ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ К ДЕФЕКТОСКОПУ ДЛЯ ТЕПЛОВОГО КОНТРОЛЯ Российский патент 1997 года по МПК G01J5/12 G01N25/72 

Изобретение относится к неразрушающему контролю и может быть использовано для дефектоскопии металлических и неметаллических изделий.

Известно устройство для теплового неразрушающего контроля, содержащее приемник инфракрасного излучения, сканирующее устройство, аппарат электрохимической записи, позволяющее получить визуальное изображение рельефа теплового поля [1]
Недостатком данного устройства является наличие механической системы сканирования, существенно снижающей надежность дефектоскопа.

Известно устройство для теплового неразрушающего контроля, содержащее тепловизор и позволяющее получить изображение рельефа теплового поля непосредственно на телевизионном экране [2]
Недостатком данного устройства является невозможность контактного теплового контроля и, как следствие, невозможность контроля в труднодоступных местах.

Наиболее близким к предлагаемому является преобразователь магнитных полей к дефектоскопу, содержащий последовательно соединенные матрицу из ферритовых кольцевых сердечников с прямоугольной петлей гистерезиса, прошитых вертикальными, горизонтальными и диагональными адресными шинами, причем каждый сердечник снабжен обмоткой и элементом, замыкающим обмотку, выход которого подключен к входу блока селекции, блок развертки, первый выход которого соединен с адресными шинами, второй выход связан с синхровходом видеоконтрольного устройства, а третий выход соединен с управляющим входом блока селекции [3] Так как сигнал ферритового сердечника зависит от температуры окружающей среды, то дефектоскоп мог бы применяться для теплового контроля, но имеет невысокую чувствительность, что не позволяет использовать его для контроля неферромагнитных изделий.

Целью изобретения является повышение чувствительности неразрушающего контактного контроля нагретых изделий.

Цель достигается тем, что в преобразователе к дефектоскопу, содержащем последовательно соединенные матрицу из ферритовых кольцевых сердечников с прямоугольной петлей гистерезиса, прошитых вертикальными, горизонтальными и диагональными адресными шинами, причем каждый сердечник снабжен обмоткой и элементом, замыкающим обмотку, усилитель, блок селекции сигнала, видеоконтрольный блок и блок развертки, первый выход которого соединен с адресными шинами, второй выход которого соединен с синхровходом видеоконтрольного устройства, а третий выход которого соединен с управляющим входом блока селекции, обмотка замкнута фото- или термочувствительным элементом.

Отличительным признаком данного изобретения является то, что чувствительный узел выполнен из сердечников с прямоугольной петлей гистерезиса, каждый из которых содержит обмотку, замкнутую через фото- или термочувствительный элемент.

Перемагничивание выбранного сердечника производится импульсами тока, при наличии внешнего магнитного поля это ведет к частичному перемагничиванию сердечника. При этом сердечник работает на линейном участке петли гистерезиса и остаточная индукция зависит от напряженности внешнего магнитного поля. При перемагничивании в обмотке считывания наводится ЭДС электромагнитной индукции, пропорциональная остаточной индукции сердечника. Величина ЭДС в обмотке считывания зависит также от температуры сердечника.

Согласно формуле

где Β_(B) температурный коэффициент остаточной индукции.

Динамика перемагничивания сердечника импульсами тока описывается уравнением:

где R(Φ) динамическое сопротивление сердечника;
F₀ мдс, соответствующая некоторому расчетному полю НО;
i ток записи.

После интегрирования данного уравнения получается

и с учетом обратного спада магнитного потока

где R(Φ) и F₀, меняющиеся в широких пределах в зависимости как от состояния сердечника, так и от разброса магнитных параметров различных экземпляров, прямо влияют на точность записи при использовании импульсов тока. При записи импульсами напряжения влияние этих отклонений минимально.

Запись остаточного потока с помощью импульсов напряжения является наиболее точным методом записи, поскольку в этом случае влияние разброса в магнитных параметрах сердечников можно свести к минимуму. Если поток в сердечнике находится на некотором начальном уровне Φ_нач, то изменение потока DF при воздействии импульса напряжения l(t) в течение времени t_зап..

