Способ вихретокового контроля неферромагнитных изделий Советский патент 1988 года по МПК G01N27/90 

Изобретенме относится к средствам неразрушающего контроля материалов и изделий и может быть использовано дл измереш1я удельной электрической про водимости материалов, изданий и тол- пщны диэлектрических покрытий на них

Цел-ь изобретения - повышение точности и информативности контроля за счет формирования определенного вида зависимости величины сигнала вихрето кового преобразователя от измеряемых параметров и введения заданных прира рений измеряемых параметров.

На чертеже представлена структур- нал схема устройства, реализующего способ вихретокового контроля неферромагнитных изделий.

Устройство состоит из генераторов 1-3 синусоидального тока, соединен- ных последовательно коммутатора 4, трансформаторного накладного вихретокового преобразователя 5, усилителя 6 переменного напряжения, амплитудного детектора 7, сумматора 8 и коммутатора 9, трех блоков 10-12 памяти, вычислительного блока 13, соединенных последовательно блока 14 возведения в квадрат и вычитателя 15, блока 16 умножения, усилителя 17 постоянного тока и генератора 18 тактовых импульсов. Выходы генераторов 1-3 соединены с входами коммутатора 4. Выходы коммутатора 9 соединены с входами блоков 10-12 памяти, выходы которых соединены с входами вычислительного устройства 13. Выход блока 10 соединен также с входом блока 14 возведения в квадрат, а вьцсоды блоков 11 и 12 памяти соединены с входа ми блока 16 умножения, выход которого соединен с вторым входом вычитателя 15. Выход вычитателя 15 подключен к входу усилителя 17 постоянного тока, выход которого соединен с вторым входом сумматора 8. Выходы генератора 18 тактовых импульсов соединены с синхронизирующими-Входами коммутаторов 4 и 9 и вычислительного блока 13.

Способ реализуется следующим образом,

С помощью накладного трансформаторного вихретокового преобразователя 5 возбуждают в контролируемом изделии (не показано) вихревые токи. Выходной сигнал преобразователя 5, установленного на изделии, зависит от удельной электрической проводи- .

мости материала, тод1цины диэлектрического покрытия и стабильности параметров функции преобразования измеряемых параметров в электрический сигнал. Чтобы исключить погрешность от случайных изменений параметров функции преобразования и взаимного влияния измеряемых параметров проводятся 12 тактов измерения.

В процессе калибровки вихретоко- вый преобразователь 5 устанавливают на эталонный образец (не показан) с известной величиной удельной электрической проводимости 6.,и без диэлектрического покрытия. Зависимость величины сигнала U вихретокового преобразователя 5 от величины параметра

Ri/p o эт радиу

большей катушки вихретокового пре- ,образователя 5, 4 ( - магнитная постоянная;

OJ - круговая частота, питающая вих ретоковый преобразователь 5 тока, в достаточно широком диапазоне изменения описывают вьфажением

и а,В

+ а

о

(О

где , а, - коэффициенты пропорциональности;k - показатель степени

(k 0).

Изменяя частоту оо в п раз, где п О, создают мультипликативньй тест параметра В, равный

Ли

,

где m V n.

Процесс калибровки включает шесть тактов измерения сигнала вихретокового преобразователя 5.

I--

В первом, втором и третьем тактах измерения вихретоковый преобразователь 5 запитывают током частотой О), , Ы2 и ш 01, /п соответственно. Если результат измерения в первом, втором и третьем тактах измерения обозначить и , j соответственно, то можно записать

и, а,(В,,) -ь

Ul а, CB,VI) oi из ) + а.

(2)

31446548

Для определения величины 6 по величине сигнала U вихретокового преобразователя 5 необходимо знать величины коэффициентов а,, а, и k. Решение системы (2) значительно упростится, если величина а о равна нулю, для этого необходимо выходной сигнал U суммировать с корректирующим сигна лом и нулю, где S

kop ао. Величина а если величина сигнала находится по формуле

зт

зт

.иэ

Если в выражение (3) подставить Uy , и , Uj из (2), то полузначениячают

О-

а„а,в;/2-т m

;к)

Величины не могут быть равны

го преобразователя 5 используется его выходное напр яженне.

