ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ СТРУКТУРОСКОП Российский патент 1998 года по МПК G01N27/90 

Изобретение относится к неразрушающим методам контроля качества и параметров покрытий электромагнитным методом и может быть использовано для производства и контроля покрытий.

Известно устройство, использующее вихретоковый преобразователь (ВТП) для оценки содержания углерода в отожженных стальных заготовках [1]. Работа устройства основана на измерении параметров калиброванных заготовок. Для изделий с необработанной поверхностью и сложной формой устройство неприменимо из-за большой погрешности измерения.

Известно устройство для измерения электропроводности цилиндрических неферромагнитных изделий переменного диаметра, в котором погрешность из-за изменения диаметра компенсируется путем учета коэффициента заполнения вихретокового преобразователя (ВТП) [2] . Устройство применимо только для цилиндрических изделий и проходных преобразователей.

Известно устройство для измерения удельной электрической проводимости, в котором для уменьшения влияния зазора вычисляют поправку к измеряемой фазе напряжения ВТП [3].

Известно устройство измерения удельной электрической проводимости, основанное на том, что ВТП устанавливают в двух положениях: на поверхность и на расстоянии от поверхности. Измеряют сигнал в первом положении, во втором положении изменяют частоту питания до тех пор, пока напряжение на ВТП не станет равным предыдущему. Полученное отклонение частоты дает значение удельной электрической проводимости и не зависит от зазора [4].

Известно вихретоковое устройство для разбраковки изделий и материалов по физико-механическим свойствам, основанное на измерении удельной электрической проводимости [5] . Влияние зазора на сигнал ВТП в этом устройстве исключается за счет вычисления σ как отношения логарифма натурального от амплитудной составляющей сигнала.

Известно устройство измерения параметров нефферомагнитного проводящего слоя, основанное на том, что измеряют частоту ω_o сигнала ВТП при максимальной разнице сигналов на смежных частотах и по частоте ω_o вычисляют σ [6] .

Недостатком данных устройств является низкая точность контроля изделий сложной формы и с необработанной поверхностью, так как при изменении кривизны и при наличии шероховатостей изменяется эффективный объем проводника в поле ВТП за счет изменения площади поверхности в активной зоне ВТП.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является электромагнитный структуроскоп [7], МКИ G 01 N 27/90, содержащий последовательно соединенные, генератор, вихретоковый преобразователь, селективный усилитель третьей гармоники генератора и фазовый детектор, соединенный своим опорным входом через блок формирования опорного напряжения с выходом генератора и сигнальным входом с выводом селективного усилителя, сумматор, соединенный своими входами с соответствующими выходами фазовых детекторов, а своим выходом с регистратором. Недостатком этого устройства является невозможность контроля нефферромагнитных материалов и большая погрешность при контроле изделий сложной формы за счет изменения площади поверхности в активной зоне ВТП.

Цель настоящего изобретения - повышение точности контроля физико-механических свойств проводящего нефферромагнитного покрытия на изделиях переменной кривизны с необработанной поверхностью.

Указанная цель достигается тем, что электромагнитный структуроскоп, содержащий вихретоковый параметрический преобразователь, генератор, блок детектирования и обработки информации, дополнительно снабжен индуктивным датчиком и блоком регулирования амплитуды генератора, причем выход генератора соединен со входом преобразователя, выход индуктивного датчика соединен со входом блока регулирования амплитуды генератора, выход которого соединен с управляющим входом генератора, а выход преобразователя соединен со входом схемы детектирования и обработки информации.

На фиг. 1а изображена схема расположения ВТП и индуктивного датчика на контролируемой поверхности; на фиг. 1б изображена зависимость индуктивности датчика от глубины шероховатости поверхности изделия; на фиг.1в изображены зависимости амплитуды напряжения на контура ВТП от глубины шероховатости поверхности без коррекции (кривая 1) и с коррекцией (кривая 2).

Электромагнитный структуроскоп (фиг.2) содержит управляемый генератор 1, вихретоковый параметрический преобразователь 2, индуктивный датчик 3, блок регулирования амплитуды генератора 4, блок детектирования и обработки информации 5, причем выход индуктивного датчика 3 соединен со входом блока регулирования амплитуды генератора 4, выход которого соединен с управляющим входом генератора 1, а выход преобразователя 2 соединен со входом блока детектирования и обработки информации 5.

Структуроскоп работает следующим образом.

Генератор 1 возбуждает в колебательном контуре преобразователя 2 вынужденные колебания. Амплитуда переменного напряжения на контуре U_m определяется его добротностью Q, которая зависит от объема проводника, находящегося в поле ВТП и от удельного электрического сопротивления материала изделия. Если изделие имеет плоскую и гладкую поверхность (линия P фиг. 1а), то U_m будет зависеть только от удельного электрического сопротивления материала покрытия.

