Спосіб вихрострумових селективних вимірювань параметрів оболонок

Реферат: Винахід належить до неруйнівного вихрострумового контролю характеристик виробів типу оболонок, фольги тощо з неферомагнітних електропровідних матеріалів і призначений для селективних вимірювань з малими похибками товщини, питомої електричної провідності матеріалу та товщини діелектричного покриву елементів конструкцій в авіації, машинобудуванні, енергетиці та інших галузях. В способі вихрострумових селективних вимірювань параметрів оболонок за їх одночасної зміни вихрострумовий перетворювач збуджують одночасно на двох частотах, першу з яких вибирають за умови оптимальної чутливості до товщини оболонки, а другу, що може бути на порядок і більше вищою, вибирають за умови оптимальної чутливості вихрострумового перетворювача до змін питомої електричної провідності і нечутливості до зміни товщини оболонки контрольованого об'єкта. Перед початком вимірювань встановлюють вихрострумовий перетворювач на контрольному зразку з номінальними значеннями товщини, питомої електричної провідності матеріалу контрольованого об'єкта та товщини діелектричного покриву і компенсують до нуля сигнал на виході вихрострумового перетворювача на першій та другій частоті. Потім встановлюють вихрострумовий перетворювач на контрольований об'єкт і вимірюють одночасно на першій та другій частоті значення дійсних та уявних складових сигналу відгуку вихрострумового перетворювача, за якими визначають параметри контрольованого об'єкта. Попередньо з використанням комплекту контрольних зразків із відомими значеннями товщини і питомої UA 102446 C2 (12) UA 102446 C2 електричної провідності матеріалу контрольованого об'єкта в заданому діапазоні можливої їх зміни, а також зразків товщини з діелектричного матеріалу в заданому діапазоні можливої зміни товщини діелектричного покриву проводять процедуру калібрування, за якою визначають функціональні залежності параметрів контрольованого об'єкта від виміряних значень ортогональних складових сигналу відгуку вихрострумового перетворювача. Спосіб дозволяє проводити селективний контроль з високою точністю товщини, питомої електричної провідності матеріалу та товщини діелектричного покриву контрольованого об'єкта, які можуть змінюватись одночасно. При визначенні кожного з параметрів реалізується відлаштування від нелінійного впливу зміни двох інших параметрів. При цьому похибка оцінок параметрів контрольованого об'єкта може не перевищувати десятих часток відсотка. Зазначене дозволяє значно підвищити ефективність діагностики структурного стану та зношування елементів конструкцій, що піддаються деградації під час експлуатації в результаті дії корозійних процесів, змінних навантажень тощо. UA 102446 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до методу вихрострумового контролю характеристик виробів типу оболонок, фольги, тонких плівок тощо з неферомагнітних електропровідних матеріалів і призначений для селективних вимірювань з малими похибками товщини оболонок, питомої електричної провідності матеріалу та товщини діелектричного покриву елементів конструкцій в авіації, машинобудуванні, енергетиці та інших галузях. Відомий вихрострумовий метод фазових вимірювань товщини оболонок чи питомої електричної провідності матеріалу [1]. За цим методом відлаштовуються від впливу зазору між вихрострумовим перетворювачем і контрольованим об'єктом, що обумовлює похибку вимірювань, шляхом векторного додавання до сигналу відгуку вихрострумового перетворювача сигналу компенсації і вимірювання фази цього сумарного інформаційного сигналу, за якою визначають параметр, що контролюють. При цьому контроль товщини оболонок чи питомої електричної провідності матеріалу, як це відомо, проводять на різних частотах і реалізують різними типами приладів, а саме: вимірювачами товщини і вимірювачами питомої електричної провідності матеріалу. Недоліком фазового способу вимірювань є тільки часткове відлаштування від впливу зазору в заданому інтервалі його зміни через нелінійний характер функції впливу зазору на сигнал відгуку вихрострумового перетворювача. Окрім цього, при вимірюванні товщини оболонок виникає ще похибка, обумовлена варіацією питомої електричної провідності матеріалу контрольованого об'єкта. Відомий вихрострумовий спосіб контролю питомого опору електропровідних виробів [2], при якому встановлюють