устройство для электромагнитного контроля перемещений изделия и электрофизических свойств его материала

Формула изобретения

Устройство для электромагнитного контроля перемещений изделия и электрофизических свойств его материала, содержащее двухчастотный генератор, коммутатор, накладной индуктивно-вихретоковый преобразователь, заключенный в электромагнитный корпус, и последовательно соединенные схему вычисления контролируемых параметров и регистратор, при этом выход коммутатора присоединен к входу преобразователя, связанного выходом с входом схемы вычисления, отличающееся тем, что в него введены блок фильтров и жесткая мембрана из материала, стойкого к воздействию на него внешних факторов типа агрессивных паров, жидкостей и электромагнитных полей, и выполнена толщиной, обеспечивающей с одной стороны защиту элементов преобразователя от воздействия на них внешних факторов, с другой - квазипрозрачность для собственных первичных электромагнитных полей, излучаемых преобразователем, и вторичных электромагнитных полей, возбуждаемых вихревыми токами преобразователя, при этом мембрана размещена со стороны чувствительно-информационного торца преобразователя и герметично присоединена образующей поверхностью к образующей торца корпуса преобразователя, а блок фильтров выполнен в виде двух фильтр-пробок, каждый из которых настроен на одну из несущих частот генератора и электрически соединен входами с выходами генератора, а выходами - с входами коммутатора.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, в частности к многопараметровому контролю перемещений изделий и электрофизических свойств их материалов, и предназначено для использования в агрессивных средах типа соляных и кислотных паров, жидкостей, воздействия внешних электромагнитных полей в технике отработки элементов космических аппаратов, лопаток энергосистем, деталей резервуаров атомной промышленности и др.

Известны технические решения, содержащие многочастотный генератор, вихретоковый преобразователь, эталонные образцы, схему считывания и регистратор, при этом число генерируемых частот генератора выбирают равным числу контролируемых параметров [Авторское свидетельство СССР №181364, G 01 n 27/86, 1966].

Недостатком известных решений является низкая избирательность, вследствие высокого уровня шумов, и вместе с этим точность контроля, обусловленные тем, что каждый измеряемый параметр выделяют с помощью аналоговых резонансных усилителей, что можно делать при строго линейной функции изменения измеряемого параметра, а указанная зависимость линейной практически не бывает.

Известны технические устройства, содержащие многочастотный генератор, накладной индуктивно-вихретоковый преобразователь физических величин, собранный на основе термостойких материалов типа глиноземной корундовой керамики, стеклоизоляционных материалов, например, для покрытий обмоточного провода типа ПМС, ПЭСК, ПНЭТ, ПЭТВ и др. [Справочник "НК и Диагностика". Под. ред. В.В.Клюева, - М.: Машиностроение. 1995. - с.269-337]

Указанные устройства не обеспечивают требуемую точность контроля физических параметров изделий при воздействии на их преобразователи агрессивных паров и жидкостей, внешних электромагнитных полей из-за незащищенности чувствительно-информационного узла (чувствительного торца) конструкции накладного преобразователя от таких воздействий.

Суть изобретения заключается в том, что в устройство, содержащее двухчастотный генератор, коммутатор, накладной индуктивно-вихретоковый преобразователь, заключенный в электромагнитный корпус, и последовательно соединенные схему вычисления контролируемых параметров и регистратор, при этом выход коммутатора присоединен к входу преобразователя, связанного с входом схемы вычисления, введены блок фильтров и жесткая мембрана из материала, стойкого к воздействию на него внешних факторов типа агрессивных паров, жидкостей и электромагнитных полей, и выполнена толщиной, обеспечивающей с одной стороны защиту элементов преобразователя от воздействия на них внешних факторов, с другой - квазипрозрачность для собственных первичных электромагнитных полей, излучаемых преобразователем, и вторичных электромагнитных полей, возбуждаемых вихревыми токами преобразователя, при этом мембрана размещена со стороны чувствительно-информационного торца преобразователя и герметично присоединена образующей поверхностью к образующей торца корпуса преобразователя, а блок фильтров выполнен в виде двух фильтр-пробок, каждый из которых настроен на одну из несущих частот генератора и электрически соединен входами с выходами генератора, а выходами с входами коммутатора.

Техническим преимуществом заявленного изобретения является то, что устройство обладает высокостабильными точностью и достоверностью контроля параметров изделия в условиях воздействия внешних электромагнитных полей, агрессивных паров и жидкостей в сравнении с известными.

На чертеже показана блок-схема устройства, которая содержит последовательно соединенные двухчастотный генератор 1, блок фильтров 2, коммутатор 3, накладной индуктивно-вихретоковый преобразователь 4, схему 5 вычисления контролируемых параметров и регистратор 6.

Двухчастотный генератор 1 генерирует две частоты, отличающиеся друг от друга не менее чем в пять раз для устранения взаимовлияния собственных электромагнитных полей, индуктируемых чувствительными элементами (катушками индуктивности) индуктивно-вихретокового преобразователя 4. Две разные по значению частоты предназначены для одновременного измерения перемещений изделия и одного из электрофизических параметров: либо электрической проводимости, в случае неферромагнитного материала, так как его относительная магнитная проницаемость равна единице, либо магнитной проницаемости материла контролируемого изделия, в случае ферромагнитного материала, когда магнитная проницаемость на порядки больше величины электрической проводимости.

