Спосіб вимірювання електропровідності немагнітних матеріалів

Реферат: Винахід належить до неруйнівного вихрострумового контролю виробів із металевих неферомагнітних матеріалів і може знайти застосування для визначення питомої електропровідності конструкційних матеріалів у машинобудуванні, авіації тощо. За допомогою генератора синусоїдальних сигналів і обмотки збудження вихрострумового перетворювача збуджують первинне електромагнітне поле, балансують вихідний сигнал вихрострумового перетворювача шляхом додавання до нього сигналу компенсації, розміщують вихрострумовий перетворювач в зоні контролю і вимірюють фазу сумарного сигналу, за якою визначають електропровідність матеріалу об'єкта контролю. Спосіб дозволяє вимірювати електропровідність немагнітних матеріалів з відстроюванням від впливу зазору в широкому діапазоні. Це особливо важливо для контролю структурних змін виробів із алюмінієвих сплавів за необхідності проводити контроль через шар діелектричного (наприклад, лакофарбового) покриття невідомої товщини. UA 98206 C2 (12) UA 98206 C2 UA 98206 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Винахід належить до неруйнівного вихрострумового контролю виробів із металевих неферомагнітних матеріалів і може знайти застосування, зокрема, для визначення питомої електропровідності конструкційних матеріалів у машинобудуванні, авіації тощо. Відомий спосіб контролю немагнітних матеріалів, при якому на вихрострумовий перетворювач подають змінну напругу, переміщують його зворотно-поступально по нормалі до контрольованої поверхні і вимірюють амплітуду і фазу внесеної у вихрострумовий перетворювач напруги. 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 значення частоти, при якому амплітуда і фаза внесеної напруги зразка і контрольованого виробу є рівними [1]. Недоліком відомого способу є складність реалізації, так як він вимагає періодичної зміни частоти збудження вихрових струмів, а також вимірювання не тільки амплітуди і фази, а і частоти змінної напруги. Крім того, необхідність мати в складі пристрою для реалізації способу механізм зворотно-поступального переміщення обмежує можливості контролю важкодоступних місць через неможливість виконати блок вихрострумового перетворювача мініатюрним. Відомий вихрострумовий спосіб контролю питомого опору електропровідних виробів [2], при якому вихрострумовий перетворювач вводять у взаємодію з контрольованим об'єктом 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 (питомого опору або питомої електропровідності). Найбільш близьким до запропонованого способу є відомий спосіб електромагнітного контролю, який може бути використаний в тому числі для вимірювання електропровідності немагнітних матеріалів [3]. У відомому способі вихідний сигнал вихрострумового перетворювача компенсують до попадання робочої точки вихрострумового перетворювача в центр гомотетії годографів вихідного сигналу в залежності від зміни параметру, вплив якого заглушується (в нашому випадку - зміна зазору). Потім визначають залежність амплітуди від фази вихідного сигналу при номінальній величині контрольованого параметра і зміні параметра, що заглушується. Цю залежність використовують для визначення контрольованого параметра. Недоліком відомого способу є низька точність при вимірюванні питомої електропровідності в широкому діапазоні через недостатнє відстроювання від впливу зміни зазору в широкому діапазоні вимірювань. Відомий спосіб є складним при реалізації, так як у більшості випадків неможливо скомпенсувати вихідний сигнал таким чином, щоб робоча точка попала в центр гомотетії. Це пов'язано з тим, що годографи сигналу більшості відомих вихрострумових перетворювачів, які формуються при змінах електропровідності і зазору, є складними нелінійними функціями і, строго кажучи, не є гомотетичними [4, 5]. Гомотетичними їх можна вважати тільки наближено у вузькому діапазоні зміни параметрів. Задачею запропонованого способу є підвищення точності вимірювання електропровідності в широкому діапазоні за рахунок зменшення похибки від впливу зазору між вихрострумовим перетворювачем і поверхнею об'єкта контролю. Задача вирішується тим, що за допомогою генератора синусоїдальних сигналів і обмотки збудження вихрострумового перетворювача збуджують первинне електромагнітне поле,  50 балансують вихідний сигнал вихрострумового перетворювача Uвн шляхом додавання до нього сигналу компенсації, розміщують вихрострумовий перетворювач в зоні контролю і