Способ вихретокового измерения параметров электропроводящих изделий Советский патент 1990 года по МПК G01N27/90 

Изобретение относится к неразру- шающему контролю и может быть исполь- зовано для измерения удельной электрической проводимости плоских объектов и толщины их диэлектрических покрытий.

Цель изобретения - повышение точности измерения удельной электрической проводимости и расширение функциональных возможностей за счет измерения толщины диэлектрического покрытия, достигается путем определения зазора между вихретоковым преобразователем и поверхностью контролируемого объекта, при котором выполняется заданное соотношение.

На фиг. 1 представлена структурная схема устройства, реализующего способ на фиг. 2 - зависимости, поясняющие способ.

Устройство, реализующее способ, состоит из вихретокового преобразователя 1, содержащего корпус 2 и располо- женный в нем диэлектрический каркас 3, на котором размещены возбуждающая катушка 4 индуктивности и соосные с ней две измерительные идентичные между собой катушки 5 и 6 индуктивности, расположенные на расстоянии Н друг от друга, а также из последовательно соединенных модулятора 7 и генератора 8, выход которого подключен к ка- тушке 4, последовательно соединенных первого усилителя 9, вход которого подключен к катушке 5, первого амплитудного детектора 10, первого полосового фильтра 11, второго амплитудного детектора 12, блока 13 возведения в квадрат, блока 14 деления, регулируемого масштабного преобразователя 15 и индикатора 16, последовательно соединенных второго усилителя 17, вход которого подключен к катушке 6, треть его амплитудного детектора 18, второго полосового фильтра 19, четвертого амплитудного детектора 20, второго

0

5

5 5

0

0

блока 21 деления, блока 22 вычитания и индикатора 23 нуля. Выход блока 21 деления через последовательно включенные первый ключ 24 и первый блок 25 памяти соединен с вторым входом блока 22 вычитания, выход блока 13 возведения в квадрат через последовательно соединенные второй ключ 26 и второй блок 27 памяти соединен с вторым входом блока 14 деления, второй вход блока 21 деления соединен с выходом амплитудного детектора 12.

Устройство содержит также микрометрический винт 28 и механический индикатор 29 перемещений. С помощью микрометрического винта 28 каркас 3 может перемещаться внутри корпуса 2, а величину этого перемещения измеряют индикатором 29, корпус которого закреплен в корпусе 2 преобразователя 1 , а подвижный шток касается поверхности каркаса 3. На фиг. 1 также показано контролируемое изделие 30 и диэлектрическое покрытие 31 на нем толщиной Ня.

Способ осуществляется следующим образом.

Вихретоковый преобразователь 1 питают переменным током с частотой СО, которая изменяется во времени по синусоидальному закону to Q0(1 +

+ ysinflt), где t - время, С2 - частота модуляции (), у - глубина модуляции (Г 1) .

В процессе калибровки вихретоковый преобразователь 1 устанавливают на образцовое изделие (не показано) с зазором между вихретоковым преобразователем 1 и проводящей поверхностью образцового изделия, который должен быть равен величине максимально возможного зазора в процессе контроля между вихретоковым преобразователем 1 и проводящей поверхностью контролируемого изделия 30. Выходное напряжение вихретокового преобразователя 1

5-1543338

иливают и выделяют путем детективания информативную составляющую усиленного выходного напряжения еобразователя 1, величина которой дет равна

э+ а,раэ -JT sinQt + (1)

а

аароэ(1 + fsinat)K,

еРо.) MfHoW0G 3 значение параметра ft в момент, когда

w Q0;

&э - величина удельной электрической проводимости материала образцового изделия; R - радиус возбуждающей катушки 4.

Используя разложения

гд

ка

.,,

пр ко сл кр

15 во но об ме 1

20 бу ти ме со

X

1 +Т

X2 8

sin2X -(1 - cos 2X)

и выражение (1), получим

и k + а.э(1 + ijfsinat

. л L. о

Pi, 1

jf sinnt)K.

Г A12-7

- 16 + T6 Cos2nt) + a

Из информативной составляющей U выделяют и измеряют периодические с частотой F 2 Q приращения dU информативной составляющей, амплитуда которых согласно (2) равна

Я

&иэ к а,Тб

Величина ДОЭ не зависит от величины коэффициентов ао и аг и прямо пропорциональна величине Ваэ«

Величину UU5 запоминают, задают фиксированное приращение зазора А Н и снова измеряют периодические с частотой F 2 Q приращения UU информативной составляющей. Амплитуда

этих приращений равна Аи; K.a|f |%аэ

MJ a G(H0 Ь Н)

ьи;

R(H0)

(4)

где G(H) - функция, описывающая завн- симость величины а от Н.

