| 1. | Вихретоковой метод для определения сопротивления, включающий размещение комбинированного измерительного преобразователя, содержащего первый и второй вихретоковые датчики над поверхностью покрытия на металлической ленте токоподвода, измерение относительного внесенного активного 5 сопротивления первого вихретокового датчика на его рабочей частоте, измерение относительного внесенного активного сопротивления второго вихретокового датчика на его робочей частоте, отличающийся тем, что комбинированный измерительный преобразователь помещают в зоне направляющего движения ленты вала так, что все точки рабочей поверхности преобразователя находятся на одинаковом расстоянии от Ю поверхности ленты; располагают токовые линии рабочей поверхности первого и второго вихретоковых датчиков параллельно между собой и вдоль направления движения ленты токоподвода, причем направление токов в линиях первого датчика задают одинаковым, а направление токов в соседних линиях второго датчика противоположным; выбирают рабочую частоту первого датчика в точке минимума 15 частотной зависимости его относительного внесенного активного сопротивления; выбирают рабочую частоту второго вихретокового датчика в послеэкстремальной области годографа внесенного лентой токоподвода без покрытия импеданса так, чтобы величина внесенного активного сопротивления составляла не более 10% от максимального значения; выделяют величину относительного внесенного активного 20 сопротивления второго датчика, обусловленную только вихревыми токами, протекающими в слое покрытия; синхронизируют измерения первого и второго датчиков с учетом скорости равномерного движения ленты токоподвода с покрытием так, чтобы оба датчика осуществляли измерения на одном и том же участке покрытия; осуществляют коррекцию величины относительного внесенного 25 активного сопротивления, измеренного первым датчиком с использованием выделенных значений относительного внесенного активного сопротивления второго датчика; определяют величину контактного сопротивления между лентой токоподвода и покрытием на различных участках в процессе движения ленты с использованием скорректированных значений относительного внесенного активного 30 сопротивления первого вихретокового датчика. |
| 2. | Вихретоковой метод по п.l, отличающийся тем, что позиционируют первый датчик над поверхностью ленты тόкоподвода без покрытия, расположенной на направляющем вале, на расстоянии, равном сумме величины установочного зазора и толщины покрытия и измеряют частотную характеристику внесенного активного сопротивления, отнесенного к его собственному индуктивному сопротивлению. |
| 3. | Метод по п.l, 2 отличающийся тем, что позиционируют первый датчик над поверхностью покрытия на ленте токоподвода, расположенной на направляющем вале, на расстоянии, равном величине установочного зазора, и измеряют частотную характеристику относительного внесенного активного сопротивления. |
| 4. | Метод по п. 1,3, отличающийся тем, что определяют частоту, соответствующую минимуму частотной характеристики относительного внесенного активного сопротивления при расположении первого датчика над покрытием на ленте токоподвода, которую принимают в качестве рабочей частоты первого датчика. |
| 5. | Метод по п.14, отличающийся тем, что запоминают относительное внесенное активное сопротивление первого датчика, полученное при его расположении над лентой без покрытия, соответствующее рабочей частоте, и используют его впоследствии как эталонное значение. |
| 6. | Метод по п.15, отличающийся тем, что в процессе измерений определяют разность относительного внесенного активного сопротивления первого датчика, расположенного над движущейся лентой токоподвода с покрытием и эталонного значения, которая является сигналом первого датчика. |
| 7. | Метод по п.l, отличающийся тем, что рабочую частоту второго вихретокового датчика ограничивают сверху граничной частотой, которая в три раза меньше частоты собственного резонанса датчика. |
| 8. | Метод по п.1,7, отличающийся тем, что позиционируют второй датчик над поверхностью ленты токоподвода без покрытия, расположенной на направляющем вале, на расстоянии, равном сумме величины установочного зазора и толщины покрытия, и измеряют значение относительного внесенного активного сопротивления датчика на его рабочей частоте. |
| 9. | Метод по п.1,8, отличающийся тем, что позиционируют второй датчик над поверхностью ленты токоподвода без покрытия, расположенной на направляющем вале, на расстоянии, равном толщине покрытия, и измеряют значение относительной внесенной индуктивности датчика на его рабочей частоте. |
| 10. | Метод по п.1,79, отличающийся тем, что устанавливают второй датчик βζ на поверхности ленты токоподвода без покрытия, расположенной на направляющем вале, и измеряют относительную внесенную индуктивность датчика на граничной частоте. |
| 11. | Метод по п.1,7,9, 10, отличающийся тем, что определяют разность значений относительной внесенной индуктивности второго датчика, измеренных на 70 ленте токоподвода с нулевым зазором на граничной частоте и с воздушным зазором, равным толщине покрытия, на рабочей частоте. |
| 12. | Метод по п.1,711, отличающийся тем, что из значений относительного внесенного активного сопротивления второго датчика, расположенного над движущейся лентой токоподвода с покрытием вычитают одноименное значение, 75 измеренное на рабочей частоте при позиционировании второго датчика над поверхностью ленты без покрытия на расстоянии равном сумме величины установочного зазора и толщины покрытия, осуществляя аддитивную коррекцию. |
| 13. | Метод в по п.1,7 12, отличающийся тем, что аддитивно скорректированные значения относительного внесенного активного сопротивления gø второго датчика делят на полученную разность относительных внесенных индуктивностей этого датчика, осуществляя мультипликативную коррекцию. |
| 14. | Метод по п.1,713, отличающийся тем, что используя мультипликативно скорректированные значения относительного внесенного активного сопротивления второго датчика и учитывая величину установочного зазора, получают значения §5 относительного внесенного активного сопротивления, обусловленного вихревыми токами, протекающими только в слое покрытия. |
| 15. | Метод по п.l, 714, отличающийся тем, что перед началом рабочего цикла измерений осуществляют не менее 200 предварительных измерений вторым датчиком на ленте токоподвода с покрытием с целью определения начального 90 среднего значения относительного, внесенного токами покрытия активного сопротивления, которое затем уточняется в процессе рабочего цикла измерений. |
| 16. | Метод по п.115, отличающийся тем, что корректируют сигнал первого вихретокового датчика путем умножения его на адаптационный коэффициент Y = R01) IR^ i представляющий собой отношение внесенного вихревыми токами QQ покрытия активного сопротивления второго датчика к его текущему среднему значению. |
| 17. | Метод по п.l, 716, отличающийся тем, что перед началом рабочего цикла измерений осуществляют не менее 400 предварительных измерений на ленте токоподвода с покрытием с целью определения начального максимального значения 1Q5 сигнала первого датчика, скорректированного адаптационным сигналом второго датчика, которое затем уточняется в процессе рабочего цикла измерений. |
| 18. | Метод по п.l, 717, отличающийся тем, что определение величины контактного сопротивления между лентой .токоподвода и покрытием осуществляют по отношению скорректированных величин максимального сигнала первого датчика HQ к его сигналу в данном месте контроля, которое пропорционально отношению контактного сопротивления в данном месте контроля к его усредненному минимальному значению. |
| 19. | Метод по п.l, 718, отличающийся тем, что задают технологический допуск, т.е. верхнюю границу диапазона, в пределах которого допустимо изменение j jg относительной величины контактного сопротивления. |
| 20. | Метод по п.l, 719, отличающийся тем, что осуществляют контроль за выходом относительной величины контактного сопротивления за пределы допуска и при этом производят отметки на поверхности покрытия различными цветами в соответствии со степенью превышения верхней граница допуска. |
| 21. | 21.Bиxpeтoкoвaя система для бесконтактного определения сопротивления, содержащая средства для измерения относительного внесенного активного сопротивления первого и второго вихретоковых датчиков комбинированного измерительного преобразователя на рабочей частоте первого и второго датчиков, средства трехканального аналогоцифрового преобразования сигналов, блок запоминания, блок контроля выхода за границы допуска, блок отметки дефектных зон на поверхности покрытия, отличающаяся тем, что дополнительно содержит средства синхронизации измерений первым и вторым датчиками, блок определения разности относительного внесенного активного сопротивления первого датчика и эталонного сигнала, блок измерения относительной внесенной индуктивности второго датчика на его рабочей и граничной частотах, блок определения разности значений относительной внесенной индуктивности второго датчика, измеренных на ленте токоподвода с нулевым зазором на граничной частоте и с воздушным зазором, равным толщине покрытия, на рабочей частоте, блок аддитивной коррекции относительного внесенного активного сопротивления второго вихретокового датчика, блок мультипликативной коррекции относительного внесенного активного сопротивления второго вихретокового датчика, блок текущего усреднения скорректированных значений относительного внесенного активного сопротивления второго датчика, блок коррекции разности относительного внесенного активного сопротивления первого датчика и эталонного сигнала с использованием корректирующих значений сигнала второго датчика, блок текущего определения максимальной скорректированной разности для первого датчика, блок определения и регистрации контактного сопротивления между лентой токоподвода и покрытием в месте контроля и цифроаналоговый преобразователь 22. Вихретоковая система по п,21, отличающаяся тем, что первый и второй датчики объединены в единую конструкцию и расположены в ней последовательно по отношению к движению ленты, а их общая рабочая поверхность является частью поверхности цилиндра с прямоугольной разверткой и ограничена по ширине максимальной шириной одного из датчиков, а по длине суммарной длиной датчиков с учетом расстояния между ними. |
| 22. | 23 Вихретоковая система по п.21, 22, отличающаяся тем, что общая рабочая поверхность датчиков коаксиальна поверхности ленты токоподвода в области вала, направляющего движение ленты. |
| 23. | 24 Вихретоковая система по п.2123, отличающаяся тем, что каркас 155 первого вихретокового датчика в сечении представляет собой прямоугольник, при этом рабочей является ближайшая к покрытию вогнутая поверхность каркаса с расположенными на ней с постоянным шагом параллельными однонаправленными токовыми линиями, а не рабочей выпуклая поверхность каркаса с расположенными на ней параллельными токовыми линиями противоположного 150 направления. |
| 24. | 25 Вихретоковая система по п.2124, отличающаяся тем, что расстояние между токовыми линиями первого датчика выбирают с учетом необходимости обеспечения максимального постоянства векторного потенциала поля датчика в зоне контроля. I65 26. Вихретоковая система по п.2123 , отличающаяся тем, что обмотка второго вихретокового датчика сосредоточена на ближайшей к покрытию вогнутой поверхности каркаса и представляет собой совокупность параллельных токовых линий с противоположным направлением токов в соседних линиях и постоянным расстоянием между ними. 27. Вихретоковая система по п.2123, 26, отличающаяся тем, что расстояние между токовыми линиями второго датчика выбирается с учетом необходимости обеспечения минимального влияния фольги токоподвода на величину его внесенного активного сопротивления. |
| 25. | 28 Вихретоковая система по п.2127, отличающаяся тем, что отношение 175 длины токовых линий, расположенных на рабочих поверхностях первого и второго датчиков к расстоянию между токовыми линиями составляет не менее 10. |
| 26. | 29 Вихретоковая система по п.2128, отличающаяся тем, что расстояние между концом первого датчика и началом второго составляет не менее двойной ширины сечения каркаса первого вихретокового датчика. |
| 27. | 30. Вихретоковая система по п.2129, отличающаяся тем, что в случае двустороннего покрытия ленты токоподвода .используется пара идентичных комбинированных измерительных преобразователей, каждый из которых расположен в окрестности своего направляющего вала, но над различной стороной покрытия ленты. |
| 28. | 31. Вихретоковая система по п.21,30, отличающаяся тем, что каждый из пары комбинированных измерительных преобразователей расположен на одном и том же расстоянии от боковой кромки ленты токоподвода. |
| 29. | 32 Вихретоковая система по п. п.2131, отличающаяся тем, что включает несколько комбинированных измерительных преобразователей, расположенных над поверхностью покрытия на ленте токоподвода, закрепленных на одной образующей, ориентированной перпендикулярно боковой кромке ленты токоподвода, при этом расстояние между преобразователями одинаково. |
| 30. | 33 Вихретоковая система по п. 2132, отличающаяся тем, что в случае двустороннего покрытия включает несколько пар измерительных преобразователей, причем измерительные преобразователи, расположенные над одной стороной покрытия и измерительные преобразователи, расположенные над противоположной стороной закреплены на отдельных образующих, ориентированных перпендикулярно боковой кромке ленты. |
| 31. | 34 Вихретоковая система по п. 2133, отличающаяся тем, что наименьшее 2oo расстояние между боковой гранью комбинированного измерительного преобразователя и боковой кромкой покрытия на ленте токоподвода составляет не менее высоты первого вихретокового датчика, а расстояние между ближайшими друг к другу боковыми гранями соседних комбинированных преобразователей составляет не менее двойной высоты первого датчика. 35. Вихретоковая система по п.2134, отличающаяся тем, что дополнительно включает блок отметки дефектных зон, в пределах которых относительная величина контактного сопротивления между токоподводом и покрытием выходит за пределы установленного допуска, производящий отметки для каждого комбинированного измерительного преобразователя отдельно 2ю различными цветами в соответствии со степенью превышения величиной контактного сопротивления верхней границы допуска. |
«Bиxpeтoкoвoй метод и система бесконтактного определения сопротивление
В химических источниках тока весьма важным параметром является величина контактного сопротивления между металлическим токоподводом и композиционным покрытием. Это сопротивление зависит от площади омического контакта, которая определяется микрорельефом поверхности покрытия, а также наличием и суммарной площадью изолирующей пассивационной пленки, образующейся на поверхности токоподвода. Предлагается метод и вихретоковая система для бесконтактного определения сопротивления между лентой токоподвода и покрытием непосредственно в технологическом процессе изготовления химических источников тока и суперконденсаторов. Метод и система тестирования включают размещение комбинированного измерительного преобразователя, содержащего два накладных вихретоковых датчика над поверхностью покрытия, нанесенного на металлическую ленту токоподвода, в области направляющего движение ленты вала так, что все точки рабочей поверхности преобразователя находятся на одинаковом расстоянии от поверхности ленты. Производят измерение относительного внесенного активного сопротивления первого вихретокового датчика, токовые линии рабочей поверхности которого параллельны между собой и направлены вдоль направления движения ленты токоподвода, а направление токов в линиях одинаково. В качестве рабочей частоты этого датчика выбирают частоту, соответствующую минимуму частотной зависимости его внесенного активного • сопротивления. Производят измерение аналогичного параметра второго вихретокового датчика, токовые линии рабочей поверхности которого также параллельны между собой и направлены вдоль направления движения ленты токоподвода, но направления токов в соседних линиях противоположны. Выбор рабочей частоты второго датчика осуществляют в послеэкстремальной области годографа внесенного лентой токоподвода без покрытия импеданса так, чтобы величина внесенного активного сопротивления составляла не более 10% от максимального значения. С помощью процедур аддитивной и мультипликативной коррекции выделяют величину внесенного активного сопротивления второго датчика, обусловленную только вихревыми токами, протекающими в слое покрытия. Осуществляют синхронизацию измерений
0 первым и вторым датчиками с учетом скорости равномерного движения ленты токоподвода с покрытием так, чтобы оба датчика осуществляли измерения на одном и том же участке покрытия. Производят коррекцию сигнала первого датчика с использованием выделенных значений сигнала второго датчика. Еvаluаtiоп величины контактного сопротивления между лентой токоподвода и покрытием в процессе 5 движения ленты осуществляют с использованием скорректированных значений относительного внесенного активного .сопротивления первого вихретокового датчика.
