Вихретоковые методы измерения толщины неферромагнитных электропроводящих покрытий на неферромагнитных электропроводящих основаниях
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 бюд жетном образовательном учреждении высшего профессиональ ного образования «Национальный минерально-сырьевой уни верситет «Горный».
Научный руководитель доктор технических наук, профессор Потапов Анатолий Иванович
Официальные оппоненты:
Гордиенко Валерий Евгеньевич доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО государственный архитектурно «Санкт–Петербургский строительный университет», кафедра технологии конструкци онных 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 Нацио нального минерально-сырьевого университета «Горный».
Автореферат разослан 27 февраля 2013 г.
УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ диссертационного совета В.В. ГАБОВ
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Современное промышленное произ водство характеризуется постоянным повышением требований к ка честву выпускаемой продукции. Металлические покрытия изделий из цветных металлов широко распространены во всех отраслях про мышленности. Покрытия наносят с целью защиты изделий от корро зии и от воздействия окружающей среды, для придания их поверх ностям специальных свойств, улучшения внешнего вида и повыше ния декоративных свойств. Контроль толщины покрытия является весьма важной операцией в технологическом цикле изготовления изделия, поскольку соответствие реальной толщины покрытия тре бованиям конструкторской и нормативно-технической документа ции на изделие является наиболее важным с точки зрения обеспече ния функционального назначения покрытия и изделия в целом.
Для неразрушающего контроля толщины электропроводя щих неферромагнитных покрытий на электропроводящих неферро магнитных основаниях в настоящее время применяются методы ра диационного вида неразрушающего контроля. Сложная методика калибровки, необходимость анализа картины спектров элементов, содержащихся в покрытии и основании, высокая стоимость рентге но-флуоресцентных анализаторов затрудняет их использование в качестве толщиномеров широкой номенклатуры покрытий в цехо вых условиях гальванических производств. Повышенные требова ния безопасности, связанные с работой с источниками радиоактив ного излучения и их хранением, а также необходимость использова ния упорного апертурного кольца преобразователя только под опре деленный радиус кривизны поверхности объекта измерения снижает эффективность использования толщиномеров, основанных на мето де -отражения радиационного вида неразрушающего контроля.
Наиболее универсальными методами неразрушающего кон троля толщины неферромагнитных электропроводящих покрытий на изделиях из неферромагнитных материалов являются методы вихре токового вида неразрушающего контроля. Вихретоковые первичные и вторичные преобразователи могут выполняться в малогабаритных, надежных конструктивных исполнениях. В отличие от методов ра диационного вида неразрушающего контроля, применение методов вихретокового вида экологически безопасно. Процедура калибровки вихретоковых преобразователей достаточно проста, при их эксплуа тации не требуются повышенные меры техники безопасности. Пере численные обстоятельства позволяют эффективно использовать вихретоковые толщиномеры для оперативного контроля толщины широкой номенклатуры покрытий на изделиях сложного криволи нейного 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 изме рения ±(0,01...0,03Т+2...3) мкм. Однако, в области малых толщин покрытий, при проведении измерений в цеховых условиях при ре альных технологических разбросах физических и геометрических параметров изделий, заявляемые значения погрешности не обеспе чиваются.
Уменьшение погрешности измерения возможно за счет оп тимизации параметров первичных измерительных вихретоковых преобразователей (ВТП), усовершенствования методик и средств измерения и обработки получаемой с ВТП первичной информации.
Цель работы: Уменьшение погрешности вихретоковых не разрушающих средств измерения толщины электропроводящих не ферромагнитных покрытий на электропроводящих неферромагнит ных основаниях в области толщин от 0 до 50 мкм.
Идея работы: Использование сбалансированного трехобмо точного 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 измери тельного 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 вих ретоковых 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 покры тий и контрольных образцах покрытий. Экспериментальные данные обрабатывались с использованием методов математической статисти ки. 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 трехобмо точного накладного измерительного ВТП с ферритовым сердечни ком и заданной частотой тока возбуждения с ОК, представляющим собой неферромагнитное электропроводящее полупространство с неферромагнитным электропроводящим покрытием с заданным зна чением толщины и относительной электропроводностью.
