ЭЛЕКТРОПОТЕНЦИАЛЬНЫЙ СПОСОБ ДВУХПАРАМЕТРОВОГО КОНТРОЛЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ СВОЙСТВ МЕТАЛЛА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2000 года по МПК G01N27/72 G01N27/04 G01R33/12 

Изобретение относится к неразрушающему контролю электропроводящих изделий и может быть использовано в машиностроении для измерения удельного сопротивления и магнитной проницаемости конструкционных сталей.

В работе [1] получено общее выражение для разности потенциалов между двумя точками поверхности проводящего полупространства, возникающей при пропускании через него переменного тока с помощью перпендикулярных этой поверхности плоских токопроводящих электродов. Там же для частных случаев постоянного и высокочастотного переменного тока выписаны формулы, которые могут быть использованы для определения электропроводности σ и магнитной проницаемости μ материала по измеренным в этих случаях значениям поверхностной разности потенциалов.

При реализации такого способа трудно обеспечить и невозможно проконтролировать требуемую по условию задачи равномерность ввода тока вдоль контактной линии. Кроме того, для практического применения формул из [1] нужно уменьшить краевые эффекты, увеличив длину контактной линии так, чтобы она значительно превосходила расстояние между токопроводящими электродами; это неоправданно увеличивать габариты датчика. Наконец, на высоких частотах необходимо учитывать индуктивную наводку в измерительном контуре.

Наиболее близким по технической сущности является способ определения электромагнитных постоянных σ и μ однородного металла, описанный в [2]. В этой работе через плоский участок поверхности массивного образца с помощью пары иголочных электродов вводился переменный ток с такой частотой, чтобы существенно проявился скин-эффект, а с помощью второй пары иголочных электродов измерялось напряжение между двумя точками поверхности образца. По опытным данным, полученным на серии частот, вычислялись значения реальной составляющей поверхностного напряжения, строились вспомогательные кривые, по точке их пересечения определялись значения вспомогательных параметров, а затем последовательно вычислялись величины ρ = 1/σ и μ .

При данном способе не использовалась мнимая составляющая полезного сигнала. Другой недостаток состоял в том, что для каждого образца было необходимо строить свои, как минимум, две кривые. При этом следовало суммировать бесконечные ряды с комплексными членами, что требовало расчетов на ЭВМ.

Чтобы повысить достоверность и оперативность контроля, предлагается наряду с реальной составляющей полезного сигнала использовать его мнимую составляющую, а удельное сопротивление ρ и магнитную проницаемость μ - определить одновременно по специальным диаграммам, построенным заранее для данной геометрии преобразователя, величины тока и выбранных частот.

Для этого через контролируемый образец с помощью токовой пары электродов пропускают переменный ток I и измеряют на потенциальной паре электродов напряжение U_е, равное сумме напряжения U₁ на участке поверхности образца и напряжения U₁ индуктивной наводки в измерительном контуре.

В первом варианте по результатам измерений на заданной низкой f₁ и высокой f₂ частоте определяют значения реальной составляющей напряжения ReU_e, а затем по диаграмме изолиний реальной составляющей ReU поверхностного напряжения U, построенной заранее для этих частот на плоскости переменных μ и ρ с учетом расположения точек ввода тока и снятия напряжения на поверхности образца при данной величине тока, одновременно определяют удельное сопротивление и магнитную проницаемость образца.

Во втором варианте по результатам измерений на заданной умеренной частоте f (f₁ < f < f₂) определяют значения реальной ReU_e и мнимой ImU_e составляющих напряжения U_e, а затем по диаграмме изолиний реальной ReU и мнимой ImU составляющих поверхностного напряжения U, построенной заранее для этой частоты на плоскости переменных μ и ρ с учетом расположения точек ввода тока и снятия напряжения на поверхности образца при данной величине тока, одновременно определяют удельное сопротивление и магнитную проницаемость образца.

Возможность двухпараметрового контроля связана с тем, что на переменном токе благодаря скин-эффекту напряжение U на поверхности образца заметным образом сдвинуто по фазе относительно возбуждающего тока I. На сверхнизкой частоте (< f₁), где толщина скин-слоя δ велика по сравнению с полурасстоянием l между электродами токовой пары, составляющая ReU пропорциональна величине ρ и не зависит от μ , а составляющая ImU наоборот пропорциональна величине μ и не зависит от ρ. Поэтому и на умеренно низких частотах (≥ f₁), где величины δ и l - одного порядка, составляющие ReU и ImU по-разному зависят от исследуемых свойств ( ρ и μ ) материала. С другой стороны, на сверхвысоких частотах ( ≥ f₂), где толщина δ мала по сравнению с величиной l, обе составляющие поверхностного напряжения пропорциональны произведению ρ и μ. Поэтому и на умеренно высоких частотах (≤ f₂) мы имеем качественно новый (по сравнению указанным для низких частот) тип зависимости составляющих ReU и ImU от параметров ρ и μ.

