СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ТОЛЩИНЫ СТЕНКИ ПОЛОЙ ЛОПАТКИ Российский патент 2005 года по МПК G01B7/06 G01N27/90 

Изобретение относится к способу измерения толщины полой лопатки.

Одной из конструктивных особенностей данной техники является то, что она обычно снабжена внутренними перегородками, покрытыми стенками, для придания жесткости лопаткам или для разделения внутреннего объема на отсеки. Эти перегородки создают помехи при проведении измерений, поскольку их вклад в сигнал измерения накладывается на собственный вклад стенки и поэтому результаты измерения имеют тенденцию к завышению толщины. Из уровня техники известны несколько неразрушающих способов измерения, пригодных для выполнения измерения толщины в данной области техники. Однако некоторые из них, такие как рентгеновская томография, при которой с помощью набора детекторов выполняют ряд последовательных снимков окружности объекта, подлежащего измерению, являются слишком сложными в осуществлении, а другие способы, такие как измерения с помощью инфракрасного спектра, не являются достаточно точными. Измерения с помощью ультразвука не пригодны для некоторых материалов, в частности для анизотропных материалов.

Разработан неразрушающий способ измерения толщины, свободный от указанных недостатков, для получения точных и надежных показаний о толщине стенки, в условиях наличия создающих помехи для измерения толщины перегородок за указанной стенкой в неизвестных положениях.

Способ основан на использовании специально выполненного детектора вихревых токов, который используют так, что вклад перегородок в обнаруживаемый сигнал является минимальным, а также на использовании средств обработки для исключения существенного влияния перегородок на измерения. Возможны несколько вариантов осуществления изобретения, которые в большей или меньшей степени усовершенствованы и дают результаты соответствующей точности.

В наиболее общей форме изобретение относится к способу измерения толщины стенки полой лопатки, которая может быть использована для закрывания перегородок, включающему этапы приложения двух полюсов магнитного сердечника детектора вихревых токов к стенке параллельно перегородкам, при этом полюса 8 снабжены катушками 7, соединенными последовательно друг с другом, перемещения детектора по стенке перпендикулярно перегородкам, регистрации сигналов, создаваемых детектором и получения значения толщины стенки в соответствии с предварительными калибровками.

В патенте US 4005359 А раскрыт зонд вихревых токов, применяемый для оценки толщины покрытия краски или эмали на проводящей подложке, состоящий из двух обмоток, расположенных так же, как в трансформаторе, т.е. связанных электромагнитной индукцией, но изолированных электрически.

Признаки и преимущества настоящего изобретения станут понятны из приведенного ниже подробного описания конкретных вариантов осуществления изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

фиг.1 - изображает общий вид устройства для осуществления способа по настоящему изобретению;

фиг.2 - детектор в увеличенном масштабе;

фиг.3 - комбинированный детектор;

фиг.4 - пример получаемого сигнала;

фиг.5 - сеть искусственных нейронов;

фиг.6 - калибровочный блок.

На фиг.1 изображена часть полой лопатки 1, профиль которой образован наружной стенкой 2, жесткость которой повышена перегородками 3 с разной и неточно известной шириной, глубиной и интервалами между ними. Датчик 4 установлен с возможностью перемещения по образующей 5 лопатки 1. Он содержит изогнутый дугообразно магнитный сердечник 6 (фиг.2), на котором установлена электромагнитная обмотка, состоящая в данном случае из двух расположенных на плечах 8 дуги 6 катушек 7, соединенных друг с другом последовательно. Детектор 4 установлен на конце опорного рычага 9 и прижат в обратном направлении пружиной 10 так, что плечи 8 касаются стенки 2. Снабженное электродвигателем устройство 11 используется для перемещения рычага 9 и детектора 4 вдоль образующей 5 лопатки 1. В электрическом контуре 13 установлен генератор 12 переменного тока, с которым последовательно соединены катушки 7, и вольтметр 14, который используют для регистрации сигнала напряжения, создаваемого на зажимах катушек 7, и передачи его в средство 15 обработки, которое представляет важную часть настоящего изобретения. Измеряемое с помощью вольтметра 14 значение сигнала зависит, в частности, от вихревых токов, создаваемых электромагнитной индукцией катушек 7 в соседней к лопатке 1 части, и помимо толщины стенки 11 зависит от наличия или отсутствия перегородки 3 перед или вблизи детектора 4. Было обнаружено, что если расположенные на концах плеч 8 оба полюса сердечника 6, расположены в направлении перегородок 3, как показано на фиг.1, то влияние перегородок 3 на измерения будет менее заметно, т.е. сигнал будет изменяться в меньшей степени при прохождении детектором 4 перед любой из перегородок 3. На фиг.4 показаны полученные кривые (R1 для частоты возбуждения 100 кГц и R2 - для частоты 300 кГц) для случаев, когда полюса расположены напротив профиля лопатки 1.

