CC BY
4
УДК 621.315.61:621.3.011.4
МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОЕМКОСТНОГО КОНТРОЛЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ
РАЗМЕРОВ ДИЭЛЕКТРИКОВ
В. А. Скрипниченко Научный руководитель - Г. В. Вавилова
Национальный исследовательский Томский политехнический университет Российская Федерация, 634050, г. Томск, пр. Ленина, 30 * E-mail [email protected]
Работа направлена на контроль толщины диэлектрической пленкой, применяемой для защиты от коррозии металла деталей корпусов самолетов и космических аппаратов. Контроль реализуется электроемкостным методом. В работе представлена модель электроемкостного преобразователя для учета влияющих факторов и погрешностей измерение геометрических размеров диэлектриков (диэлектрических покрытий).
Ключевые слова: моделирование, диэлектрик, емкость, геометрические размеры, Comsol Multiphysics.
MODELING ON ELECTROCAPACITIVE CONTROL OF DIELECTRICS
GEOMETRIC DIMENSIONS
V. A. Skripnichenko Scientific supervisor - G. V. Vavilova
National Research Tomsk Polytechnic University 30, Lenin Avenue, Tomsk, Russia, 634050, Russian Federation *E-mail [email protected]
The paper is aimed at controlling the thickness of a dielectric film used to protect metal parts of aircraft and spacecraft hulls from corrosion. Control is realized by electrocapacitive method. The paper presents an electrocapacitive transducer model to take into account the influencing factors and errors in measuring the dielectrics geometric dimensions (dielectric coatings).
Ключевые слова: modeling, dielectric, capacitance, geometric dimensions, Comsol Multiphysics.
Введение.
В самолетостроении для защиты от коррозии детали покрывают диэлектрической пленкой, толщина которой должна быть постоянной по всей поверхности. Поэтому необходимо осуществлять контроль толщины этой пленки. Наиболее подходящим методом контроля толщины диэлектрических материалов (особенно на электропроводящем основании) является электроемкостный [1 ].
Основы электроемкостного метода контроля.
Электроемкостный метод контроля заключается в измерении емкости плоскопараллельного конденсатора в зависимости от толщины диэлектрика, находящегося между его обкладками. Данная зависимость описывается известной формулой [2]:
s • s 0 • S
С =
"0 d
Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2022. Том 2
где е - диэлектрическая проницаемость среды, £ - площадь перекрытия обкладок, е0 -диэлектрическая постоянная (8,85 • 10 - 12Ф/ м), ё - толщина диэлектрика.
Цель работы - смоделировать преобразователь для электроемкостного метода контроля геометрических размеров диэлектриков (тонких диэлектрических покрытий).
Моделирование.
На данном этапе исследования проводится путем моделирования. Моделирование позволяет рассмотреть влияние различных факторов на результаты измерения без трудоемкого создания реального образца, что в свою очередь сэкономить временные и материальные затраты. Моделирование позволяет изучить основные свойства исследуемого объекта исследования, с прогнозировать характер поведения исследуемого объекта в условиях, близких к реальным, учесть степень влияния мешающих факторов. К сожалению, моделирование не позволяет в полной мере оценить поведение исследуемого объекта, поэтому требуется обязательное сопоставление результатов моделирования с результатами реальных экспериментов. Но это возможно только после тщательного изучения поведения модели.
В данной работе моделирование проводилось в среде СошБо1 МиШрЬувюБ. Модель электроемкостного преобразователя представляет собой плоскопараллельный конденсатор. Так как объект контроля металлический, то он и будет первой обкладкой конденсатора. Для реализации метода необходимо добавить вторую обкладку, которая будет передвигаться в процессе контроля. Расстояние между обкладками соответствует контролируемой толщине диэлектрического покрытия [3]. Реализуемая модель конденсатора представлена на рис. 1.
Порядок построения модели конденсатора в среде СошБо1 МиШрЬувюБ:
1) Создать геометрию преобразователя.
