Спосіб вихрострумового вимірювання питомої електропровідності немагнітних матеріалів із відлаштуванням від впливу зазору

Реферат: Винахід належить до методів вихрострумового контролю виробів із немагнітних матеріалів і може знайти застосування для безконтактного визначення питомої електропровідності конструкційних матеріалів. При реалізації вихрострумового способу вимірювання питомої електропровідності немагнітних матеріалів із відлаштуванням від впливу зазору за допомогою вихрострумового перетворювача збуджують в матеріалі об'єкта контролю вихрові струми заданої робочої частоти; попередньо формують інформаційний сигнал шляхом додавання до вихідного сигналу вихрострумового перетворювача сигналу компенсації; розміщують вихрострумовий перетворювач в зоні контролю і вимірюють амплітуду та ортогональні компоненти інформаційного сигналу при заданій наперед фазі опорного сигналу, значення яких використовують при визначенні питомої електропровідності матеріалу об'єкта контролю. При цьому під час контролю змінюють зазор між вихрострумовим перетворювачем і поверхнею об'єкта контролю. В процесі зміни зазору неперервно вимірюють амплітуду і ортогональні компоненти інформаційного сигналу. Фіксують значення квадратурної компоненти інформаційного сигналу тоді, коли його амплітуда становить наперед задане опорне значення, а синфазна компонента є додатною, і за цим значенням квадратурної компоненти визначають питому електропровідність матеріалу об'єкта контролю. Спосіб дозволяє розширити діапазон відстроювання від зміни зазору між вихрострумовим перетворювачем і поверхнею об'єкта контролю і забезпечує усунення похибки вимірювання питомої електропровідності матеріалу контрольованого об'єкта. UA 104937 C2 (12) UA 104937 C2 UA 104937 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до вихрострумового контролю виробів із неферомагнітних електропровідних матеріалів і може знайти застосування для безконтактного визначення питомої електропровідності конструкційних матеріалів під час неруйнівного контролю виробів в машинобудуванні, авіації, на транспорті тощо. Відомий вихрострумовий метод фазових вимірювань питомої електричної провідності матеріалу контрольованого об'єкта [1]. За цим методом частково відлаштовуються від нелінійного впливу зазору між вихрострумовим перетворювачем і контрольованим об'єктом, який обумовлює похибку контролю, шляхом так званої "лінеаризації" функції впливу зазору в деякому діапазоні його зміни. Для цього до сигналу відгуку вихрострумового перетворювача векторно додають сигнал компенсації і вимірюють фазовий кут сумарного сигналу, за яким визначають питому електричну провідність. 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 обмежений діапазон відлаштування від впливу зміни зазору, що призводить до значної додаткової похибки у випадках, коли зазор між вихрострумовим перетворювачем і об'єктом контролю невизначений. Відомий спосіб електромагнітного контролю [3], за яким сигнал вихрострумового перетворювача компенсують до попадання в центр гомотетії годографів сигналу, залежного від зміни параметру, вплив якого заглушують. Визначають амплітуду і фазу сумарного сигналу і будують залежність амплітуди від фази вихідного сигналу при номінальній величині контрольованого параметра і зміні параметра, який заглушують. Цю залежність використовують для визначення параметра, що контролюють. Недоліком зазначеного способу є низька точність вимірювань через недостатнє відлаштування від параметра, вплив якого заглушують (в основному, це зазор). Годографи сигналу вихрострумових перетворювачів нелінійні і взаємозалежні від параметрів контрольованого об'єкта, тому їх можна вважати гомотетичними тільки наближено. Найбільш досконалим щодо відлаштування від впливу зазору є відомий спосіб вимірювання електропровідності немагнітних матеріалів [4], при якому за допомогою обмотки вихрострумового перетворювача збуджують в матеріалі об'єкта контролю вихрові струми заданої робочої частоти, формують інформаційний сигнал, для чого до вихідного сигналу вихрострумового перетворювача додають сигнал компенсації, вимірюють характеристики інформаційного сигналу, значення яких використовують