Ємнісний дефектоскоп

Ємнісний дефектоскоп, що містить автогенератор з загальним заземленням, накладний ємнісний датчик, в якому внутрішній і зовнішній планарні електроди розташовані на одній діелектричній основі, автоматичний перемикач, керуючий вхід якого з'єднаний з виходом мультивібратора, фільтр нижніх частот і індикатор, який відрізня 3 ній діелектричній основі, автоматичний перемикач, керуючий вхід якого з'єднаний з виходом мультивібратор, фільтр нижніх частот і індикатор. Крім того, відомий пристрій включає другий автогенератор, змішувач, смуговий фільтр, підсилювачобмежувач, диференціювальний елемент, інтегратор, несиметричний мультивібратор з керованим варикапом і амплітудний обмежувач, а також чотири автоматичних перемикача. Використання відомого пристрою дозволяє виявити порушення суцільності матеріалу, наприклад, з-за повітряних бульбашок або розшарувань за рахунок зменшення діелектричної проникності матеріалу в порівнянні з бездефектним матеріалом. Але аналогічні зміни можуть виникнути і за рахунок зміни діелектричних властивостей самого матеріалу, наприклад, внаслідок зволоження, зміни хімічного складу, температури діелектрика і т.п. Тому використання його навіть при відсутності похибки від нестабільності частот автогенераторів, не забезпечує високу вірогідність контролю на суцільність матеріалів і виробів при варіації їх діелектричних властивостей. В основу корисної моделі покладена задача створення такого ємнісного дефектоскопа, в якому введення нових елементів і зв'язків дозволило б підвищити вірогідність контролю матеріалів та виробів на порушення суцільності з непостійними діелектричними властивостями і відсутності еталонного матеріалу. Поставлена задача вирішується тим, що в ємнісний дефектоскоп, що містить автогенератор з загальним заземленням, накладний ємнісний датчик, в якому внутрішній і зовнішній планарні електроди розташовані на одній діелектричні основі, автоматичний перемикач, керуючий вхід якого з'єднаний з виходом мультивібратора, фільтр нижніх частот і індикатор, згідно з корисною моделлю, введені послідовно з'єднані частотний детектор, підсилювач змінної напруги і фазочутливий випрямляч, проміжний планарний електрод розташований на діелектричній основі між внутрішнім і зовнішнім планарними електродами та з'єднаний з входом автоматичного перемикача, один вихід якого з'єднаний з внутрішнім планарним електродом і виходом автогенератора, а другий вихід з'єднаний із зовнішнім планарним електродом і загальним заземленням, до виходу автогенератора підключений вхід частотного детектора, до виходу фазочутливого випрямляча підключений через фільтр нижніх частот індикатор, а керуючий вхід фазочутливого випрямляча з'єднаний з виходом мультивібратора. Введення в схему ємнісного дефектоскопа частотного детектора, підсилювача змінної напруги і фазочутливого випрямляча, з'єднаних послідовно, проміжного планарного електрода між внутрішнім і зовнішнім електродами ємнісного датчика, з'єднаних з використовуваними елементами зазначеним чином, дозволяє зондувати контрольований матеріал електричними полями малої і великої глибини і виявляти наявність дефектів по різниці ємностей датчика при двох положеннях перемикача, який комутує проміжний планарний електрод. Почергове частотне детектування вихідної напруги автоге 62639 4 нератора забезпечує отримання змінної напруги частоти перемикання, амплітуда якого пропорційна різниці частот автогенератора, які відповідають різній глибині зондування, при цьому поява напруги частоти перемикання свідчить про наявність дефекту в контрольованому матеріалі незалежно від початкової частоти автогенератора, тобто виявлення дефекту не залежить від ступеня нестабільності частоти автогенератора, що дозволяє підвищити достовірність контролю матеріалів і виробів по