Устройство для идентификации стали Советский патент 1992 года по МПК G01N11/12 G06F15/46 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для идентификации сталей по показателю магнитоупругой чувствительности, например при оценке напряженного состояния ферромагнитных материалов магнитным видом неразрушающих испытаний.

Известно устройство для и деитифйка- ции стали по показателю магнитоупругой чувствительности, содержащее П-обраэный магнитопровод с обмоткой намагничивания, подключенной к источнику постоянного тока, генератор звуковой частоты, пьезоэлектрический излучатель, индукционную обмотку и селективный вольтметр.

С помощью данного устройства в зоне испытаний металл намагничивают магнитным полем, создаваемым П-образным маг- нитопроводом с обмоткой намагничивания, питаемой от источника постоянного тока. При этом в зоне испытания возбуждают упругие колебания с помощью пьезоэлектрического излучателя, подключенного к выходу генератора звуковой частоты, сигнал индукционной обмотки, зарегистрированный селективным вольтметром, анализируют при различных токах источника и по максимуму выходного сигнала селек- тивного вольтметра идентифицируют исследуемую сталь.

,

Недостатком известного устройства является низкая точность из-за отсутствия блоков, обеспечивающих безусловное предварительное размагничивание зоны испытаний, узлов, осуществляющих поиск положения точного максимума выходного сигнала индукционной обмотки (в прототипе эта операция выполняется оператором), и блоков, реализующих алгоритм распознавания сталей.

Отсутствие названных блоков и узлов создает условия для субъективных ошибок оператора, снижает точность и оперативность идентификации материала.

Цель изобретения - повышение точно- сти идентификации сталей за счет предварительного размагничивания зоны испытаний и поиска положения максимума исследуемого сигнала.

Увеличение числа диагностических при- знаков, используемых для идентификации стали, повышает достоверность распознавания. Автоматизация всего процесса измерений и исключение операций по анализу данных, выполняемых оператором, новы- шает точность идентификации стали за счет устранения субъективных и других случайных ошибок. Автоматическое повторение циклов Намагничивания и полного размагничивания среды в зоне испытаний также повышает точность, в том числе за счет исключения ситуаций проведения измерений на образце с неизвестным начальным магнитным состоянием.

В предложенное устройство для идеи- .тификации стали, содержащее установленные в зоне испытаний П-образный магнитопровод с обмоткой намагничивания, пьезоэлектрический излучатель, индукционную обмотку, а также генератор звуковой частоты, выход которого соединен с входом пьезоэлектрического излучателя, первые выводы обмотки намагничивания и индукционной обмотки подключены к общей шине, дополнительно .введены датчик упругих колебаний, установленный на оси индукционной обмотки, на торце которого установлен пьезоэлектрический излучатель, фазосдвигающая цепь, синхронный детектор, усилитель напряжения, усилитель тока, сумматор, первая и вторая дифференцирующие цепи, первый и второй генераторы треугольного напряжения, формирователь импульса, блок выделения нуля, блок выборки и хранения, блок выде- ления максимума, первый и второй триггеры, первый и второй элементы И, аналого-цифровой преобразователь, генератор импульсов, первый и второй счетчики, блок обработки результатов измерения и

индикатор, вход которого соединен с информационным выходом блока обработки результатов измерения, первый и второй информационные входы и вход запуска которого соединены соответственно с выходами первого и второго счетчиков и выходом второго элемента И. подключенным к входу установки первого триггера, выход которого соединен с первым входом первого элемента И, второй вход которого соединен с выходом генератора импульсов, а выход - со счетным :входом второго счетчика, вход сброса которого соединен с входом сброса первого счетчика, входом установки второго триггера и выходом формирователя импульса, вход которого соединен с выходом второй дифференцирующей цепи, вход которой соединен с информационным входом усилителя тока и выходом второго генератора треугольного, напряжения, второй выход индукционной обмотки соединен с входом усилителя напряжения, выход которого соединен с управляющим входом синхронного детектора, выход которого соединен с информационными входами блока выборки и блока выделения максимума, выход которого соединен с входом запуска блока выборки и хранения и входами сброса первого и второго триггеров, выход первого генератора треугольного напряжения соединен с входом блоха выделения нуля, первым входом сумматора и входом первой дифференцирующей цепи, выход которой соединен с вторым входом сумматора, выход которого соединен с входом управления .коэффициента усиления усилителя тока, выход которого соединен с вторым выводом обмотки намагничивания, выход блока выборки и хранения соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого со- единен со счетным входом первого счетчика, первый и второй входы второго элемента И соединены соответственно с выходом второго триггера и выходом блока выделения нуля.

