Устройство для контроля толщины покрытий Советский патент 1982 года по МПК G01B7/06 G01N27/90 

(5) УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ ТОЛЩИНЫ

I

Изобретение относится к неразрушающим методам контроля качества и геометрических параметров электро- магнитным методом и может быть использовано .во всех отраслях народного хозяйства, где применяются различные объекты с покрытиями или производится образование покрытий.

Известно устройство для контроля толщины покрытий, содержащее высокочастотный и низкочастотный каналы, каждый из которых выполнен в виде автогенератора, подключенных к нему электромагнитного преобразователя и компенсатора, усилителя, вход которого соединен с электромагнитным преобразователем и компенсатором, и подключенного к усилителю фазочувствительного блока, а также блока фазовращателя, включенного между генератором и фазочувствитёльным блоком, сумматор, соединенный с выходами обоих каналов, и индикатор l . ПОКРЫТИЙ

; Недостатком известного устройства является большая погрешность при измерении толщины покрытий за счет влияния свойств основания, покрытия и зазора. Появление значительной погрешности от изменения свойств материалов объекта возможно как при переходе от одного сочетания электромагнитных свойств материалов покрытия и основания к другому сочетанию, так и при наличии технологического разброса свойств материалов контролируемого объекта в пределах одной партии или от партий к партии.

Цель изобретения - повышение точности и надежности, а также досто-, верности.

Указанная цель достигается тем, .что устройство снабжено блоком деления , вход делимого которого соединен с выходом сумматора, вход делителя - с выходом низкочастотного канала, выход - с индикатором, а параметры преобразователей обоих каналов выбраны из соотношений: R и С H(Ro - R), а рабочая частота низкочастотного канале выбрана из соотношения R-bmax-f ;А(7-(п«03, где - эквивалентные радиусы электромагнитных преобразователей низкочастотного и высокочастотного каналов соответственно; рабочие частоты низкочастотного и высокочастотного каналов соответственно;расстояние между центрами обмоток преобразователей; Н - выбранное для преобразов телей значение обобщенно го параметра; максимальное значение то щины контролируемого покрытия;Др:4Л- Г - магнитная постоянная, г/ - удельная электрическая проводимость покрытия. При этом устройство может быть снабжено вторым высокочастотным каналом, идентичным первому, вторым сумматором, входы которого соединены с выходами низкочастотного и вто рого высокочастотного каналов, а вы ход - со входом делителя блока деления, а его рабочая частота выбра на из соотношения RbMMHf/«-o n 0,2, где bfniii - минимальное возможное значение толщины контролируемого покрытия. Кроме того, устройство снабжено включенными между блоком деления и индикатором, последовательно соединенными третьим сумматором, ключом, вторым блоком деления, запоминающим блоком и блоком умножения, второй вход которого соединен с выходом третьего сумматора, последовательно соединенными вторым ключом и вторым запоминающим блоком, включенными между выходом первого блока деления и вторым входом третьего сумматора, а также блоком установок, подключен ным к входу делителя второго блока деления. На фиг.1 изображена схема двухка нального устройства для контроля тол щины покрытий; на фиг.2 - зависимос сигнала,преобразователя от толщины 64 покрытия; на фиг.З структурная схема трехканального устройства для контроля толщины покрытий; на фиг. структурная схема устройства с блоком автоматической калибровки. Устройство для контроля толщины покрытий содержит два канала - высокочастотный канал 1 и низкочастотный канал 2. Высокочастотный канал 1 предназначен для получения информации d толщине покрытия и содержит автогенератор 3, электромагнитный преобразователь 4, компенсатор 5 усилитель 6, фазочувствительный блок 7 и блок 8 фазовращателя, соединяющий второй вход фззочувствительного блока 7 с автогенератором 3Низкочастотный канал 2 предназначен для получения информации о величине удельной электрической проводимости основания и содержит каскадно включенные автогенератор 9, электромагнитный преобразователь tO, компенсатор 11, усилитель 12, фазочувствительиый блок 13 и блок И фазовраща теля, соединяющий второй вход фазочувствительного блока 13с автогенератором 9. Выходы фазочувствительных блоков 7 и 13 подключены к сумматору 15, а его выход - ко входу делимого блока 16 деления. На вход делителя блока 16 деления подается сигнал с выхода фазочувствительного блока 13- К выходу блока 16 деления подключен индикатор 17. Блок 18 уставки, выполненный, например, в виде источника опорного напряжения, устанавливает начальное значение сигнала фазочувствительного блока 13 с учетом свойств материала покрытия. Контролируемый объект 19 помещен в общую зону контроля электромагнитных преобразователей i и 10. Оба канала настроены так, чтобы сигнал на их выходах не зависел от изменений наиболее сильного из мешающих факторов, например, от расстояния между преобразователями и контролируе№1м объектом (зазора) . Такая настройка обеспечивается компенсаторами 5 и 11 и блоками 8 и 14 фазовращателей. Если влияние изменений зазора невелико (например, в случае высокого качества поверхности контролируемого объекта), фазочувствительные блоки 7 и 13 могут быть использованы только в качестве преобразователей переменного тока в постоянный, что легко достигается с помощью фазовращателя, или могут быть заменены амплитудным.и детекторами, причем необходимость в блоках фазовращателей в этом случае от падает. При контроле толщины с использованием, например, .эмплитудно-фазово го способа выходной сигнал пропорционален проекции приращения выходного напряжения преобразователя, вызванной изменением толщины, на но маль к вектору приращения выходного напряжения от изменения зазора. Эта зависимость нелинейна и имеет области нечувствительности при малых, и больших толщинах (фиг,2). Для получения идентичных зависимостей в всех каналах от удельных электричес ких проводимостей основания и покры тия, что существенно снижает погреш ность измерений за смет их компенса ции, необходимо выдержать одинаковыми значения обобщенных параметров, характеризующих работу вихрето ковых преобразователей в каждом из каналов, т.е. R VSf/t -RO V2JfA(j-6 и н - Ьбо - lino где (э - удельная электрическая про водимость; Ьр,11л - расстояние от возбуждающей обмотки соответствующего преобразователя до внешней границы блока преобразователей, где к нему прилегает контролируемый объект; hp,hp - расстояние от измерительной обмотки соответствующего преобразователя до внешней границы блока преобразователей.

