Спосіб радіохвильового неруйнівного контролю та пристрій для його застосування

Реферат: Винахід належить до методів і засобів неруйнівного контролю, зокрема може бути використаний в дослідженнях поверхні різних речовин із застосуванням низьких температур. UA 103318 C2 (12) UA 103318 C2 Пристрій для радіохвильового неруйнівного контролю містить встановлені всередині азотного бака, розміщеного у вакуумованому корпусі кріостата, вугільний кріонасос, показчиксигналізатор рівня рідкого азоту, а також на дні поблизу радіопрозорого вікна приймальновипромінювальну антену, яка зв'язана через встановлені на стінці бака герметичні НВЧ з'єднувачі з детекторами та НВЧ-генератором, підсилювачем і блоком реєстрації і забезпечує можливість просторового сканування пристрою без обмеження його рухів, а сам кріостат механічно зв'язаний зі скануючим по заданій програмі пристроєм, що складається із основи, на котрій встановлені три платформи, що переміщуються по трьох координатах за допомогою крокових двигунів, кінематично зв'язаних з ними гвинтових пар і циліндричних направляючих, а на зовнішній нижній стороні кріостата встановлений датчик мінімальної відстані до досліджуваної поверхні, електрично зв'язаний зі стопорним механізмом переміщення по вертикалі для запобігання пошкодження досліджуваної поверхні. Технічним результатом винаходу є підвищення чутливості і роздільної здатності радіохвильового способу неруйнівного контролю. UA 103318 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до методів неруйнівного контролю зміцнюючих та захисних покриттів (ЗЗП), зокрема може бути використаний для досліджень стану поверхні різних матеріалів із застосуванням ЗЗП. В даний час в промисловості широко використовуються різні плівкові зміцнюючі та захисні покриття (ЗЗП). В той же час практично відсутні прості неруйнівні методи контролю таких покриттів. Звичайно товщина таких покриттів складає 5-50 мкм. Оптичні методи не дозволяють отримати інформацію з таких плівок, а для рентгенівських методів товщини цих покриттів малі. Широке застосування в дефектоскопії отримав електромагнітний метод, що базується на індукційному збудженні низькочастотних вихрових струмів [1]. Вихрові струми в досліджуваних металевих (провідних) деталях збуджуються котушками, а величина індукованих струмів і глибина їх проникнення в об'єм деталі залежить від електропровідності матеріалу і частоти струму у котушках збудження. Порушення однорідності матеріалу деталі є перепоною для вихрових струмів, що подібно до зміни електроопору. Це впливає на величину взаємозв'язку між котушкою збудження та досліджуваним об'єктом. Так можуть бути виявлені різні дефекти (тріщини, пористість та інші) всередині об'ємної деталі. Класичний метод низькочастотних вихрових струмів для дефектоскопії плівкових ЗЗП непридатний, тому що при застосуванні об'ємних вимірювальних котушок і низькочастотного сигналу глибина проникнення індукційних струмів може складати кілька міліметрів, що набагато більше товщини ЗЗП. В результаті відмінності електрофізичних характеристик ЗЗП від характеристик основи практично не впливають на результуючий відгук від досліджуваного зразка, а зміну електрофізичних характеристик ЗЗП в результаті якихось порушень неможливо виявити. Відомо також застосування радіохвильового способу неруйнівного контролю [2]. Він базований на взаємодії випроміненої електромагнітної хвилі НВЧ діапазону від 1 до 100 мм з об'єктом контролю, прийманні відбитої об'єктом електромагнітної хвилі, перетворенні параметрів випроміненої та відбитої об'єктом електромагнітної хвилі в параметри електричного сигналу і передачі на реєструючий прилад або інший засіб обробки інформації. Методи цього виду контролю дозволяють визначати товщину і виявляти внутрішні і поверхневі дефекти у виробах переважно із неметалічних матеріалів. Радіохвильова дефектоскопія дає можливість з високою точністю і продуктивністю вимірювати товщину діелектричних покриттів на металічній підкладці. У цьому випадку амплітуда зондуючого сигналу являє собою основний інформаційний параметр. Амплітуда опромінення, що проходить через матеріал, зменшується із-за багатьох причин, в тому числі із-за наявності дефектів. Крім цього, змінюється фаза хвилі. Апаратура радіохвильового методу звичайно