Способ контроля глубины упрочненного слоя ферромагнитных изделий и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к области. средств неразрушающего контроля и может быть использовано при контроле поверхностно-упрочненных ферромаг нитных изделий. Целью изобретения является повышение точности контроля глубины упрочненного слоя ферромагнитных изделий за счет учета влияния на сигнал индуктивного преобразова- . теля изменения электрофизических параметров этого слоя. Для этого сначала перемагничивают изделие высокочастотным полем, глубина проникновения которого не превосходит минимальную глубину упрочненного слоя, и определяют электрофизические параметры материала, такие как магнитную проницаемость , используя метод сравнения сигнала ЭДС в блоке 13 вычитания с опорным напряжением регулятора 14, затем перемагничивают изделие полем низкой частоты, проникающим на глубину, превосходящую толщину упрочненного слоя, и определяют по о расчетным формулам толщину упрочненного слоя, используют метод сравнеел ния фазы сигнала ЭДС в блоке 11 вы- . читания с опорной фазой запоминающего устройства 22, операции вычисления выполняются блоком 17 вычисления функций, синхронизация работы осуществляется блоком 25 управления. 2 с.п. ф-лы, 4 ил. tS5 N3 Ю

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

А1 (19) (11) (51) 4 G 01 N 27/90

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ "-"

К А BTOPCKOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 391 1508/25-28 (22) 17.06.85 (46) 23.11.86. Бюл, Р 43 (71) Омский политехнический институт (72) Д.К.Пискунов, В.Ю.Селезнев, С.М.Добровольский и А.Н.Попов (53) 620.179.14 (088.8) (56) Электронные и магнитные измерительные устройства. Омск, 1984, с. 134-138 °

Авторское свидетельство СССР

У 849062, кл. G 01 И 27/87, 1980. (54) СПОСОБ КОНТРОЛЯ ГЛУБИНЫ УПРОЧНЕННОГО СЛОЯ ФЕРРОМАГНИТНЫХ ИЗДЕЛИЙ

И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к области средств неразрушающего контроля и может быть использовано при контроле поверхностно-упрочненных ферромагнитных изделий. Целью изобретения является повьппение точности контроля глубины упрочненного слоя ферромагнитных изделий за счет учета влияния на сигнал индуктивного преобраэователя изменения электрофизических параметров этого слоя. Для этого сначала перемагничивают изделие высокочастотным полем, глубина проникновения которого не превосходит минимальную глубину упрочненного слоя, и определяют электрофизические параметры материала, такие как магнитную проницаемость, используя метод сравнения сигнала ЭДС в блоке 13 вычитания с опорным напряжением регулятора 14, затем перемагничивают изделие полем низкой частоты, проникающим на глубину, превосходящую толщину упрочненного слоя, и определяют по расчетным формулам толщину упрочненного слоя, используют метод сравнения фазы сигнала ЭДС в блоке 11 вы- . читания с опорной фазой запоминающего устройства 22, операции вьгчнсления выполняются блоком l7 вычисления функций, синхронизация работы осуществляется блоком 25 управления.

2 с.п. ф-лы, 4 ил, 1272210

1, K)0;

О, С6 =01 — 1, 4(03

sig nk=

+if » 8„ поверхности контролируе1 мого изделия

sApd (3) 2)»

А (Ю )=-и Н

Ч (> ) =sig п К- arctg

Изобретение относится к контроль- но-измерительной технике и может быть использовано при неразрушающем контроле глубины упрочненного слоя ферромагнитных изделий электромагнитным методом.

Цель изобретения — повышение точности контроля за счет учета влияния на сигнал индукционного преобразователя изменения электрофизических параметров упрочненного слоя..

На фиг. 1 приведена блок-схема

: устройства, реализующего способ контроля глубины упрочненного слоя, йа фиг. 2 — 4 — полученные экспериментальные зависимости.

В основу способа положена связь частоты тока возбуждения с глубиной и магнитной проницаемостью верхнего слоя двухслойной среды при поддержании постоянными фазы и амплитуды переменного магнитного потока, проходящего в контролируемом изделии.