дефектам, зв'язаними з порушенням суцільності, без порівняння з еталонним матеріалом. На кресленні зображена функціональна схема ємнісного дефектоскопа. У ємнісному дефектоскопі автогенератор 1 виконаний за схемою Колпітца (ємностної триточкової) на транзисторі 2, в якому режим по постійному току встановлюється за допомогою резисторів 3, 4, 5, 6 і блокувального конденсатора 7. Конденсатор зв'язку 8 забезпечує позитивний зворотній зв'язок між коливальним контуром з котушки індуктивності 9 і двох ємностей, з яких одна представлена конденсатором 10, а інша електродною системою ємнісного датчика 12 і загальним заземленням 11 автогенератора 1. Електродна система накладного ємнісного датчика 12 утворена внутрішнім планарним електродом 13, проміжним планарним електродом 14, зовнішнім планарним електродом 15, які розташовані на одній діелектричній основі 16. Вхід автоматичного перемикача 17 з'єднаний з проміжним електродом 14, один вихід з'єднаний з внутрішнім електродом 13, який підключений до виходу автогенератора 1. Інший вихід автоматичного перемикача 17 з'єднаний з зовнішнім планарним електродом 15, який підключений до загального заземлення 11 автогенератора 1. До виходу автогенератора 1 підключені послідовно з'єднані частотний детектор 18, підсилювач змінного напруги 19, фазочутливий випрямляч 20, фільтр нижніх частот 21 і індикатор 22. Керуючі входи автоматичного перемикача 16 і фазочутливого випрямляча 20 з'єднані з виходом мультивібратора 23. Позицією 24 позначений матеріал, що досліджується. Ємнісний дефектоскоп працює наступним чином. Частота автогенератора 1 визначається параметрами коливального контуру, до якого поряд з індуктивністю котушки 9, ємністю конденсатора 10 входить і ємність датчика 12. Система планарних електродів 13,14 і 15 виконана таким чином, що ємність датчика 12 однакова при двох положеннях автоматичного перемикача 17 і відсутності контрольованого матеріалу. При зазначеному положенні автоматичного перемикача 17 електричне зондуюче поле створюється між внутрішнім потенційним електродом 13 і близько розташованим проміжним планарним електродом 14. При цьому глибина зондуючого поля мала. У протилежному положенні автоматичного перемикача 17 проміжний планарний електрод 14 з'єднується з внутрішнім електродом 13 і стає також потенційним. У цьому випадку зондуюче електричне поле створюється між електродами 13,14 і віддаленим зазем 5 леним електродом 15. У цьому випадку глибина зондуючого поля різко збільшується. При цьому ширина електродів і відстань між ними вибираються таким чином, щоб ємності цих систем були однаковими. Тоді накладення датчика на контрольований матеріал 24 з однорідним діелектриком (бездефектний матеріал) не змінить рівності ємностей цих двох систем. У випадку появи внутрішніх дефектів у матеріалі (розшарувань, повітряних бульбашок, пухкостей і т.п.) глибинне зондуюче поле буде ослаблене через зменшення результуючої діелектричної проникності. При цьому чим більше внутрішні дефекти, тим більше будуть відрізнятися ємності електродів 13-14 з малою глибиною зондування від ємності електродів 13, 14-15 з великою глибиною зондування. У відповідності з цим в коливальний контур 9-10, 11 автогенератора 1 буде вноситися різна ємність, що викличе відповідні зміни частоти автогенератора 1. Частота автогенератора 1 у першому наближенні визначається параметрами його коливального контура: 1 f (1) 2 Lк Ск , де Lк - індуктивність котушки 9; Ск=С1С2/(С1+С2) - еквівалентна ємність з паралельно включених ємностей конденсатора 10 (С1) і накладного ємнісного датчика 12 (С2). При контролі дефектності матеріалів частота генерації електричних коливань (1) зменшується за рахунок діелектричної проникності матеріалу, яка більше діелектричної проникності повітря. При одному положенні автоматичного перемикача 16 