містить генератор, що працює в неперервному або імпульсному режимі, рупорні антени, призначені для опромінення електромагнітною хвилею контрольованого об'єкта та приймання хвилі, що пройшла або відбилася від цього об'єкту, підсилювач та детектор прийнятих сигналів і пристрій для виробки командних сигналів, що керують різноманітними механізмами. Недоліками цього способу є невисока чутливість і невелика роздільна здатність в площині поверхні об'єкта контролю із-за значної апертури рупорних антен та наявності теплових шумів в апаратурі і приймачі випромінення. Для підвищення точності вимірювань необхідно суттєво зменшити рівень теплових шумів, що можна досягти зниженням робочої температури для апаратури контролю. Це твердження ми ілюструємо експериментальним прикладом реєстрації рівня шумів фотоелектронного підсилювача при кімнатній температурі та при 80 К, який наводиться у додатку 1 до заявки. На прикладі ФЕП-62 досліджено вплив охолодження на теплові шуми ФЕП. Для цього на ФЕП-62, який знаходився у суцільній темряві в мінікріостатній системі МК-80 при кімнатній температурі подавалась напруга 1300 В. Обумовлений тепловими шумами сигнал ФЕП-62 подавався на підсилювач постійного струму і далі на двокоординатний самописець ЛКД4-003, який записував зміну теплового шуму ФЕП з часом (швидкість розгортки 1800 мм/год.). Далі проводилась заливка кріостата рідким азотом. Як можна бачити з малюнка вже через 5 хвилин охолодження ФЕП-62 приводить до того, що рівень теплових шумів зменшується як мінімум в 80 разів. Запропонований спосіб реалізується пристроєм спеціальної конструкції. Як аналог для пристрою, що заявляється, можна вибрати термоелектричний холодильник для детекторів випромінювання типу TERMOEL-9982, що виготовляє компанія "Криомагнитные системы" (Черноголовка, Москов. обл., РФ) [3], Пристрій виконаний із двох блоків: власне холодильника і блока живлення та керування. Всередині корпусу холодильника розташований охолоджуваний металічний корпус для фотопомножувача, покритий шаром теплоізоляції, два термоелектричних модулі, що мають тепловий контакт з корпусом, радіатор, який розсіює тепло з "гарячих" поверхонь термоелектричних модулів і вентилятор, що відсмоктує повітря із корпусу холодильника. Блок живлення та керування підтримує задану температуру корпуса 1 UA 103318 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 фотопомножувача. Недоліками такого холодильника при можливому застосуванні у пропонованому способі є невелика температура максимального охолодження (-45 °C), вага, габарити і електричний зв'язок між блоками, що обмежує можливість потенціального сканування охолоджуючого пристрою у просторі. Відомий також пристрій для охолодження ІЧ-детекторів [4]. Пристрій містить теплоізольовану посудину, заповнену охолоджуючою рідиною, наприклад рідким азотом, ІЧдетектор, що розташований на кінці з'єднаного з посудиною металічного стержня і охолоджується шляхом відводу тепла по стержню, вікно для приймання ІЧ-випромінювання. Отриманий сигнал від детектора по провідниках передається до підсилювача сигналу і індикатора. Однак цей пристрій не дозволяє отримати мінімально низьку (близьку до точки кипіння охолоджуючої рідини) температуру із-за відсутності безпосереднього контакту детектора з охолоджуючою рідиною, пристрій призначений для розміщення малогабаритних детекторів і не призначений для сканування досліджуваних об'єктів. Найбільш близьким до пристрою, що заявляється, є азотний кріостат для охолодження ІЧдетекторів типа MN1815 фірми "Oxford Instruments" (Великобританія) [5]. Вказаний кріостат містить теплоізольований азотний бак для рідкого кріоагенту, розміщений всередині вакуумованого корпуса кріостата і підвішений до кришки корпуса на тонкостінних трубках, а також вугільний кріонасос, закріплений на кришці корпуса кріостата для досягнення максимального вакууму. Кріостат має 4 бокових оптичних вводи і один донний для прийому оптичного випромінювання і може приймати горизонтальне або вертикальне положення в робочому режимі. ІЧ-детектор розташовується на зовнішній поверхні азотного бака, що є недоліком даної конструкції. В основу винаходу поставлена задача створення більш точного радіохвильового способу неруйнівного контролю зміцнюючих та захисних плівкових