УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ФЕРРОМАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ Российский патент 1994 года по МПК G01N27/90 

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и может быть использовано для контроля физико-механических параметров ферромагнитных электропроводящих объектов.

Известно устройство для контроля физико-механических параметров материалов и изделий [1], содержащее генератор с изменяемой частотой, соединенные последовательно параметрический индуктивный преобразователь, ключ и эталонный резистор, подключенные к выходу генератора с изменяемой частотой, соединенные последовательно амплитудный детектор, подключенный к эталонному резистору, и индикатор. Устройство содержит также конденсатор, подключенный параллельно индуктивному преобразователю и ключу и блок измерения, подключенный к генератору с изменяемой частотой. С целью обеспечения постоянства режима контроля и уменьшения влияния температурных полей контролируемых изделий и среды измерения с помощью этого устройства проводятся при условии равенства величины реактивного сопротивления конденсатора удвоенной величине реактивного сопротивления индуктивного преобразователя.

Недостаток устройства - невысокая надежность и нестабильность измерений, вызванная влиянием на результаты измерений зазора между контролируемыми изделиями и индуктивными преобразователями при контроле, например, материалов с негладкой поверхностью.

Наиболее близким по своей технической сущности и предлагаемому является устройство [2], содержащее генератор с изменяемой частотой, соединенные последовательно параметрический индуктивный преобразователь, ключ и эталонный резистоp, подключенные к выходу генератора с изменяемой частотой, соединенные последовательно амплитудный детектор, подключенный к эталонному резистору, и индикатор. Устройство содержит также компенсирующий конденсатор с переменной емкостью, подключенный параллельно индуктивному преобразователю и ключу, блок измерения частоты, подключенный к генератору с изменяемой частотой, и блок измерения емкости, подключенный к компенсирующему конденсатору с переменной емкостью. На результаты измерений устройством прототипа уменьшено влияние зазора между изделием и индуктивным преобразователем.

Недостаток устройства - недостаточная информативность, обусловленная тем, что при использовании устройства прототипа измеренные величины - частота питающего тока и величина емкости компенсирующего конденсатора характеризуют только индуктивную составляющую полного сопротивления (или напряжения) параметрического индуктивного преобразователя. При контроле ферромагнитных электропроводящих материалов в условиях отсутствия шероховатости поверхности материала или малого изменения зазора наиболее полную информацию о магнитных и проводящих свойствах дают в совокупности как реактивная, так и активная составляющие внесенного сопротивления (или напряжения) индуктивного преобразователя.

Цель изобретения - увеличение информативности измерений.

Поставленная цель достигается тем, что устройство для контроля физико-механических параметров ферромагнитных материалов и изделий, содержащее генератор с изменяемой частотой, соединенные последовательно параметрический индуктивный преобразователь, ключ и эталонный резистоp, подключенные к выходу генератора с изменяемой частотой, соединенные последовательно амплитудный детектор, подключенный к эталонному резистору, и индикатор, конденсатор с переменной емкостью, блок измерения емкости, подключенный к конденсатору с переменной емкостью, и блок измерения частоты, подключенный к генератору с изменяемой частотой, снабжено блоком вносимой в индуктивный преобразователь активной составляющей напряжения, подключенным двумя входами к выходу генератора, и третьим входом - к общей точке компенсирующего конденсатора и индуктивного преобразователя, а компенсирующий конденсатор включен параллельно ключу.

Физическое обоснование предлагаемого изобретения заключается в следующем.

Взаимодействие электромагнитного поля индуктивного преобразователя с контролируемым изделием из ферромагнитного электропроводящего материала приводит к изменению реактивной и активной составляющей сопротивлений вносимых в параметрический индуктивный преобразователь. Причем в зависимости от величины обобщенного параметра β, реактивная составляющая вносимого сопротивления может принимать положительное или отрицательное значение или равное нулю. Активная составляющая вносимого сопротивления при этом всегда принимает только положительное значение.

Обобщенным параметром при электромагнитном контроле ферромагнитных материалов является величина
β = = , где D_э - диаметр эквивалентного контура вихревых токов, м;
ω=2πf- круговая частота возбуждения вихревых токов;
μ_o=4π˙10^-7г/м- магнитная проницаемость вакуума;
μ_r- относительная магнитная проницаемость материала;
σ- удельная электрическая проводимость материала, см/м;
β_o- обобщенный параметр при контроле немагнитных материалов.

