СПОСОБ КОНТРОЛЯ ЧИСТОТЫ МАТЕРИАЛА ЭЛЕКТРОПРОВОДНОГО ИЗДЕЛИЯ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 1998 года по МПК G01R27/14 G01R27/00 G01R27/02 

Изобретение относится к исследованию и анализу материалов с помощью электрических средств и может быть использовано в контроле неоднородности электропроводного изделия по толщине материала, например, при проверке возможной подделки изделия в форме слитка из драгоценного или редкого металла.

Существующие способы определения неоднородности материала изделия, заключающиеся в получении пробы материала по его глубине путем высверливания изделия или среза его материала не приемлемы для изделий из благородных или редких металлов. В отношении этих металлов необходимо использовать неразрушающие методы контроля, которые, однако, пригодны для получения характеристики неоднородности материала изделия в виде размеров и глубины локальных дефектов, образующихся на поверхности изделия, и не позволяют судить о наличии в глубине материала изделия поверхности перехода от одного металла к другому. Однако именно эту информацию необходимо получить при идентификации чистоты изделия, изготовленного из драгоценного или редкого металла, для того, чтобы отличить слиток, например, чистого золота от позолоченного слитка из простого металла.

Среди неразрушающих способов контроля изделий из электропроводного материала наиболее близкими к изобретению являются способы исследования с применением электромагнитных средств.

Известен способ обнаружения дефектов металлического изделия с помощью вихревых токов, генерируемых в материале изделия индукционной катушкой, по которой пропускают переменный ток по меньшей мере двух разных частот (US, патент 4646013, G 01 N 27/90, 1987). В зависимости от частоты переменного магнитного поля катушки изменяется величина вихревых токов и глубина их проникновения в металл изделия. При этом величину наводимых вихревых токов измеряют путем измерения сигнала отклика, фиксируя обратное действие поля вихревых токов на возбуждающую катушку, и по измеренным величинам вихревых токов определяют расположение и глубину дефекта.

Известный способ применим главным образом для обнаружения локальных дефектов на поверхности изделия, однако малоэффективен для исследования неоднородности изделия по толщине металла, так как не позволяет надежно выявлять дефект в его глубине. Причиной этого является недостаток способов возбуждения вихревых токов и снятия сигнала отклика. Чувствительность системы измерения зависит от ЭДС, наводимой в измерительной катушке вихревыми токами, которая пропорциональна индуктивности катушки и частоте изменения тока. Увеличение последних приводит к повышению чувствительности измерений, однако увеличение частоты тока снижает глубину его проникновения в металл, а увеличение индуктивности ограничено размерами катушки и явлением самоиндукции, что вносит возмущающие воздействия на измеряемый параметр.

Известен способ контроля неоднородности материала электропроводного изделия, включающий пропускание через изделие электрического тока двух разных частот, измерение сигнала отклика материала изделия на пропускаемый ток в виде наводимых в измерительном преобразователе (индукционной катушке) ЭДС и магнитных потоков через сечение контролируемого участка изделия, обработку измеренного сигнала и последующее получение характеристик неоднородности материала изделия (SU, авт. св. 1295315, G 01 N 27/82, 1987).

Способ в соответствии с последним аналогом более эффективен для определения неоднородности изделия по толщине металла, чем первый аналог, так как допускает использование более чувствительной системы измерений и позволяет обнаружить дефекты на большей глубине материала изделия. Однако применение этого способа так же, как и в первом случае, ограничено возможностью контроля только локальной неоднородности металла и только в поверхностном его слое, что не обеспечивает получение информации о степени неоднородности по всей толщине металла. Поэтому способ не применим для установления, например, подлинности золотого слитка в отличии от позолоченного, так как граница неоднородности материала изделия (между золотым покрытием и простым металлом) не имеет свойств локального поверхностного дефекта, что не позволяет идентифицировать такую неоднородность. Кроме того, указанный способ может быть реализован только для ферромагнитных изделий и не осуществим для изделий из материала с иными магнитными свойствами, к которым большей частью относятся благородные и редкие металлы.

Задачей изобретения является разработка такого способа (вариантов) неразрушающего контроля изделия из электропроводного материала, который с помощью простых и известных средств позволил бы получить по всей его толщине информацию о неоднородности в виде наличия слоя, свойства которого отличаются от свойств основного материала, а также глубину расположения такого слоя. Это в свою очередь применительно к изделиям из благородных или редких металлов и позволяет с помощью простых технических средств надежно идентифицировать не только нарушение чистоты материала изделия, но и определить количественную характеристику этого нарушения, т.е. установить как факт подделки изделия, так и ее характер.

