Способ контроля наличия контакта нагреваемого электрода с контролируемым изделием при разбраковке металлических изделий
Владельцы патента RU 2652657:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники" (ТУСУР) (RU)
Изобретение относится к области неразрушающей диагностики металлов и сплавов, а также изделий, выполненных из них при разбраковке металлических изделий. Способ заключается в том, что между нагреваемым электродом и контролируемым изделием измеряют термоЭДС, усиливают ее и отображают, сравнивают с пороговым значением и через контакт нагреваемого электрода с контролируемым изделием пропускают переменный ток и измеряют величину падения напряжения на контакте нагреваемого электрода с контролируемым изделием на двух частотах. Полученное напряжение выделяют с помощью двух избирательных усилителей с резонансными частотами f1 и f2. Детектируют эти напряжения и сравнивают их между собой и при их равенстве делают заключение об отсутствии емкостной составляющей контактного сопротивления. Технический результат - повышение точности измерения термоЭДС. 1 ил.
Изобретение относится к области неразрушающей диагностики металлов и сплавов, а также изделий, выполненных из них методом измерения термоЭДС.
Известен способ контроля наличия контакта нагреваемого электрода с контролируемым изделием при разбраковке металлических изделий (RU 2331064 С1, МПК G01N 25/32, опубл. 10.08.2008), выбранный в качестве прототипа, в котором измеряют термоЭДС между нагреваемым электродом и контролируемым изделием, усиливают ее и отображают, сравнивают с пороговым значением и через контакт нагреваемого электрода с контролируемым изделием пропускают переменный ток и измеряют величину падения напряжения на контакте нагреваемого электрода с контролируемым изделием, полученное напряжение выделяют с помощью избирательного усилителя, детектируют и сравнивают с пороговым значением напряжения, составляющего не более 1% от номинального значения термоЭДС, если напряжение на выходе детектора меньше порогового напряжения, то делают вывод о наличии контакта.
Недостатком известного способа является низкая точность измерения, обусловленная возможным появлением емкостной составляющей сопротивления контактов (например, за счет окисной или масляной пленок на поверхности контролируемого изделия или электродов), включенной параллельно активной составляющей. В результате параллельного соединения двух сопротивлений результирующее сопротивление при измерении его на переменном токе, как предложено в прототипе, будет равно или меньше каждой из составляющих и, как следствие, напряжение на выходе детектора будет меньше порогового напряжения.
При параллельном соединении двух сопротивлений результирующее сопротивление рассчитывается по формуле [О.П. Новожилов. Электротехника и электроника: учебник для бакалавров / О.П. Новожилов; Московский государственный индустриальный университет (МГИУ). - 2-е изд., испр. и доп. – М.: Юрайт, 2013. - 653 с.: ил. - Бакалавр. Базовый курс. - Библиогр.: с. 632-635]:
где Ra - активная составляющая сопротивления контактов, XC - емкостная составляющая сопротивления контактов, 
Следовательно, RЭKB = XC << Ra
Если XC >> Ra, то:
Следовательно, RЭKB = XC >> Ra
Если 
При использовании электродов с площадью контактов S=10 мм2 и при наличии окисной пленки толщиной d=0,1 микрон емкостная составляющая сопротивления на частоте 10 МГц, определяемая по формуле:
может составить менее 0,2 Ом, при ε=100.
При этом активная составляющая сопротивления может быть очень большой, а эквивалентное сопротивление менее 0,2 Ома. В результате появляется погрешность в определении наличия контакта нагреваемого электрода с контролируемым изделием, и соответственно появляется погрешность в измерении термоЭДС.
В изобретении решается задача создания способа, обеспечивающего повышение точности измерения термоЭДС.
