Двухчастотный вихретоковыйТОлщиНОМЕР Советский патент 1981 года по МПК G01N27/50 

(54} ДВУХЧАСТОТНЫЙ ВИХРЕТОКОВЫЙ ТОЩИНОМЕР

Изобретение относится к области нераэрушающего контроля материалов и может быть использовано для измерения толщины листов проката, стенок труб и других изделий из электропроводных материалов с повышенной точностью. Известен вихретоковый толщиномер, содержащий измерительный вихретоковызл генератор, генератор высокой час тоты, фазочувствительный выпрямитель и индикатор to Недостатком толщиномера является низкая точность измерений из-за нестабильности параметров (|)азоизмерительной схемы. Наиболее близкий к предлагаемому двухчастотный вихретоковый толщиномер содержит два генератора высокой частоты, фильтры верхних и нижних ча тот, вихретоковый преобразователь, широкополосный усилитель, два амплитудных детектора и индикатор С23« Недостатками данного толщиномера являются сложность настройки и трудность обеспечения стабильности характеристик двух каналов преобразователя.. Цель изобретения - повышение точности измерений. Указанная цель достигается тем, что вихретоковый толщиномер снабжен балансньм смесителем, входы которого соединены с обоими генераторами, а выход соеданен с параллельно включенными входами фильтров верящих и ннжних частот, управляемьм делителем напряжения, вход которого соединен с выходом фильтра нижних частот, двухпозиционным автоматическим переключателем, входы которого.соедине с выходами фильтра верхних частот и управляемого делителя напряжения, а выход подклочен к соединенным последовательно вихретоковому преобразователю, широкополосному усилителю и детектору, и соединенш 1ми последо3вательно логарифмическим преобразова Телем, низкочастотным усилителем и фазочувствительным выпрямителем, к выходу которого подключен индикатор а такде усилителем частоты коммутации, вход которого соединен через второй амплитудный детектор с выходом двухпозиционного автоматкнеского переключателя, вторым фазочувствительным выпрямителем, вход которого соединен с выходом усилителя частоты коммутации, а выход - с опорным вхо дом управляемого делителя напряжения и низкочастотным генератором коммута дии, один из выходов которого соеди нен с управляющим входом двухпозицио ного автоматического переключателя, два других выхода - с опорными входа ми фазочувствительных выпрямителей. На фиг. 1 представлена функциональная схема двухчастотного вихретокового толщиномера, на фиг. 2 эпюры напряжений ч Генераторы 1 и 2 высокой частоты (jo и ио, соединены со входами балансного смесителя 3, к выходу которого подключены соответственно фильтр 4 нижних частот частота среза / (tj w ), фильтр 5 верхних частот (частота среза а).р ш + }„ ) и управляемый делитель 6 напряжения. Выходы фильтра 5 верхних частот и управляемого делителя 6 напряжения сое динены со входами двухпозиционногп автоматического переключателя 7. Цепь управления автоматического переключателя 7 подключена к низкочастотном генератору 8 частоты коммутации SI. К выходу двухпозиционного автоматического переключателя 7 подключен вихретоковый преобразователь 9, выходом соединенный с последовательно соединенными широкополосным усилителем 10, детектором П, логарифмическим преобразователем 12, низкочастот ным усилителем 13, фазочувствительны выпрямителем 14 и индикатором 15. Од новременно к выходу двухпозиционного автоматического переключателя 7 подключены вторые амплитудный детектор 16, усилитель 17 частоты коммутащ и и фазочувствительный выпрямитель 18, выход которого соединен с управляющим входом управляемого делителя 6 напряжения. Цепи управления фазочувствительных выпрямителей 14 и 18 подключены также к генератору 8. Толщиномер работает следующим образом. Колебания 19 генератора 1 Щ Uy cosluu t- - ) смешивают с колебаниями 20 генератора 2 UQ UvtirjCOS ( + 45) в балансном смесителе 3. В результатё смешивания образуются двухчастотные колебания вида U(t) -|3-U U,cos(V,-,,)t+VV +1 ,cos(,i) где S - крутизна преобразования балансного смесителя 3 U/В). Колебания 21 разностной частоты w -ijUr m.WQ выделяются фильтром 4 нижних частот и используются в качестве зондирующего напряжения, а колебания 22 суммарной частоты 1Ц+и;,ш, выделяемые фильтром