроводность, м2/с;
b 0, b 1,	- параметры модели, описывающие рабочий участок термограммы;
c	- удельная теплоемкость, Дж/(кг×К);
h 1	- толщина образца, мм;
h 2	- толщина металлического основания, мм;
	- тепловой поток, Вт/м2;
Q	- тепловая мощность, Вт;
	- температура, °С;
x	- пространственная координата, м;
e	- тепловая активность, Вт×с0,5/(м2×К);
	- теплопроводность, Вт/(м×К);
r	- плотность материала, кг/(м3);
R Н	– радиус нагревателя, мм;
R ИЗ	– радиус измерительного зонда, мм;
	-время, с;
	- шаг измерения температуры, с;
ИC	- измерительная система;
ИЗ	- измерительный зонд;
Н	- нагреватель;
НК	- неразрушающий контроль;
ПМ	- полимерный материал;
ТП	- термоэлектрический преобразователь;
ТФС	- теплофизические свойства.

ВВЕДЕНИЕ

 

Совершенствование известных и создание новых эффективных методов и средств контроля востребованы и являются актуальными в связи со сложностью и большим объемом экспериментальных исследований по определению качества, долговечности и надежности как традиционных, так и вновь синтезированных материалов конструкционного, электро- и теплоизоляционного назначения. Тепловые методы неразрушающего контроля (НК) и диагностики позволяют определять качество исследуемых материалов и готовых изделий из них по теплофизическим свойствам (ТФС), к числу которых относятся теплоемкость, тепло- и температуропроводности, тепловая активность.

Широкое применение в различных сферах нашли полимерные покрытия на металлических подложках, которые можно классифицировать по следующим признакам: по макроструктуре (взаимному расположению, типу и форме полимерной и металлической составляющих двухслойных объектов); по назначению; по способу получения; по природе полимера и металла.

По назначению металлополимерные материалы разделяют на защитно-декоративные, химически стойкие (антикоррозионные), электротехнические, антифрикционные, теплоизоляционные, общекострукционные и др. [1].

Для получения полимерных покрытий применяют составы на основе полиэтилена, поливинилбутираля, поливинилхлорида, эпоксидов, полиэфиров и акриловых связующих [2].

Обычно покрытие выполняет несколько функций, например является защитно-декоративным и тепло- либо электроизоляционным, обеспечивает работоспособность подвижного соединения в коррозионно-активной среде, защищает поверхность от коррозии и придает ей антиадгезионные свойства и т.п.

Одним из основных показателей уровня развития промышленности является качество выпускаемых металлополимерных изделий. Качеству продукции можно дать следующее общее определение – это совокупность свойств продукции, обуславливающих ее пригодность удовлетворять определенные потребности в соответствии с ее назначением. В это понятие входят самые различные характеристики, которые необходимо контролировать. Это и химический состав, теплофизические свойства (ТФС) и геометрические размеры, например, толщина защитного покрытия.

Важную роль в решении задачи обеспечения выпуска качественной продукции играют методы и средства контроля качества. Современные методы контроля качества материалов и изделий подразделяются на два больших класса – разрушающие и неразрушающие.

Тепловые методы неразрушающего контроля (НК) позволяют определять качество исследуемых материалов и готовых изделий из них по теплофизическим свойствам [2].

Таким образом, совершенствование известных и создание новых эффективных методов и средств неразрушающего контроля востребованы и являются актуальными в связи со сложностью и большим объемом экспериментальных исследований по определению качества защитных покрытий металлических изделий.

В основе примененного в данной работе метода лежат следующие предположения. На термограмме имеется участок (рабочий), для которого обеспечивается высокая точность совпадения с результатами вычислительных экспериментов по аналитической модели. Причем этому участку соответствуют тепловые режимы опыта, вышедшие на стадию регуляризации.