На чертеже представлена блок-схема предложенного устройства.

Устройство для идентификации стали по показателю магнитрупругой чувствитель-; .ностисодержит установлённыевзонеиспы- таний ПтобразньГй магнитопровод 1 С обмоткой 2 намагничивания, пьезоэлектрический излучатет 3, индукционную обмотку 5, а также генератор 7 звуковой частоты, выход которого соединен с входом пьезоэ- лектрического излучателя 3, первые выводы обмотки 2 намагничивания и индукционной обмотки 5 подключены к общей шине. С целью повышения точнорти идентификации стали, в устройство введены датчик 4 упругих колебаний, установленный на оси индукционной обмотки 5, на торце которой установлен пьезоэлектрический излучатель 3, фазосдвигающая цепь 8, синхронный де тектор 9, усилитель 10 напряжения, усили- тель 14 тока, сумматор 13, первая 12 и вторая 17 дифференцирующие цепи, первый 11 и второй 18 генераторы треугольного напряжения, формирователь 16 импульса, блок 15 выделения нуля, блок 22 выборки и хранения, блок 21 выделения максимума, первый 23 и второй 20 триггеры, первый 24 и второй 19 элементы И, аналого-цифровой преобразователь 26, генератор 25 импульсов, первый27и второй29 счетчики, блок28 обработки результатов измерения и индикатор 30, вход которого соединен с информационным выходом блока 28 обработки результатов измерения, первый и второй информационные входы и вход запуска ко- торрго соединены соответственно с выходами первого 27 и второго 29 счетчиков и выходом второго элемента И 19, подключенным к входу установки первого триггера 23, выход которого соединен с первым входом первого элемента И 24, второй вход которого соединен с выходом генератора 25 импульсов , а выход - со счетным входом второго счетчика 29, вход сброса которого соединен с вхо- дом сброса первого счетчика 27,

.входом установки второго триггера 20 и выходом формирователя 16 импульса, вход которого соединен с выходом второй дифференцирующей цепи 17, выход кото- рой соединен с информационным входом усилителя 14 тока и выходом второго генератора 18треугольного напряжения, второй выход индукционной обмотки соединен с входом усилителя 10 напряжения, выход ко- торого соединен с управляющим входом синхронного детектора 9, выход которого соединен с информационными входами блока 22 выборки и блока 21 выделения максимума, выход которого соединен с вхо- дом запуска блока 22 выборки и хранения и входами сброса первого 23 и второго 20 триггеров, выход первого генератора 11 треугольного напряжения соединен с вхо- дом блока 15 выделения нуля, первым вхо- дом сумматора 13 и входом первой дифференцирующей цепи 12, выход которой соединен с вторым входом сумматора 13, выход которого соединен с входом управления коэффициента усиления усилите- ля 14 тока, выход которого соединен с вторым выводом обмотки 2 намагничивания, выход блока 22 выборки и хранения соединен с входом аналого-цифрового преобразователя 26, выход которого соединен

со счетным входом первого счетчика 27, первый и второй входы второго элемента И 19 соединены соответственно с выходом второго триггера 20 и выходом блока 15 выделения нуля.

Устройство работает следующим образом.

