УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УДЕЛЬНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОВОДИМОСТИ Российский патент 2002 года по МПК G01N27/90 G01R27/00 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано в авиационной, машиностроительной, металлургической промышленности для контроля качества электропроводящих изделий по величине удельной электрической проводимости их материалов.

Известен целый ряд вихретоковых устройств для измерения удельной электрической проводимости (см. Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий. Справочник под ред. В.В.Клюева. - М.: Машиностроение, 1976, кн. 2, с. 326). Все они отличаются друг от друга конструктивным исполнением, а с метрологической точки зрения - диапазоном измерений и степенью подавления мешающего влияния изменений зазора между контролируемой поверхностью и накладным вихретоковым преобразователем.

Одним из недостатков подавляющей массы приборов является сравнительно небольшой диапазон подавления мешающего влияния изменений зазора. Основным недостатком всех измерителей удельной электрической проводимости является отличие результатов измерений, сделанных на одном образце при разной температуре окружающей среды, а следовательно, и образца. Это связано с тем, что удельная электрическая проводимость всех металлов и сплавов в той или иной степени зависит от температуры. В то же время, все зависимости свойств материалов от удельной электрической проводимости (см. Наумов Н.М., Микляев П.Г. Резистометрический неразрушающий контроль деформируемых алюминиевых сплавов. - М. : Металлургия, 1974. - 216 с.) получены, как правило, для температуры +20^oС. Таким образом, испытания материалов, проведенные в полевых или цеховых условиях, могут привести к ошибочным результатам контроля.

Наиболее близким устройством к изобретению по совокупности признаков и принятым за прототип является "Устройство для вихретокового контроля" (см. Авт. свид. СССР 1310709, кл. G 01 N 27/90, 1987), включающее последовательно соединенные автогенератор, вихретоковый преобразователь и фазовый детектор, а также индикатор.

Однако ему также присущи все указанные выше недостатки.

Изобретением решается задача повышения надежности неразрушающего контроля свойств материалов и изделий по удельной электрической проводимости.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что устройство для измерения удельной электрической проводимости, содержащее последовательно соединенные автогенератор и вихретоковый преобразователь, фазовый детектор, вход опорного напряжения которого соединен с автогенератором, а также индикатор, дополнительно содержит последовательно соединенные компенсатор и сумматор, второй вход которого подключен к вихретоковому преобразователю, а выход - ко входу фазового детектора, и вход компенсатора соединен с автогенератором, последовательно соединенные блок измерения температуры, коммутатор, второй вход которого соединен с выходом фазового детектора, аналого-цифровой преобразователь, блок контроллера и блок индикации, входы управления коммутатора и аналого-цифрового преобразователя соединены с соответствующими выходами блока контроллера.

Кроме того, устройство содержит калибратор, состоящий из двух электропроводящих пластин с известными температурными коэффициентами удельной электрической проводимости и величинами удельной электрической проводимости, близкими к нижнему и верхнему пределам измерения устройства.

Отличительные признаки позволяют, учитывая особенности контроля свойств материалов по удельной электрической проводимости, реально повысить надежность контроля как за счет расширения диапазона отстройки от мешающего влияния изменений зазора, так и за счет учета реальной температуры окружающей среды.

Таким образом, каждый существенный признак сам по себе известен, но их совокупность представляет новизну качества, т.е. получено усовершенствование функциональной схемы устройства без ее существенного усложнения.

На фиг.1 представлена структурная схема устройства.

На фиг. 2 показаны годографы вносимого напряжения вихретокового преобразователя в зависимости от изменений удельной электрической проводимости, характеризуемой обобщенным параметром
,
где R - радиус преобразователя, ω - круговая частота тока возбуждения преобразователя, μ₀ - магнитная постоянная, σ - удельная электрическая проводимость, и зазора Н.

Устройство на фиг. 1 включает в себя последовательно соединенные автогенератор 1, вихретоковый преобразователь 2, сумматор 3, фазовый детектор 5, вход опорного напряжения которого подключен к автогенератору 1, коммутатор 6, аналого-цифровой преобразователь 8, блок 9 контроллера и блок 10 индикации. Также оно содержит компенсатор 4, вход которого соединен с автогенератором 1, а выход - со вторым входом сумматора 3, и блок 7 измерения температуры, подключенный ко второму входу коммутатора 6.

Устройство может содержать калибратор 11, состоящий из двух электропроводящих пластин с известными температурными коэффициентами удельной электрической проводимости и величинами удельной электрической проводимости, близкими к нижнему и верхнему пределам измерения устройства.

Из годографов на фиг.2 видно, что фаза вносимого напряжения ϕ возрастает с ростом удельной электрической проводимости. В то же время она значительно слабее изменяется с изменением зазора между преобразователем и контролируемым изделием. Поэтому фазовый способ измерения удельной электрической проводимости является одним из наиболее распространенных при создании таких устройств. Однако при значительных изменениях зазора в силу кривизны линий его годографов может появиться существенная погрешность измерений удельной электрической проводимости. Ее можно значительно снизить, если к вносимому напряжению добавить некоторое напряжение Uk и сместить начало отсчета в точку О', являющуюся точкой пересечения касательных к линиям годографов влияния зазора в диапазоне изменений Н=0...h1.

Повышение надежности контроля обеспечивается, во-первых, за счет введения компенсатора и сумматора, позволяющих расширить диапазон отстройки от мешающего влияния изменений зазора, во-вторых, за счет введения блока измерения температуры и блока контроллера, которые позволяют учесть изменение удельной электрической проводимости, обусловленное изменением температуры окружающей среды.

