Вихрострумовий спосіб вимірювання питомої електропровідності немагнітних матеріалів

Реферат: Винахід належить до методів вихрострумового контролю виробів із немагнітних матеріалів і може знайти застосування для безконтактного визначення питомої електропровідності конструкційних матеріалів під час проведення неруйнівного контролю конструкцій і виробів в металургії, машинобудуванні, транспорті, авіації тощо. Вихрострумовий спосіб вимірювання питомої електропровідності немагнітних матеріалів полягає у тому, що в матеріалі об'єкта контролю збуджують вихрові струми заданої робочої частоти. Після чого, балансують вихідний сигнал вихрострумового перетворювача шляхом додавання до нього сигналу компенсації, розміщують вихрострумовий перетворювач в зоні контролю, та вимірюють амплітуду і фазу сумарного сигналу, значення яких використовують для визначення питомої електропровідності матеріалу об'єкта контролю. При цьому шляхом переміщення вихрострумового перетворювача змінюють зазор між його робочою поверхнею і поверхнею об'єкта контролю. В процесі переміщення вихрострумового перетворювача неперервно вимірюють амплітуду і фазу сумарного сигналу. Фіксують значення фази сумарного сигналу в момент, коли амплітуда сумарного сигналу становить наперед задане опорне значення, за яким визначають питому електропровідність матеріалу об'єкта контролю. Технічним результатом винаходу є розширення діапазону відстроювання від зміни зазору між вихрострумовим перетворювачем та поверхнею об'єкта контролю, селективне вимірювання питомої електропровідності незалежно від вибору робочої частоти, підвищення точності. UA 103657 C2 (12) UA 103657 C2 UA 103657 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до методів вихрострумового контролю виробів із немагнітних матеріалів і може знайти застосування для безконтактного визначення питомої електропровідності конструкційних матеріалів під час проведення неруйнівного контролю конструкцій і виробів в металургії, машинобудуванні, транспорті, авіації тощо. Відомий спосіб вимірювання питомої електропровідності немагнітних матеріалів, при якому на вихрострумовий перетворювач подають змінну напругу, переміщують його зворотнопоступально по нормалі до контрольованої поверхні і вимірюють амплітуду і фазу напруги, внесеної у вихрострумовий перетворювач. При цьому перед переміщенням перетворювача визначають амплітуду і фазу на зразку з відомою електропровідністю при нормованих частоті змінної напруги і зазорі між вихрострумовим перетворювачем і зразком. Під час переміщення перетворювача періодично змінюють частоту змінної напруги і визначають частоту, за якої амплітуда і фаза внесеної напруги зразка і контрольованого виробу є рівними [1]. Недоліком відомого способу є складність реалізації, оскільки він вимагає періодичної зміни частоти збудження вихрових струмів і необхідність мати у складі пристрою для реалізації способу механізм зворотно-поступального переміщення. При реалізації способу необхідно вимірювати багато параметрів: амплітуду і фазу сигналу, частоту змінної напруги. Відомий вихрострумовий спосіб контролю питомого опору (або питомої електропровідності як зворотної величини) електропровідних виробів [2], при якому вихрострумовий перетворювач вводять у взаємодію з об'єктом контролю і виділяють активну і реактивну складові внесеної напруги вихрострумового перетворювача. Перетворюють активну складову за допомогою функціонального перетворювача, який лінійно залежить від вхідної напруги. Ділять отриману напругу на реактивну складову внесеної напруги, і за величиною результуючої напруги визначають питомий опір матеріалу. Недоліком відомого способу є відсутність відстроювання від впливу зміни зазору в широкому діапазоні контрольованого параметра. Найбільш близьким до запропонованого способу є відомий спосіб електромагнітного контролю, який може бути використаний, в тому числі, для вимірювання питомої електропровідності немагнітних