3. Установлено, что отклонение от плоскостности рабочей поверхности основания меры и неравномерность нанесения покры тия являются основными источниками погрешности мер толщины покрытий.
Положения, выносимые на защиту:
1. Разбалансировка обмоток чувствительного элемента пер вичного измерительного ВТП, обеспечивающая смещение точки на блюдения по мнимой оси комплексной плоскости годографа вектора вносимого напряжения на заданную величину, при оптимальной частоте тока возбуждения и значении обобщенного параметра вих ретокового контроля не более 30 при Тп=0, уменьшает дополни тельную абсолютную погрешность измерения толщины неферро магнитных электропроводящих покрытий на неферромагнитных электропроводящих основаниях с относительной электропроводно стью 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.
2. Смещение точки, соответствующей Тп=0 и h*=0, вверх по годографу вектора *вн(Тп), обеспечиваемое установкой дистанцион ной прокладки необходимой толщины из материала с заданной электропроводностью между контактной поверхностью измеритель ного амплитудно-фазового ВТП и ОК, уменьшает дополнительную абсолютную погрешность измерения толщины неферромагнитных электропроводящих покрытий на неферромагнитных электропрово дящих основаниях с относительной электропроводностью п/о0, до ±1...1,5 мкм в диапазоне толщин от 0 до 50 мкм при девиации от носительного зазора h/Rв от 0 до 0,1.
3. Предлагаемая конструкция и технология изготовления оснований, приемы их отбора и подготовки совместно с техноло гиями получения покрытий и методикой аттестации их толщины обеспечивают возможность изготовления комплектов мер толщины неферромагнитных электропроводящих покрытий на неферромаг нитных электропроводящих основаниях с абсолютной погрешно стью не превышающей ±0,3 мкм, что удовлетворяет условиям гра дуировки и поверки вихретоковых толщиномеров неферромагнит ных электропроводящих покрытий на неферромагнитных электро проводящих основаниях с абсолютной погрешностью измерения не более ±1 мкм в диапазоне толщин покрытий от 0 до 50 мкм.
Обоснованность и достоверность научных положений подтверждается сходимостью результатов математического модели рования и аналитических расчетов с результатами эксперименталь ных исследований в лабораторных условиях на комплектах натур ных мер и контрольных образцах покрытий.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
• разработана, изготовлена и сертифицирована совокупность средств неразрушающего контроля толщины неферромагнитных электропроводящих покрытий изделий из неферромагнитных элек тропроводящих материалов.
Реализация выводов и рекомендаций работы.
Результаты работы были использованы научно производственной фирмой ЗАО "Константа" при разработке элек тромагнитного толщиномера "К6 Гальванический" и серии вихрето ковых преобразователей к нему. За период с 2011 по 2013 года реа лизовано и внедрено на производствах более 30 вихретоковых тол щиномеров гальванических покрытий, в том числе неферромагнит ных электропроводящих покрытий на неферромагнитных электро проводящих основания. Помимо этого результаты работы могут быть применены при контроле толщины покрытий на гальваниче ских участках и производствах в различных отраслях промышлен ности.
Личный вклад автора:
• обоснована возможность применения ВТП для измерения толщины покрытий, электропроводность которых меньше электро проводности основания;
• разработан алгоритм обработки сигналов ВТП, обеспечи вающий измерение толщины покрытия на фоне изменения зазора между ВТП и ОК в широком диапазоне;
• предложена конструкция, технология изготовления и мето дика аттестации натурных мер толщины неферромагнитных элек тропроводящих покрытий на неферромагнитных электропроводя щих основаниях.
Апробация работы. Основные положения и результаты ра боты докладывались и получили положительную оценку на конфе ренциях: "The 49th Annual Conference of The British Institute of Non Destructive Testing", Cardiff, UK, 2010 г.;
"XIX всероссийская конфе ренция по неразрушающему контролю и технической диагностике", г. Самара, 2011 г.;
"18th World Conference on Nondestructive Testing", Durban, South Africa, 2012 г.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликова но 8 печатных работ, в том числе 3 в изданиях, рекомендуемых ВАК Минобрнауки России, получен патент на метод измерения.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введе ния, 5 глав и заключения, изложенных на 160 страницах. Содержит 62 рисунка, 24 таблицы и список литературы из 118 наименований.