Поставленная задача решается тем, что в способе контроля неоднородности материала электропроводного изделия, включающем пропускание через изделие электрического тока, измерение сигнала отклика материала изделия на пропускаемый ток и последующую обработку измеренного сигнала, согласно изобретению через изделие пропускают переменный ток с заданным диапазоном частот, в качестве сигнала отклика измеряют для каждого значения частоты тока напряжение или силу тока на исследуемом участке изделия, в процессе обработки измеренного сигнала его величину сравнивают с величиной эталонного сигнала той же частоты из банка полученных ранее величин сигналов, соответствующих определенному типоразмеру изделия, и в случае не совпадения сравниваемых величин определяют присутствие нарушения однородности материала.

Измеряемым параметром сигнала отклика для каждого значения частоты может быть амплитудное значение напряжения или амплитудное значение силы тока.

Целесообразно, чтобы диапазон частот пропускаемого через изделие переменного тока, соответствовал возрастающей последовательности, в которой минимальное значение частоты близко к нулю, максимальное значение определяет заданную минимальную толщину слоя проникновения переменного тока внутрь материала изделия, а промежуточные частоты соответствуют значениям проникновения тока на заданные глубины материала изделия.

Поставленная задача решается также и тем, что в способе контроля неоднородности материала электропроводного изделия, включающем пропускание через изделие электрического тока, измерение сигнала отклика материала изделия на пропускаемый ток и последующую обработку измеренного сигнала, согласно изобретению через изделие пропускают переменный ток с заданным диапазоном частот, в качестве сигнала отклика измеряют для каждого значения частоты тока напряжение и силу тока на исследуемом участке изделия, в процессе обработки измеренного сигнала получают значение резистивной характеристики в виде сопротивления или удельного сопротивления каждого слоя материала изделия, расположенного на глубине, соответствующей значениям двух смежных частот заданного диапазона, и по распределению резистивной характеристики по толщине материала изделия определяют присутствие нарушения однородности материала.

Измеряемым параметром сигнала отклика так же, как и в первом варианте способа, могут быть амплитудные значение напряжения или силы тока и, кроме того, эти же амплитудные значения, но при условии неизменного амплитудного значения силы тока между контактами подвода для всех частот или амплитудного значения силы тока при неизменном амплитудном значении напряжения между контактами подвода для всех частот.

Приведенные выше признаки, характеризующие изобретения, существенны, так как каждый из них влияет на соответствующий технический результат, который в совокупности с другими техническими результатами обеспечивает решение поставленной задачи.

Так измерение в качестве сигнала отклика напряжения или силы тока на исследуемом участке изделия позволяет для каждого значения его частоты с помощью широко используемых средств, например теплового или электромагнитного гальванометра, произвести в материале изделия зондирование скин-слоя, толщина которого соответствует текущему значению частоты переменного тока (например, Калашников С.Г., Электричество, -М: Наука, 1970, с. 325 - 327). Сравнение величины измеренного сигнала с величиной эталонного сигнала той же частоты из банка полученных ранее значений сигналов, соответствующих определенному типоразмеру изделия из однородного материала, позволяет по степени несовпадения сравниваемых величин получить информацию как о нарушении однородности материала, так и оценить глубину залегания неоднородности и ее размеры.

Возможность измерения в качестве сигнала отклика амплитудных значений напряжения и силы тока расширяет арсенал используемых для осуществления способа средств, позволяя применять из них наиболее простые и надежные в работе.

Наконец, выбор диапазона частот переменного тока в виде возрастающей последовательности, в которой минимальное значение частоты близко к нулю, максимальное значение определяет заданную минимальную толщину слоя проникновения переменного тока внутрь материала изделия, а промежуточные частоты соответствуют значениям проникновения тока на заданные глубины материала изделия, позволяет зондировать изделие по толщинам скин-слоев.

Во втором варианте способа измерение для каждого значения частоты двух параметров тока: напряжения и силы тока на исследуемом участке изделия позволяет определить резистивную характеристику каждого слоя материала изделия, расположенного на глубине, соответствующей значениям двух смежных частот заданного диапазона. Это означает возможность получения информации о нарушении однородности материала изделия в более тонкой, чем скин-слой, прослойке материала, что обеспечивает более точное зондирование материала по его глубине. При этом отпадает необходимость в предварительном формировании банка значений эталонных сигналов. К тому же полученная информация в отличие от первого варианта способа позволяет определить также электрические свойства материала слоя неоднородности и тем самым установить вид этого материала.