Решая уравнение (7) относительно величины m , получают

m

MilUi , feiyi),..(g)

2U, r 2U,

10

VK

С учетом того, что k 0, m и прологарифмировав обе части выражения (8), получают окончательное выражение дпя нахождения величины k

15

,, , /7U2+U,.2 , 21n( - V(-2U7- k - ---;;

In n

(9)

20

Величины коэффициентов a , и a,

f o

зависят от величины зазора Н между вихретоковым преобразователем 5 и поверхностью контролируемого материала и могут быть представлены в виде выражений

Изобретение может быть использовано для определения удельной злектрической проводимости и толщины неэлектропроводящего покрытия на изделиях из электропроводящих материалов. Целью изобретения является повышение точности и информативности контроля. В процессе контроля преобразователь устанавливают на эталон-, ный образец и выполняют цикл его настройки, в процессе которого запиты- вают преобразователь частотами u)i , U} и;,и u)j w,/n, где. n - целое число, формируют корректирующий сигнал S ,, где и,, - выходные сигналы преобразователя на разных частотах, и добиваются уело- . ВИЯ , запоминая при этом величины Ui, Uj ии. Затем преобразователь устанавливают поочередно на эталонный образец с фиксированным зазором Н, на контролируемое изделие и на контролируемое изделие с фиксированным зазором. При каждой перестановке преобразователя выполняют цикл настройки, аналогичный первому, и запоминают значения скорректированных значений выходного сигнала преобразователя на частоте Ы,. По запомненным значениям выходных сигналов преобразователя, полученным в результате четырех циклов настройки, в соответствии с полученными зависимостями определяют величины удельной электрической проводимости и толщины диэлектрического покрытия. 1 ил. (Л J 4ib О) СП 4iak 00

величина (2-т

1

т

нулю,

нулю, если k О, поэтому S только в том случав, если а,

ЭТ

о

0. Таким образом, суммируя сигнал вихретокового преобразователя 5 с корректирующим сигналом и добиваясь равенства Щ-И О путем изменения величины , можно сформировать бо- лее простую зависимость величины U от параметра 8, которая описьгеается вьфажением

не равна

и

а,в

Дпя нахождения величины k можно использовать систему (2) уравнений, с учетом того, что после коррекции а, О можно записать

Ui+Ua

и Г

и к + -

Умножив обе части выражения на величину 10, получают

(„,).-(liHi)

1 0. (7)

Из анализа известных зависимостей следует, что величина k ; О (в зависимости от величины конструктивных параметров вихретокового преобразователя значение k -0,8- -1,5), если в качестве сигнала вихретоково

30

35

40

45

25

а о С iFI + С(.

где С

и

а Ь Н Со, Ь,, b

+ b

о

(10)

(11)

- коэффициенты

пропорциональности.

Вводя заданную величину приращения зазора ЛИ между эталонным образцом и преобразователем и повторяя цикл настройки преобразователя, может быть найдена скорректированная

величина U выходного сигнала преобразователя на частоте ш. Корректировка выходньк сигналов преобразователя необходима, поскольку при введении зазора величина а изменится.

Скорректированные значения Ui и U с учетом выражений (10) и (11) итого, что в первом такте калибровки ЛИ О, равны

Ui

U (b 1+Ьо-ЛН)В

9т

(12)

50

55

На этом операции, связанные с эталонньИм образцом (процесс калибровки) оканчиваются.

В процессе измерения вихретоковый преобразователь 5 устанавливают на контролируемое изделие с неизвестной величиной удельной электрической проводимости 6у и неизвестной толщиной диэлектрического покрытия fl(,. В

процессе измерения проводят шесть тактов измерения сигнала вихретоково- го преобразователя 5, Аналогично процессу калибровки, в первом, вто- ром и третьем тактах измерения викре- токовый преобразователь 5 запитьшают током частотой о,, со, п, ,/п.и измеряют скорректированный сигнал вихретокового преобразователя и, на частоте . Скорректированное значение U с учетом выражения (11) р§вно

и, (ь,н„-нь,)в„

(13)

где ву - величина обобщенного параметра для контролируемого изделия.

В четвертом, пятом и шестом так- так процесса измерения задают приращение зазора 4Н между преобразователем и контролируемым изделием и измеряют скорректированный сигнал 1) вихретокового преобразователя 5 на частоте oJ,.

Скорректированное значение U с учетом выражения (11) равно

и (Ь,(Н(,+4Н)+Ь„)В

к

и

(14) 30

Дпя определения величин и „ и Н „ необходимо, используя вь ажение (12), представить величины коэффициентов Ьр и Ь, в виде следующих выражений:

(15)

ЗГ

Ь,.

UM-U,

(16) 40

Дпя определения величины f3 „ необходимо вычесть из выражения (14) выражение (13) и выразить из получен- 45 ной разницы величину flJJ

в: .

Ь,4Н

Подставив в это выражение величину Ь из выражения (16) и учитывая,

что (-г) --- и вьфажение (9)у &ЗГ

лучают:

(17)

где

1П П

ln(MHj - /(иЖ)2.1

2U, Г 2U,

Для определения величины Н используем выражение (13)

Н

(и 7/и и)-be

ь7

,

Подставляя в это выражение значения bg, b и (--) с учетом выраже13

ЭТ

НИИ (15), (16) и (17), определяют толщину диэлектрического покрытия в виде

Ui

Jl.)