Используют выражения для амплитуды и фазы синусоидального магнитного потока в двухслойной среде

$»9И 0L л(ы) -н — = — -,(1)

Р» cha-co s (2K d) сна+сов(2К й)

2 »

M((d) =sig n tt: arctg + (2)

sin(2К, й) Х

shs 4 о» где а=2К„d-Inly/;

< =(К -К )/(К +К ) — коэффициент г отражения, i iÍ и р — амплитуда и фаза магнитного поля на

Учитывая вариацию контролируемого параметра d и воэможность изменения частоты тока возбуждения Ы опре2 деляют характер их взаимного влияния на величину начальной фазы ЭДС. Как видно из формулы (4), значение ЧР(ы) зависит от произведения глубины упрочненного слоя d и корня квадратного из частоты Я (й Я ) входит в аргумент синусоидальной и в показатель экспоненциальной функций), а

d — толщина упрочненного слоя, — магнитные проницаемости в упрочненном (верхнем слое и основе изделия, ll5 — электропроводность, и) — частота тока возбуждения

2 преобразователя. .Так как напряженность магнитного поля на поверхности изделия изменяется по синусоидальному закону, то величина ЭДС, наведенная в индукционном преобразователе магнитным потоком (1) и (2), определяется из закона электромагнитной индукции след5 дующим образом сИ> d(A соз(мФ+Ч) е= -n ——

dt dt

= -пы А cos (ь» t+ +-)

30 где n — - коэффициент, зависящий от числа витков и геометрических размеров преобразователя.

С учетом последнего выражения формулы для амплитуды и начальной фазы

ЭДС в удобной для анализа форме име4Q ют вид также от магнитной проницаемости упрочненного слоя pi» . Из этого следу5О. ет, что для pt» = const при изменении глубины упрочненного слоя d путем подбора (поиска) частоты ы можно добиваться постоянства фазы Ч . По2 этому, определяя фазу Ч" для изделия

55 с известной глубиной dр на заданной частоте И р, à при испытании контролируемого изделия устанавливая то же ,значение фазы Ч путем подбора час12? 2210 тоты и находят значение глубины уп2 рочненного слоя контролируемого изделия по формуле

22О

d = d (,) 0 (5) Используя формулы (3) и (4), опре-, д деляющие параметры ЭДС первичных преобразователей, с учетом условия выбора постоянных коэффициентов m„ H m и проекции ЭДС преобразователей на направление, задаваемое углом per с

3Q,ïoìoùüþ фазорегуляторов, получаем

Вы» (Ц ) = -n H л»» л

51 фи я1п(2К й) 1

° сов (вв» cd arccg J -If )-сов V

sha

Если p,g const, то формулу (5) можно использовать для определения глубины упрочненного слоя d при условии установления нового значения фазы Ч", зависящей от р»„ при которой сохраняется неизменность произведения А1Ц. Новые значения фазы "можно протабулировать для различных. значений J>» при А Г =сопя с использованием формулы (4).

Магнитную проницаемость упрочненного слоя JU определяют следующим образом.

Иэ формулы (3) следует, что амплитуда ЭДС, наводимая в первичном преобразователе магнитным потоком с частотой И„, проходящим в упрочненном слое контролируемого изделия, пропорциональна (,р, и определяется выражением

Поэтому, определяя амплитуду А для ,изделйя с известной магнитной проницаемостью упрочненного слоя р на заданной частоте td«, а при испытании контролируемого изделия устанавливая то же значение амплитуды А" путем подбора частоты ы„, находят значение магнитной проницаемости упрочненного слоя р„ по формуле (6) l0 С целью подтверждения возможности достижения повышения точности определения глубины упрочненного слоя d рассматривают основные источники ошибок по известному способу (2) и методы их устранения.

Выходной сигнал, зависящий от глубины упрочненного слоя, по .известно му способу (2) представляется выражением

V„ =m„U (p„ d)-ш V,(y,), 35 где = 4+ Ч,< p д., Р =) Н.

Ввиду значительной сложности рас- . смотрения в аналитической форме сигнала, несущего информацию о контро- ®» лируемом параметре (глубине d) по известному способу (2), как функции всех его составляющих (p„g p, g d

Н ), проводят численный анализ влияния вариации магнитной проницаемости упрочненного слоя на величину этого сигнала (фиг. 2). При этом

1 величина Ч изменяется в пределах о о

0-180 с шагом 9, а глубина упрочненного слоя постоянна и равна 1мм.

