Термоэлектрический способ контроля толщины электропроводящих покрытий на электропроводящей основе

 

Изобретение относится к измерительной технике. В способе дифференцируют по времени возникающую в цепи термоэлектродвижущую силу, определяют дифференциал развиваемой термоэлектрической силы по времени с момента контакта нагретого электрода с поверхностью контролируемого покрытия, используют пиковый вольтметр, и по экстремальному значению указанного дифференциала определяют толщину покрытия и основы при постоянстве перепада температур между горячим электродом и окружающей средой. Технический результат - сокращение времени измерений. 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к способам контроля толщины покрытий термоэлектрическими методами, и может быть использовано для контроля гальванических и других покрытий, а также поверхностных слоев металлических изделий, подвергнутых механической или другой обработке.

Известен термоэлектрический способ измерения толщины проводящих покрытий на проводящей основе, сущность которого состоит в том, что при контактном подводе тепла к изделию со стороны наружной поверхности покрытия по его толщине устанавливается определенная разность температур, которая зависит от толщины покрытия и теплофизических свойств материалов покрытия и основы. Толщина покрытия определяется по величине термоэлектродвижущей силы возникающей в цепи в результате наличия разности температур на поверхностях покрытия [1].

Недостатком указанного способа является значительное время измерения и значительное тепловое воздействие на контролируемый объект, поскольку требуется установление теплового режима в покрытии и основе, малая чувствительность при измерении покрытий малой толщины, поскольку при уменьшении толщины покрытия уменьшается перепад температур на его поверхностях и как следствие уменьшается величина термоэлектродвижущей силы в цепи.

Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в сокращении времени измерения и уменьшении теплового воздействия на контролируемый объект.

Это достигается тем, что в предлагаемом способе контроля толщины покрытий основы, заключающемся в определении толщины покрытия с использованием термоэлектродвижущей силы, развиваемой в результате разности температур по толщине покрытия при контакте покрытия с нагретым электродом, в отличие от прототипа, толщину покрытия контролируют не по абсолютной величине термоэлектродвижущей силы, а дифференцируют по времени возникающую в цепи термоэлектродвижущую силу, определяют дифференциал развиваемой термоэлектродвижущей силы по времени с момента контакта нагретого электрода с поверхностью контролируемого покрытия, используют пиковый вольтметр, и по экстремальному значению указанного дифференциала - E’_extr определяют толщину покрытия - у по формуле

где К - коэффициент, который определяют аналитически или экспериментально для известных материалов покрытия и основы при постоянстве перепада температур между горячим электродом и окружающей средой.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлена схема осуществления способа.

Для пояснения сущности способа рассмотрим систему (на чертеже), состоящую из электрода 1, один из концов которого нагрет до температуры Θ₁, а другой имеет температуру окружающей среды Θ₀, проводящей детали с нанесенным на нее проводящим покрытием 2, дифференцирующего звена 3 и пикового вольтметра 4, измеряющего экстремальные значения дифференциала термоэлектродвижущей силы в цепи “электрод-покрытие-металл”. До момента соприкосновения электрода 1 с изделием покрытие и основной металл 2 имеют температуру окружающей среды Θ₀. С момента соприкосновения электрода 1 с покрытием в нем и основном металле 3 начинает распространяться тепловая волна. При диаметре пятна контакта электрода с покрытием много больше толщины покрытия процесс нагрева можно представить, как мгновенное повышение температуры поверхности полубесконечного тела до Θ₁ и поддержания ее на этом уровне. При этом температура исследуемого объекта описывается выражением [2]

где

x - глубина от поверхности [м];

t - время с момента контакта [с];

- коэффициент теплопередачи [м²/с];

λ - теплопроводность [Вт/(м*К)];

с - теплоемкость [Дж/(кг*К)];

ρ - плотность [кг/м³].

Обозначим

Тогда

Определим термоЭДС в цепи

где Е - термоЭДС в цепи [мВ];

S_э - термоэлектрическая способность материала электрода [мВ/К];

S_пок - термоэлектрическая способность материала покрытия [мВ/К];

S_осн - термоэлектрическая способность материала основы [мВ/К];

Θ₀ - температура окружающей среды [К];

Θ₁ - температура электрода [К];

Θ₂ - температура на границе покрытие-основа [К].

