Способ контроля глубины упрочненного слоя ферромагнитных изделий и устройство для его осуществления Советский патент 1986 года по МПК G01N27/90 

Изобретение относится к контрольНС-измерительной технике и может быть использовано при неразрушающем контроле глубины упрочненного слоя ферромагнитных изделий электромагнитным методом. Цель изобретения - повышение точности контроля за счет учета влияния на сигнал индукционного преобразователя изменения электрофизических параметров упрочненного слоя. На фиг. 1 приведена блок-схема :устройства, реализующего способ контрЪля глубины упрочненного слоя| на фиг. 2 - 4 - полученные экспериментальные зависимости. В основу способа положена связь частоты тока возбуждения с глубиной и магнитной проницаемостью верхнего слоя двухслойной среды при поддержании постоянными фазы и амплитуды переменного магнитного потока, проходящего в контролируемом изделии. Используют выражения для амплитуды и фазы синусоидального магнитного потока в двухслойной среде I1 1--, SiftH А A(«). ., ,(1) cha+cos(2K.d} л - г, |sin(2K f (w)sig n A- arctg где a 2K d-in/ii/; Л ()/(К +К) - коэффициент отражения; - амплитуда и фаза магнитного поля на поверхности контролируе- мого изделия 40 к)т

-j, SI (Jflot

f .) -2cos(2K,d) (3)

H

А ( h, I I ( . gZK.J.-v ) +2 cos (2K d)

(. , 2sin(2K.d) 1 . , ID f/ Ч (a),)signct-arctg егМ..; 4 o

Учитывая вариацию контролируемого параметра d и возможность изменения частоты тока возбуждения W определяют характер их взаимного влияния на величину начальной фазы ЭДС. Как видно из формулы (4), значение ч{шр зависит от произведения глубины упрочненного слоя d и корня квадратного из частоты Ш (dfu ) входит в аргумент синусоидальной и в показатель экспоненциальной функций), а d /пол 20 ет вел онн ток за 25 дую e (2) 30 гд му ЭД

также от магнитной проницаемости упрочненного слоя JJ . Из этого следу50 ет, что для W const при изменении глубины упрочненного слоя d путем подбора (поиска) частоты ы можно добиваться постоянства фазы Ч. Поэтому, определяя фазу f для изделия

55 с известной глубиной d на заданной частоте W , а при испытании контролируемого изделия устанавливая то же ; значение фазы Ч путем подбора час1, О, sig п((, -1, 1(,0; толщина упрочненного слоя, -fjbj5 i. ( 1 2 V -i . 2 , - магнитные проницаемости в упрочненном (верхнем слое и основе изделияJ f - электропроводность, Wg- частота тока возбуждения преобразователя. .Так как напряженность магнитного я на поверхности изделия изменяся по синусоидальному закону, то ичина ЭДС, наведенная в индукциом преобразователе магнитным поом (1) и (2), определяется из кона электромагнитной индукции слещим образом d(Acos(uit+4) dq -n -n -nU А cos(iJt+y+-) , е п - коэффициент,зависящий от числа виткови геометрических размеровпреобразователя. С учетом последнего выражения форлы для амплитуды и начальной фазы С в удобной для анализа форме имевидПоэтому, определяя амплитуду А для ,изделия с известной магнитной прони F