Это изобретение относится к электрохимической промышленности, в частности к области технологического неразрушающего контроля в процессе 0 производства химических источников тока и суперконденсаторов.
В химических источниках тока: батареях, аккумуляторах, суперконденсаторах весьма важным параметром является величина контактного сопротивления между металлическим токоподводом и композиционным покрытием. Это покрытие выполняется с использованием порошкообразных материалов с ионной 5 проводимостью, добавок углерода, сажи и других материалов в различных комбинациях, которые затем скрепляются связующим. В качестве металла токоподвода обычно используется аллюминий. Удельная электрическая проводимость покрытия на несколько порядков ниже проводимости металла токоподвода.
50 Величина контактного сопротивления между токоподводом и покрытием зависит от площади омического контакта. Эта площадь определяется микрорельефом поверхности покрытия, а также наличием и суммарной площадью изолирующей пленки окиси аллюминия на поверхности токоподвода. При нанесения покрытия на ленту токоподвода окисная пленка в значительной степени разрушается, в то же
55 время для ряда покрытий (тонкие покрытия с высокой пористостью) сохраняется возможность последующего частичного восстановления этой пленки за счет диффузии кислорода из воздуха через слой покрытия, а также диффузии кислорода из внутренних пор покрытия.
Необходимость измерения сопротивления между лентой токоподвода и sς. покрытием на технологической линии, в процессе движения ленты обусловливает необходимость бесконтактности измерений. Механический контакт с поверхностью покрытия в процессе движения ленты приведет к разрушению высокопористой,
хорошо развитой поверхности покрытия в месте контакта. Этому способствует небольшая толщина покрытия (100 - 150 мкм) и невысокая плотность материала покрытия (1,5 - 3,0 г/см 3 ).
Разрушающий метод испытания, заключающийся в вырезании из уже готовой ленты с покрытием тестовых образцов, с последующим измерением переходного сопротивления между фольгой и покрытием контактным способом практически неприемлим по следующим причинам. Во-первых, количество тестовых образцов для выполнения требования представительности выборки значительно и вырезать их нужно из различных участков ленты. Эти участки должны быть равномерно распределены по площади ленты. Вырезка образцов разрушит целостность ленты и значительно усложняет последующий технологический процесс изготовления химических источников тока и суперконденсаторов. Во-вторых, контактный метод измерения удельного сопротивления материала покрытия и переходного сопротивления между фольгой токоподвода и покрытием встречает серьезные затруднения. Вследствии необходимости иметь развитую поверхность с большой площадью покрытие изготавливается высокопористым. Пористость составляет обычно несколько десятков процентов, а в ряде случаев она превышает 50%. Поверхность слоя покрытия из-за наличия значительной открытой пористости характеризуется весьма сложным стохастическим микрорельефом. Прижимая контактную площадку измерительного электрода к этой поверхности мы нарушаем микрорельеф поверхности. Площадь реального омического контакта покрытия и контактной площадки при каждом измерении будет разной, что вносит большие погрешности в процесс измерения.
Из всей совокупности бесконтактных методов контроля для измерения сопротивления между лентой токоподвода и покрытием в принципе, по своей физической сущности, могут быть использованы метод вихревых токов и электроемкостной метод. Рассмотрим возможность использования бесконтактного электроемкостного метода. Он предполагает использование двух или нескольких компланарных пластин, расположенных над покрытием, с некоторым воздушным зазором, как это показано на Фиг.l. При этом процесс взаимодействия потенциального электрического поля такого накладного кодденсатора с объектом контроля хорошо
95 отображается эквивалентной схемой, представленной на Фиг.2 для конденсатора из двух пластин.
Учитавая, что размеры пластин s накладного конденсатора значительно превышают расстояние от поверхности пластин 1 (Фиг.l) до поверхности алюминиевой фольги 4, фактически образуется цепь из двух плоскопараллельных
I QQ конденсаторов, включенных последовательно. Каждый из этих конденсаторов образуется соответствующей обкладкой накладного конденсатора 1 и экранирующей поле поверхностью алюминиевой фольги. Соединение пластин этих образовавшихся конденсатов осуществляется по фольге, на эквивалентной схеме (Фиг.2) схематично показана точка соединения этих конденсаторов и обозначена как "fоil".
JQ5 Каждый из этих плоскопараллельных конденсаторов содержит три слоя, последовательно расположенных в поле между его пластинами. Емкость первого слоя, представляющего собой воздушный зазор между пластиной конденсатора и поверхностью покрытия, обозначена на эквивалентной схеме (Фиг..2) как C g . Второй слой, представляющий собой слабопроводящее покрытие, отображен на
H Q эквивалентной схеме цепочкой из параллельно соединенных резистора R m и C m .Tpeτий слой - это диэлектрическая пленка Al 2 O 3, образующаяся на поверхности алюминиевой фольги. На эквивалентной схеме она отображена емкостью C d .
Толщина пленки Al 2 O 3 весьма мала, обычно она не превышает десяти нанометров. Поэтому величина емкости Cj на 3-4 порядка больше емкостей C m и C d jj g Соответственно этому емкостное сопротивление окисной пленки близко к нулю. Поэтому определить наличие или отсутствие окисной пленки по изменению величины общей емкости накладного конденсатора практически невозможно.
Накладной конденсатор с компланарными пластинами в некоторых случаях можно использовать для определения расстояния от его электродов до проводящей
120 поверхности образца. Так, например, в патенте US 6593738 для измерения толщины тонких проводящих покрытий на разных структурах, в частности металлических пленок на диэлектрических или полупроводниковых дисках, применяется вихретоковый метод, однако с вихретоковым датчиком механически объединен электроемкостной датчик, который используется для определения расстояния до
12 _ поверхности металлической пленки.
Бесконтактный метод вихревых токов используется для измерения электромагнитных характеристик проводящих слоев и покрытий, их толщины, поиска дефектов в слоях.
В статье [1] предложено использовать многочастотный метод вихревых токов
230 Д ля определения степени коррозии в двуслойных структурах. Авторы статьи отмечают, что метод вихревых токов широко используется для выявления подповерхностных несплошностей в структурах летательных аппаратов. В рассматриваемой работе катушка, возбуждаемая синусоидальным переменным током (типичный частотный диапазон - от 50 Гц до 5 МГц) индуцирует вихревые токи в
235 электропроводящем материале и изменение импеданса катушки измеряется. Несплошности, такие как трещины, коррозия и характеристики поверхности приводят к изменению амплитуды и фазы вихревого тока и, соответственно, его отклика. В то же время сигнал вихревого тока может быть искажен рядом мешающих факторов, которые делают интерпретацию сигнала очень сложной. В случае
140 многослойных структур, таких как соединенные внахлест детали самолетов (аirсrаft sрliсе jоiпts) в число таких факторов входят: отвод и перекос датчика вследствии деформации поверхности, изменение толщины краски, детали крепления, simultапеоuslу оссuriпg disсопtiпuitiеs, изменение зазора между слоями.Одночастотное тестирование дает мало информации для уменьшения
145 влияния этих факторов. В настоящее время техника многочастотного вихретокового контроля успешно используется для тестирования скрытой коррозии и подповерхностных трещин в соединенных внахлест деталях самолетов (аirсrаft lар sрliсеs). В данной статье для определения потери материала в результате коррозии в двуслойной структуре используется вихретоковый метод с четырьмя рабочими
150 частотами: 30 кГц, 17 кГц, 8 кГц, 5.5 кГц.
В патенте US4268791 описывается вихретоковый датчик, вращающийся в отверстии крепления многослойной структуры. По выходному сигналу датчика, подвергающемуся фильтрации, определяют наличие дефектов, а сигнал датчика, не подвергающийся фильтрации, используется для определения границ между слоями в
. j __ многослойной структуре.
В патентах US4383218, US6037768 описываются вихретоковые инспектирующие системы для неразрушающего выявления дефектов в области многослойной проводящей структуры в окрестности места ее скрепления. В первом
из них вихревые токи в структуре индуцируются апериодическим возбуждающим
160 током в катушке индуктивностию. Используются возбуждающая и принимающая катушки. Осуществляется компенсация изменения высоты крепежа и зазоров между промежуточными проводящими слоями в многослойной структуре. Во втором патенте вихретоковый преобразователь возбуждается пульсирующим током. Осуществляется фильтрация принимаемых сигналов. Индицируется присутствие
I βζ крепежа, воздушного зазора между слоями структуры. В результате фильтрации определяются параметры промежуточного слоя, толщина инспектируемой структуры. Количественные измерения параметров дефектов осуществляются путем сравнения величины сигнала с калибровочной кривой. Используется Фурье- преобразование сигналов для получения амплитудно-частотных характеристик.
170 Применяется частотная фильтрация.
В патенте US5206588 описано устройство и процесс неразрушающих измерений омического сопротивления тонкого слоя с использованием вихревых токов. Катушка индуктивности питается высокочастотным током, ее магнитное поле наводит в слое вихревые токи, которые ослабляют магнитное поле катушки. Катушка
175 является частью генерирующей цепи, которая всегда подддерживается в резонансе путем использования фазо-корректирующих схем. При этих резонансных условиях реактивными частями генерирующей цепи можно пренебречь и ток, протекающий в генерирующей цепи, зависит исключительно от омического сопротивления катушки индуктивности, изменение которого определяется омическим сопротивлением
Igø тестируемого слоя.Использование параллельного резонансного контура, подключенного к генератору гармонических колебаний, для измерения электрической проводимости сред описано также в патенте FR2782802A1.
В патенте US 5889401 предложен метод вихретокового контроля как минимум одного слоя, расположенного на подложке. Как минимум либо слой либо подложка
185 проводят электрический ток. В качестве источника первичного поля и измерителя параметров вторичного поля, образованного вихревыми токами, наведенными в проводящем слое или подложке, используется катушка индуктивности. Первичное магнитное поле генерируется как минимум на двух частотвх. Измеренные значения внесенного импеданса используются для определения электромагнитных свойств
.„„ подложки и слоя, а также толщины слоя. В патенте US5416411 описана система для измерения толщины ферромагнитного слоя, формируемого на основе проводящего
слоя. Вихретоковый датчик может быть расположен в прямом механическом контакте с ферромагнитным слоем или может быть расположен над его поверхностью с неизвестным зазором. ' Этот зазор может быть обусловлен
195 присутствием сверху неферромагнитного дополнительно непроводящего слоя или это может быть воздушный зазор над ферромагнитным слоем. Аналоговый детектор, подсоединенный к датчику, обеспечивает выходные сигналы, соответствующие модуляции магнитного поля датчика ферромагнитным и проводящим слоями.Эти сигналы используются для нахождения толщины ферромагнитного слоя и величины
2oo зазора.Функция соответствия калибруется путем измерений на нескольких тестовых объектах с известной толщиной ферромагнитного слоя и величиной зазора. Используется процедура интерполяции.
В патенте US5455910 описывается вихретоковый метод тестирования многослойных крупнозернистых сварных швов на отсутствие дефектов. Отмечается,
205 чт0 обнаружение трещин в сварном шве значительно усложняется из-за крупнозернистости материала в месте шва. В патенте US6524460 рассматривается метод определения характеристик металлических электродов керамических сенсоров, где металлические электроды напыляются как слои и подвергаются последующему отжигу. Целью изобретения, как описывается в тексте патента,
2ю является разработка простого, неразрушающего и экономичного метода, способного к автоматизации для процесса приемки сенсоров. В соответствии с предлагаемой процедурой тестирования количество и распределение напыленного золота, вследствии того, что оно располагается в защитном слое, определяется косвенно. Это делается путем измерения толщины слоя в процессе изготовления электрода и
2i5 соответствующих процедур сравнения с помощью вихретокового измерительного процесса. Для этого электрод помещается в магнитную цепь катушки, которая питается высокочастотным током и результирующий импеданс катушки измеряется с использованием LCR измерительной цепи. Отмечается, что катушка может быть включена в резонансную цепь с помощью конденсатора.
220 В ряде патентов рассматривается применение двух вихретоковых датчиков, работающих как правило на различных частотах для измерения свойств слоистых проводящих объектов, при этом используются различные процедуры коррекции измерительных сигналов.
В патенте US6002251 метод вихревых токов используется для инспеции
225 аномалий в проводящих пластинах. Возбуждающая и приемная катушки, расположенные на разных гранях пластины сначала пропускают электромагнитную энергию в прямом направлении - от возбуждающей к приемной катушке, а затем возбуждающая и приемная катушки меняются ролями и энергия электромагнитного поля пропускается в обратном направлении.Вследствии этого дефекты
230 обнаруживаются с приблизительно равной чувствительностью, независимо от глубины их расположения в пластине.Датчики генерируют периодическое магнитное поле. Возбуждающая катушка и вспомагательное устройство направляют электромагнитное поле в инспектируемую пластину. В одном варианте конструкции вспомагательное устройство представляет собой катушку, управляемую сигналом,
235 который имеет фазу и амплитуду, связанные с соответствующими параметрами сигнала возбуждающей катушки.Для фокусировки электромагнитной энергии используются также многослойные экраны.