Как видно из приведенных графиков, величина U „ /P не остается посто их янной при изменении p„ что .подтверждает факт зависимости |выходного сиг-, нала по известному способу от магнит-. ной проницаемости упрочненного слоя р», На фиг. 3 представлены графики изменения Ugly /P в зависимости от при различных значениях глубины слоя

d для случая Ч = О. Из фиг ° 3 следует, что даже при малом изменении p„ в диапазоне 130-300 измеренному значению U»„ /Р=1 соответствуют значения глубины слоя d=(0,5-1,0) мм, что определяет погрешность измерения d до 50Х °

Изменением можно добиться незначительного.снижения погрешности, однако только в пределах узкого диапазона вариации P

По предлагаемому способу погрешность, вызванная влиянием на показания вариации и, устраняется эа

»" » счет установки .опорной фазы в зависимости от изменений значений р в 1

При этом в случае постоянства контролируемой глубины d изменение »» приводит к выбору такой величины опорной фазы, при которой не потребуется производить изменение частоты тока возбуждения преобразователя, низкоl

1272210 частотного канала, а следовательно, результат измерения d останется прежним, Таким образомр выполняется условие независимости показаний от изменения фс т Погрешность в данном

:i 5 случае опрецеляется точностью установки значения фазы,, которая зависНТ от числа и количества знаков хранимых значений опорных фаз и магнитных проницаемостей упрочненного 1О слоя и от выбора участка изменения на котором фаза меняется однозначно. Число и количество знаков хранимых значений определяются емкостью исгользуемого программируе- 1$ мого постоянного запоминающего устройства. На фиг, 4 показаны три воз— можных участка изменения р на ко-. торых необходимо осуществлять контроль для получения минимальной по- 20 грешности.

Устройство для осуществления способа контроля глубины упрочненного слоя (фиг, I) содержит низкочастот25 ный 1 и высокочастотный 2 генераторы, подключенные соответственна через аналоговые ключи 3 % 4 к возбуждающим обмоткам 5 и 6 преобразователя (2) имеющего также низкочастотную 7 и высокочастотную 8 измеритель" ные обмотки, обмотка 7 подключена к последовательно соединенным ограничителем 9у фазовым детектором 10 и первым блоком 11 вычитания, выход которого соединен с управляющим входом генератора 1, а к опорному входу фазового детектора 10 подключена возбуждающая обмотка 5, обмотка 8 подключена к последовательно соединенным ампличуцному детектору 12 и вто- "О рому блоку 13 вычитания, выход которого соединен с управляющим входом генератора 2, а к второму входу подключен регулятор 14 опорного напряжения, последовательно соединенные аналоговый коммутатор 15, преобразователь 16 частоты в напряжение, блок

17 вычисления функций, регистр 18, схему 19 совпадения кодов, логический элемент И 20, счетчик 21 и программируемое постоянное запоминающее устройство 22, включенные между выходами аналоговых ключей 3 и 4 и входом блока 11 вычитания, цифровое отсчетное устройство 23, подключенное к выходу регистра 18, генератор

24 импульсов„ подключенный к второму входу счетчика 21 последователь"

«о соединенные блок 25 управления и элемент 26 задержки, подключенные к второму входу регистраi8, блок 25 управления также соединен своими выходами с входом управления ключей 3 и 4 и входами управления коммутатора 15, блока 17 вычисления функций и элемента И 20, второй выход запоминающего устройства 22 соединен с вторым входом схемы 19 совпадения кодов.

Устройство работает следующим образом.

В первом режиме работы — режиме калибровки — на основании предварительных расчетов устанавливаются частоты токов возбуждения генератора 1 и 2. При этом частота И о генератора

1 должна быть достаточной для проникновения переменного магнитного поля на глубину, превышающую контролируемую толщину упрочненного слоя, а частота (d« генератора 2 — на глубину, не превышающую эту толщину.

Выбор ь и (d осуществляется для

<о эталонного образца с известными глубиной упрочненного слоя dä, магнитными проницаемостями слоя рщ и основы p, электропроводностью, По формуле для глубины проникновения электромагнитной волны в ферромагнитную среду Е = а 27 Р Са рассчнтывают частоты Ы„и Ы2с у удовлетво

40 ряющие условию создания переменных магнитных потоков, один из которых проникает на глубину, не превышающую минимальную глубину упрочненного слоя, другой — на глубину, превосходящую максимальную глубину упрочненного слоя. Для найденной частоты И„, заданной амплитуды магнитного поля

Нщ на поверхности изделия, обеспечивающей работу преобразователя в области слабых полей и известных Я„д rt., по упрощенному соотношению (3) А (И ) о

= -пН вЂ " рассчитывают амплитуду

l11

ЭДС, которая наводится в индукционном преобразователе магнитным потоком, проходящим в упрочненном слое изделия. Полученную величину амплитуды ЭДС выставляют в качестве опорной регулятором 14.