участки экспериментальных термограмм, хорошо совпадающие с рассчитанными по аналитическим моделям, имеют место для широкого класса твердых материалов (электро- и теплоизоляционных, полимерных и др.).

Для рабочего участка существуют удобные вычислительные соотношения, позволяющие однозначно определить значения теплофизических свойств в зависимости от параметров аналитической функции, соответствующей термо­грамме на данном временном интервале. Расчетное уравнение, описывающие термограмму на рабочем участке, следует искать на основе анализа решений соответствующей краевой задачи.

Цель работы. Экспериментальное исследование неразрушающего метода определения толщины термостойкого покрытия на металлическом основании.

Для достижения указанной цели были решены следующие задачи

1. Выполнен анализ методов и средств определения толщины защитных покрытий.

2.Выбрана измерительная схема метода НК толщины покрытий с круглым плоским источником тепла постоянной мощности.

3. Выполнено экспериментальное исследование неразрушающего метода определения толщины термостойкого акрилового покрытия на металлической подложке из стали Ст3.

Научная новизна.

1. Выполнена экспериментальная реализация теплового метода НК толщины защитных низкотеплопроводных покрытий на металлических основаниях.

2. Показана адекватность математической модели реализуемого метода НК реальному теплопереносу.

Практическая ценность. Программная и аппаратная реализации метода, ИС могут быть применены для контроля толщины низкотеплопроводных неметаллических покрытий (полимерных, керамических и др.) на металлических изделиях без разрушения изделия.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы неоднократно обсуждались на: 2-ой Международной конференции «Актуальные проблемы энергосбережения и энергоэффективности в технических системах». – Тамбов, 2015 г.; 9 Всероссийском конкурсе талантливой молодежи «Национальное достояние России». – Москва, 2015 г.; XIV-ой Международной научной конференции «Наука в центральной России». – Липецк, 2015 г.; XV-ой Международной научной конференции «Современная наука: актуальные проблемы и пути их решения». – Липецк, 2015 г.; Международной научной конференции «Наука в центральной России – Агроиновации». – Липецк, 2015 г.; Международной научно-практической конференции «Виртуальное моделирование, прототипирование и промышленный дизайн». – Тамбов, 2014 г.

В первой главе диссертации приводится обзор основных методов и средств определения толщины двухслойных материалов и изделий. Представлен анализ известных методов неразрушающего контроля. Рассмотрены различные виды термостойких покрытий, их свойства и область применения.

На основе проведенного анализа определена область и сформулированы задачи исследования, намечены пути решения.

Во второй главе диссертации даны теоретическое обоснование, описание и расчетные зависимости метода теплового НК качества термостойких покрытий на металлических основаниях.

В третьей главе рассмотрена принципиальная схема и аппаратное исполнение измерительной системы. Приведена конструкция измерительного зонда с круглым плоским нагревателем постоянной мощности.

В четвертой главе описаны свойства материалов, применяемых при экспериментальном исследовании.

В пятой главе представлены экспериментальные исследования двухслойных полимерно-металлических изделий тепловым методом НК толщины.

Экспериментальное исследование метода, реализующего НК толщины защитных покрытий, проводилось для двухслойного объекта, состоящего из металлической подложки из Стали 3 с термостойким акриловым покрытием.

Публикации. Результаты диссертационной работы опубликованы в 14 публикациях.

 

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРНЫХ И ПАТЕНТНЫХ ИСТОЧНИКОВ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

 

1.1. Методы и средства теплового неразрушающего контроля толщины материалов и изделий

 

Методы НК, или дефектоскопия ­­– методы, используемые для обнаружения не соответствия химического состава, нарушения целостности и однородности объектов и т.д., не требующих разрушения изделия или образцов материала в целом.

К неразрушающим методам предъявляют следующие требования:

– возможность контроля качества на всех стадиях производства;

– скоординированность времени контроля со временем других процессов производства;

– точность результатов;

– возможность механизации и автоматизации контроля;

– надежность контрольной аппаратуры и возможность использования ее в различных условиях;

– доступность методик контроля, техническая простота контроля.