вихрострумовий перетворювач на об'єкті контролю і вимірюють активну і реактивну складові внесеної напруги вихрострумового перетворювача. Перетворюють активну складову за допомогою функціонального перетворювача, ділять отриману напругу на реактивну складову внесеної напруги, і за одержаним результатом визначають питомий опір матеріалу. Недоліком зазначеного способу є відсутність відстроювання від впливу зміни зазору в широкому діапазоні контрольованого параметра. Відомий спосіб електромагнітного контролю [3], за яким сигнал вихрострумового перетворювача компенсують до попадання робочої точки в центр гомотетії годографів сигналу в залежності від зміни параметру, вплив якого необхідно заглушити. Визначають амплітуду і фазу сигналу і будують залежність амплітуди від фази вихідного сигналу при номінальній величині контрольованого параметру і зміні параметру, що заглушується. Цю залежність використовують для визначення параметра, який контролюють. Недоліком зазначеного способу є низька точність вимірювань через недостатнє відстроювання від параметру, вплив якого необхідно заглушити (в основному це зазор), оскільки годографи сигналу вихрострумових перетворювачів є нелінійними і взаємозалежними від параметрів контрольованого об'єкта функціями, які можна вважати гомотетичними наближено. Близьким до запропонованого способу є відомий спосіб багаточастотного вихрострумового контролю виробів [4], який полягає у тому, що вихрострумовий перетворювач збуджують струмами декількох частот, вихідні сигнали вихрострумового перетворювача далі перетворюють у сигнали з однаковою фазою і утворюють їх суму. Регулюють амплітуди зазначених сигналів так, щоб виділити складову сигналу параметра, який підлягає контролю. Недоліком зазначеного способу є мала роздільна здатність складових сигналу за параметрами, що підлягають контролю, і відповідно низька точність контролю, а також складність реалізації способу, що потребує оптимізації вибору частот і амплітуд сигналів. Процедура формування інформаційного сигналу, за яким визначають контрольовані параметри, є лінійним перетворенням, що принципово не забезпечує малі похибки контролю. Недоліком відомих способів є значна методична похибка визначення параметрів оболонок, особливо коли кількість параметрів, що впливають на формування сигналу відгуку вихрострумового перетворювача, становить три і більше. Це обмежує функціональні можливості вихрострумового методу тільки вирішенням задач двопараметрового контролю. Така ситуація обумовлена тим, що відомі способи характеризуються лінійною обробкою сигналу відгуку вихрострумового перетворювача і практично не дозволяють визначати три параметри контрольованого об'єкта, які змінюються одночасно. Окрім того, лінійні методи обробки сигналу відгуку вихрострумового перетворювача принципово обмежені за точністю контролю та зменшують діапазон контролю параметрів, оскільки вплив параметрів контрольованого об'єкта на сигнал відгуку вихрострумового перетворювача є нелінійним і взаємозалежним. Задачею запропонованого способу є селективне вимірювання з малими похибками трьох параметрів контрольованого об'єкта типу оболонки, а саме - товщини і питомої електричної провідності матеріалу оболонки та товщини діелектричного покриву шляхом нелінійної обробки 1 UA 102446 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 сигналу відгуку вихрострумового перетворювача, що принципово забезпечує усунення методичної похибки. Приміром, при визначенні товщини оболонки в результаті обробки сигналу відгуку вихрострумового перетворювача виключається нелінійний вплив інших двох параметрів, якими є зміна питомої електричної провідності матеріалу та товщини діелектричного покриву. Зазначена задача досягається тим, що вихрострумовий перетворювач збуджують одночасно на двох частотах, першу з яких вибирають за умови оптимальної чутливості вихрострумового перетворювача до зміни товщини оболонки, а другу, яка може бути на порядок і більше вищою, за умови оптимальної чутливості вихрострумового перетворювача до зміни питомої електричної провідності і нечутливості до зміни товщини оболонки контрольованого об'єкта. Перед проведенням контролю вихрострумовий перетворювач встановлюють на контрольний зразок з номінальними значеннями товщини, питомої електричної провідності матеріалу та з номінальним значенням зазору, що відповідає номінальному значенню