Термоэлектрический метод и устройство контроля толщины слоев двухслойных проводящих материалов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.13, кандидат технических наук Углова, Нина Владимировна

• Углова, Нина Владимировна
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Углова, Нина Владимировна

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1 МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ ТОЛЩИНЫ СЛОЕВ ДВУХСЛОЙНЫХ

ПРОВОДЯЩИХ МАТЕРИАЛОВ.

1.1 Основные понятия в области толщинометрии покрытий.

1.2 Методы разрушающего контроля толщины покрытий и слоев.

1.3 Методы неразрушающего контроля толщины покрытий и слоев.

1.4 Термоэлектрический метод контроля толщины слоев.

Выводы по первой главе.

ГЛАВА 2 СПОСОБЫ РЕАЛИЗАЦИИ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО

МЕТОДА КОНТРОЛЯ ТОЛЩИНЫ СЛОЕВ.

2.1 Виды тепловых полей в двухслойных материалах, обеспечивающих совпадение границы раздела слоев с изотермическими поверхностями.

2.2 Контроль толщины слоев плоских двухслойных образцов при двухстороннем доступе к материалу.

2.3 Контроль толщины слоев плоских двухслойных образцов при одностороннем доступе к материалу.

Выводы по второй главе.

ГЛАВА 3 МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ ПОЛЕЙ В ПЛОСКИХ

ДВУХСЛОЙНЫХ ОБРАЗЦАХ.

3.1 Математическая модель теплового поля в двухслойном образце, расположенном на массивной плите с большой теплопроводностью.

3.2 Имитационное физическое моделирование теплового поля в двухслойном материале с одинаковыми теплопроводностями ^ слоев.

3.3 Имитационное физическое моделирование теплового поля в двухслойном материале с разными теплопроводностями слоев.

Выводы по третьей главе.

ГЛАВА 4 ИСТОЧНИКИ ПОГРЕШНОСТЕЙ ПРИ

ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ТОЛЩИНОМЕТРИИ.

4.1 Явления, возникающие при несовпадении границы раздела слоев материалов с изотермической поверхностью.

4.2 Использование теплового экрана с целью повышения точности и локальности измерения толщины слоя.

4.3 Анализ метода контроля толщины слоя.

4.4 Анализ погрешностей предложенного метода контроля.

4.5 Экспериментальные исследования плоских образцов двухслойных материалов.

4.5.1 Условия проведения экспериментов и объекты исследований.

4.5.2 Определение постоянной времени изменения теплового поля в образцах.

4.5.3 Проведение многократных измерений.

4.5.4 Изменение колебаний термоэлектрической способности в малой зоне поверхности биметаллической ленты.

4.5.5 Изменение термоэлектрической способности по длине биметаллических лент.

4.5.6 Определение толщины слоев биметаллической ленты.

Выводы по четвертой главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Термоэлектрический метод и устройство контроля толщины слоев двухслойных проводящих материалов»

Актуальность темы

В настоящее время все большее распространение получают измерения толщины слоев в двухслойных и многослойных проводящих материалах. Например, контроль покрытий, предохраняющих основной материал изделия от факторов, приводящих к его разрушению, контроль толщин слоев биметаллов.

Поверхностный износ деталей с покрытиями, как правило, начинается с небольших зон, в которых это покрытие подвергается более интенсивному воздействию агрессивных факторов или по сравнению с другими зонами имеет более слабую сопротивляемость, обусловленную пониженной плотностью, меньшей толщиной и т.д. Поэтому необходима разработка метода, позволяющего проводить контроль толщины покрытий и слоев с высокой степенью локальности, т.е. на малой площади поверхности.

Проблеме контроля толщины слоев двухслойных и многослойных материалов было посвящено значительное количество работ. Однако большинство из них рассматривало разрушающие способы контроля, использующие химические и физические методы. В то же самое время для промышленности особо важное значение имеют неразрушающие методы контроля. В этой области были проведены крупные работы J1.M. Суворовым, И.А. Кузнецовым, А.А. Лухвичем, В.И. Шарандо и др. Разработанные ими методы контроля можно подразделить на две основные группы: методы контроля средней толщины покрытий на значительной площади и локальные методы измерения толщины слоев.