для визначення питомої електропровідності матеріалу об'єкта контролю. Цей спосіб дозволяє зменшити похибку вимірювання, обумовлену впливом зазору, шляхом корекції сигналу компенсації, який додають до сигналу відгуку вихрострумового перетворювача, щоб сформувати інформаційний сигнал. Для цього попередньо будують функцію поправки сигналу компенсації. Недоліком зазначеного способу є складність налаштування при побудові функції поправки сигналу компенсації, що обмежує можливість зменшення додаткової похибки вимірювань питомої електропровідності від впливу зазору в широкому діапазоні його змін. Задачею запропонованого способу є підвищення точності і достовірності контролю за рахунок усунення виливу зміни зазору між вихрострумовим перетворювачем і поверхнею об'єкта контролю на результат вимірювання питомої електричної провідності матеріалу контрольованого об'єкта. Зазначена задача вирішується тим, що у запропонованому вихрострумовому способі вимірювання питомої електропровідності немагнітних матеріалів із відлаштуванням від впливу зазору за допомогою обмотки вихрострумового перетворювача збуджують в матеріалі об'єкта контролю вихрові струми заданої робочої частоти, формують інформаційний сигнал, для чого до вихідного сигналу вихрострумового перетворювача додають сигнал компенсації і вимірюють характеристики інформаційного сигналу відносно заданого опорного 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 і в процесі переміщення вихрострумового перетворювача неперервно вимірюють поточні значення амплітуди і відповідних ортогональних компонент інформаційного сигналу відносно заданого опорного сигналу. Фіксують поточне значення ортогональних компонент інформаційного сигналу тоді, коли амплітуда інформаційного сигналу становить задане опорне значення, а його синфазна відносно опорного 1 UA 104937 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 сигналу компонента є додатною. За зафіксованим значенням квадратурної компоненти інформаційного сигналу визначають питому електропровідність матеріалу об'єкта контролю. Для реалізації способу попередньо формують сигнал компенсації, для чого встановлюють вихрострумовий перетворювач на зразок із середнім значенням питомої електропровідності в заданому діапазоні вимірювань при максимальному значенні зазору в заданому діапазоні його можливих змін, і до вихідного сигналу вихрострумового перетворювача додають сигнал компенсації такий, щоб сумарний сигнал дорівнював нулю. Після цього формують опорний сигнал шляхом встановлення вихрострумового перетворювача на зразок із середнім значенням питомої електропровідності в діапазоні вимірювань при середньому значенні зазору до поверхні зразка у заданому діапазоні його можливих змін. При цьому визначають амплітуду і фазу одержаного інформаційного сигналу, приймають значення амплітуди цього сигналу за опорне значення амплітуди, яке використовують для визначення моменту фіксації ортогональних компонент інформаційного сигналу, а значення його фази приймають за значення фази опорного сигналу, яку використовують для визначення синфазної з опорним сигналом і квадратурної до нього компонент інформаційного сигналу. Для проведення процедури калібрування встановлюють вихрострумовий перетворювач на кожний із N зразків із комплекту зразків з різними значеннями питомої електропровідності в заданому діапазоні вимірювань. Змінюють зазор між вихрострумовим перетворювачем і поверхнею зразка в діапазоні його можливих змін. Під час зміни зазору вимірюють поточні значення амплітуди і ортогональних компонент одержаного інформаційного сигналу і в момент, коли амплітуда інформаційного сигналу становить задане опорне значення, а його синфазна компонента є додатною, фіксують значення квадратурної компоненти інформаційного сигналу. За результатами вимірювань на комплекті зразків будують числовий масив із N пар значень "питома електропровідність зразка - зафіксоване значення квадратурної компоненти інформаційного сигналу", який використовують під час визначення питомої електропровідності матеріалу об'єкта контролю. За числовим масивом N пар значень "питома електропровідність зразка - зафіксоване значення квадратурної