В патенте US6479990 рассматривается вихретоковый измерительный преобразователь, содержащий измерительный и компенсационный датчики,
240 выполненные в виде цилиндрических катушек индуктивности, а также измерительную цепь и служит для определения свойств материала исследуемого объекта и его геометрических параметров. Метод работы измерительного преобразователя включает расположение объекта на заданном расстоянии от измерительного и компенсационного датчиков, измерение импеданса
245 измерительного датчика на первой и второй заданных частотах, определение свойств материала, а также геометрических параметров объекта, основываясь на измеренных значениях импеданса с использованием компенсации температурного влияния на измерительный датчик с помощью сигнала, формируемого компенсационным датчиком. Компенсационный датчик пространственно меньше, чем измерительный и
250 расположен внутри измерительного. Витки обоих датчиков соосны, геометрические формы идентичны. Компенсационный датчик располагается так, что влияние исследуемого объекта на него является минимальным. Температурная компенсация заключается в вычитании комплексного импеданса компенсационного датчика из комплексного импеданса измерительного датчика. Для определения свойств
255 материала, а также геометрических параметров объекта сначала объект располагается от измерительного датчика на расстоянии, превышающем диаметр
датчика, при этом определяется собственный импеданс измерительного датчика. Затем объект приближается к измерительному датчику и снова измеряется его импеданс. На основе полученных значений определяется внесенный импеданс
260 датчика, который и служит для определения электропроводности и геометрических размеров объекта с учетом используемой коррекции. В патенте DE10025580 предлагается вычисление разности между сигналами, полученными на контролируемом и эталонном объектах, определение соответствующей поправки, которую следует вводить в результаты измерений электрического параметра
265 контролируемого объекта. Указывается, что упомянутая поправка может вводится в вычисления, проводимые после измерений, а может реализовываться в форме настройки характеристик датчика.
В патенте GB2361065 описано устройство для регистрации дефектов в электропроводящих материалах посредством сканирования больших участков
270 материала.Устройство содержит несколько длинных узких проводящих ток элементов, которые располагаются в непосредственной близости к поверхности исследуемого материала, но не контактируют с ним. С использованием этих элементов сканируют материал, а электропроводность материала определяют по величине полного сопротивления переменному току, протекающему в элементе.
275 Наличие дефектов в материале приводит к локальному изменению электропроводности и, как следствие, к изменению полного сопротивления элемента, перемещающегося над дефектом. Элементы соединяются в симметричную мостовую схему. Такая мостовая схема не подвержена каким-либо влияниям вблизи исследуемого материала, кроме дефектов.
280 В патенте US5191286 предложен неразрушающий метод и комбинированный датчик для измерения толщины тонких слоев и покрытий. Используется магнито- индуктивный или, иначе, вихретоковый метод, дающий измеряемые величины, которые зависят не только от действительной толщины слоев, но также и от формы измеряемого объекта. Комбинированный датчик имеет как минимум две различные
285 катушки, при этом скорректированная толщина слоя рассчитывается на основании измерений двумя катушками. Катушки имеют различные средние диаметры, концентрически расположены, работают, в диапазоне высоких частот. Для вычисления толщины слоев используются компьютерные средства.
В патенте US5399968 описывается .комбинированный вихретоковый датчик
290 Д ля обнаружения трещин в многослойны^ структурах. Комбинированный датчик включает центральную возбуждающую катушку с сердечником и ряд чувствительных, принимающих катушек, локализованных в виде решетки. Центральная возбуждающая катушка питается переменным током первой частоты, наводя вихревые токи первоначально в верхней части слоистой структуры. Поле этих
295 вихревых токов принимается чувствительными катушками и анализируется для выявления структурных дефектов на верхней поверхности слоистой структуры. Затем центральная катушка возбуждается переменным током второй, более низкой частоты, наводя вихревые токи в более глубоких слоях структуры. Сигналы регистрируемые чувствительными катушками на различных частотах совместно
Зоо обрабатываются с целью выделения дефектов в различных слоях структуры.
В патенте US6545469 рассматривается метод инспекции многослойной структуры, которая включает верхний, нижний, и, как минимум, один промежуточный слой, расположенный между верхним и нижним слоями структуры. Используется возбуждение тестирующей вихретоковой катушки, размещенной
305 между верхним и промежуточным слоями. При этом поле этой катушки наводит вихревые токи в верхнем слое многослойной структуры. Отмечается, что в качестве верхнего может использоваться и промежуточный слой. Одновременно с тестирующей возбуждается опорная вихретоковая катушка, расположенная между верхним и промежуточным слоями. Сигналы тестирующей и опорной катушек
320 сравниваются для определения места расположения дефекта в верхнем слое. Предлагаемый метод предусматривает также возбуждение дополнительной тестирующей катушки, расположенной между промежуточным и нижним слоями, которая наводит вихревые токи в нижнем слое. Отмечается, что в качестве нижнего может использоваться и один из промежуточных слоев. Одновременно с
315 дополнительной тестирующей возбуждается и дополнительная опорная катушка, расположенная между теми же слоями, что и тестирующая. Сигналы дополнительной тестирующей и дополнительной опорной катушек сравниваются для определения места расположения дефекта в нижнем слое.
Анализ приведенных выше патентов показывает, что метод вихревых токов
320 достаточно широко используется для бесконтактного измерения электромагнитных свойств и толщины слоев в слоистых структурах, выявления дефектов в слоях.
И
Однако патентов посвященных бесконтактному измерению переходного сопротивления между металлической фольгой и тонким слабопроводящим композитным покрытием, электропроводность которого может изменяться в
325 зависимости от его плотности, изменения концентрации компонентов, гранулометрического состава, однородности массы композита после перемешивания компонентов, не обнаружено.
В соответствии с изобретением метод вихревых токов используется fоr сопtасtlеss еvаluаtiоп сопротивления между металлической лентой токоподвода и
Ззо слабопроводящим композитным покрытием в технологическом процессе изготовления химических источников тока.
Согласно изобретению комбинированный измерительный преобразователь, содержащий два вихретоковых датчика, объединенных в единую конструкцию, размещают над поверхностью покрытия, находящегося на металлической ленте
335 токоподвода, в области направляющего движение ленты вала так, что все точки рабочей поверхности преобразователя находятся на одинаковом расстоянии от поверхности ленты.
Первый вихретоковый датчик на своей рабочей поверхности содержит параллельные токовые линии с одинаковым направлением токов в линиях. Токовые
340 линии ориентированы вдоль направления движения ленты токоподвода. В качестве сигнала используют внесенное активное сопротивление датчика, нормированное к его собственому индуктивному сопротивлению. Выбор рабочей частоты первого датчика осуществляют в соответствии с минимумом частотной зависимости его относительного внесенного активного сопротивления.
345 Второй вихретоковый датчик на своей рабочей поверхности также содержит параллельные токовые линии, но с противоположным направлением токов в соседних линиях. Токовые линии ориентированы вдоль направления движения ленты токоподвода. В качестве сигнала второго датчика также используют внесенное активное сопротивление датчика, нормированное к его собственому индуктивному
350 сопротивлению. Выбор рабочей частоты второго вихретокового датчика осуществляют в послеэкстремальной области годографа внесенного лентой токоподвода без покрытия импеданса так, чтобы величина внесенного активного сопротивления составляла не более 10% от максимального значения.
С использованием значений составляющих внесенного импеданса второго
355 датчика, полученных при измерении на ленте токоподвода без покрытия и с покрытием, и последующих процедур аддитивной и мультипликативной коррекции выделяют величину относительного внесенного активного сопротивления второго датчика, обусловленную только вихревыми токами, протекающими в слое покрытия.
Осуществляют синхронизацию измерений первого и второго датчиков с
Збо учетом скорости равномерного движения ленты токоподвода с покрытием так, чтобы оба датчика осуществляли измерения на одном и том же участке покрытия.
Производят коррекцию величины-, относительного внесенного активного сопротивления первого датчика с использованием выделенных значений внесенного активного сопротивления второго датчика. Еvаluаtiоп величины контактного
365 сопротивления между лентой токоподвода и покрытием на различных участках в процессе движения ленты осуществляют с использованием скорректированных значений относительного внесенного активного сопротивления первого вихретокового датчика.
Измеряют частотную характеристику относительного внесенного активного
370 сопротивления первого датчика, располагая его над поверхностью ленты токоподвода без покрытия, расположенной на направляющем вале, на расстоянии, равном сумме величины установочного зазора и толщины покрытия. Установочный зазор — это расстояние установленное между внешней поверхностью покрытия и рабочей поверхностью вихретокового датчика. Позиционируют первый датчик над
375 поверхностью покрытия на ленте токоподвода, расположенной на направляющем вале, на расстоянии, равном величине установочного зазора, и снова измеряют частотную характеристику относительного внесенного активного сопротивления. Определяют частоту, соответствующую минимуму частотной характеристики относительного внесенного сопротивления при расположении первого датчика над
380 покрытием на ленте токоподвода, которую принимают в качестве рабочей частоты первого датчика. Запоминают относительное внесенное активное сопротивление первого датчика, полученное при его расположении над лентой без покрытия, соответствующее рабочей частоте, и используют его впоследствии как эталонное значение. В процессе измерений определяют разность относительного внесенного
„„- активного сопротивления первого датчика, расположенного над движущейся лентой
токоподвода с покрытием, и эталонного значения, которое является сигналом первого датчика..
Рабочую частоту второго вихретоковоrо датчика ограничивают сверху граничной частотой, которая в три раза меньше частоты собственного резонанса
390 датчика.
Позиционируют второй датчик над поверхностью ленты токоподвода без покрытия, расположенной на направляющем вале, на расстоянии, равном сумме величины установочного зазора и толщины покрытия и измеряют значение относительного внесенного активного сопротивления датчика на его рабочей
395 частоте. Затем снова позиционируют второй датчик над поверхностью ленты токоподвода без покрытия на расстоянии, равном толщине покрытия, и измеряют значение относительной внесенной индуктивности датчика на его рабочей частоте. После этого устанавливают второй датчик непосредственно на поверхности ленты токоподвода без покрытия, расположенной на направляющем вале, и измеряют
400 относительную внесенную индуктивность датчика на граничной частоте.
Определяют разность значений относительной внесенной индуктивности второго датчика, измеренных на ленте токоподвода с нулевым зазором на граничной частоте и с воздушным зазором, равным толщине покрытия, на рабочей частоте.Из значений относительного внесенного активного сопротивления второго датчика,
405 расположенного над движущейся лентой токоподвода с покрытием вычитают одноименное значение, измеренное на рабочей частоте при позиционировании второго датчика над поверхностью ленты без покрытия на расстоянии равном сумме величины установочного зазора и толщины покрытия, осуществляя аддитивную коррекцию. Аддитивно скорректированные значения сопротивления второго датчика
4χo делят на полученную разность относительных внесенных индуктивностей этого датчика, осуществляя мультипликативную коррекцию. Используя скорректированные значения и учитывая величину установочного зазора, получают значения относительного внесенного активного сопротивления второго датчика, обусловленные вихревыми токами, протекающими только в слое покрытия.
415 Перед началом рабочего цикла измерений осуществляют не менее 200 предварительных измерений вторым датчиком на ленте тоководвода с покрытием с целью определения начального среднего значения относительного, внесенного токами покрытия активного сопротивления, которое затем уточняется в процессе
рабочего цикла измерений. Сигнал первого вихретокового датчика корректируют 420 путем умножения его на коэффициент Y = R 011 IR^ , представляющий собой отношение внесенного токами покрытия активного сопротивления второго датчика к его текущему среднему значению.
Перед началом рабочего цикла измерений осуществляют не менее 400 предварительных измерений на ленте тоководвода с покрытием с целью определения
425 начального максимального значения сигнала первого датчика, скорректированного сигналом второго датчика, которое затем уточняется в процессе рабочего цикла измерений.
Оценка величины контактного сопротивления между лентой токоподвода и покрытием осуществляют по отношению скорректированных величин
430 максимального сигнала первого датчика к сигналу в данном месте контроля, которое прапорционально отношению контактного сопротивления в данном месте контроля к его усредненному минимальному значению. Задают технологический допуск, т.е. верхнюю границу диапазона, в пределах которого допустимо изменение относительной величины контактного сопротивления. Осуществляют контроль за
435 выходом относительной величины контактного сопротивления за пределы допуска и при этом производят отметки на поверхности покрытия различными цветами в соответствии со степенью превышения верхней граница допуска.
Устройство для бесконтактного определения сопротивления между лентой токоподвода и покрытием включает :
440 резонансные средства для измерения относительного внесенного активного сопротивления первого вихретокового датчика на его рабочей частоте; резонансные средства для измерения относительного внесенного активного сопротивления второго вихретокового датчика на его рабочей частоте; средства для измерения относительной внесенной индуктивности второго вихретокового датчика на рабочей и граничной частотах; средства трехканального аналогоцифрового преобразования сигналов; блок запоминания; средства синхронизации измерений первым и вторым датчиками; блок определения разности относительного внесенного активного сопротивления первого датчика и эталонного сигнала; блок определения разности значений относительной внесенной индуктивности второго датчика, измеренных на
450 ленте токоподвода с нулевым зазором на граничной частоте и с воздушным зазором,
равным толщине покрытия, на рабочей частоте; блок аддитивной коррекции относительного внесенного активного сопротивления второго вихретокового датчика; блок мультипликативной коррекции относительного внесенного активного сопротивления второго вихретокового датчика; блок текущего усреднения
455 скорректированных значений относительного внесенного активного сопротивления второго датчика; блок коррекции разности относительного внесенного активного сопротивления первого датчика и эталонного сигнала с использованием скорректированных значений сигнала второго датчика; блок текущего определения максимальной скорректированной разности для первого датчика; блок еvаluаtiоп и
460 регистрации контактного сопротивления между лентой токоподвода и покрытием в месте контроля; блок контроля выхода за границе допуска; цифроаналоговый преобразователь; блок отметки дефектных зон на поверхности покрытия.