товщини діелектричного покриву контрольованого об'єкта, і компенсують до нуля сигнал відгуку вихрострумового перетворювача на кожній з частот збудження. Встановлюють вихрострумовий перетворювач на контрольований об'єкт, в результаті взаємодії з яким одержують інформаційний сигнал, який являє собою зміну (або приріст) сигналу відгуку вихрострумового перетворювача відносно його значення на контрольному зразку з номінальними значеннями товщини, питомої електричної провідності матеріалу контрольованого об'єкта та товщини діелектричного покриву. Вимірюють одночасно на першій та другій частоті дійсні та уявні складові інформаційного сигналу. За виміряними значеннями дійсних та уявних складових двочастотного інформаційного сигналу визначають зазначені параметри контрольованого об'єкта. Попередньо з використанням комплекту контрольних зразків із відомими значеннями товщини і питомої електричної провідності матеріалу контрольованого об'єкта в заданому діапазоні можливої їх зміни, а також зразків зазору з діелектричного матеріалу в заданому діапазоні можливої зміни діелектричного покриву проводять процедуру калібрування. За даними калібрування визначають функціональну залежність кожного із зазначених параметрів контрольованого об'єкта від виміряних значень складових інформаційного сигналу. На фіг. 1 зображено сім'ю годографів сигналу відгуку вихрострумового перетворювача при зміні узагальненого параметра   R  0 , що є функцією питомої електричної провідності  , частоти збудження  і еквівалентного радіуса R вихрострумового перетворювача, та сім'ю годографів сигналу відгуку вихрострумового перетворювача при зміні відносного значення зазору   h / R . На фіг. 2 зображено годографи інформаційного сигналу вихрострумового перетворювача на першій частоті  1 збудження при зміні відносного значення товщини оболонки T1(d), відносного значення товщини діелектричного покриву (зазору)  1(h) та зміні питомої електричної провідності 1 . На фіг. 3 зображено годографи інформаційного сигналу вихрострумового перетворювача на другій частоті  2 збудження при зміні питомої електричної провідності β2 (σ) та відносного значення товщини діелектричного покриву (зазору)  2 (h). На фіг. 4 зображено узагальнену блок-схему пристрою для реалізації способу селективних вимірювань параметрів контрольованого об'єкта типу оболонки. Узагальнена блок-схема пристрою на фіг. 4, за яким можна реалізувати запропонований спосіб, складається з блока генератора 1, що виробляє струм двох частот, який підключений до входу вихрострумового перетворювача 2. Вихід вихрострумового перетворювача 2 підключений до модуля 3 формування і обробки інформаційного сигналу, з'єднаного з індикатором 4. Модуль 3 формування і обробки інформаційного сигналу містить у своєму складі блок аналогового перетворення двочастотного сигналу відгуку вихрострумового перетворювача, блок аналогоцифрових перетворювачів та обчислювальний блок (мікроЕОМ). Розглянемо методику реалізації запропонованого способу селективних вимірювань товщини, питомої електричної провідності матеріалу та товщини діелектричного покриву контрольованого об'єкта типу оболонки. За допомогою генератора 1 збуджують вихрострумовий перетворювач 2 одночасно на двох частотах. Першу із частот вибирають за умови оптимальної чутливості вихрострумового перетворювача до зміни товщини контрольованого об'єкта типу оболонки, а другу частоту вибирають за умови оптимальної чутливості вихрострумового перетворювача до зміни питомої електричної провідності і нечутливості до зміни товщини контрольованого об'єкта. При цьому друга частота може бути значно вищою від першої частоти, зокрема, на порядок і більше. Зазначені умови оптимального вибору частот відповідно до загальних положень вихрострумового методу контролю пов'язані одночасно з вибором 2 UA 102446 C2 еквівалентного радіуса R вихрострумового перетворювача, що визначається зображенням 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 узагальненого параметра   R  0 . Перед проведенням контролю встановлюють вихрострумовий перетворювач 2 на контрольний зразок із заданими номінальними значеннями товщини оболонки, питомої електричної провідності матеріалу та з номінальним значенням зазору, що відповідає заданому номінальному значенню товщини діелектричного покриву контрольованого об'єкта. Сигнал відгуку вихрострумового перетворювача 2, що