Неразрушающие методы контроля толщины покрытий делят в зависимости от принципа работы на [3]:

– магнитные методы (магнитоотрывной, магнитостатический, магнитноиндукционный);

– метод вихревого потока;

– радиационные методы (метод обратного рассеяния, бета излучения, рентгенофлюоресцентный);

– термоэлетрический метод;

– оптический метод.

Магнитные методы применяют при условии, что значение шероховатости поверхности основного металла и покрытия R _a меньше толщины покрытия [3].

Магнитоотрывной метод основан на измерении силы отрыва постоянного магнита или сердечника электромагнита от контролируемой поверхности, которая зависит от толщины покрытия. Метод применяют для неферромагнитных покрытий на деталях из ферромагнитных металлов при толщине покрытия до 1000 мкм и ферромагнитных покрытий на деталях из неферромагнитных металлов при толщине покрытия до 25 мкм. Относительная погрешность метода ±10 % [3, 4].

Магнитостатический метод основан на регистрации с помощью магниточувствительных элементов изменений напряженности магнитного поля в цепи электромагнита постоянного тока или постоянного магнита при изменении расстояния между ним и основным металлом детали из-за наличия покрытия. Метод применяют для неферромагнитных металлических и неметаллических покрытий и гальванических никелевых покрытий на ферромагнитных металлах. Относительная погрешность метода ±10 % [3, 5].

Магнитоиндукционный метод основан на определении изменений магнитного сопротивления участка цепи: преобразователь-контролируемая деталь, зависящего от толщины покрытия, по ЭДС, наводимой в измерительной обмотке преобразователя, питающегося переменным током низкой частоты. Метод применяют для неферромагнитных металлических и неметаллических покрытий на ферромагнитных металлах. Относительная погрешность метода ± 5 % [3].

Метод вихревых токов основан на регистрации взаимодействия собственного электромагнитного поля преобразователя с электромагнитным полем вихревых токов, наводимых этим преобразователем в детали и зависящих от электрофизических и геометрических параметров основного металла и покрытия. Метод применяют для неэлектропроводных покрытий на неферромагнитных металлах и электропроводящих покрытий на неферромагнитных и ферромагнитных металлах. При контроле толщины неэлектропроводных покрытий на деталях из неферромагнитных металлов метод применяют при условии, что значение шероховатости поверхности основного металла и покрытия R _a меньше толщины покрытия. При контроле толщины электропроводных покрытий на деталях из неферромагнитных металлов метод наиболее эффективен при условии, что удельные электрические проводимости основного металла и покрытия отличаются не менее чем в 2-3 раза. Относительная погрешность метода ±5 % [3, 6, 7, 8].

Метод обратного рассеяния бета-излучения основан на измерении интенсивности отраженного потока бета-частиц, которая определяется различием атомных номеров основного металла и покрытия и зависит от толщины покрытия. Метод применяют для металлических и неметаллических покрытий на металлах при условии, что разность атомных номеров основного металла и материала покрытия не менее трех единиц. Относительная погрешность метода ±10 %[3].

Рентгенофлюоресцентный метод основан на анализе возбужденного с помощью радио-изотопного источника рентгеновского излучения, зависящего от основного металла, материала покрытия и его толщины. Метод применяют для металлических и неметаллических покрытий на металлах. При контроле металлических покрытий метод эффективен при толщине покрытия до 25 мкм. Относительная погрешность метода ±10 % [3].

Оптический метод основан на регистрации параметров оптического излучения, взаимодействующего с контролируемой деталью. Его применяют для покрытий с коэффициентом отражения не менее 0,3. Толщину прозрачных или полупрозрачных анодно-окисных покрытий на алюминии и его сплавах измеряют по ГОСТ 9.031-74. Относительная погрешность метода ±5 % [3, 10,11,12].