Первый и второй вихретоковые датчики объединены в единую конструкцию и расположены в ней последовательно по отношению к движению ленты, а их общая
465 рабочая поверхность является частью поверхности цилиндра с прямоугольной разверткой и ограничена по ширине максимальной шириной одного из датчиков, а по длине - суммарной длиной датчиков с учетом расстояния между ними. Общая рабочая поверхность датчиков коаксиальна поверхности ленты токоподвода в области вала, направляющего движение ленты.
470 Каркас первого вихретокового датчика в сечении представляет собой прямоугольник, при этом рабочей является ближайшая к покрытию вогнутая поверхность каркаса с расположенными на ней с постоянным шагом параллельными однонаправленными токовыми линиями, а не рабочей - выпуклая поверхность каркаса на которой расположены параллельные токовые линии противоположного
475 направления. Обмотка второго вихретокового датчика сосредоточена на ближайшей к покрытию вогнутой поверхности каркаса и представляет собой совокупность параллельных токовых линий с противоположным направлением токов в соседних линиях и постоянным расстоянием между ними.
Расстояние между токовыми линиями первого датчика выбирается с учетом
480 необходимости обеспечения максимального постоянства векторного потенциала поля датчика в зоне контроля. Расстояние между токовыми линиями второго датчика выбирается с учетом необходимости обеспечения минимального влияния фольги токоподвода на величину его внесенного активного сопротивления. Отношение
длины токовых линий, расположенных на рабочих поверхностях первого и второго 485 датчиков к расстоянию между токовыми линиями составляет не менее 10.
Расстояние между концом первого датчика и началом второго составляет не менее двойной ширины сечения каркаса первого вихретокового датчика.
В случае двустороннего покрытия ленты токоподвода используется пара
490 идентичных комбинированных измерительных преобразователей, каждый из которых расположен в окрестности своего направляющего вала, но над различной стороной покрытия ленты. При этом каждый из пары преобразователей расположен на одном и том же расстоянии от боковой кромки ленты токоподвода.
Несколько комбинированных измерительных преобразователей расположены
495 нa Д поверхностью покрытия на ленте токоподвода и закреплены на одной образующей, ориентированной перпендикулярно боковой кромке ленты токоподвода, при этом расстояние между преобразователями одинаково. В случае двустороннего покрытия используется несколько пар измерительных преобразователей, причем преобразователи, расположенные над одной стороной
500 покрытия, и преобразователи, расположенные над противоположной стороной, закреплены на отдельных образующих, ориентированных перпендикулярно боковой кромке ленты. Наименьшее расстояние между боковой гранью комбинированного измерительного преобразователя и боковой кромкой покрытия на ленте токоподвода составляет не менее высоты первого вихретокового датчика, а растояние между
505 ближайшими друг к другу боковыми гранями соседних комбинированных преобразователей составляет не менее двойной высоты первого датчика.
Блок отметки дефектных зон в пределах которых относительная величина контактного сопротивления между токоподводом и покрытием выходит за пределы установленного допуска, производит отметки для каждого комбинированного 510 измерительного преобразователя отдельно различными цветами в соответствии со степенью превышения величиной контактного сопротивления верхней границы допуска.
Суть изобретения поясняется рисунками, где представлены: Фиг.l. Накладной конденсатор с двумя компланарными пластинами, _.g расположенными над лентой токоподвода с покрытием : 1- пластины накладного конденсатора, 2 - покрытие, 3- изолирующая окисная пленка на поверхности ленты (фольги) токоподвода, 4 - лента (фольга) токоподвода.
Фиг.2. Эквивалентная схема накладного конденсатора, расположенного над покрытием на ленте токоподвода: C g - емкость воздушного зазора между
520 соответствующей пластиной конденсатора и внешней поверхностью покрытия, R m , C 1n - сопротивление и емкость покрытия в направлении, перпендикулярном поверхности, C d - емкость диэлектрической пленки Al 2 O 3 на поверхности алюминиевой фольги.
§ 25 Фиг.З. Схема расположения вихретоковых датчиков относительно ленты токоподвода с покрытием (рисунок справа является укрупненным вариантом левого рисунка): 1- вал, направляющий движение ленты токоподвода, 2 - лента (фольга) токоподвода, 3 - первый вихретоковый датчик, 4 - второй вихретоковый датчик, 5 - общий каркас крепления датчиков, 6 - композитное покрытие на ленте токоподвода;
530 T f - толщина фольги, T c - толщина покрытия, d 0 - величина установочного зазора датчиков относительно внешней поверхности покрытия, Io - расстояние между датчиками на их общем каркасе, V 0 - скорость движения ленты токоподвода.
Фиг.4. Схема расположения ' комбинированных измерительных преобразователей в случае двустороннего покрытия ленты (фольги) токоподвода : 1-
535 первый комбинированный преобразователь, содержащий два вихретоковых датчика, 2- второй комбинированный преобразователь, содержащий два вихретоковых датчика ; T f - толщина фольги, T 0 - толщина покрытия, d 0 - величина установочного зазора датчиков относительно внешней поверхности покрытия, V 0 - скорость движения ленты токоподвода.
540 Фиг.5. Расположение первого вихретокового датчика относительно ленты токоподвода с покрытием (рисунок сверху представляет собой вид в направлении движения ленты токоподвода с покрытием, рисунок снизу представляет собой вид в направлении, перпендикулярном движению ленты токоподвода с покрытием) : 1- лента (фольга) токоподвода, 2 - покрытие, 3 - поверхность вала, направляющего
545 движение ленты токоподвода, 4 - линии тока на рабочей поверхности каркаса датчика, 5 - линии тока на противоположной поверхности каркаса датчика, 6 — вихревые токи в фольге с покрытием, 7 - линии напряженности магнитного поля датчика ; T f - толщина фольги, T c - толщина покрытия, d 0 - величина установочного зазора датчиков относительно внешней поверхности покрытия, D - ширина каркаса
550 датчика.
Фиг.б. Частотные характеристики относительного внесенного активного сопротивления первого вихретокового датчика, расположенного над слоем покрытия из углерода, нанесенного на непротравленную алюминиевую фольгу токоподвода : 1 — непротравленная (гладкая) алюминиевая фольга толщиной T f = 25 мкм без
555 покрытия, 2 — непротравленная алюминиевая фольга с нанесенным на нею слоем углерода толщиной T c = 23 мкм без подпрессовки, 3 - непротравленная алюминиевая фольга с нанесенным на нею слоем углерода толщиной T c = 23 мкм, подпрессованным усилием 3 тонны.
Фиг.7. Частотные характеристики относительного внесенного активного
56 Q сопротивления первого вихретокового датчика, расположенного над слоем покрытия из углерода, нанесенного на протравленную алюминиевую фольгу токоподвода : 1 - протравленная химическим путем алюминиевая фольга толщиной T f = 11 мкм (после травления) без покрытия, 2 - протравленная алюминиевая фольга с нанесенным на нею слоем углерода толщиной T c = 23 мкм без подпрессовки, 3 - протравленная
565 алюминиевая фольга с нанесенным на нею слоем углерода толщиной T 0 = 23 мкм, подпрессованным усилием 3 тонны.
Фиг.8. Частотные характеристики относительного внесенного активного сопротивления первого вихретокового датчика, расположенного над слоем композиционного покрытия (слой шпинели LiMn 2 O 4 с подслоем углерода),
570 нанесенного на протравленную алюминиевую фольгу токоподвода : 1 - протравленная алюминиевая фольга с нанесенным на нее композиционным покрытием, состоящим из слоя шпинели толщиной T c i=120 мкм и подслоя углерода толщиной T c2 = 25 мкм без подпрессовки, 2 - протравленная алюминиевая фольга с нанесенным на нее композиционным покрытием, состоящим из слоя шпинели
575 толщиной T cl =120 мкм и подслоя углерода толщиной T c2 = 25 мкм, который подпрессован усилием 3 тонны.
Фиг.9. Частотные характеристики относительного внесенного активного сопротивления первого вихретокового датчика, расположенного над протравленнной алюминиевой фольгой и слоем композитного покрытия, нанесенного на
580 протравленную алюминиевую фольгу токоподвода : 1 - протравленная химическим путем алюминиевая фольга толщиной Tf = 11 мкм без покрытия, 2 - протравленная алюминиевая фольга с нанесенным на нею слоем композитного покрытия (MnO 2 с добавками углерода и сажи) толщиной T 0 = 100 мкм.
Фиг.10. Расположение второго вихретокового датчика относительно ленты
585 токоподвода с покрытием (рисунок справа представляет собой вид в направлении движения ленты токоподвода с покрытием, рисунок слева представляет собой вид на рабочую поверхность датчика) : 1- лента (фольга) токоподвода, 2 - покрытие, 3 - поверхность вала, направляющего движение ленты токоподвода, 4 - линии тока на
590 рабочей поверхности каркаса датчика, 5 - каркас датчика, 6 - полоса вихревых токов в покрытии, 7- полоса вихревых токов в фольге ; T f - толщина фольги, T 0 - толщина покрытия, dо - величина установочного зазора датчиков относительно внешней поверхности покрытия, а - расстояние между токовыми линиями на рабочей поверхности датчика.
595 Фиг.l l. Изменение нормированной величины векторного потенциала магнитного поля первого вихретокового датчика, состоящего из двух токовых линий, расположенных на расстоянии 1 mm друг от друга, в направлении, перпендикулярном этим линиям по оси х на высоте z=0.4 mm над плоскостью двупроводной линии: токовые линии расположены в точках Xi=I mm, x 2 =2 mm,
600 Ao=μol/2π, где μo=4π- 10 "7 Н/m, I - величина тока в токовой линии.
Фиг.12. Изменение нормированной величины векторного потенциала магнитного поля первого вихретокового датчика, состоящего из двух токовых линий, расположенных на расстоянии 1,6 mm друг от друга, в направлении, перпендикулярном этим линиям по оси х на высоте z=0.4 mm над плоскостью
605 двупроводной линии: токовые линии расположены в точках X 1 = 1,6 mm, x 2 = 3,2 mm, A 0 =μ 0 I/2π, где μ o =4π- 10~ 7 Н/m, I - величина тока в токовой линии.
Фиг.13. Изменение нормированной величины векторного потенциала магнитного поля второго вихретокового датчика, состоящего из двух токовых линий, в направлении, перпендикулярном этим линиям по оси х на высоте z=0.3 mm над
610 плоскостью двупроводной линии: кривая 1 соответствует токовым линиям, расположенным на расстоянии 1 mm друг от друга в точках Xi=I mm, x 2 =2 mm; кривая 2 соответствует токовым линиям, расположенным на расстоянии 1,6 mm друг от друга в точках X 1 = 1,6 mm, x 2 =3,2 mm, A 0 =μol/2π, где μ o =4π-Ю "7 Н/m, I - величина тока в токовой линии.
615 Фиг.14. Годографы внесенного импеданса второго вихретокового датчика, расположенного над алюминиевой фольгой (кривая 1) и над покрытием, нанесенным
на алюминиевую фольгу (кривая 2), а также годограф короткой цилиндрической катушки индуктивности (кривая 3) : алюминиевая фольга толщиной T f =25 mkm, композитное покрытие на основе MnO 2 толщиной Tc=IOO mkm. g20 Фиг.15. Функциональная схема системы для бесконтактного определения методом вихревых токов сопротивления между лентой токоподвода и покрытием при изготовлении химических источников тока и суперконденсаторов: 1 - вал, направляющий движение ленты токоподвода, 2 - лента токоподвода с покрытием, 3 -
525 первый вихретоковый датчик, 4 - второй вихретоковый датчик..
Комбинированный измерительный преобразователь содержит два накладных параметрических вихретоковых датчика, объединенных в единую конструкцию и расположенных в ней последовательно по отношению к движению ленты. Комбинированный измерительный преобразователь размещен над поверхностью
530 покрытия, находящегося на металлической ленте (фольге) токоподвода в области направляющего движение ленты кругового цилиндрического вала. Рабочая поверхность преобразователя, представляющая собой общую рабочую поверхность первого и второго вихретоковых датчиков, имеет цилиндрический характер с прямоугольной разверткой. По ширине, в направлении, перпендикулярном
535 движению ленты, эта поверхность ограничена максимальной шириной одного из датчиков. По длине, в направлении движения ленты, эта поверхность ограничена суммарной длиной датчиков с учетом расстояния между ними. Все точки рабочей поверхности комбинированного измерительного преобразователя находятся на одинаковом расстоянии от поверхности ленты. Таким образом, рабочая поверхность
540 преобразователя коаксиальна поверхности ленты в области направляющего вала. Схема взаимного расположения вихретоковых датчиков и ленты токоподвода с покрытием показана на Фиг.З.
В случае двустороннего покрытий ленты токоподвода используются два комбинированных измерительных преобразователя. Один из них располагается в
645 окрестности первого вала, направляющего движение ленты, как показано на Фиг.З. Другой располагается в окрестности второго вала с тем же установочным зазором d 0 , но относительно поверхности покрытия, находящегося на другой стороне ленты токоподвода, как показано на Фиг.4.
Каркас первого вихретокового датчика комбинированного измерительного
,_„ преобразователя в сечении представляет собой прямоугольник. Рабочей является
ближайшая к покрытию вогнутая поверхность каркаса, как показано на Фиг.З, с расположенными на ней с постоянным шагом параллельными токовыми линиями. Направление токов в линиях одинаково. Не рабочей является противоположная выпуклая поверхность каркаса с расположенными на ней параллельными токовыми
655 линиями противоположного направления. Датчик ориентирован таким образом, что направление токовых линий совпадает с направлением движения ленты токоподвода.