Поставленная задача решена за счет того, что в способе контроля контакта электродов с контролируемым изделием при разбраковке металлических изделий между электродами и контролируемым изделием измеряют термоЭДС, усиливают ее и отображают, сравнивают с пороговым значением и через контакт нагреваемого электрода с контролируемым изделием пропускают переменный ток и измеряют величину падения напряжения на контакте нагреваемого электрода с контролируемым изделием, полученное напряжение выделяют с помощью избирательного усилителя, детектируют и сравнивают с пороговым значением напряжения, составляющего не более 1% от номинального значения термоЭДС, если напряжение на выходе детектора меньше порогового напряжения, то делают вывод о наличии контакта.
Согласно изобретению через контакт нагреваемого электрода с контролируемым изделием поочередно пропускают переменный ток на двух частотах, измеряют величину падения напряжения на контакте нагреваемого электрода с контролируемым изделием на двух частотах, полученное напряжение выделяют с помощью избирательного усилителя, детектируют на двух частотах, преобразуют в цифровой код и сохраняют в памяти микроконтроллера. Полученные значения напряжения на двух частотах сравнивают между собой и при их равенстве делают вывод об отсутствии емкостной составляющей сопротивления контактов.
За счет использования двух частот при пропускании переменного тока через контакт нагреваемого электрода с контролируемым изделием и измерения падения напряжения на контакте нагреваемого электрода с контролируемым изделием на двух частотах обеспечивается возможность контроля емкостной составляющей сопротивления контакта нагреваемого электрода с контролируемым изделием и в конечном итоге получение высокой точности результатов измерения.
На чертеже представлена схема устройства, иллюстрирующая предлагаемый способ.
Устройство для контроля контакта электродов с контролируемым изделием при разбраковке металлических изделий, реализующее предлагаемый способ, содержит нагреваемый электрод 1, контролируемое изделие 2, находящиеся в контакте между собой и холодный электрод 3, имеющий контакт с контролируемым изделием 2. Нагреватель 4 воздействует на нагреваемый электрод 1. Входы усилителя постоянного тока (УПТ) 5 подключены к горячему электроду 1 и холодному электроду 3. Выход УПТ 5 подключен первому к аналого-цифровому преобразователю (АЦП 1) 6, выход которого соединен с микроконтроллером 7, который имеет связь с индикатором ЭДС 8. Входы усилителя постоянного тока (УПТ) 5 соединены с выходами коммутатора 9, который имеет связь с выходами первого генератора 10 и выходами второго генератора 11. Выходы первого генератора 10 подключены к входам первого усилителя 12, выход которого подсоединен к первому детектору 13. Выход первого детектора 13 соединен с входом второго аналого-цифрового преобразователя 14 (АЦП 2), выход которого связан с микроконтроллером 7. Выходы второго генератора 11 подключены к входам второго усилителя 15, выход которого подсоединен к второму детектору 16. Выход второго детектора 16 соединен с входом третьего аналого-цифрового преобразователя 17 (АЦП 3), выход которого связан с микроконтроллером 7. Выход микроконтроллера 7 соединен с индикатором контакта 18
Нагреваемый 1 и холодный 3 электроды выполнены из одного материала с хорошей электро- и теплопроводностью, например из меди. Нагреватель 4 может быть стандартным мощностью 25 ватт, УПТ 5 должен быть с малым дрейфом напряжения смещения нуля, например, ОР177, первый аналого-цифровой преобразователь (АЦП 1) 6, второй аналого-цифровой преобразователь (АЦП 2) 14 и третий аналого-цифровой преобразователь (АЦП 3) 17 выполнены по типовой схеме на микросхеме AD876 фирмы Analog Devices. Индикатор ЭДС 8 может быть выполнен на светодиодах АЛС324А, индикатор контакта 18 может быть выполнен на светодиодах АЛ307Г. Первый 10 и второй 11 генераторы могут быть выполнены по типовой схеме на операционном усилителе широкого применения, например К140УД6, первый 12 и второй 15 усилители могут быть выполнены по типовой схеме на операционном усилителе широкого применения, например К140УД6, и должны иметь полосу пропускания для первого усилителя 12 с резонансной частотой, равной частоте первого генератора 10, для второго усилителя 15 с резонансной частотой, равной частоте второго генератора 11, первый 13, второй 16 детекторы могут быть выполнены по типовой схеме на операционном усилителе, например К140УД6, микроконтроллер 7 может быть выбран любым, например ATMEGA 16, коммутатор 9 выполнен на микросхеме К590КН2.