Упростив эти выражения, полумаем:

R R,

и С H(Ro - R) (hep -f hno) - (hg+ hn);

Рабочая частота низкочастотного каналавыбрана достаточно малой, чтобы обеспечить независимость сигналов преобразователя от толщины покрытия (фиг.2) при максимальном возможном значении толщины покрытия :

R-bn)cixf- o6n«0.03;

Устройство для контроля толщины покрытий, состоящее из трех канаРабочая частота высокочастотного канала 20 выбрана большой, чтобы обеспечить независимость сигнала преобразователя от толщины покрытия (фиг.2) при минимальном возможном значении толщины покрытия

. Обработка выходных сигналов фазочувствительных блоков 7, 13 и 25 может быть произведена одним блоком в виде, например, микропроцессора, содержащего необходимые преобразовательные блоки, согласующие его вход с выходами фазочувствительных блоков 7, 13 и 25. лов (фиг.З), имеет высокочастотный канал 1, низкочастотный канал 2 и второй высокочастотный канал 20. Высокочастотйь(м . канал 1 и низкочастотный каналы 2 предназначены для указанных ранее целей и построены аналогично тому, как показано на фиг.1. Высокочастотный канал 20 предназначен для получения сигналов, не зависящих от удельной электрической проводимости покрытия при ее изменении, и содержит автогенератор 21, электромагнитный преобразователь 22, компенсатор 23, усилиталь , фазочувствительный блок 25 и блок 2б фазовращателя, соединяющий второй вход фазочувствительного блока 25 с автогенератором 21. Электромагнитный преобразователь 22 имеет зону контроля, общую с преобразователями и 10, а его параметры выбраны также из приведенных выше соотношений идентичности обобщенных параметров, т.е. Re и Се H(RO - R, где Re - эквивалентный (средний) радиус преобразователя высокочастотного канала; CB - расстояние между центром основного и высокочастотного преобразователей. С выходов фазочувствительных блоков 7 и 13 сигналы подводятся ко входам сумматора 15i ас выходов фазочувствительных блоков 13 и 25 - ко входам сумматора 27- Сигнал .с выхода сумматора 15 поступает на вход делимого блока 1б деления, а с выхода сумматора 27 - на вход делителя блока 16 деления. Сигнал с выхода блока 16 деления подается на индикатор 17. 7 Устройство (фиг.) содержит дополнительные блоки, позволяющие проводить его автоматическую калибровку по эталонным мерам, В него дополнительно входят сумматор 28, блок 29 деления, блок 30 умножения, ключи 31 и 32, запоминающие блоки 33 и 3 и блок 35 установок. Устройство для контроля толщины .покрытий работает следующим образом При использовании двухканального устройства и размещении контролируе мого объекта 19 в зоне контроля электромагнитных преобразователей Ц и 10 на выходах фазочувствительных блоков 7 и 13 появляются сигналы (напряжения), определяемые толщиной покрытия и свойствами материалов объекта контроля, причем сигнал с выхода низкочастотного канала 2 практически не зависит от толщины .покрытия и свойств его материала ввиду выбора малого значения рабочей частоты. В результате вычитания двух сигналов с соответствующими коэффициентами сумматором 15 при фи сированных значениях электромагнитных параметров покрытия, вводимых с помощью блока 18, выходное напряжение сумматора зависит от толщины покрытия, а его начальное значение не зависит от удельной электрической проводимости основания и зазора поскольку условия работы преобразователей выбраны идентичными. При конечных значениях толщины покрытия напряжение на выходе сумматора пропорционально значению толщины и раз нице в свойствах покрытия и основания. Сигнал, подаваемый на вход делителя блока. 