Способ Б.П.Фридмана толщинометрии стенок пустотелых немагнитных изделий с затрудненным доступом в полость и устройство для его осуществления Советский патент 1993 года по МПК G01B7/06 

1

(21)4320942/28 (22)23.10.87 (46)07.05.93. Бюл. N 17

(71)Уфимский авиационный институт им. Серго Орджоникидзе

(72)Б.П.Фридман

(56)Авторское свидетельство СССР rvfc 445825, кл. G 01 В 7/06, 1972.

Авторское свидетельство СССР № 223375, кл. G 01 В 7/06, 1966.

Авторское свидетельство СССР N3 937996. кл. G 01 В 7/06, 1979. (54) СПОСОБ Б.П.ФРИДМАНА ТОЛЩИНО- МЕТРИИ СТЕНОК ПУСТОТЕЛЫХ НЕМАГНИТНЫХ ИЗДЕЛИЙ С ЗАТРУДНЕННЫМ ДОСТУПОМ В ПОЛОСТЬ и УСТРОЙСТВО для ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

(57)Изобретение относится к измерительной технике оперативного профильного контроля обширного класса сложноконфи- гурационных полых изделий из различного вида диэлектрических материалов для лабораторного оборудования,химической, электронной, светотехнической и других отраслей промышленности. Цель изобрете-. ния - повышение производительности и точности - обеспечивается тем, что катушка преобразователя, образующая совместно с конденсатором колебательный контур, устанавливается своей осью по нормали к поверхности подлежащего контролю участка стенки пустотелого изделия, полость которого предварительно заполняется вспомогательным агентом - легкоплавким жидким сплавом (например, 18,1 % индия, 41 % висмута. 22,1% свинца, 10,6% олова и 8,2% кадмия) или сплавом Вуда, или легкоплавким металлом. При этом толщина стенки полого изделия на контролируемом его участке определяется по изменению текущего значения резонансного сопротивления колебательного LC-контура, автоматически измеряемого электронным блоком, содержащим последовательно включенные регулируемый усилитель переменного тока с электрическим входом, усилитель-ограничитель и усилитель мощности, выход которого параллельно связан как с входом регулируемого усилителя с приключенным к нему LC-контуром через балластно-ограничи- тельный резистор, так и непосредственно с резистивным делителем. Потенциометриче- ский выход делителя соединен с одним из входов блока сравнения, связанного другим своим входом с входом усилителя-ограничителя, а выходом - с детектором, к выходам которого подключены выходной индикатор и самописец. При перемещении по поверхности контролируемого изделия преобразователя в соответствии с изменением толщины стенки изделия меняется как интенсивность токов, наводимых переменным полем катушки преобразователя в вспомогательном агенте, так и интенсивность встречного магнитного поля, создаваемого наведенными в агенте токами, которое про- тивофазно переменному полю преобразователя. При этом в зависимости от толщины стенки изделия и от соответствующей реакции агента изменяются настройка и текущее значение резонансного сопротивления LC- контура. В ходе измерений обеспечивается автоматические поддержание строгой син- фазности между сопоставляемыми в блоке сравнения фиксированным по высоте меандром, поступающим с выхода делителя на второй вход блока сравнения, и переменным сигналом девиируемой частоты и уровня, параллельно поступающим с выхода регулируемого усилителя на вход усилителя- ограничителя и на первый вход блока срав- нения. 2. с.п, и 2 з.п.ф-лы, 1 ил.

сл

с

сл го ю

00 V4 Сл5

Изобретение относитсл к измерительной технике и может быть использовано для неразрушающего профильного контроля тонкостенных сосудов сложной формы из материалов с высокой диэлектрической постоянной.

Целью изобретения является повышение точности и производительности за счет возможности автоматизации измерений, обеспечения их непрерывности при перемещениях преобразователя вдоль произвольно заданного контура на поверхности контролируемого изделия, а также обеспечение универсального общего масштаба отсчета результирующих показаний непосредственно в единицах контролируемого параметра (толщины) для обширного класса изделий из однородных, композиционных и многослойных диэлектрических материалов при повышенной простоте, удобстве и минимальной трудоемкости измерения и упрощение процесса эвакуации агента из полости изделия.

На чертеже представлена схема измерения толщины стенок полых диэлектрических изделий.