Термоэлектрический метод основан на измерении термо-ЭДС, возникающей под действием тепла в детали, вызванной различием термоэлектрических свойств и теплопроводностей основного металла и покрытия и зависящей от толщины покрытия. Метод применяют для металлических покрытий на металлах при толщине покрытия до 50 мкм и разности удельных термо-ЭДС не менее 20 мкВ/град. Относительная погрешность метода ±15 % [3, 9].

Для измерения толщины покрытий при неразрушающем контроле, согласно ГОСТ 9.302-88, применяются следующие приборы [3]:

– магнитный толщиномерМТ-41НЦ;

– магнитный толщиномер МТА-2М;

– магнитный толщиномер МТА-3;

– вихретоковый толщиномер ВТ-10НЦ;

– вихретоковый толщиномер ВТ-17Н

– радиоизотопный толщиномер выборочного контроля РТВК-2К;

– кулонометрический толщиномер Лимеда ДЕМ;

– микроскоп металлографический агрегатный МЕТАМ-Р1;

– микроскоп металлографический рабочий ММР-4.

Магнитный толщиномер. Конструкция прибора представлена в [13]. Толщиномер может быть использовано для контроля толщины немагнитных покрытий на ферромагнитном основании, ферромагнитных покрытий на немагнитном или слабомагнитном основании, а также для контроля толщины листов и фольг из ферромагнитного материала. Такие материалы с покрытиями используются в отраслях промышленности, где необходимы защитные свойства объекта производства, особенно никелевые покрытия, а также измерение толщины фольг и тонких листов из ферромагнитного материала в прокатном производстве, машиностроении и др. [13].

Электромагнитный толщиномер по патенту № 1834510 относится к неразрушающему вихретоковому методу контроля, конкретно к измерению толщины диэлектрических покрытий на электропроводящем немагнитном основании. Он содержит последовательно соединенные автогенератор, эмиттерный повотритель, измерительную цепь с вихретоковым преобразователем и усилитель постоянного тока, атак же индикатор, отличающий тем, что, с целью повышения точности за счет отстройки от влияния изменений электропроводности металлической немагнитной основы, он снабжен цепью опорного напряжения, выполненной в виде последовательно соединенных диода и резистора и включенной между выходом эмиттерного повторителя и входом усилителя постоянного тока, который выполнен по балансной схеме и в его выходную диагональ включены последовательно соединенные второй диод и индикатор, вихретоковый преобразователь выполнен в виде стержневого ферритового сердечника и размещенной у его рабочего торца параметрической обмотки [14].

Конструкция радиоизотопного толщиномера представлена в [15]. Толщиномер содержит преобразователь, последовательно соединенные генератор стабильной частоты, счетчик времени измерения и триггер управления, предварительный счетчик импульсов, измерительный счетчик с переключателями предустановки, кнопку Пуск, соединенную с потенциалом Нуль, а вторым концом – с инверсным входом сброса счетчика времени измерения, с вторым инверсным входом триггера управления и с инверсным входом синхронизации предустановки измерительного счетчика. Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, в частности к средствам неразрушающего контроля, например радиоизотопным приборам для измерения толщины покрытий [15].

Согласно патенту №2231754 кулонометрический толщиномер относится к области анализа металлических покрытий путем растворения микроучастка поверхности образца и может быть использовано для определения толщины и состава покрытия. Электрохимическая ячейка выполнена в виде полого цилиндра, снабженного резервной камерой с капилляром в основании. Она содержит также противоэлектрод и наконечник с калиброванным отверстием. Резервная камера совмещена с полым цилиндром и дополнительно оснащена подвижной поршневой системой, причем корпус ячейки снабжен приводом пространственного перемещения [16].