где W_зап число витков обмотки записи;
i ток записи;
r полное сопротивление цепи записи.

После окончания импульса проходит изменение потока ΔΦ_обр и, таким образом, необратимая составляющая изменения потока запишется следующим образом:

Погрешности, обусловленные падением напряжения на активном сопротивлении и обратимой составляющей, могут быть значительно снижены.

Однако запись совпадения импульсов тока чрезвычайно удобна для элементов, организованных в матрицу, при этом каждый из токов не может изменить магнитного состояния сердечника. При введении короткозамкнутой обмотки, охватывающей сердечник, создается режим записи, эквивалентный режиму записи импульсами напряжения, но при этом сохраняется метод матричного выбора путем совпадения координатных токов. При записи в отдельный сердечник получается выражение:

Учитывая, что l=U-ir
получается


В этой формуле
и R′(Φ)=W2зап

Так как источник питания должен являться генератором тока, выполняется условие U>>l, поэтому i=U/R. Точность поддержания напряжения записи с постоянным при любых вариантах параметров сердечников R(Φ) и F ₀ тем выше, чем больше ток записи i=U/R его составляющей F₀/W_зап и чем меньше приведенное сопротивление короткозамкнутого витка приведенного динамического сопротивления сердечника R′(Φ). В пределе получается соотношение

Как видно из этого выражения, при постоянстве U и R величина напряжения записи, а значит и остаточная индукция сердечника, зависят только от сопротивления короткозамкнутого витка. Если в цепь короткозамкнутого витка включить фото- или термочувствительный прибор, проводимость которого зависит от интенсивности теплового поля, или потока излучения, то величина напряжения записи l, а следовательно и остаточная индукция сердечника, зависят от интенсивности внешнего теплового поля или потока излучения.

При этом сердечник, охваченный витком, замкнутым через фото- или термочувствительный элемент, является преобразователем интенсивности теплового поля или потока излучения в уровень остаточной индукции, который в свою очередь преобразуется в уровень ЭДС в обмотке считывания и характеризуется более высокой чувствительностью и широким диапазоном воспринимаемых тепловых полей по сравнению с прототипом, а также чувствительностью к потоку светового излучения. Такая связь фото- или термочувствительного элемента с ферритовым кольцевым сердечником является неизвестной и в литературе не описана.

Как было отмечено выше, соблюдение условий U/R>>F₀/W_зап и позволяет с высокой точностью поддерживать значение l постоянным, однако координатная запись устанавливает жесткие соотношения между U/R и F₀/W_зап. Если обозначить
(i/2)/(F₀/W_зап)=k и i U/R.

то
Таким образом, в случае координатной записи приходится считаться с возможными изменениями значения как в процессе записи, так и при переходе от одного экземпляра сердечника к другому. Указанное ограничение легко понять, если учесть, что U/R есть полный ток записи, а F₀/W_зап, то его часть, которая затрачивается на преодоление порога перемагничивания. Естественно, что при координатной записи превышение полного тока над пороговым не может быть большим. Улучшение соотношения может быть получено, , если воспользоваться не двухкоординатной, а трехкоординатной записью. Третий ток удобно подавать в диагонали матриц. Так как условие записи координатной k<1,2k>1 и соответственно k выбирается обычно в пределах 0,65-0,75, а при трехкоординатной записи остается справедливым k=0,65-0,75, но здесь уже
k=(i/3)/(F₀/W_зап).

Далее таким же образом, как и выше, получается
U/R=3k(F₀/W_зап) (1,95-2,25)•(F₀/W_зап)
Улучшение соотношения между U/R и F₀/W_зап произошло за счет большого превышения полного тока записи над пороговым при использовании трех координат вместо двух. Поскольку для координатной записи можно выдержать условие , выражение величины напряжения для двух- и трехкоординатной записи соответственно примет вид:


Из этих выражений следует, что при координатной записи изменять приложенное напряжение l можно, меняя лишь сопротивление , причем в отличие от записи в отдельный элемент этого нельзя сделать, меняя U или R. Величина сопротивления определяется проводимостью фото- или термочувствительного элемента и зависит от интенсивности внешнего теплового поля или потока излучения. Таким образом, включение в цепь короткозамкнутой обмотки фото- или термочувствительного элемента придает аналоговому матричному устройству новое свойство возможность преобразования неоднородности теплового поля на поверхности объекта контроля или интенсивности потока излучения в соответствующие уровни остаточной индукции сердечников, которые при опросе сердечников матрицы преобразуются в соответствующие значения ЭДС в обмотке считывания.