В качестве информационного сигнала первого вихретокового датчика, фиксируемого в процессе движения ленты токоподвода с покрытием, используется внесенное активное сопротивление, нормированное к его собственному
660 индуктивному сопротивлению, R ad /ωLo. На Фиг.5 показано в сечении взаимное расположение первого вихретокового датчика и ленты (фольги) токоподвода с покрытием, а также направление протекания вихревых токов в фольге токоподвода с покрытием. Как следует из Фиг.5, траектории вихревых токов, индуцированных полем первого дачика в образце, пересекают границу раздела фольги с покрытием.
665 При этом вихревой ток последовательно протекает через область фольги, границе раздела и область покрытия. Электрическая проводимость металлической фольги является величиной стабильной. Поэтому величина вихревого тока и конфигурация каждой его траектории будет зависеть от контактного сопротивления между фольгой и покрытием и от удельной электрической проводимости покрытия.
670 Поверхность алюминиевой фольги, расположенной в воздушной среде, покрыта тонкой пленкой окиси аллюминия (Al 2 O 3 ). В процессе нанесения покрытия на движущуюся фольгу на соаtiпg машине эта пленка в значительной степени разрушается. Однако, как показывают проведенные исследования, разрушение пленки при нанесении покрытия происходит не полностью. Кроме того, при тонких
675 покрытиях с невысокой плотностью и высокой пористостью может происходить диффузия молекул кислорода из воздуха через покрытие к поверхности фольги, а также диффузия кислорода из внутренних пор покрытия.
Контактное сопротивление алюминиевой фольги с покрытием на контролируемом участке обратно прапорционально площади омического контакта
680 между фольгой и покрытием, т.е. обратно прапорционально площади контролируемого участка, где отсутствует изолирующая окисная пленка. Таким образом, чем больше площадь участка, на котором изолирующая пленка разрушена, тем меньше величина контактного сопротивления между фольгой и покрытием и
наоборот. В химических источниках тока, суперконденсаторах алюминиевая фольга
685 выполняет роль токоподвода, т.е предназначена для того, чтобы передать ток композитному покрытию и принять ток от него. Поэтому величина контактного сопротивления играет в этих элементах очень важную роль, в значительной степени определяющую скорость заряда/разряда элемента.
Если в некоторой области контакта фольги и покрытия присутствует
690 изолирующая окисная пленка, то вихревой ток, протекающий в этой области, не пересекает границу раздела фольги и покрытия. При этом образуются две отдельные замкнутые траектории вихревого тока, одна из них располагается в слое фольги, а другая - в слое покрытия. Аналогичная картина возникает при вихретоковой дефектоскопии поверхностных трещин в проводящих материалах в случае
695 использования накладного вихретокового датчика в виде, например, короткой цилиндрической катушки индуктивности. В этом случае вихревой ток, текущий в материале по круговой траектрии, соосной с возбуждающей цилиндрической катушкой [2], разбивается длинной глубокой поверхностной трещиной на две замкнутые траектории, расположенные по обе стороны от трещины.
700 В этиx ситуациях: при отсутствии изолирующей окисной пленки, когда образуется общая траектория вихревого тока, последовательно протекающего через слой фольги, границу раздела, слой покрытия и возвращающегося в фольгу, и при наличии изолирующей пленки, когда вихревые токи замыкаются отдельно в слое фольги и отдельно в слое покрытия не пересекая границу раздела, величина
705 импеданса вихретокового датчика будет различной. Поэтому, фиксируя составляющие внесенного импеданса вихретокового датчика, можно определить наличие изолирующей окисной пленки в области контроля. Силовые линии вихревого магнитного поля датчика, проникая в образец, как показано на Фиг.5, индуцируют вокруг себя множество замкнутых траекторий вихрового тока. Так как
710 магнитное поле, задаваемое параллельными линиями тока, расположенными на одинаковых расстояниях друг от друга и образующими рабочую поверхность вихретокового датчика, имеет регулярный характер, плотность вихревого тока в пределах рабочего участка контроля на границе раздела фольги и покрытия постоянна. Таким образом появляется возможность определить наличие или
71 - отсутствие изолирующей окисной пленки практически во всех точках поверхности раздела фольги и покрытия. А от величины площади омического контакта в пределах
участка контроля зависит общее на участке контроля контактное сопротивление между фольгой и покрытием.
Как показали проведенные экспериментальные исследования с покрытиями из
720 углерода, а также с композитными покрытиями, состоящими из слоя углерода и слоя шпинели (LiMn 2 O 4 ), с композитными покрытиями на основе MnO 2 , величина внесенного реактивного сопротивления первого вихретокового датчика, нормированного к его собственному индуктивному сопротивлению изменялась ненамного, в пределах 10%. Значительно больший диапазон изменения наблюдался
725 Д ля относительного внесенного активного сопротивления датчика. Поэтому величина этого параметра датчика и фиксировалась в качестве информационного сигнала.
Измерение частотных характеристик относительного внесенного активного сопротивления первого вихретокового датчика, расположенного над алюминиевой фольгой с различной толщиной без покрытия показало, что эти характеристики
730 имеют минимум. Эти характеристики показаны на Фиг.б и Фиг.7 (Зависимость на Фиг.б, обозначенная номером 1, снята для алюминиевой фольги с гладкой поверхностью, имеющей толщину T 0 =25 мкм, зависимость на Фиг.7, также обозначенная номером 1, снята для протравленной в щелочи алюминиевой фольги и, соответственно этому, с шероховатой поверхностью, имеющей толщину T 0 = 11 мкм).
735 Помимо общего экстремального характера этих кривых следует отметить, что для гладкой непротравленной фольги, имеющей более значительную толщину, величина относительного внесенного активного сопротивления R ac j/ωLo в среднем более чем в два раза ниже, чем для протравленной , фольги с шероховатой поверхностью, имеющей меньшую толщину. Отмеченные факты объясняются следующим образом.
740 Снижение внесенного активного сопротивления R ad /ωL 0 с увеличением частоты в доэкстремальной области связано с уменьшением сечения трубки вихревого тока при его вытеснении к поверхности фольги за счет скин - эффекта [2]. При этом величина вихревого тока уменьшается, соответственно этому снижается мощность омических (джоулевых) потерь, прапорциональная произведению квадрата
'45 величины тока на активное сопротивление материала (I 2 R). Вследствии этого снижается внесенное активное сопротивление R ad /ωLo первого вихретокового датчика.
Учитывая то, что катушка индуктивности, являющаяся вихретоковым датчиком, питается от частотнонезависимого генератора тока, напряженность
75ø магнитного поля датчика Но сохраняется постоянной в рабочем частотном диапазоне. Относительная величина внесенного реактивного сопротивления или внесенной индуктивности, которая характеризует напряженность результирующего контура вихревого тока в фольге H e , при переходе от непротравленной к протравленной фольге изменялась ненамного, в пределах 10%. Следовательно, напряженность
755 суммарного магнитного поля H s , определяемая на основании закона электромагнитной индукции встречно действующими первичным полем катушки H 0 и полем вихревых токов H e как H s = H 0 - H e , также достаточно стабильна. При этом в такой же степени стабильна и напряженность электрического поля E r= возбуждающего вихревой ток в фольге и определяемая H r Это свидетельствует о
760 том, что изменение мощности джоулевых потерь обусловливается изменением сопротивления исследуемого образца и частоты зондирующего поля.
Уменьшение величины R ad /ωLo при увеличении частоты, наблюдаемое в доэкстремальной области частотных характеристик образцов алюминиевой фольги могло бы продолжаться практически до нуля при значительном увеличении частоты.
765 Подобный эффект наблюдается, например, в волноводах сантиметрового диапазона с полированной медной или посеребренной поверхностью или в резонаторах, где электромагнитная волна практически не проникает в металл и затухание приближается к нулю.
В нашем случае снижению R ad /ωL 0 с частотой препятствует другой механизм.
770 При вытеснении вихревого тока в приповерхностные слои фольги преобладающий характер приобретает рост активного сопротивления с частотой. Во - первых это происходит за счет уменьшения сечения трубки вихревого тока, а во-вторых за счет значительно более высокого значения поверхностного сопротивления фольги по сравнению с объемным из-за наличия микрорельефа поверхности. При этом
' / Ό МОЩНОСТЬ джоулевых потерь возрастает и внесенное активное сопротивление R ad /ωL 0 с ростом частоты увеличивается. Аналогичный эффект наблюдается при снижении собственной добротности воздушных катушек индуктивности метрового диапазона длин волн при увеличении частоты.
Значительное увеличение шероховатости поверхности фольги, достигнутое
780 путем ее травления в щелочи, и снижение толщины фольги с 25 до 11 мкм существенно увеличили внесенное активное сопротивление датчика. Для протравленной фольги с шероховатой поверхностью, имеющей меньшую толщину (To=I l мкм), величина относительного внесенного активного сопротивления R ad /ωL 0
785 в среднем более чем в два раза выше, чем для гладкой непротравленной фольги, имеющей более значительную толщину (T 0 =25 мкм) (смотри частотные характеристики для кривых с номером 1 на Фиг.б и Фиг.7).
Аналогичный кривым с номером 1 вид на Фиг.б и Фиг.7 имеют кривые, соответствующие фольге с покрытием в виде слоя подпрессованного и
790 неподпрессованного углерода, а также с более сложными композитными покрытиями, частотные характеристики для которых приведены на Фиг.8 и Фиг.9.
Выбор рабочей частоты первого вихретокового датчика осуществляют в точке, соответствующей минимуму частотной зависимости его относительного внесенного активного сопротивления R a( j/ωLo, при расположении датчика с
795 установочным зазором d 0 относительно поверхности покрытия как показано на Фиг.З. Как следует из частотных характеристик, приведенных на Фиг.б- Фиг.9 на этой частоте еще не сильно сказывается • влияние поверхностного сопротивления фольги, изменяющегося под воздействием шероховатости поверхности, в то же время частота достаточно высока для вытеснения поля в приповерхностные слои
800 алюминиевой фольги и различие между кривыми в точке минимума близко к максимальному.
Процедура проведения измерений с использованием первого вихретокового датчика имеет следующий вид.
Вначале, перед процессом измерений размещают первый датчик над
805 поверхностью ленты токоподвода без покрытия, расположенной на направляющем вале, на расстоянии, равном сумме величины установочного зазора и толщины покрытия d o +T c (Фиг.З) и измеряют частотную характеристику относительного внесенного активного сопротивления датчика R ad /ωLo. Затем позиционируют первый датчик над поверхностью покрытия на ленте токоподвода, расположенной на
8Ю направляющем вале, на расстоянии, равном величине установочного зазора d 0 , и снова измеряют частотную характеристику относительного внесенного активного
сопротивления датчика R a( j/ωLo. Определяют частоту, соответствующую минимуму частотной характеристики R ad /ωLo при расположении датчика над покрытием на ленте токоподвода, которую принимают в качестве рабочей частоты первого датчика.
815 Запоминают величину R ad /ωL 0 датчика, полученного при его расположении над лентой без покрытия, соответствующее рабочей частоте, и используют его впоследствии как эталонное значение. В процессе измерений определяют разность относительного внесенного активного сопротивления R ad /ωL 0 первого датчика, расположенного над движущейся лентой токоподвода с покрытием и эталонного
820 значения.
Обмотка второго вихретокового датчика представляет собой совокупность параллельных токовых линий с противоположным направлением тока в соседних линиях и постоянным расстоянием между ними (Фиг.10). Обмотка сосредоточена на ближайшей к покрытию вогнутой поверхности каркаса. Справа на Фиг.10 показано
825 расположение вихретокового датчика относительно ленты токоподвода с покрытием ( этот рисунок представляет собой вид в направлении движения ленты).
Таким образом в качестве источника первичного магнитного поля выступает полоса параллельных токовых линий с противоположным направлением тока в соседних линиях. На Фиг.10 эти токовые линии обозначены цифрой 4, расстояние
830 между ними равно а. Крестиком для каждой токовой линии показано направление тока "в плоскость чертежа", а точкой - "из плоскости чертежа". Расположенные рядом две токовые линии можно представить как элементарную двупроводную линию, а магнитное поле всего датчика можно рассчитать как совокупность полей этих элементарных двупроводных линий.
835 Вихревые токи, наведенные полем двупроводной линии в проводящей среде, внешняя плоская граница которой параллельна плоскости токовых линий, образуют замкнутые контуры в плоскостях, параллельных плоскости токовых линий, создающих первичное зондирующее поле. При этом контур с максимальной плотностью вихревого тока располагается непосредственно у поверхности раздела (внешней поверхности) проводящей среды в области максимальной напряженности электрического поля. Далее по глубине плотность вихревого тока уменьшается по экспоненте, в показателе которой содержится произведение удельной электропроводности среды на частоту магнитного поля. Эта ситуация подобна
случаю возбуждения вихревых токов в проводящей среде с помощью короткой
845 цилиндрической катушки индуктивности, рабочий торец которой (основание цилиндра) параллелен плоской границе среды. В этом случае вихревые токи образуют соосные с катушкой круговые контура, плоскости которых параллельны рабочему торцу цилиндрической катушки [2,3]. Контур с максимальной плотностью вихревого тока располагается у плоскости .раздела проводящей среды и воздушного
85ø пространства, в котором расположена катушка.
На Фиг.10 номером 6 обозначены линии вихревого тока максимальной плотности, наведенные первичным полем второго вихретокового датчика в слое покрытия. Направление вихревого тока в каждой из этих линий противоположно направлению тока в соответствующей токовой линии датчика. Номером 7 на этой же
855 фигуре обозначены линии вихревого тока, наведенные первичным полем вихретокового датчика в металлической фольге токоподвода. Как и для вихревого тока в покрытии, направление вихревого тока в каждой из этих линий противоположно направлению тока в соответствующей токовой линии датчика.