16 деления, пропорционален перепаду свойств основания, величина которых определяется каналом 2 и установленным значением напряжения на выходе блока 18, характеризующего свойства покрытия. В результате деления этих сигналов выходной сигнал после блока 16 деления не зависит от свойств материа лов покрытия и основания, а также от зазора. При использовании трехканального устройства для контроля толщины покрытий на вход делимого блока 16 деления подается тот же сигнал, полученный от высокочастотного -канала 1 и низкочастотного канала 2, Определяемый толщиной покрытия и пе репадом свойств основания и покры6тия, а на вход делителя подается сигнал с выхода сумматора 27- Причем выходное напряжение сумматора 27 формируется путем вычитания с соответствующими коэффициентами напряжения на выходе низкочастотного канала 2, зависящего ввиду малого значения рабочей частоты только от свойств основания и напряжения высокочастотного канала 20, зависящего вследствие большого значения рабочей частоты только от свойств покрытия. В связи с таким построением трехканального устройства отпадает необходимость введения оператором опорного напряжения от блока 18 в соответствии с величиной электромагнитных свойств покрытия. В результате деления сигналов с выходов сумматоров 15 и 27 выходной сигнал блока 16 деления, поступающий на индикатор 17, не зависит от свойств основания и покрытия и от зазора. Калибровка осуществляется следующим образом. Перед измерениями электромагнитные преобразователи устанавливаются на эталон без покрытия, и сигнал с выхода блока t6 деления подается одновременно на сумматор 28 и через ключ 31 на запоминающий блок 33- Сумматор 28 производит вычитание выходного сигнала запоминающего блока 33 из выходного сигнала блока 16 деления. При этом на индикаторе 17 появляется нулевое показание. Затем ключ 31 размыкается, и электромагнитные преобразователи устанавливаются на эталон с известной толщиной покрытия. Теперь сигнал с сумматора 28 подается через ключ 32 на вход делимого блока 29 деления, на вход делителя которого подается сигнал от блока 35 установок, соответствующий толщине покрытия эталонной меры. Выходной сигнал блока 29 деления записывается в запоминающем блоке 3 и с его выхода- подается на один из входов блока 30 умно)нения, второй вход которого связан с выходом сумматора 28. Выходной сигнал блока 30 умножения поступает на индикатор 17, где индицируется значение толщины эталонной меры. Затем ключ 32 также размыкается. Прибор готов к измерению. Устройство для контроля толщины покрытий вихретоковыми преобразовагелями дает возможность производить контроль толщины электропроводящих покрытий независимо от электромагнитных свойств основания и покрытия. Это позволяет существенно повысить точность измерения толщины покрытий и ее контроля как для объектов с различным сочетанием свойств покрытия и основания, так и для объектов одного типа, имеющих технологический разброс по свойствам покрытия и основания. При непредвиденных случайных изменениях свойств материалов объекта контроля применение предлагаемого устройства повышает надежность получения правильных результатов. Это устройство может быть использовано при проведении неразрушающего контроля объектов с различным сочетанием электромагнитных свойств материалов, в том числе и при ферромагнитном основании или покрытии, а также с вихретоковыми преобразователями разного типа; накладными, проходными, параметрическими, комбинированными и ругими, ввиду схожести их выходных характеристик от толщины покрытий и электромагнитных свьйств материалов слоев. Устройство может быть выполнено как в аналоговом, так и в цифровом вариантах.