Далее по соотношению (1), используя известное значение глубины d yn0 рочненного слоя и определенную ранее частоту ыр тока возбуждения, создающего магнитный поток в двухслойной

7 1272210 среде, для набора значений 0, упрочненного слоя (верхняя и нижняя границы изменения Р устанавливаются в заг висимости от возможных вариаций HALI ) рассчитывают значения фаз сигналов преобразователя, которые затем ис-. пользуют в качестве опорных, и заносят в запоминающее устройство 22. 3аданные значения магнитной проницаемости упрочненного слоя и его конт- 1р ролируемой глубины, а также значения частот Ю„ и td, устанавливаются в виде эквивалентных напряжений подстроечными сопротивлениями в блоке

17 вычисления функций.

В режиме контроля изделие помещают в проходной электромагнитный преобразователь. От блока 25 управления поступает сигнал на вход разрешения аналогового ключа 4, коммутирующего выход генератора 2 на возбуждающую обмотку 6 преобразователя.

Ключ 3 закрыт. Если происходит изменение магнитных свойств упрочненного слоя после детектирования в блоке 25

12, на выходе блока 13 вычитания появляется разностный сигнал относительно опорного с регулятора 14 величина и знак которого управляют частотой 4I входного напряжения генератора 2 до тех пор, пока величина этой разности не равна нулю. Через определенный промежуток, равный времени достижения равенства, от блока

25 управления на входы управления аналогового коммутатора 15, блока

17 вычисления функций и регистра 18 поступает сигнал. По этому сигналу переменное напряжение с выхода генератора 2 проходит через аналого- 4О вый коммутатор 15 и поступает на преобразователь 16 частоты в напряжение. В этом преобразователе определяется значение частоты исследуемого сигнала, которое используется 45 для вычисления значения магнитной проницаемости упрочненного слоя из выражения {6) в блоке 17 вычисления функций.

Преобразованный в цифровую форму сигнал, пропорциональный г„, с выхода блока 17 поступает через регистр 18 на цифровое отсчетное устройство 23 и на схему 19 совпадения кодов. На второй вход схемы 19 поступают значения p,, выбираемые из запоминающего устройства за счет циклической; смены адреса записанных ячеек памяти. С этой целью генератор 24 постоянно вырабатывает импульсы, поступающие на счетный вход двоичного счетчика 21. Одновременно с выбором значений Р, опрашиваются ячейки памяти, в которых записаны соответствующие значения опорной фазы. При совпадении кодов схема 19 вырабатывает сигнал, поступающий через логический элемент И 20 на вход управления счетчика 21 и запрещающий изменение кода на его выходе.

При этом на выходе запоминающего устройства 22 устанавливается код опорной фазы, соответствующий найденному значению Pf„ . Данный код, преобразованный в аналоговый сигнал, поступает на блок 11 вычитания.

Операция определения значения опорной фазы заканчивается подачей управляющего сигнала от блока 25 управления, поступающего на входы разрешения ключей 3 и 4 через промежуток времени, определяемый экспериментально и задаваемый оператором. По этому сигналу ключ 4 закрывается, а ключ 3 коммутирует выход генератора

1 на возбуждающую обмотку 5 преобразователя. Одновременно на элемент И 20 приходит сигнал, запрещающий изменение выходного кода счетчика 2 l.

Если происходит изменение глубины упрочненного слоя на контролируемом иэделии, измененный сигнал с обмотки 7 после ограничения и фазового детектирования поступает на блок 11, возникает разностный сигнал в блоке

11 вычитания, который управляет частотой 4f генератора 1 до тех пор, пока не достигается нулевая разность входных сигналов блока 11 вычитания.

Так же, как и при определении г,, от блока 25 управления с задержкой поступает сигнал на управляющие входы аналогового коммутатора 15, блока

17 вычисления функций и регистра 18.

