Вихретоковый способ двухпараметрического контроля изделий

 

Способ относится к неразрушающему контролю качества материалов и изделий. Способ может быть использован для измерения толщины немагнитных покрытий с компенсацией влияния зазора между вихретоковым преобразователем и поверхностью изделия или для измерения толщины диэлектрических покрытий независимо от вариации электромагнитных свойств основы. Перед измерением амплитуды выходного сигнала вихретокового преобразователя его вводят в колебательный режим, подключая к резонансному контуру. Резонансную частоту устанавливают равной частоте питающего тока. Измеренную амплитуду сравнивают с заранее фиксированным уровнем. В зависимости от полученного сигнала разбаланса регулируют амплитуду импульсов возбуждающего тока. Также сигнал разбаланса и фазу выходного сигнала вихретокового преобразователя используют для определения параметров контролируемого изделия. Регулировка амплитуды импульсов возбуждающего тока позволяет снизить инструментальную погрешность при измерении фазы выходного сигнала вихретокового преобразователя. 1 ил.

Изобретение относится к неразрушающему контролю качества материалов и изделий и может быть использовано в различных отраслях народного хозяйства, например, для измерения толщины немагнитного покрытия с компенсацией влияния зазора между вихретоковым преобразователем и контролируемым изделием, для измерения толщины диэлектрического покрытия независимо от вариации электромагнитных свойств основы изделия, и т.п.

Известен способ двухпараметрового неразрушающего контроля изделий, согласно которому варьируют высокочастотный сигнал, подаваемый на вихретоковый преобразователь, выделяют амплитуду выходного напряжения преобразователя или разность фаз между питающим и выходным сигналами, которую умножают на соответствующий коэффициент преобразования и используют для получения результата измерения [1].

Недостатком этого способа является низкая точность измерения в широком диапазоне контролируемых параметров, что связано с возрастанием относительной инструментальной погрешности измерения при уменьшении амплитуды выходного сигнала вихретокового преобразователя по мере увеличения толщины диэлектрического покрытия или увеличении электрической проводимости основы изделия. Эта погрешность обусловлена нелинейностью выпрямительных элементов, применяемых для выделения амплитуды сигнала, и нестабильностью уровней срабатывания формирователей импульсов, используемых в блоке обработки для выделения фазовых параметров, приводящих к резкому повышению погрешности измерения малых сигналов и, как следствие, к общему снижению достоверности неразрушающего контроля параметров изделий.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ двухпараметрового контроля изделий, согласно которому в вихретоковом преобразователе возбуждают переменный ток, и, после размещения в зоне контроля контролируемого изделия, измеряют амплитуду и фазу выходного сигнала вихретокового преобразователя, и определяют по результатам их обработки параметры изделия [2].

Точность вихретокового контроля изделий таким способом ограничивается влиянием инструментальных погрешностей как фазометра, так и амплитудного детектора, которые возрастают при расширении диапазона контролируемых параметров вследствие изменения амплитуды выходного сигнала вихретокового преобразователя. Данное положение обусловлено тем, что увеличение толщины контролируемого покрытия приводит к повышению вихретоковых потерь и, соответственно к уменьшению амплитуды выходного сигнала преобразователя, возбуждаемого переменным током постоянной амплитуды. При этом из-за наличия на входах фазометра сигналов разной амплитуды (опорного, формируемого генератором возбуждающего тока, и измеряемого выходного сигнала вихретокового преобразователя) возникает дополнительная фазовая погрешность, обусловленная влиянием нестабильности уровней срабатывания и гистерезисом (или зоной чувствительности) формирователей импульсов, применяемых в фазометрических схемах для получения импульсов прямоугольной формы из гармонических входных сигналов. Например, при использовании формирователей импульсов с порогом срабатывания, составляющим 5% от номинального уровня опорного сигнала, снижение амплитуды выходного напряжения вихретокового преобразователя до 20% от номинального значения приводит к инструментальной погрешности фазометра в 12^o, сравнимой с диапазоном преобразования устройства. Аналогичным образом сказывается и влияние нелинейности характеристики преобразования амплитудного детектора, типовая погрешность которого при измерении высокочастотных сигналов возрастает от номинального уровня (0,1-0,2)%, соответствующего амплитуде порядка 10 В, до (5-10)% в случае уменьшения амплитуды выходного напряжения вихретокового преобразователя до (1-0,5) В.

