СПОСОБ КОНТРОЛЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ФЕРРОМАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 1995 года по МПК G01N27/90 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для контроля магнитной проницаемости и электропроводности изделий из ферромагнитных материалов.

Известен способ контроля физико-механических параметров изделий из ферромагнитных материалов [1], заключающийся в том, что контролируемое изделие помещают в переменное магнитное поле параметрического индуктивного преобразователя, включенного в LC-контур, добиваются равенства удвоенного значения реактивного сопротивления х_L индуктивного преобразователя величине реактивного сопротивления х_с конденсатора, т.е. 2x_L=х_с и в этот момент используют сигнал преобразователя для получения информации о контролируемых параметрах. На результаты измерений этим способом уменьшено влияние колебания температуры.

Недостаток способа - недостаточно высокая надежность и нестабильность, вызванная влиянием на результаты измерений зазора между контролируемым ферромагнитным материалом и индуктивным преобразователем.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ контроля физико-механических параметров изделий из ферромагнитных материалов [2] , заключающийся в том, что в переменное магнитное поле параметрического индуктивного преобразователя, включенного в LC-контур, периодически помещают контролируемое изделие, изменяют частоту f тока, питающего преобразователь, и величину х_с реактивного сопротивления конденсатора, измеряют величину х_L реактивного сопротивления преобразователя и величину x_Lbн реактивного сопротивления, вносимого в преобразователь, фиксируют момент равенства х_Lbн= 0 при одновременном выполнении условия 2х_L=х_с для двух положений контролируемого изделия в поле преобразователя и вне его, измеряют в этот момент величины f и х_си используют их в качестве информативных для оценки физико-механических параметров.

Недостаток этого способа - низкая информативность. Это обусловлено тем, что в известном способе 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 или малого измерения зазора, наиболее полную информацию о магнитных и проводящих свойствах дают в совокупности как реактивная, так и активная составляющая сопротивлений (или напряжений) вносимых в индуктивный преобразователь.

Цель изобретения - увеличение информативности способа.

Поставленная цель достигается тем, что в способе контроля физико-механических параметров изделий из ферромагнитных материалов, заключающемся в том, что в переменное магнитное поле параметрического индуктивного преобразователя, включенного в LC-контур, периодически помещают контролируемое изделие, изменяют частоту f тока, питающего преобразователь, и величину х_с реактивного сопротивления конденсатора, измеряют величину х_L реактивного сопротивления преобразователя и величину х_Lbн реактивного сопротивления вносимого в преобразователь, фиксируют момент равенства х_Lbн=0 при одновременном выполнении условия 2х_L=х_с для двух положений контролируемого изделия - в поле преобразователя и вне его, измеряют в этот момент величины f и х_с и используют их в качестве информативных для оценки физико-механических параметров. В тот же момент измеряют напряжение U_o на выходе генератора, напряжения U_ct и U_co на конденсаторе, соответственно при размещении контролируемого изделия в поле преобразователя и вне его, определяют величину активной составляющей напряжения U_Rbн, вносимого в преобразователь, из выражения U = - и используют его в качестве дополнительной информативной величины.

Взаимодействие электромагнитного поля индуктивного преобразователя с контролируемым изделием из ферромагнитного электропроводящего материала приводит к изменению реактивной и активной составляющих сопротивлений вносимых в параметрический индуктивный преобразователь. 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=2 π f- круговая частота возбуждения вихревых токов;
μ_о=4 π˙10^-7 г/м - магнитная проницаемость вакуума;
μ_r - относительная магнитная проницаемость материала;
σ- удельная электрическая проводимость материала, см/м.

β_о - обобщенный параметр при контроле немагнитных материалов.

Реализация способа выполнена с помощью LC-контура с последовательным соединением индуктивного преобразователя и компенсирующего конденсатора, что связано с простым расчетом.

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

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 4, 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 блок 10 для расчета внесенного в индуктивный преобразователь активного напряжения, подключенный двумя входами к выходу генератора 1 и одним входом к конденсатору 7.

Для цепи из последовательно соединенных индуктивного преобразователя и конденсатора подключенных к источнику переменного напряжения закорачивание ключом S конденсатора (аналогично отключение индуктивного преобразователя в параллельном LC-контуре) не приведет к изменению амплитуды полного тока в индуктивном преобразователе, когда выполняется условие 2х_L=х_с. Изменением частоты переменного напряжения и величины емкости конденсатора можно добиться такого состояния цепи, когда выполняются одновременно условия 2х_L=x_c и х_Lbн=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 , , - активное, индуктивное, емкостное падения напряжения, а векторы , - неменяющееся по амплитуде полное напряжение источника, характеризует состояние цепи, когда при работающем ключе S в поле индуктивного преобразователя не вносится контролируемое изделие. Одноименные векторы , , , , характеризуют состояние цепи, когда при работающем ключе S в поле индуктивного преобразователя внесено контролируемое изделие.