Переход в приборостроении к миниатюризации изделий, контроль изделий, имеющих поверхности сложной формы, приводит к необходимости контроля толщины слоев металла на малых площадях поверхности. Таким образом, одним из основных требований, предъявляемых в настоящее время к приборам, контролирующим толщину покрытий или слоев биметаллов, является уменьшение зоны контроля, в пределах которой при измерении проводится усреднение измеряемой величины. Существующие магнитные, акустические методы, метод вихревых токов и другие не удовлетворяют указанному требованию. Методом, позволяющим теоретически уменьшить зону контроля, является термоэлектрический. Однако при современных видах его реализации этот метод рекомендован ГОСТ 9.302 к применению при толщинах покрытий до 50мкм; он характеризуется большими погрешностями, достигающими 15% и более [1].

Цель работы - разработка усовершенствованного термоэлектрического метода и устройства контроля толщины покрытий и слоев двухслойных проводящих материалов, позволяющего проводить контроль на малой площади поверхности изделия и обеспечивающего большую точность измерения, чем существующие в настоящее время термоэлектрические методы.

Поставленная цель предполагает решение следующих задач:

1 Выявление форм теплового поля, обеспечивающих совпадение изотермической поверхности с границей раздела слоев.

2 Выбор и обоснование формы источника тепловой энергии, обеспечивающего высокую локальность контроля толщины слоев.

3 Имитационное физическое моделирование теплового поля в теле, ограниченном двумя параллельными плоскостями при выбранной форме источника тепловой энергии, расположенном на его поверхности.

4 Анализ причин возникновения погрешностей при существующих термоэлектрических методах контроля.

5 Разработка усовершенствованного термоэлектрического метода и устройства контроля толщины покрытий и слоев биметаллов, характеризующегося малой площадью зоны контроля, возможностью контроля покрытий и слоев биметаллов с повышенной точностью измерения.

6 Анализ погрешностей измерения толщины слоев разработанным методом.

7 Экспериментальная проверка разработанного метода и средства контроля.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1 Разработан усовершенствованный термоэлектрический метод контроля толщины слоев двухслойных проводящих материалов на основе создания в анализируемой зоне плоского теплового поля.

2 Разработана математическая модель стационарного теплового поля в плоских двухслойных материалах при полусферическом источнике тепловой энергии.

3 Разработана имитационная физическая модель теплового поля на базе разработанной математической модели.

4 Разработаны способ и устройство контроля толщины слоев двухслойных проводящих материалов повышенной точности, защищенные патентами РФ.

Методы исследования

При решении диссертационных задач использовались методы математического и имитационного физического моделирования, элементы теории подобия; метод электрических схем замещения; статистические методы обработки экспериментальных данных; аналитические методы, методы корреляционного и регрессионного анализов и теории точности.

Достоверность результатов обеспечивается обоснованностью использованных теоретических зависимостей, допущений и ограничений, корректностью поставленных задач и согласованностью результатов теоретических исследований с экспериментальными данными.

Научные положения, выносимые на защиту:

1 Усовершенствованный термоэлектрический метод контроля толщины слоев двухслойных проводящих материалов на основе создания в анализируемой зоне плоского теплового поля.

2 Математическая модель стационарного теплового поля в плоских двухслойных материалах при полусферическом источнике тепловой энергии.

3 Имитационная физическая модель теплового поля на базе разработанной математической модели.

4 Термоэлектрический способ и устройство контроля толщины слоев двухслойных проводящих материалов повышенной точности, защищенные патентами РФ.

Практическая значимость

Разработанный способ и устройство обеспечивают контроль толщины покрытий или слоев биметаллов, соответствующих малой площади поверхности материала, позволяют проводить контроль на плоских, цилиндрических и сферических изделиях и выявлять малые зоны поверхности изделий с уменьшенной толщиной покрытий.

Реализация работы

Работа выполнялась в соответствии с необходимостью повышения точности контроля толщины покрытий и слоев биметаллических лент на ряде предприятий (ОАО «Промприбор», г Ливны; ЗАО «ОРЛЭКС», г Орел).

Разработанные методы контроля используются в ОрелГТУ на кафедре «ПМиС» в учебном процессе в ряде технических дисциплин и при выполнении курсовых и дипломных проектов.

Апробация работы

Работа выполнялась в рамках проектов единого заказ-наряда ОрелГТУ при поддержке РФФИ (грант № 03-01-96471).