При этом возможность увеличения сигнала вихретокового преобразователя, например за счет повышения амплитуды возбуждающего тока, практически ограничивается дополнительной погрешностью, обусловленной ухудшением температурного режима работы преобразователя из-за нагрева его возбуждающей обмотки большим током, что приводит, в итоге, не только к уменьшению точности контроля, но и к снижению надежности устройства.

Технической задачей изобретения является повышение чувствительности и точности измерения в широком диапазоне контролируемых параметров.

Сущность вихретокового способа двухпараметрического контроля изделий заключается в том, что на возбуждающую обмотку вихретокового преобразователя подают сигнал переменного тока. На выходе вихретокового преобразователя измеряют фазу сигнала, а затем по результатам обработки фазоамплитудной характеристики определяют параметры контролируемого изделия. Перед измерением амплитуды выходного сигнала вихретокового преобразователя его вводят в колебательный режим, подключая, например, к колебательному контуру, резонансную частоту которого устанавливают равной частоте питающего тока. Затем производят измерение амплитуды выходного сигнала, которую сравнивают с определенным фиксированным уровнем. Полученный сигнал разбаланса выделяют, усиливают и, в зависимости от его значения, регулируют амплитуду импульсов возбуждающего тока, а напряжение разбаланса измеряют и используют в качестве информативного параметра при измерении контролируемой величины.

В качестве примера на чертеже приведена структурная схема устройства, реализующего способ двухпараметрического контроля изделий.

Устройство содержит последовательно соединенные генератор 1, преобразователь напряжения в ток 2, вихретоковый преобразователь 3 с резонансным конденсатором 4, амплитудный детектор 5 и усилитель 6, выход которого подключен к управляющему входу преобразователя напряжения в ток 2 и к первому входу блока обработки данных 7, второй вход которого соединен с выходом фазометра 8. Один из входов фазометра подключен к выходу генератора 1, а второй вход фазометра - к выходу вихретокового преобразователя 3. Второй вход усилителя соединен с источником опорного напряжения 9. В качестве преобразователя напряжения в ток 2 может быть использован дифференциальный каскад на транзисторах 10 и 11 с регулируемым генератором тока, собранным на транзисторе 12 и резисторе 13 с сопротивлением ₁₃. Способ на примере решения задачи измерения толщины электропроводящего немагнитного покрытия, нанесенного на ферромагнитную основу, с помощью накладного вихретокового преобразователя, реализуется следующим образом.

С помощью генератора 1 и преобразователя напряжения в ток 2 на возбуждающую обмотку вихретокового преобразователя 3 подается переменный ток. Преобразователь 3 устанавливают на эталонное изделие из материала ферромагнитной основы, и регулировкой резонансного конденсатора 4 минимизируют разность фаз между сигналом генератора 1 и выходным напряжением вихретокового преобразователя 3. Этим обеспечивается высокая чувствительность контроля и линейность фазочувствительной характеристики, которая определяется в данном случае типовыми свойствами параллельного контура при частоте возбуждающего тока, лежащей в частотной полосе пропускания контура. С помощью амплитудного детектора 5 и усилителя 6 выделяют разность напряжений между установленным пороговым значением U_пор≥5 В, формируемым источником 9, и амплитудой выходного сигнала преобразователя 3, и фиксируют в блоке обработки 7 начальные значения напряжения U₁ и ϕ₁, выделяемой фазометром 8. После этого преобразователь 3 устанавливают на поверхность контролируемого изделия и с помощью фазометра осуществляют измерение фазы ϕ₂, а с помощью амплитудного детектора 5 и усилителя 6 выделяют новую разность напряжений U₂=U_пор-U_м2 между пороговым уровнем U_пор и выходным сигналом преобразователя 3. В блоке обработки данных 7 по разности фазовых Δϕ = ϕ-ϕ₁ и амплитудных ΔU = U₁-U₂ = U_м2-U_м1 значений выделяют информативный параметр, т.е. определяют толщину покрытия по типовым алгоритмам.

