СПОСОБ ВИХРЕТОКОВОГО КОНТРОЛЯ ТОЛЩИНЫ КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОДЛОЖКАХ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Область техники

Группа изобретений относится к области измерительной техники и может быть использована для оценки надежности и качества многослойных конструкций из полимерных композиционных материалов (ПКМ) на основе контроля толщины слоев.

Изобретение может быть использовано для контроля надежности и качества сложных пространственных многослойных конструкций из ПКМ как в процессе производства, так и в процессе эксплуатации: пространственных сетчатых конструкций, отсеков космических аппаратов, ракетных двигателей, трубопроводов, герметичных сосудов и т.п.

Особенно эффективно применение заявленного изобретения при испытании потенциально опасных и дорогих в изготовлении конструкций, к которым, с одной стороны, предъявляются высокие требования по надежности и качеству эксплуатации, а с другой стороны, они являются достаточно дорогими и трудоемкими в изготовлении для того, чтобы достаточно большое количество конструкций можно было заменить другими изделиями, имеющими требуемые параметры. Точное измерение толщины очень актуально для изделий ракетно-космической техники, где существуют взаимно исключающие требования: когда, с одной стороны, требуется обеспечить теплозащитные характеристики конструкции (т.е. увеличить толщину конструкции), а с другой стороны, имеются ограничения по массе и габаритным размерам, которые требуют уменьшить толщину материалов. При этом требуется определить потенциально опасные места (узлы конструкции), которые в первую очередь могут разрушиться (вследствие изменения толщины по сравнению с заданной), что может привести к аварии и которые, возможно, необходимо укреплять.

Уровень техники

Измерение толщины материала является актуальной задачей в процессе создания эффективных и надежных конструкций из различных материалов.

Существуют достаточно большое количество методов измерения толщины материала: рентгеновский метод, ультразвуковой метод, визуальный оптический метод, вихретоковый метод.

Все методы имеют свои особенности и области применения для контроля толщины различных материалов. Так, рентгеновский метод используется, в основном, для контроля толщины металлопроката; ультразвуковой метод имеет большую область применения для различных материалов, но требует наличие границы раздела сред и соответствующую степень однородности контролируемого материала с точки зрения прохождения акустических волн; оптический метод требует визуального доступа к контролируемой поверхности; вихретоковый метод имеет достаточно широкий спектр применения, но применим только на неэлектропроводных материалах с достаточно равномерными по объему материала диэлектрическими характеристиками.

В современной технике перспективным направлением является использование полимерных композиционных материалов, обладающих рядом преимуществ перед традиционными материалами - металлами, особенно в авиакосмических отраслях техники, машиностроении, энергетике и др. Такие материалы требуют особого подхода, новых решений при разработке и создании методов и средств оценки надежности их эксплуатации. Это вызвано большим разнообразием видов таких материалов, специфическими особенностями конструкций из них и технологией изготовления и случайным изменением физико-механических и прочностных характеристик, большим разнообразием типов материалов и их характеристик.

Кроме того, эти материалы в большинстве отраслей промышленности работают в условиях статических и динамических нагрузок.

Повысить качество конструкций невозможно без достоверной оценки критериев качества. Соответственно невозможна разработка мероприятий и технологий по повышению качества конструкций. Одним из признаков качества конструкций, особенно в ракетно-космической и авиационной отраслях, являются массогабаритная и энергетическая характеристики, которые определяются в т.ч. и толщинами используемых в конструкции материалов.

Учитывая, что такие конструкции являются, как правило, достаточно дорогими как в стоимостном выражении, так и в трудоемкости изготовления, и очевидно, что выход из строя конструкции ведет к большим финансовым и другим потерям, необходимо, с одной стороны, каждую конструкцию подвергать испытанию на предмет соответствия ее прочностных характеристик требуемым, а с другой стороны, эти испытания должны минимально «травмировать» конструкцию при максимальной информативности результатов испытаний.

Здесь на первое место выходят методы неразрушающего контроля, в т.ч. методы контроля толщины материалов конструкции. Они позволяют объективно определять фактическое состояние конструкции, оценить надежность эксплуатации и дать рекомендации по ремонту или восстановлению.