вимірюють фазу сумарного сигналу, за якою визначають електропровідність матеріалу об'єкта контролю. При цьому, перед встановленням вихрострумового перетворювача в зону контролю його спочатку розміщують в повітрі за межами зони впливу електропровідних об'єктів і балансують до нульового рівня для формування нульової точки відліку шляхом додавання до вихідного  55 сигналу вихрострумового перетворювача сигналу компенсації Uвн . Потім вихрострумовий перетворювач встановлюють на зразок з нижнім значенням електропровідності в діапазоні вимірювань. Збільшують зазор між поверхнею зразка з нижнім значенням електропровідності і поверхнею вихрострумового перетворювача на величину h . Переміщують точку відліку параметрів сумарного сигналу в точку Oн шляхом додавання до   сигналу компенсації U 0 сигналу U н , амплітуду якого вибирають такою, щоб фази сумарного 1 UA 98206 C2  сигналу при нульовому зазорі і зазорі h були рівними. Запам'ятовують амплітуду сигналу U н і відповідну фазу  н сумарного сигналу для зразка з нижнім значенням електропровідності 5 10 відносно точки відліку O н . Після цього вихрострумовий перетворювач встановлюють на зразок з верхнім значенням електропровідності в діапазоні вимірювань. Збільшують зазор між поверхнею зразка з верхнім значенням електропровідності і поверхнею вихрострумового перетворювача на величину h . Переміщують точку відліку параметрів сумарного сигналу в точку O в шляхом додавання до    сигналу компенсації U 0 сигналу U в , фаза якого є рівною фазі сигналу U н , а амплітуду якого вибирають такою, щоб фази сумарного сигналу при нульовому зазорі і зазорі h для зразка з  верхнім значенням електропровідності були рівними. Запам'ятовують амплітуду сигналу U в і фазу  в сумарного сигналу для зразка з верхнім значенням електропровідності відносно точки відліку O н . При встановленні вихрострумового перетворювача в зону контролю вимірюють фазу  к сумарного сигналу відносно точки відліку O н . Для кожного значення  к переміщують точку 15 відліку параметрів сумарного сигналу в точку O к шляхом додавання до сигналу компенсації U 0   сигналу U к , фаза якого є рівною фазі сигналу U н , а амплітуда визначається виразом Uк  Uн  ( U) , де   (к  н ) /(в  н ) , a U  Uв  Uн . Для визначення електропровідності в зоні контролю використовують фазу сумарного сигналу відносно точки відліку O к .  20 25 30 35 40 45 50 55 При цьому, фазу сигналу Uн можна вибрати відповідною уявній складовій вихідного сигналу вихрострумового перетворювача. Величину h зміни зазору можна вибирати рівною половині діапазону можливих змін зазору під час проведення контролю.  На фіг. 1 представлено годографи сигналу Uвн вихрострумового перетворювача при зміні електропровідності і зазору і схему реалізації запропонованого способу вимірювання електропровідності. На фіг. 2 зображено варіант структурної схеми приладу для реалізації способу. Структурна схема приладу, за допомогою якого можна реалізувати запропонований спосіб, складається з генератора 1 синусоїдальних коливань, вихід якого з'єднаний з обмоткою збудження вихрострумового перетворювача 2. Вихід вихрострумового перетворювача 2 через попередній підсилювач 3 і суматор 5 з'єднаний з першим входом керованого мультиплексора 6. Другий вхід суматора 5, з'єднаний з виходом керованого компенсатора 4, вхід якого з'єднаний з виходом генератора 1. Вихід генератора 1 через керований фазообертач 7 з'єднаний з другим входом мультиплексора 6. Вихід мультиплексора 6 з'єднаний з входом аналого-цифрового перетворювача 8, вихід якого з'єднаний з мікрокомп'ютером 9, цифровий вихід якого з'єднаний з індикатором 10. Виходи керування мікрокомп'ютера 9 з'єднані з входами керування компенсатора 4, мультиплексора 6, фазообертача 7 і аналого-цифрового перетворювача 8. Розглянемо реалізацію запропонованого способу на прикладі вимірювання електропровідності алюмінієвих сплавів. Для реалізації способу використовують зразки з питомою електропровідністю 14,0 і 37,1 МСм, що відповідають нижньому і верхньому значенням діапазону вимірювань. Зокрема, можуть бути використані стандартні зразки питомої електропровідності алюмінієвих сплавів Всеросійського інституту легких сплавів. За допомогою генератора 1 і обмотки збудження вихрострумового перетворювача 2 в об'єкті контролю (не показано) створюють вихрові струми, поле яких вимірюють за допомогою вимірювальної обмотки вихрострумового перетворювача 2. Вихідний сигнал вихрострумового перетворювача