Использованию мнимой составляющей поверхностного напряжения на низких частотах препятствует ее малость по сравнению с реальной составляющей, а на высоких частотах - возбуждаемая в измерительном контуре индуктивная наводка U₁ = β fI, сдвинутая по фазе на π /2 по отношению к току I. Постоянная преобразователя β зависит только от взаимного расположения электродов и подводящих проводов вблизи поверхности образца, где невозможно экранировать измерительный контур от возбуждающего. На умеренных частотах (f₁ < f < f₂), где составляющие ReU, ImU - величины одного порядка, индуктивная наводка U₁ не мала, но ее величина не зависит от свойств образца. Ее можно рассчитать заранее по данным калибровочного опыта и каждый раз вычитать из мнимой составляющей измеряемого напряжения U_e.

На фиг. 1 показано устройство, реализующее предлагаемый способ двухпараметрового контроля. На фиг. 2 представлены диаграммы изолиний составляющих поверхностного напряжения ReU и ImU, с указанием их значений в мкВ, которые построены на плоскости переменных μ и ρ для описанного ниже преобразователя.

Устройство содержит четырехэлектродный преобразователь 1 (обозначен пунктиром), состоящий из потенциальной и токовой пар лежащих в одной плоскости, подвижных независимо подпружинных, иголочных электродов. Электроды a, b потенциальной пары находятся между электродами c, d токовой пары. В состав устройства входит также генератор синусоидального тока 2, работающий в режиме плавающей нагрузки, реостат 3, эталонное сопротивление 4, милливольтметр 5, дифференциальный усилитель 6, селективный микровольтметр 7 и фазометр 8.

Способ осуществляют следующим образом. Преобразователь приводят в контакт с поверхностью образца, свойства которого подлежат контролю, и через электроды токовой пары пропускают переменный ток I. Величина тока I берется в диапазоне, где флуктуации измеряемого напряжения невелика (нижняя граница) и еще можно пренебречь нагревом образца в окрестности контактных точек (верхняя граница). В зависимости от варианта способа на одной или двух заданных частотах измеряют на потенциальной паре электродов напряжение U_e (в данной схеме - модуль и фазу напряжения ϕ по отношению к току). По результатам измерений вычисляют значения составляющих поверхностного напряжения:
ReU = ReU_e (1)
ImU = ImU_e - U₁ (2)
На диаграмме преобразователя, построенной для выбранного варианта способа (фиг. 2), находят соответствующие этим значениям изолинии. По точке их пересечения определяют удельное сопротивление ρ и магнитную проницаемость μ образца.

Заметим, что в данной измерительной схеме , . Однако можно предложить схему, в которой величины ReU_e, ImU_e измерялись бы непосредственно. Следует отметить также, что составляющие ReU, ImU - положительны, тогда как ϕ и U₁ являются алгебраическими величинами.

Для построения приведенных на фиг. 2 диаграмм использовалось полученное в [2] выражение для поверхностного напряжения:
U = U₀F(ζ,const). (3)
Здесь U₀= gρI/(2πl) - напряжение на потенциальной паре при постоянном токе: - обобщенный частотный параметр; g, const - конструктивные параметры преобразователя, выражаемые через расстояния между контактными точками потенциальных и токовых электродов на поверхности образца. Определение комплексной функции F дается в [2].

В описанной измерительной схеме использовался симметричный преобразователь (фиг. 1) с линейным расположением точек контакта электродов на поверхности образца и отношением межэлектродных расстояний h/1 = 1/3 для потенциальной и токовой пар. Диаграмма (a) на фиг. 2 относится к первому варианту способа при токе величиной 32 мА и частотах 20 и 1280 Гц, диаграмма (б) - ко второму варианту при такой же величине тока и частоте 200 Гц. Диапазоны изменения параметров μ и ρ соответствуют свойствам сталей. В областях, где изолинии пересекаются под углами, близкими к π /2, оба варианта способа обеспечивают хорошее разрешение контролируемых параметров μ и ρ.