Элементы конструкции вихретокового преобразователя 4 (на чертеже не показаны) выполнены из температуро- и агрессивностойких материалов, например, каркас, несущий катушки индуктивности, изготовлен из глиноземной керамики типа 22XС, токопроводящий провод катушек индуктивности выбран типа ПНЭТ-ИМИД, состоящий из медной жилы с 6-ти мкм никелевым плакирующим слоем и жаростойким изоляционным покрытием, корпус преобразователя выполнен из нержавеющей стали, например из титанового сплава. Со стороны чувствительно-информационного торца преобразователь 4 снабжен жестким, т.е. не прогибаемым защитным элементом (мембраной), выполненным также из нержавеющей стали, жестко и герметично присоединенным своим образующим контуром к торцу корпуса преобразователя 4. Толщина защитного элемента выполнена исходя из условий: с одной стороны - достаточного для обеспечения надежности функционирования преобразователя 4 в агрессивных средах, в том числе при наличии внешних электромагнитных полей, с другой прозрачности для электромагнитных полей, излучаемых чувствительными элементами преобразователя 4 при их возбуждении частотами генератора 1. Другими словами толщина защитной мембраны и ее электрическая проводимость выбраны такими, чтобы первичные электромагнитные поля и, наведенные вихревыми токами в материале контролируемого изделия, вторичные электромагнитные поля легко проникали сквозь толщину материала защитной мембраны. В этом случае безусловно несколько теряется чувствительность преобразователя 4, за счет ослабления (потери) вихревых токов в материале токопроводящей защитной мембраны, но зато надежность, точность и достоверность контроля устройства остаются на весь период ресурса преобразователя 4 независимыми (стабильными) от воздействия на преобразователь 4 внешних дестабилизирующих факторов. Чувствительность технически легко восстанавливается или повышается при линеаризованном усилении информационных сигналов преобразователя 4 дополнительными средствами. Свойства материала и геометрические размеры защитной мембраны, рекомендуемой заявителем, в заданных условиях эксплуатации устройства практически не меняются.

Величины несущих частот генератора 1 выбираются из условий исходной задачи контроля, а в зависимости от значений несущих частот назначается толщина защитного элемента и габариты преобразователя 4. В наших конкретных опытах несущие частоты заявляемого устройства при контроле биения лопаток из дюралюминиевого или титанового сплава с относительной магнитной проницаемостью, равной единице, была в диапазоне 300...1500 кГц. В этих случаях каждый из чувствительных элементов преобразователя 4 был включен параллельно или последовательно с независимыми конденсаторами, совместно образующими с чувствительными элементами два независимых колебательных контура, настроенных в отдельности в резонанс для лучшей избирательности и метрологии.

Блок фильтров 2 выполнен, например, из двух индуктивных дросселей, подключенных к другим конденсаторам, образующим совместно с дросселями узкополосные фильтр-пробки, настроенные в резонанс частот, на которые настроены колебательные контура чувствительных элементов преобразователя 4. Фильтр-пробки обеспечивают проход только частотам, на которые настроены колебательные контура преобразователя 4. Каждый из фильтр-пробок пропускает на чувствительные элементы преобразователя 4 только свою из двух несущих частот генератора 1.

Коммутатор 3 предназначен для поочередного подключения выходов коммутатора 3 к входам преобразователя 4 с частотой переключения не менее чем на порядок меньше нижней частоты колебательного контура преобразователя 4, что собственно обеспечивает независимый контроль разных параметров изделия.

Схема 5 вычисления представляет собой, например, процессор, преобразующий аналоговые электрические сигналы преобразователя 4 в раздельные цифровые физические величины (перемещение токопроводящего изделия относительно преобразователя 4 и электропроводимость или магнитную проницаемость его материала), а также выполняет другие функции, предписанные процессору: содержит программу обработки данных, обеспечивает их вычисление, запоминание, воспроизведение на регистраторе 6, в качестве которого может быть монитор.

Техническим преимуществом заявленного изобретения является то, что устройство обладает стабильными точностью и достоверностью контроля параметров изделия в условиях воздействия внешних электромагнитных полей, агрессивных паров и жидкостей в сравнении с известными.

Работа устройства.

Две генерируемые генератором 1 разные по значению несущие частоты с присущими посторонними частотными шумами генератора 1 поступают на блок 2 фильтров. Каждая из несущих частот генератора 1 в блоке 2 фильтруется "очищается" от посторонних помех и шумов и поступает на коммутатор 3, который обеспечивает поочередное подключение фильтр-пробок блока 2 к независимым входам преобразователя 4. Вихревые токи колебательных контуров преобразователя 4, проникая через защитную мембрану, достигают поверхность контролируемого изделия и возбуждают в его материале вторичные электромагнитные поля, которые взаимодействуют с первичными электромагнитными полями чувствительных элементов преобразователя 4. По степени изменения этих взаимодействий судят об изменении физических параметров (геометрического перемещения, электропроводности материала) изделия. Причем первый, например, из чувствительных элементов преобразователя 4 обеспечивает контроль перемещения (зазора между преобразователем и изделием), второй из чувствительных элементов - для контроля электромагнитного параметра - для ферромагнитного материала - электромагнитную проницаемость, для неферромагнитного материала - электрическую проводимость.

Эти изменения фиксируются и запоминаются в схеме обработки 5, а текущие значения измеряемых параметров воспроизводятся на регистраторе 6.

Техническим преимуществом заявленного изобретения является то, что устройство обладает высокими и стабильными точностью и достоверностью контроля параметров изделия в условиях воздействия внешних электромагнитных полей, агрессивных паров и жидкостей на преобразователь 4 в сравнении с известными.