Современные методы неразрушающего контроля (НК), позволяющие определять теплофизические свойства (ТФС) твердых материалов и температурные характеристики структурных переходов в полимерах, толщину покрытий на различных подложках, наиболее эффективно реализуются измерительными системами [1–3].
Известно применение измерительных систем (ИС), реализующих способы неразрушающего определения ТФС материалов с применением импульсных линейных источников тепла и линейных источников тепла постоянной мощности [3, 4].
Известны ИС, реализующие контактный зондовый метод НК ТФС и НК структурных переходов в полимерных материалах (ПМ) по изменениям их ТФС с ростом температуры. Теплофизические свойства определяют по рабочим участкам термограмм, полученных при тепловом воздействии на объект исследования от круглого источника тепла постоянной мощности в виде диска, встроенного в подложку измерительного зонда (ИЗ). По моделям плоского и сферического полупространств рассчитывают ТФС, а значение температуры перехода определяют по аномалиям ТФС на температурных зависимостях с помощью статистических критериев [4–7].
Известны ИС, реализующие методы НК, позволяющие определять толщину покрытий на различных подложках [8, 9].
Однако перечисленные варианты ИС представляют собой стационарные измерительные средства, предназначенные для функционирования в лабораториях.
Схема и описание портативной мобильной ИС, реализующей методы НК ТФС, НК толщины покрытий и НК качества двухслойных, представлены в настоящей работе.
Согласно измерительной схеме ИС тепловое воздействие на двухслойную полимерно-металлическую систему с равномерным начальным температурным распределением осуществляется с помощью нагревателя постоянной мощности, выполненного в виде тонкого диска радиусом RН, встроенного в подложку ИЗ, выполненную из теплоизоляционного материала. Радиус измерительного зонда — RИЗ (рис. 1). Размеры подложки ИЗ и металлической пластины подобраны так, что их можно считать полуограниченными.
Рис. 1. Измерительная схема ИС
Исследуемое тело представляет собой конструкцию, состоящую из двух слоев: первый — низкотеплопроводный; второй — высокотеплопроводный. Толщина первого слоя — h1, второго — h2. Температура в точках контроля измеряется с помощью термоприёмников (ТП1, ТП2).
Измерительная система состоит из персонального компьютера (ПК), измерительно-управляющей платы, усилителя сигналов (У), ИЗ, регулируемого блока питания (БУП) [6–9]. Структурная схема ИС представлена на рис. 2.
Мощность и длительность теплового воздействия нагревателя (Н) задаются программно. Регулирующий сигнал поступает на вход операционного усилителя (ОУ), включенного по неинвертирующей схеме. Сигнал с выхода ОУ подается на базу силового транзистора. ОУ поддерживает на выходе блока питания напряжение, равное напряжению регулирующего сигнала.
Сигнал с ТП поступает на вход измерительно-управляющей платы E14–140-MD, при этом сигнал предварительно проходит через усилитель ZET 410 (У).
Плата E14–140-MD содержит следующие основные блоки.
1. ARM-контроллер (тип AT91SAM7S256) осуществляет не только управление E14–140-MD, но и поддерживает интерфейсы USB и отладочный JTAG.
2. Коммутатор (К) предназначен для коммутации сигналов c аналоговых входов.
3. АЦП LTC1416–14-ти битный АЦП последовательного приближения. Буфер АЦП, хранящий один 14 битный отсчет АЦП в формате 8 + 8 бит с расширенным знаком дополнительного кода.
4. Двухканальный ЦАП (16 бит) работает не только в асинхронном, но и в синхронном режиме (до 200 кГц), имеет большой рабочий выходной ток и нормированные характеристики при воспроизведении переменного напряжения.
Системное программное обеспечение (СПО) измерительной системы включает USB-драйвер измерительно-управляющей платы Е14–140-MD, динамически подключаемую библиотеку Lusbapi. Для реализации алгоритмов контроля ТФС, температурно-временных характеристик структурных переходов в ПМ, толщины защитных покрытий, обнаружения дефектов двухслойных изделий, управления режимами эксперимента разработан комплекс программного обеспечения (ПО) для ПК. Данный комплекс составляет прикладное программное обеспечение (ППО) ИС. Вспомогательное программное обеспечение (ВПО) состоит из программ тестирования, организации обработки и хранения измерительной информации на ПК.