На зону испытаний образца стали (или изделия) устанавливают преобразователь устройства, обеспечивая акустический контакт торца датчика 4 с материалом и магнит- ный контакт полюсов П-образного магнитолровода 1.:

При включении устройства генераторы 11 и 18 начинают вырабатывать напряжений треугольной формы, причем период колебаний выходного напряжения генератора 18 много больше периода колебаний напряжения генератора 11. В момент времени, когда выходное напряжение генератора 18 достигает нулевого значения, усилитель 14 тока оказывается практически закрытым и на обмотку 2 намагничивания ток практически не поступает, а следовательно, среда в зоне 6 не намагничивается. По мере роста выходного напряжения генератора 18 усилитель 14 тока постепенно открывается, осуществляя питание обмотки 2 намагничивания согласно управляющему сигналу, действующему на втором входе этого усилителя 14.

Генератор 11 вырабатывает напряжение треугольной формы, которое подается непосредственно на один из входов сумматора 13 и через первую дифференцирующую цепь 12 - на другой вход того же сумматора 13. В результате на выходе сумматора 13 появляется напряжение треугольной формы, в экстремальных точках которого оказываются наложенными короткие импульсы. Такая форма изменения тока намагничивания необходима для обеспечения строго линейного изменения поля намагничивания, создаваемого обмоткой 2, что дополнительно повышает точность измерений (исключается нелинейность на границах с экстремальными точками участках). Выходной сигнал сумматора 13 воздействует на вход усилителя 14 тока и обеспечивает изменение тока намагничивания специальной формы. Таким образом, зона 6 испытания постоянно намагничивается линейно изменяющимся полем переменной амплитуды: от минимального (нулевого) до максимального (насыщение) значения и в обратном направлении. Такой режим намагничивания обеспечивает как полное намагничивание среды, так и ее размагничивание.

Генератор 7 вырабатывает напряжение звуковой (или ультразвуковой) частоты, которое подается на пьезоэлектрический излучатель 3, установленный на концентраторе 4. В результате в зону 6 материала посылаются упругие колебания по- вышенной амплитуды (благодаря применению концентратора 4). Вследствие магнитоупругого эффекта в индукционной обмотке 5 наводится ЭДС, которая через усилитель 10 напряжения подается на первый вход детектора 9, в качестве которого наиболее целесообразно применять синхронный детектор. На второй вход того же детектора 9 через фазосдвигающую цепь 8 подается выходное напряжение генератора 7 удвоенной частоты.

При изменении магнитного состояния зоны 6 испытаний выходной си гнал детектора 9 проходит через максимальное значение, которое фиксируется во времени блоком 21 выделения максимума сигнала. Выходной сигнал блока 21 запускает блок 22 выборки и хранения, который запоминает названное максимальное значение выходного сигнала детектора 9. Одновременно выходным сигналом блока 21 выделения максимума осуществляется начальная установка (для определенности -установка нуля) первого и второго триггеров 20 и 23. Напряжение, зарегистрированное в блоке 22 с помощью аналого-цифрового преобразователя 26, кодируется в последовательность импульсов или в параллельный код, который запоминается в первом счетчике 27. В результате в первом счетчике 27 запоминается число, пропорциональное максимальному значению индуцированной ЭДС, обусловленной магнйтоупругим эффектом в данном сплаве.

Напряжение, вырабатываемое первым генератором 11, поступает на вход блока 15 выделения нуля. Каждый раз, когда выходное напряжение генератора 11 достигает нулевого значения, блок выделения нуля вырабатывает короткий импульс, который передается на первый вход второго элемента И 19. Если по второму входу элемент И 19 открыт (определяется потенциалом второго триггера 20). то выходной импульс блока 15 выделения нуля передается на вход установки .первого триггера 23. Таким образом, выходной импульс первого триггера 23 по длительности оказывается равным времени между началом намагничивания среды (момент перехода через нуль выходного напря- жения генератора 11) и моментом достижения индуцированной ЭДС своего максимального значения (выходной импульс блока 21 выделения максимума). Названный импульс открывает первый элемент И 24, через который на вход второго счетчика 29 начинают передаваться импульсы с выхода генератора 25 импульсов. В

результате за время действия выходного потенциала первого триггера 23 во втором счетчике 29 накапливается число, .пропорциональное времени от начала процесса намагничивания до момента фиксации

0 максимума индуцированной ЭДС. Поскольку намагничивание производится по линейному закону, то это число оказывается пропорциональным току намагничивания среды в момент фиксации максимума инду5 цированной ЭДС.