Устройство прототипа реализуется с помощью электрического контура для которого путем изменения параметра β(частоты питающего напряжения) и емкости компенсирующего конденсатора добиваются выполнения условия равенства удвоенной величины реактивного сопротивления индуктивного преобразователя величине реактивного сопротивления конденсатора, т.е. 2х_L = х_с и равенства нулю внесенного реактивного сопротивления х_Lвн = 0. Выполнение этих условий для LС контура контролируется величиной полного тока. При выполнении условия х_Lвн = 0, независимо от положения контролируемого материала - в поле индивидуального преобразователя или вне его, значение реактивной составляющей полного тока остается неизменной, однако неизбежно изменяется активная составляющая полного тока, обусловленная внесенным в индуктивный преобразователь активным сопротивлением R_вн.

Реализация предлагаемого устройства выполнена в отличие от прототипа с помощью LC контура с последовательным соединением индуктивного преобразователя и компенсирующего конденсатора, что связано с более простым решением выделения R_вн. Принцип выделения R_вн. можно уяснить из векторной диаграммы LC контура показанной (фиг.2).

На фиг. 1 показана электрическая цепь LC контура; на фиг.2 - векторная диаграмма напряжений и тока этой цепи; на фиг.3 - блок-схема устройства.

Для цепи из последовательно соединенных индуктивного преобразователя и конденсатора, подключенных к источнику переменного напряжения закорачивания ключом S конденсатора (аналогично отключение индуктивного преобразователя в параллельном LC контуре), не изменится амплитуда полного тока в индуктивном преобразователе, когда выполняется условие 2х_L = х_с. Изменяя частоту переменного тока и величину емкости конденсатора можно добиться такого состояния цепи, когда выполняется одновременно два условия 2x_L = х_с и х_Lвн = 0. При этом колебания амплитуд полного тока от работающего ключа будут отсутствовать, но значения амплитуд полных токов для двух положений контролируемого ферромагнитного электропроводящего материала - в поле индуктивного преобразователя и вне его, будут отличаться только активными составляющими.

На фиг. 2 векторы ,, - соответственно активное, индуктивное, емкостное падение напряжений, а векторы - не меняющееся по амплитуде полное напряжение источника, характеризуют состояние цепи, когда при работающем ключе S в поле индуктивного преобразователя не вносится контролируемое изделие. Одноименные векторы ,, и , характеризуют состояние цепи, когда, при работающем ключе S, в поле индуктивного преобразователя, внесено контролируемое изделие.

Из векторной диаграммы следует, что при введении контролируемого изделия в поле индуктивного преобразователя от R_вн уменьшится амплитуда полного тока и соответственно U_L1, U_c1 станут меньше U_Lo, U_co. Если выполняется условие x_Lвн = 0, то соотношение 2U_L = U_C характеризующее 2x_L = x_C и постоянство U_o, U'_o , U₁, U'₁ - сохраняется. Векторная разность напряжений -= характеризует внесенное активное напряжение, а значит, и внесенное активное сопротивление R_вн.

Чтобы выделить векторную разность -= , достаточно измерить величины: полное напряжение источника U_o и половинные значения падений напряжений на конденсаторе для двух случаев - когда изделие находится в поле индуктивного преобразователя U_C1/2 и вне его U_CO/2. Из геометрических соотношений векторной диаграммы напряжений следует:
U_Rвн= U_RO-U_R1=
Устройство содержит генератор 1 с изменяемой частотой, соединенные последовательно параметрический индуктивный преобразователь 2, ключ 3 и эталонный резистор 4, подключенные к выходу генератора 1 с изменяемой частотой, соединенные последовательно амплитудный детектор 5, подключенный к эталонному резистору, и индикатор 6, компенсирующий конденсатор 7 с переменной емкостью, подключенный параллельно ключу 3, блок 8 измерения частоты, подключенный к генератору 1, блок 9 измерения емкости, подключенный к компенсирующему конденсатору 7. Устройство содержит также блок 10 выделения внесенного в индуктивный преобразователь активного напряжения, подключенный двумя входами к выходу генератора 1 и третьим входом - к общей точке компенсирующего конденсатора 7 и индуктивного преобразователя.

Устройство работает следующим образом.