При контроле нагреватель 4 воздействует на нагреваемый электрод 1. Между горячим электродом 1, контролируемым изделием 2 и холодным электродом 3 возникает термоЭДС, которая поступает на УПТ 5, который усиливает термоЭДС, с выхода УПТ 5 термоЭДС поступает на АЦП 6, а с его выхода на микроконтроллер 7 и затем на индикатор ЭДС 8, который отображает величину термоЭДС. Первый генератор 10 вырабатывает переменный ток частоты f1, который протекает по цепи: первый генератор 10 - коммутатор 9 - нагреваемый электрод 1 - контактное сопротивление - контролируемый образец 2 - контактное сопротивление - холодный электрод 3 - первый генератор 10. Напряжение, полученное в результате протекания этого тока через контактное сопротивление, поступает на первый усилитель 12, который усиливает только переменную составляющую входного напряжения частотой f1. Выходное напряжение первого усилителя 12 поступает на вход первого детектора 13, выпрямленное напряжение с выхода первого детектора 13 поступает на второй аналого-цифровой преобразователь (АЦП 2) 14 и затем в микроконтроллер 7. Второй генератор 11 вырабатывает переменный ток частоты f2, который протекает по цепи: второй генератор 11 - коммутатор 9 - нагреваемый электрод 1 - контактное сопротивление - контролируемый образец 2 - контактное сопротивление - холодный электрод 3 - второй генератор 11. Напряжение, полученное в результате протекания этого тока через контактное сопротивление, поступает на второй усилитель 15, который усиливает только переменную составляющую входного напряжения частотой f2. Выходное напряжение второго усилителя 15 поступает на вход второго детектора 16, выпрямленное напряжение с выхода второго детектора 16 поступает на третий аналого-цифровой преобразователь (АЦП 3) 17 и затем в микроконтроллер 7, который сравнивает эти напряжения. В случае равенства напряжений делается заключение об отсутствии емкостной составляющей контактного сопротивления. Если сопротивление контактов мало, то напряжение на выходе второго аналого-цифрового преобразователя (АЦП 2) 14 и третьего аналого-цифрового преобразователя (АЦП 3) 17 мало и индикатор контакта 21 светится. В противном случае индикатор контакта 21 не светится.
Способ контроля наличия контакта горячего электрода с контролируемым изделием при разбраковке металлических изделий, заключающийся в том, что между нагреваемым электродом и контролируемым изделием измеряют термоЭДС, усиливают ее и отображают, сравнивают с пороговым значением и через контакт нагреваемого электрода с контролируемым изделием пропускают переменный ток и измеряют величину падения напряжения на контакте нагреваемого электрода с контролируемым изделием, полученное напряжение выделяют с помощью избирательного усилителя, детектируют и сравнивают с пороговым значением напряжения, составляющего не более 1% от номинального значения термоЭДС, если напряжение на выходе детектора меньше порогового напряжения, то делают вывод о наличии контакта, отличающийся тем, что через контакт нагреваемого электрода с контролируемым изделием поочередно пропускают переменный ток на двух частотах, измеряют величину падения напряжения на контакте нагреваемого электрода с контролируемым изделием на двух частотах, полученное напряжение выделяют и усиливают с помощью двух избирательных усилителей, детектируют, преобразуют в цифровой код, сохраняют в памяти микроконтроллера, сравнивают между собой и при их равенстве делают вывод об отсутствии емкостной составляющей сопротивления контактов.