покриттів та пристрою для його здійснення, який дозволяє проводити автоматизоване кероване просторове сканування поверхні таких ЗЗП на заданих площах та візуалізацію дефектності їх рельєфу. Поставлена задача вирішена тим, що в радіохвильовому способі неруйнівного контролю зміцнюючих та захисних покриттів шляхом опромінення електромагнітним полем в НВЧ діапазоні довжин хвиль від 1 до 100 мм об'єкту контролю, перетворенні параметрів поля після взаємодії з поверхнею в параметри електричного сигналу і передачі їх через лінії передачі на реєструючий прилад або засоби обробки інформації, згідно з винаходом мікрохвильовий випромінювач і антену розташовують у здатному переміщатися по трьох координатах над досліджуваною поверхнею низькотемпературному пристрої - азотному кріостаті, - що дозволяє сканувати об'єкт контролю на фіксованій відстані від випромінювача і антени-детектора, забезпечує роботу апаратури при температурі 77 К і зменшує теплові шуми апаратури, підвищує відношення "сигнал/шум". В основу винаходу також поставлена задача створення спеціального пристрою для здійснення способу радіохвильового неруйнівного контролю. Задача вирішена тим, що у пристрої для радіохвильового неруйнівного контролю поверхні зміцнюючих та захисних покриттів, який включає генератор НВЧ діапазону довжин хвиль від 1 до 100 мм з антеною для випромінювання на об'єкт контролю, детектор для цього ж діапазону, підсилювач сигналів з лініями передачі на реєструючий засіб або засіб для обробки інформації і виробки сигналів управління, згідно з винаходом випромінююча і приймальна антени суміщені та розміщені біля радіопрозорого вікна разом із коаксіальними кабелями в контакті з кріоагентом, наприклад рідким азотом, в низькотемпературному кріостаті, у вакуумованому корпусі якого розташований азотний бак із встановленими всередині бака вугільним кріонасосом для відкачки і досягнення високого вакууму, другий кінець якого закріплений на зовнішній стороні бака, покажчикомсигналізатором рівня рідкого азоту у баці для підтримання низької температури на постійному рівні, на верхній стінці бака розміщені герметичні НВЧ з'єднувачі коаксіальних кабелів, які через тепловий міст з'єднані зі зовнішніми НВЧ з'єднувачувами для передачі зондуючих сигналів і сигналів управління через гнучкі коаксіальні кабелі, а сам кріостат із закріпленим на його нижній зовнішній поверхні для контролю і фіксації відстані до досліджуваної поверхні стопором руху крокового двигуна, зв'язаним по електроланцюгу із джерелом електроживлення двигуна, механічно зв'язаний зі скануючим по заданій програмі механізмом, причому сканування кріостата по трьох координатах здійснюється за допомогою спеціального устаткування з трьома платформами, що переміщуються за допомогою крокових двигунів і кінематично зв'язаних з ними гвинтових пар, які служать для перетворення обертального руху в поступальний. Приведемо приклад виконання такого пристрою. У вакуумованому корпусі кріостата розташований азотний бак зі встановленими всередині бака вугільним кріонасосом для досягнення високого вакууму, другий кінець якого закріплений на зовнішній стороні бака, 2 UA 103318 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 показчиком-сигналізатором рівня рідкого азоту у баці для підтримання температури охолоджуваної апаратури на постійному рівні, а на дні поблизу радіопрозорого вікна, антеною, що суміщає функції випромінювання і приймання та зв'язана через змонтовані на верхній стінці бака герметичні НВЧ з'єднувачі коаксіальними кабелями, що підводять сигнал зондування та відводять назовні інформативний сигнал, за допомогою теплового моста з зовнішніми герметичними НВЧ з'єднувачами. При цьому зовнішні герметичні НВЧ з'єднувачі через гнучке кабельне з'єднання і направлені відгалужувачі підключені до детекторів та НВЧ генератора і блока реєстрації, при цьому в двох горизонтальних взаємно перпендикулярних переміщеннях платформи рухаються на роликах по двох парах паралельних циліндричних направляючих за допомогою однієї гвинтової пари, а при вертикальному переміщенні платформа рухається за допомогою двох гвинтових пар, кінематично зв'язаних пасовою передачею. Таке виконання кріостата дозволяє досягти найбільш низької температури приймальновипромінюючої апаратури і