При наличии шероховатости глубиной "δ", величина которой сравнима с толщиной покрытия и с шагом "b" (линия N на фиг. 1а), площадь поверхности в b-активной зоне преобразователя увеличивается в раз, где b - шаг неровностей. Во столько же раз увеличивается объем вносимого в активную зону ВТП проводника. Следовательно добротность Q_m - уменьшается по сравнению с Q_пл. Так при b = 1 мм и δ = 0,5 шероховатость вызовет изменение добротности Q на 40%. Аналогичное явление будет иметь место и при установке ВТП на криволинейную поверхность (линия M на фиг. 1а). Эффективный объем металла при этом увеличивается по сравнению с плоской поверхностью b:

раз, где
R - радиус кривизны поверхности изделия; d - диаметр активной зоны ВТП.

При диаметре активной зоны ВТП d = 10 мм и радиусе кривизны R = 50 мм изменение добротности составит 1,7%.

Следовательно, изменение радиуса кривизны и шероховатость поверхности вызывают отклонения U_m, не связанные с удельной электропроводностью материала покрытия.

Индуктивный датчик 3 представляет собой катушку индуктивности, активное поле которой совпадает с активным полем ВТП. В активное поле индуктивного датчика вносится проводящий материал покрытия. При этом индуктивность L такой катушки будет изменяться и будет тем меньше, чем больший объем проводящего материала оказывается в ее активной зоне (фиг. 1б), т.е. чем больше высота шероховатости δ.

В известных устройствах выходное напряжение генератора 1 не связано с площадью поверхности измеряемого покрытия в активной зоне ВТП, поэтому при увеличении шероховатости (δ) амплитуда напряжения будет уменьшаться в соответствии с кривой 1 фиг. 1в.

В предлагаемом структуроскопе информация о величине индуктивности L поступает в блок регулирования выходного напряжения генератора 4. Выходное напряжение генератора 1 увеличивается таким образом, что амплитуда напряжения U_m на контуре ВТП остается постоянной (линия 2 на фиг. 1в) и не зависящей от степени шероховатости и кривизны поверхности изделия. Результат измерения зависит только от электропроводности покрытия.

Результирующая погрешность измерения удельной электропроводности покрытия определяется погрешностью измерения величины индуктивности индуктивного датчика 3 и не превышает 0,5% [8].

Переменное напряжение с ВТП 2 поступает в блок детектирования и обработки информации 5, где происходит выделение значения U_m и перевод измеренного значения удельной электрической проводимости в численное значение измеряемого физического параметра, например, содержание в покрытии углерода.

Таким образом, данный структуроскоп позволяет уменьшить погрешность измерения удельной электрической проводимости нефферромагнитного покрытия на изделиях сложной формы и с шероховатой поверхностью за счет введения в активную зону ВТП индуктивного датчика и изменении выходного напряжения генератора в соответствии с величиной индуктивности этого датчика.

Погрешность измерения удельной электрической проводимости предлагаемым структуроскопом не превышает 0,5% по сравнению с 2-40% по прототипу.

Источники информации.

1. Неразрушающий контроль материалов и изделий. Справочник под ред. Г.С. Самойловича. М.: Машиностроение. 1976 г.

2. А.с. N 1237963, G 01 N 27/90.

3. А.с. N 1223128, G 01 N 27/90.

4. А.с. N 1216716, G 01 N 27/90.

5. А.с. N 1224705, G 01 N 27/90.

6. А.с. N 1211648, G 01 N 27/90.

7. А.с. N 894545, G 01 N 27/90.

8. Т. Д. Фрумкин. Расчет и конструирование радиоэлектронной аппаратуры. Высшая школа, М.: 1985., 287 стр.

Электромагнитный структуроскоп может быть использован для неразрушающего контроля качества и параметров покрытий электромагнитным методом при производстве и контроле качества покрытий. Повышена точность контроля физико-механических свойств проводящего неферромагнитного покрытия на изделиях переменной кривизны с необработанной поверхностью. Электромагнитный структуроскоп содержит вихретоковый параметрический преобразователь, генератор, блок детектирования и обработки информации, индуктивный датчик и блок регулирования амплитуды генератора. Выход генератора соединен со входом преобразователя, выход индуктивного датчика соединен со входом блока регулирования амплитуды генератора, выход которого соединен с управляющим входом генератора, а выход преобразователя соединен со входом блока детектирования и обработки информации. 2 ил.

Электромагнитный структуроскоп, содержащий вихретоковый параметрический преобразователь, генератор и блок детектирования и обработки информации, вход которого соединен с выходом вихретокового преобразователя, вход последнего соединен с выходом генератора, отличающийся тем, что дополнительно снабжен индуктивным датчиком, активное поле которого совпадает с активным полем вихретокового параметрического преобразователя, и блоком регулирования выходной амплитуды генератора, причем выход индуктивного датчика соединен с входом блока регулирования амплитуды генератора, выход которого соединен с управляющим входом генератора для обеспечения постоянной амплитуды напряжения на контуре вихретокового параметрического преобразователя.