після підсилення попереднім підсилювачем 3 надходить через суматор 5 на перший вхід мультиплексора 6. На другий вхід суматора 5 надходить сигнал з виходу компенсатора 4, амплітуда і фаза якого керується мікрокомп'ютером 9. На другий вхід мультиплексора 6 надходить опорний сигнал з генератора 1, фаза якого змінюється керованим фазообертачем 7. Вимірюваний і опорний сигнали по черзі подаються на аналого-цифровий перетворювач 8, з виходу якого оцифровані дані надходять на мікрокомп'ютер 9 для подальшої обробки по заданих алгоритмах і представлення індикатором 10. Перед початком роботи вихрострумовий перетворювач розміщують в повітрі і його сигнал на  виході суматора балансують до нульового рівня шляхом подачі на суматор 5 сигналу U 0 , який рівний вихідному сигналу при розміщенні вихрострумового перетворювача в повітрі, але протилежний по фазі. Всі зміни сумарного сигналу на виході суматора 5 будуть відлічуватись 2 UA 98206 C2 5 10 15 20 від точки 0 (фіг. 1) і залежати тільки від параметрів вихрових струмів в об'єкті контролю, які в свою чергу залежать від електропровідності матеріалу і зазору. Цей етап обробки сигналу (початкову компенсацію в повітрі) проводять шляхом аналогового підсумовування в суматорі 5 за допомогою сигналу компенсатора, керованого мікрокомп'ютером 9. Це дозволяє виключити з обробки неінформативну частину сигналу вихрострумового перетворювача, що покращує точність оцифровування його інформативної частини без збільшення розрядності аналогоцифрового перетворювача. Керований фазообертач 7 використовують для встановлення початкового значення вимірюваної фази під час калібрування приладу. Подальша обробка сигналу буде проводитись алгоритмічним шляхом. Тепер розміщують вихрострумовий перетворювач на зразок (не показано) зі значенням питомої електропровідності 14,0 МСм/м. Оцифрований сигнал на виході суматора, який є сумою  вихідного сигналу вихрострумового перетворювача і сигналу компенсації U 0 , змінюють шляхом  додавання сигналу U н , що відповідає переносу точки відліку з точки 0 в точку O н . Амплітуда цього сигналу за алгоритмом вибирається такою, щоб точка O н знаходилась на прямій лінії, що з'єднує точки годографа, що відповідають електропровідності 14 МСм/м при нульовому зазорі і 0  зазорі h (точки  н і  h на фіг. 1). Амплітуда сигналу U н і фаза  н , що відповідає нахилу цієї н прямої лінії відносно осі реальної складової сигналу, запам'ятовуються (фіг. 1). Тепер розміщують вихрострумовий перетворювач на зразок (не показано) із значенням питомої електропровідності 37,1 МСм/м. Оцифрований сигнал на виході суматора, який є сумою  вихідного сигналу вихрострумового перетворювача і сигналу компенсації U 0 , змінюють шляхом  додавання сигналу U в , що відповідає переносу точки відліку з точки 0 в точку O в . Амплітуда цього сигналу за алгоритмом вибирається такою, щоб точка O в лежала на прямій лінії, що з'єднує точки годографа, що відповідають електропровідності 37,1 МСм/м при нульовому зазорі  і зазорі h (фіг. 1). Амплітуда сигналу U в і фаза  н відповідно осі відліку O н , що відповідає 25 30 0 нахилу лінії, що з'єднує робочу точку  в (з нульовим зазором) і точку O н , запам'ятовуються (фіг. 1).   Після цього попередні операції визначення параметрів ( Uн ; Uв ;  н і  в ), які є необхідними для подальшої реалізації алгоритму відстроювання від зазору при вимірюванні електропровідності, виконано. При проведенні контролю встановлюють вихрострумовий перетворювач в зону контролю з невідомою електропровідністю  і вимірюють фазу к сумарного сигналу відносно точки відліку O н Для кожного значення  к переміщують точку відліку параметрів сумарного сигналу в точку  O к шляхом алгоритмічного додавання до сигналу компенсації U0 сигналу Uк , фаза якого є  рівною фазі сигналу U , а амплітуда визначається виразом U  U  (U) , де к н 35 н   (к  н ) /(в  н ) , a U  Uв  Uн . Нагадаємо, що всі параметри, що входять у рівняння, було визначено при попередніх настроюваннях. Визначають фазу  сумарного сигналу відносно точки відліку O к , яку використовують для визначення електропровідності  (фіг. 1). При 40 45 50 використанні точки відліку O к похибка вимірювання електропровідності в широкому діапазоні і за умови зміни зазору суттєво зменшується. В іншому випадку відстроювання від зазору є можливим тільки у вузькому діапазоні зміни електропровідності або в крайніх точках діапазону вимірювання електропровідності.  