тим самим усунути теплові шуми і підвищити точність вимірювань, а також забезпечити можливість контролювати мікродефекти і порушення адгезії плівкових покриттів, а зв'язок зовнішніх герметичних НВЧ з'єднувачів через гнучке кабельне з'єднання і направлені відгалужувачі, підключені до детекторів та НВЧ генератора і блока реєстрації забезпечує можливість просторового сканування пристрою без обмеження його рухів. Для пояснення суті винаходу нижче наведено приклад конкретного виконання пристрою для здійснення способу радіохвильового неруйнівного контролю. Винахід ілюструється кресленнями, де на Фіг. 1 представлена структурна схема пристрою та узагальнена схема реалізації способу, а на Фіг. 2 устаткування для переміщення пристрою над сканованою досліджуваною поверхнею. У вакуумованому корпусі кріостата 1 (Фіг. 1) розташований азотний бак 2 зі встановленими всередині бака для досягнення високого вакууму вугільним кріонасосом 3, другий кінець якого закріплений на зовнішній стороні бака, показчиком-сигналізатором 4 рівня рідкого азоту, а на дні поблизу радіопрозорого вікна 5, антеною 6, що суміщає функції випромінювання і приймання і зв'язана через змонтовані на верхній стінці бака герметичні НВЧ з'єднувачі 7 коаксіальними кабелями 8 і 9, що підводять сигнал зондування та відводять назовні інформативний сигнал, за допомогою теплового моста 10 з зовнішніми герметичними НВЧ з'єднувачами 11. При цьому зовнішні герметичні НВЧ з'єднувачі 11 через гнучке кабельне з'єднання, направлені відгалужувачі 12 і 13 підключені до НВЧ-генератора 14, підсилювача, детекторів 15, 16, що в свою чергу підключені до блока реєстрації 17 і комп'ютера 18, а сам кріостат механічно зв'язаний зі скануючим по трьох координатах по заданій програмі устаткуванням. Спеціальне устаткування складається із основи 19 (див. Фіг. 2), на котрій встановлені досліджуваний зразок 20 і платформи 21, 22 та 23, що переміщуються по трьох координатах за допомогою крокових двигунів 24, 25 та 26 і кінематично зв'язаних з ними гвинтових пар 27, 28, 29, що служать для перетворення обертального руху в поступальний, при цьому в двох горизонтальних взаємно перпендикулярних переміщеннях платформи 21 і 22 рухаються на роликах 30 і 31 по двох парах паралельних циліндричних направляючих 32, 33 за допомогою гвинтових пар 27, 28, а при вертикальному переміщенні платформа 23, на котрій установлений кріостат, рухається за допомогою двох гвинтових пар 29, кінематично зв'язаних пасовою передачею 34. На зовнішній нижній стороні кріостата встановлений стопор відстані до досліджуваної поверхні 35, електрично зв'язаний із кроковим двигуном 26 переміщення по вертикалі для фіксації відстані до досліджуваної поверхні 20. Спосіб та пристрій для його застосування реалізують наступним чином. Заливають рідкий азот в бак 2 кріостата. Рівень рідкого азоту у баці контролюється датчиком рівня рідкого азоту 4, котрий подає сигнал на сигналізатор рівня (СР) 36 при зниженні рівня нижче мінімально припустимого для нормальної роботи апарата. Охолодження приймально-передавальної антени 6, що знаходиться в нижній частині азотного бака кріостата, до 77 К, дозволяє підвищити відношення "сигнал-шум". Для сканування досліджуваної поверхні 20 кріостат разом із приймально-передавальною антеною 6 переміщуються по осі У за допомогою крокового двигуна 24, який вмикається по сигналу від комп'ютера і починає обертання гвинта 27 і переміщує платформу 21 на 4-х роликах 30 по двох паралельних направляючих 32, закріплених на основі 19. Після закінчення переміщення по осі У подається сигнал на кроковий двигун 25, який за допомогою обертання гвинта 28 переміщує платформу 22 на 4-х роликах 31 по двох паралельних направляючих 33, закріплених на платформі 21. Після виведення кріостата на задану координату в горизонтальній площині вмикається кроковий електродвигун 26, який за допомогою встановленої на платформі 22 і кінематично зв'язаною між собою пасовою передачею гвинтової пари 29 переміщує платформу 23 із встановленим на 3 UA 103318 C2 5 10 15 20 25 30 ній кріостатом 1. При стикуванні кріостата 1 з досліджуваною поверхнею 20 стопор 35 вимикає кроковий двигун 26 і фіксує відстань між випромінювачем і дослідним об'єктом. Таким чином, кріостат переміщується разом з платформою 