cosCsignctarctgf si(2Kl.d,) )-cos4 l,

cha-cos(2K,

cha+cos() где m +W P t mВвиду значительной сложности ра смотрения в аналитической форме сиг нала, несущего информацию о контролируемом параметре {глубине d) по и вестному способу 2, как функции всех его составляющих ( У) УЗ ffl- проводят численный анализ. влияния вариации магнитной проницаемости упрочненного слоя на величину этого сигнала (фиг. 2). При этом If. величина изменяется в пределах 0-180 с шагом 9 , а глубина упрочненного слоя постоянна и равна 1 мм. Как видно из приведенных графиков, величина Ugy /Р не остается постоянной при изменении W, что подтверждает факт зависимости 1вькодного си нала по известному способу от магнит ной проницаемости упрочненного слоя ,. На фиг, 3 представлены графики изменения в зависимости от j L J J jO ;помощью фазорегуляторов, получаем вьфажение для U. при различных значениях глубины слоя d для случая Ч 0. Из фиг. 3 следует, что даже при малом изменении уи в диапазоне 130-300 измеренному значению U|,n соответствуют значения глубины слоя d(0,5-1,0) мм, что определяет погрешность измерения d до 50%. Изменением i можно добиться незначительного снижения погрешности, однако только в пределах узкого диапазона вариации Д . По предлагаемому способу погрешность, вызванная влиянием на показания вариации и , устраняется за счет установки-опорной фазы в эависимости от изменений значений /и , При этом в случае постоянства контролируемой глубины d изменение приводит к выбору такой величины опорной фазы, при которой не потребуется производить изменение частоты тока возбуждения преобразователя.низкочастотного канала, а следовательно, результат измерения d останется прежним. Таким образом,, вьшолняется условие независимости показаний от изменения р,, , Погрешность в данном случае определяется точностью установки значен;ия фазы., которая зависит от числа и количества знаков хранимых значений опорных фаз и магнитных пронйцаемостей упрочненного слоя и от выбора участка изменения иу на котором фаза меняется однозначно с Число и количество знаков хранимьк значений определяются емкостью используемого программируемого постоянного запоминающего устройствао На фиг 4 показаны три возможных участка изменения ju , на которых необходимо осуществлять контроль для получения минимальной погрешности, I Устройство для осуществления спо соба контроля глубины упрочненного слоя (фиг, 1) содержит низкочастотный 1 и высокочастотный 2 генераторы, подключенные соответственно через аналоговые ключи 3 и 4 к возбуж дающим обмоткам 5 и 6 преобразовате ля 2Ij имеющего также низкочастотную7и высокочастотную s измерител ные обмотки, обмотка 7 подключена к последовательно соединенным ограничителем 9; фазовьП детектором 10 и первым блоком 11 вычитания, выход которого соединен с управляющим вхо дом генератора 1, а к опорному вход фазового детектора 10 подключена во буждающая обмотка 5j обмотка 8 подключена к последовательно соединенным амплитудному детектору 12 и вто рому блоку 13 вычитания, выход кото рого -соединен с управляющим входом генератора 2, а к второму входу под ключен регулятор 14 опорного напряжения, последовательно соединенные аналоговый коммутатор 15, преобразо ватель 16 частоты в напряжение, бло 17 вычисления функций, регистр 18, схему 19 совпадения кодов, логический элемент И 20, счетчик 21 и программируемое пастоянное запоминающее устройство 22, включенные между выходами аналоговых ключей 3 и .4 и входом блока 11 вычитания, цифрово отсчетное устройство 23, подключенное к выходу регистра 18, генератор 24 импульсов j, подключенный к второму входу счетчика 21, последователь но соединенные блок 25 управления и элемент 26 задержки, подключенные второму входу регистра18, блок 25 правления также соединен своими выходами с входом управления ключей 3 и 4 и входами управления коммутатора 15, блока 17 вычисления функций и элемента И 20, второй выход запоминающего устройства 22 соединен с вторым входом схемы 19 совпадения кодов. Устройство работает следующим образом. В первом режиме работы - режиме калибровки - на основании предварительных расчетов устанавливаются ча:стоты токов возбуждения генератора 1 и 2. При этом частота, генератора 1 должна быть достаточной для проникновения переменного магнитного поля на глубину, превьшакяцую контролируемую толщину упрочненного слоя, а частота генератора 2 - на глубину, не превышающую эту толщину. Выбор и u)jo осуществляется для эталонного образца с известными глубиной упрочненного слоя d, магнитными проницаемостями слоя ju и основы jy, , электропроводностью V , По Формуле для глубины проникновения электромагнитной волны в ферромагнитную среду (5 N 2/-/jU (д; рассчитывают частоты и) и , удовлетворяющие условию создания переменных магнитных потоков, один из которых проникает на глубину, не превьшающую минимальную глубину упрочненного слоя, другой - на глубину, превосходящую максимальную глубину упрочненного слоя. Для найденной частоты Ы, заданной амплитуды магнитного поля Н на поверхности изделия, обеспечивающей работу преобразователя в области слабых полей и известных ( и-, по упрощенному соотношению (3) ) рассчитывают амплитуду ЭДС, которая наводится в индукционном преобразователе магнитным потоком, проходящим в упрочненном слое изделия. Полученную величину амплитуды ЭДС выставляют в качестве опорной регулятором 14. . Далее по соотношению (1), используя известное значение глубины d-уп;рочненного слоя и определенную ранее частоту тока возбууедения, создающего магнитный поток в двухслойной среде, для набора значений ЛJ упроч ненного слоя (верхняя и нижняя гран цы изменения jU устанавливаются в з висимости от возможных вариаций til. рассчитывают значения фаз сигналов преобразователя, которые затем ис-. пользуют в качестве опорных, и зано сят в запоминающее устройство 22, За данные значения магнитной проницаемости упрочненного слоя и его контролируемой глубины, а также значени частот и (jjo устанавливаются в виде эквивалентных напряжений подстроечными сопротивлениями в блоке 17 вычисления функций. В режиме контроля изделие помещают в проходной электромагнитный преобразователь. От блока 25 управления поступает сигнал на вход разрешения аналогового ключа 4, коммутирующего выход генератора 2 на воз буждающую обмотку 6 преобразователя Ключ 3 закрыт. Если происходит изме нение магнитных свойств упрочненного слоя после детектирования в блоке 12, на вьпсоде блока 13 вычитания по является разностный сигнал относительно опорного с регулятора 14, ве личина и знак которого управляют час тотой W входного напряжения генератора 2 до тех пор, пока величина этой разности не равна нулю. Через определенный промежуток, равный вре мени достижения равенства, от блока 25 управления на