Во введении дана общая характеристика работы, обоснована ее актуальность, сформулирована идея диссертационной работы, на основании которой поставлены цель и основные задачи исследова ния, а также определены научная новизна и практическая ценность результатов работы.
В главе 1 проведен анализ задач измерения толщины нефер ромагнитных электропроводящих покрытий на неферромагнитных электропроводящих основаниях, предложена их классификация, проведен обзор и анализ существующих видов, методов и техниче ских средств неразрушающего контроля толщины покрытий, дана характеристика объекта исследования, обоснованы цели и задачи исследований.
В главе 2 представлена общая характеристика вихретокового вида неразрушающего контроля, предложены расчетно-теоретические модели взаимодействия первичного вихретокового преобразователя с ОК, определены основные мешающие параметры, характерные для измерения толщины неферромагнитных электропроводящих покры тий на неферромагнитных электропроводящих основаниях, и их влияние на сигнал преобразователя, дана обобщенная структурная схема вихретокового толщиномера покрытий.
В главе 3 рассмотрена структура первичных измерительных вихретоковых преобразователей, обоснована оптимальная конструк ция вихретокового преобразователя для измерения толщины нефер ромагнитных электропроводящих покрытий на неферромагнитных электропроводящих основаниях, предложены методы и средства об работки первичной информации, позволяющие исключить влияние мешающих параметров вихретокового контроля на результаты изме рений, даны рекомендации по выбору оптимальной частоты тока воз буждения преобразователя.
В главе 4 рассмотрены основные принципы стандартизации в области средств измерения толщины покрытий, установлены недос татки существующей Государственной поверочной схемы для толщи номеров покрытий, проведены исследования натурных мер толщины металлических покрытий, предложена методика их изготовления и аттестации, представлен проект технического задания на разработку стандарта на натурные меры толщины покрытий для поверки и ка либровки вихретоковых толщиномеров неферромагнитных электро проводящих покрытий на неферромагнитных электропроводящих основаниях.
В главе 5 представлены результаты экспериментальных ис следований разработанных вихретоковых преобразователей на ком плектах натурных мер толщины и промышленных контрольных об разцах, приведены перспективы развития и области применения ре зультатов работы.
В заключении представлены обобщенные выводы по резуль татам исследований в соответствии с целью и решенными задачами.
ЗАЩИЩАЕМЫЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ Положение 1.
Разбалансировка обмоток чувствительного элемента пер вичного измерительного ВТП, обеспечивающая смещение точки на блюдения 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 допол нительную абсолютную погрешность измерения толщины нефер ромагнитных электропроводящих покрытий на неферромагнитных электропроводящих основаниях с относительной электропроводно стью 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 электропрово дящих покрытий на неферромагнитных электропроводящих основа ниях 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 па раметром является толщина покрытия. Мешающие параметры, по природе их возникновения, можно условно разделить на электрофи зические и геометрические. Наибольшее влияние на сигнал ВТП оказывает девиация относительного воздушного зазора h* между контактной поверхностью преобразователя и ОК и другие геометри ческие мешающие параметры, например шероховатость, изменение радиуса кривизны поверхности, которые могут быть сведены к эк вивалентному 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 изме рительного ВТП и картина распределения плотности вихревых то ков в ОК, полученная в программе численного моделирования мето дами конечных элементов Maxwell. На рисунке 2.а представлен го дограф зависимости комплексного относительного вносимого на пряжения *вн от контролируемого (Тп) и мешающего (h*) парамет ров, при относительной электропроводности покрытия п/о2.
Анализируя данный годограф, становится очевидно, что измене ние толщины покрытия Тп оказывает большее влияние на изменение фа зы *вн, в то время как изменение относительного зазора h* в основном влияет на амплитуду *вн. Поэтому, в качестве информативного пара метра вихретокового преобразователя при измерениях толщины покры тий с относительной электропроводностью п/о2 целесообразно ис пользовать 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 относительно го вносимого напряжения *вн при изменении контролируемого (Tп) и мешающего (h*) параметров из точки наблюдения, расположенной на пересечении вещественной и мнимой осей годографа. Из представлен ных графиков видно, что изменение h* оказывает влияние линейного характера на сдвиг фазы относительного вносимого напряжения *вн.