матеріалів [3]. У цьому способі сигнал вихрострумового перетворювача компенсують до попадання робочої точки вихрострумового перетворювача в центр гомотетії годографів вихідного сигналу в залежності від зміни параметра, вплив якого необхідно заглушити (в нашому випадку - зміна зазору). Потім визначають амплітуду і фазу вихідного сигналу, будують залежність амплітуди від фази вихідного сигналу при номінальній величині контрольованого параметра і зміні параметра, що заглушується. Цю залежність використовують для визначення питомої електропровідності контрольованого матеріалу. Недоліком відомого способу є низька точність через недостатнє відстроювання від впливу зміни зазору в широкому діапазоні вимірювань. Відомий спосіб також обмежує вибір вихрострумових перетворювачів, оскільки накладається умова, за якої годографи сигналу вихрострумових перетворювачів, що формуються при змінах електропровідності і зазору, мають бути гомотетичними. Задачею запропонованого способу є підвищення чутливості за фазою та точності визначення питомої електропровідності за одночасного відстроювання від нелінійного впливу зміни зазору між вихрострумовим перетворювачем і контрольованим об'єктом і розширення на цій основі функціональних можливостей методу. Зазначена задача вирішується тим, що при реалізації вихрострумового способу вимірювання питомої електропровідності немагнітних матеріалів за допомогою вихрострумового перетворювача збуджують в матеріалі контрольованого об'єкта вихрові струми заданої частоти, перед проведенням вимірювань формують сигнал вихрострумового перетворювача за умови вилучення неінформаційної складової сигналу і таким чином значною мірою розширюють діапазон зміни фази сформованого, тобто сумарного сигналу вихрострумового перетворювача, встановленого на контрольованому об'єкті, із заданим сигналом компенсації від зміни питомої електропровідності, а також більш точним визначенням питомої електропровідності за рахунок використання побудованої за результатами попереднього калібрування її нелінійної функціональної залежності від фази сформованого сумарного сигналу, значення якої вимірюють і фіксують у момент, коли під час зміни зазору амплітуда зазначеного сигналу становить наперед задане опорне значення. Для формування за вищезазначеною умовою сумарного сигналу вихрострумового перетворювача із сигналом компенсації встановлюють вихрострумовий перетворювач на контрольному зразку з максимальним значенням питомої електропровідності у заданому діапазоні вимірювань із зазором дещо більшим від максимального значення зазору в заданому 1 UA 103657 C2 5 10 15 20 діапазоні його змін і задають сигнал компенсації за амплітудою і фазою таким, щоб одержаний в результаті балансування сумарний сигнал дорівнював нулю. Після цього для формування опорного значення амплітуди сумарного сигналу встановлюють вихрострумовий перетворювач на контрольному зразку, зокрема, із номінальним значенням питомої електропровідності та зазору і приймають амплітуду одержаного при цьому сумарного сигналу за задане опорне значення амплітуди. Попередньо проводять калібрування, для чого встановлюють вихрострумовий перетворювач на контрольні зразки із відомими різними значеннями питомої електропровідності у заданому діапазоні вимірювань і змінюють зазор між вихрострумовим перетворювачем і поверхнею зразка у заданому діапазоні. В процесі зміни зазору фіксують (запам'ятовують) значення фази сумарного сигналу вихрострумового перетворювача з сигналом компенсації тоді, коли його амплітуда становить задане опорне значення. За даними калібрування формують числовий масив зафіксованих значень фази сумарного сигналу і відповідних до них значень питомої електропровідності матеріалу контрольних зразків. На основі зазначеного числового масиву методами апроксимації функцій будують нелінійну функціональну залежність питомої електропровідності від зафіксованого значення фази сумарного сигналу, за якою під час контролю визначають питому електропровідність контрольованого об'єкта. Під час контролю в процесі зміни зазору вимірювання амплітуди і фази сумарного сигналу проводять неперервно із заданим часовим інтервалом, який встановлюють меншим від інтервалу часу, за який фаза сумарного сигналу для заданої швидкості зміни зазору змінюється на величину, що відповідає заданій точності вимірювання питомої електропровідності.  