Схема включает контролируемое полое изделие 1. которое заполнено жидким агентом 2, обладающим электропроводящими свойствами, соответствующими таковым у металлов.

В качестве вспомогательных агентов- заполнителей, вводимых в полость контролируемого изделия в зависимости от материала и свойств исследуемых объектов, а также в зависимости от конкретных условий профильного контроля, могут применяться сплав индия, например 18,1 % индия, 41% висмута, 22,1% свинца, 10,6% олова и 8,2% кадмия, сплав Вуда или другие низкотемпературные сплавы и металлы.

К элементу внешней поверхности подлежащего измерению участка 3 стенки контролируемого изделия 1 подводится экранированная катушка 4 измерительного преобразователя, образующая совместно с конденсатором 5 колебательный LC-контур.

Катушка 4 может быть снабжена незамкнутым магнитопроводом б, выполненным в виде тонкостенной цилиндроконической гильзы из оксифера с центральным сердеч- НИКОМ, ось которого при измерении ориентируют вдоль нормали к поверхности изделия на контролируемом участке. Катушка 4 намотана литцендратом (многожильным посеребренным приводом с изолированными волокнами) и с помощью коаксиального кабеля 7 соединяется с входом электронного блока 8.

Магнитопровод 6 выполнен из высокочастотного ферритодиэлектрика. обладаю0

щего магнитной проницаемостью // 10 и минимальными гистерезисными потерями, в частности из оксифера.

Электронный блок 8 состоит из регулируемого усилителя 9 переменного тока, выполненного с электрометрическим высокоомным полевым входом, соединенным с помощью коаксиального кабеля 7 с колебательным LC-кон- туром. Выход усилителя 9 соединен с последовательно включенными двусторонним усилителем-ограничителем 10 и усилителем 11 мощности, выход которого параллельно связан как с входом усилителя 9 и колебательным LC-контуром через балластно-ограничитель- 5 ный резистор 12, так и с переменным резистив- ным делителем из сопротивления 13 и потенциометра 14,

Выход делителя присоединен к входу блока 15 сравнения, другой вход которого подключен к точке соединения усилителя 9 с усилителем-ограничителем 10. При этом выход блока 15 сравнения через детектор 16 связан с входами индикатора 17 и самописца 18 регистрирующего блока.

Способ толщинрметрии с помощью устройства осуществляется следующим образом.

Перед проведением измерений производят исходную предварительную балансировку измерительной системы, при которой колебательный LC-контур измерительного преобразователя отделяют от металлической массы, а потенциометром 14 устанавливают исходное нулевое показание выходного индикатора 17.

В таком исходно, установленном состоянии устройства генерируемые им гармонические автоколебания, поступающие с выхода усилителя 9 на вход блока 15 сравнения, компенсируются противополярным симметричным П-образным сигналом (меандром), воздействующим с выхода потенциометра 14 резистивного делителя на правый вход блока 15, в результате чего выходное напряжение детектора 16 и соответственно показание индикатора 17 равны нулю.

Когда катушку 4 устанавливают по нормали к элементу поверхности исследуемого изделия 1 у его контролируемого участка 3, эквивалентная добротность и соответственно эквивалентное резонансное сопротивление колебательного LC-контура изменяются в зависимости от толщины стенки изделия 1 на каждом из его контролируемых участков, что связано с изменением реакции, вносимой жидким электропроводящим агентом 2 в переменное магнитное поле катушки 4, которое, замыкаясь через массу жидкого (или затвердевшего) металлического агента пронизывает стенку изделия 1 на контро

0

5

0

5

0

5

0

5

лируемом участке 3, прилегающую к контролируемому участку стенки изделия со стороны его полости.

Поскольку интенсивность вихревых токов определяется расстоянием катушки 4 от поверхности агента, а также интенсивность встречного противофазного магнитного поля, которое воздействует на катушку 4 и вызвано наведенными в агенте 2 вихревыми токами, является функцией расстояния от катушки 4 до противолежащего ему участка поверхности агента 2, величина эквивалентного резонансного сопротивления колебательного LC-контура 5 будет непосредственно зависеть от толщины стенки изделия 1 на каждом из его контролируемых участков 3.