Обработка информации производится на перепрограммируемых микросхемах, что позволяет, в случае необходимости, расширить функциональные возможности устройства.

Устройство для измерения удельной электрической проводимости работает следующим образом.

Автогенератор 1 питает синусоидальным током вихретоковый преобразователь 2. Вносимое в преобразователь напряжение с его выхода поступает на вход сумматора 3, на второй вход которого поступает напряжение с выхода компенсатора 4. Напряжение компенсатора 4 выбирается таким образом, что фаза выходного напряжения сумматора 3 практически не зависит от изменений в некоторых пределах зазора между преобразователем 2 и контролируемой поверхностью. Это напряжение поступает на вход фазового детектора 5, на второй вход которого подается опорное напряжение от автогенератора 1.

Выходное напряжение фазометра 5, пропорциональное удельной электрической проводимости контролируемого материала, подается на вход коммутатора 6, на второй вход которого поступает выходное напряжение блока 7 измерения температуры, пропорциональное температуре окружающей среды, а следовательно, температуре контролируемого изделия. Выходные напряжения фазометра 5 и блока 7 измерения температуры через коммутатор 6 поочередно подаются на вход аналого-цифрового преобразователя 8 и далее в цифровом виде в блок 9 контроллера. Синхронизация работы коммутатора 6 и аналого-цифрового преобразователя 8 осуществляется от блока 9 контроллера. Блок 9 контроллера осуществляет совместную обработку обоих входных сигналов, в результате чего производится перерасчет полученной величины удельной электрической проводимости в ее значение, соответствующее заданной величине температуры, например, приведенное к значению при +20^oС. Полученное значение удельной электрической проводимости передается в блок 10 индикации.

Еще одним важным фактором, влияющим на надежность контроля по удельной электрической проводимости, является правильность калибровки устройства перед проведением измерений. Обычно это делают по стандартным образцам удельной электрической проводимости. Но эти образцы аттестуются, как правило, при фиксированной температуре (обычно это +20^oС). Поэтому калибровка устройства при других температурах может привести к существенным погрешностям измерения удельной электрической проводимости, а следовательно, к снижению надежности контроля качества таких изделий по этому параметру. В связи с этим, устройство дополнительно содержит калибратор 11, состоящий из двух электропроводящих пластин с известными температурными коэффициентами удельной электрической проводимости и величинами удельной электрической проводимости, близкими к нижнему и верхнему пределам измерения устройства. Значения удельной электрической проводимости пластин и их температурных коэффициентов вводятся в память блока 9 контроллера, что позволяет автоматически учитывать изменение удельной электрической проводимости пластин калибратора при изменении температуры окружающей среды, которая измеряется боком 7 измерения температуры.

Устройство при его осуществлении предназначено для использования в различных отраслях промышленности, конкретно там, где проводят контроль качества или сортировку изделий путем измерения их удельной электрической проводимости. Для заявленного устройства в том виде, как оно охарактеризовано и изложено в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления. В настоящее время изобретение испытано в вихретоковом структуроскопе ВЭ-26НП, измеряющем удельную электрическую проводимость цветных металлов и сплавов в диапазоне от 5 до 62 МСм/м с подавлением мешающего влияния изменений зазора до 0,25 мм.

Преимущество изобретения состоит в том, что возможность реализации измерения удельной электрической проводимости независимо от изменений как зазора, так и температуры значительно повышает надежность контроля качества и сортировки материалов по удельной электрической проводимости; из уровня техники не известен механизм достижения результата, раскрытый в материалах заявки.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано в авиационной, машиностроительной, металлургической промышленности для контроля качества электропроводящих изделий по величине удельной электрической проводимости их материалов. Технический результат: повышение надежности неразрушающего контроля свойств материалов и изделий по удельной электрической проводимости. Сущность: устройство содержит последовательно соединенные автогенератор и вихретоковый преобразователь, фазовый детектор, вход опорного напряжения которого соединен с автогенератором, индикатор, последовательно соединенные компенсатор и сумматор, второй вход которого подключен к вихретоковому преобразователю, а выход - к входу фазового детектора, вход компенсатора соединен с автогенератором, последовательно соединенные блок измерения температуры, коммутатор, второй вход которого соединен с выходом фазового детектора, аналого-цифровой преобразователь, блок контроллера и блок индикации. Входы управления коммутатора и аналого-цифрового преобразователя соединены с соответствующими выходами блока контроллера. Устройство дополнительно содержит калибратор, состоящий из двух электропроводящих пластин с известными температурными коэффициентами удельной электрической проводимости и величинами удельной электрической проводимости, близкими к нижнему и верхнему пределам измерения устройства. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для измерения удельной электрической проводимости, содержащее последовательно соединенные автогенератор и вихретоковый преобразователь, фазовый детектор, вход опорного напряжения которого соединен с автогенератором, а также индикатор, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит последовательно соединенные компенсатор и сумматор, второй вход которого подключен к вихретоковому преобразователю, а выход - ко входу фазового детектора, и вход компенсатора соединен с автогенератором, последовательно соединенные блок измерения температуры, коммутатор, второй вход которого соединен с выходом фазового детектора, аналого-цифровой преобразователь, блок контроллера и блок индикации, входы управления коммутатора и аналого-цифрового преобразователя соединены с соответствующими выходами блока контроллера. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит калибратор, состоящий из двух электропроводящих пластин с известными температурными коэффициентами удельной электрической проводимости и величинами удельной электрической проводимости, близкими к нижнему и верхнему пределам измерения устройства.