компоненти інформаційного сигналу" можна побудувати функціональну залежність, яку використовують для визначення питомої електропровідності матеріалу об'єкта контролю. На фіг. 1 зображено узагальнену функціональну схему пристрою для реалізації запропонованого способу вимірювання питомої електропровідності СУ із відлаштуванням від впливу зазору. На фіг. 2 у комплексній площині внесеної напруги Uв н зображено фрагмент сім'ї годографів сигналу відгуку вихрострумового перетворювача при зміні питомої електропровідності матеріалу об'єкта контролю σ в заданому діапазоні вимірювань і зміні зазору h в заданому діапазоні його можливих змін та векторні перетворення сигналу для реалізації запропонованого способу. Узагальнена функціональна схема пристрою (фіг. 1) для реалізації запропонованого способу складається з генератора 1 синусоїдальних коливань, вихрострумового перетворювача 2, модуля обробки сигналу 3 і індикатора 4. Вихід вихрострумового перетворювача 2 через модуль обробки сигналу 3 з'єднаний з індикатором 4. При цьому, модуль обробки сигналу 3 містить блок аналогових перетворень сигналу, блок аналого-цифрових перетворювачів і мікрокомп'ютер. Розглянемо процедуру реалізації запропонованого способу на прикладі вимірювання питомої електропровідності σ алюмінієвих сплавів із відстроюванням від впливу зміни зазору h між вихрострумовим перетворювачем і поверхнею об'єкта контролю в заданому діапазоні до 3,0 мм. Для реалізації способу використовують комплект стандартних зразків з питомою електропровідністю від 14,1 до 37,0 МСм/м, що відповідає діапазону значень питомої електропровідності основних конструктивних алюмінієвих сплавів. За допомогою генератора 1 синусоїдальних коливань і обмотки збудження вихрострумового перетворювача 2 в об'єкті контролю створюють вихрові струми. В результаті взаємодії з об'єктом контролю на виході вихрострумового перетворювача формується сигнал відгуку, пропорційний внесеній напрузі Uв н , який залежить від питомої електропровідності матеріалу об'єкта контролю і зазору. Попередньо проводять процедуру налаштування пристрою, яка полягає у заданні умов формування інформаційного сигналу шляхом проведення операції компенсації; формуванні характеристик опорного сигналу та калібруванні пристрою шляхом побудови функціональної залежності питомої електропровідності від вибраної характеристики інформаційного сигналу. 2 UA 104937 C2 5 10 15 20 Розглянемо випадок, коли вихрострумовий перетворювач 2 містить компенсаційну обмотку і є добре збалансованим. При розташуванні "в повітрі" поза об'єктом контролю сигнал на його виході дорівнює нулю, що відповідає точці O1 в комплексній площині сигналу внесеної напруги Uв н на фіг. 2. Далі вихрострумовий перетворювач 2 встановлюють на контрольному зразку зі значенням питомої електропровідності в середній частині діапазону вимірювань (наприклад 20,0 МСм/м), з максимальним зазором hmаx=3,0 мм, для чого використовують відповідної товщини діелектричну прокладку. До вихідного сигналу вихрострумового перетворювача 2, який в результаті взаємодії з об'єктом контролю дорівнює внесеній напрузі (вектор O1O2 на фіг. 2), в модулі обробки сигналу 3 додають сигнал компенсації, який встановлюють таким, щоб сумарний сигнал дорівнював нулю. Тепер всі подальші вимірювання характеристик сумарного сигналу будуть проводитись відносно точки O2 (фіг. 2) в новій системі координат. Таким чином, при розміщенні вихрострумового перетворювача 2 на об'єкті контролю буде сформований вектор інформаційного сигналу з початком у точці O2 і кінцем в області внесених напруг, що відображена сім'єю годографів на фіг. 2 і визначається діапазоном зміни питомої електропровідності об'єкта контролю і зазору. Зауважимо при цьому, що при переведенні початку вектора інформаційного сигналу в точку O2 пової системі координат ( Re Uінф , Im Uінф ,) принципово, а саме - у рази зростає чутливість контролю у порівнянні з відомими фазовими    способами вимірювання питомої електропровідності   . Далі вихрострумовий перетворювач 2 встановлюють на тому ж контрольному зразку з питомою електропровідністю 20 МСм/м із зазором, близьким до середини діапазону можливих змін зазору (в нашому