Вследствии высокой удельной электрической проводимости металла фольги и
860 высокой частоты зондирующего магнитного поля (рабочий диапазон частот лежит в области метровых длин волн) магнитное поле вихревых токов, протекающих в слое фольги имеет существенную величину. Соответственно этому существенную величину имеет и внесенная в вихретоковый датчик с отрицательным знаком индуктивность. Вследствии стабильных геометрических параметров фольги и ее
865 электропроводности величина этой внесенной индуктивности также стабильна. Недостаточно стабильной, вследствии изменения плотности, гранулометрического состава, концентрации составляющих компонентов, собственной электропроводности зерен этих компонентов является электропроводность материала покрытия. Как показывают измерения она на несколько порядков и более, в
870 зависимости от типа покрытия, меньше удельной электропроводности фольги. Величина внесенной индуктивности, формируемая полем вихревых токов, протекающих в слое покрытия, вследствие сравнительно малой удельной электропроводности материала покрытия незначительна. Поэтому в качестве информационного параметра второго вихретокового датчика, характеризующего
„_- удельную электрическую проводимость материала покрытия используется внесенное
активное сопротивление, нормированное к собственному индуктивному сопротивлению датчика.
Формирование поля для элементарных двупроводных ячеек первого и второго вихретоковых датчиков рассмотрено в примерах 1 и 2 соответственно. ggg Задачей второго вихретокового датчика является формирование сигнала, прапорционального удельной электрической проводимости материала покрытия. В связи с малой толщиной покрытия и небольшой величиной его удельной электропроводности для получения ощутимого вклада покрытия в общую величину внесенного активного сопротивления датчика, которая формируется вихревыми
385 токами, протекающими как в покрытии так и в металлической фольге, необходимо значительно повышать частоту питающего датчик тока. Вихретоковый датчик имеет частоту собственного резонанса, которая определяется его собственной индуктивностью и паразитной емкостью между линейными проводниками датчика. Чтобы собственный резонанс датчика не влиял на процесс измерений, рабочую
890 частоту второго вихретокового датчика ограничивают сверху граничной частотой, которая в три раза меньше частоты собственного резонанса датчика.
При увеличении частоты питающего вихретоковый датчик тока внесенное активное сопротивление сначала увеличивается, достигает максимума, а затем уменьшается. Внесенное реактивное сопротивление при увеличении частоты
895 возрастает монотонно. Это обычно отображается в виде годографа на комплексной плоскости внесенных сопротивлений [2,3]. Для уменьшения влияния фольги на сигнал второго вихретокового датчика его рабочую частоту выбирают в послеэкстремальной области годографа внесенного лентой токоподвода без покрытия импеданса так, чтобы величина внесенного активного сопротивления
900 составляла не более 10% от максимального значения годографа.
Величина относительного внесенного во второй вихретоковый датчик активного сопротивления, при его расположении над покрытием, нанесенным на фольгу токоподвода (Фиг.10) зависит от ряда факторов.
Во-первых, первичное поле датчика ослабляется полем вихревых токов,
905 наведенных в металлической фольге (вторичное поле). Напряженность вторичного поля зависит от удельной электрической проводимости σ f и толщины T f металлической фольги, частоты и расстояния до источника первичного поля. Напряженность вторичного поля можно охарактеризовать величиной внесенной в
датчик индуктивности, нормированной к его собственной индуктивности. При этом
910 если датчик установить непосредственно на поверхность фольги и увеличить частоту питающего датчик тока до граничной частоты, напряженность вторичного поля будет наибольшей, максимально приближенной к первичному полю датчика. Соответственно максимальной будет и величина относительной внесенной в датчик индуктивности. Тогда величину разностного поля датчика, которое является рабочим
915 для слоя покрытия, можно определить по разности двух значений относительной внесенной индуктивности датчика. Первое значение является максимальным, его получают при установке датчика на поверхность фольги токоподвода без покрытия, расположенной на направляющем вале, при этом частоту датчика задают равной его граничной частоте. Второе значение получают при позиционировании датчика над
920 поверхностью фольги также без покрытия, расположенной на направляющем вале, при этом расстояние от рабочей поверхности датчика до поверхности фольги устанавливают равным толщине покрытия T 0 , а частоту датчика задают равной его рабочей частоте. Полученная разность зависит только от удельной электрической проводимости материала фольги σ f , толщины фольги T f , рабочей и граничной частот
925 и практически не зависит от электропроводности слабопроводящего покрытия.
Во-вторых, общая величина внесенного во второй вихретоковый датчик активного сопротивления, которое является сигналом, зависит не только от сопротивления, внесенного вихревыми токами покрытия, но и от сопротивления, внесенного вихревыми токами, протекающими в фольге токоподвода. По своей
930 физической природе внесенное активное сопротивление определяется мощностью джоулевых потерь за счет протекания в проводящей среде вихревого тока. Вихревые токи, протекающие в слое покрытия и в фольге независимы, величина их плотности согласно закону Ома определяется удельной электрической проводимостью среды протекания и напряженностью действующего поля. Поэтому общее внесенное в
9 ^35 датчик активное сопротивление можно представить в виде суммы внесенных активных сопротивлений. Первое из них обусловлено вихревыми токами, протекающими в покрытии. Его величина, нормированная к собственному индуктивному сопротивлению датчика, зависит от удельной электропроводности материала покрытия σ c , значения рабочей частоты со, толщины покрытия T 0 и 940 величины установочного зазора d 0 . Второе обусловлено вихревыми токами,
протекающими в фольге τокоподвода. Его относительная величина зависит от удельной электропроводности материала фольги σf, значения рабочей частоты ω, толщины фольги T f и величины установочного зазора d 0 .
Описанный процесс взаимодействия вихревого магнитного поля второго 945 датчика с тестируемым объектом можно описать следующим уравнением:
где A = — , R ad - внесенное в датчик активное
сопротивление, L ad — внесенная в датчик индуктивность, Lo — собственная индуктивность вихретокового датчика, со - рабочая частота поля датчика, ω max - граничная частота поля датчика, ø f - удельная электрическая проводимость материала фольги, σ c -удельная электрическая проводимость материала покрытия, Tf - толщина фольги, T 0 -толщина слоя покрытия, k - постоянный коэффициент, определяемый экспериментально при изменении установочного зазора, d 0 - величина g__ установочного зазора между рабочей поверхностью датчика и поверхностью покрытия, а -расстояние между токовыми линиями второго датчика.
Результаты измерений вторым вихретоковым датчиком, проведенные с использованием композиционных покрытий, нанесенных на алюминиевую фольгу, приведены в примере 3. о ™ Из суммарного измеряемого значения относительного внесенного активного сопротивления второго вихретокового датчика, расположенного над движущейся ленкой токоподвода с покрытием вычитают значение относительного внесенного активного сопротивления, измеренного на' рабочей частоте при позиционировании второго датчика над поверхностью ленты без покрытия, расположенной на o^_ направляющем вале, на расстоянии равном сумме величины установочного зазора и толщины покрытия, осуществляя аддитивную коррекцию.
Аддитивно скорректированное значение относительного внесенного активного сопротивления второго датчика, расположенного над движущейся лентой токоподвода с покрытием, делят на полученную ранее разность относительных
970 внесенных индуктивностей, осуществляя мультипликативную коррекцию.
После процедур аддитивной и мультипликативной коррекции мы получили величину относительного внесенного активного сопротивления второго датчика, обусловленного вихревыми токами, протекающими в слое покрытия. Именно эту величину мы используем для коррекции сигнала первого вихретокового датчика,
975 осуществляющего определение величины сопротивления между лентой тоководвода и слоем покрытия. При этом осуществляют синхронизацию измерений первым и вторым датчиками с учетом скорости равномерного движения ленты токоподвода с покрытием так, что оба датчика осуществляют измерения на одном и том же участке покрытия.
980 При отсутствии изолирующей окисной пленки и воздушных микрозазоров на данном участке поверхности раздела фольги и покрытия замкнутый контур вихревого тока пересекает поверхность раздела. При этом вихревой ток последовательно протекает в слое металлической фольги и слое покрытия. Учитывая, что удельная электрическая проводимость материала покрытия на несколько
985 порядков ниже удельной проводимости металла фольги, общее сопротивление вихревому току вдоль его траектории будет в основном определяться сопротивлением на участке покрытия.
Как следует из классической теории вихревых токов для слабопроводящих материалов, в начальной части доэкстремальной области годографа внесенного
990 импеданса вихретокового датчика [3] величина внесенного активного сопротивления линейно зависит от удельной электропроводности материала. Поэтому при увеличении проводимости покрытия величина активного сопротивления первого датчика будет возрастать, а при уменьшении проводимости - уменьшаться. Это вносит погрешность в оценку величины сопротивления между фольгой токоподвода
995 и покрытием.
Выделенный с помощью процедур аддитивной и мультипликативной коррекции сигнал второго датчика представляет собой его относительное внесенное активное сопротивление, обусловленное вихревыми токами, протекающими только в покрытии. Как следует из теории вихревых токов этот сигнал прапорционален 1000 электропроводности слабопроводящего покрытия σ c . При этом процедура коррекции сигнала первого вихретокового датчика осуществляется путем умножения его относительного внесенного активного сопротивления на коэффициент γ = R ad / Rffl ,
представляющий собой отношение внесенного активного сопротивления второго датчика к его текущему среднему значению.
1 Q 05 Перед началом рабочего цикла измерений осуществляют не менее 200 предварительных измерений вторым датчиком на ленте тоководвода с покрытием с целью определения начального среднего значения относительного внесенного активного сопротивления, которое затем непрерывно уточняется в процессе рабочего цикла измерений. lølø Оценка величины контактного сопротивления между лентой токоподвода и покрытием осуществляется с помощью первого датчика по величине разности скорректированного значения его относительного внесенного активного сопротивления и эталонного значения, полученного при измерении на ленте токоподвода без покрытия.
Iøl5 Разобьем площадь участка, находящегося в рабочей зоне первого датчика в данном его положении, на конечное число N элементарных участков. Будем считать, что границу раздела фольги и покрытия в пределах одного элементарного участка пересекает один элементарный контур вихревого тока. Величина тока в контуре будет сравнительно невелика, так как она в основном определяется
1020 сопротивлением току на участке слабопроводящего покрытия. Соответственно невелика и мощность джоулевых потерь.
Если граница раздела на элементарном участке является изолирующей за счет окисной пленки аллюминия или воздушного микрозазора, то образуются два элементарных контура вихревого тока. Первый замыкается в фольге, а второй - в
1025 cлoe пoк pытия. При этом мощность джоулевых потерь на этом участке равна сумме потерь в обоих контурах. Удельное сопротивление металла фольги значительно ниже удельного сопротивления материала покрытия, поэтому суммарная мощность потерь в этом случае существенно выше за счет потерь вихревых токов в фольге. Вихревые токи в фольге и в покрытии, протекающие в
1030 непосредственной близости к границе раздела, имеют различные направления и ослабляют друг друга взаимодействием своих магнитных полей. За счет существенно более высокой проводимости металлической фольги ее вихревой ток значительно ослабляет вихревой ток покрытия, сам практически не ощущая влияния тока покрытия.
1035 Общая сумма джоулевых потерь в рабочей зоне первого вихретокового датчика равна сумме потерь на ее элементарных участках. Максимальная разность скорректированного значения относительного внесенного активного сопротивления первого датчика и его эталонного значения Δ=Δ max соответствует крайнему случаю, когда на всех N элементарных участках нет изолирующей
1040 пленки или воздушного микрозазора, т.е. когда вся граница обеспечивает омический контакт между фольгой и покрытием. Предварительное максимальное значение этой разности находят следующим образом. Перед началом рабочего цикла измерений осуществляют не менее 400 предварительных измерений на ленте тоководвода с покрытием с целью определения начального минимального
1045 значения относительного внесенного активного сопротивления первого датчика, скорректированное сигналом второго датчика, которое затем непрерывно уточняется в процессе рабочего цикла измерений.
Нулевая разность скорректированного значения относительного внесенного активного сопротивления первого датчика и его эталонного значения Δ=0
1050 соответствует другому крайнему случаю, когда на всех N элементарных участках нет омического контакта между фольгой и покрытием.
Таким образом, максимальная разность Δ max соответствует минимальному значению контактного сопротивления R m j n . Тогда отношение η контактного сопротивления на данном участке R c0n к минимальному значению R m i П равно отношению максимальной разности Δ max к разности, определенной на данном участке тестирования:
Задавая технологический допуск, т.е. верхнюю границу диапазона, в пределах которого допустимо изменение относительной величины контактного 1060 сопротивления η = R C on/Rmin, мы осуществляем контроль за выходом величины η за пределы допуска по величине Δ max /Δ con .
Функциональная схема вихретоковой системы fоr сопtасtlеss еvаluаtiоп сопротивления между лентой токоподвода и покрытием в непрерывном
технологическом процессе изготовления химических источников тока и
1065 суперконденсаторов показана на Фиг.15.
К первому вихретоковому датчику, включенному в резонансный контур, подключена схема для измерения относительного внесенного активного сопротивления датчика на его рабочей частоте. Аналогичная схема подключена ко второму вихретоковому датчику. Схема измерения внесенной индуктивности
Ю70 второго датчика является двухканальной, она осуществляет измерение внесенной индуктивности на рабочей частоте второго датчика и на его граничной частоте. Выходные сигналы этих схем в аналоговой "форме поступают на вход трехканального аналогоцифрового преобразователя. Устройство синхронизации, подключенное к схемам измерения внесенного сопротивления первого и второго датчиков, а также к
Ю75 блоку отметки дефектных зон, синхронизирует отсчеты первого и второго датчиков, с учетом скорости равномерного движения ленты токоподвода, таким образом, что эти датчики производят измерения в одной и той же зоне покрытия. После аналогоцифрового преобразования данные поступают в блок специализированного вычислителя, который может быть реализован аппаратно либо программно. Этот
1080 ^лок c °Д e P жит P Я Д функциональных элементов.
Блок запоминания значений относительных внесенных активных сопротивлений первого и второго датчиков, измеренных на их рабочих частотах, а также значения относительной внесенной индуктивности второго датчика, измеренной на граничной частоте. Значения, хранящиеся в данном блоке измеряются
Ю85 вначале, на участке ленты токоподвода без покрытия, перед началом рабочего цикла измерений. Они используютя в дальнейшем в процедурах коррекции.