Таким образом, в течение рабочего цикла в счетчиках 27 и 29 запоминается информация о максимальном значении индуцированной ЭДС и о токе намагничива0 ния, соответствующем максимуму магнито- упругой чувствительности.

Для исключения ложных отсчетов и обеспечения автоматического производства измерений только на максимальной амп5 литуде изменения поля намагничивания с помощью блоков 17 и 16 производится отбор рабочего цикла. Для этого выходное напряжение генератора 18 дифференцируется цепью 17, на выходе которой появляются

0 короткие импульсы, соответствующие экстремальным значениям треугольного напряжения. Формирователь 16 импульсов ограничивает выходные импульсы второй Дифференцирующей цепи 17 по времени и

5 амплитуде. При этом выходным .импульсом формирователя 16 импульса производится установка нуля счетчиков 27 и 29. а также запуск триггера 20. В результате непосредственно перед рабочим циклом в счетчиках

0 27 и 29 стирается предыдущая информация, а выходным потенциалом второго триггера 20 открывается второй элемент И 19. До этого момента измерения не выполняются, поскольку элемент И 19 остается закрытым.

5 Задним фронтом выходного сигнала элемента И 19 осуществляется запуск блока 28 обработки результатов измерений, который считывает информацию из счетчиков 27 и 29, а затем обрабатывает ее по заданному

0 алгоритму распознавания и идентификации. Результат идентификации отображается на экране индикатора 30.

Для работы устройства могут быть предусмотрены следующие алгоритмы работы

5 блока 28, реализуемые программно.

Алгоритм идентификации результата измерения (отсчета). Данный- алгоритм предназначен для исключения .влияния случайных факторов на результаты обработки данных. В простейшем случае он реализуется методом стохастической аппроксимации. Для этого может быть использован акселе-, ратный абсолютно оптимальный на классе помех рекуррентный алгоритм идентифика- ции

Cn-Cn-i + F(y-Cn-i)/nP,(1)

где Сп, Сп-1 - оценки результата измерения соответственно на n-м и (п-1)-м шагах;

у - текущий результат измерения;

п-номер текущего измерения (шага);

Р - Фишеровская информация;

F - оператор производной функции помех с аргументом (у-Сп-0

Для случая нормального закона распределения помех алгоритм (1) упрощается к виду

Cn Cn-i+(y-Cn-i)/n.(2)

При работе блока 28 обработки результатов измерений по программе, реализую щей алгоритм (1) или (2), дальнейшие операции не выполняются до тех пор, пока разность (y-Cn-i) не станет меньше заданной точности измерения.

Алгоритм обучения распознаванию сталей.

Данный алгоритм выполняет функцию градуировки устройства. В процессе обучения с помощью устройства выполняют полные циклы измерений на группах образцов заданных марок сталей (из списка марок, подлежащих распознаванию в процессе натурных исследований). При этом в группы объединяют образцы из сталей, минимально отличающихся (в пределах группы) по способам выплавки, раскисления и химического состава, а сами образцы отжигают для снятия внутренних напряжений. Для простейшей программной реализации данного алгоритма, например в переносном варианте конструктивного исполнения устройства, определяют вектор § с компонентами в виде математических ожиданий ai и за максимума индуцированной ЭДС и соответствующего тока намагничивания, а также ковариационную матрицу М этих величин по каждой группе образцов. Указанные значения запоминаются в пере- программируемрм постоянном запоминающем устройстве микропроцессорного блока 28 в виде матриц числовых значений.

