Разработка аппаратного и программного обеспечения лабораторного термоэлектрического

толщиномера на базе CAD-платформ

В.И. Сурин,

к.т.н., доц. каф. №18, visconst@rambler.ru
А.П. Бирюков,

асп. каф. №18, bir.sasha@rambler.ru
А.В. Рожко,

асп. каф. №18, a-rogka@yandex.ru
Ю.Ю. Востренков,

инж. Инжинирингового цент., yuravostrenkov@gmail.com
НИЯУ МИФИ, г. Москва

В докладе представлены результаты разработок отдельных элементов информационно-измерительной системы для лабораторного толщиномера: аппаратно-техническое обеспечение (управление измерительными приборами и устройствами) было создано на базе среды графического программирования LabVIEW и комплексной системы автоматизированного проектирования (САПР) радиоэлектронных средств Altium Designer; программно-математическое обеспечение, включающее совокупность математических методов, моделей и алгоритмов, а также описание обработки полученного диагностического сигнала, представлено в виде программного комплекса, разработанного при помощи системы компьютерной алгебры (средства автоматизации математических расчетов) MathCAD.

The report presents the results of development of individual elements of information-measuring system for laboratory thickness gauge: hardware-technical support (management of measuring instruments and devices) was established on the basis of the environment of graphic programming of LabVIEW and integrated computer-aided design (CAD) electronic means Altium Designer; software that includes a set of mathematical methods, models and algorithms, and a description of processing of the received diagnostic signal, presented in the form of a software package developed with the help of a computer algebra system (automation of mathematical calculations) in MathCAD.

Контроль качества материалов и изделий является одной из важнейших задач обеспечения безопасной эксплуатации промышленного и технологического оборудования. К современным материалам предъявляются высокие требования по постоянству химического состава, микро- и макроструктуры, электрических и магнитных характеристик, неизменности геометрических размеров, механических, антикоррозионных и других свойств. Только применение эффективных методов контроля, в первую очередь – методов неразрушающего контроля, может гарантировать соблюдение требуемых показателей качества материала.

Надежность и долговечность работы изделий в целом зависит как от структурного состояния объема, так и от свойств поверхностного слоя. Во многих случаях именно характеристики поверхностного слоя материала определяют срок службы изделия. С проблемой контроля качества поверхностных покрытий приходится часто сталкиваться в различных областях практической деятельности – в технологии производства тонких пленок, при термической и термохимической обработке металлических поверхностей, при контроле толщины цементированного или сульфидированного слоев покрытий, гальванопокрытий и т.п. [1].

Термоэлектрический контроль, как один из основных методов функциональной электрофизической диагностики и неразрушающего контроля, широко применяется на практике: в процессе эксплуатации изделий и механизмов, при их техническом обслуживании; при контроле фазового состава материалов и содержания легирующих элементов; при контроле толщины пленок и покрытий, и в ряде других случаев. Применение данного метода не имеет ограничений, связанных с формой изделия, обеспечивает локальность измерений (вплоть до точечного контроля, что особенно важно при определении чистоты материалов и содержания примесей, оценке качества поверхности) [2]. Метод обладает относительной простотой реализации средств контроля, экспрессностью получения результата, приборы термоэлектрического контроля имеют низкую стоимость. Поэтому задача проектирования измерительных систем, основанных на использовании термоэлектрического метода, является актуальной.

1. Аппаратно-техническое обеспечение

Для автоматизации процесса измерения температуры в ходе работы с исследуемым образцом было разработано специальное электронное устройство, состоящее из следующих частей:

• Управляющий контроллер Atmega32.

• Интерфейс связи с ПК через виртуальный последовательный порт (физически подключается через USB).

• 2 блока для усиления и оцифровки сигнала с термопары K-типа.

• Блок для усиления сигнала термоэдс.

Для обеспечения мобильности и компактности устройства в целом вышеуказанные элементы, а также блок питания (прибор питается от USB) были размещены на одной плате (рисунок 3).

Температура поверхностей исследуемого образца контролируется двумя термопарами, которые подключаются к схеме измерителя температуры на основе микросхемы MAX31855KASA, включающую в себя инструментальный усилитель сигнала термопары и АЦП. Далее данные передаются в микроконтроллер по шине SPI для дальнейшей обработки микропрограммой.

а) б)

рис. 1 Материнская плата электронного устройства (а) и схема преобразователя сигнала с термопары (б)

2. Программно-математическое обеспечение

Значение толщины слоя рассчитывается на основе информации о составе исследуемого образца, заранее известной градуировочной кривой с помощью виртуального прибора, блок-схема которого представлена на рисунке 2.

рис. 2 Блок-схема виртуального прибора

Графическое представление получаемых результатов в режиме реального времени позволяет анализировать данные и при необходимости вносить коррективы в ход работы. Для определения необходимых характеристик обработка диагностического сигнала проводилась в разработанном на базе платформы MathCAD программном комплексе (рис. 3).

рис. 3 Внешний вид программы по обработке данных

3. Тестирование лабораторного толщиномера

На данный момент в лаборатории «ElPħysLab» разработана опытная модель лабораторного толщиномера (рис. 4). В приборе предусмотрен режим создания температурного градиента на образце до температуры ~300°С. Устройство предназначено для проработки методики измерений и оценки влияния параметров датчиков (материал, шероховатость, радиус закругления и др.) на величину диагностического сигнала, а также для проведения учебных работ.

Для проведения испытаний использовались образцы, вырезанные из стальной пластины, размерами ~30х20х1 мм с нанесенным на них методом электролиза никелевым покрытием, изображенные на рис. 4. Образцы были изготовлены из высокоуглеродистой стали, т.к. с возрастанием содержания углерода в составе увеличивается твердость и прочность материала в целом. Материалом для пленок послужил никель, в виду того, что в производстве наиболее часто используют именно метод никелирования для нанесения пленок на стальные изделия.

рис. 4 Лабораторный толщиномер (слева) и внешний вид образцов (справа)

Локальность контролируемого участка составляла 1,5 на 1,5 мм, перепад температур на образце при выходе на статический режим поддерживался на уровне ΔT = 140ºС. Чувствительность метода для указанных условий составила 3,5 мкВ/мкм. Чтобы определить толщину никелированного слоя, необходимо сравнить результаты измерения термоэдс на образцах с покрытием и без. По разности значений термоэдс можно получить градуировочную зависимость для определения толщины никелированного покрытия.

Для проведения толщинометрии оператор установки должен расположить исследуемый образец на предметном столике, закрыть специальным кожухом и, подобрав допустимый температурный режим, провести серию измерений. Полученные результаты обрабатываются ИИС с учетом ранее полученной градуировочной кривой и отображаются на экране ПК (рис. 5).

рис. 5 Принципиальная схема работы толщиномера

Также с помощью элементов MathCAD была построена линейная регрессия и оценена погрешность измерений. Исходя из полученных данных, очевидна необходимость более тщательной проработки методики и улучшения имеющегося программно-аппаратного комплекса. В дальнейшем также планируется усовершенствование конструкции прибора и реализация возможности измерения термоэдс в нескольких точках образца.

Литература

1. Сурин В.И., Евстюхин Н.А. Электрофизические методы неразрушающего контроля и исследования реакторных материалов. М.: МИФИ, 167 с., 2008.

2. Сурин В.И., Бирюков А.П. Применение термоэлектрического метода для определения толщины пленок и покрытий // Журнал «Вестник Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ» М. ООО МАИК «НАУКА/ИНТЕРПЕРИОДИКА», том 3, номер 4, стр. 448-454, 2014 г.