Формула изобретен ; 1 1. Устройство для контротв :толщины покрытий, содержащее высоЦочастотный и низкочастотный кана/Н||, каждый из которых выполнен в виде автогенератора, подключенных к нему электромагнитного преобразователя и компенсатора, усилителя, вход которого соединен с электромагнитным преобразователем и компенсаором, и подключённого к усилителю азочувствительного блока, а также лока фазовращателя, включенного между генератором и фазочувствительным блоком, сумматор, соединенный выходами обоих каналов, и индикаор, о т л и ч а е е с я тем,что, с целью,повышения точности и адежности контроля,, оно снабжено локом деления, вход делимого которого соединен с выходом сумматора вход делителя - с выходом низкрчасг отного канала, выход - с индикатоом, а параметры преобразователей обоих каналов выбраны из соотношений:

R с H(Rc, - R),

а рабочая частота низкочастотного канала выбрана из соотношения

Ьмакс -/ о п«0.3, где - эквивалентные радиусы 5 . электромагнитных преобразователей низкочастотного и высокочастотного каналов соответственно; - рабочие, частоты низкочас0тотного и высокочастотного каналов соответственно; С - расстояние между центрами обмоток преобразователей;

5 Н - выбранное для преобразователей значение обобщенного параметра;

макс максимальное значение толщины контролируемого по, крытия;

)U.- 4Ji-W - магнитная постоянная,г/м; (ЭР - удельная электрическая проводимость покрытия.

2.Устройство по п. 1, о т л и 5 чающееся тем, что оно снабжено вторым высокочастотным каналом, идентичным первому, вторым сумматором, входы которого соединены с выходами низкочастотного и

0 второго высокочастотного каналов, а выход - со входом делителя блока деления, а его рабочая частота выбрана из соотношения

КЬ„ин О п 0,2,

, где Ь.,.., - минимальное возможное зна5 ИМ

чение толщины контролируемого .покрытия.

3.Устройство по пп. 1 и 2, о т лишающееся тем, что, с

целью повышения достоверности контроля, оно снабжено включенными между блоком деления и индикатором последовательно соединенными третьим сумматором, ключом, вторым блоком деления, запоминающим блоком и бло5ком умножения, второй вход которого соединен с выходом третьего сумматора, последовательно соединенными вторым ключом и вторым запоминающим блоком,включенными между выходом пер0вого блока деления и вторым входом третьего сумматора, а также блоком, установок, подключенным к входу делителя второго блока деления. Источники информации,

5 принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР ff 307331, кл. G 01 В 7/06J971 (прототип) .

2е

SS

О

ts