Электромагнитный способ измерения электрической проводимости немагнитных материалов и устройство для его осуществления Советский патент 1983 года по МПК G01N27/90 

-- -.;.. 1 . Изобретение относится к неразрушаю. щему контролю электрической проводвнмости материалов и изделий мегодш вихревых токов и может быть испольвовано на заводах машиноетроительной промышленности. Известен способ измерения электрической проводимости с помощью наклад- ного преобразователя, установленного при измерении на кантролир емое изделие, заключающийся в том, что в контролируемем материале возбуждают вихревые токи, преобразуют их тюле в напряжение, компенсируют напряжение холостого хода и выделяют из результирующего напряжения активную и реактивную составляющие Дйя повышения точности измерения фор; мируют электрическое ВЕ}Пряжение постоянной величины, суммируют его с одной из составляющих, с помощью блока нелинейной фушсции вида у преобразуют суммарное напряжение. После этого преобразуют с .помощью двух блоков деле)шя получаемые напряжения в сигнал, пропорциональный отношению активной составляющей к реактивной и к выходному напряжению блока нелинейной функции и по полученному результату судят об электрической проводимости 1 . Недостатком данного способа является ограниченный диапазон измеряемых значений электрической проводимости ((J), в котором достигается одинаковое уменьшение диэлектрического зазора между преобразователем и поверхностью влияния от 1юменения величины контролируемого юделЕя. Это объясняется тем, что при измерении б в диапазоне (1-58) 1О См/м активная составляющая вносимого напряжения, зависящего от контролируемой величины взменяетсй в диапазоне (0,O23139-O,OO823O8)Vo, а реактивная - в диапазоне (0,045623-0,082189) VQ , где УО - напряжение на измерительной катушке в отсутствие объекта измерения. Из приведенных значении следует, что прибавление напряжения постоянной величины к одной из составляющих вносимого напряжения оказывает различное влияние в зависимости от величины измеряемой .

Кроме того, без внесения дополнитель ного напряжения возрастание зазора при изменении изделий сопровождается увеличением фазового угла. Прибавлением напряжения к активной составляющей вносимого напряжения для- См/ можно уменьшить влияние зазора при измерении малых значений (Г. Однако прибавление той же величины к активной составляющей для вь1 зовет в три раза большее ее из денение В данном случае при измерении больших значений (У увеличение зазора сопровождается не возрастанием, а уменьшением фазы на величину большую по сравнению с величиной, получаемой без дополнитель ного напряжения. Таким образом, преоб разование только одной из составляющих вносимого напряжения при измерении & в больших диапазонах наряду с ул1е11ьше нием погрешности в одной части диапазона приводит к ge увеличению в другой части диапазона измерений G

Суммирование максимальнь х значений постоянного на пряжения постоянной величины 0,03 или 0,05 напряжения холос того хода соответственно с реактивной «ли активной составляющими вносимого напряжения приводит к уменьшению фаао вого угла при возрастании зазора. При этом величина уменьшения фазового угпа намного больше увеличения угла при измерении без преобразования одной из составляющих, чем вызывается не уменЕ шение, а возрастание Погрешности измерения.

Кроме этого,-необходимо учитывать нелинейную зависимость между вносимым напряжением и G , которая увеличивает;с в случае преобразования составляющих напряжения. Нелинейная зависимость вызывает необходимость применения большого количества образцов электрической проводимости, трудоемких в изготовлении и сложных при аттестации. Нелинейность

зависимости исключает возможность прн .менения индикаторов с цифровым отсчетом.

Известно также устройство для изме рения электрической проводимости немагнитных материалов, содержащее генератор переменного тока, накладной вихретоковый преобразователь с компенсаторо напряжения холостого кода, усилитель сигнала преобразователя, два фазовращателя, соединенные последовательно между собой и генератором, два фазовых детектора, один из которых настроен в фазе с током, а другой - в квадратуре с ним, делитель напряжения и индикатор 2.

Недостатки устройства является то, что отсутствие блоков по преобразованию составляющих вносимого напряжения ис ключает возможность отстройки от влияния изменения зазора при измерении электрической проводимости.

Необеспечена также линейная зависимость между электрическими сигналами и контролируемыми значениями электрической проводимости, .что исключает возможность применения цифровой индикации, сншкает точность измерения и удобство отсчета показаний.

Цель изобретения - повышение точности измерения.

Цель достигается тегу1, что формируют два напряжения постоянной величины, равных (0,0010-0,0015) и (0,00100,015)Vo, складывают первое напряжение с активной составляющей вносимого напряжениями вычитают второе напряжение из реактивной составляющей, находят отношение преобразованных составляюищх затем .возводят эти отношения в степень (2,05-2,15) и по полученному результату определяют электрическую проводимост контролируемого материала, где V - напряжение измерительной катушки преобразователя в отсутствие контролируемого материала.