По этому сигналу переменное напряжение с выхода генератора 1 проходит через аналоговый коммутатор

15 и поступает на преобразователь

16 частоты в напряжение, С выхода преобразователя 16 сигнал, пропорциональный частоте, поступает на блок

17 вычислений, где в соответствии с формулой (5) определяется глубина а упрочненного слоя. Результат вычисления переписывается с задержкой в регистр 18 и отображается на цифро9 12722 вом отсчетном устройстве 23. Время, устанавливаемое элементом 26 задержки, равно времени преобразования частоты в напряжение, вычисления функций и аналого-цифрового преобразования.

Формула изобретения

1. Спбсоб контроля глубины уп- 1О рочненного слоя ферромагнитных изделий, заключающийся в том, что в контролируемом изделии создают два переменных магнитных потока, один из которых частоты М2 проникает на 15 глубину, превышающую максимальную глубину упрочненного слоя, второй поток частоты tJ« — на глубину, не превосходящую минимальную глубину упрочненного слоя, сравнивают сиг- 20 калы, наведенные в индукционных преобразователях переменными магнитными потоками, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, первоначально током возбуждения высокой частоты M создают в контро4 лируемом иэделии переменный магнитный поток, определяют наведенную в преобразователе ЭДС от этого потока и сравнивают ее с опорным напряже- щО нием, выбираемым равным значению ЭДС, которая наводится от магнитного потока, изменяющегося,с частотой ld, в изделии с известной магнитной проницаемостью и глубиной и упрочненного слоя, изменяют частоту тока возбуждения td до установления, ра4 венства значений опорного напряжения и наведенной ЭДС, измеряют частоту О,, соответствующую моменту 4О ,равенства указанных, сигналов, по которой определяют значение магнитной проницаемости „ упрочненного слоя

td< ,из выражения P4 = P«, для найден- 45 .ной „, известных м > и d определяют значение опорной фазы Ю (Ы )

ЭДС, током низкой частоты td создают в контролируемом изделии магнитный поток, проникающий на глубину, превышающую максимальную глубину упрочненного слоя, определяют значение фазы наведенной в преобразователе ЭДС, изменяют частоту тока возбуждения v до установления- ра-9 венства значений этой фазы и опорной фазы Ч (Щ ЭДС, в момент Hx равенства измеряют частоту тока воэ1О 1О буждения И, по которой определяют глубину d упрочненного слоя иэ выражеиия 4

2. Устройство для контроля глубины упрочненного слоя ферромагнитных изделий, содержащее проходной электромагнитный преобразователь, выполненный в виде двух коаксиальных симметрично устанавливаемых, различных по размерам и одинаковых по форме, магнитопроводов, состоящих из полого цилиндра с двумя кольцами-полюсами, в каждом из которых концентрично размещены возбуждающая и измерительная обмотки, низкочастотный и высокочастотный генераторы, последовательно соединенные фазовый детектор и первый блок вычитания, и цифровое отсчетное устройство, о т л ич а ющ е е с я тем, что.. оноснабжено первым и вторым аналоговыми ключами, включенными между выходом соответствующего генератора и входом соответствующей возбуждающей обмотки, последовательно соединенными аналоговым коммутатором, преобразователем частоты в напряжение, блоком вычисления функций, регистром, схемой совпадения кодов, логическим элементом

И, счетчиком и программируемым постоянным запоминающим устройством, включенными между выходами первого и второго аналогового ключей и вторым входом первого блока вычитания, последовательно соединенными амплитудным детектором и вторым блоком вычитания, включенными между высокочастотной измерительной обмоткой и управляющим входом высокочастотного генератора, регулятором опорного напряжения, подключенным к второму входу второго блока вычитания, ограничителем, включенным между низкочастотной измерительной обмоткой и фазовым детектором, генератором импульсов, подключенным к второму входу счетчика, последовательно соединенными блоком управления и элементом задержки, подключенными к второму входу регистра, блок управления также соединен своими выходами с входом управления первого и второго аналоговых ключей и входами управления аналогового коммутатора, блока вычисления функций и элемента И, второй выход программируемого постоянного запоминающего устройства — с вторым входом схемы совпадения кодов, l l 1 выход первого блока вычитания — с входом управления низкочастотного гене-

272210 l2 ратора цифровое устройство подключено к выходу регистра.

12 и

Составитель В.Филинов

Редактор Н.Рогулич Техред Л.сердюкова Корректор Л,.Патай в

Заказ 6332/42 Тираж 778 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, r. Ужгород, ул. Проектная, 4