Материалы диссертационного исследования доложены и обсуждены на семи научно-технических конференциях:

- 7-е Всероссийское научно-техническое совещание-семинар «Инженерно-физические проблемы новой техники» - Москва: НУК МТ МГТУ им. Н.Э. Баумана и МГУ им. М.В. Ломоносова, 20-22 мая, 2003 г.

- Международные научно-практические конференции «Теория, методы и средства измерений, контроля и диагностики» - Новочеркасск: ЮжноРоссийский ГТУ (НПИ), 2001, 2002, 2003.

- Всероссийская научно-техническая конференция «Состояние и перспективы развития термоэлектрического приборостроения» - Махачкала: Дагестанский ГТУ, 21-24 октября 2003 г.

- Региональная научно-техническая конференция «Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве» - Воронеж: Воронежский ГТУ, 23-25 апреля 2002 г.

- Международная научно-практическая конференция «Проблемы синергетики, трибологии, трибоэлектрохимии, материаловедения и мехатроники» - Новочеркасск: Южно-Российский ГТУ (НПИ), 2002.

Публикации. По материалам диссертационного исследования опубликовано 14 печатных работ, получено два патента на изобретения.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 188 страницах основного машинописного текста, содержит 43 рисунка и 33 таблицы. Она состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованных источников, включающего 134 наименования, приложений.

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий», Углова, Нина Владимировна

Выводы по третьей главе

1 Для исследования теплового поля было использовано имитационное физическое моделирование теплового поля путем замены его электрическим. В качестве характеристики теплового поля была выбрана температура.

2 Анализ электрического поля позволил получить математическую модель распределения разностей потенциалов внутри исследуемого образца.

3 Имитационное физическое моделирование проводилось для двухслойного материала при равенстве электропроводностей нижнего и верхнего слоев. При этом среднеквадратическое отклонение полученных разностей потенциалов в различных точках исследуемого конуса с углом при вершине, равном 45°, от их значений при использовании математической модели составило 5,8%.

4 При имитационном физическом моделировании на двухслойном материале, имеющем различные электропроводности слоев, среднеквадратическое отклонение полученных разностей потенциалов в тех же точках исследуемого конуса, от их значений при использовании математической модели составило 3,6%.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Углова, Нина Владимировна, 2005 год

1.1 Явления, возникающие при несовпадении границы раздела слоев материалов с изотермической поверхностью

2. Рисунок 4.1 Схема измерения толщины слоя с использованием полусферического электрода

3. Если тепловое поле идеально соответствует математической модели, то по величине термоЭДС, возникающей под горячим электродом в точке, лежащей на границе раздела слоев материалов, можно рассчитать толщину слоя а. Из уравнения (2.61) следует

4. Так как Ег (Sa -Sb)-@2, тоh rh(sa-sbX®,pa~e1pb)-E2(pa-Pb). (42)a (Sa -SbXhpA -rPbQx)-E2(hPa -rPby

5. Учитывая, что хт = ymtga для случая, когда Ла=Ль, из формулы (3.10) следует1. U =Uj r(l-yi/ym4I^) (43)y,^l + tg2a-yir/ym^l + tg2a

6. При условии ym=h выражение (4.3) преобразуется к видуr{jl + tg2a-yf/h)1. U =Uj -v; " J. (4.4)

7. В точке А, лежащей на границе раздела слоев непосредственно под полусферическим электродом, т.е при а = 0, получаемyt(l-r/h)

8. Следовательно, напряжение в любой точке границы раздел слоев отличается от напряжения на границе в точке, расположенной под полусферическим электродом в число раз, равное

9. U*,y, Jl + tg2a-hjh 1-r/h U0 l + tg2a-r/h l-hjh'

10. При hb » ha из выражения (4.6) получаем распределение относительной разности потенциалов для тонкого слоя по оси х:1. V*,y, 1

11. График распределения относительной температуры вдоль границы раздела слоев приведен на рисунке 4.2.

12. Генерируемая на границе раздела слоев термоЭДС1. El = Sab® 21* (4.9)где Sab термоэлектрическая способность пары материалов а и Ъ.