Наличие у каждого кольцевого сердечника с прямоугольной петлей гистерезиса обмотки, замкнутой через соответствующий фото- или термочувствительный элемент терморезистор, фоторезистор, фотодиод или другие придает преобразователю новое качество возможность выявления неоднородности теплового поля или потока излучения, что не могло осуществляться преобразователем-аналогом. Эти качества обеспечиваются за счет повышения чувствительности и возможности восприятия интенсивности теплового или светового потока. Все это проявляется в возможности контроля изделий сложной формы в труднодоступных местах и получения изображения рельефа теплового поля или потока излучения непосредственно на телевизионном экране, что является существенным отличием и может быть признано изобретением.

На фиг.1 представлена блок-схема преобразователя теплового поля, где изображены источник теплового поля 1, объект контроля 2, матричный чувствительный узел 3, усилитель 4, блок амплитудной и временной селекции 5, видеоконтрольный блок 6 и блок развертки 7.

На фиг. 2 представлена схема, поясняющая принцип организации фоточувствительного узла, на которой изображены ферритовый сердечник 8, обмотка 9, фоточувствительный элемент 10, вертикальные координатные шины 11, горизонтальные координатные шины 12, диагональные координатные шины 13.

На фиг.3 показана схема взаиморасположения матрицы ферритовых сердечников и матрицы фоточувствительных элементов, здесь изображены матрицы сердечников 14, матрица фоточувствительных элементов 15 и зона сопряжения матриц 16.

Магниточувствительный узел преобразователя представляет собой матрицу на M+N ферритовых кольцевых сердечников с прямоугольной петлей гистерезиса, где M число элементов в строке, N в столбце матрицы. Каждый сердечник охвачен обмоткой, замкнутой через фото- или термочувствительный элемент - терморезистор, фоторезистор, фотодиод или другие фоточувствительные элементы могут быть изготовлены в виде матрицы в интегральном исполнении, что обеспечивает минимальный разброс параметров и высокую плотность упаковки элементов. Матрица сердечников 14 образует вторую матрицу и расположена над матрицей 15 магниточувствительных элементов и размеры ее могут быть гораздо больше матрицы магниточувствительных элементов, так как это не влияет на разрешающую способность.

Связь между матрицами осуществляется через зону сопряжения 16, при этом концы обмотки непосредственно соединены с выводами чувствительных элементов или связь осуществляется внутрикомплексным интерфейсом, широко применяемым и в микропроцессорной технике. Весь магниточувствительный узел заливается прозрачным полиуретаном или спецкаучуком, что обеспечивает герметизацию и механическую прочность.

Ферритовые сердечники пронизаны тремя координатными шинами 11, 12, 13 и обмоткой считывания, которая, чтобы не затемнять чертеж, на фиг.2 не показана. Обмотка считывания пронизывает половину обмоток каждой строки и каждого столбца матрицы в одном направлении, а вторую половину в обратном, такая прошивка позволяет компенсировать помехи от сердечников, через которые протекает ток только одной координаты 5.

Обмотка считывания подключена к входу дифференциального усилителя4, так как сигнал на выходе матрицы двухполярный в соответствии с прошивкой обмотки считывания. Амплитудный селектор 5 предназначен для выделения сигнала на фоне помех.

Блок развертки 7 предназначен для формирования импульсов управления, подаваемых на координатные шины матрицы, на управляющий вход видеоконтрольного блока 6 и на второй вход блока амплитудной и временной селекции 5.

Работает преобразователь следующим образом.