Если измеряемое вольтметром 14 напряжение обозначить V_B и силу тока, проходящего через катушки 7, I, то можно записать выражение Z₀=V₀/I₀=R₀+jX₀, где Z₀ является полным сопротивлением, R₀ - активным сопротивлением и Х₀ - реактивным сопротивлением контура в ненагруженном состоянии (когда нет влияния лопатки 1), и Z_C=V_C/I_C=R_C+jX_C, когда детектор 4 приложен к лопатке 1 (j обозначает мнимую единицу, j²=-1). Средство обработки может обрабатывать измерения, в частности, путем регистрации изменения приведенного реактивного сопротивления Х_cm=Х_C/Х₀, как предлагается в данном случае, или же приведенного сопротивления (R_C-R₀)/X₀. Установлено, что для индукции на относительно низких частотах влияние перегородок 3 становится практически незаметным, так что можно совсем не учитывать их присутствия и определять толщину стенки 2 непосредственно по регистрируемому сигналу с учетом данных предварительной калибровки на ряде гладких стенок с различной толщиной.

Однако предпочтительно использовать более усовершенствованные операции обработки для определения толщины стенок 2 по величине полученного сигнала. Ниже приводится подробное описание средства 15 обработки, в котором выполняются эти операции. Оно содержит сеть искусственных нейронов N, которая может иметь показанную на фиг.5 структуру. На практике искусственный нейрон N является основным звеном в процессе обработки, которое принимает определенное число входных сигналов е, имеющих соответствующие весовые коэффициенты W, и выдает выходной сигнал s, который зависит от взвешенных входных сигналов и смещения b, в соответствии с формулой s=F(W·e+b), где F является активизирующей функцией, заданной посредством программирования нейрона N. Входные данные передаются по сети, модифицируясь в каждом нейроне, через который они проходят. Нейроны могут быть распределены в последовательных слоях и соединены со всеми нейронами предыдущего и последующего слоя. Было установлено, что для целей настоящего изобретения достаточной является двухслойная сеть, содержащая одну выходную сеть С₂ с единственным нейроном, выдающим требуемый выходной сигнал (несущий информацию о толщине), и нижний или скрытый слой C₁, состоящий из нескольких нейронов (на практике двух, трех или четырех), на которые поступают величины, полученные из сигнала измерения (например, R₁ или R₂). В слое C₁ выполняемая нейронами функция является прямой функцией (F(W·e+b)=W·e+b), а в слое C₂ - гиперболическим тангенсом (F(W·e+b)=tanh(W·e+b)). Сеть нейронов подвергается предварительному обучению, что существенно облегчает задачу представления дескрипторных параметров новой ситуации, напоминающей ситуацию обучения, в ходе которой она принимает определенные сигналы. В данном случае предлагается выполнять калибровку с помощью плоского блока 30 (изображен на фиг. 6), образованного из параллельных полос 31 с увеличивающейся толщиной и снабженного возможно различной толщины аналогичными перегородками, ребрами 32, расположенными с различными интервалами позади пластины, пересекающимися со всеми полосами 31. Детектор 4 перемещают вдоль этих полос 31 по тому же пути, что и в случае с лопаткой 1, так что он выдает достаточное количество опорных сигналов, которые обрабатывают для настройки сети нейронов путем регулирования веса и смещения указанных нейронов. Такое обучение сети нейронов можно выполнять автоматически с помощью соответствующего программного обеспечения, в результате чего сеть выдает известную толщину каждой полосы 31 в ответ на определенные сигналы, регистрируемые вдоль указанной полосы.