Возможность измерения в качестве сигнала отклика как амплитудного значения напряжения при неизменном амплитудном значении силы тока, так и амплитудного значения силы тока при неизменном амплитудном значении напряжения позволяет сократить число измеряемых параметров сигнала.

Обоснование существенности признаков изобретения свидетельствует, что в отношении первого способа одна совокупность признаков позволяет с помощью простых средств установить нарушение однородности материала изделия, а в отношении второго способа другая совокупность свидетельствует о возможности получения, кроме того, информации о глубине расположения слоя, где имеет место обнаруженная неоднородность, и природу материала неоднородности. Таким образом оба способа решают задачу изобретения и обеспечивают достижение общего совокупного технического результата - обнаружение неоднородности материала электропроводного изделия, что позволяет отнести предложенные технические решения к вариантам способа.

Оба варианта способа основаны на скин-эффекте - явлении, в соответствии с которым толщина вытеснения переменного тока к поверхности проводника (толщина скин-слоя) зависит от частоты тока (см. указанный выше литературный источник). Поэтому, если на участке проводника, через который пропускают ток, поддерживать для любой частоты постоянными значения одного из параметров: силы тока или напряжения, то значение другого параметра будет зависеть от толщины скин-слоя и свойств его материала. Существование такой зависимости позволяет выявить изменение свойств материала изделия при переходе от одного скин-слоя к другому.

Для обеих вариантов способа часть операций является общей, выполняемой для каждого варианта. Поэтому осуществление способа контроля неоднородности материала электропроводного изделия приводится ниже, начиная с описания этой общей части операций.

Через электропроводное, например, металлическое изделие пропускают переменный ток заданного диапазона частот, вырабатываемого, например, с помощью генератора частот известной конструкции. Наиболее удобным является диапазон частот, соответствующий возрастающей последовательности, в которой минимальное значение частоты близко или равно нулю (переменный ток вырождается в постоянный), максимальное значение определяет заданную минимальную толщину скин-слоя, а промежуточные частоты соответствуют значениям проникновения тока на заданные глубины материала изделия. Получение числовых значений частот в соответствии с указанным условием может быть выполнено с использованием известных математических соотношений, определяющих функциональную связь между значением частоты переменного тока и толщиной скин-слоя (см. выше ссылку на литературный источник).

Переменный ток с помощью контактов подвода подают к участкам изделия, ограничивающим исследуемую его часть. Такие участки могут принадлежать частям поверхности изделия, определяющим его габариты, например его торцам (в случае изделия в форме слитка). В контактах съема измеряют сигнал отклика для каждой из частот в виде напряжения или силы тока на исследуемом участке изделия. Причем при определении напряжения контакты съема размещают на тех же участках изделия, что и контакты подвода (параллельное подсоединение измерительного прибора к исследуемому участку изделия). Если измеряют силу тока, то контакты съема располагают перед одним или за другим из контактов подвода (последовательное подсоединение измерительного прибора).

Измеренный сигнал отклика после его усиления и частотной фильтрации направляют в детектор и далее в блок обработки.

Генератор одновременно может вырабатывать несколько частот, при этом используют перестраиваемый фильтр, который может отслеживать последовательно все частоты, либо одновременно всю сетку частот, работая в этом случае в режиме параллельного включения нескольких фильтров. В первом случае величину сигнала отклика определяют послойным сканированием по всей толщине материала изделия, во втором случае сканирование выполняют одновременно.

Для осуществления первого варианта способа в базе данных, размещенной в блоке обработки сигнала и связанной с процессором, содержится банк значений эталонных сигналов для той же сетки частот, что и вырабатываемой генератором при осуществлении способа. Банк значений эталонных сигналов может быть сформирован заранее до осуществления способа по расчетным данным либо в результате экспериментальных исследований. Цель обоих подходов к формированию банка состоит в определении для каждого исследуемого типоразмера изделия или его фрагмента (эталонного образца) величины напряжения или силы тока на тех же участках изделия, что и подлежащих исследованию, в зависимости от частоты пропускаемого через изделие переменного тока и последующего размещения полученных величин в базе данных.