Значения, хранящиеся в блоке запоминания, используются блоком определения разности внесенных индуктивностей второго датчика, блоком аддитивной коррекции внесенного активного сопротивления второго датчика,
1090 блоком определения разности первого датчика. Блок мультипликативной коррекции фактически выполняет операцию деления. ' Выходные сигналы этого блока и блока текущего усреднения поступают в блок коррекции разности относительного внесенного активного сопротивления первого датчика и эталонного значения.
Блок коррекции разности осуществляет умножение текущего значения
Ю95 разности на коэффициент χ = R ad /R^ v) , представляющий собой отношение
внесенного активного сопротивления второго датчика после мультипликативной коррекции к его текущему среднему значению. Выходные сигналы блока текущего определения максимальной скорректированной разности для первого датчика и значение разности, полученное в данном месте контроля, поступают на блок
1100 регистрации сигнала. В этом блоке определяется и регистрируется отношение η контактного сопротивления на данном участке R 00n к минимальному значению R m i Ш которое равно отношению максимальной разности Δ max к разности, определенной на данном участке тестирования Δ con , согласно (2).
Задавая технологический допуск, т.е. верхнюю границу диапазона, в пределах
1105 которого допустимо изменение относительной величины контактного сопротивления η-Rcon /Rmm, мы вводим это значение в блок контроля выхода за границу допуска. В этом блоке осуществляется сравнение относительного контактного сопротивления η с границей допуска. В случае выхода величины η за границу допуска, код, соответствующий степени превышения границы, поступает на цифроаналоговый
Ш" преобразователь. Нами используется три градации превышения величиной относительного контактного сопротивления соответствующей границы : слабое превышение, среднее превышение, значительное превышение. Слабое превышение соответствует превышению величиной η, отсчитываемой от уровня границы, в пределах до 10%, среднее превышение - от 10 до 30%, значительное превышение - выше 30%. Блок отметки дефектных зон Производит соответствующие отметки на поверхности покрытия в месте выхода относительного контактного сопротивления за пределы допуска в соответствии со степенью превышения границы различными цветами.
Первый и второй датчики объединены в единую конструкцию и расположены в ней последовательно по отношению к движению ленты. Общая рабочая поверхность датчиков является частью поверхности цилиндра с прямоугольной разверткой и ограничена по ширине максимальной шириной одного из датчиков, а по длине - суммарной длиной датчиков с учетом расстояния между ними. Общая рабочая поверхность датчиков коаксиальна поверхности ленты токоподвода в
1125 области вала, направляющего движение ленты.
Каркас первого вихретокового датчика в сечении представляет собой прямоугольник, при этом рабочей является ближайшая к покрытию вогнутая
поверхность каркаса с расположенными на ней с постоянным шагом параллельными однонаправленными токовыми линиями, -а не рабочей - выпуклая поверхность
ИЗО каркаса с расположенными на ней параллельными токовыми линиями противоположного направления. Расстояние между токовыми линиями первого датчика выбирается с учетом необходимости обеспечения максимального постоянства векторного потенциала поля датчика в зоне контроля. Обмотка второго вихретокового датчика сосредоточена на ближайшей к покрытию вогнутой
1135 поверхности своего каркаса. Расстояние между токовыми линиями второго датчика выбирается с учетом необходимости обеспечения минимального влияния фольги токоподвода на величину его внесенного активного сопротивления. Отношение длины токовых линий, расположенных на рабочих поверхностях первого и второго датчиков к расстоянию между токовыми линиями составляет не менее 10. Расстояние
1140 мeж ДУ концом первого датчика и началом второго составляет не менее двойной ширины сечения каркаса первого вихретокового датчика;
В случае двустороннего покрытия ленты токоподвода используется пара идентичных комбинированных измерительных преобразователя, каждый из которых расположен в окрестности своего направляющего вала, но над различной стороной j j 45 покрытия ленты. Каждый из пары преобразователей расположен на одном и том же расстоянии от боковой кромки ленты токоподвода.
Несколько комбинированных измерительных преобразователей расположено над поверхностью покрытия на ленте токоподвода. Они закреплены на одной образующей, ориентированной перпендикулярно боковой кромке ленты
1150 токоподвода, при этом расстояние между преобразователями одинаково. В случае двустороннего покрытия используется несколько пар измерительных преобразователей, причем преобразователи, расположенные над одной стороной покрытия и преобразователи, расположенные над противоположной стороной, закреплены на отдельных образующих, ориентированных перпендикулярно боковой
1155 кромке ленты. Наименьшее расстояние между боковой гранью комбинированного измерительного преобразователя и боковой кромкой покрытия на ленте токоподвода составляет не менее высоты первого вихретокового датчика, а растояние между ближайшими друг к другу боковыми гранями соседних комбинированных преобразователей составляет не менее двойной высоты первого датчика.
jj g Q Блок отметки дефектных зон, в пределах которых относительная величина контактного сопротивления между токоподводом и покрытием выходит за пределы установленного допуска, производит отметки для каждого комбинированного измерительного преобразователя отдельно различными цветами в соответствии со степенью превышения величиной контактного сопротивления верхней границы 1165 Допуска.
Приведенные ниже примеры иллюстрируют суть изобретения. ПРИМЕР 1.
В этом примере проведен расчет векторного потенциала вихревого магнитного поля элементарной двупроводной ячейки первого вихретокового 1170 Датчика.
Из классической теории электромагнитного поля известно, что векторный потенциал бесконечно длинной в направлении координатной оси у токовой линии описывается выражением :
A1 =IbL )* , (з)
1175 где μo=4π-Ю "7 Н/m - магнитная постоянная (магнитная проницаемость вакуума), I - величина тока в линии, п - расстояние от элемента dу до точки наблюдения M.
Проведем плоскость, перпендикулярную токовой линии, которая содержит точку наблюдения M. Тогда величину rj можно выразить как :
1180 r, =V7Trf . (4)
Здесь у - длина отрезка токовой линии от точки ее пересечения с плоскостью до элемента dy ; P 1 - длина отрезка, лежащего в плоскости и равного расстоянию от точки пересечения плоскости с токовой линией до точки наблюдения M. Учитывая, что
1185 получим, что векторный потенциал бесконечной токовой линии в направлении, перпендикулярном этой линии равен
Л (6)
где P 1 - длина отрезка от токовой линии до точки наблюдения M. Расположим в плоскости, перпендикулярной токовой линии, оси х и z 1190 декартовой системы координат, содержащей точку наблюдения M. Пусть координаты токовой линии в этой плоскости равны Xi = 1 mm, Z 1 = 0. Значения векторного потенциала A 1 , нормированные к Ao=μ o l/4π, рассчитанные в соответствии с (6) представлены в таблице 1.
Таблица 1
В таблице 1 Xo и Z 0 являются координатами точки наблюдения M(Xo, Z 0 ). Как
1195 следует из таблицы 1 значения векторного потенциала по оси х симметричны относительно точки X 1 = 1 mm, в которой расположена токовая линия. На расстоянии Zo = 0.5 mm над токовой линией векторный потенциал составляет 30 % от значения, которое он имел на расстоянии Z 0 = 0.1 mm.
Рассмотрим элементарную двупроводную ячейку первого датчика, которая 1200 представляет собой две параллельные однонаправленные токовые линии. Будем считать как и ранее, что токи текут в направлении оси у. Векторный потенциал поля такой ячейки представляет собой сумму векторных потенциалов вида (3). Тогда
(7)
где рi и p 2 расстояния соответственно от первой и второй токовых линий до
1205 точки наблюдения M. На Фиг.11 показано изменение нормированной величины векторного потенциала магнитного поля элементарной двупроводной ячейки первого вихретокового датчика, токовые линии которого расположены на расстоянии 1 mm друг от друга в точках X 1 =I mm, x 2 =2 mm, Ao=μ o l/4π. Изменение векторного потенциала показано на высоте z = 0.4 mm над плоскостью токовых линий. Эта
1210 высота выбиралась из следующих соображений : высота установочного зазора (Фиг.5) d o = 0.2 mm, толщина покрытия T c = 0.2 mm.
На Фиг.12 показана аналогичная кривая для токовых линий, расположенных в точках X 1 =I 5 O mm, x 2 =3,2 mm, т.е. когда расстояние между однонаправленными токовыми линиями составляет 1.6 mm.
1215 Сравнивая кривые, представленные на Фиг.11 и Фиг.12 необходимо отметить следующее. Во-первых, при сближении токовых линий величина векторного потенциала в рабочей зоне между токовыми линиями увеличивается. Соответствеенно этому будет увеличиваться и плотность наведенного в среде вихревого тока, которая на основании закона Ома прапорциональна величине
1220 векторного потенциала. Во - вторых, и это особенно важно, на Фиг.l 1 в рабочей зоне между токовыми линиями, расположенными в точках X 1 =I mm, x 2 =2 mm, изменение векторного потенциала незначительно. Следовательно и плотность вихревого тока, зондирующего контакт между фольгой токоподвода и покрытием в рабочей зоне элементарной двупроводной ячейки первого датчика, также будет постоянной. Этого
1225 нельзя сказать о ячейке с токовыми линиями, расположенными на расстоянии 3.2 mm друг от друга. Здесь величина векторного потенциала в рабочей зоне элементарной ячейки изменяется практически в два раза и использовать такой вихретоковый датчик для тестирования нецелесообразно.
В общем случае, когда первый вихретоковый датчик содержит на своей
1230 раб ^очей - поверхности N тvт параллельных однонаправленных токовых линии, величина его векторного потенциала вычисляется по формуле :
27Г ы Pk где рk - расстояние от соответствующей токовой линии до точки наблюдения
M.
1235 Пример 2.
Рассмотрим элементарную двупроводную ячейку второго датчика, которая представляет собой две параллельные токовые линии, с противоположным направлением токов в линиях. Будем считать, что токи текут в положительном и отрицательном направлениях оси у. Векторный потенциал поля такой ячейки 1240 представляет собой сумму векторных потенциалов вида (3), взятых с противоположными знаками. При этом
Л = ^ ( _2i П A + 21np 2 ) = ^ln(^) , (9)
где рi и p 2 как и ранее расстояния соответственно от первой и второй токовых линий до точки наблюдения M. На Фиг.13 показано изменение нормированной
1245 величины векторного потенциала магнитного поля элементарной двупроводной ячейки второго вихретокового датчика, токовые линии которого расположены на расстоянии 1 mm друг от друга в точках X 1 =I mm, x 2 =2 mm (кривая 1), и на расстоянии 1.6 mm друг от друга в точках mm, x 2 =3.2 mm (кривая 2). Изменение векторного потенциала показано на высоте z = 0.3 mm над плоскостью
1250 токовых линий. Эта высота выбиралась из тех же соображений, что и приведенные выше : высота установочного зазора (Фиг.10) d o = 0.2 mm, толщина покрытия T c = 0.2 mm.
Сравнивая кривые 1 и 2 на Фиг.13 необходимо отметить их две особенности. Во-первых, расстояние между точками максимума и минимума векторного
1255 потенциала для первой кривой составляет 1 mm, а для второй кривой - 1.6 mm. Таким образом в первом случае зондирующие линии вихревого тока с максимальной плотностью в слое покрытия расположены чаще, чем во втором случае. Это означает, что избирательность тестирования в первом случае выше, чем во втором. Во - вторых, максимальное по абсолютное величине значение векторного потенциала для
1260 первой кривой в 1.36 раза меньше, чем для второй. Понятно, что при дальнейшем сближении токовых линий эта тенденция будет усиливаться.
В таблице 2 приведены максимальные значения векторного потенциала, нормированные к максимальному значению при z=0.1 mm в зависимости от высоты z над поверхностью двупроводной линии.
Таблица 2
1265 В таблице 2 величина а равна расстоянию между токовыми линиями. Как следует из таблицы 2 для токовых линий, расположенных на расстоянии a=l mm друг от друга величина векторного потенциала убывает быстрее, чем для токовых линий, расположенных на расстоянии a=1.6 mm. Эта закономерность для второго вихретокового датчика важна тем, что при меньшей относительной величине
1270 векторного потенциала поля, попадающего в слой фольги, меньше плотность вихревого тока в фольге и, сответственно, меньше относительное влияние, которая оказывает фольга на внесенные сопротивления второго вихретокового датчика по сравнением со слоем покрытия.
В общем случае, когда второй вихретоковый датчик содержит на своей
1275 рабочей поверхности N параллельных токовых линий, величина его векторного потенциала вычисляется по формуле :
A = _ - /"o 7 ln Рг - PA - P 6 - -: PN (10) где рi (i=l...N) - расстояние от соответствующей токовой линии до точки наблюдения M. 1280 Пример 3.
В данном примере рассмотрены результаты измерений вторым вихретоковым датчиком, проведенные с использованием композиционного покрытия, нанесенного на алюминиевую фольгу. Для сравнения приведены также результаты измерения датчиками других конструкций.
1285
Исследованию подвергались .датчики различных конструкций, обеспечивающие возбуждение вихревых токов, текущих в плоскостях, параллельных поверхности ленты токоподвода. В качестве покрытия использовался композитный
материал следующего состава : MnO 2 - 85%, углерод - 5%, сажа - 5%, связующее - 5%.
1290 В качестве первой конструкции вихретокового датчика исследовалась спиральная катушка индуктивности, все витки которой лежат в одной плоскости. Максимальное количество витков W= 16 при этом внешний диаметр катушки D max = 35 гат, а внутренний диаметр D mm =5 тт Катушка наматывалась медным проводом диаметром θo=O.8 mm. Далее витки катушки отматывались с ее внешней
1295 стороны, при этом внутренний диаметр катушки D mm оставался постоянным.