частота генерації 1 f1  (2) 2 Lк С1С'2 /(С1  С'2 ) , а при іншому положенні автоматичного перемикача 16 1 f2  (3) ' ' 2 Lк С1С'2 /(С1  С'2 ) де С1 - ємність конденсатора 10; С '2 - ємність датчика 12 за малої глибини зондування; ' С '2 - ємність датчика 12 за великій глибині зондування. При періодичних перемиканнях проміжного електрода 14 датчика 12 з частотою перемикання мультивібратора 23 здійснюється частотна модуляція вихідної напруги автогенератора 1. При цьому частота автогенератора 1 змінюється від значення (2) до значення (3) і навпаки. Відповідно до цього періодично змінюється вихідна напруга частотного детектора 17 від значення U1=Sf1 (4) до значення U2=Sf2, (5) де S – крутизна перетворення частотного детектора 18. 62639 6 У випадку появи дефектів у контрольованому матеріалі 24 напруга U2>U1, так як ємність ' С'2  С'2 через порушення суцільності та зменшення результуючої діелектричної проникності. З послідовності імпульсів напругу з амплітудами (4) і (5) підсилювачем 19 виділяється і посилюється змінна складова напруги. U  U1 U3  K1 2 sign sin 2Ft (6) 2 , де К1 - коефіцієнт посилення підсилювача змінної напруги 18; F - частота перемикань мультивібратора 23; signsin2Ft - прямокутна обвідна послідовності імпульсів (4) і (5). За допомогою фазочутливого випрямляча 20, який керується безпосередньо напругою мультивібратора 23, випрямляється змінна напруга (6). Після згладжування випрямленої напруги фільтром низьких частот 21 вона фіксується індикатором 22. Зареєстрована напруга 1 U4  K1K 2K 3 U2  U1 (7) 2 , де К2 – коефіцієнт випрямлення фазочутливого випрямляча 20; К3 – коефіцієнт передачі фільтра нижніх частот 21. Підставивши в (7) вираження U2 з (5) і U1 з (4), отримаємо 1 U5  K1K 2K 3Sf2  f1 (8) 2 . З отриманого виразу (8) випливає, що індикатором 22 фіксується напруга пропорційна різниці частот автогенератора 1, яка не залежить від початкової частоти (1). Так як обидві електродні системи 13-14 і 13,14-15 розміщені на одній діелектричній основі 16, то зміна її діелектричних властивостей, наприклад, з-за зволоження, забруднення і т.п. також не впливає на напругу різницевої частоти (8). У той же час будь-які порушення суцільності в об'ємі контрольованого матеріалу 24 неминуче призведуть до порушення рівності ємно' '' стей С 2 і С 2 , що спричиняє появу сигналу пропорційного різниці частот f1 і f2. В наслідок цього зафіксовану напругу (8) можна представити з урахуванням виражень (1) і (2) у вигляді функціональної залежності від різниці ємностей датчика 12 і ступеня дефектності матеріалу: V ' U6  F С'2  С'2  Sp 100 (9) V , де SP – результуюча крутизна вимірювального перетворення; V - об'єм контрольованого матеріалу; ∆V - сумарний об'єм дефектних зон матеріалу. До переваг запропонованого ємнісного дефектоскопа відноситься його висока чутливість, яку при відсутності дрейфу нуля легко збільшувати збільшенням коефіцієнта підсилення підсилювача змінної напруги 19, у якого відсутній власний дрейф нуля. Випрямлення фазочутливим випрямлячем 20 забезпечує зміну полярності фіксованої   7 напруги, що може мати місце при збільшенні ємності датчика при глибокому зондуванні матеріалу з включеннями води та інших домішок з великою діелектричною проникністю. Використання ємнісного дефектоскопу в контрольно-вимірювальній техніці дозволить: - більш ефективно і з великою роздільною здатністю виявляти глибинні дефекти в непровідних матеріалах і виробах; Комп’ютерна верстка Л. Купенко 62639 8 - кількісно оцінювати обсяг і кількість дефектів за значенням вихідної напруги; - контролювати ступінь зволоження і забруднення провідними включеннями внутрішніх шарів матеріалу; - вимірювати товщину діелектричних покриттів на непровідних матеріалах і виробах. Підписне Тираж 23 прим. Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601