Для исключения этого влияния необходимо сместить точку на блюдения 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 относи тельного 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 соответ ственно.
3. величина *раз рассчитывается по формуле:
*раз=(Re1Im2-Re2Im1)/(Re1-Re2). (1) На рисунке 4 представлены зависимости фазы относительно го вносимого напряжения *вн при изменении контролируемого (Tп) и мешающего (h*) параметров из точки наблюдения, смещенной на вели чину *раз по мнимой оси.
В процессе проведения экспериментальных исследований вихре токового преобразователя, смещение точки наблюдения по данному ал горитму позволило уменьшить дополнительную погрешность измерения толщины серебряных покрытий на изделиях из титана в следствии изме нения относительного зазора h* в диапазоне от 0 до 0,3 до 8 раз по срав нению с аналогичным преобразователем без смещения. Максимальная абсолютная дополнительная погрешность измерения при этом не превы сила ±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 дистанци онной прокладки необходимой толщины из материала с заданной электропроводностью между контактной поверхностью измери тельного амплитудно-фазового ВТП и ОК, уменьшает дополни тельную абсолютную погрешность измерения толщины неферро магнитных электропроводящих покрытий на неферромагнитных электропроводящих основаниях с относительной электропроводно стью п/о0,4 до ±1...1,5 мкм в диапазоне толщин от 0 до 50 мкм при девиации относительного зазора h/Rв от 0 до 0,1.
Сложность измерения толщины неферромагнитных покры тий, электропроводность которых меньше электропроводности не ферромагнитных оснований, с исключением влияния на результат измерения относительного зазора h* заключается в том, что измене ние толщины покрытия Тп в некотором малом диапазоне не влияет на сигнал ВТП, или ее влияние совпадает с влиянием относительно го зазора h*. Рассмотрим представленный на рисунке 5.а годограф зависимости комплексного относительного вносимого напряжения *вн от контролируемого (Тп) и мешающего (h*) параметров, при относительной электропроводности покрытия п/о0,4.
На участке А-В, что соответствует диапазону толщин Тп от до 20 мкм не изменяется, образуя тем самым зону нечувстви тельности, рисунок 6.а. Использование амплитуды *вн в качестве информативного параметра ВТП не представляется возможным, по скольку на нее существенное влияние оказывает h*. На участке B-C, который соответствует диапазону толщин Тп от 20 до 60 мкм чувст вительность фазы ()/Тп не превышает 0,05°/мкм, а на участке С-D, что соответствует диапазону толщин Тп от 60 до 130 мкм, ()/Тп составляет порядка 0,05...0,075°/мкм. В общем случае, это позволяет проводить измерения толщины покрытия Tп в диапазоне от 20 до 130 мкм фазовым методом с абсолютной погрешностью на уровне ±(1,5…3) мкм без уменьшения влияния h* на дополнитель ную погрешность измерения.
Для обеспечения возможности измерения толщины покрытий в диапазоне от 0 до 50 мкм необходимо перенести точку А, соответ ствующую Тп=0 и h*=0, на участок С-D годографа *вн(Тп). Это мо жет быть достигнуто введением «дистанционной прокладки» опре деленной толщины Тпр между контактной поверхностью преобразо вателя и ОК из износостойкого материала, близкого по электропро водности к измеряемому покрытию. Если электропроводность мате риала прокладки и покрытия отличаются более чем на 10%, то тол щина прокладки Тпрi определяется выражением:
Тпрi = Tпр п / пр, (2) где Тпр - необходимая толщина прокладки при пр=п;
пр - электропроводность материала прокладки.
В общем случае величина Тпр подбирается для каждой задачи индивидуально исходя из анализов результатов моделирования либо экспериментально. Для рассматриваемой задачи измерения толщи ны оловянных покрытий изделий из меди оптимальная толщина прокладки Тпр=30-55 мкм. В этом случае, при изменении Тп от 0 до Тп max–Tпр годограф *вн(Тп) будет находиться между точками С и Е.