При этом зависимость между толщиной стенки изделия и величиной эквивалентного резонансного сопротивления LC-контура имеет однонаправленный характер, т.е. с уменьшением толщины измеряемой стенки величина эквивалентного резонансного сопротивления колебательного контура падает.

Если в исходно установленном состоянии измерительной системы, когда отсутствует реакция контролируемого изделия 1 с агентом 2 на катушку 4, предварительно установленное положение потенциометра 14 обеспечивает нулевое показание выходного индикатора 17, чему соответствует взаимное компенсирующее воздействие на блок 15 сравнения переменного сигнала, поступающего с выхода усилителя 9, и меандра, поступающего с потенциометра 14, то при установке катушки 4 у подлежащего контролю участка 3 под влиянием воздействующего на катушку 4 переменного магнит- ного противотока, создаваемого индуктированными в агенте 2 вихревыми токами, эквивалентное резонансное сопротивление LC-контура падает по сравнению с его исходным значени ем.

Поскольку двусторонний усилитель-ограничитель 10 имеет строго фиксированные пороги ограничения поступающих на его вход гармонических сигналов, то с выхода усилителя-ограничителя 10 на вход усилителя 11 мощности поступает симметричным П-образный периодический сигнал (меандр) постоянного уровня при значительных отклонениях как амплитуды, так и частоты сигнала, поступающего с LC-контура на вход усилителя 9, а также при соответствующих амплитудно-частотных отклонениях многократно усиленного усилителем 9 сигнала, поступающего на вход усилителя-ограничителя 10.

Соответственно с выхода усилителя 11 мощности на делитель напряжения из сопротивления 13 и потенциометра 14 и ня комплексный делитель напря ;ения, образованный резистором 12 и колебательным LC-контуром преобразователя, при значи- 5 тельных амплитудно-частотных отклонениях гармонического сигнала, поступающего на вход усилителя 9, поступает меандр постоянной высоты, из которого колебаталь- ным LC-контуром выделяется первая

0 гармоническая составляющая.

При этом, если установленный потенциометром 14 при исходной балансировке устройства уровень меандра, поступающего с

5 выхода потенциометра 14 на вгорой вход блока 15 сравнения остается и при измерениях неизменным, то в процессе проводимых измерений, когда под влиянием противофазного встречного переменного

0 магнитного поля (вызванного наведенными в металлическом агенте 2 вихревыми токами) изменяется эквивалентное резонансное сопротивление колебательного LC-конгура, уровень выделяемой этим контуром из ме5 андра первой гармонической компоненты изменяется пропорционально толщине стенки контролируемого изделия 1 на измеряемом участке 3, вследствие чего амплитуда переменного сигнала, поступающего с выхода усилителя 9 на первый вход блока 15 сравнения, уменьшается по сравнению с исходной амплитудой этого сигнала, для которого была проведена предварительная балансировка системы (потенциометром 14)

0 при ненагруженном преобразоввтеле до проведения измерений,

В результате этого в процессе проводимых измерений перемещению катушки 4

5 преобразователя по поверхности контролируемого изделия 1, заполненного металлическим агентом 2, соответствует различная степень рассогласования между уровнем

5 постоянного по высоте меандра, поступающего с потенциометра 14 на правый вход блока 15 сравнения, и уровнем переменного сигнала, поступающего с входа двустороннего усилителя-ограничителя 10 на первый

0 вход блока 15.

При сопутствующем измерениям рассогласовании варьируемой в соответствии с толщиной контролируемой стенки изделия 5 амплитуды переменного сигнала на первом входе блока 15, а также фиксированного по высоте (уровню) меандра, подаваемого на второй вход блока 15, с выхода последнего на вход детектора 16 поступает пеоиоличр- ски повторяющийся разностный импульсный сигнал, который после выпрямления и фильтрации детектора 16 воздействует на выход- ной индикатор 17 и на самописец 18.

При любых изменениях действующих параметров колебательного LC-контура преобразователя (при сопровождающих процесс измерений девиациях текущих значений как эквивалентного резонансного сопротивления и действующей добротности LC-контура, так и его текущей резонансной настройки) измерительной системой обеспечивается автоматическое поддержание строгой синфазности обоих подлежащих сопоставлению противополярных сигналов, поступающих на первый и второй входы блока 15 сравнения.

Этим обеспечивается повышенная четкость и однозначность сопоставления переменных сигналов в блоке 15 и повышенная разрешающая способность всех проводимых системой измерений.