входы управления аналогового коммутатора 15, блока 17 вычисления функций и регистра 18 поступает сигнал. По этому сигналу переменное напряжение с выхода генератора 2 проходит через аналоговый коммутатор 15 и поступает на преобразователь 16 частоты в напряжение, В этом преобразователе определяется значение частоты исследуемого сигнала, которое используется для вычисления значения магнитной проницаемости упрочненного слоя из выражения (6) в блоке 17 вычисления функций. Прёобразованньй в цифровую форму сигнал, пропорциональный , с выхода блока 17 поступает через регистр 18 на цифровое отсчетное устройство 23 и на схему 19 совпадения кодов. На второй вход схемы 19 поступают значения ju , выбираемые из запоминающего устройства за счет цик лической / смены адреса записанньпх ячеек памяти, С этой целью генератор 24 постоянно вырабатывает импульсы, поступающие на счетный вход двоичного счетчика 21. Одновременно с выбором значений уУ опрашиваются ячейки памяти, в которых записаны соответствующие значения опорной фазы. При совпадении кодов схема 19 вырабатывает сигнал, поступающий через логический элемент И 20 на вход управления счетчика 21 и запрещающий изменение кода на его выходе. При этом на выходе запоминающего устройства 22 устанавливается код опорной фазы, соответствующий найденному значению jU . Данный код, преобразованный в аналоговый сигнал, поступает на блок 11 вычитания. Операция определения значения опорной фазы заканчивается подачей управляющего сигнала от блока 25 управления, поступающего на входы разрешения ключей 3 и 4 через промежуток времени, определяемый экспериментально и задаваемый оператором. По этому сигналу ключ 4 закрывается, а Ключ 3 коммутирует выход генератора Iна возбуждающую обмотку 5 преобразователя. Одновременно на элемент И 20 приходит сигнал,;запрещающий изменение выходного кода счетчика 21. Если происходит изменение глубины упрочненного слоя на контролируемом изделии, измененный сигнал с обмотки 7 после ограничения и фазового детектирования поступает на блок 11, возникает разностный сигнал в блоке IIвычитания, который управляет частотой W. генератора 1 до тех пор, пока не достигается нулевая разность входных сигналов блока 11 вычитания. Так же, как и при определении JU, от блока 25 управления с задержкой поступает сигнал на управляющие входы аналогового коммутатора 15, блока 17 вычисления функций и регистра 18, По этому сигналу переменное наряжение с выхода генератора 1 проодит через аналоговый коммутатор 15и поступает на преобразователь 16частоты в напряжение, С выхода реобразователя 16 сигнал, пропориональный частоте, поступает на блок 17вычислений, где в соответствии с ормулой (5) определяется глубина d прочненного слоя. Результат вычисения переписывается с задержкой в егистр 18 и отображается на цифроBOM отсчетном устройстве 23. Время, устанавливаемое элементом 26 задерж ки, равно времени преобразования ча тоты в напряжение, вычисления функций и аналого-цифрового преобразования. Формула изобретения 1. Спосрб контроля глубины упрочненного слоя ферромагнитных изделий, заключающийся в том, что в контролируемом изделии создают два переменных магнитных потока, один из которых частоты W проникает на глубину, превышающую максимальную глубину упрочненного слоя, второй поток частоты LJ - на глубину, не превосходящую минимальную глубину упрочненного слоя, сравнивают сиг- налы, наведенные в индукционных пре образователях переменными магнитными потоками, отличающийс тем,ЧТО, с целью повьшения точности, первоначально током возбуждения высокой частоты U1 создают в контро лируемом изделии переменньш магнитный поток, определяют наведенную в преобразователе ЭДС от этого потока и сравнивают ее с опорным напряжением, выбираемым равным значению ЭД которая наводится от магнитного потока, изменяющегося , с частотой U, в изделии с известной магнитной про ницаемостью jl/ глубиной d упрочвенного слоя, изменяют частоту тока возбуждения и) до установления, равенства значений опорного напряжения и наведенной ЭДС, измеряют частоту о , соответствующую моменту :равенства указанньпс .сигналов, по ко торой определяют значение магнитной проницаемости Д/ упрочненного слоя . из выражения R , для найден « U, ; ной Л| известных Wjjj и d определяют значение опорной фазы ( ) ЭДС, током низкой частоты u)j создают в контролируемом изделии магнитный поток, проникающий на глубину, превышающую максимальную глубину упрочненного слоя, определяют значение фазы наведенной в преобразователе ЭДС, изменяют частоту тока возбуждения и. до установления равенства значений этой фазы и опорной фазы f(lJJ ЭДС, в момент их ра венства измеряют частоту тока воз уткдения (Jj , по которой определяют лубину d упрочненного слоя из выажения d dp 2. Устройство для контроля глубины упрочненного слоя ферромагнитных изделий, содержащее проходной электромагнитный преобразователь, выполненный в виде двух коаксиальных симметрично устанавливаемых, различных по размерам и одинаковых по форме, магнитопроводов, состоящих из полого цилиндра с двумя кольцами-полюсами, в каждом из которых концентрично размещены возбуждающая и измерительная обмотки, низкочастотный и высокочастотный генераторы, последовательно соединенные фазовый детектор и первый блок вычитания, и цифровое отсчетное устройство, о т л итем. что оно снабчающеесяжено первым и вторым аналоговыми ключами, включенными между выходом соответствующего генератора и входом соответствующей возбуждающей обмотки, последовательно соединенными аналоговым коммутатором, преобразователем частоты в напряжение, блоком вьиисления функций, регистром, схемой совпадения кодов, логическим элементом И, счетчиком и программируемым постоянным-запоминающим устройством, включенными между выходами первого и второго аналогового ключей и вторым входом ifejpBoro блока вычитания, после- довательно соединенными амплитудным детектором и вторым блоком вычитания, включенными между высокочастотной измерительной обмоткой и управляющим входом высокочастотного генератора, регулятором опорного напряжения, подключенным к второму входу второго блока вычитания, ограничителем, включенным между низкочастотной измерительной обмоткой и фазовым детектором, генератором импульсов, подключенным к второму входу счетчика, последовательно соединенными блоком управления и элементом задержки, подключенными к второму входу регистра, блок управления также соединен своими выходами с входом управления первого и второго аналоговых ключей и входами управления аналогового коммутатора, блока вычисления функций и элемента И, второй выход программируемого постоянного запоминающего устройства - с вторым входом схемы совпадения кодов. II. выход первого блока вычитания дом управления низкочастотного