На этом операции, связанные с калибровкой, заканчиваются.

В процессе контроля вихретоковый

преобразователь 1 устанавливают над контролируемым изделием, в общем случае имеющим диэлектрическое покрытие толщиной Н, с некоторым первоначальным зазором Н2 между поверхностью покрытия и вихретоковым преобразователем 1. Величина зазора Н между вихретоковым преобразователем 1 и проводящей поверхностью изделия

будет равна Н Н. + Н2. Из информа-. тивной составляющей U выделяют и измеряют периодические с частотой F 2 Ј приращения информативной составляющей. Амплитуда этих приращений, аналогично (2), равна

Дик .7бРол

(5)

где p0iK М|И0С00(

35

величина удельной электрической проводимости материала контролируемого изделия;

а G(Hj + Нг) - величина коэф- Лициента а, при зазоре Н Н + Н2. Величину uUK запоминают, задают фиксированное приращение зазора Д Н и снова измеряют периодические с час- 40 тотой F 2 52 приращения Л U информативной составляющей, амплитуда этих приращений равна

А I V У О

&UK K.a,- yg-fi0iif

(6)

45 где а G(H + Hz + &Н) - велшшна коэффициента а( при зазоре Н Н, + Hz + ЬН.

50

Находят величину

ди

UU,

. Учитывая,

Изобретение относится к неразрушающему контролю и может быть использовано для измерения удельной электрической проводимости плоских объектов и толщины их диэлектрических покрытий. Повышение точности измерения удельной электрической проводимости и расширение функциональных возможностей за счет измерения толщины диэлектрического покрытия достигается путем определения зазора между вихретоковым преобразователем и поверхностью контролируемого объекта, при котором выполняется заданное соотношение. Изменяя с помощью микрометрического винта 28 положение каркаса 3, добиваются баланса индикатора 23 нуля. При этом выполняется соотношение ΔV_к/ΔV_к=ΔV_э/ΔV_э, где V_к и V_к - приращения сигналов, обусловленных влиянием контролируемого объекта при двух значениях зазора

ΔV_э и ΔV_э - то же, при взаимодействии с образцовым объектом. Затем с помощью блока 13 возведения в квадрат, блока 14 деления, блока 27 памяти и масштабного преобразователя 15 формируется сигнал, пропорциональный измеряемой удельной электрической проводимости, поступающий на индикатор 16. Толщина диэлектрического покрытия 31 считывается по разности показаний индикатора 29 для точки баланса и начальной точки. 2 ил.

i

где а - величина коэффициента а, при зазоре HQ + ДН.

После этого находят и запоминают

аи;

величину - , учитывая, что величины К, У и R изменяются в процессе калибровки значительно меньше, чем величина а,, имеем

что величины К, Г и |}окизменяются значительно меньше, чем величина а, имеем

5

&U ,

к

G(H + НЕ + &Н) G(Ha + Hz) .

&UK а, Сравнивают величины

(7)

ьи „ ди

Н

ли,

Лиэ

Если они отличаются друг от друга, то изменяют величину Нг. Скова измеряют величины &1К и frUK, находят UU

§1 ЭН

0. Таким образом, величина

ЭР G (H + ЬН)С(Н) - G (H) G(H +ДН) ШГG2(H)

новую величину с величиной

ЙПк ЫЬ Ы1Э

и сравнивают с Если сравниваемые

должна быть или больше, или меньше нуля. Числитель этого выражения равен G (H + &H)G(H) - C (H)G(H + UH): величины отличаются друг от друга, то&l vf (0 + G (H) iH)G(H) - С(Н)(Н) +

величину Нг итерационно изменяют до 10 + G (H) AHJ (H)G(H) - G (Н) J. TPV ™„ „„„ „„ «„„.,,. «™ а„ Величины G(H) 0, (Gf(H))2 О,

тех пор, пока не будет соблюдаться равенство

а р

ЬН О, поэтому ЈЈ 0, если выпол- ЭН

&ик

Aul

buk ьиэ

заданной степенью точности.

(8)

При этом с учетом (7) и (4) G(HQ + &Н) G(H + Н + &Н)

G(Ho

G(Hj + Н2)

что равенство (9) выполсоблюдается равенство

(Ю)

1Ц + Hz.