25 30 35 40 45 50 55 На Фіг. 1 зображено годографи сформованого сумарного сигналу U при зміні електропровідності  і зазору h щодо процедури реалізації запропонованого способу вимірювання питомої електропровідності  . На Фіг. 2 зображено узагальнена схема приладу для реалізації способу. Узагальнена функціональна схема приладу (Фіг. 2), за якою можна реалізувати запропонований спосіб, складається з генератора 1 синусоїдальних коливань, вихід якого з'єднаний з вихрострумовим перетворювачем 2. Вихід вихрострумового перетворювача 2 через схему обробки сигналу 3 з'єднаний з індикатором 4. Схема обробки сигналу 3 має у своєму складі блок аналогової обробки сигналу, аналого-цифровий перетворювач і мікрокомп'ютер. Розглянемо процедуру реалізації запропонованого способу на прикладі вимірювання питомої електропровідності титанових сплавів у діапазоні від min  0,54 MCм / м до max  2,05 MCм / м (Фіг. 1) з відстроюванням від впливу змін зазору між вихрострумовим перетворювачем і поверхнею об'єкта контролю в діапазоні від 0 до 1,0 мм. Загалом для реалізації способу можна використовувати комплекти стандартних зразків питомої електропровідності матеріалів Всеросійського інституту легких сплавів. Для титанових сплавів комплект складається з 12 зразків із питомою електропровідністю у зазначеному діапазоні. За допомогою генератора 1 синусоїдальних коливань і обмотки збудження вихрострумового перетворювача 2 в об'єкті контролю створюють вихрові струми, поле яких вимірюють за допомогою вимірювальної обмотки вихрострумового перетворювача 2. Для титанових сплавів вибираємо робочу частоту рівною 2,0 МГц, яка є близькою до оптимальної. Вихідний сигнал вихрострумового перетворювача надходить на схему обробки сигналу, де підсумовується з сигналом компенсації, який формується за командами мікрокомп'ютера. Перед початком роботи вихрострумовий перетворювач 2 розміщують на стандартному зразку з питомою електропровідністю 2,05 МСм/м з діелектричною прокладкою товщиною 1,2 мм, яка є більшою від максимального значення діапазону можливих змін зазору. Зауважимо, що на вибраній робочій частоті вплив зазору (повітряного проміжку між вихрострумовим перетворювачем і поверхнею об'єкта контролю) і діелектричної прокладки відповідної товщини є ідентичним. Це положення вихрострумового перетворювача відповідає точці K на Фіг. 1. За командою мікрокомп'ютера додають до вихідного сигналу сигнал, амплітуда і фаза якого вибираються так, щоб сумарний сигнал дорівнював нулю. Таким чином, всі подальші вимірювання амплітуди і фази сумарного сигналу будуть проводитись відносно точки K на Фіг. 1. Такий вибір точки балансування значно розширює діапазон зміни фази сигналу при змінах питомої електропровідності в діапазоні вимірювань від min до max , що дозволяє підвищити точність вимірювань. Під час переміщують вимірювання питомої електропровідності вихрострумовий перетворювач нормально відносно контрольованої поверхні. В процесі переміщення 2 UA 103657 C2 вихрострумового перетворювача змінюється амплітуда і фаза його вихідного сигналу, що  призводить до відповідного зміни амплітуди (модуль вектора сумарного сигналу) U і фази  5 сумарного сигналу. Точка, що відповідає сумарному сигналу, переміщується від точки K до точки  , що відповідає значенню питомої електропровідності об'єкта контролю OK , яка вимірюється. В процесі переміщення неперервно з заданим часовим інтервалом вимірюють  амплітуду U і фазу  сумарного сигналу і фіксують фазу сумарного сигналу  * в момент,  10 15 20 25 30 35 40 45 50 