Хотя предпочтительной является уже описанная система с детектором 4, измерения можно выполнять с помощью детектора 4'. Он аналогичен описанному, но снабжен полюсами, расположенными перпендикулярно перегородкам 3 (фиг. 3), которые обеспечивают образование линий намагничивания, перпендикулярных указанным перегородкам, и вызывает значительные вихревые токи в указанных перегородках. Очевидно, что влияние перегородок на измерения будет намного сильнее, чем при измерении детектором 4, как это видно из кривых R3 и R4 отклика, изображенных на фиг.4. Использование сигналов от детектора 4', подаваемых в сеть нейронов вместе с сигналами от детектора 4, позволяет корректировать влияние перегородок и обеспечивает дополнительное повышение точности определения толщины стенки 2, поскольку влияние перегородок 3 лучше регистрируется детектором 4'. Эквивалентный путь выполнения измерений состоит в том, что вместо выполнения одновременно двух рядов измерений с помощью детекторов 4 и 4', установленных на заканчивающийся вилкой опорный рычаг 9', используют только детектор 4, при условии, что он установлен на опорный рычаг 9 со сцеплением 40, обеспечивающим возможность поворота (см. фиг. 2). В этом случае способ измерения является полностью аналогичным, только получают последовательно две категории сигналов измерения.

Другим источником погрешности измерений является угол наклона детектора 4 или 4' по отношению к стенке лопатки 3, который образуется при установке опорного рычага 9 к лопатке 3 вследствие ее изгиба. Однако можно легко выполнить корректировку, поскольку можно показать, что этот угол наклона влияет только на отношение реальной и мнимой частей сигнала, выдаваемого вольтметром 14. Более точно можно утверждать, что Xcn=aRcn+b, где а является коэффициентом, который зависит от угла наклона детектора 4 по отношению к лопатке 1. Таким образом, для проведения корректировки достаточно подавать принятые сигналы в дополнительную сеть нейронов, которая выдавала бы выпрямленный сигнал, который является сигналом, получаемым с помощью детектора 4 или 4', расположенным под прямым углом по отношению к стенке 2. Обучение дополнительной сети нейронов выполняют путем перемещения детектора 4 по полосам 31 под различными углами для определения величин коэффициента а.

Необходимо отметить, что другие детекторы вихревых токов, такие как детекторы с симметричной оси центральной катушкой, излучающей электромагнитные волны во всех направлениях излучения, в данном применении дают очень неточные результаты, в то время как с помощью изобретения можно получить точность со стандартной погрешностью в 10 мкм при измерении толщины лопатки с перегородками толщиной в несколько миллиметров.

Изобретение относится к области измерений с помощью вихревых токов. Сущность: прикладывают два полюса магнитного сердечника детектора вихревых токов к стенке лопатки параллельно перегородкам, расположенным за стенкой, толщину которой необходимо измерить. Полюса датчика снабжены катушками, соединенными последовательно. Перемещение детектора по стенке осуществляют перпендикулярно перегородкам. Толщину стенки определяют по сигналу детектора в соответствии с предварительными калибровками. Способ может содержать этап обучения сети нейронов, с помощью которой обрабатывают сигнал детектора. Технический результат: повышение точности за счет уменьшения влияния перегородки. 4 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ измерения толщины стенки полой лопатки, которая может быть использована для закрывания перегородок, включающий этапы приложения двух полюсов (8) магнитного сердечника (6) детектора (4) вихревых токов к стенке параллельно перегородкам, при этом полюса (8) снабжены катушками (7), соединенными последовательно друг с другом, перемещения детектора по стенке перпендикулярно перегородкам, регистрации сигнала, полученного с помощью детектора, и определения величины толщины стенки в соответствии с предварительными калибровками по значению сигнала.2. Способ измерения по п.1, отличающийся тем, что предварительные калибровки получены путем измерений ряда базовых стенок (31) различной толщины, закрывающих разделенные различными интервалами перегородки (32).3. Способ измерения по любому из п.1 или 2, отличающийся тем, что он содержит этап обучения сети нейронов (N) с помощью предварительных калибровок, причем значение толщины стенки получают путем обработки сигнала, полученного детектором при помощи сети нейронов, на вход которой его подают.4. Способ измерения по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что он дополнительно включает этап приложения двух полюсов магнитного сердечника детектора (4') вихревых токов к стенке перпендикулярно перегородкам, перемещения детектора по стенке перпендикулярно перегородкам, регистрации второго сигнала, полученного с помощью детектора, а величину толщины стенки определяют в соответствии с предварительными калибровками по значениям как первого сигнала, так и второго сигнала.5. Способ измерения по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что он содержит этап оценки угла между детектором и стенкой и этап коррекции величины толщины стенки в соответствии с этим углом.