УСТРОЙСТВО ОПРЕДЕЛЕНИЯ СТЕПЕНИ НЕОДНОРОДНОСТИ ЭЛЕКТРОПРОВОДИМОСТИ НЕМАГНИТНЫХ МЕТАЛЛОВ ВИХРЕТОКОВЫМ МЕТОДОМ Российский патент 2020 года по МПК G01N27/72 

Изобретение относится к методам неразрушающего контроля и может быть использовано для оценки степени неоднородности поверхностных слоев немагнитных металлов, возникающей при закалке, отпуске и воздействии жидких или газообразных агрессивных сред.

Техническая целесообразность данного изобретения заключается в том, что оно позволяет произвести количественную оценку как глубины слоя, подвергшегося воздействию так и ориентировочного закона изменения свойств объекта (влияющих на его электрическую проводимость σ) по глубине. Данная информация может быть полезна эксплуатационникам и технологам.

В [1, с. 509-510, 2, с. 305-309] приведено описание способов и приборов контроля структурного состояния (по значениям электрической проводимости σ или магнитным характеристикам). Отмечено, что такой контроль возможен при наличии однозначных корреляционных зависимостей между параметрами структурного состояния объекта и его электромагнитными характеристиками

Наиболее близкими к предполагаемому устройству являются приборы для измерения электропроводимости со структурной схемой, приведенной в [2, с. 226] и изображенной на Фиг. 1. К генератору гармонических колебаний 1 подключен блок накладных вихретоковых преобразователей 2, вызывающих вихревые токи в объекте контроля, суммарное магнитное поле блока преобразователей и вихревых токов формирует сигнал, усиливаемый усилителем 3 и поступающий на фазовый детектор 4. Опорное напряжение поступает от генератора 1 через фазорегулятор 5. К выходу фазового детектора присоединен индикатор 6 значения электропроводимости σ₀. Недостатком стандартных измерителей электропроводимости (по схеме Фиг. 1) является то, что их индикаторы фиксируют усредненное в пределах глубины проникновения значение σ, коррелирующее неявным образом со степенью неоднородности.

Предлагаемое устройство позволяет количественно определить степень неоднородности изменения свойств по глубине, т.е. более точно оценить структурное состояние поверхностных слоев объекта контроля. Судя по оценкам металловедов [3], состояние неоднородности (т.е. изменение по глубине z) можно аппроксимировать функцией вида

где σ₀ - электропроводимость верхнего слоя объекта, Z_в - глубина слоя интересующего технологов, в пределах которого имеет место изменение структурного состояния (Фиг. 2), α_z - параметр, характеризующий интенсивность (скорость) изменения структурного состояния определяющего значение σ по глубине.

На Фиг. 2 для общности отмечены пунктиром кривые для α_z<0 (вариант не имеющий место на практике, если не рассматривать случай специального создания технологами таких объектов)

Основой предлагаемого устройства является устройство, предложенное в [2, с. 226], структурная схема которого представлена на Фиг. 1

Технический эффект получаемый при решении данной задачи и заключающийся в количественной оценке степени неоднородности структурного состояния α_z достигается тем, что в известном устройстве, содержащем генератор гармонических колебаний, блок вихретоковых преобразователей, сигнал которых через усилитель поступает на фазовый детектор, опорное напряжение на который поступает от генератора через фазорегулятор, к которому подключен индикатор, частота которого выбирается соответствующей максимальной чувствительности к электропроводимости и схема обработки формирует сигнал, зависящий от степени неоднородности распределения электропроводимости поверхностных слоев объекта контроля.

На Фиг. 1 приведена блок-схема стандартного измерителя электропроводимости.

На Фиг. 2 показаны функции распределения электропроводимости, аппроксимирующие различные степени неоднородности.

На Фиг. 3 изображены годографы вносимого напряжения при различных значениях электропроводимости для разных значений степени неоднородности.

На Фиг. 4 изображен график зависимости величины приращения вносимого напряжения в зависимости от степени неоднородности.

На Фиг. 5 показана структурная схема предлагаемого устройства.

Устройство состоит из генератора гармонических колебаний 1, блока 2 вихретоковых преобразователей, состоящего из идентичных рабочего с объектом контроля (L₁, L₃ - возбуждающая и измерительная катушки) и компенсационного (L₂, L₄ - возбуждающая и измерительная катушки) преобразователей (L₁ и L₂ включены последовательно согласно, L₃ и L₄ - последовательно встречно) усилителя 3, фазового детектора 4, блоков: пямяти и управления 5, сравнения и регулировки частоты 6, вычитания 7, нормировки 8, индикации 9 и фазорегулятора 10.

Предлагаемое устройство отличается тем, что частота ω_p колебаний генератора 1 выбирается (как отмечалось выше) из условия максимальной чувствительности к электропроводимости для чего используется канал регулировки частоты, состоящий из фазового детектора 4, фазорегулятора 10, блока сравнения и регулировки частоты 6, вносимое напряжение (сигнал) на который поступает от усилителя 3 через блок 5 памяти и управления, где оно запоминается на весь цикл измерения (с выхода блока 5 сигнал поступает также на блок вычитания 7), выходное напряжение фазового детектора сравнивается с напряжением задатчика, соответствующим фазовому углу вносимого напряжения при частоте ω_р [2, с. 226, рис. 4.64 (а)]. Рабочая частота соответствует значению параметра где R_B - радиус возбуждающей катушки L₁, выбираемый из условия 1, 5Z_B≤R_B≤2Z_B, где Z_B - максимальное значение толщины поверхностного слоя, в пределах которого происходит изменение свойств этого слоя (это условие обеспечивает достаточную величину сигнала), σ₀ - удельная электрическая проводимость участка объекта контроля 2, не подвергнутого воздействию факторов, вызывающих изменение структуры поверхностного слоя объекта. Для этого перед началом измерений блок преобразователей помещают на такой участок (либо на специально изготовленный образец с такими же свойствами). Зафиксированное блоком памяти 5 напряжение поступает в блок вычитания 7, где оно вычитается из текущего значения и формируется величина характеризующая влияние неоднородности (Фиг. 3)

Операция, соответствующая формуле (2) реализуется согласно Фиг. 5 в блоке вычитания 7.

