Способ измерения толщины листового материала

(505 6 01 В 21 ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОВЕДОМСТВО СССР(ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН ЕЛЬСТВ К АВТОРСКОМУ 2 а по аналити вающему ско по времена вого материал шению, связы определяемые эанную точкуПри этом скому соотности этих волн, прихода в уканои ния в те выражае армулои: ла, возб анти рац ивы Ь= Ь,С 1где Ь - размерный козффициемый при измерениях и связ ент, определанный с осно(56) В0 еаЬцгзт, Езт 1 щат 1 оп оЮ йе ТЬ 1 сспезз011 Ь 1 п вела зЬее 1 цз 1 п 91 азет депега 1 едотгазомпб, Арр. РЬуз",етт, 1987, 51(14),р.1066-1068,И.В.Сергеева. Возможности использования процессов нестационарной теплопроводности для неразрушающегоконтроля, Дефектоскопия, 1973, М 6, с,2735.(54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ТОЛЩИНЫ ЛИСТОВОГО МАТЕРИАЛА(57) Изобретение относится к измерительной технике. Целью изобретения являетсярасширение номенклатуры измеряемых материалов. Указанная цель достигается тем,что в способе изменения толщины листового материала, заключающемся в том, чтоповерхность материала подвергают импульИзобретение относится к измеритель- технике, а именно к способам измерегеометрических характеристик изделий хнологических процессах.Известен способ безэталонного иэения толщины листового материаоснованный на импульсном тепловом уждении в материале симметричной и симметричной волн Лэмба, их регистии в некоторой точке данного материала числения толщины измеряемого листо.Ы 2 1779922 сному тепловому воздействию, регистрируюттемпературу на противоположной поверхности материала, измеряют временной интервал от момента воздействия импульса до момента, при котором изменение температуры равно половине ее максимального приращения, и определяют толщину листового материала с учетом измеренного интервала, временной интервал от момента воздействия импульса до момента, при котором изменение температуры равно половине ее максимального приращения, измеряют до и после достижения максимального значения температуры, при этом измеряют диаметр б зоны теплового импульсного воздействия на поверхности материала, а толщину Ь материала оп еделяют изсоотношения: Ь,676 т 1/т 2, где г 1 в длительностьвременного интервала до достижения максимального значения температуры; Г 2 - длительность временного интервала после достижения максимально- го значения температуры. 2 ил.ной гармоникой антисимметричной волны Лэмба.С 1 - скорость симметричной волны, Ср - скорость антисимметричной волны.Недостатками этого способа являются ограниченный диапазон толщин, возможный для измерения (не более нескольких десятков мкм), и ограниченный класс измеряемых материалов, зависящий от возможности возбуждения в них волн Лэмба обоих типов,Наиболее близким к изобретению является способ измерения толщины листового материала, заключающийся в том, что поверхность материала подвергают импульсномуу тепловому воздействию, регистрируют температуру на противоположной поверхности материала, измеряют временной интервал от момента воздействия импульса до момента, при, котором изменение температуры равно половице ее максимэльного приращения, и определяют толщину листового материала с учетом измеренного интервала (2),Недостатком этого способа является необходимость априорного задания коэффициента температуропроводности материала, что ограничивает класс возможных для измерения материалов. Предварительная калибровка также не всегда возможна,. например, при измерении толщины листового материала в технологическом процессе, когда коэффициент температуропроводности может меняться неконтролируемым образом.Целью изобретенияявляется расширение номенклатуры измеряемых материалов.Указанная цель достигается тем, что в способе измерения толщины листового материала, заключающемся в том, что поверхность материала подвергают импульсному тепловому воздействию, регистрируют температуру на противоположной поверхности материала, измеряют временной интервал от момента воздействия импульса до момента, при котором изменение температуры равно половине ее максимального приращения, и определяют толщину листового материала с учетом измеряемого интервала, временной интервал от момента воздействия импульса до момента, при котором изменение температуры равно половине ее максимального приращения, измеряют до и после достижения максимального значения температуры, при этом измеряют диаметр б зоны теплового импульсного воздействия на поверхности материала, а толщину Ь материала определяют из соотношения;и = 0,67 о Ът 2ут 2 й .=0,25,(2) где т 1 - длительность временного интервала до достижения максимального значениятемпературы,т 2 - длительность временного интерва 5 ла после достижения максимального значения температуры.На фиг,1 приведен график временнойзависимости температуры на поверхностилистового материала; на фиг.2 - блок-схема10 устройства, реализующего предлагаемыйспособ,Способ измерения толщины заключается в следующем. В исследуемом листовомматериале в данной конкретной точке по 15 верхности производится импульсный тепловой нагрев с помощью какого-либоисточника тепла, например, импульсноголазера, При этом длительность импульса нагрева выбирается много меньше характер 20 ных тепловых времен исследуемогоматериала, а диаметр зоны теплового воздействия - больше 3-5 ожидаемых тол щинматериала, что обеспечивает возможностьнадежного разделения во времени процес 25 сов диффузии тепла вглубь листа и по егоповерхности (т 2 т 1 ), На обратной стороне данного материала в точке, соответствующей нормальному к поверхностираспределению тепловой волны, с помощьюЗ 0 теплового приемника регистрируется процесс изменения температуры, вид которогоизображен на фиг.1.