13. Рисунок 4.2 Распределения относительных значений температуры и термоЭДС вдоль границы раздела слоев

14. При этом для учета шунтирующих токов используется эквивалентная электрическая схема, представленная на рисунке 4.5.1 Ri(o> t >ш0b(0)

15. Рисунок 4.5 Эквивалентная электрическая схема для учета шунтирующих токов по JI.M. Суворову

16. Сопротивление шунтирующего участка Яш равно сумме сопротивлений двух колец покрытия и основания шириной от г до радиуса прогревания акА^Г^У-^^- (4-12)г 2луо 2nd г

17. При этом напряжение между точками а0 и Ь0 при отсутствии тока во внешней цепии°оьо=1ГГГ' (4ЛЗ>к0+кш

18. При таком методе расчета не учитываются сопротивления, которые встречают токи при прохождении по материалу слоев в радиальном направлении, а так же не учитываются термоЭДС, которые создаются на границе раздела слоев.

19. Рисунок 4.6 Эквивалентная электрическая схема границы раздела слоевдвухслойного материала

20. Рисунок 4.7 Эквивалентная электрическая схема границы раздела слоев двухслойного материала с учетом принятых допущений

21. Для других ячеек сопротивление перехода через границу раздела слоев определяется выражением1. R'"=P^ = P24%5W> (4Л5)где i номер цилиндра.

22. Каждый i- ый цилиндр можно выразить относительно центрального элементарного цилиндра, используя выражение4Лб)

23. Сопротивление перехода от нулевого элементарного цилиндра к первому по слоям в радиальном направлении2{1) ^ 2лАкАу 2лАу ^ ^

24. Сопротивление перехода от i элементарного цилиндра к i + 1 цилиндру по слоям в радиальном направлении2(,) ^ 2тАхАу 2т&у ^ ^

25. Для следующих ячеек сопротивления перехода от одного элементарного цилиндра к другому, выраженные по отношению к сопротивлению R2(j)9определяются какh i

26. Значения сопротивлений схемы, выраженных через Rjи значениятермоЭДС, соответствующие каждой ячейки, приведены Приложении Б в таблице Б. 1.

27. Расчет эквивалентной схемы, представленной на рисунке 4.7. начнем с ячейки 51. Последняя ячейка представляет собой типовую ячейку, для которой с погрешностью 10~3 можно считать Е50 = Е51.

28. Согласно первому закону Кирхгофа для узла а51 имеем150=М51. (4.20)

29. Для описания процессов, происходящих в схеме замещения, составим уравнения по методу контурных токов для каждой ячейки. Для ячейки 51:

30. Е51 50 (R2(51) + Rl(51) )= Е50 + Ч0R1{50) > (4-21)откуда10 = 0,611i50. (4.22)1. Для узла а50:19 = I50+i50 = l,611i50, (4.23)откудаi50= 0,6207149. (4.24)

31. Напряжение на ветви a50bs0

32. Ua50b5o=IsoO,0162Rm = 0,009898isoRm = 0,00615149R1{0). (4.25)

33. Для ячейки 49. Напряжение на ветви а49Ь49

34. Ua49b49 ~Ua50b50 +I49R2(50) ~ Ofil28149R1{0) (4.26)и= ^а49Ь49 78,125Ua49b49 ^ ^^0,0128 Rj(0) R,{0) Напряжение ветви а49Ь49 так же можно определить как

35. Ua49b49 = Е49 + i49R1(49) = 0,041 + i49R1{0) / РР, (4.28)и, следовательно,i49 = "Ua49b49-4fi59 ^^1. Rm

36. Для узла о^ток, входящий в узел,равен сумме токов выходящих из него, которые определяются выражениями (4.27) и (4.29). Таким образом,l4sJ77,125UM,-4,059 Rm

37. Аналогично рассчитываются последовательно все остальные ячейки 47 + 2, расчетные значения Uaibi, г'( и /, для которых приведены в Приложении Б в таблице Б.2.

38. Там же приведен расчет первой ячейки. С одной стороны,

39. Uaoto =Ualbl+I0RK1) == 3,273Ualbl-1,635, (4.31)а с другой,

40. Uaobo =Ео- i0Rm = 5,905 6,818Ualbl. (4.32)

41. Приравнивая правые части выражений (4.31) и (4.32)3получаем1. Ualbl=0,747. (4.33)

42. Подставив значение выражения (4.33) в (4.32)^ находим напряжение, снимаемое с центрального элементарного цилиндра1. Uaobo 0J312. (4.34)

43. Таким образом, в соответствии с проведенным расчетом, погрешность при измерении толщины покрытия с использованием полусферического электрода составляет 18,8%.