В блоке обработки процессор, используя базу данных, производит сравнение величины сигнала отклика с величиной эталонного сигнала и формирует сигнал рассогласования, пропорциональный разности величин сигнала отклика и эталонного сигнала. По величине сигнала рассогласования определяют присутствие нарушения однородности материала изделия и степень неоднородности. Так, если величина сигнала рассогласования близка к нулю, то это свидетельствует об однородности материала изделия в пределах скин-слоя, соответствующего данной частоте тока. Заметная величина сигнала рассогласования свидетельствует о присутствии в исследуемом скин-слое неоднородности в материале. Значительная величина сигнала рассогласования позволяет заключить о присутствии неоднородности со свойствами, значительно отличающимися от свойств остального материала изделия. Наконец, увеличение сигнала рассогласования при уменьшении частоты тока означает, что очаг неоднородности распространяется вглубь материала изделия.

Во втором варианте способа в блоке обработки процессор по величине сигнала отклика осуществляет расчет резистивной характеристики каждого слоя материала изделия, расположенного на глубине, соответствующей значениям f₁ и f₂ (f₁<f₂) двух смежных частот заданного диапазона. Толщина h такого слоя (далее дельта-слоя) определяется разностью толщин d(f) двух скин-слоев, каждый из которых характеризуется одним из значений f₁ или f₂ указанных частот в соответствии с выражением: h = d(f₁)-d(f₂). Резистивной характеристикой является сопротивление или удельное сопротивления исследуемого дельта-слоя проводника, причем для получения удельного сопротивления должна использоваться информация о габаритных параметрах изделия (для изделия в виде слитка такими параметрами являются длина, ширина и толщина слитка).

В общем случае определение резистивной характеристики дельта-слоя осуществляют по следующему алгоритму.

По значениям U₁ и U₂ напряжения и 11 и 12 силы тока, полученным в качестве сигнала отклика между измерительными контактами изделия для двух смежных частот f₁ и f₂ переменного тока, процессор осуществляет расчет сопротивления R дельта-слоя в соответствии с математическим выражением:
R = (U₁•U₂₎)/(U₂•11 - U₁•12).

Приведенное выражение получено, исходя из очевидной предпосылки, что в проводнике скин-слой, толщина d(f₂) которого соответствует частоте f₂<f₁, и дельта-слой h = d(f₁)) - d(f₂) (см. выше) можно рассматривать как параллельно соединенные проводники.

Способ осуществляется наиболее просто, если в контактах съема измеряют сигнал отклика в виде напряжения при фиксированном значении силы тока для любой его частоты либо силы тока при фиксированном значении напряжения также для каждой из частот. В этом случае отпадает необходимость в измерении для каждого значения частоты тока одного из параметров: либо силы тока, либо напряжения, так как этот параметр достаточно измерить лишь один раз. Понятие "фиксированное" означает, что между контактами подвода тока для любого значения его частоты в одном случае не должна изменяться амплитудная величина силы тока, а в другом случае при изменении частоты тока не должна изменяться амплитудная величина напряжения. В этом случае генератор частот настраивают на режим выработки либо тока, либо напряжения с постоянными соответствующими амплитудными значениями для всей вырабатываемой сетки частот.

Измеряемыми параметрами сигнала отклика так же, как и в первом варианте способа, могут быть как переменные значения напряжения или силы тока между контактами съема, так и их амплитудные значения.

В частном случае выполнения способа, когда между контактами подвода тока к изделию фиксируется сила тока 1, процессор для расчета сопротивления R дельта-слоя использует математическое выражение:
R = 1/I•(U₁•U₂)/(U₂ - U₁).

Если фиксируется напряжение U, то процессор проводит расчет в соответствии с выражением:
R = U/(I1 - I2).

Оба выражения являются следствием приведенного выше соотношения для определения величины сопротивления дельта-слоя в общем случае.

Расчет другой резистивной характеристики - удельного сопротивления R_o процессор выполняет в соответствии с математическим выражением:
R_o = b•h/l•R,
где
b и l являются шириной и длиной изделия (для изделия в форме слитка).

Принцип действия генератора частот, работающего в режиме фиксированного амплитудного значения силы тока или напряжения между контактами подвода к исследуемому участку изделия, основан на существенном различии его внутреннего сопротивления и сопротивления внешней цепи. Так, если внутреннее сопротивление генератора много больше сопротивления внешней цепи, то генератор обеспечивает цепь током, амплитудное значение которого между контактами подвода практически не изменяется при изменении частоты и, как следствие, изменении сопротивления скин-слоя. Если внутреннее сопротивление генератора много меньше сопротивления внешней цепи, то во внешней цепи между контактами подвода остается неизменным амплитудное значение напряжения независимо от сопротивления исследуемого участка изделия.