Имеются неоднократные попытки решить проблему измерения толщины ПКМ различными методами - ультразвуковым, рентгеновским и т.п. Однако они не приводили к желаемым результатам, что связано с рядом причин.

1. Большим случайным разбросом физико-механических характеристик ПКМ.

2. Отсутствием ярко выраженной границы раздела сред между слоями.

3. Отсутствие металлической подложки под измеряемым слоем ПКМ.

4. Изменением диэлектрических характеристик измеряемых материалов и рядом других причин.

Существует большое количество методов и средств контроля толщины ПКМ без прямого визуального доступа. Проведенный анализ и экспериментальные исследования показали, что контроль толщины ПКМ наиболее оптимально осуществлять вихретоковым методом. Это обусловлено следующими факторами:

отсутствием прямого доступа к внутренним слоям, что делает невозможным применение оптического визуального контроля,

наличием большого разброса акустических характеристик и отсутствием границы раздела сред, что делает практически неприменимым акустический контроль,

большими габаритными размерами и сложной конфигурацией конструкций, которые существенно затрудняют использование рентгеновского метода.

Методы контроля толщины ПКМ вихретоковым методом описаны, достаточно подробно, в следующих материалах.

1. В.В. Клюев, Ю.К. Федосенко, В.А. Коровяков и В.О. Арбузов. Авторское свидетельство СССР №1087768, кл. G01B 7/06 23.04.84, бюл. №15 от 23.04.84.

2. С.В. Кривоносов. Патент на изобретение №2198384, РФ, бюл. №4 от 10.02.03.

3. Патент №2419763. Жаворонко Александр Иванович (RU), Кривоносов Сергей Владимирович (RU), Хлупнов Владимир Александрович (RU). ВИХРЕТОКОВЫЙ ТОЛЩИНОМЕР. Опубл. 27.05.2011 г., и других.

Общий недостаток всех известных на настоящий момент методов и средств вихретокового контроля толщины ПКМ заключается в следующем:

- все методы и средства обеспечивают приемлемую точность контроля толщины материалов только на сплошной металлической подложке, что связано с физическими процессами распространения вихревых токов, и не позволяют измерять толщину ПКМ на полимерных подложках,

- отсутствуют способы исключения влияния случайных изменений диэлектрических свойств контролируемых материалов на результаты измерений толщины.

Поэтому на сегодняшний день имеется потребность в создании способа и устройства измерения толщины слоев многослойных реальных конструкций из ПКМ, который может применяться на практике для широкого круга объектов с использованием простого и точного оборудования, пригодного для эксплуатации в промышленных условиях (т.е. в условиях шумов, помех и т.п.).

Настоящее изобретение направлено на решение задачи обеспечения оперативного контроля толщины слоев многослойных сложных конструкций и их элементов из ПКМ в процессе производства и в реальных условиях эксплуатации, определения участков несоответствия толщины нормативной документации, разработки рекомендаций для устранения дефектов или восстановления конструкции.

Т.е., в конечном итоге, изобретение направлено на повышение безопасности эксплуатации сложных потенциально опасных конструкций из ПКМ.

Наиболее близким к заявленным способу и устройству является способ вихретокового контроля толщины ПКМ и устройство для его осуществления, описанные в работе: Потапов А.И., Сясько В.А. Неразрушающие методы и средства контроля толщины покрытий и изделий: Научное, методическое и справочное пособие. - СПб., 2009. - 904 с., с илл. (стр. 92-93).

Известный способ вихретокового контроля толщины покрытий из композитных материалов на неметаллических подложках включает установку под ПКМ металлического закладного элемента, установку вихретокового преобразователя на поверхность контролируемого материала в точке измерения толщины, измерение сигнала, пропорционального частоте измерительного автогенератора U_изм с периодом T_изм, при этом период сигнала измерительного генератора T_изм пропорционален толщине измеряемого покрытия, регистрацию значения толщины на регистрирующее устройство.

Известное устройство вихретокового контроля толщины ПКМ на металлической подложке включает вихретоковый преобразователь с катушкой индуктивности, измерительный автогенератор, регистрирующее устройство, при этом в колебательный контур измерительного автогенератора включена катушка индуктивности вихретокового преобразователя, а выход измерительного автогенератора подключен к регистрирующему устройству. Недостатки известного способа и устройства заключается в малой чувствительности, не позволяющей измерять с малой погрешностью большие толщины (больше диаметра вихретокового преобразователя) на несплошном и малой площади закладном металлическом элементе.