Чтобы равенство (8) выполнялось только лишь при выполнении равенства (9). достаточно (но не необходимо),

G(H + АН) „ чтобы функция Р. г {ц) была 30

монотонна в рабочем диапазоне изменения Н. Для этого достаточно, чтобы

выполнялось условие

тг 7 О ИЛИ

on

U

при 6t - 0 - 1,00 - О, Ц 0 р +0, 00256 /J ;

при et 0,1 - v 1,00 - 0, 1 06 р + 0, 00282 р; при „6 0,3 -д 1,00 - 0,0908fi + 0,00293/iZ; при об 0,5 1,00 - 0,695 /5 + 0,00264 /}2;

2Н где oi - величина обобщенного

значения зазора H;i U. - амплитуда выходного напряжения преобразователя в воздухе (в 0). Таким образом, при оЈ 0,0; оЈ 0,1; oi 0,3; oi 0,5 значения соответствующих коэффициентов at равны -0,110; -0,106; -0,0908; -0,0695. По этим значениям построена зависимость а G(ot) при 0,5, которая изображена на фиг. 2. На фиг. 2 изображе1543338

§1 ЭН

8

0. Таким образом, величина

ЭР G (H + ЬН)С(Н) - G (H) G(H ШГG2(H)

а р

ЬН О, поэтому ЈЈ 0, если выпол- ЭН

15 няется условие

G (H)-G(H) 0 .

(11)

Анализ известных зависимостей величины выходного наряжения вихретоко- вого преобразователя от величины jb позволяет сделать вывод, что условие (11) выполняется для трансформаторных преобразователей с определенным значением величины параметра - - f где

R

т - радиус меньшей катушки. Например, для трансформаторного двухкатушечно- го преобразователя с N -0,5 относительная величина выходного напряжения в диапазоне й 0-10 (точки аппроксимации р О, р 3, () 10) может аппроксимироваться следующими выражениями:

0

5

ны также аналогичные зависимости при 3 0,1 и 0,75. Из этих зависимостей видно, что при 0,5-0,75 в диапазоне oi 0-0,5 функция G(oO выпукла вниз, т.е. с ЧоО О, G(oO i 0, следовательно, условие (10) выполняется, а функция Р(о6) - монотонно убывающая в диапазоне изменения ct- 0,0-0,5.

Поэтому при выполнении условия (8) за счет изменения величины Нг (а следовательно, и Н) справедливо равенство (11).

Условие (-11) является достаточным, но не необходимым, поэтому условие (8) выполняется только при достижении равенства (10) в более широком диапазоне изменения параметров oi и -) , чем это следует из условия (11) и зависимостей, изображенных на фиг.2. После достижения равенства (10), измерив величину Н - величину окончательного зазора Н, при котором выполняется условие (8), толщину диэлектрического покрытия можно найти по формуле

Н,

Н0 Hk

(12)

I

Если в процессе контроля величи-, ны коэффициентов передачи блоков, реализующих способ, не изменяются, то величина коэффициента а( определяется величиной зазора Н. При выполнении условия (8) величина зазора Н - Н- + Н ц равна зазору HQ , который шеется при калибровке, поэтому а, ai. С учетом этого и выражений (2) и (5) имеем

М JW

UU,

отсюда величину можно найти в виде

Ск

MJj

UU;

(Г,

Устройство, реализующее способ, работает следующим образом.

Перед началом калибровки оператор замыкает ключи 24, 26 и, вращая микрометрический винт 28, заставляет перемещаться каркас 3 вихретокового преобразователя 1 до момента совпадения установочных торцов корпуса 2 и каркаса 3 (до упора). На индикаторе 29 при этом устанавливают значение Н0 .

В процессе калибровки на образцовое изделие (без диэлектрического покрытия) устанавливают диэлектрическу пластину (не показана) толщиной HQ, а на нее - вихретоковый преобразователь 1, при этом расстояние между катушками 4 и 5 и проводящей поверхностью изделия 30 равно величине Н0.

В течение всей работы устройства возбуждающая катушка 4 запитывается с помощью генератора 8 и модулятора 7 переменным током с частотой СО С)Э0(1 + jf sinQt). С измерительных катушек 5 и 6, расположенных соосно на расстоянии ДН друг от друга,

, ,

10

15

20

25

30

35

40

сигналы поступают на входы усилителей 9 и 17 соответственно и усиливают ся ими. С помощью амплитудных детекторов 10 и 18 выделяются информативные составляющие U усиленных сигналов, снимаемых с измерительных катушек 5 и 6. С помощью полосовых фильтров 11 и 19, которые пропускают сигналы с частотой F 2 5 , из информативных составляющих выделяют периодические с частотой F 2Q приращения U U

|7

и UU9 соответственно. На выходе амплитудных детекторов 12 и 20 формируются сигналы, численно равные величинам Ы) и UU соответственно. На выходе блока 21 деления формируется

Ь11э

сигнал г-г-- который через замкну- о Up

тый ключ 24 поступает и запоминается в блоке 25 памяти. Сигнал (frU5)2 с выхода блока 13 возведения в квадрат через замкнутый ключ 26 поступает и запоминается в блоке 27 памяти. При этом на оба входа блока 14 деления поступает сигнал (&U9)2, поэтому на его выходе формируется сигнал, численно равный единице. Изменяя величину коэффициента передачи регулируемого масштабного преобразователя 15, оператор добивается, чтобы индикатор 16 показал величину Ј . При этом установленное в процессе калибровки значение Кш получается равным величине бэ , т.е. Кмп бэ.