Принцип работы ультразвукового толщиномера ТУЗ–1 основан на ультразвуковом импульсном эхо-методе измерения, который использует свойства УЗК отражаться от границы раздела сред с разными акустическими сопротивлениями. Данный прибор позволяет измерять толщину от 0,6 до 300 мм. В приборе передающая пьезопластина акустического преобразователя раздельно–совмещенного типа излучает импульс УЗК через линию задержки (призму) в направлении наружной поверхности изделия, толщину которого нужно измерить. Импульс УЗК распространяется в изделии до противоположной поверхности, отражается от нее, распространяется в обратном направлении, пройдя линию задержки (призму), принимается приемной пьезопластиной [17].

Публикации, связанные с разработкой НК толщины изделий из твердых материалов, появились в 70-е годы прошлого века. Современный уровень теории теплопроводности позволяет однозначно определить в аналитическом виде температурное поле тел достаточно простой формы для большого класса тепловых воздействий на это тело, если в рамках решаемой задачи ТФС остаются постоянными коэффициентами уравнения теплопроводности. Однако получаемые при этом аналитические выражения для температурного поля в общем виде имеют сложную структуру, поэтому не пригодны для использования в методах НК структурных превращений в ПМ по аномалиям ТФС [18].

При создании методов и устройств измерения толщины главные затруднения вызывает выбор такого изотермического сечения, в котором можно с достаточной степенью точности определить температурный градиент и проникающий удельный тепловой поток. При этом структура температурного отклика существенно зависит от геометрии тела, вида теплового воздействия, а также от стадии теплового процесса, вызванного этим воздействием. Поэтому при разработке методов определения толщины практический интерес представляют только простейшие внутренние обратные задачи теории теплопроводности, которые приводят к явным аналитическим выражениям для коэффициентов теплопроводности, теплоемкости, температуропроводности, тепловой активности исследуемого материала, независимо связывающим их с тепловым воздействием, температурным полем и геометрией образца [2, 18].

В зависимости от характера изменения во времени температур и тепловых потоков в исследуемом образце в ходе рабочей стадии измерительного эксперимента различают две большие группы методов определения толщины: стационарные и нестационарные.

Определение толщины стационарным методом основано на том, что тепловой поток, проходящий через исследуемый объект во время проведения измерений, сохраняется постоянным по величине и направлению. Существующие стационарные методы отличаются друг от друга способами учета и компенсации потерь, формами и размерами исследуемых образцов, размещением нагревателей, конструкцией измерительных ячеек, приемами регистрации и обработки измерительной информации. Следует отметить, что стационарные методы практически не пригодны для определения толщины материалов и изделий без нарушения их целостности. Серьезными недостатками стационарных методов являются большая длительность экспериментов, необходимость использования специально подготовленных образцов и возможность определения в процессе эксперимента только одного теплофизического параметра – коэффициента теплопроводности λ [2, 17, 18].

Методы определения толщины материалов, основанные на закономерностях нестационарного теплового потока, можно разделить на группы:

а) методы регулярного режима;

б) методы, основанные на определении параметров нестационарного температурного поля на начальной стадии его развития [18].

Различают регулярные режимы 1-го, 2-го и 3-го рода. Общая теория методов регулярного режима разработана Г.М. Кондратьевым и его учениками. Различным вариантам этих методов определения ТФС посвящены работы, в которых рассмотрены способы измерения ТФС образцов цилиндрической формы конечных размеров, стержней, многослойных систем и т.д. Основными недостатками методов регулярного режима являются: длительность эксперимента, возможность проведения измерений только на специально подготовленных образцах определенной формы. Последнее затрудняет применение этих методов [17, 18].

Наиболее приемлемыми для оперативного НК толщины материалов и изделий являются методы измерения, основанные на определении параметров нестационарного температурного поля на начальной стадии процесса теплопроводности. В данных методах исследуемый объект моделируется в виде полуограниченного тела. Рассмотрим эти методы, останавливаясь, в основном, на тех работах, где определяются толщины без нарушения целостности и эксплуатационных характеристик исследуемых изделий [17, 18].