Алгоритм распознавания сталей.

Данный алгоритм предназначен для различения марок сталей по результатам измерений в натурных условиях. При достаточном объеме ППЗУ блока 28 возможно различение отдельных групп в пределах марш стали. Для распознавания могут быть применены стандэртные алгоритмы распознавания образцов. В простейшем случае распознавание производится по правилу

4 i ( xi - am )T NT1™ (xi - Јn) - (3 - 5f) т M

2,1

(3).

где К- число групп образцов сталей, использованных при обучении;

оценка (Сп) максимума индуцированной ЭДС и соответствующего тока намагничивания в исследуемой зоне 6;

m и I - указывающие на порядковый номер группы образцов стали, использованной для обучения (т 1, 2k; I 1, 2,...,

Ю. Если условие (3) выполняется, то материал зоны б испытаний признается эквивалентным стали группы с номером т. В противном случае сталь признают эквивалентной металлу группы I. По окончании

классификации материала зоны б испытаний блок 28 программно и из своего постоянного запоминающего устройства вызывает текст сообщения, которое воспроизводится на экране индикатора 30. В резул ьтатестальоказывается

идентифицированной по двум признакам, характеризующим ее магнитоупругую чувствительность.

.Формула, изобретения

Устройство для идентификации стали, содержащее установленные в зоне испытаний П-образн ый магнитопровод с обмоткой намагничивания, пьезоэлектрический излучатель, индукционную обмотку, а также генератор звуковой частоты, выход которого соединен с входом пьезоэлектрического излучателя, первые выводы обмотки намагничивания и индукционной обмотки

подключены к общей шине, от л и ч а ю ще- е с я тем, что, с целью повышения точности идентификации стали, в устройство введены датчик упругих колебаний, установленный на оси индукционной обмотки, на торце которого установлен пьезоэлектрический из- лучатель, фазосдвигаю щая цепь, синхронный детектор, усилитель напряжения, усилитель тока,сумматор, первая и вторая дифференцирующие цепи, первый и

второй генераторы треугольного напряжения, формирователь импульса, блок выделения нуля, блок выборки и хранения, блок выделения максимума, первый и второй. триггеры, первый и второй элементы И. аналого-цифровой преобразователь, генератор импульсов, первый и второй счетчики, блок обработки результатов измерения и индикатор, вход которого соединен с информационным выходом блока обработки результатов измерения, первый и второй

информационные входы и вход запуска которого соединены соответственно с выходами первого и второго счетчиков и выходом второго элемента И, подключенным к входу установки первого триггера, выход которого соединен с первым входом первого элемента И, второй вход которого соединен с выходом генератора импульсов, а выход - со счетным входом второго-счетЧИк а, вход сброса которого соединен с входом сброса первого счетчика, входом установки второго триггера и с выходом формирователя импульса, вход которого соединен с выходом второй дифференцирующей цепи, вход которой соединен с информационным входом усилителя тока и выходом второго генератора треугольного напряжения, второй вывод индукционной обмотки соединен с входом усилителя напряжения, выход которого соединен с управляющим входом синхронного детектора, выход которого соединен с информационными входами блока выборки и. блока выделения максимума, выход которрт. го соединен с входом запуска блока выборки и хранения и входами сброса первого и еторого триггеров,.выход первого генератора треугольного напряжения соединен с входом блока выделения нуля, первым входом сумматора и входом первой дифференциру ющей цепи, выход которой соединен с вторым входом сумматора, выход которого соединен с входом управления коэффициента усиления усилителя тока, выход которого соединен с вторым выводом обмотки намагничивания, выход блока выборки и

хранения соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен со счетным входом первого счетчика, первый и второй входы второго элемента И соединены соответственно с вы

ходом второго триггера и выходом блока выделения нуля.

W 07 //7 47 ilf W 4 ф J7«r Г/ 7/У 7/FSWW

14

10

11