Методика измерений является общей для всех сравниваемых конструкций вихретоковых датчиков. Сначала рабочий торец датчика располагается на расстоянии 100 mkm (установочный зазор do=ЮO mkm) от поверхности покрытия на алюминиевой фольге, толщина покрытия T 0 =IOO mkm, толщина фольги Tf=25
1300 mkm. При этом измерялись - относительное внесенное активное сопротивление датчика [R a d/ωL 0 ]c и относительная внесенная индуктивность [L a d/L 0 ]c. Затем рабочий торец датчика располагается на расстоянии d=do+T c =2OO mkm от поверхности фольги без покрытия и фиксируются значения [R ad /ωLo] f и [L ad /Lo] f . Информационным параметром, как уже указывалось выше, явяляется величина
1305 R ad /ωLo. Определялась разность относительных внесенных активных сопротивлений Δ r = [R a d/ωL 0 ]c - [R a d/ωL 0 ]f, а затем отношение
Г - R " 2 m 1 / η г R 3 а 1 d 1
L .. r Jc L , Ij r R =- (H)
T R ad ->
на соответствующей частоте. Полученные данные для плоской спиральной 1310 катушки приведены в таблице 3.
Таблица 3
В таблице 4 приведены соответствующие данные для короткой цилиндрической катушки диаметром D=IS mm, катушка наматывалась медным проводом диаметром G 0 =O.8 mm.
Таблица 4
В таблице 5 приведены соответствующие данные для плоской катушки в виде 1315 шести линейных проводников длиной b=27 mm (Фиг.10), с расстоянием между осями проводников a=3 mm, диаметр проводников θо =0.8 mm. Направление токов в соседних линейных проводниках противоположное.
Таблица 5
В таблице 6 приведены соответствующие данные для плоской катушки в виде 24 линейных проводников длиной b=35 mm (Фиг.10), с расстоянием между осями проводников a=0.9 mm, диаметр проводников θо =0.8 mm. Направление токов в
1320 соседних линейных проводниках противоположное.
Таблица 6
Сравнивая данные, приведенные в таблицах 3 - 6, следует отметить, что наибольшая чувствительность Y R К электропроводности покрытия наблюдается у датчиков полосового типа (таблицы 5 и 6). Однако в таблице 6 больше абсолютные
1325 значения разности Δ r . Это означает, что измеряемые сопротивления больше по величине, т.е. использование датчика последней конструкции является более предпочтительным .
На Фиг.14 приведены годографы внесенного импеданса второго вихретокового датчика, расположенного над алюминиевой фольгой (кривая 1) и над
1330 покрытием, нанесенным на алюминиевую фольгу (кривая 2), а таюке годограф короткой цилиндрической катушки индуктивности (кривая 3) : алюминиевая фольга толщиной T f =25 mkm, композитное покрытие на основе MnO 2 толщиной Tc=IOO mkm. Датчик представляет собой плоскую катушки в виде 24 линейных проводников длиной b=35 mm (Фиг.10), с расстоянием между осями проводников a=0.9 mm,
1335 диаметр проводников θ 0 =0.8 mm. Направление токов в соседних линейных проводниках противоположное. Цифрами около точек отмечены частоты вихревого магнитного поля датчика. Из сопоставления точек, соответствующих одинаковым частотам на кривых 1 и 2 видно, что внесенная индуктивность практически не изменяется, т.е. слабопроводящее покрытие практически не влияет на напряженность
1340 пoля датчика. Здесь же на Фиг.14 для сравнения показана линия годографа для короткой цилиндрической катушки диаметром D=I 5 mm, W=3.5, намотанной медным проводом диаметром O 0 =O.8 mm. Пример 4.
В данном примере рассмотрены. , результаты измерений вихретоковым
1345 ,. „ , датчиком первого типа, проведенные на образцах исходной фольги, протравленной
химическим способом фольги, а также фольги первого и второго типа с нанесенным на нее слоем углерода. При этом в одном случае слой углерода наносился без подпрессовки, а во втором случае — с последующей подпрессовкой. Травление фольги осуществлялось в растворе щелочи. Слой углерода готовился на
1350 основе связующего - PVDF.
Каркас вихретокового датчика, использовавшегося для измерений, в сечении представляет собой прямоугольник 25x10 mm, длина каркаса - 35 mm. На рабочей поверхности каркаса располагалось шесть параллельных прямолинейных проводников из меди кругового сечения с одинаковой длиной 1 = 35 mm,
2355 расстояние между осями проводников a=3.5 mm, собственный диаметр проводника - θo=l mm.
Результаты измерений представлены на Фиг.б и Фиг.7. В частности на Фиг.6 показаны частотные характеристики относительного внесенного активного сопротивления датчика, расположенного над • слоем покрытия из углерода,
1360 нанесенного на непротравленную алюминиевую фольгу токоподвода : 1 - непротравленная (гладкая) алюминиевая фольга толщиной T f = 25 мкм без покрытия, 2 - непротравленная алюминиевая фольга с нанесенным на нею слоем углерода толщиной T c = 23 мкм без подпрессовки, 3 - непротравленная алюминиевая фольга с нанесенным на нею слоем углерода толщиной T c = 23 мкм,
1365 подпрессованным усилием 3 тонны.
Из Фиг.б видно, что образцы со слоями углерода дают более высокие значения R ad /ωLo, чем гладкая, непротравленная фольга. Это можно объяснить следующим образом. Вихревые токи в фольге и в покрытии образуют собственные замкнутые траектории. Общий замкнутый контур вихревого тока, пересекающий
1370 границу раздела фольги и покрытия, не образуется, что, по-видимому, связано с наличием изолирующей пленки окиси аллюминия на поверхности фольги. При этом джоулевы потери за счет протекания вихревого тока в углеродном слое добавляются к потерям в фольге, увеличивая внесенное активное сопротивление Rаd/ωLо. Интересным моментом здесь является то, что прессованный слой
XD I Ό углерода, обладающий большей проводимостью за счет большей плотности углерода, дает значения R ad /ωL 0 меньшие, чем непрессованный слой. Этот эффект
по-видимому связан с тем, что подпрессовка слоя углерода в некоторой степени нарушает целосность окисной пленки и вихревые токи проникают в слой углерода.
На Фиг.7 показаны частотные характеристики относительного внесенного
1380 активного сопротивления датчика, расположенного над слоем покрытия из углерода, нанесенного на протравленную алюминиевую фольгу токоподвода: 1 - протравленная химическим путем алюминиевая фольга толщиной T f = 11 мкм (после травления) без покрытия, 2 - протравленная алюминиевая фольга с нанесенным на нею слоем углерода толщиной T 0 = 23 мкм без подпрессовки, 3 -
1385 протравленная алюминиевая фольга с нанесенным на нею слоем углерода толщиной T c = 23 мкм, подпрессованным усилием 3 тонны.
Как видно из Фиг.7, когда слой графита располагается на протравленной алюминиевой фольге, наблюдается принципиально иная ситуация по сравнению с Фиг.б. Здесь кривые для неподпрессованного слоя графита (кривая 2), и для
1390 подпрессованного слоя графита (кривая 3) расположены под частотной характеристикой для протравленной алюминиевой фольги, в области меньших значений внесенного активного сопротивления. Это свидетельствует об образовании множества контуров вихревого тока, пересекающих границу раздела фольги и углеродного слоя. При этом^ ток последовательно протекает в слое
1395 аллюминия и слое графита. Особенно хорошо это видно из сопоставления характеристик
N°l и N°3, соответствующих протравленной фольге и подпрессованному графиту на этой фольге. Уменьшение внесенного активного сопротивления при переходе от кривой 1 к кривой 3 связано с уменьшением величины вихревого тока
14 QQ за счет того, что в общую траекторию тока включается участок с более высоким сопротивлением (углерод). При этом мощность активных (джоулевых) потерь, определяемая произведением квадрата величины вихревого тока на сопротивление материала по траектории протекания тока (I 2 R) уменьшается за счет снижения квадрата тока. Неподпрессованный слой углерода (кривая 2) по-видимому имеет
1405 меньшую площадь контакта с протравленной поверхностью алюминиевой фольги, характеризующейся повышенной шероховатостью, имеется ряд участков, где омический контакт отсутствует. Соответственно этому часть общего вихревого тока в фольге замыкается в ней и не переходит границу раздела.
Пример 5.
14Ю В данном примере рассмотрены результаты измерений вихретоковым датчиком первого типа, проведенные на образцах протравленной алюминиевой фольги с нанесенным на нее композитным покрытием. Параметры датчика приведены в примере 4.
На Фиг.8 приведены частотные характеристики относительного внесенного
1415 активного сопротивления первого вихретокового датчика, расположенного над слоем композиционного покрытия (слой шпинели LiMn 2 O 4 с подслоем углерода), нанесенного на протравленную алюминиевую фольгу токоподвода: 1 - протравленная алюминиевая фольга с. нанесенным на нее композиционным покрытием, состоящим из слоя шпинели толщиной T cl =120 мкм и подслоя
1420 углерода толщиной T c2 = 25 мкм без подпрессовки, 2 - то же, только подслой углерода толщиной T 02 = 25 мкм подпрессован усилием 3 тонны.
Сопоставление характеристик N° 1 и Na2 на Фиг.8 показывает, что и в этом случае попрессовка слоя углерода на протравленной фольге, характеризующейся повышенной шероховатостью, обеспечивает большую площадь омического
1425 контакта с токоподводом.
Похожие результаты получены в работе [4]. Здесь отмечается, что уменьшение контактного сопротивления между аллюминиевым токовым коллектором и материалом композитного покрытия является ключевой проблемой для увеличения скорости заряда/разряда 'источника тока. Пассивационная пленка,
1430 формирующаяся на поверхности алюминиевого токового коллектора является изолирующей и ток, текущий через пассивационную пленку, концентрируется в точках дефекта пленки. Поэтому для увеличения скорости заряда/разряда источника тока, как отмечается в [4], необходимо увеличивать количество точечных дефектов в пассивационной пленке, а также количество точек контакта
1435 через эти дефекты, что в значительной степени обеспечивается введением подслоя углерода на поверхности токового коллектора. Приведены экспериментальные данные подтверджающие это. Пример 6 В данном примере рассмотрены результаты измерений вихретоковым
1440 Д aтчикoм первого типа, проведенные на образцах исходной и протравленной
алюминиевой фольги с нанесенным на нее композитным покрытием. Параметры датчика приведены в примере 4.
На Фиr.9 приведены частотные характеристики относительного внесенного активного сопротивления первого вихретокового датчика, расположенного над
1445 протравленной алюминиевой фольгой и слоем композитного покрытия, нанесенного на протравленную алюминиевую фольгу токоподвода: 1 - протравленная химическим путем алюминиевая фольга толщиной T f = 11 мкм без покрытия, 2 - протравленная алюминиевая фольга с нанесенным на нею слоем композитного покрытия толщиной T 0 = 100 мкм. Композитное покрытие состоит
J450 из материала с ионной проводимостью MnO 2 , добавок углерода и сажи.
Удельная электрическая проводимость материала композитного покрытия значительно ниже проводимости углерода, поэтому при нанесении покрытия на непротравленную алюминиевую фольгу величины относительного внесенного активного сопротивления датчика R a d/coLo, измеренные в частотном диапазоне,
1455 практически не отличались от аналогичных значений, полученных для непротравленной фольги без покрытия. Картина изменилась при нанесении покрытия на протравленную фольгу со значительной шероховатостью поверхности. Это иллюстрируется Фиг.9. Здесь частотная характеристика JN°2, характеризующая фольгу с покрытием, расположилась значительно ниже
1460 частотной характеристики N°l для фольги без покрытия. Это иллюстрирует наличие омического контакта на значительной площади токоподвода и композитного покрытия.
Источники информации
1. Патенты США: JЧ° 4268791 МПК GOlV 33/12, пyбл.l981г.
JY° 4383218 МПК GOlN 27/90, публ.1983г.
JSs 5191286 МПК GOlR 33/12, публ. 1993г.
JVs 5206588 МПК GOlB 7/10, пyбл.l993г.
142 5399968 МПК GOlN 27/90, публ.1995г.
Ко 5416411 МПК GOlB 7/10, пyбл.l995г.
JYe 5466910 МПК B23K 9/95, публ. 1995г.
JYa 5889401 МПК GOlN 27/72, публ.1999г. N° 6002251 МПК GOlN 27/80, публ.1999г. N° 6037768 МПК GOlR 33/12, пyбл.2000г. JVe 6479990 МПК GOlN 27/72, публ.2002г. No 6524450 МПК GOlB 7/06, публ. 2003г. NP. 6545469 МПК GOlN 27/90, пyбл.2003г. No 6593738 МПК GOlB 7/10, пyбл.2003г.
2. Патент Германии Jvfe Ю025580 МПК GOlN 27/00, публ. 2001г.
3. Патент Франции Ne 2782802 МПК GOlN 27/06, публ. 2000г. 4. Патент Великобритании Ne 2361065 МПК GOlN 27/20, публ. 2001г. Научно-техническая литература:
1. М.S. Sаfizаdеh, Z. Liu, В.А. Lерiпе, D.S. Fоrsуth "Мultifrеquепсу Еddу Сurrепt fоr thе Сhаrасtеrizаtiоп оf Соrrоsiоп iп Мultilауеr Stшсturеs", Маtеriаls Еvаlиаtiоп, Vol.62 / Num.5, 2004, pp.535-539-.
2. Donald J. Наgеmаiеr. Fuпdаmепtаls оf Еddу Сurrепt Теstiпg. ASNT, 2004, 82 р.
3. Nопdеstшсtivе Теstiпg, Напdbооk, Тhird Еditiоп. VoI. 5, Еlесtrоmаgпеtiс Теstiпg. Тесh. Еditоr Sаtish S. Udра, Еditоr Раtгiсk О. Мооrе. ASNT 5 2004, 524 р.
4. К.Тасhibапа, Т.Suzuki, С.Каппо, T.Eпdo,T.Ogata, Z.Наshimоtо, Т.Shimizu, S.Коhаrа, Т.Nishiпа "Аrсhitесturеs оf Роsitivе Еlесtrоdеs fоr Rарid Сhаrgiпg/Disсhаrgiпg Реrfоrmапсеs оf Lithium Iоп Sесопdаrу Ваttеriеs.