верхних частот 5, используются в качестве компенсирующих, с помощью которых исключается влияние колебаний скорости движения изделия и величины зазора датчик изделие. Двукпозиционным автоматическим переключателем 7, управляемым напряжением низкочастотного генератора 8, формируются пакеты зондирующих и компенсирующих колебаний (23). Частота напряжения генератора 8 выбирается значительно меньше разностной частоты зондирукодих колебаний Sl«iw -(jU2 . Пакеты напряжений суммарной (компенсирующей) и разностной (зондирующей) частот поочередно поступают на вход вихретокового преобразователя 9. Амплитуда низкочастотного напряжения на выходе датчика зависит от толщины и проводимости контролируемого изделия, а также от колебания величины зазора датчик - изделие, скорости движения изделия и определяется соотношением SqA(uJo)K4K6Um Umfos(ouot Vu) (2) Здесь А(ШО) ае - амплитуда разностных колебаний, где а - коэффициент преобразования, зависящий от геометрических размеров и пространственного расположения вихретокового преобразователя 9; Ь - коэффициент преобразования, зависящий от электрических и магнитных свойств контролируемого изделия и частоты возбуждения ; скорости движения и зазо ра датчик - изделие; Т - толщина контролируемого изделия; S- - крутизна преобразования (чувствительность) вихре токового преобразователя 9; К, К - коэффициенты передачи со ответственно фильтра 4 нижних частот и управляемого делителя 6 напряжения. Амплитуда высокочастотного напряжения на выходе вихретокового преобразователя 9 определяется только про водимостью контролируемого объекта и величинами скорости движения изделия и зазора датчик - изделие и не зависит от измеряемой толщины. Поэтому амплитуда этого напряжения определяется выражением AUJ а . В соответствии с этим напряжение суммарной частоты на выходе вихретокового преобразователя 9 имеем иэ SgAMK5K Uf U cos(«;t + ,},(3) где Kg и К, - коэффициенты передачи фильтрат 5 верхних частот и амплитудного детектора 1 I . I I Так как в процессе контроля Ug U то на выходе вихретокового преобразователя поочередно присутствуют пакеты низкочастотных и высокочастотных напряжений- разных амплитуд. При автоматическом режиме работы, переключателя 7 выходное напряжение вихретокового преобразователя 9 представляет собой напряжение 24, модулированное как по частоте, так и по амплитуде. В результате этого на вход широкополосного усилителя 10 поступает модули рованное напряжение, глубина амплитудной модуляции которого пропорциональна толщине контролируемого изделия. Усиленное напряжение 24 выпрямляется детектором 11 (эпюра 25) и подвергается функциональному преобразованию с помощью логарифмического преобразователя 12. Поочередное детектирование (выпрямление) высокочастотного Ug и низкочастотного Uj напряжения исключает влияния их начальных фаз, соответственно (Ч Ч/) и (), на результат преобразования . Выходное напряжение 26 логачение действия на вход детектора пакета низкочастотного напряжения линейно зависит от толщины контролиру емого изделия: и{г s«en(K,,K,u) ttn(SAKtoK) + ena-c+ЬТ -i+ en(K4KfeU u j, (Ц) где S, - крутизна логари(} 1ического преобразования () io коэф4«и;иент усиления широкополосного усилителя 10; - коэффициент передачи детектора I . В течение действия на детектор высокочастотного напряжения U получается соотношение (K,oK,,u) Si«i Г«п(, ) - с + + Pn(KTU«,,Umi)J(5) При автоматическом режиме работы переключателя 7 в выходном напряжении логарифмического преобразователя 12 присутствует переменная составляющая 27 напряжения частоты коммутации с амплитудой и.л(й) 5„ CbTfenC j - I,- V ,, Усиление переменной составляющей напряжений производится низкочастотным усилителем 13 частоты коммутации с послб.дую1цим его выпрямлением фазочувствительным выпрямителем 14. Величина полученного выходного постоянного напряжения равна и,5,гК,.К,,ГьТ.еп(), (7) где Кл, соответственно коэффициент усиления усилителя 13 и коэффициент передачи выпрямителя 14. Коэффициенты передачи 4ильтров А и 5 высокой и низкой частот, коэффициент передачи управляемого делителя 6 напряжения выбраны из условия 1 (или К.