В нашем случае задается длина а = 1000 мм, ширина Ь = 3000 мм обкладок конденсатора. Размеры первой (неподвижной) обкладки в процессе моделирования (для изучения влияющих факторов) могут быть увеличены. Расстояние между обкладками конденсатора (ё = 1 мм) соответствует номинальной толщине контролируемого диэлектрического покрытия. В процессе исследование этот параметр будет меняться для оценки степени его влияния на значение емкости конденсатора.
2) Задать материалы для элементов модели.
Для обкладок может быть использован любой электропроводящий материал, в зависимости от контролируемой детали. В рассматриваемой модели применялась сталь из стандартной библиотеки. В качестве диэлектрика рассматривается эпоксидное покрытие с диэлектрической проницаемостью е = 3,5. Основные свойства материалов уже «зашиты» в библиотеке материалов. В случае необходимости свойства можно дополнить или вообще создать новый материал, которого нет в библиотеке.
3) Создать электрику.
Задаются потенциалы и заземление для обкладок конденсатора: потенциал (1 В) прикладывается ко второй (подвижной) обкладке; нижняя обкладка (контролируемый объект) заземляется (0 В).
4) Разбить модель на области расчета.
Вся модель разбивается на небольшие области в форме тетраэдра, внутри которого происходит расчет всех электрических параметров модели. Размер области напрямую влияет на точность расчета, но уменьшение ее размера может увеличить время расчета, поэтому к определению размеров области стоит подходить ответственное.
5) Рассчитать модель.
На этапе расчета формируются результаты в различных форматах, выбор которых зависит от решаемой задачи. Для решения поставленной задачи результаты представляются в виде распределения напряженности электрического поля внутри и снаружи исследуемого конденсатора и в виде числового значения электрической емкости конденсатора
Результаты моделирования.
В результате теоретического расчета (по формуле 1) емкость составила: Ст=3,976 нФ.
Рассчитанная в Comsol Multiphysics емкость модели электроемкостного преобразователя равна: См=4,150 нФ. Сравнение теоретического и расчетного значения емкости конденсатора показывает наличие погрешности 4,3%. Наличие погрешности в первую очередь определяется влиянием краевых эффектов на значение емкости.
Заключение:
В проведенной работе было показано влияние краевых эффектов на измерение толщины диэлектрических материалов по значению емкости преобразователя. Погрешность составила 4,3%.
По итогам проделанной работы были поставлены цели на будущие исследования:
- рассмотреть конструктивные варианты электроемкостного преобразователя уменьшить влияние краевых эффектов на результат измерения;
- построить модель, позволяющую оценить влияние наличия дефектов в диэлектрике (изменение толщины: локальной или по всей поверхности), наличие неплотного контакта между подвижной обкладкой преобразователи и контролируемым объектом.
Библиографические ссылки
1. Скрипниченко В.А., Вавилова Г.В. Моделирование электроемкостного преобразователя для контроля полимерной пленки // Ресурсосберегающие технологии в контроле, управлении качеством и безопасности: сборник научных трудов X Международной конференции школьников, студентов, аспирантов, молодых ученых. Томск, 2022. С. 201-205.
2. Детлаф А.А. Курс физики: учебник в электронном формате/ А.А. Детлаф, Б.М. Яворский. 9-е изд. стер. Москва: Академия, 2014. URL: http://www.lib.tpu.rn/fulltext2/rn/2015/FN/fn-30.pdf, доступ из корпоративной сети ТПУ (дата обращения 20.03.2022).
3. Восколович Д.А., Вавилова Г.В., Белик М.Н. Контроль толщины гальванических покрытий // Интеграция науки, образования и производства - основа реализации Плана нации (Сагиновские чтения №12). Труды Международной научно-практической online конференции: В 2-х частях. 2020. С. 908-910.
© Скрипниченко В. А., 2022