Простейшую структуру имеют одномерные температурные поля. Двух- и трехмерность полей существенно не улучшает эксплуатационные показатели метода и при этом, как правило, ухудшает его метрологические характеристики. Поэтому при создании прямых методов строго согласовывают пространственное расположение теплового источника с геометрией образца, обеспечивая, по возможности, одномерный температурный отклик. Благодаря этому, теоретическую основу большинства современных методов определения толщины составляют аналитические закономерности одномерных плоских, цилиндрических и сферических тепловых и температурных полей в образцах. Эти образцы могут быть отнесены к классам плоского, цилиндрического или сферического полупространств [2, 18].

Необходимо так же заметить, что пространственно-временной характер температурного возмущения однозначно зависит от вида теплового воздействия на исследуемое тело. Поэтому одним из классификационных признаков НК толщины является вид теплового воздействия. Наибольшее применение находят следующие воздействия: изотермическое, постоянной мощности, монотонно изменяющейся мощности, импульсное, гармоническое и комбинированное [18].

Изотермическими тепловыми воздействиями считают такие воздействия, при которых температура какого-либо слоя тела изменяется скачком и сохраняется постоянной на протяжении всего теплового процесса. Задачи такого типа относятся к классу задач с граничными условиями первого рода, и они достаточно хорошо изучены. К недостаткам, возникающим при создании методов НК толщины на основе указанных решений, следует отнести сложность технического обеспечения для реализации требуемых и жестко заданных граничных условий, большие габариты источника тепла, использование системы термостатирования для поддержания заданной температуры всего образца или его границы [2, 17, 18].

Импульсным называют такое воздействие, при котором выделившаяся за время действия источника конечная энергия не успевает заметно рассеяться за пределы зоны его локализации. Поскольку измерить точно избыточную температуру в точке контроля при подаче одиночного импульса достаточно трудно, то применяют многоимпульсное тепловое воздействие [17, 18].

Известно большое количество методов НК, реализующих импульсное тепловое воздействие и отличающихся коротким временем измерений. Широкое распространение при НК получили импульсные методы, использующие линейный и точечный нагреватели [2, 18].

Реализация методов многоимпульсного теплового воздействия влечет усложнение математических моделей, связанное с учетом релаксации в исследуемом образце каждого предшествующего теплового импульса. К недостаткам данной группы методов можно отнести то, что в них не учитывается распределение температуры во всем объеме исследуемого образца от предыдущего импульса, определение толщины производится только по отдельным точкам термограмм. В современных методах намечается тенденция использования в расчетах большего числа точек температурной кривой, что позволяет повысить достоверность получаемых результатов [18].

Тепловое воздействие постоянной мощности может быть объемным и поверхностным. Объемный источник генерирует теплоту внутри образца, поверхностный источник воздействует на одну из граней образца, создавая через нее постоянный тепловой поток. В теории теплопроводности задачи такого класса относятся к классу задач с граничными условиями второго рода и являются хорошо изученными. В большинстве случаев для создания данного вида теплового воздействия, применительно к задачам НК толщины, в качестве источника тепла используют, как правило, или плоский электрический нагреватель, или, в отдельных случаях, высокотемпературное тепловое излучение. Различные авторы достаточно активно используют в своих методах НК толщины измерительные устройства, базирующиеся на исследовании круглого участка поверхности [17, 18].

Постановка и решение двухмерной нестационарной задачи теплопроводности для полуограниченного тела, при подводе к нему тепла через тонкий плоский круг, приведены В.П. Козловым в работе «Двумерные осесимметричные нестационарные задачи теплопроводности». Однако использовать данное решение в методах НК структурных переходов в ПМ затруднительно из-за сложностей чисто расчетного характера, которые трудно полностью исключить, даже применяя современные пакеты прикладных программ [18].

