Устройство контроля целостности токопроводящего покрытия, нанесённого на диэлектрический материал

Полезная модель относится к устройствам неразрушающего контроля и может быть использована для обнаружения дефектов в виде замкнутых трещин на токопроводящем покрытии, расположенном на диэлектрическом теплоизоляционном материале, в том числе под слоем защитной эмали, например, у топливных баков летательных аппаратов.
Замкнутые трещины токопроводящего покрытия при прохождении газа могут вызывать накопление электрического заряда с дальнейшей детонацией, поэтому от качественного контроля зависит безопасность летательного аппарата.
Известен ряд аналогичных устройств для дефектоскопического контроля различных объектов емкостными методами, среди которых устройство определения толщины асфальтобетонного покрытия (патент RU №2295701 С2, МПК G01B 7/06, опубликован 20.03.2007), заключающийся в измерении емкости между токопроводящим основанием асфальтобетонного покрытия и электродом, перемещающимся над покрытием, причем расстояние между электродом и покрытием определяется исходя из получаемых текущих значений емкости в соответствии с базой предварительно рассчитанных зависимостей информационного сигнала от расстояния между электродом и различными асфальтобетонными покрытиями.
Недостатком указанного устройства является использование для определения соответствия расстояния получаемой емкости базы, содержащей расчетные значения, а не полученные в результате калибровки для конкретного асфальтобетонного покрытия.
Известно устройство контроля целостности токопроводящего покрытия на диэлектрическом материале (патент RU №2504730, МПК G01B 7/02 от 20.01.2014), содержащее плоский электрод, установленный с зазором над контролируемой токопроводящей поверхностью, электропривод соединен с регистратором положения, при этом плоский электрод возвратно-поступательно перемещается параллельно поверхности токопроводящего покрытия, а контролируемое изделие перемещается перпендикулярно относительно движения плоского электрода.
Недостатком данного устройства является низкая точность, обусловленная отсутствием контроля расстояния между плоским электродом и токопроводящим покрытием и, как следствие, невозможностью точного позиционирования электрода над контролируемым покрытием.
Прототипом заявляемой полезной модели является устройство контроля целостности токопроводящего покрытия на диэлектрическом материале (патент на полезную модель RU №159780 U1, МПК G01N 27/24, опубликован 17.12.2015), содержащее расположенный над контролируемой поверхностью подвижную платформу с плоским измерительным электродом, которая перемещается с помощью позиционера, датчик контроля расстояния между электродом и контролируемой поверхностью, и блок обработки, выход которого подключен к позиционеру, а входы к измерительному электроду и датчику расстояния.
Недостатком прототипа является низкая точность, обусловленная отсутствием контроля за наклоном платформы и диэлектрической проницаемостью слоя защитного покрытия, нанесенного на токопроводящее покрытие, вследствие чего емкость измерительного электрода может отличаться от расчетной. Кроме того, применение отдельного дальномера усложняет конструкцию устройства.
Задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является упрощение конструкции, повышение точности и увеличение скорости сканирования устройства.
Поставленная задача достигается тем, что в известном устройстве, содержащем платформу, установленную с возможностью перемещения над контролируемой поверхностью токопроводящего покрытия с помощью позиционера, вход которого подключен к выходу блока обработки, согласно полезной модели при этом на платформе расположена матрица плоских измерительных электродов, которые подключены к блоку измерения емкости, выход которого подключен к блоку обработки.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором приведена конструкция устройства, где 1 - позиционер, 2 - платформа, 3 - матрица плоских измерительных электродов, 4 - блок измерения емкости, 5 - блок обработки, 6 - слой защитного диэлектрического покрытия, 7 - слой контролируемого токопроводящего покрытия, 8 - дефект токопроводящего покрытия, образованный замкнутой трещиной, 9 - диэлектрический материал.
Устройство работает следующим образом. Позиционер 1 перемещает платформу 2 с расположенными на ней плоскими измерительными электродами 3 вдоль токопроводящего покрытия 7. Плоские измерительные электроды 3 образуют с токопроводящим покрытием 7 конденсаторы, емкость которых измеряется блоком измерения емкости 4. Данные о емкости конденсаторов передаются в блок обработки 5, который также управляет позиционером 1. Предположим, что платформа перемещается справа налево. При отсутствии дефектов емкость электродов с токопроводящим покрытием должна быть одинакова, в реальном случае емкости различаются из-за разницы площади измерительных электродов, наклона платформы и других факторов. Для поиска границы дефекта эффективно использовать отношение емкости первого и второго по ходу движения измерительного электрода. В простейшем случае емкость можно определить по формуле:
,
где ε - относительная диэлектрическая проницаемость среды или вещества, расположенных в промежутке между подвижным плоским электродом и контролируемым токопроводящим покрытием;
0
ε - абсолютная диэлектрическая проницаемость; S - площадь перекрытия поверхностей электродов; d - расстояние до контролируемого токопроводящего покрытия.
Отношение емкостей двух соседних электродов не будет зависеть от d и ε:
.
2
1
3
2
2
1
При перемещении платформы над дефектом токопроводящего покрытия 8 уменьшается емкость первого измерительного электрода, что сказывается на отношении С/С, блок обработки по изменению отношения фиксирует границу данного дефекта и передает координаты оператору (устройства индикации могут быть выполнены произвольным образом, вследствие чего на схеме не показаны). Для дополнительного контроля по ходу движения установлен третий электрод, тогда отношение емкостей С/С будет с некоторым запаздыванием повторять отношение С/С, что используется для повышения надежности в созданном устройстве.
На чертеже показана конфигурация измерительных электродов 3×3. Наличие трех измерительных электродов, расположенных перпендикулярно направлению движения повышают площадь анализа, а следовательно, и скорость поиска дефекта. В общем случае, конфигурация измерительных электродов может быть выбрана произвольно, однако, использовать более трех электродов по ходу движения значительных преимуществ не дает. Следует также отметить, что увеличение количества электродов незначительно усложняет схему обработки. В частности, авторы использовали микроконтроллер STM32F303VCT6, имеющий высокоскоростной аналогово-цифровой преобразователь на 39 каналов.
Дополнительным преимуществом использования матрицы плоских измерительных электродов является возможность вычисления наклона платформы относительно токопроводящего покрытия на неповрежденных участках и использование данной информации для корректировки измерений.
Устройство позволяет выявлять дефекты токопроводящего покрытия, в том числе под слоем защитного диэлектрического (лакокрасочного) покрытия 6, под которым визуально определить дефект невозможно.
По сравнению с аналогами предложенное устройство позволяет упростить конструкцию прототипа за счет отказа от датчика расстояния, при этом за счет большого количества измерительных электродов повышается точность и скорость сканирования.