Особенность реализации данного способа заключается в том, что при контроле изделий с любой толщиной покрытия амплитуда выходного сигнала вихретокового преобразователя остается практически постоянной и определяется значением порогового напряжения U_м≈U_пор. Стабилизация этой амплитуды обеспечивается регулировкой выходного тока преобразователя напряжения в ток, который, к примеру, может быть собран на основе дифференциального транзисторного каскада с регулируемым источником тока в эмиттерной цепи. Обычно изменение толщины контролируемого покрытия или электрической проводимости ферромагнитной основы изделия приводит к изменению эквивалентного комплексного сопротивления вихретокового преобразователя Z₂ по сравнению с исходным номинальным значением Z₁, поэтому при постоянном возбуждающем токе I_B= const амплитуда выходного напряжения преобразователя изменяется: U_м2 = I_вZ₂ ≠ U_м1 = I_вZ₁. При использовании усилителя 6 с большим коэффициентом усиления для регулировки возбуждающего тока I_B его выходное напряжение U₆ будет прямо пропорционально току: U₆=I_ВR₁₃ или обратно пропорционально сопротивлению резонансного контура U₆≈R₁₃U_м2/Z₂≈R₁₃U_пор/Z₂.

При этом практически исключается инструментальная погрешность фазометра 8, работающего согласно предложенному способу при постоянных амплитудах входных сигналов на обоих входах. Кроме того, амплитудный детектор 5 также работает при постоянном уровне входного сигнала, т.е. выполняет операцию выделения амплитудного значения в фиксированной точке диапазона измерения с минимальной постоянной инструментальной погрешностью, которая практически полностью компенсируется при выполнении операции вычитания амплитудных значений U₁-U₂ в блоке обработки 7.

Кроме того, в блоке обработки выполняется функциональное преобразование напряжений постоянного тока, чем дополнительно повышается точность преобразования, так как в отличие от известных способов контроля в данном случае исключаются погрешности, присущие устройствам переменного тока и связанные с изменением частоты и формы входного сигнала.

Наличие двух параметров - фазы и амплитуды, контролируемых с высокой точностью, - расширяет область применения данного способа. Например, при контроле толщины диэлектрических покрытий достаточно использовать в блоке преобразования только амплитудные параметры сигнала, а при контроле толщины h электропроводящих покрытий - применять совместную обработку амплитудных и фазовых параметров в соответствии с известной формулой ϕ₁ = K₁lnU_м+K₂ϕ где K₁ и K₂ - коэффициенты, которые определяют экспериментальным путем для конкретных значений электрической проводимости ферромагнитной основы и контролируемого покрытия.

Источники информации 1. Беликов Е.Т., Тимаков Л.К. Авт. свид. 1619007, кл.G 01 В 7/06. Устройство для двухпараметрового неразрушающего контроля изделий. Бюл. 1, 1991 г.

2. Беликов Е.Г., Тимаков Л.К. Вихретоковый способ двухпараметрического контроля изделий. Авт. свид. 1608422, кл. G 01 В 7/06, Бюл. 43, 1980 г. (прототип).

Формула изобретения

Вихретоковый способ двухпараметрического контроля изделий, заключающийся в том, что на возбуждающую обмотку вихретокового преобразователя подают сигнал переменного тока, измеряют фазу выходного сигнала вихретокового преобразователя и определяют по результатам обработки фазоамплитудной характеристики параметры контролируемого изделия, отличающийся тем, что перед измерением амплитуды выходного сигнала вихретокового преобразователя его вводят в колебательный режим, резонансную частоту которого устанавливают равной (или близкой) частоте питающего тока, а затем измеряют амплитуду выходного сигнала, сравнивают с определенным фиксированным уровнем, выделяют и усиливают сигнал разбаланса и в зависимости от его значения регулируют амплитуду импульсов возбуждающего тока, причем напряжение разбаланса измеряют и используют в качестве информативного параметра при измерении контролируемой величины.

РИСУНКИ

Рисунок 1