Устройство для осуществления способа снабжено двумя регулируемыми источниками постоянного напряжения, двумя сумматорами и функциональным преобразова.телем вида х 05-C2.,l5 , один вход каждого из сумматоров соединен с выходом одного из фазовых детекторов,другой вход соединен с одним из источников постоянного напряжения, выходы сумматоров соединены с даумя входами делителя напряжения, а функциональный преобразователь включен между делителем напряжения и индикатором.

На фиг. 1 показаны годографы вносимого напряжения накладного вихретокового преобразователя в зависимости от зазора и электрической проводимости на фиг. 2 - зависимости относительной погрешности измерения электрической проводимости Л (Г, % от изменения зазора uVi при добавлении и вычитании соответственно к активной RpVg и реактивной , составляющим, вносимого напряжения добавочных напряжений О,О093в11 VQ и ,H « 0,0156О4 Vo ; на фиг. 3 - aaeHcffivioo ти дО , % от Л/Ь при добавочных напряж ниях, Д Re ,OO14330 VQ и О,011247 VQ; на фиг. 4 - зав ютлостк ь(Гот Д. при добавочных напряженинх AReVev 0,0021875Vo и ,H « O,O10191Vo ; на фиг. 5 - блок-схема устройства измерения эпектрической проводимости немагнитных материалов. Ци(ми 1,11,111 и .IV обозначены погрешности ДСГ, % при измерении электрической проводимости (5,20,40,60) 10 См/м соответственно. Одновременное преобразование актнвной и реактивной составляющих вносимог напряжения - увеличение перйой из них и уменьшение второй-позволяет в значительной степени ослабить влияние измене ния диэлектрического зазора h между преобразователем и поверхностью контролируемого материала в широком диапазоне измерения электрической проводимости ОТ. Величины, пропорциональные приба&ляемому к активной составляющей напря- жению, обозначены на фиг. 1 ARgVgjH . величина, пропорциональная вычитаемой от реактивной составляющей, , . Преобразование одной из составляющих вносимого напряжения, например уменьшение реактивной составляющей, позволяет отстроиться от влияния зазора в небольшом диапазоне измерения. В данном случае ARg Vgv( О « уп ви 00При этом величина изменения показаний прибора для Оггчи при увеличении зазора от IrtQ до -ho + Д-и будет определяться между векторами вносимого напряжения , и ОАУ У, соответственно при зазорах ЬрИ |IQ+All . Различие показаний прибора при измерении Gbiox oi ределится углом между вектором OAyjjQx и ОАyy,Q соответственно при зазорах iip и Ь«+ Д1г1„Как: видно из сопоставления углов o-Avnitt А ( влияние зазора значительно возрастает с увеличением О., Сопоставляя угпыо ду и ду, соответственно между вносимыми векторами (0, О;А;,-„) и ( видим, что их величина значительно . уменьшилась по сравнению с отстройкой по зазору посредством преобразования одной из составляющих, что наглядно . „ подтверждает преимущество отстройки от зазора при оддовременном преобразовании реактивной и активной составляющих вносимого напряжения. Как следует из зависимостей, привоимых на фиг. 2-4, наилучшие резул аты отстройки от зазора при его изменении до 1 мм достигаются при увелиении активной составляющей на велиину ДReVg,ц О,О01433, Vo и уменьшении активной составляющей aauOy V) ),O11247Vo. При этом погрешность измерения ДСГ, % 1/53Ь пои всех исследуемых значениях (5-60) 1О См/м, Преобразование составляющих, характсризуемое наименьшим значением 0,0093611 Vo и наибольшим 0,0156О4 Vo (фиг. 2), обеспечивает отстройку от зазора с допустимой погрешностью в диапазоне изменения ДЬ О,3 мм. Тот же диапазон отстройки от измегнения зазора 0,3 мм имеет место при другом крайнем .случае, xapaKTOpVJзуемом наибольшим значением 0,0021875 Vjj и наименьшим дЭуу,Урл, 0,O1019lVo. Между отношением реактивной составляющей вносимого напряжения -к активной припостоянном диэлектрическом за-, зоре Vi и величиной обобщенного параметра & имеется линейная зависимость, где 3) - диаметр вихретокового преобразователяJ U/- круговая частота тока; fj 12,56-10 Г/м,- СУ - / электрическая провод гмость контролируемого изделия. Поэтому по величине сип нала, пропорционального квадрату отношения составляющих вносимого напряжения, можно судить об электрической проводи- мости. Преобразование составляющих вносимого напряжения нарушает эту зависимость. Чем больше величина добавочных напряжений Д , и ДЗкп еи, тем больше отклонение от линейной зависимости.. Возведением отношений преобразованных составляющих в степень (2,05-2,15) восстанавливают линейную зависимость между величинами электри- ческого сигнала и измеряемыми значе-, ниями электрической проводимости. Соответственно, чем больше величина ДЯдУ, HAdyy VgiH тем больше должен.быть, показатель о.