44. Рисунок 4.8 Эквивалентная электрическая схема границы раздела слоев двухслойного материала при использовании электрода с плоской площадкой

45. При расчете первой ячейки, с одной стороны,иа0ьо = Ualbl + I0R2U) = 3,273Ualbl -1,935, (4.35)а с другой,иа0ьо =E0- i0Rm = 6,805 6,818Ualbl (4.36)

46. Приравнивая правые части выражений (4.35) и (4.36^ находим1. Uaibi =0,866. (4.37)

47. Подставив значение выражения (4.37) в (4.36),получаем напряжение, снимаемое с центрального элементарного цилиндра1. Ua0b0= 0,901. (4.38)

48. Вычисленное значение Ua0b0 соответствует термоЭДС Е20, возникающей непосредственно под горячим электродом и условно принимаемой равной единице. Таким образом, погрешность в этом случае составляет 9,9%.

49. Рисунок 4.9 График уменьшения погрешности при увеличении радиуса плоской площадки электрода

50. В пределе при бесконечно большом радиусе мы переходим к идеальному случаю, рассмотренному в §2.1, при котором погрешность, вызванная рассматриваемой причиной, равна нулю.

51. Следовательно, для повышения точности определения толщины покрытия диаметр плоской части электрода необходимо уменьшать и лучше использовать полусферический электрод малого радиуса.

52. Использование теплового экрана с целью повышения точностии локальности измерения толщины слоя

53. Исходя из формулы (4.10), термоЭДС на границе центрального цилиндра (см. рисунок 4.6) меньше, чем термоЭДС на оси этого цилиндра. Если допустить, что погрешность составляет 0,001, то диаметр электрода не должен превышать значения 0,045ha.

54. Рисунок 4.11- Схема измерения с использованием точечного электрода

55. Рисунок 4.12 Схема измерения с использованием полусферического электрода с плоской площадкой

56. Для схемы, приведенной на рисунке 4.13, широкий тепловой экран, от которого распространяется тепловой поток Qc, еще больше расширяет область плоского поля и усредняет потенциалы поверхности участка материала

57. Анализ метода контроля толщины слоя

58. Рисунок 4.14 Схема контроля толщины слоя

59. В точках контакта головок термопар 1, 2, 3 и 4 с поверхностями слоев материала генерируются термоЭДС Е}, Е2, Е3 и Е4, которые измеряются соответственно вольтметрами pVl, pV2, pV3 и pV4.

60. При установившемся тепловом процессе, тепловой поток Q распределяется так, как это показано на рисунке 4.14 и его форма близка к идеальной под тепловыми экранами. При этом

61. Е. — Е2 — и Е3 — Е4 = Sfjj&3 где STI7 термоэлектрическая способность термопары. Откуда1. Ej Е2 Е3 Е40у =-— =-и 0j = —— = ——.1. STJJ STIJ STJJ sm

62. ВольтметрpV7, включенный между одноименными электродами с термопар 1 и 3, измеряет суммарную термоЭДС в цепи: электрод с- слой а слой Ь - электрод с

63. Е? = (Sc -Sa)0У + (sa -Sby*)2+ (Sb -Scy*)3. (4.41)1. Откуда(4 42)

64. Таким образом, в установившемся тепловом режиме регистрируют показания всех 7 вольтметров, два из которых pV5 и pV6 должны показыватьотсутствие термоЭДС.

65. Е\ = Snj®'; Е'2 = STn®'!; Е'3 = STn®'3; Е1, = STn®<<. (4.43)1. Откудаi = E'j / Sm; ®>> = Е'2 / STn ®3=Е3/ STn; ®"3 = Е'4 / STn. (4.44)4 со слоями материала в процессе охлаждения экрана.

66. Вольтметры pV5 и pV6 регистрируют значения разностей термоЭДС в точках касания термопар 1-2 и 3-4 со слоями а и b соответственно

67. Е5 = (Sc sa X©7, - ®'l) и Е6 = (sb - Sc i®'3 - <д"3 ). (4.45)

68. Откуда термоэлектрические способности слоев1. S„ —е51. Q'j-®'!и Sh=S^с ' ©з -0J•4.46)

69. Подставив в формулу (4.41) выражения (4.46), получаемг \1. Е? =о;-©;42т . 6 .©з. 2 ©3-©34.47)

70. Используя вместо значений температур выражения (4.40) и (4.44),находим1. Е,Е,тп2 ^3 4./1. Ei+Et4.48)1. Откуда1. E3E61. E j 4" E2 H" E^