23 по вертикалі (осі Z). Платформа 23 разом з кріостатом переміщується по горизонталі (осі X) за допомогою платформи 22. Платформа 22 разом з платформою 23 і кріостатом переміщується по горизонталі (осі У) за допомогою платформи 21. Після того, як кріостат виведено в задану точку, реалізується спосіб неруйнівного радіохвильового контролю, для чого включається в роботу вимірювальний комплекс низькотемпературного радіохвильового контролю, схема якого показана на Фіг. 1. Робота вимірювального комплексу базована на принципі рефлектометра - роздільного виділення сигналів, пропорційних потужності падаючої від генератора і відбитої від вимірюваного об'єкту хвилі (при вимірюванні коефіцієнта стоячої хвилі по напрузі (КСХН). Як генератор сигналу в комплексі використовується генератор змінної надвисокої частоти 14 (ГЗНВЧ). Цей сигнал з виходу ГЗНВЧ, проходячи через направлений відгалужувач 12, розділяється і частина його надходить як опорний до детектора15, а основний зондуючий сигнал за допомогою високочастотного з'єднувача 7 і коаксіального кабелю 8 подається через антену 6 на досліджувану поверхню 20. Відбитий інформаційний сигнал проходить через антену 6 і через коаксіальний кабель 9 і високочастотний з'єднувач 11 надходить на направлений відгалужувач 13 і детектори 15, 16, а після детектування сигналу на блок реєстрації 17 та комп'ютер 18. Джерела інформації: 1. Колл. авт… Система неразрушающего контроля. Виды (методы) и технология неразрушающего контроля. Справочное пособие. Сер. 28. выпуск 4 – М.:Государственное унитарное предприятие "Научно-технический центр по безопасности и промышленности Гостехнадзора России" 2003. - С. 97 2. Ермолов И.Н., Останин Ю.Я. Методы и средства неразрушающего контроля качества. – М.: Высшая школа. 1988. - С. 368 3. Объединенная научная компания "Криомагнитные системы"., Оборудование для физических исследований. - Черноголовка: ИФТТ РАН, 1995. - С.54 4. Микулин Е.И. Криогенная техника. – Москва: Машиностроение, 1969. – С. 272 5. Oxford Instruments Ltd. Systems for Spectroscopy. Oxford: Scientific Research Division. Research Instruments, 1996 – p.31 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 35 40 45 50 55 1. Спосіб радіохвильового неруйнівного контролю зміцнюючих та захисних покриттів шляхом опромінення електромагнітним полем в НВЧ діапазоні довжин хвиль від 1 до 100 мм, тобто 3300 ГГц, поверхні об'єкту контролю, детектування і перетворення параметрів електромагнітного поля після взаємодії з поверхнею об'єкту в параметри електричного сигналу, передачі сигналів через лінії передачі на реєструючий прилад та засіб обробки інформації, який відрізняється тим, що джерело та приймач випромінювання поля об'єднані в єдиний вузол, який перед проведенням контролю розташовують у середовищі при температурі рідкого азоту з можливістю переміщення по трьох взаємно перпендикулярних координатах. 2. Пристрій для радіохвильового неруйнівного контролю поверхні зміцнюючих та захисних покриттів, що містить кріостат, всередині вакуумованого корпуса якого розташований теплоізольований азотний бак для рідкого кріоагенту, ввід, прозорий в діапазоні 3-300 ГГц, та приймач випромінювання у корпусі, який відрізняється тим, що кріостат додатково обладнаний джерелом випромінювання у корпусі, а кріостат та азотний бак кріостата обладнані зазначеним вводом, кріостат обладнаний вугільним кріонасосом та показчиком рівня кріорідини, притому пристрій додатково обладнаний генератором змінної надвисокої частоти (ГЗНВЧ), першим та другим відгалужувачами, першим та другим детекторами, блоком реєстрації сигналів та комп'ютером, причому джерело випромінювання і приймач випромінювання з'єднані у єдиний вузол, який розташований у азотному баку безпосередньо над зазначеним вводом, а ГЗНВЧ через перший відгалужувач зв'язаний з джерелом випромінювання, першим детектором, який зв'язаний з першим входом блока реєстрації сигналу, другий вхід якого зв'язаний через другий детектор, другий відгалужувач з приймачем випромінювання і також, з першим детектором, при цьому комп'ютер зв'язаний з блоком реєстрації сигналів з можливістю синхронізувати роботу пристрою в цілому. 4 UA 103318 C2 5 UA 103318 C2 Комп’ютерна верстка Д. Шеверун Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6