Кроме возможности подключения к выходу детектора 16 самописца 18, регистрирующего графические результаты контроля, измерительная система обеспечивает также универсальность шкалы выходного индикатора 17 для обширного класса диэлектрических изделий с выдачей этим индикатором результатов проводимых измерений непосредственно в единицах контролируемого параметра.

При плавном перемещении преобразователя вдоль любого участка или произвольно задянного контура по поверхности контролируемого полого изделия самописцем 18 регистрируется соответствующая профилограмма, графически иллюстрирующая характер изменения толщины стенки изделия вдоль исследуемого участка или контура.

Высокая разрешающая способность измерений сочетается при этом с оперативной гибкостью и технологическим удобством ие- разрушающего профильного контроля сложноконфигурационных полых изделий с особо затрудненным доступом в полость.

Вспомогательный жидкий агент Q виде легкоплаоко о металла или сплава, вводимый в полость изделия, служит для формирования встречного переменного магнитного потока. г1ротиБО {)азного первичному переменному магнитному полю, излучаемому катушкой измерительного датчика, установленного на внешней поверхности изделия.

Испытания способа и реализующего его устройстве показали, что шкала выходного индикатора 17, предварительно отградуированная по образцам сосудов с калиброванными толщинами стенок, выполненных из какого-либо одного диэлектрика, остается полностью справедливой для непосрсд- стоенного отсчета толщины при контроле

обширной номенклатуры серийных и нестандартных полых изделий сложной формы, выполненных из диэлектрических материалов произвольного состава и струк5 туры с особо усложненным доступом внутрь полости, в частности секционированных тонкостенных кварцевых сосудов, колб со змеевиками, гофрированных спиралей, тонких сосудоа сложной конфигурации для ла0 бораторного оборудования в химической, светотехнической отраслях промышленности, Саллонов для фотоэлектронных, ионных и электронно-лучевых приборов.

При этом общий масштаб отсчета пока5 заний непосредственно в единицах контролируемого параметра, определяющий универсальность шкалы, а также высокая оперативность и разрешающая способность измерений для обширного класса

0 сложноконфигурационных полых изделий, обеспечивает также оысокоразрешающий профильный контроль полых конструкций сложной формы из композиционных диэлектриков произвольного состава, толщино5 метрию многослойных стенок, выполненных из различающихся по химической структуре электроизоляционных материалов, профильный контроль изделий из фибергласса, стеклотекстолита, стирофлек0 са, ряда композиционных полимеров, керамики, радиофарфрра, искусственных смол, кварцевого стекла, фаянса и множества других материалов.

Погрешность измерений в зависимости

5 от конкретных условий контроля не превышает 1-3%,

Формула изобретения

1.Способ толщинометрии стенок пустотелых немагнитных изделий с затруднен0 ным доступом в полость, заключающийся в том, что на внешней поверхности контролируемого изделия устанавливают ка 1 ушку измерительного датчика, включенного в колебательный контур, а полость контроли5 руемого изделия заполняют жидким вспомогательным агентом и толщину определяют по изменению параметра колебательного контура, отличаю- щ и и,с я тем, что, с целью повышения

0 производительности и точности при толщинометрии стенок неэлектропроводящих изделий, D качестве вспомогательного агента используют легкоплавкий металл или сплав, а в качестве информативного параметра

5 контура принимают изменение его эквивалентного резонансного сопротивления.

2.Способ по Л.1, отличающийся тем, что в качестве вспомогательного агента

пользуют сплао индия.

3.Способ по п. 1,отличающимся тем, что в качестве вспомогательного агента используют сплав Вуда.

4.Устройство для толщинометрии стенок пустотелых немагнитных изделий с затрудненным доступом в полость, содержащее индуктивный преобразователь, включенный в колебательный контур, отличающееся тем, что. с целью повышения производительности и точности, оно снабжено последовательно соеди

ненными регулируемыми усилителем, бле ком сравнения, детектором и регистрирую щим блоком, а также подключенными х выходу регулируемого усилителя последовательно соединенными усилителем-ограничителем, усилителем мощности и делителем напряжения, выход которого соединен с вторым входом блока сравнения, а выход усилителя мощности соединен через резистор с входом регулируемого усилителя.

.J