Не снимая с эталонного изделия преобразователь 1, оператор размыкает ключи 24 и 26. В дальнейшем положение этих ключей не изменяется, а в блоках памяти 25 и 27 хранятся величиьи;

ны

hUii (&U-j)2 соответственно. На

этом калибровка устройства заканчивается.

В процессе контроля оператор устанавливает вихретоковый преобразователь 1 на контролируемое изделие 30, которое в общем случае имеет диэлектрическое покрытие 31 толщиной Н„. Аналогично процессу калибровки на выходе блоков 21 и 13 формируются

сигналы -П и (&ик)2 соответственно.

оик

Изменяя с помощью микрометрического винта 28 положение каркаса 3, то есть изменяя величину зазора Нг, оператор, следя за показаниями индикатора 23 нуля, добивается, чтобы на вы

ходе блока 22 вычитания формировался сигнал U6, равный нулю. При U0 О выполняется равенство сигналов

тг Т772- и равенство (11). При пере и к. иэ.

мещении каркаса 3 на величину Нг Нк показания индикатора 29 увеличатся на величину HK, поскольку при калибровке на индикаторе 29 выставлено значение -Н , то согласно (12), он показывает величину -Н0 + Нк -Н|. При На 0 индикатор 29 также будет показывать величину О.

Сигнал (ЛИК)2 с блока 13 возведе- ния в квадрат поступает на первый вход блока 14 деления, на второй вход которого поступает сигнал (Л11Э)2

с блока 27 памяти. Сигнал (-гтгЧ поступает на вход масштабного преобразователя 15 с К„„ СГа . Сигнал

лМ ПУ

.,

-77- и ь поступает на индикатор 16

йиэ /

который показывает величину 6 .

Использование величины приращения & U информативной составляющей U с частотой 2 Q позволяет получить линейную зависимость величины &U от величины В и исключить влияние величин коэффициентов а0 и а„ на точност измерения G . Совместное измерение величины U U и итерационное изменение зазора в процессе контроля до получения определенного равенства позволяет контролировать толщину Hj. диэлектрического покрытия на контролируемом изделии и исключить влияние величины зазора на точность измере- нияС . Так как для определения величин контролируемых параметров ис/А1Ы2- Ьи э пользуются величины -гтг ТГГ и

, йиэ

Ли,-

7Т7 , то результат измерения ке зави-

aUj

сит от величины коэффициентов преобразования устройств, реализукцдих способ, необходимо только, чтобы в процессе контроля эти величины не

изменялись.

Формула изобретения Способ вихретокового измерения

параметров электропроводящих изделий

5

5

0 5 0

5

0

заключающийся в том, что вихретоковый преобразователь питают переменным током с частотой СО , модулируют ее по гармоническому закону с частотой П, усиливают выходное напряжение преобразователя, выделяют информативную составляющую U усиленного выходного напряжения преобразователя, выделяют периодические с частотой F приращения &U выделенной информатив- ной составляющей, в процессе контроля измеряют величину приращения Д.ик информативной составляющей и корректируют результат измерения, о т л и- ча-ющий ся тем, что, с целью увеличения точности измерения удельной электрической проводимости и повышения информативности за счет измерения также и толщины диэлектрического покрытия, величину F выбирают равной 2 Л, предварительно преобразователь устанавливают на образцовое изделие с зазором Н0, соответствующим верхнему пределу рабочего зазора между торцом преобразователя и поверхностью изделия в процессе контроля, измеряют величину UU приращения информативной составляющей, задают бик- сированное приращение зазора &Н и снова измеряют величину приращения М) информативной составляющей, определяют и запоминают величину , а в процессе контроля задают фиксированное приращение зазора ДН, измеряют величину приращения &U информативной составляющей, определяют величину UUK/&UK, сравнивают величины kU /AUfc и &U j/bU, изменяют величину зазора Н вплоть до получения равенства Ди,,,/дик uUg/UUg, после чего определяют величину ftUn/Uj и перемещение HK преобразователя, а удельную электрическую проводимость контролируемого изделия и толщину Н- диэлектрического покрытия на контролируемом изделиии находят из соотношений

)2; н Н0 - нк,

где О э , (. удельная электрическая

проводимость контролируемого и образцового изделий соответственно.

0,11

0,1 0,1 0,3 0,4 Л Фиг.1