прикладі 1,5 мм). При цьому одержують опорний сигнал Uоп (вектор 25 O2 А ), значення амплітуди ModU оп і фазового кута  якого запам'ятовують і приймають за опорні при вимірюванні характеристик інформаційного сигналу в повій системі координат ( Re Uінф , Im Uінф ). Для вимірювань ортогональних компонент інформаційного сигналу формують 30 управляючий сигнал із фазовим кутом  . Для проведення калібрування встановлюють вихрострумовий перетворювач 2 послідовно на кожному з N зразків із комплекту зразків із відомими значеннями питомої електропровідності у заданому діапазоні вимірювань і змінюють зазор між вихрострумовим перетворювачем і поверхнею зразка. В процесі зміни зазору неперервно вимірюють модуль ModU інф , синфазну Re Uінф , та квадратурну Im Uінф компоненти інформаційного сигналу. Коли під час зміни зазору амплітуда інформаційного сигналу становить наперед задане * * опорне значення ModUінф  ModUоп , а синфазна компонента є додатною ReUінф  0 , фіксують (запам'ятовують в модулі 3) значення квадратурної компоненти інформаційного сигналу 35 40 45 50 * Im Uінф  ModUоп  sin*  C  sin* . За результатами цих вимірювань в модулі обробки сигналу 3 формують числовий масив із N пар значень "питома електропровідність зразка - зафіксоване значення квадратурної компоненти інформаційного сигналу". За числовим масивом N пар значень "питома електропровідність зразка - зафіксоване значення квадратурної компоненти інформаційного сигналу" за відомими методами   * апроксимації знаходять функціональну залежність   f Im Uінф , яку використовують для визначення питомої електропровідності матеріалу об'єкта контролю. Під час контролю питомої електропровідності вихрострумовий перетворювач переміщують нормально відносно контрольованої поверхні і неперервно вимірюють амплітуду і квадратурні компоненти інформаційного сигналу. Переміщення вихрострумового перетворювача може виконуватись вручну оператором-контролером або з використанням спеціальних пристроїв. До початку контролю вихрострумовий перетворювач віддалений від контрольованого об'єкта і сигнал відгуку на його виході дорівнює нулю. З наближенням до поверхні контрольованого об'єкта сигнал відгуку вихрострумового перетворювача зростає. При цьому синфазна складова сумарного сигналу має від'ємне значення (фіг. 2). Коли зазор між вихрострумовим перетворювачем і поверхнею контрольованого об'єкта стає меншим від максимального значення h=3 мм вектор інформаційного сигналу переміщується в задану область зміни питомої електропровідності і зазору (відображена сім'єю годографів на фіг. 2), а синфазна складова * інформаційного сигналу переміщується в область додатних значень ReUінф  0 . Покладемо, 3 UA 104937 C2 приміром, що питома електропровідність контрольованого об'єкта дорівнює максимальному значенню =37,0 МСм/м. Тоді при наближенні вихрострумового перетворювача до поверхні контрольованого об'єкта вектор інформаційного сигналу переміщується по верхній пунктирній кривій з сім'ї годографів на фіг. 2. Коли амплітуда цього сигналу стане рівною наперед заданому 5 * опорному значенню ModUінф  ModUоп (точка Bi*0 на фіг. 2) в модулі обробки сигналу 3 фіксують і запам'ятовують поточне значення квадратурної компоненти інформаційного сигналу * Im Uінф (вектор O 2Bi* на фіг. 2). Таким чином, в результаті реалізації запропонованого способу значення питомої електропровідності, що спроектоване на вісь Im Uінф . квадратурної компоненти інформаційного сигналу, є відлаштованим від впливу зазору. В модулі обробки 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55   * сигналу 3 за функціональною залежністю   f Im Uінф визначають питому електропровідність контрольованого об'єкта. Запропонований спосіб забезпечує усунення похибки вимірювань питомої електропровідності матеріалу контрольованого об'єкта, обумовленої фактором нелінійного виливу зазору; за одночасного підвищення чутливості до зміни питомої електропровідності. Зазначені переваги обумовлюють підвищення точності і достовірності результатів контролю питомої електропровідності за запропонованим способом. Джерела інформації: 1. Неразрушающий контроль и диагностика: Справ. / Под ред. В.