Сущность изобретения

Таким образом, имеется потребность в создании способа и реализующего его устройства, обеспечивающего измерение толщины ПКМ в реальных изделиях.

Технический результат, достигаемый при использовании заявленной группы изобретений, заключается в повышении точности измерения толщины слоев ПКМ, повышении достоверности результатов оценки технического и эксплуатационного состояния сложных конструкций и их элементов из ПКМ.

Технический результат в части способа достигается за счет того, что предварительно строят градуировочную характеристику, отражающую связь между измеряемыми сигналами и значением толщины на эталонных образцах U_эт=U_эт(h), где h - толщина эталонного образца, в зоне измерения толщины композитного материала устанавливают металлические закладные элементы малой площади, устанавливают вихретоковый преобразователь на поверхность контролируемого композитного материала в центре зоны измерения толщины, измеряют сигнал U_изм, пропорциональный периоду Т_изм измерительного автогенератора и толщине измеряемого композитного материала, дополнительно генерируют сигналы опорным автогенератором U_оп, по величине пропорциональные периоду Т_оп, определяют сигнал, пропорциональный разности периода колебаний измерительного и опорного автогенератора U_с=U_с(T_оп-Т_изм), линеаризируют полученный сигнал следующим образом: U_л=U_с×U_эт(h), при этом сигнал U_л пропорционален толщине h, перед каждым измерением толщины вихретоковый преобразователь устанавливают вне зоны контроля и измеряют сигнал U_с0=U_с0(Т_оп-Т_изм), пропорциональный разности периодов сигналов опорного и измерительного автогенераторов, и уточняют линеаризированный сигнал U_л=U_с×U_эт(h) следующим образом: U_л ^у=(U_с+U_с0(T_оп-T_изм))×U_эт(h), регистрируют значение толщины на регистрирующем устройстве.

Технический результат в части устройства достигается за счет того, что в устройство вихретокового контроля толщины композитных материалов на неметаллических подложках, включающее вихретоковый преобразователь с катушкой индуктивности, измерительный автогенератор и регистрирующее устройство, при этом в колебательный контур измерительного автогенератора включена катушка индуктивности преобразователя, а выход измерительного автогенератора подключен к регистрирующему устройству, согласно изобретению дополнительно введены опорный автогенератор со второй катушкой индуктивности, измеритель периода колебаний измерительного автогенератора, измеритель периода колебаний опорного автогенератора, вычитатель/сумматор измерителей периода колебаний, блок временных поправок, блок управления блоком временных поправок и линеаризатор передаточной функции, при этом катушка индуктивности вихретокового преобразователя подключена к входу измерительного автогенератора, вторая катушка индуктивности подключена ко входу опорного автогенератора, выход измерительного автогенератора подключен ко входу измерителя периода колебаний измерительного автогенератора, выход опорного автогенератора подключен ко входу измерителя периода колебаний опорного автогенератора, первые выходы измерителя периода колебаний измерительного автогенератора и измерителя периода колебаний опорного автогенератора подключены соответственно к первому и второму входам вычитателя/сумматора измерителей периода колебаний, вторые выходы измерителя периода колебаний измерительного автогенератора и измерителя периода колебаний опорного автогенератора подключены к первому и второму входам блока временных поправок, выход блока управления подключен к третьему входу блока временных поправок, выходы блоков вычитателя/сумматора и временных поправок подключены к первому и второму входам линеаризатора передаточной функции, выход которого подключен к регистрирующему устройству.