Получив распределение резистивной характеристики по толщине материала изделия, определяют присутствие нарушения однородности материала изделия и глубину залегания слоя неоднородности. Так, если в указанном распределении имеет место локальное отклонение от среднего значения резистивной характеристики, то это свидетельствует о нарушении однородности материала изделия. Для изделий с примерно постоянной величиной поперечного сечения, например слитков, колец, сплошных и полых цилиндров и др., глубину H расположения слоя неоднородности можно с достаточной точностью оценить соотношением:
H = (d(f₁) + d(f₂))/2,
где числовое значение функции d(f), выражающей зависимость толщины скин-слоя от частоты переменного тока, может быть получено из известных соотношений (см. указанный выше литературный источник).

Если в качестве резистивной характеристики используют удельное сопротивление, то величина локального отклонения распределения удельного сопротивления по дельта-слоям от среднего значения резистивной характеристики позволяет определить природу материала неоднородности. Так, например, можно установить наличие в золотом слитке слоя из вольфрама, имеющего с золотом приблизительно одну величину плотности, но значительно большее удельное сопротивление.

Приведенный выше материал свидетельствует о промышленной применимости предложенного способа, так как показана его осуществимость с помощью известных средств.

Следует отметить, что область применения предложенного способа не ограничена только его использованием для определения подделки изделия из драгоценного или редкого металла. Очевидно, что способ с успехом может применяться для определения неоднородностей, имеющих функциональное назначение, например для неразрушающего контроля толщины покрытия, нанесенного на объект плакированием, гальваникой, измерения параметров бронзовых (баббитовых) втулок, впрессованных в стальные обоймы подшипников скольжения и т.д.

Изобретение относится к исследованию и анализу материалов с помощью электрических средств и предназначено для контроля неоднородности электропроводного изделия по толщине материала, например, при проверки возможной подделки изделия в форме слитка из драгоценного или редкого металла. Способ основан на зондировании скин-слоя материала токами различных частот. Для каждого значения частоты переменного тока определяют силу тока и/или напряжения на исследуемом участке изделия. Определение резистивной характеристики каждого слоя материала изделия, расположенного на глубине, соответствующей значениям двух смежных частот заданного диапазона, позволяет получить информацию о нарушении однородности материала в более тонкой, чем скин-слой, прослойке материала. 2 с. и 4 з.п. ф-лы.

1. Способ контроля чистоты материала электропроводного изделия, включающий пропускание через изделие электрического тока, измерение сигнала отклика материала изделия на пропускаемый ток и последующую обработку измеренного сигнала, отличающийся тем, что через изделие пропускают переменный ток с заданным диапазоном частот, в качестве сигнала отклика измеряют для каждого значения частоты тока напряжение или силу тока на исследуемом участке изделия, в процессе обработки измеренного сигнала его величину сравнивают с величиной эталонного сигнала той же частоты из банка полученных ранее величин сигналов, соответствующих определенному типоразмеру изделия, и в случае несовпадения сравниваемых величин определяют присутствие нарушения чистоты материала изделия. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что измеряемым параметром сигнала отклика для каждого значения частоты является амплитудное значение напряжения или амплитудное значение силы тока. 3. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что диапазон частот пропускаемого через изделие переменного тока соответствует возрастающей последовательности, в которой минимальное значение частоты близко или равно нулю, максимальное значение определяет заданную минимальную толщину слоя проникновения переменного тока внутрь материала изделия, а промежуточные частоты соответствуют значениям проникновения тока на заданную глубину материала изделия. 4. Способ контроля чистоты материала электропроводного изделия, включающий пропускание через изделие электрического тока, измерение сигнала отклика материала изделия на пропускаемый ток и последующую обработку измеренного сигнала, отличающийся тем, что через изделие пропускают переменный ток с заданным диапазоном частот, в качестве сигнала отклика измеряют для каждого значения частоты тока напряжение и силу тока на исследуемом участке изделия, в процессе обработки измеренного сигнала получают значение резистивной характеристики в виде сопротивления или удельного сопротивления каждого слоя материала изделия, расположенного на глубине, соответствующей значениям двух смежных частот заданного диапазона и по распределению резистивной характеристики по толщине материала определяют присутствие нарушения чистоты материала изделия. 5. Способ по п.4, отличающийся тем, что измеряемым параметром сигнала отклика для каждого значения частоты является амплитудное значение напряжения или амплитудное значение силы тока. 6. Способ по п.5, отличающийся тем, что между контактами подвода тока к изделию оставляют неизменным амплитудное значение силы тока или амплитудное значение напряжения для всех частот.