Линия отвода h* (при Тп=0) свяжет точку С с точкой F на годографе *вн(Тпр) при h*= (рисунок 5.б). На рисунке 6.б представлены зави симости фазы относительного вносимого напряжения *вн при изменении контролируемого (Tп) параметра при Тпр 15, 30 и 55 мкм.
Поскольку изменению Тп и h* соответствуют различные по фазе годографы *вн на комплексной плоскости, то для уменьшения влияния относительного зазора h* на дополнительную погрешность измерения Тп градуировочная характеристика преобразователя должна представлять собой семейство зависимостей (Тп, h*) и U(Тп, h*), изображенных на рисунке 7.
Экспериментальные исследования показали, что при уста новленной дистанционной прокладки абсолютная дополнительная погрешность измерения толщины покрытия сплавом олово-висмут изделий из меди амплитудно - фазовым преобразователем в следст вии изменения h* в диапазоне от 0 до 0,1 не превышала ±0,8 мкм.
Рисунок 7. Семейство годографов *вн(Tп,h*) с дистанционной прокладкой толщи ной Тпр=30 мкм при различных значениях h*.
1 - линии влияния Тп при различном h*;
2 - линии влияния h* при различной Тп;
3 линия обобщенного параметра ;
4 - линия влияния Тпр при h*= (отсутствие ОК вблизи ВТП) Положение 3.
Предлагаемая конструкция и технология изготовления осно ваний, приемы их отбора и подготовки совместно с технологиями получения покрытий и методикой аттестации их толщины обеспе чивают возможность изготовления комплектов мер толщины не ферромагнитных электропроводящих покрытий на неферромаг нитных электропроводящих основаниях с абсолютной погрешно стью не превышающей ±0,3 мкм, что удовлетворяет условиям гра дуировки и поверки вихретоковых толщиномеров неферромагнит ных электропроводящих покрытий на неферромагнитных электро проводящих основаниях с абсолютной погрешностью измерения не более ±1 мкм в диапазоне толщин покрытий от 0 до 50 мкм.
В соответствии с Государственной поверочной схемой для средств измерения толщины, утвержденную в качестве рекоменда ции по метрологии Р50.2.006-2001, основным средством поверки толщиномеров покрытий по ГОСТ 8.502 являются эталонные меры толщины покрытий. Существовавший ранее ГОСТ25177-82 «Меры толщины покрытий образцовые. Основные параметры и размеры.
Общие технические требования» не действителен с 1988 года в свя зи с истечением срока действия. С развалом СССР выпуск мер тол щины практически прекратился, а технологии их изготовления были утеряны. Отсутствие действующей нормативной документации и другие перечисленные обстоятельства ставят под угрозу обеспече ние единства измерений толщины покрытий в России.
Мера толщины неферромагнитного электропроводящего по крытия представляет собой физическое тело, воспроизводящее раз мер толщины покрытия и состоит из покрытия и основания, связан ных между собой адгезией либо другим способом соединения. Пе редавая вихретоковому толщиномеру размер контролируемого па раметра (физической величины [мкм]) мера одновременно должна нести информацию о свойствах материала покрытия и основания. В связи с этим, мера так же предназначена для хранения, воспроизве дения и передачи параметра удельной электропроводности материа ла основания и покрытия.
Анализ модели ступенчатой меры толщины покрытия, учи тывающий реальные условия, возникающие при формировании и измерении толщины покрытия, и проведенные экспериментальные исследования позволили выделить основные составляющие погреш ности меры толщины покрытия. Так, условием уменьшения погреш ности передаваемой мерой величины толщины покрытия будет ми нимизация отклонения от плоскостности рабочей поверхности осно вания, шероховатости поверхности основания и покрытия и нерав номерности толщины покрытия. Данные условия позволили опреде лить основные требования к конструкции основания меры, а также разработать оптимальный технологический процесс их изготовле ния. Фрагмент рабочего чертежа, по которому осуществляется изго товление оснований мер, изображен на рисунке 8.