Краткое описание фигур чертежей

Сущность изобретения и возможность достижения технического результата будут более понятны из последующего описания со ссылками на позиции чертежей, где на:

фиг. 1 приведена функциональная схема устройства для контроля толщины,

фиг. 2 приведена градуировочная кривая устройства для контроля толщины,

фиг. 3 приведена схема расположения вихретокового преобразователя при проведении измерения толщины,

фиг. 4 - пример выполнения одного из блоков устройства - принципиальная электрическая схема,

На приведенных чертежах приняты следующие обозначения:

1 - вихретоковый преобразователь,

2 - измерительный автогенератор,

3, 16 - катушки индуктивности,

4 - опорный автогенератор с второй катушкой индуктивности,

5 - измеритель периода колебаний измерительного автогенератора,

6 - измеритель периода колебаний опорного автогенератора,

7 - вычитатель (сумматор) измерителей периода колебаний,

8 - блок временных поправок,

9 - линеаризатор передаточной функции,

10 - регистрирующее устройство,

11 - блок управления блоком временных поправок,

12 - электронный блок,

13 - металлический закладной элемент малой площади поверхности: например, металлическое кольцо,

14 - контролируемый полимерный композитный материал,

15 - неметаллическая подложка.

Предпочтительный вариант осуществления изобретения

В качестве примера на фиг. 4 приведена принципиальная электрическая схема совокупности функционально связанных блоков 6-11 с указанием на схеме стандартных обозначений электрических элементов.

Устройство содержит вихретоковый преобразователь 1 с катушкой индуктивности 16, измерительный автогенератор 2, регистрирующее устройство 10, опорный автогенератор 4 с второй катушкой индуктивности 3, измеритель периода колебаний измерительного автогенератора 5, измеритель периода колебаний опорного автогенератора 6, вычитатель/сумматор измерителей периода колебаний 7, блок временных поправок 8, блок управления блоком временных поправок 11, линеаризатор передаточной функции 9. Выход вихретокового преобразователя 1 с катушкой индуктивности 16 подключен к входу измерительного автогенератора 2. Катушка индуктивности 3 подключена к опорному автогенератору 4.

Выход измерительного автогенератора 2 подключен ко входу измерителя периода колебаний измерительного автогенератора 5. Выход опорного автогенератора 4 подключен ко входу измерителя периода колебаний опорного автогенератора 6. Первые выходы измерителя периода колебаний измерительного автогенератора 5 и измерителя периода колебаний опорного автогенератора 6 подключены соответственно к первому и второму входам вычитателя/сумматора измерителей периода колебаний 7, вторые выходы измерителя периода колебаний измерительного автогенератора 5 и измерителя периода колебаний опорного автогенератора 6 подключены к первому и второму входам блока временных поправок 8, выход блока управления 11 подключен к третьему входу блока временных поправок 8, выходы блоков вычитателя/сумматора измерителей периода колебаний 7 и временных поправок 8 подключены к первому и второму входам линеаризатора передаточной функции 9, выход которого подключен к регистрирующему устройству 10.

Способ осуществляется следующим образом.

В процессе изготовления изделия либо перед проведением измерения толщины между композиционным материалом 14, толщина которого измеряется и неметаллической подложкой 15 устанавливается металлическое кольцо 13 либо металлическая сетка. Отличие этих закладных элементов от сплошной металлической подложки заключается в том, что они не вносят дополнительных дефектов типа нарушения сплошности в конструкцию и практически не увеличивают содержание в конструкции из ПКМ металлических элементов. Это особенно важно для соблюдения условий радиолокационного обнаружения конструкции. Малые размеры таких закладных элементов реализуют малые значения наводимых в них вихревых токов, что потребовало создание специального высокочувствительного толщиномера, который обеспечивает точное измерение толщины большой величины с высокой точностью.

Вихретоковый преобразователь 1 устанавливают на контролируемую поверхность 14 вне зоны контроля, т.е. вне зоны расположения закладного металлического элемента 13.

Особенностью прибора является возможность управления работой блоком временных поправок, которая осуществляется с помощью блока 11 посредством кнопки, расположенной на вихретоковом преобразователе. При нажатии кнопки блока управления 11 в блоке происходит фиксация периодов измерительного и опорного автогенераторов, а приблизительно через 2 с еще одна фиксация. Затем вычисляется дрейф разности периодов и формируется экстраполяционный по времени сигнал поправки для блока 9. Это операция осуществляется перед каждым измерением на закладном элементе 13, что позволяет исключать накопленный дрейф сигнала и значительно повысить чувствительность прибора и снизить погрешность измерений.