В. Клюева. - М.: Машиностроение, 1995. - 254 с. 2. А. с. 298880 СССР, МКИ G01N 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 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. Патент UA 98206 С2, МПК G01N 27/90. Спосіб вимірювання електропровідності немагнітних матеріалів / В.М. Учанін (UA). - № а201010467; Заявлено 30.08.2010; Опубл. 25.04.2012, Бюл. № 8. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 1. Спосіб вихрострумового вимірювання питомої електропровідності немагнітних матеріалів із відлаштуванням від впливу зазору, при якому за допомогою обмотки вихрострумового перетворювача збуджують в матеріалі об'єкта контролю вихрові струми заданої робочої частоти, формують інформаційний сигнал, для чого до вихідного сигналу вихрострумового перетворювача додають сигнал компенсації, вимірюють характеристики інформаційного сигналу, значення яких використовують для визначення питомої електропровідності матеріалу об'єкта контролю, який відрізняється тим, що шляхом переміщення вихрострумового перетворювача змінюють зазор між його робочою поверхнею і поверхнею об'єкта контролю, в процесі переміщення вихрострумового перетворювача неперервно вимірюють поточні значення амплітуди і відповідних ортогональних компонент інформаційного сигналу відносно заданого опорного сигналу, фіксують поточне значення ортогональних компонент інформаційного сигналу тоді, коли амплітуда інформаційного сигналу становить задане опорне значення, а його синфазна відносно опорного сигналу компонента є додатною, і за квадратурною компонентою інформаційного сигналу визначають питому електропровідність матеріалу об'єкта контролю. 2. Спосіб за п. 1, за яким попередньо для формування сигналу компенсації, встановлюють вихрострумовий перетворювач на зразок із середнім значенням питомої електропровідності матеріалу в заданому діапазоні вимірювань при максимальному значенні зазору в заданому діапазоні його можливих змін, і до вихідного сигналу вихрострумового перетворювача додають сигнал компенсації такий, щоб сумарний сигнал дорівнював нулю. 3. Спосіб за п. 1, за яким для формування характеристики опорного сигналу, встановлюють вихрострумовий перетворювач на зразок із середнім значенням питомої електропровідності матеріалу в заданому діапазоні вимірювань при середньому значенні зазору до поверхні зразка в заданому діапазоні його можливих змін, визначають амплітуду і фазу одержаного інформаційного сигналу, приймають значення амплітуди цього сигналу за опорне значення амплітуди, яку використовують для визначення моменту фіксації ортогональних компонент 4 UA 104937 C2 5 10 15 інформаційного сигналу, а значення фази приймають за значення фази опорного сигналу, який використовують для вимірювання синфазної і квадратурної компонент інформаційного сигналу. 4. Спосіб за п. 1, за яким проводять процедуру калібрування, для чого використовують комплект зразків із різними значеннями питомої електропровідності матеріалу, встановлюють вихрострумовий перетворювач на кожний із N зразків із комплекту зразків із різними значеннями питомої електропровідності матеріалу в заданому діапазоні вимірювань, змінюють зазор між вихрострумовим перетворювачем і поверхнею зразка в діапазоні його можливих змін, під час зміни зазору вимірюють амплітуду і ортогональні компоненти одержаного інформаційного сигналу, і тоді, коли амплітуда інформаційного сигналу становить задане опорне значення, а його синфазна компонента є додатною, фіксують значення квадратурної компоненти інформаційного сигналу; за результатами вимірювань на комплекті зразків будують числовий масив із N пар значень "питома електропровідність зразка - зафіксоване значення квадратурної компоненти інформаційного сигналу", який використовують під час визначення питомої електропровідності матеріалу об'єкта контролю. 5. Спосіб за п. 4, за яким за числовим масивом N пар значень "питома електропровідність зразка - зафіксоване значення квадратурної компоненти інформаційного сигналу" будують функціональну залежність, яку використовують для визначення питомої електропровідності матеріалу об'єкта контролю. 5 UA 104937 C2 Комп’ютерна верстка С. Чулій 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 6