Рисунок 8. Фрагмент рабочего чертежа на изготовление оснований мер толщины покрытий.
Технологический процесс изготовления мер состоит из сле дующих основных технологических операций:
1. Изготовление заготовок оснований мер;
2. Прецизионная доводка поверхностей оснований мер;
3. Контроль геометрических параметров оснований (откло нение от плоскостности, контроль шероховатости);
4. Контроль и отбраковка оснований по электропроводности;
5. Нанесение сектора покрытия на основание меры;
6. Выравнивание толщины покрытия меры до соответствия требованию разнотолщиннности покрытия методом притирки;
7. Измерение толщины покрытия мер и передача в первич ную поверку.
Изготовление заготовок оснований мер осуществляется из одного прутка материала методами механической обработки: точе ние, фрезерование. Заключительной операцией механообработки является финишное шлифование. Для обеспечения требуемых пара метров по плоскостности и качеству подготовки поверхностей мер основания подвергают операции доводки. Доводка осуществляется на доводочных станках или вручную на доводочных плитах с ис пользованием алмазного абразива различной зернистости.
Контроль отклонения от плоскостности осуществляется ин терференционным методом, шероховатости - профилометрическим методом. Минимизация общей площади основания меры позволяет уменьшить вероятность возникновения недопустимых отклонений от плоскостности поверхностей мер в процессе шлифовки и довод ки, тем самым снижает процент брака и трудоемкость процесса из готовления. Продольные пазы на основании меры четко ограничи вают рабочую область, упрощают процедуру изоляции непокрывае мых участков перед нанесением покрытия и исключают наростооб разование на границах зоны покрытия. Обязательным этапом в про цессе изготовления оснований введен контроль их удельной элек тропроводности о. Допустимое отклонение действительной элек тропроводности основания од от установленного для каждой марки материала номинального справочного значения он в общем случае различно для каждого типа покрытия. В виду этого, контроль од, а также ее девиации по поверхности меры целесообразно осуществ лять вихретоковым преобразователем, настроенным на измерение толщины покрытий того же типа, что и покрытие которое предпола гается наносить на исследуемые основания. Показания вихретоково го преобразователя в любой точке не должны отличаться от 0 более чем на ±0,2 мкм. Контроль электропроводности оснований, исполь зование стандартных электролитов (номер состава и карты по ГОСТ9.305-84) и нанесение покрытий в одной ванне при заданных нормальных условиях с последовательным извлечением мер через заданные временные интервалы позволяют исключить появление дополнительной погрешности, связанной с отклонением электро проводности покрытия и основания в процессе градуировки и по верки вихретоковых преобразователей.
Экспериментальные исследования показали, что предлагае мые технологии и методики, позволяют изготавливать комплекты мер толщины неферромагнитных электропроводящих покрытий на неферромагнитных электропроводящих основаниях с абсолютной погрешностью аттестации толщины покрытия не более ±0,3 мкм в диапазоне от 0 до 50 мкм, что удовлетворяет условиям градуировки и поверки вихретоковых толщиномеров с абсолютной погрешно стью измерения не более ±1 мкм.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ В диссертации, представляющей собой законченную научно квалификационную работу, на основе анализа литературных источ ников и выполненных теоретических и экспериментальных исследо ваний была решена актуальная научно-практическая задача уменьшение погрешности средств измерения толщины неферромаг нитных электропроводящих покрытий на неферромагнитных элек тропроводящих основаниях, основанных на методах вихретокового вида неразрушающего контроля. На основании проведенных иссле дований получены следующие научные результаты работы:
1. Для неразрушающего измерения толщины неферромаг нитных электропроводящих покрытий на неферромагнитных элек тропроводящих основаниях в диапазоне от 0 до 50 мкм с абсолют ной погрешностью измерения не более ±1 мкм рекомендован вихре токовый вид контроля с применением сбалансированных трехобмо точных накладных ВТП с ферритовым сердечником.
2. Разработан и реализован способ выделения информатив ного параметра сигнала ВТП, позволяющий уменьшить погреш ность измерения толщины покрытия Тп при изменении зазора h.