Участок АВ, соответствующий фронтупроцесса, обусловлен прогревом образцаЗ 5 вглубь от точки воздействия до точки регистрации и не связан с диффузией теплапо поверхности образца вследствие упомянутых выбранных временных и пространственных характеристик теплового40 воздействия. При этом время т 1 - время,при котором величина нарастания температуры на обратной стороне материала равнаполовине ее максимального приращения -связано с коэффициентом температурапро 45 водности материала уи толщиной и листа вданной точке по формуле:ут 1 /1 =0,14, (1)Участок СД соответствует спаду температуры на обратной стороне листового ма 50 териала и обусловлен диффузией тепла поповерхности материала. Величина времени г 2- времени, при котором уменьшение температуры в эпицентре нагрева будет равно половине ее максимального приращения - 55 связано с диаметром б зоны нагрева и коэффициентом температуропроводности у со- отношениемФормулы (1) и (2) следуют из решения общего уравнения теплопроводности, связывающего скорость изменения температуры и ее пространственные градиенты через теплофизические характеристики материала (для случая импульсного теплового воздействия с указанными выше временными и и рост ран ствен н ы ми соотношениями), Комбинируя формулы (1) и (2), можно исключить величину у и получить выражение для и в виде Ь-.0,67 б 1Г 2(3) Таким образом, при регистрации на обратной стороне листового материала процесса изменения температуры следуетизмерить характерные времена т 1 и т 2 и,зная диаметр 6 зоны импульсного теплового нагрева, можно вычислить толщину листав эпицентре нагрева по формуле (3). Приэтом, как видно иэ (3), никаких априорныхзнаний о коэффициенте температуропроводности материала (или каких-либо другихтеплофизических характеристик) не требу. ется, что позволяет расширить класс измеряемых материалов на те материалы, вкоторых их теплофизические параметры заранее не известны или могут меняться приизмерениях (например, при некоторых технологических процессах).Устройство, выполненное в соответствии с предлагаемым способом (см.фиг.2),содержит источник импульсного излучения 1,например, лазер, блок 2 питания источникас выходами возбуждающего напряжения исинхровыходом, оптическую формирующуюсистему 3, блок 3 измерения диаметра зонытеплового воздействия, делительную пластину 5, блок 6 измерения температуры наобратной стороне материала, блок 7 регистрации температуры с входом синхронизации и вычислительный блок 8.Выход возбуждающего напряженияблока 2 питания подключен к источнику импульсного излучения, а синхровыход - подключен к входу синхронизации блока 7регистрации и может быть подключен к управляющему входу вычислительного блока8,Выход блока 6 измерения температурыподключен ко входу блока 7 регистрации.Выход блока 4 измерения диаметра эоны теплового воздействия подключен к сигнальному входу вычислительного блока 8, кдругому входу которого подключен выходблока 7 регистрации температуры.Выход источника импульсного теплового излучения оптически связан через опти ческую формирующую систему 3 и делител ьную пластину 5 с первой поверхностью испытуемого листового материала и с оптическим входом блока 4 измерения диаметра зоны теплового воздействия,Устройство работает следующим образом: подают оптический тепловой импульс от источника 1 на первую поверхность листового материала, при этом часть излучения проходит через оптическую формирующую 5 10 систему 3 и делительную пластину 5 на поверхность материала, а другая часть, отражаясь от делительной пластины 5, попадает на вход блока 4 измерения диаметра зоны теплового воздействия (блок 4 установлен 15 Моменты времени достижения значеЬТний температуры Тмин + до достиже 2ния максимальной температуры (т 1 ) и после ее прохождения (т 2) и результат измерения 6 используют ля определения и по формуле и = 0,67 6 т 1/т 2 .При измерениях обычно выбирают ве 40 45 личину 6 (3-5)п при равномерном или прибликенно гауссовым распределении плотности мощности в пятне.Зону, в которой регистрируют темпера 50 туру на обратной поверхности листового материала выбирают напротив зоны, в которойосуществляют нагрев.Размер зоны, в которой регистрируюттемпературу, выбирают меньше или равнымвеличине 6.Измерение температуры можно веститакже и контактными методами. так, что размеры зон теплового воздействия на материале и на входе блока 4 равны).Излучение от источника 1 нагревает поверхность материала и не проникает вглубь.20 за время действия импульса (длительностьимпульса выбирают весьма малой - 0,1-10 мкс, а его энергию Е выбирают иэ условий нагрева поверхности на 5-50 С и неповреждения поверхности материала, что состав ляет, например, для стали СТЕ 0,05Дж при плотности мощности 300-800 Вт/см ), После этого происходит диффузия тепла внутрь и в плоскости материала. Одновременно с импульсом начинают производить 30 регистрацию температуры в зоне обратнойповерхности материала, сопряженной зоне воздействия и измеряют диаметр зоны теплового воздействия 6.Измерение температуры производят до 35 появления максимального значения температуры Тмакс и далее до значения Тмин+ЬТ2Вычисление можно производить как вручную при регистрации на ленте самописца, так и с использованием компьютера с необходимыми входными преобразователями. Формула изобретения Способ измерения толщины листового материала, заключающийся в том, что поверхность материала подвергают импульсному тепловому воздействию, регистрируют температуру на противоположной поверхности материала, измеряют временной интервал от момента воздействия импульса до момента, при котором изменение температуры равно половине ее максимального приращения, и определяют толщину листового материала с учетом измеренного интервала, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью расширения номенклатуры измеряемых материалов, временной интервал от момента воздействия импульса до момента, 5 при котором изменение температуры равнополовине ее максимального приращения, измеряют до и после достижения максимального значения температуры, при этом измеряют диаметр б зоны теплового им пульсного воздействия на поверхности материала, а толщину и материала определяют ие соотношения Ь 0,67 б тгтг/ея, где хг - длительность временного интервала до достижения максимального значения темпе ратуры, г 2 - длительность временногоинтервала после достижения максимального значения температуры.1779922Составитель Е. Вакумова Редактор С. Кулакова Техред М.Моргентал Корректор А. Мотыль Заказ 4428 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул, Гагарина, 101