Из векторной диаграммы следует: при введении контролируемого изделия уменьшится амплитуда полного тока и соответственно , станут меньше , . Если выполняется условие х_Lbн=0, то соотношение 2U_L=U_c, характеризующее 2х_L=x_c, и постоянство , , , сохраняются. Векторная разность напряжений -= характеризует внесенное активное напряжение, а значит, и внесенное активное сопротивление R_bн.

Чтобы выделить некоторую разность -= , необходимо 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= U_Ro-U= -
На фиг. 1 представлена блок-схема устройства, реализующего предложенный способ с частотным, по величине емкости компенсирующего конденсатора и по величине U_Rbн, активной составляющей напряжения методами выделения информации.

Измерения по предложенному способу осуществляют следующим образом.

В переменное поле индуктивного преобразователя 2 периодически помещают контролируемое изделие. Изменением частоты питающего генератора 1 при неизменном на его выходе напряжении и изменением величины емкости компенсирующего конденсатора 7 добиваются такого состояния, когда при работающем ключе 3 прекращаются 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, и при помощи блока 6 измерения частоты измеряют рабочую частоту генератора 1, при помощи блока 9 измерений емкости - величину емкости компенсирующего конденсатора 7, а при помощи блока 10 измеряют напряжение генератора 1 и поочередно два значения падений напряжений на конденсаторе 7 соответствующие двум положениям контролируемого изделия - в поле преобразователя 2 и вне его, и вычисляют величину активной составляющей напряжения U_Rbн, вносимого в преобразователь.

По величине емкости компенсирующего конденсатора 7, частоте генератора 1 и величине активной составляющей напряжения U_Rbн, рассчитанной блоком 10, судят о физико-механических параметрах контролируемых изделий из ферромагнитных электропроводящих материалов.

В макетном образце устройства выбран генератор 1 типа ГЗ-109. Ключ 3 устройства выполнен на базе полупроводникового мультивибратора. В коллекторную цепь одного из транзисторов 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 пропорциональное току в цепи. В момент выполнения равенства удвоенной величины реактивного сопротивления индуктивного преобразователя 2 величине реактивного сопротивления компенсирующего конденсатора 7, т.е. 2х_L=х_с и одновременно выполнения равенства нулю вносимого сопротивления индуктивного преобразователя 2, т.е. x_Lbн=0, которое определяется при работающем ключе 3 и двух положениях контролируемого изделия из ферромагнитного электропроводящего материала - в электромагнитном поле индуктивного преобразователя 2 и вне его, колебания стрелки индикатора 6 будут отсутствовать. Для измерения емкости компенсирующего конденсатора 7 выбран измеритель CLR типа ЕГ-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 позволял измерять поочередно напряжение генератора 1 и два значения падений напряжений на конденсаторе 7, соответствующее двум положениям контролируемого изделия - в поле индуктивного преобразователя и вне его. Сигналы с выхода вольтметра в цифровом коде 1-2-4-8 подавались на микроконтроллер МС-27.02, который по заранее введенной программе производил вычисления
U= - и результат вычисления выводил на цифровой индикатор.

Использование: для контроля электропроводности и магнитной проницаемости изделий из ферромагнитных электропроводящих материалов. Цель изобретения - увеличение информативности способа - достигается благодаря тому, что контролируемое изделие из ферромагнитных электропроводящих материалов помещают в переменное поле параметрического индуктивного преобразователя, включенного в LC-контур, изменяют частоту тока, питающего параметрический индуктивный преобразователь, измеряют реактивную составляющую сопротивления, вносимого в параметрический индуктивный преобразователь, регулируют величину реактивного сопротивления конденсатора, фиксируют момент равенства измеренной величины нулю при одновременном выполнении условия 2X_L= X_C и используют эти условия для выделения активной составляющей сопротивления, внесенного в индуктивный преобразователь, после чего определяют величину информативного параметра. 3 ил.

СПОСОБ КОНТРОЛЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ФЕРРОМАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ, заключающийся в том, что в переменное магнитное поле параметрического индуктивного преобразователя, включенного в LC-контур, периодически помещают контролируемое изделие, изменяют частоту f тока, питающего преобразователь, и величину X_C реактивного сопротивления конденсатора, измеряют величину X_L реактивного сопротивления преобразователя и величину реактивного сопротивления, вносимого в преобразователь, фиксируют момент равенства при одновременном выполнении условия 2 X_L = X_C для двух положений контролируемого изделия - в поле преобразователя и вне его, измеряют в этот момент величины f и X_C и используют их в качестве информативных для оценки физико-механических параметров, отличающийся тем, что в тот же момент измеряют напряжение U₀ на выходе генератора, напряжения на конденсаторе соответственно при размещении контролируемого изделия в поле преобразователя и вне его, определяют величину активной составляющей напряжения вносимого в преобразователь, из выражения

и используют ее в качестве дополнительной информативной величины.