3. Разработана конструкция, технология изготовления и ме тодика аттестации натурных мер толщины покрытий, обладающих заданными метрологическими характеристиками, которые удовле творяют условиям поверки вихретоковых толщиномеров неферро магнитных электропроводящих покрытий на неферромагнитных электропроводящих основаниях с абсолютной погрешностью изме рения не более ±1 мкм в диапазоне толщин покрытий от 0 до мкм.
4. Определена оптимальная частота тока возбуждения пре образователя, зависящая от максимальной толщины и электропро водности измеряемого покрытия.
5. Показана возможность измерения толщины неферромаг нитного электропроводящего покрытия на неферромагнитном элек тропроводящем основании с относительной электропроводностью п/о0,4 и п/о2 с отстройкой от влияния зазора h на результат измерения.
Наиболее значимые работы по теме диссертации:
1. 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 №5, 2011. -С. 12-16.
2. Сясько В.А., Ивкин А.Е. Обеспечение достоверности резуль татов измерений толщины металлических покрытий магнитными и вихретоковыми методами в условиях машиностроительных произ водств // Метрология №2, 2011. -С. 3-12.
3. Сясько В.А., Чертов Д.Н., Ивкин А.Е. Измерение толщины стенок изделий из углеродных композиционных материалов с исполь зованием вихретокового фазового метода // Дефектоскопия №8, 2011. С. 76-84.
4. Сясько В.А., Ивкин А.Е. Вихретоковая толщинометрия не ферромагнитных металлических покрытий на изделиях из цветных ме таллов // Мир измерений №6, 2010. -С. 18-23.
5. Сясько В.А., Ивкин А.Е. Методы и средства измерения тол щины металлических покрытий // Мир гальваники №1, 2011. -С. 54-57.
6. Сясько В.А., Ивкин А.Е. Измерение толщины покрытий из драгоценных металлов с использованием вихретокового вида контроля // В мире неразрушающего контроля №2, 2012. -С. 22-25.
7. Сясько В.А., Ивкин А.Е. Метрологическое обеспечение вихретоковых толщиномеров гальванических покрытий // Мир галь ваники №3, 2012. -С. 52-54.
Рисунок 1. Модель первичного трехобмоточного накладного измерительного вихретокового преобразователя.
Рисунок 2. Годограф зависимости комплексного относительного вносимого напряжения *вн от контролируемого (Тп) и мешающего (h*) параметров: а) - исходный годограф вектора *вн;
б) годограф вектора *вн со смещением точки начала координат на величину *раз.
1 - линия влияния Тп;
2 - линия влияния h* при Тп=0;
3 - линия влияния h* при Тп=;
4 - линия обобщенного параметра.
Рисунок 3. Зависимость вносимого напряжения *вн при изменении контролируемого (Tп) Рисунок 4. Зависимость вносимого напряжения *вн при изменении контролируемого и мешающего (h*) параметров из точки наблюдения, расположенной на пересечении вещест- (Tп) и мешающего (h*) параметров из точки наблюдения, смещенной на величину *раз венной и мнимой осей годографа для диапазонов допускаемого изменения h* от 0 до 0,1;
от 0 до 0,3;
от 0 до 0,5;
от 0 до мм.
а) б) Рисунок 6. Зависимость фазы относительного вносимого напряжения Рисунок 5. Годограф зависимости комплексного относительного вносимого напряжения *вн от кон тролируемого (Тп) и мешающего (h*) параметров: а) - исходный годограф вектора *вн;
б) - годограф *вн при изменении контролируемого (Tп) параметра:
вектора *вн с установленными прокладками. а) без установки дистанционной прокладки (участок А-В - зона нечувст 1 - линия влияния Тп;
2 - линия влияния h* при Тп=0;
3 - линия влияния h* при Тп=;
4 - линия обоб- вительности);
б) с установкой дистанционной прокладки разной толщины.
щенного параметра ;
5 - линия влияния h* при Тп=0 и Тпр=55 мкм;
6 - линия влияния h* при Тп=0 и Тпр=30 мкм;
7 - линия влияния h* при Тп=0 и Тпр=15 мкм;
8 - линия влияния Тпр при h*= (отсутствие ОК вблизи ВТП)