При переходе от двухмерной задачи к одномерной, например, при подводе тепла к полуограниченному телу через тонкий плоский круг, радиус которого стремится к бесконечности, получено решение. Если в эксперименте на модели полуограниченного тела реализовать определенные граничные условия, то возможно использование этого решения в методах НК толщины (при известных из опыта значениях температуры и плотности теплового потока) [2, 17, 18].

Анализ литературных источников показал, что наиболее точно учитываются как систематические, так и случайные погрешности в методах, основанных на регулярном тепловом режиме. Лыковым А.В. было показано, что регулярные тепловые режимы первого и второго рода имеют общее свойство, которое характеризуется независимостью от времени отношения теплового потока в любой точке тела к потоку тепла на его поверхности. В частном случае, когда на поверхности образца действует источник тепла постоянной мощности, в теле возникает стационарное поле тепловых потоков.

Характерной особенностью методов измерения толщины, основанных на регулярном тепловом режиме, является простота расчетных формул. Математическая модель, описывающая термограмму, чаще всего является линейной по параметрам или легко линеаризуется. Систематические погрешности учитываются в виде независимых от времени и простых по форме поправок. Однако основная часть этих методов базируется на моделях для тел конечных размеров (пластина, цилиндр, шар), в то время как большая часть методов НК базируется на моделях полупространства (плоского, цилиндрического, сферического). Можно показать, что вышеприведенное высказывание А.В. Лыкова применимо и для таких моделей. Однако в этом случае нужно говорить не о регулярном тепловом режиме для всего тела в целом (так как оно принимается неограниченным), а о регуляризации теплового процесса только для какой-то определенной области тела. Ход термограммы будет определяться, прежде всего, внутренними слоями исследуемого образца. Основными источниками систематических погрешностей в контактных неразрушающих методах контроля толщины являются неучтенные процессы в области нагревателя и теплоприемников (термические сопротивления, теплоемкости и др.) [18].

Таким образом, если проводить измерения, основываясь только на участках термограммы, соответствующих регуляризации теплового режима в области нагревателей и термоприемников, то:

– во-первых, расчетные соотношения будут простыми и во многих случаях линейными по параметрам;

– во-вторых, систематические погрешности будут либо значительно меньшими, чем случайные, либо будут носить постоянный характер, т.е. не будут зависеть от времени [18].

Появление новых методов, в основу которых положены рассмотренные выше подходы, обусловлено наличием новых быстродействующих, многофункциональных и недорогих измерительно-вычислительных микропроцессорных систем, способных реализовывать разработанные алгоритмы.

В ходе изучения тематики определения толщины покрытия тепловым методом НК, были рассмотрены следующие методы.

Известен способ определения толщины плоского слоя, заключающийся в том, что осуществляют одностороннее импульсное воздействие на слой тепловым потоком, постоянным во время действия импульса и равномерно распределенным по по­верхности слоя, регистрируют измене­ние температуры на одной из поверх­ностей слоя и определяют его толщину с учетом плотности поглощаемого теп­лового потока и объемной теплоемкости материала слоя [19].

Согласно способу определения толщины слоя материала, заключающемуся в том, что осуществляют одностороннее воздействие тепловым потоком на слой материала, регистрируют изменение температуры слоя материала и определяют его толщину, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и расширения номенклатуры измеряемых слоев путем определения толщины слоя материала с низкой теплопроводностью и цилиндрических слоев, осуществляют периодические колебания температуры слоя материала путем модуляции теплового потока поочередно на двух частотах, измеряют разность фаз между колебаниями теплового потока и температуры слоя в контрольной точке для одной из частот и для двух частот, по разности фаз для двух частот определяют поправку на теплообмен, а толщину слоя материала определяют по разности фаз для одной из частот с учетом полученной поправки [20].