коли амплітуда сумарного сигналу досягає наперед заданого значення UОП (опорна амплітуда), що зображено пунктиром на Фіг. 1. Часовий інтервал задається тактовою частотою амплітудноцифрового перетворювача, що входить до складу схеми обробки сигналу (не показано). Часовий інтервал має забезпечувати необхідну точність вимірювання для вибраної швидкості переміщення перетворювача. Переміщення вихрострумового перетворювача може проводитись вручну оператором-контролером під час встановлення перетворювача в зону вимірювання. Для автоматизованого контролю можуть використовуватись спеціальні механічні пристрої або роботи. Опорна амплітуда UОП вибирається відповідною до амплітуди сумарного сигналу в діапазоні можливих змін зазору (наприклад, 0,3 мм). Зафіксована фаза сумарного сигналу  * в момент досягнення опорної амплітуди UОП залежить тільки від питомої  електропровідності OK об'єкта контролю і може використовуватись для її вимірювання. При цьому, результати вимірюваної фази не залежить від зазору між вихрострумовим перетворювачем і поверхнею об'єкта контролю на відміну від відомих аналогів. Для визначення питомої електропровідності матеріалу  у відповідній системі одиниць (в МСм/м) необхідно побудувати калібрувальні залежності. Для цього до проведення вимірювань вихрострумовий перетворювач встановлюють по черзі на стандартні зразки з різним значеннями питомої електропровідності в діапазоні вимірювань (в нашому випадку - від 0,54 до 2,05 МСм). Для кожного стандартного зразка змінюють зазор між вихрострумовим перетворювачем і поверхнею зразка в діапазоні його можливих змін (в нашому випадку від 0 до 1,0 мм). В процесі переміщення вимірюють значення фази сумарного сигналу в момент, коли амплітуда сумарного сигналу досягає опорного значення для кожного стандартного зразка (в нашому випадку 12 зразків), які на Фіг. 1 позначено точками на пунктирній лінії, що відповідає дузі опорного сигналу. Таким чином отримують масив значень виміряної фази та питомої електропровідності, який використовують для визначення питомої електропровідності матеріалу об'єкта контролю. На основі отриманого масиву значень виміряної фази та питомої електропровідності зразків можна побудувати відповідні залежності питомої електропровідності від фази сумарного сигналу згідно стандартних процедур, які реєструють в пам'яті мікрокомп'ютера і використовують при визначенні питомої електропровідності об'єкта контролю. Запропонований спосіб дозволяє розширити діапазон відстроювання від зміни зазору між вихрострумовим перетворювачем та поверхнею об'єкта контролю. Крім того, запропонований спосіб забезпечує селективне вимірювання питомої електропровідності незалежно від вибору робочої частоти. Це дозволяє розширити функціональні можливості способу, зокрема досягнути високої точності при вимірюванні питомої електропровідності слабопровідних матеріалів, зокрема вуглецевих композитних матеріалів. Джерела інформації: 1. А. с. 953545 СССР, МКИ G 01 N 27/90. Способ контроля немагнитных электропроводных образцов/ И.В. Путятин, А.П. Смоляков (СССР). - № 3266138/18-21; Заявлено 26.03.81; Опубл. 23.08.82, Бюл. № 31.-3 с. 2. А. с. 298880 СССР, МКИ G 01 N 27/04, G 01 r 27/02. Способ контроля удельного сопротивления электропроводных изделий/ В.П. Денискин, А.С. Попов, Л.И. Трахтенберг (СССР). - № 1359833/18-10; Заявлено 25.08.69; Опубл. 16.03.71, Бюл. № 11.-2 с. 3. А. с. 828062 СССР, МКИ G 01 N 27/90. Способ электромагнитного контроля и устройство для его осуществления/ А.С. Бакунов, Е.Г. Беликов, Ю.Я. Останин (СССР). - № 2784589/25-28; Заявлено 22.06.79; Опубл. 07.05.81, Бюл. № 17.