Температура между слоями описывается выражением

Подставляя (6) в (5), получим

Введем обозначения ΔS₁=S_осн-S_Э; ΔS₂=S_пок-S_осн; ΔΘ=Θ₁-Θ₀.

В сокращенном виде получим

Полный дифференциал функции ошибок Гаусса имеет вид [2]

Найдем дифференциал термоЭДС по времени

Определим момент достижения дифференциалом термоЭДС экстремального значения. Для этого определим вторую производную термоЭДС по времени

Приравняем полученное выражение нулю и решим уравнение относительно времени t

Решением данного уравнения относительно времени t является выражение

Время, определяемое выражением (12), является временем с момента соприкосновения электрода с покрытием до момента достижения экстремального значения дифференциалом(9) термоЭДС по времени

Соответственно экстремальное значение дифференциала термоЭДС по времени определяется подстановкой (12) в (9)

Выражение (13) дает зависимость экстремального значения дифференциала от теплофизических свойств и толщины покрытия для случая равенства теплофизических свойств покрытия и основы. При различности теплофизических свойств покрытия и основы необходимо приведение теплофизических свойств покрытия к основе.

Приведенная толщина покрытия определяется из соотношения [2]

где а - коэффициент теплопередачи основы [м²/с];

b - коэффициент теплопередачи покрытия [м²/с];

х - фиктивная толщина покрытия, приведенная к теплофизическим свойствам основы [м];

у - реальная толщина покрытия [м].

Выразив из (14) значение приведенной толщины покрытия и подставив его в (13) получим

Выражение в квадратных скобках зависит от теплофизических и термоэлектрических свойств покрытия и основы и перепада температур между электродом и окружающей средой. Для известных материалов покрытия и основы и при постоянстве перепада температур между горячим электродом и окружающей средой это выражение является константой и может быть определено аналитически или экспериментально. Зависимость экстремального значения дифференциала от толщины покрытия имеет вид

где

Толщину покрытия определяют по формуле

Решение поставленной задачи подтверждается выражением (12), из которого видно, что для производства единичного измерения достаточно, чтобы время измерения t было больше t_extr, что для толщин покрытия до 1 мм и теплопередачи а=9,7*10⁶ м²/с (высокоуглеродистая сталь) составит не более t=0,017 с. Для сравнения при использовании способа-прототипа время измерения достигает 10 с и более [3]. Соответственно уменьшению времени измерения уменьшится и глубина прогрева изделия по сравнению с прототипом, что уменьшает необходимое тепловое воздействие на контролируемый объект.

Данный способ позволяет контролировать толщину электропроводящих покрытий на электропроводящей основе с сокращением времени измерения и уменьшением теплового воздействия на контролируемый объект.

Источники информации

1. Суворов Л.М. Термоэлектрический метод измерения толщины гальванических покрытий. /Заводская лаборатория №8, 1964 г.

2. Крейт Ф., Блэк У. Основы теплопередачи: Пер. с англ. - М.: Мир. - 1983. - 512 с.

3. Лухвич А.А., Каролик А.С., Шарандо В.И. Структурная зависимость термоэлектрических свойств и неразрушающий контроль. - Мн.: Навука i тэхнiка, 1990. - 192 с.

Формула изобретения

Термоэлектрический способ контроля толщины электропроводящих покрытий на электропроводящей основе, заключающийся в определении толщины покрытия с использованием термоэлектродвижущей силы, развиваемой в результате разности температур по толщине покрытия при контакте покрытия с нагретым электродом, отличающийся тем, что дифференцируют по времени возникающую в цепи термоэлектродвижущую силу, определяют дифференциал развиваемой термоэлектрической силы по времени с момента контакта нагретого электрода с поверхностью контролируемого покрытия, используют пиковый вольтметр и по экстремальному значению указанного дифференциала - E’_extr определяют толщину у покрытия по формуле

где К - коэффициент, который определяют аналитически или экспериментально для известных материалов покрытия и основы при постоянстве перепада температур между горячим электродом и окружающей средой.

РИСУНКИ

Рисунок 1