взаємодіє з контрольованим об'єктом, поступає на вхід модуля 3, в аналоговій частині якого до нього на першій і другій частоті додають сигнали компенсації. В модулі 3 програмно регулюють сигнали компенсації за амплітудою і фазою так, щоб сумарний сигнал на кожній з частот дорівнював нулю. Встановлюють вихрострумовий перетворювач 2 на контрольований об'єкт і одержують інформаційні сигнали на першій і другій частоті, в яких блоком АЦП модуля 3 одночасно вимірюють дійсні та уявні компоненти. За виміряними значеннями компонент інформаційних сигналів на першій і другій частоті програмно в блоці обчислень (мікроЕОМ) модуля 3 визначають параметри контрольованого об'єкта. Значення параметрів контрольованого об'єкта, а також необхідна службова інформація поступає на вхід блоку індикації 4. Попередньо виконують на першій та другій частоті процедуру калібрування. Відобразимо далі область зміни параметрів контрольованого об'єкта типу оболонки, по якій проводиться калібрування на частотах  1 і  2. Сигнал відгуку вихрострумового перетворювача складним чином залежить від параметрів контрольованого об'єкта. На фіг. 1 зображено відомий вид годографів внесеної у вихрострумовий перетворювач комплексної напруги, залежної від зміни двох параметрів, а саме: узагальненого параметра   R  0 , та відносного значення зазору   h / R між вихрострумовим перетворювачем і контрольованим об'єктом. Зміна товщини контрольованого об'єкта типу оболонки ще ускладнює залежності внесеної у вихрострумовий перетворювач комплексної напруги. На фіг. 2 зображено в комплексній площині фрагмент області зміни сигналу відгуку вихрострумового перетворювача на першій частоті  1 при зміні відносного значення товщини оболонки Т1 = d/R1, відносного значення товщини діелектричного покриву (зазору) 1  h / R1 та узагальненого параметра 1 (як функції питомої електричної провідності) в інтервалах, що відповідають заданій області зміни цих параметрів для контрольованого об'єкта. Ці інтервали позначено на фіг. 2, і вони становлять: 0,1  Т1  0,25; 0,004   1  0,044; 5,5   1  6,4. Точка О1(dn;  n;hn) на фіг. 2 відповідає кінцю вектора сигналу відгуку вихрострумового перетворювача з початком в точці О на фіг. 1, коли вихрострумовий перетворювач 2 встановлено на контрольний зразок із заданими номінальними значеннями параметрів контрольованого об'єкта. В результаті виконання процедури компенсації зазначеного сигналу точка О1(dn;  n;hn) є початком координат при вимірюванні на першій частоті  1 дійсної та уявної складових вектора інформаційного сигналу u1 з кінцем у точці X області зміни параметрів контрольованого об'єкта. Аналогічно, сформований на другій частоті  2 вектор інформаційного сигналу u2 має початок в нульовій точці О2(  n;hn) (фіг. 3) і кінець в деякій точці Υ області зміни параметрів контрольованого об'єкта. Параметрами, що впливають на формування вектора інформаційного сигналу u2 є узагальнений параметр β2 (  ) та відносне значення зазору  2 = h/R2. При цьому за умовою вибору частоти  2 зміна товщини контрольованого об'єкта на сигнал відгуку вихрострумового перетворювача не впливає. На частоті  2 задана область зміни параметрів контрольованого об'єкта становить: 3,0  β2  7,0; 0,05   2  0,3. Зауважимо, що значення параметрів контрольованого об'єкта, в узагальненому (безрозмірному) зображенні є різними на частотах  1 і  2, як це подано на фіг. 2 і фіг. 3. Водночас їх подання в реальному масштабі (показано в дужках на фіг. 2 і фіг. 3 як функції параметрів контрольованого об'єкта), є однаковим на частотах  1 і  2. Для калібрування використовують комплект контрольних зразків, що мають різні комбінації товщини оболонки та питомої електричної провідності матеріалу в заданому інтервалі зміни цих параметрів на контрольованому об'єкті, а також контрольний комплект діелектричних прокладок різної товщини із заданого інтервалу зміни товщини діелектричного покриву. Комплект діелектричних прокладок призначений для моделювання зазору (товщини діелектричного покриву) між вихрострумовим перетворювачем і поверхнею контрольованого об'єкта. Комплект контрольних зразків товщини оболонки та питомої електричної провідності матеріалу в заданому інтервалі зміни цих параметрів на контрольованому об'єкті має Μ 3 UA 102446 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 градацій по товщині d та Ρ градацій питомої електричної провідності