В способе определения толщины стенки, основанному на учете теплового потока через контролируемую стенку и предусматривающий наложение на эту стенку эталонного термосопротивления, измерение трех перепадов температур, один из которых представляет собой перепад температур по толщине эталонного термосопротивления, и расчетное определение толщины стенки с учетом измеренных перепадов температур, отличающийся тем, что на контролируемую стенку накладывают дополнительное отличное от первого по величине теплового сопротивления эталонное термосопротивление и измеряют второй перепад температур по его толщине, а третий перепад температур измеряют между фиксированными областями по толщине обоих эталонных термосопротивлений [21].

Интересен способ неразрушающего контроля толщины защитных покрытий изделий, за­ключающийся в нагревании поверхности изделия как до нанесения покрытия, так и с покрытием с помощью источника тепловой энергии прямоугольной формы с заданными размерами а и b сторон, размещаемого на поверхности изделия и теплоизолированно­го от внешней среды, измерении избыточ­ной температуры поверхности изделия в центре источника тепловой энергии, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, нагревание поверхно­сти изделия осуществляют одиночным теп­ловым импульсом мощностью , определяют интервал времени от момен­та подачи этого импульса до момента [22].

Способ неразрушающего контроля толщины пленочного покрытия изделия по [24], отличающийся тем, что, с целью повышения достоверности кон­троля, дополнительно избыточную темпера­туру измеряют на поверхности изделия в точке, расположенной на заданном рассто­янии от источника и симметрично относи­тельно его концов, и учитывают ее при определении толщины покрытия [23].

Способ неразрушающего контроля толщины пленочного покрытия изделия, за­ключающийся в том, что осуществляют на­грев поверхности изделия без покрытия, измеряют значение избыточной температу­ры нагретой поверхности изделия, затем осуществляют нагрев поверхности изделия с покрытием и измеряют значение избыточ­ной температуры поверхности покрытия, а толщину покрытия определяют с учетом из­меренных значений температур и теплопро­водности материала покрытия, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, нагрев поверхности осуществ­ляют с помощью плоского источника пря­моугольной формы постоянной мощности, размещенного на нагреваемой поверхно­сти и теплоизолированного от внешней среды, избыточную температуру измеряют в установившемся режиме в центре пло­щадки контакта с источником и по получен­ным данным определяют толщину покрытия [24].

В ТГТУ создана серия методов и реализующих их средств для НК толщины готовых изделий и массивных образцов из твердых полимерных материалов и неоднородных сред, в которых выполняются следующие условия: обеспечение контроля комплекса толщины; исключение нарушения целостности исследуемого образца и осуществление теплового воздействия через небольшой участок поверхности образца; соблюдение у исследуемого образца или изделия таких размеров, которые обеспечивают адекватность математической модели метода реальному процессу нагрева исследуемого образца.

 

1.2. Полимерные покрытия с повышенной теплостойкостью

 

К промышленным полимерам с повышенной теплостойкостью относятся прежде всего простые полиэфиры – полифениленоксид и полисульфон, ароматический ПА – фенилон, полиимиды (ПИ), а также термостойкие акриловые покрытия. Для этих конструкционных термопластов характерно существенно повышенное значение такой важной характеристики, как теплостойкость по Мартенсу, которая составляет 180-220 °С (табл. 1.1) [25].

Полифениленоксид (ПФО) – простой полиэфир 2,6-диметилфенола, выпускается в виде порошка или гранул. Это жесткоцепной термопласт, ММ=25 тыс., температура плавления 267 °С. ПФО обладает хорошими физико-механическими, электроизоляционными, триботехническими свойствами, масло- и бензостойкостью, самозатухает. Перерабатывается литьем под давлением и каландрованием [25, 26].

 

Таблица 1.1 – Основные свойства полимеров с повышенной теплостойкостью

Свойства	Полифенленоксид (ПФО)	Полисульфон (ПСФ)	Фенол С
Плотность, кг/м3
Теплостойкость по Мартенсу, °С
Разрушающее напряжение, МПа, при:
растяжении

⇐ Предыдущая12

Поделиться: