Способ определения толщины слоя материала

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для дефектометрических исследований. Целью изобретения является повышение точности и расширение номенклатуры измеряемых слоев путем определения толщины слоя материала с низкой теплопроводностью и цилиндрических слоев. Способ теплофизического контроля толщины слоя материала включает одностороннее периодическое тепловое воздействие на поверхность образца, регистрацию изменения его температуры в контрольной точке и определение величины разности фаз между колебаниями теплового потока и температуры слоя в контрольных точках. Аппаратура для реализации способа включает источник электроэнергии 1, соединенный с источником 2 теплового потока, модулятор 3 теплового потока, датчик 5 инфракрасного излучения, потенциометр 6 постоянного тока, усилитель 7 и шлейфовый осциллограф 8. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для дефектометрических исследований.

Известен способ определения толщины плоcкого слоя, недостатком которого является низкая точность определения искомой величины [1].

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ [2] , включающий одностороннее импульсное воздействие на слой тепловым импульсным потоком, постоянным во время действия импульса и равномерно распределенным по поверхности слоя, регистрацию изменения температуры на одной из поверхностей слоя и определение его толщины с учетом плотности поглощаемого теплового потока и объемной теплоемкости материала слоя, причем регистрацию изменения температуры ведут непрерывно во время действия импульса и определяют скорость нагрева поверхности слоя, а толщину слоя определяют по участку стабильности вспомогательной функции.

Известный способ отличается низкой точностью. Область его применения ограничена.

Целью изобретения является повышение точности и расширение номенклатуры измеряемых слоев путем определения толщины слоя материала с низкой теплопроводностью и цилиндрических слоев.

В предлагаемом способе отсутствует погрешность, связанная с температурной зависимостью теплофизических свойств и необходимостью определения тепловых потоков. В способе обеспечивается возможность определения скрытых дефектов, раскрывающихся при деформировании материала.

Поставленная цель достигается тем, что в материале создают периодические колебания температуры путем модуляции теплового потока поочередно на двух частотах, толщину слоя определяют по результатам измерения разности фаз между колебаниями теплового потока и температуры в контрольной точке для одной из частот и определения поправки на теплообмен (критерий Био) по измеренным величинам разности фаз для двух частот. Например, для плоcкого слоя толщина слоя может быть определена по формуле l = , где а - коэффициент температуропроводности материала; ω- частота колебаний теплового потока; κ - безразмерный критерий, величина которого для фиксированного числа Био зависит только от l, a, ω и который определяется по результатам измерения величины сдвига фаз между колебаниями теплового потока и температуры в контрольной точке.

Толщина цилиндрического слоя материала определяется по зависимостям, принципиально аналогичным приведенной. Плоские многослойные образцы подвергают знакопеременному изгибу в процессе прохождения температурной волны через образец. Изгиб осуществляют в облаcти упругих деформаций материала без потери устойчивости слоев на сжатой стороне и без разрушения. Измерения разности фаз между колебаниями теплового потока на поверхности и температуры в контрольной точке производят при нескольких фиксированных положениях изогнутой пластины либо при медленном изменении величины изгибающего момента и последующем изменением направления его действия. При наличии скрытого дефекта в слоистом материале в одном из положений пластины величина дефекта, например высота зазора воздушной прослойки, будет максимальной, что приведет к увеличению сдвига фаз.

Поправка на теплообмен определяется непосредственно в эксперименте в качестве интегральной характеристики, что способствует уменьшению погрешности измерения, так как коэффициент теплоотдачи и степень черноты в эксперименте не определяются и не рассчитываются.

На фиг.1 показана схема экспериментальной установки, позволяющей реализовать способ; на фиг.2 и 3 - графики, иллюстрирующие способ.

Установка включает источник электроэнергии 1, соединенный с источником теплового потока и модулятором теплового потока 3, слой исследуемого материала 4, датчик инфракрасного излучения 5, соединенный с потенциометром постоянного тока 6, усилителем 7 и шлейфовым осциллографом 8. В качестве источника теплового потока 2 используют лампу накаливания с параболическим рефлектором. Поток излучения периодически перерывается шторкой с электромагнитным приводом, управляемым сигналами мультивибратора. Указанные элементы составляют модулятор теплового потока 3, переменный сигнал, пpопоpциональный изменению мощноcти теплового потока, с модулятора теплового потока 3 направляется на осциллограф 8. В качестве датчика изменения мощности используют фотодиод (не показан). Фотодиод используется также и в качестве датчика инфракрасного излучения 5. Вместо фотодиода может быть использована термопара с соответствующими динамическими свойствами. При иcследовании материалов с высокой теплопроводностью и высокой частоте колебаний теплового потока вместо шлейфового 8 может использоваться двухлучевой электронный осциллограф.

Изобретение осуществляется следующим образом.

Слой исследуемого материала 4 размещают между модулятором теплового потока 3 и датчиком 5. После включения источников энергии 1 и теплового потока 2 включают модулятор 3 и осуществляют подачу переменного теплового потока на поверхность слоя материала 4, возбуждая в нем колебания температуры. Регистрацию колебаний температуры на противоположной поверхности слоя 4 осуществляют при помощи фотодиода 5. Используя потенциометр постоянного тока, компенсируют постоянную составляющую электрического сигнала. Переменную составляющую усиливают при помощи усилителя 7 и регистрируют на фотобумаге осциллографа Н 117-8. При помощи осциллографа 8 регистрируют также колебания теплового потока после модулятора 3. Определяют величину сдвига фаз между колебаниями температуры и теплового потока. Например, для слоя высотой l, состоящего из пластин, эффективная температуропроводность равна а_эф = 0,46 ˙ 10^-5 м²/c Подают прерывистый тепловой поток на поверхность образца с частотой ω 0,736 рад/с. Измеряют сдвиг фаз между колебаниями температуры и теплового потока, который составляет ϕ 208^о. Величину безразмерного критерия κ определяют по графику фиг.2, причем κ =4,05, l = l = = 1,005·10²_м . = 1,005 ˙ 10² м. Величину κ определяют при условии B_i ≈ 0, так как материал обладает высокой теплопроводностью в условиях незначительного теплообмена с окружающей средой.

В случае, если величина критерия B_i отличается значимо от 0, измерение сдвига фаз ϕ₁(ω) и ϕ₂(2ω) производят на двух частотах ω и 2 ω. По графику фиг. 3 определяют величину критерия B_i, далее по величине ϕ₁(ω) и графику фиг. 2 определяют величину κ и по приведенной выше формуле рассчитывают высоту слоя l.

Формула изобретения

1. СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТОЛЩИНЫ СЛОЯ МАТЕРИАЛА, заключающийся 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.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что, с целью повышения информативности путем определения скрытых дефектов слоя материала, при воздействии тепловым потоком на слой материала его деформируют, а разность фаз измеряют при различных фиксированных деформированных состояниях слоя материала.

3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что, с целью повышения производительности, разность фаз измеряют в процессе изменения деформированного состояния слоя материала.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3