При цьому, фазу сигналу Uн можна вибрати відповідною уявній складовій вихідного сигналу вихрострумового перетворювача, що спрощує реалізацію компенсатора 4 (фіг. 2). Величину h зміни зазору можна вибирати рівною половині діапазону можливих змін зазору під час проведення контролю. В цьому випадку загальна похибка при зміні зазору буде мінімальною, але мати різний знак в різних частинах діапазону змін зазору. Запропонований спосіб дозволяє побудувати процедуру вимірювання електропровідності немагнітних матеріалів, зокрема алюмінієвих сплавів, з покращеним відстроюванням від впливу зазору в широкому діапазоні вимірювання. Це особливо важливо для контролю структурних змін виробів із алюмінієвих сплавів за необхідності проводити контроль через шар діелектричного (наприклад, лакофарбового) покриття невідомої товщини. Джерела інформації: 3 UA 98206 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 1. А. с. 953545 СССР, МКИ G01N 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 G01N 27/04, G01R 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 G01N 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. 4. Соболев B.C., Шкарлет Ю.М. Накладные и экранные датчики. - Новосибирск: Наука. 1967. - 144 с. 5. Дякин В.В., Сандовский В.А. Теория и расчет накладных вихретоковых преобразователей. - М.: Наука, 1981. - 136 с. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 1. Спосіб вимірювання електропровідності немагнітних матеріалів, при якому за допомогою генератора синусоїдальних сигналів і обмотки збудження вихрострумового перетворювача збуджують первинне електромагнітне поле, балансують вихідний сигнал вихрострумового перетворювача шляхом додавання до нього сигналу компенсації, розміщують вихрострумовий перетворювач в зоні контролю, вимірюють фазу сумарного сигналу, за якою визначають електропровідність матеріалу об'єкта контролю, який відрізняється тим, що перед встановленням вихрострумового перетворювача в зону контролю його спочатку розміщують в повітрі за межами зони впливу електропровідних об'єктів і балансують до нульового рівня для формування нульової точки відліку шляхом додавання до вихідного сигналу вихрострумового  перетворювача сигналу компенсації U0 , потім встановлюють вихрострумовий перетворювач на зразок з нижнім значенням електропровідності в діапазоні вимірювань, збільшують зазор між поверхнею зразка з нижнім значенням електропровідності і поверхнею вихрострумового перетворювача на величину h , переміщують точку відліку параметрів сумарного сигналу в   точку Oн шляхом додавання до сигналу компенсації U0 сигналу Uн , амплітуду якого вибирають такою, щоб фази сумарного сигналу при нульовому зазорі і зазорі h були рівними,  запам'ятовують амплітуду сигналу Uн і відповідну фазу  н сумарного сигналу для зразка з нижнім значенням електропровідності відносно точки відліку Oн , після цього встановлюють вихрострумовий перетворювач на зразок з верхнім значенням електропровідності в діапазоні вимірювань, збільшують зазор між поверхнею зразка з верхнім значенням електропровідності і поверхнею вихрострумового перетворювача на величину h , переміщують точку відліку  параметрів сумарного сигналу в точку Oв шляхом додавання до сигналу компенсації U0   сигналу Uв , фаза якого є рівною фазі сигналу Uн , а амплітуду якого вибирають такою, щоб фази сумарного сигналу при нульовому зазорі і зазорі h для зразка з верхнім значенням  електропровідності були рівними, запам'ятовують амплітуду сигналу Uв і фазу  в сумарного сигналу для зразка з верхнім значенням електропровідності відносно точки відліку Oн , при встановленні вихрострумового перетворювача в зону контролю вимірюють фазу к сумарного сигналу відносно точки відліку Oн і для кожного значення к переміщують точку відліку параметрів сумарного сигналу в точку O к шляхом додавання до сигналу компенсації U0 45   сигналу Uк , фаза якого є рівною фазі сигналу Uн , а амплітуда визначається виразом Uк  Uн  (U) , де   (к  н ) /(в  н ) , a U  Uв  Uн . Для визначення електропровідності в зоні контролю використовують фазу сумарного сигналу відносно точки відліку O к . 50  2. Спосіб по п. 1, при якому фаза сигналу Uн відповідає уявній складовій вихідного сигналу вихрострумового перетворювача. 3. Спосіб по п. 1, при якому величина h зміни зазору вибирається рівною половині діапазону можливих змін зазору під час проведення контролю. 4 UA 98206 C2 Комп’ютерна верстка Л.Литвиненко 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