тношений. Устройство, осуществляющее, способ, содержит генератор 1 переменного тока, накладной викретоковый преобразователь 2 с компенсатором напряжения холостого хода, усилитель 3 сигнала преобразователя, фазовый детектор 4, напряжение которого сдвинуто на 90 по отношению к току возбуждения преобразователя 2, фазовьгй детектор 5, напряжение которог по фазе совпадает с током воабз нсдения преобразователя 2, фазовращатели 6 и 7 для регулирования детекторов 4 и 5 регулируемые источники 8 и 9 постоянного напряжения, сумматоры 1О и 11, вход каждого из которых соединен.с одним из фазовых детекторов 4 и 5, другой вход каждого из сумматоров соединен с однй5 из источников 8 и 9 постоянного напряжения, делитель 12 напряжений, входы которого соединены с сумматорами 1О и 11, функциональный преобразователь 13 вида у х Я 2 и индикатор 14, Устройство работает следующим образом. Переменный ток от генератора 1 поступает на вихретоковый преобразователь 2, С помощью компенсатора преобразователь настраивается так, чтобы в отсутствие контролируемого материала напряжение на измерительной катушке преоб разователя было минимальным. При расположении преобразователя над контролируемым материалом на измерительной катушке преобразователя 2 появляется вносимое напряжение, которое усиливается усилителем 3. С усилителя 3 напряже ние поступает на входы фазовых детекторов 4 и 5, настройка которых ocjmiecT вляется с .помощью фазовращателей 6 и На выходе детектора 4 вьщеляется реактивная составляющая вносимого напряжения, а на выходе детектора 5 - активная составляющая. С помощью регулируемых источников 8 и 9 постоянного напряжения устанавливаются напряжения, соответствующие оптимальным условиям отстройки от зазора.Напряжение источника 8 с помощью сумматора 10 вычитается из напряжения детектора 4,напряжение источ ника 9 с помощью сумматора 11 складыва ется с напряжением детектора Б.Далее с помощью делителя 12 находится отнощрние напряжения сумматора 10 к напряжению сумматора 11. Напряжение на выходе делителя 12, пропорциональное отношению составляющих вносимого напряжения, функциональным преобразователем 13 возводится в степень (2,052,15) и регистрируется цифровым индикатором 14. Применение в устройстве двух регулируемых источников постоянного напряже™ ния и двух сумматоров позволяет преобразовьтпать составляющие вносимого напряжения таким образом, что увеличение зазора до 1 мм изменяет показание nptjбора при измерении (У в диапазоне (158) не более чем на 1-1,5%. Сопоставление показаний устройства при измерении электрической проводимооти стандартных образцов показало, что с помощью функционального преобразователя обеспечивается линейная зависимость между электрическими сигналами, пропорциональными отнощению преобразованных составляющих вносимого напряжения, и величинами контролируемых параметров. Экономический эффект в народном хозяйстве получается за счет повыщения точности измерения электрической проводимости, что позволит значительно сократить изготовление дорогостоящих стандартных образцов и повысить метроло гическую аттестацию серийно выпускаемых приборов. Формула изобретения 1,Электромагнитный способ измерения электрической проводимости немагнитных материалов, в котором используют выделение активной и реактивной составляющих вносимого напряжения вихретокового преобразователя, отличающийся тем, что, с целью повыще ния точности измерения, формируют два напряжения постоянной величины, равных (0,0010-0,0015) и (0,0010-0,015)3 Уд, складывают первое напряжение с активной составляющей вносимого напряжения и вычитают второе напряжение из реактивной составляющей, находят отношение преобразованных составляющих, затем возводят эти отношения в степень (2,05-2,15) и по полученному результату определяют электрическую проводимость контролируемого материала, где Vp - напряжение измерительной катушки преобразователя в отсутствие контроли руемого материала. 2.Устройство для измерения электрической проводимости немагнитных материалов по п. 1, содержащее генератор переменного тока, накладной вихретокош 1й преобразователь с компенсатором напряжения холостого хода, усилитель сигнала преобразователя, два фазовращахвля, соединенные последовательно между собой и генератором, два фазовых детектора, один из которых настроен в фазе с током, а другой - в квадратуре с ним, делитель напряжений и индикатор, отличающееся тем, что оно снабжено двумя регулируемыми источниками

постоянного напряжения, двумя сумматерами и функциональным преобразователем вида V , один вход каждого из сумматоров соединен с выходом одного из фазовых детекторов, другой вход соедишн с одним из источников постоянного напряжения, выходы сумматоров сое динены с двумя входами делителя напряжения, а функциональный преобразователь

шслючен между делителем напряжения и индикатором.

Источткв информации, . принятые во внимание при экспертизе

1.Авторское свидетельство СССР № 517858, кл. Q О1 ГГ 27/86, 1976.

2.Авторское свидетельство N9 284313, кл. Q 01N 27/86, 1971 (прототип).

,%

S SJ л

-If..

-6..

-S-r 1- ИЗ aff й, Afw Фиг. I

4«{, V.

S Ш л 1

-H

-5..

-8- -Ю 0.30.6 Ah.,Mfi fpHZ. J

-2

-f

-6