(18)

0 5

0

0

5

0

5

Генератор 18 тактовых импульсов устройства, реализуимцего способ, имеет четыре режима: Калибровка, Калибровка - Тест, Измерение, Измерение - Тест, Генераторы 1-3 переменного сигнала поочередно с помощью коммутатора 4 по команде генератора 18 тактовых импульсов подключаются к генераторной обмотке (не показана) накладного трансформаторного вихретокового преобразователя 5. Выходной сигнал с измерительной обмотки (не показана) преобразователя 5 усиливается усилителем 6 и выпрямляется амплитудным детектором 7. В режиме Калибровка преобразователь 5 устанавливают на эталонный образец, в блоке 10 памяти по команде с генератора 18 тактовых импульсов запоминается величина U, в блоке 11 памяти - величина U, а в блоке 12 памяти - величина Uj. Величина U с выхода блока 14 возведения в квадрат поступает на первый вход вычитателя 15, величина () с выхода блока 16 умножения поступает на второй вход вычитателя 15. Величина 83 UiUj поступает на второй вход усилителя 17 постоянного тока. Величина корректирующего сигнала где k у - коэффициент усиления усилителя 17, суммируется с усиленными и вьтрямпенными сигналами вихретокового преобразователя в сумматоре 8. Если величина ky достаточно большая,

то S JY --- хО, поэтому в устано-

вившемся режиме О, тем самым достигается автоматическая коррекция сигнала. Скорректированные ве- личины и,, Uj и Uj запоминаются вычислительным устройством 13. В режиме Калибровка-Тест под вихретоко- вый преобразователь 5 подкладывают диэлектрическую пластинку толщиной ЛН и после корректировки скорректирован- 0 ная величина U запоминается в вычислительном устройстве 13. В режиме Измерение измеряется и запоминается скорректированная величина , в режиме Измерение - Тест измеряетг ряют цикл настройки преобразователя

и Us установку преобразователя на контролируемое изделие, измерение выходного сигнала преобразователя, совместный анализ сигналов преобразователя при установке на эталонный /образец и контролируемое изделие и определение по ним величин контролируемых параметров изделия, отличающийся тем, .что, с це лью повышения точности и информатив ности контроля, сигнал корректировки в цикле настройки преобразовател формируют в виде S , повто

ся и запоминается скорректированная . величина U. Значение Ну, и ,d вычисляются вычислительным устройством 13 по формулам (17), (18) и вычисленные значения Н 4. и 6 вьшодятся на

индикатор вычислительного устройства 13,

Дпя получения оптимальной переходной характеристики устройства время установлегшя выходного напряжения уси лителя 17 постоянного тока должно быть больше, чем время выборки блоков 10-12 памяти.

Формула изобретения

Способ вихретокового контроля неферромагнитных изделий, включающий установку вихретокового преобразователя, на эталонный образец, выпол

нение цикла настройки преобразователя, в котором осуществляется последовательное возбуждение преобразователя на трех частотах :с о),, (jO о)/п и 0)3 и),/п, где п ; О, измерение COответствующих выходных сигналов U, и и и.з преобразователя, формирование из них сигнала корректировки S и кор- выходных сигналов преобразователя до выполнения условия , измерение и запоминание соответствующих величин скорректированных выходных сигналов преобразователя U,, .Uj

ряют цикл настройки преобразователя

и Us установку преобразователя на контролируемое изделие, измерение выходного сигнала преобразователя, совместный анализ сигналов преобразователя при установке на эталонный /образец и контролируемое изделие и определение по ним величин контролируемых параметров изделия, отличающийся тем, .что, с целью повышения точности и информативности контроля, сигнал корректировки в цикле настройки преобразователя формируют в виде S , повто

при его установке соответственно на эталонном образце с фиксированным зазором 4н, на контролируемом изделии и на контролируемом изделии с фиксированным зазором ЛН, запоминая при завершении казкдого щпсла настройки соответствующие скорректированные вьЬсодные сигналы ,U4 ,и 5 и U преобразователя на частоте ш, а величины контролируемых параметров определяют из соотношений

Ни -Н(.--И1-),

и 6 и 5 и 4 и ,

f, r

(LJiiUi)

U4-Ui

Q .с

In n

in-( - I (

2U, 2U,

) - l)

Ну и (оц - толщина диэлектрического покрытия и удельная электрическая проводимость контролируемого изделия; удельная электрическая проводимость эталонного образца.