-3 с. 3 UA 103657 C2 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 1. Вихрострумовий спосіб вимірювання питомої електропровідності немагнітних матеріалів, при якому за допомогою вихрострумового перетворювача збуджують в матеріалі контрольованого об'єкта вихрові струми заданої робочої частоти, попередньо балансують вихідний сигнал вихрострумового перетворювача шляхом додавання до нього сигналу компенсації, розміщують вихрострумовий перетворювач в зоні контролю, вимірюють амплітуду і фазу сумарного сигналу вихрострумового перетворювача і сигналу компенсації, значення яких використовують при визначенні питомої електропровідності матеріалу контрольованого об'єкта, який відрізняється тим, що для формування сумарного сигналу задають амплітуду і фазу сигналу компенсації такими, щоб вилучити неінформаційну складову сигналу вихрострумового перетворювача, для чого встановлюють вихрострумовий перетворювач на контрольний зразок із максимальним значенням питомої електропровідності у заданому діапазоні вимірювань із зазором між вихрострумовим перетворювачем і поверхнею контрольного зразка дещо більшим від заданого максимального значення зазору, і регулюють амплітуду й фазу сигналу компенсації так, щоб в результаті балансування сумарний сигнал дорівнював нулю; задають опорне значення амплітуди сформованого сумарного сигналу в межах його зміни у діапазоні, що визначається заданою областю зміни питомої електропровідності матеріалу й зазору; попередньо до проведення вимірювань виконують процедуру калібрування з використанням контрольних зразків, за даними калібрування будують нелінійну функціональну залежність питомої електропровідності від зафіксованого значення фази сформованого сумарного сигналу, встановлюють вихрострумовий перетворювач на контрольованому об'єкті, змінюють у заданому діапазоні зазор, під час зміни зазору неперервно із заданим часовим інтервалом вимірюють амплітуду й фазу сформованого сумарного сигналу вихрострумового перетворювача і сигналу компенсації і, у момент, коли його амплітуда становить задане опорне значення, фіксують значення фази цього сигналу; і за зазначеною функціональною залежністю визначають питому електропровідність матеріалу контрольованого об'єкта. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що встановлюють вихрострумовий перетворювач на контрольному зразку із номінальним значенням питомої електропровідності та зазору в заданих діапазонах їх зміни, вимірюють амплітуду сформованого сумарного сигналу і значення цієї амплітуди приймають за задане опорне значення амплітуди. 3. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що вимірюють амплітуду і фазу сформованого сумарного сигналу із часовим інтервалом, який задають меншим інтервалу часу, за який фаза сформованого сумарного сигналу під час зміни зазору при переміщенні вихрострумового перетворювача змінюється на величину, що задовольняє заданій точності вимірювань питомої електропровідності. 4. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що під час процедури калібрування встановлюють вихрострумовий перетворювач по черзі на контрольні зразки із відомими різними значеннями питомої електропровідності у заданому діапазоні вимірювань, змінюють зазор між вихрострумовим перетворювачем і поверхнею зразка у заданому діапазоні зміни зазору, вимірюють амплітуду й фазу сформованого сумарного сигналу і, коли його амплітуда становить задане опорне значення, фіксують значення фази сформованого сумарного сигналу; за даними калібрування формують числовий масив значень питомої електропровідності зразків та відповідних до них зафіксованих значень фази сформованого сумарного сигналу. 5. Спосіб за п. 4, який відрізняється тим, що із використанням зазначеного числового масиву значень питомої електропровідності зразків та відповідних до них зафіксованих значень фази сформованого сумарного сигналу шляхом застосування методів апроксимації числових функцій будують нелінійну функціональну залежність питомої електропровідності від зафіксованого значення фази сформованого сумарного сигналу, і за цією залежністю під час контролю визначають питому електропровідність матеріалу контрольованого об'єкта. 4 UA 103657 C2 Комп’ютерна верстка І. Мироненко 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 5