Устройство обнаружения локальных дефектов токопроводящего покрытия на основе измерения ёмкости с применением индуцирующего электрода

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 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.
Известно 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 устройства 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.
Прототипом заявляемой полезной модели является устройство контроля целостности токопроводящего покрытия, нанесенного на диэлектрический материал (патент на полезную модель RU №175976 U1, МПК G01N 27/24, опубликован 25.12.2017), содержащее платформу, установленную с возможностью перемещения над контролируемой поверхностью токопроводящего покрытия с помощью позиционера, вход которого подключен к выходу блока обработки, при этом на платформе расположена матрица плоских измерительных электродов, которые подключены к блоку измерения емкости, выход которого подключен к блоку обработки.
Общим недостатком прототипа и предыдущих аналогов является невысокая чувствительность устройства к дефектам в токопроводящем покрытии, размер которых превышает размер электрода.
Задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является увеличение чувствительности датчика к дефектам разных размеров.
Поставленная задача достигается тем, что в устройстве, содержащем платформу с матрицей плоских измерительных электродов, подключенных к блоку измерения емкости, выход которого подключен к блоку обработки, при этом платформа имеет возможность перемещения над контролируемой поверхностью токопроводящего покрытия с помощью позиционера, вход которого подключен к выходу блока обработки, согласно полезной модели по периметру платформы расположен индуцирующий электрод, окружающий матрицу измерительных электродов и подключенный к выходу опорного генератора, расположенного в блоке измерения емкости.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена конструкция устройства, на фиг. 2 - конфигурация устройства с одним измерительным электродом. На чертежах показаны: позиционер - 1, платформа - 2, матрица плоских измерительных электродов - 3, слой контролируемого токопроводящего покрытия (ТПП) - 4, блок измерения емкости - 5, блок обработки - 6, индуцирующий электрод - 7, изолированная область ТПП, образованная замкнутой трещиной - 8, слой защитного диэлектрического покрытия - 9, диэлектрический материал - 10, металлическая стенка топливного бака - 11.
Устройство работает следующим образом. Позиционер 1 перемещает платформу 2 с расположенной на ней матрицей плоских измерительных электродов 3 вдоль слоя токопроводящего покрытия 4. Плоские измерительные электроды 3 образуют с токопроводящим покрытием 4 конденсаторы, емкость которых измеряется блоком измерения емкости 5. Данные о емкости конденсаторов передаются в блок обработки 6, который также управляет позиционером 1. На индуцирующий электрод 7, расположенный по периметру от измерительных электродов 3, подается переменное напряжение от опорного генератора, обязательно присутствующем в любом измерителе емкости, что повышает чувствительность к определению крупных дефектов. Для пояснения принципа работы используем самую простую конфигурацию датчика, состоящего из одного измерительного электрода 3, окруженного по периметру индуцирующим электродом 7 (фиг. 2). Известно, что в блоке 5 электрический ток I через амперметр А пропорционален измеряемой емкости С и связан соотношением:
где U - напряжение опорного генератора;
ω - угловая частота опорного генератора.
Примем допущение, что краевые эффекты у образуемых электродами конденсаторов малы и их емкость пропорциональна площади электродов. Предположим, что измерительный электрод находится над неповрежденным участком токопроводящего покрытия. Тогда ток через амперметр будет максимальным и составит:
где Cs - емкость, образованная измерительным электродом 3 и ТПП;
- реактивное сопротивление получаемого конденсатора.
При нахождении сенсора полностью над поврежденным участком ТИП ток через амперметр будет меньше и в случае отсутствия индуцирующего электрода 7 составит:
S
d
S
где Z - реактивное сопротивление конденсатора, образованного стенкой топливного бака 11 и дефектным участком ТПП 8. Из выражения (3) следует, что при большом размере дефекта и, соответственно, малом его сопротивлении Z<<Z отличие тока между поврежденным (3) и неповрежденным (2) участком ТПП будет незначительно, что затрудняет фиксацию таких дефектов.
i
S
В случае введения индуцирующего электрода 7, расположенного также над дефектом ТПП, в цепи появляется емкостное сопротивление Z, включенное параллельно с сопротивлением Z. Используя законы электротехники, можно получить выражение для тока в получившейся цепи:
Из (4) следует, что в случае Zs>>Zi при нахождении над дефектным участком происходит значительное изменение тока, что повышает чувствительность.
Для более точной оценки метрологических характеристик полученного устройства введем коэффициент n, равный отношению площади индуцирующего электрода к площади измерительного электрода. Емкостные сопротивления тогда будут связаны обратными величинами:
Подставив (5) в (4) получаем ток в через амперметр:
С другой стороны, если изготовить единый измерительный электрод той же общей площадью, что и индуцирующий электрод вместе измерительным, то есть площадью в n+1 раз больше, то с учетом (3) получим:
Выражения (6) и (7), отличаются только статическим коэффициентом n+1, что означает, что в обоих случаях при движении всего датчика с целого на поврежденный участок ТПП относительное изменение емкости будет одинаковым. Следовательно, для контроля, конструкция из одного небольшого измерительного электрода совместно с индуцирующим электродом получается эквивалентна такому же по площади единому измерительному электроду, только весь сигнал в первом случае будет меньше амплитудой в n+1 раз. При этом предлагаемый датчик с индуцирующим электродом является более предпочтительным, нежели единый измерительный электрод большей площадью по ряду причин:
1. Измерительный электрод большой площади теряет чувствительность к небольшим дефектам ТПП. Из расчетов следует, что максимальная чувствительность обеспечивается для дефектов ТПП, равным по площади измерительному электроду. При увеличении площади измерительного электрода дефект не попадает целиком под пластину, а целые участки ТПП образуют с электродом дополнительную емкость, уменьшая изменение тока и тем самым снижая чувствительность датчика.
2. При малой площади измерительного электрода проще найти координаты дефекта. Изменения емкости при движении платформы происходят динамичнее.
3. При применении матрицы измерительных электродов соседние измерительные электроды также начинают выполнять друг для друга роль индуцирующих, поскольку подключены к тому же опорному генератору. Внешний индуцирующий электрод 7, расположенный по периметру, с одной стороны, выравнивает условия для всех электродов, с другой стороны обеспечивает увеличение чувствительности к дефектам ТПП большой площади.
Устройство позволяет выявлять дефекты токопроводящего покрытия, в том числе под слоем защитного диэлектрического (лакокрасочного) покрытия 9, под которым визуально определить дефект невозможно. Максимальная чувствительность обеспечивается для дефектов, площадью от размера единичного измерительного электрода до суммарной площади всех электродов, включая индуцирующий.