При включении устройства на выходе генератора 1 с изменяемой частотой появляется напряжение, поступающее на параметрический индуктивный преобразователь 2. Амплитуду тока измеряют с помощью цепи, состоящей из эталонного резистора 4, амплитудного детектора 5 и индикатора 6. При периодическом замыкании ключа 3 показания индикатора 6 изменяются с частотой переключения. Изменением частоты генератора 1 при неизменном на его выходе напряжении и изменением величины емкости компенсирующего конденсатора 7 добиваются такого состояния, когда при работающем ключе 3 прекратятся колебания стрелки индикатора 6 одновременно при двух положениях контролируемого изделия - в переменном магнитном поле индуктивного преобразователя 2 и вне его. В этот момент прекращают изменять частоту генератора 1 и величину емкости компенсирующего конденсатора 7. В блок 10 выделения внесенного в индуктивный преобразователь 2 активного напряжения последовательно вводятся величины - напряжение на выходе генератора 1 и падения напряжений на конденсаторе 7 для двух случаев, когда контролируемое изделие находится в поле индуктивного преобразователя 2 и вне его, где производится расчет величины:
U_Rвн=
При помощи блока 8 измерения частоты измеряют рабочую частоту генератора 1, при помощи блока 9 измерения емкости - величину емкости компенсирующего конденсатора 7, при помощи блока 10 - внесенное в индуктивный преобразователь активное напряжение. По величине емкости компенсирующего конденсатора 7, частоте генератора 1, величине внесенного в индуктивный преобразователь активного напряжения, выделенного блоком 10, судят о физико-механических параметрах контролируемых изделий из ферромагнитных материалов.

В макетном образце устройства выбран генератора 1 типа ГЗ-109. Ключ 3 выполнен на базе полупроводникового мультивибратора. В коллекторную цепь одного из тиристоров включено электромеханическое реле, нормально открытые контакты которого использованы для коммутации конденсатора 7. Частота работы мультивибратора, а значит и ключа 3, составляет 1-3 Гц. В качестве амплитудного детектора 5 и индикатора 6 выбран электронный вольтметр типа ВЗ-33. Индикатор 6 показывает величину падения напряжения на эталонном резисторе 4 пропорционального току в цепи. В момент выполнения равенства 2х_L = х_С и х_Lвн = 0 колебания стрелки индикатора 6 будут отсутствовать при работающем ключе и двух положениях контролируемого изделия - в поле индуктивного преобразователя и вне его. Для измерения емкости блок 9, компенсирующего конденсатора 7 выбран измеритель RLC типа ЕЧ-13. В качестве блока 10 в макетном образце устройства выбраны приборы - цифровой вольтметр типа ВМ-552 и микроконтроллер МС-27.02. Цифровой вольтметр ВМ-552 позволяет измерить поочередно напряжение генератора 1 и два значения падений напряжений на конденсаторе 7, соответствующие двум положениям контролируемого изделия - в поле индуктивного преобразователя и вне его. Сигналы с выхода вольтметра в цифровом коле 1-2-4-8 подавались на микроконтроллер МС-27.02, который по заранее введенной программе производил вычисления
U_Rвн= и результат вычисления выводил на цифровой индикатор.

Предлагаемое устройство использовалось при решении задачи сортировки материалов по маркам. В лабораторных условиях проведены испытания устройство по сортировке некоторых сплавов из ферромагнитных электропроводящих материалов. Выделение внесенного активного напряжения позволило получить дополнительную информацию о электропроводящих свойствах ферромагнитных материалов, мало отличающихся по магнитной проницаемости.

Использование: для контроля магнитной проницаемости и электропроводности изделий из ферромагнитных материалов. Увеличение информативности измерений достигается благодаря тому, что устройство, содержащее генератор 1 с изменяемой частотой, соединенные последовательно эталонный резистор 4, параметрический индуктивный преобразователь 2 и ключ 3, подключенные к выходу генератора 1, соединенные последовательно амплитудный детектор 5, подключенный к эталонному резистору, и индикатор, компенсирующий конденсатор 7 с переменной емкостью, блок 8 измерения частоты, подключенный к генератору 1, и блок 9 измерения емкости, подключенный к конденсатору 7, снабжено блоком 10 выделения внесенного в индуктивный преобразователь активный составляющей напряжения, подключенным двумя входами к выходу генератора 1 и третьим входом - к общей точке конденсатора 7 и преобразователя 2, а конденсатор 7 включен параллельно ключу 3. 3 ил.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ФЕРРОМАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ, содержащее генератор с изменяемой частотой, соединенные последовательно эталонный резистор, параметрический индуктивный преобразователь и ключ, подключенные к выходу генератора, соединенные последовательно амплитудный детектор, подключенный к эталонному резистору, и индикатор, компенсирующий конденсатор с переменной емкостью, блок измерения частоты, подключенный к генератору, и блок измерения емкости, подключенный к компенсирующему конденсатору, отличающееся тем, что оно снабжено блоком выделения вносимой в индуктивный преобразователь активной составляющей напряжения подключенным двумя входами к выходу генератора, и третьим входом к общей точке компенсирующего конденсатора и индуктивного преобразователя, а компенсирующий конденсатор включен параллельно ключу.