Рис. 2. Структурная схема измерительной системы
Конструкция ИЗ представлена на рис. 3.
Зонд состоит из двух основных узлов: из ячейки 1 и корпуса 2. Ячейка, в свою очередь, состоит из основания 3, разъема 9. С контактной стороны ячейки на поверхности теплоизолятора 4 размещены микротермопары 6, сваренные встык. Нагреватель 5 изготовлен в виде диска. Разъем 9 предназначен для коммутации измерительного зонда с платой E14–140- MD. Между ячейкой и крышкой 10 корпуса расположена пружина 8, которая обеспечивает одинаковое усилие прижима ячейки к поверхности исследуемого изделия, что обуславливает равенство контактных тепловых сопротивлений при каждом измерении. После выравнивания температуры исследуемого изделия и подложки зонда, через нагреватель в течение заданного времени протекает ток, что обеспечивает нагрев исследуемого изделия.
Разностные ЭДС, полученные на зажимах микротермопар 6, поступают в усилитель ZET 410, а усиленные сигналы — на вход платы.
Рис. 3. Схема измерительного зонда
Мобильный вариант измерительной системы реализует следующие тепловые методы неразрушающего контроля.
1. Метод определения теплофизических свойств твердых материалов.
2. Метод определения температурных характеристик структурных переходов в полимерах.
3. Метод контроля толщины полимерных покрытий на металлических подложках.
4. Метод контроля наличия дефектов (в виде частицы металла, воздушного или водяного включений) в двухслойных полимерно-металлических изделиях и др.
Измерительная система позволяет автоматизировать проведение измерений, адаптивно изменять режимные параметры, обеспечивать оперативность и точность измерений при сохранении целостности и эксплуатационных характеристик объектов исследования.
Литература:
1. Об одном методе термического анализа для неразрушающего контроля теплофизических свойств полимеров / Н. Ф. Майникова, Ю. Л. Муромцев, И. В. Рогов, А. А. Балашов // Пластические массы. 2001. № 2. — С.33.
2. Об одном методе исследования твердофазных переходов в полимерах. / Н. Ф. Майникова, Ю. Л. Муромцев, Н. П. Жуков, А. А. Балашов // Пластические массы. 2002. № 6. — С.23.
3. Жуков, Н. П. Метод и измерительно-вычислительная система неразрушающего теплофизического контроля / Н. П. Жуков, Н. Ф. Майникова // Пластические массы. 2005. № 2. — С. 39.
4. Моделирование процесса теплопереноса от импульсного линейного источника тепла при теплофизических измерениях / Н. П. Жуков, Н. Ф. Майникова, Ю. Л. Муромцев, И. В. Рогов // Вестник Тамбовского государственного технического университета. 2002. − Т. 8, № 2. — С. 182–189.
5. Жуков, Н. П. Измерительно-вычислительная система неразрушающего теплофизического контроля / Н. П. Жуков, Н. Ф. Майникова // Приборы и техника эксперимента. 2005. № 2. — С.153–154.
6. Жуков, Н. П. Измерительно-вычислительная система неразрушающего контроля теплофизических свойств / Н. П. Жуков, Н. Ф. Майникова // Приборы и техника эксперимента. 2005. № 4. — С.164–166.
7. Майникова, Н. Ф. Измерительная система и метод неразрушающего контроля структурных превращений в полимерных материалах // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2006. № 1 — С.56–61.
8. Мищенко, С. В. Информационно-измерительная система неразрушающего теплового контроля/ С. В. Мищенко, Н. Ф. Майникова // Приборы. 2009. № 4. — С.20–24.
9. Контроль качества полимерных покрытий / Е. В. Пудовкина, А. О. Антонов, Д. А. Лизунов, Н. Ф. Майникова // Успехи в химии и химической технологии. 2012. — Т.26, № 4 (133). — С.77–79.