0,5 ММ

и.г.Ъ 127221012 с вхо- ратора, цифровое устройство подклюгене- чено к выходу регистра, 960 JU fPuZ.2

(- 45 - J

JU.2-fOO

Vu&A

Изобретение относится к области. средств неразрушающего контроля и может быть использовано при контроле поверхностно-упрочненных ферромаг нитных изделий. Целью изобретения является повышение точности контроля глубины упрочненного слоя ферромагнитных изделий за счет учета влияния на сигнал индуктивного преобразова- . теля изменения электрофизических параметров этого слоя. Для этого сначала перемагничивают изделие высокочастотным полем, глубина проникновения которого не превосходит минимальную глубину упрочненного слоя, и определяют электрофизические параметры материала, такие как магнитную проницаемость, используя метод сравнения сигнала ЭДС в блоке 13 вычитания с опорным напряжением регулятора 14, затем перемагничивают изделие полем низкой частоты, проникающим на глубину, превосходящую толщину упрочненного слоя, и определяют по о расчетным формулам толщину упрочненного слоя, используют метод сравнеел ния фазы сигнала ЭДС в блоке 11 вы- . читания с опорной фазой запоминающего устройства 22, операции вычисления выполняются блоком 17 вычисления функций, синхронизация работы осуществляется блоком 25 управления. 2 с.п. ф-лы, 4 ил. tS5 N3 Ю