Постоянная преобразователя β определяется из калибровочного опыта, в ходе которого на одном, вообще говоря, любом образце для серии частот от f₁ до f₂ измеряются реальная ReU_e и мнимая ImU_e составляющая напряжения на потенциальной паре. По реальной составляющей (1), найденной для двух частот серии, и соответствующей диаграмме определяются μ и ρ взятого образца. (Для более точного определения этих параметров можно использовать данные, полученные на других частотах серии, так, как это описано в [2].) По найденным μ и ρ для всех частот серии с помощью (3) вычисляется мнимая составляющая ImU поверхностного напряжения, которая затем вычитается согласно (2) из мнимой составляющей измеренного напряжения:
U₁ = ImU_e - ImU (4)
Индуктивная наводка U₁ должна линейно зависеть от частоты. Из графика зависимости U₁(f) определяется коэффициент наклона прямой и по нему находится величина β. Она будет иметь знак (+) или (-) в зависимости от того, совпадают или противоположны по фазе индуктивная наводка и мнимая составляющая поверхностного напряжения.

При изменении угла ϕ для нахождения ImU_e могут возникнуть затруднения с определением его знака, например, в случае коммутации опорного и измерительного входов фазометра. При правильном определении знака угла ϕ частотная зависимость результата (4) калибровочного опыта будет линейной. Выбранное таким образом направление отсчета угла следует сохранить и при измерении ImU_e для определения ImU в (2).

На фиг. 3 показана частотная зависимость (4) для случаев правильного (а) и неправильного (б) определения знака ϕ . Измерения проводились на образце из стали марки 18ХГНТ при помощи симметричного преобразователя с l = 3 мм, h = 1 мм. Из графика следует, что β = 0,32 мкОм • с; индуктивная наводка находится в фазе с мнимой составляющей поверхностного напряжения ( β > 0).

Список литературы
1. Шубаев С.Н., Мужицкий В.Ф. Вопросы теории электропотенциального метода неразрушающего контроля. 1. Разность потенциалов, измеряемая в бездефектном электропроводящем полупространстве с помощью четырехэлектродного преобразователя. - Дефектоскопия. 1986, N 8, с. 59-66.

2. Митрофанов В. А. Вопросы теории электропотенциального метода неразрушающего контроля на переменном токе. - Дефектоскопия, 1998, N 3, с.37-45.

Использование: в машиностроении для определения удельного сопротивления и магнитной проницаемости однородных металлических изделий. Технический результат заключается в повышении достоверности и оперативности контроля электропроводящих материалов. С помощью четырехэлектродного иголочного преобразователя предлагается измерять напряжение на потенциальной паре электродов на переменном токе при существенном проявлении скин-эффекта. На заданных низкой и высокой либо умеренной частотах, затем по результатам измерения вычисляют либо реальную составляющую поверхностного напряжения на низкой и высокой частоте, либо реальную и мнимую составляющую этого напряжения на умеренной частоте, а затем по диаграмме изолиний реальной либо реальной и мнимой составляющих поверхностного напряжения, построенной заранее для этих частот на плоскости переменных магнитной проницаемости и удельного сопротивления с учетом расположения точек ввода тока и снятия напряжения одновременно определяют удельное сопротивление и магнитную проницаемость образца. 2 с.п. ф-лы, 3 ил.

1. Электропотенциальный способ двухпараметрового контроля электромагнитных свойств металла, заключающийся в том, что через образец пропускают переменный ток заданной величины и измеряют напряжение, возникающее на участке поверхности образца, отличающийся тем, что по результатам измерений на заданной низкой и высокой частоте вычисляют значения реальной составляющей поверхностного напряжения, а затем по диаграмме изолиний реальной составляющей поверхностного напряжения, построенной заранее для этих частот на плоскости переменных магнитной проницаемости и удельного сопротивления с учетом расположения точек ввода тока и снятия напряжения на поверхности образца при данной величине тока, одновременно определяют удельное сопротивление и магнитную проницаемость образца. 2. Электропотенциальный способ двухпараметрового контроля электромагнитных свойств металла, заключающийся в том, что через образец пропускают переменный ток заданной величины и измеряют напряжение, возникающее на участке поверхности образца, отличающийся тем, что по результатам измерений на заданной умеренной частоте вычисляют значения радиальной и мнимой составляющих поверхностного напряжения, а затем по диаграмме изолиний реальной и мнимой составляющих поверхностного напряжения, построенной заранее для этой частоты на плоскости переменных магнитной проницаемости и удельного сопротивления с учетом расположения точек ввода тока и снятия напряжения на поверхности образца при данной величине тока, одновременно определяют удельное сопротивление и магнитную проницаемость образца.