Затем осуществляется непосредственно измерение толщины материала над закладным элементом. Осуществляется установка вихретокового преобразователя 1 над центром закладного элемента 13. Определение местоположения центра закладного элемента осуществляется двумя способами:

- по заранее отмеченному месту в процессе установки закладного элемента,

- по определению максимального сигнала на устройстве либо по минимальному значению толщины материала 14 путем перемещения вихретокового преобразователя 1 по поверхности материала 14 в области расположения закладного элемента.

После установки вихретокового преобразователя 1 частота измерительного автогенератора 2 устанавливается в соответствии с толщиной диэлектрического покрытия. Для повышения чувствительности с помощью вычитателя/сумматора 7 определяется разностный период путем вычитания из периода измеренного сигнала периода опорного автогенератора 4. Полученная разность зависит от толщины покрытия по нелинейному закону. С целью линеаризации в устройстве для контроля толщины - вихретоковом толщиномере - с помощью линеаризатора 9 формируется сигнал, пропорциональный толщине, который подается на индикатор 10. Блок временных поправок 8 периодически производит сравнение периодов измерительного и опорного автогенераторов при расположении преобразователя вне зоны диапазона контроля, далее формирует сигнал экстраполяционной поправки для уточнения работы линеаризатора 9.

Предварительно измеряют градуировочную характеристику, отражающую связь между измеряемыми сигналами и значением толщины на эталонных образцах U_эт=U_эт(h), где h - толщина эталонного образца. В зоне измерения толщины композитного материала устанавливают металлические закладные элементы 13 малой площади. Устанавливают вихретоковый преобразователь 1 на поверхность контролируемого композитного материала 14 в центре зоны измерения толщины. Измеряют сигнал U_изм, пропорциональный периоду Т_изм измерительного автогенератора 2 и толщине измеряемого композитного материала 14. Дополнительно генерируют сигналы опорным автогенератором 4 U_оп, по величине пропорциональные периоду Т_оп. Определяют сигнал, пропорциональный разности периода колебаний измерительного и опорного автогенератора U_c=U_c(T_оп-Т_изм). Линеаризируют полученный сигнал следующим образом: U_л=U_c×U_эт(h), при этом сигнал U_л пропорционален толщине h. Перед каждым измерением толщины вихретоковый преобразователь устанавливают вне зоны контроля и измеряют сигнал U_с0=U_с0(Т_оп-T_изм), пропорциональный разности периодов сигналов опорного 4 и измерительного автогенераторов 2, и уточняют линеаризированный сигнал U_л=U_c×U_эт(h) следующим образом: U_л ^у=(U_c+U_c0(T_оп-Т_изм))×U_эт(h). Регистрируют значение толщины на регистрирующем устройстве 10.

С целью повышения производительности и достоверности контроля в приборе реализованы некоторые дополнительные функции:

- предварительное разделение измеряемой толщины на произвольные диапазоны;

- звуковой и светодиодный индикатор совмещения центра вихретокового преобразователя с центром закладного элемента (кольца или сетки).

Схема проведения контроля толщины приведена на фиг. 3.

Экспериментальные исследования проводились на конструкциях из композитных материалов. Конструкция представляла собой подложку сферической формы из ПКМ с нанесенным на нее резиноподобным покрытием. Между подложкой и покрытием положены металлические кольца толщиной 0,1 мм, внешним диаметром - 15 мм, внутренним диаметром - 11 мм. В таблице приведены основные результаты экспериментальных исследований разработанного устройства-толщиномера и толщиномера, принятого в качестве ближайшего аналога.

Проведена сертификация заявленного устройства, которая подтвердила технические характеристики прибора: предельное измерение толщины покрытия - 32 мм (фактически, как показали эксперименты, прибор позволяет измерять толщину до 40-45 мм без потери точности и смены вихретокового преобразователя).

Все используемые в устройстве, реализующем способ вихретокового контроля толщины композитных материалов, электронные блоки построены на основе стандартных микропроцессорных схем и микропроцессорных сборок с перепрограммируемыми запоминающими устройствами (см. Угрюмов Е.П. Цифровая схемотехника: Учебн. пособие для вузов. - 3-е изд., перераб. и доп. - СПб.: БХВ - Петербург, 2010), поэтому изобретения промышленно применимы.