К К,). Тогда S. для этого случая второе Слагаемое в выражении (7) равно нулю tnC-jfr) и величина выходного постоянного напряжения определяется соотношением 4 .,4bT . Напряжение измеряется с поощью индикатора 15 магнитоэлектрнческой системы, градуированного в единицах толщины изделия. Для автоматического поддержания условия К, выходное напряжение переключателя 7 подается на детектор 16. Нарушение условия К4.К Kg вызывает .появление амплитудной модуляции во входном напряжении вихретокового преобразователя 9. Поэтом на выходе детектора 16 вьщеляется пе ременное напряжение частоты коммутации, которое усиливается с помощью усилителя 17 и выпрямляется фазочувствительным вьшрямителем 18. Выходное напряжение выпрямителя 18 воз действует н.а управляющий вход управляемого делителя 6 в направлении уменьшения разности амплитуд коммути руемых переключателем 7 напряжений. Выбрав достаточно большим коэффициент усиления усилителя 17, можно автоматически поддерживать равенство коммутируемых напряжений даже при нестабильных коэффициентах передач фильтров 4 и 5. Таким образом, показания измерительного прибора 15 пропорциональны только толщине контролируемого изделия и не зависят от временной и температурной нестабильности фильтров 4 и 5 К . Kj), непостоянства чувствительности токовихревого датчика 9 iSg), коэффициента усиления пшрокополосного усилителя 10 (К) и коэффициента передачи детектора 11 (К-и) Кроме того, изменения амплитуд питающих напряжений (U , Ur) не влияют на результат измерения, так как амплитуды высокочастотного и низкочастотного напряжений определяются их произведением и в одинаковой мере зависят от нестабильности обоих генераторов . Аналогично не влияет на измерение и нестабильность крутизны балансного смесителя (S) Благодаря поочередному преобразованию низкочас тотного и высокочастотного напряжени одним и тем же усилителем 10, детектором 11 исключено влияние их параметров на результат измерения ( и К). Автоматической перестройкой делителя 6 напряжения исключают влия ние временных и температурных нестабильностей фильтров 4 и 5 на точност измерения ( и Kg) . Колебания зазора и скорости движения контролируемого изделия в одинаковой мере влияю на уровни низкочастотного и высокочастотного напряжения (параметр С), 08 не вызывая дополнительной амплитудной модуляции. Поэтому одноканальная двухчастотная схеМа обладает стабильным нулем, что позволяет выявлять малые отклонения по толщине изделия. Формула изобретения Двухчастотный вихретоковый толщиномер, содержащий два генератора высокой частоты, фильтры верхних к нижних частот, вихретоковый преобразователь, широкополосный усилитель, два амплитудных детектора и индикатор, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, он снабжен балансным смесителем, входы которого соединены с обоими генераторами, а выход соединен с параллельно включенными входами фильтров верхних и нижних частот,управляемым делителем напряжения, вход которого соединен с выходом 4и льтра нижних частот, двухпозиционным автоматическим переключателем, входы которого соединены с выходами фильтра верхних частот и управляемого делителя напряжения , а выход подключен к соединенным последовательно вихретоковому преобразователю, широкополосному усилителю и детектору, и соединенными последовательно логарифмическим преобразователем, низкочастотным усилителем и фазочувствительным выпрямителем, к выходу которого подключен индикатор, а также усилителем частоты коммутации, вход которого соединен через второй амплитудный детектор с выходом двухпозиционного автоматического переключателя, вторьм фазочувствительньм выпрямителем, вход которого соединен с выходом усилителя частоты коммутации, а выход - с опорным входом управляемого делителя напряжения и низкочастотным генератором коммутации, один из выходов которого соедииен с управляющим входом двухпозиционного автоматического переключателя, а Два других выхода - с опорными входами фазочувствительных выпрямителей. Источиики информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Неразрушающий контроль металлов и изделий. Под ред. Г.С. Самойловича. М., Машииостроение, 1976, с. 271, рис. 81. 2.Дорофеев А.А. и др. Индукционная толщииометрия. М., Энергия, 1978, с. 87, рис. 50 пpoтoтип).

V VV V VI V V

WHfynHKKHP у

л 7 mmmml K

Pui.i

€

- i

i

- t

-Ь