Источник теплового поля 1 нагревает объект контроля 2, в местах расположения дефектов возникает неоднородность теплового поля, которая воздействует на матричный фото- или термочувствительный элементный узел 3 и изменяет проводимость фото- или термочувствительных элементов 10. Переключение сердечников импульсами тока приводит к тому, что остаточная индукция сильно зависит от разброса параметров самих сердечников, наличие же короткозамкнутой обмотки 9 позволяет переключать сердечник импульсами напряжения, при этом остаточная индукция зависит только от сопротивления короткозамкнутой обмотки, а включение в цепь короткозамкнутой обмотки фото- или термочувствительного элемента 10 обеспечивает зависимость остаточной индукции от интенсивности потока излучения или рельефа теплового поля.

При совпадении импульсов тока, подаваемых блоком развертки 7 на координатные шины 11, 12, 13, сердечник переключается из одного состояния остаточной намагниченности в другое. При этом в обмотке считывания наводится ЭДС электромагнитной индукции. Амплитуда импульсов определяется величиной остаточной индукции, а значит интенсивностью поля рассеяния дефекта.

Блок развертки 7 поочередно перемагничивает сердечники 8 строку за строкой. Выходной сигнал фоточувствительного узла 3 поступает на вход дифференциального усилителя 4, который может усиливать напряжение обеих полярностей, далее сигнал через блок амплитудной временной селекции 5, в котором происходит отсечка всех на выбранном уровне по амплитуде и отделение полезного сигнала от помех, не совпадающих во времени с полезным сигналом, поступает в видеоконтрольный блок 6. Временная селекция производится по стробирующим импульсам, поступающим на второй вход блока селекции 5 со второго выхода блока развертки.

Сигналы с третьего выхода блока развертки 7 обеспечивают перемещение луча на экране видеоконтрольного блока 6 синхронно с опросом элементов фоточувствительного узла 3. Сигнал, подаваемый на первый вход видеоконтрольного блока, модулирует яркость светового пятна на экране, в результате появляется визуальное изображение, соответствующее рельефу теплового поля на поверхности объекта контроля или интенсивности потока излучения.

Применение трехкоординатной системы опроса обеспечивает общую погрешность не больше 1% Блок развертки формирует импульсы, с частотой опроса элементов матрицы, необходимые для временной селекции, имеет три дешифратора, выходы которых соединены с соответствующими системами координатных шин - вертикальной, горизонтальной и диагональной. Диагональная координата согласована с вертикальной и горизонтальной. Например, для выбора первого элемента матрицы выбирается строка 1, столбец 1, диагональ 4.

Применение предложенного преобразователя теплового поля к дефектоскопу позволит, по сравнению с прототипом, контролировать металлические и неметаллические изделия, получить визуальное изображение рельефа теплового поля или интенсивности потока излучения.

Сущность изобретения: преобразователь дефектоскопа содержит чувствительный узел в виде матрицы из кольцевых ферритовых сердечников с прямоугольной петлей гистерезиса, охваченных обмоткой, замкнутой через фото- или термочувствительный элемент, терморезистор, фотодиод, фоторезистор или другие, причем чувствительные элементы организованы в матрицу и изготовлены в интегральном исполнении. Запись и считывание изменений сопротивлений чувствительных элементов осуществляется трехкоординатной системой выборки. Рельеф теплового поля или распределение интенсивности потока излучения преобразуется в визуальное изображение на экране видеоконтрольного устройства. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Преобразователь к дефектоскопу для теплового контроля, содержащий последовательно соединенные матрицу из ферритовых кольцевых сердечников с прямоугольной петлей гистерезиса, прошитых вертикальными, горизонтальными и диагональными адресными шинами, причем каждый сердечник снабжен обмоткой и элементом, замыкающим обмотку, усилитель, блок селекции сигнала, видеоконтрольный блок и блок развертки, первый выход которого соединен с адресными шинами, второй выход которого соединен с синхровходом видеоконтрольного устройства, а третий выход которого соединен с управляющим входом блока селекции, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности неразрушающего контактного контроля нагретых изделий, обмотка замкнута фото- или термочувствительным элементом. 2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что элемент замыкающий обмотку выполнен в виде фоторезисторов или фотодиода.