Удобнее использовать относительное значение (по отношению к напряжению измерительной катушки без объекта U₀)

Эта операция реализуется в блоке нормировки 8, куда поступают сигналы из блока вычитания 7 (числитель формулы (3) и сигнал с измерительной катушки L₄ (знаменатель формулы).

На Фиг. 3 показаны годографы относительного вносимого напряжения для объекта при σ=σ₀ (формула (1) при α_z=0 при различных значениях параметра =1.5÷5.5). Показан вектор при β=3.5, α_z=0 и вектор при β = 3.5, α_z=- 3. Стрелкой показано направление изменения α_z в пределах -3÷3. Для значений β=3.5, α_z=3 изображен вектор На Фиг. 4 показаны кривые при α_z=-3÷3 для β=3.5. Пунктирная кривая соответствует отрицательным значениям α_z.

Таким образом кривую на Фиг. 4 можно рассматривать как градуировочную. Она заложена в блоке индикации 9 и служит для определения численных значений степени неоднородности α_z изменения электропроводимости, коррелирующей с изменением структурного состояния.

Все количественные результаты работы (годографы, кривые и т.п.) получены в системе численного моделирования реализующей метод конечных элементов. Параметры модели при построении годографов относительного вносимого напряжения - радиус возбуждающей катушки R_B=7.75 мм, измерительной - R_и=4.75 мм, катушки расположены в одной плоскости на растоянии h=1.75 мм от поверхности объекта, электропроводимость поверхностного слоя σ₀=10 МСм/м, частота тока генератора ω_р такая что обобщенный параметр =1.5; 2.25; 3; 3.5; 4; 4.75; 5.5.

Источники информации

1. Неразрушающий контроль: Справочник в 7 т: В 2 т. / Под. ред. В.В. Клюева МОСКВА. В 2 кн. - М.: МАШИНОСТРОЕНИЕ 2003. - 688 с.

2. Неразрушающий контроль в 5 кн. Кн. 3 Электромагнитный контроль: Практ. пособие / В.Г. Герасимов, А.Д. Покровский, В.В. Сухоруков; Под ред. В.В. Сухорукова. - М.: Высш. шк., 1992. - 312 с.

3. Решение обратной задачи вихретокового контроля: [Электронный ресурс] StudyPort.Ru - помощник в учебе // http://studyport.ru/referaty/tochnyje-nauki/3959-zadacha-vihretokovogo-kontrolja (дата обращения: 14.03.2019).

Использование: для оценки степени неоднородности поверхностных слоев немагнитных металлов, возникающей при закалке, отпуске и воздействии жидких или газообразных агрессивных сред. Сущность изобретения заключается в том, что устройство определения степени неоднородности электропроводимости немагнитных металлов вихретоковым методом, содержащее генератор гармонических колебаний, выход которого соединен с двумя последовательно согласно соединенными возбуждающими катушками идентичных рабочего и компенсационного преобразователей, их измерительные катушки соединены последовательно встречно и присоединены к усилителю, выход которого присоединен к фазовому детектору и радиус возбуждающей катушки выбирается из условия где Z_B - ориентировочная глубина слоя, в пределах которого имеет место изменение структурного состояния, введен блок памяти и управления, вход которого присоединен к усилителю, один из выходов к первому блоку вычитания, второй вход блока вычитания соединен с усилителем, а выход с одним из входов блока нормировки, второй выход блока памяти и управления присоединен к фазовому детектору, к которому подключен фазорегулятор, соединенный с генератором, выход присоединен к блоку сравнения и регулировки частоты, соединенному также с задатчиком, выход соединен с генератором, частота которого поддерживается равной частоте максимальной чувствительности к электропроводимости объекта контроля, второй вход блока нормировки подключен к измерительной катушке компенсационного преобразователя, а выход к блоку индикации, где происходит количественное определение степени неоднородности. Технический результат: обеспечение возможности количественного определения степени неоднородности электрической проводимости. 5 ил.

Устройство определения степени неоднородности электропроводимости немагнитных металлов вихретоковым методом, содержащее генератор гармонических колебаний, выход которого соединен с двумя последовательно согласно соединенными возбуждающими катушками идентичных рабочего и компенсационного преобразователей, их измерительные катушки соединены последовательно встречно и присоединены к усилителю, выход которого присоединен к фазовому детектору и отличающееся тем, что радиус возбуждающей катушки выбирается из условия где Z_B - ориентировочная глубина слоя, в пределах которого имеет место изменение структурного состояния, введен блок памяти и управления, вход которого присоединен к усилителю, один из выходов к первому блоку вычитания, второй вход блока вычитания соединен с усилителем, а выход с одним из входов блока нормировки, второй выход блока памяти и управления присоединен к фазовому детектору, к которому подключен фазорегулятор, соединенный с генератором, выход присоединен к блоку сравнения и регулировки частоты, соединенному также с задатчиком, выход соединен с генератором, частота которого поддерживается равной частоте максимальной чувствительности к электропроводимости объекта контроля, второй вход блока нормировки подключен к измерительной катушке компенсационного преобразователя, а выход к блоку индикации, где происходит количественное определение степени неоднородности.