способ выявления газонасыщенных слоев на титановых сплавах и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ выявления газонасыщенных слоев на титановых сплавах, заключающийся в том, что устанавливают вихретоковый преобразователь на полированную поверхность образца, измеряют параметры выходного сигнала вихретокового преобразователя, покачивают вихретоковый преобразователь и фиксируют экстремум выходного сигнала по индикатору, проводят аналогичные операции на контролируемом участке изделия и используют зафиксированный экстремум для выявления газонасыщенных слоев, отличающийся тем, что значение частоты напряжения возбуждения устанавливают меньше 20 МГц, включают вихретоковый преобразователь в последовательный колебательный контур с регулируемой емкостью, детектируют, усиливают выходное напряжение контура U_вых и подают его на индикатор, устанавливают коэффициент усиления усилителя достаточным для выявления газонасыщенных слоев, подбирают емкость C₁ из условия: _к = var, U_к = const при поочередном влиянии различных значений электропроводности образцов, где _к - фаза выходного напряжения контура, U_к - амплитуда выходного напряжения контура, устанавливают показания индикатора на нуль, размещают между полированной поверхностью образца и вихретоковым преобразователем диэлектрическую прокладку и фиксируют показания P₁ индикатора, размещают между торцом вихретокового преобразователя и образцами с различными значениями электропроводности фольгу, подбирают емкость конденсатора C₂ из условия f_к = var, U_к = const, устанавливают нуль индикатора, размещают между фольгой и торцом вихретокового преобразователя выбранную диэлектрическую прокладку и фиксируют показания индикатора P₂, подбирают коэффициент усиления усилителя, при котором P₁ = P₂, размещают фольгу на контролируемом участке и деформируют ее, придавая ей форму поверхности контролируемого участка, устанавливают вихретоковый преобразователь на деформированную фольгу и фиксируют показания индикатора P₃, определяют показания индикатора P₄ при установке вихретокового преобразователя на контролируемом участке и подключении к колебательному контуру конденсатора емкостью C₁, определяют разность P₄ - P₃ и по ней судят о наличии дефектов на контролируемом участке.

2. Устройство для выявления газонасыщенных слоев на титановых сплавах, содержащее генератор синусоидального напряжения, последовательный колебательный контур, образованный первым переменным резистором, первым переменным конденсатором и вихретоковым преобразователем, амплитудный детектор, индикатор, отличающееся тем, что в него введены разделительный трансформатор, двойной переключатель, второй переменный конденсатор, первая и вторая схемы установки нуля, модуляционный усилитель, второй и третий переменные резисторы, переключатель, причем первая обмотка разделительного трансформатора подсоединена параллельно к первому переменному резистору, выводы первого переменного конденсатора подсоединены по одному к второму и пятому контактам двойного переключателя, выводы второго переменного конденсатора подключены по одному к третьему и шестому контактам двойного переключателя, второй и третий контакты двойного переключателя могут подключаться поочередно к первому его контакту, соединенному с одним концом параллельно соединенных первого переменного резистора и первичной обмотки разделительного трансформатора, другой конец которых соединен с выходом генератора синусоидального напряжения, одновременно и соответственно с поочередным подключением второго и третьего контактов двойного переключателя к первому его контакту, пятый и шестой контакты двойного переключателя могут подключаться поочередно к четвертому его контакту, соединенному с одним концом вихретокового преобразователя, подключенному другим концом обмотки к корпусу, вход амплитудного детектора соединен с одним концом вторичной обмотки разделительного трансформатора, другой конец которой подключен к корпусу, амплитудный детектор, первая схема установки нуля, модуляционный усилитель, вторая схема установки нуля и индикатор соединены последовательно, модуляционный усилитель имеет два резистора регулировки коэффициента усиления, второй и третий переменные резисторы, два конца которых соединены вместе и подключены к точке схемы модуляционного усилителя, к которой должен подключаться один конец резистора регулировки коэффициента усиления модуляционного усилителя, два других конца второго и третьего переменных резисторов подсоединены по одному соответственно к второму и третьему контактам переключателя, которые могут подключаться поочередно к первому его контакту, соединенному с точкой схемы модуляционного усилителя, к которой подключен другой конец резистора регулировки коэффициента усиления модуляционного усилителя.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области неразрушающего контроля, в частности к способу выявления газонасыщенных слоев ( -слоев) на титиановых сплавах.

Известны двухчастотный двухпараметровый способ вихретокового контроля и вихретоковый дефектоскоп, реализующий этот способ, применяемые для выявления поверхностных и подповерхностных дефектов с отстройкой от влияний зазора и электропроводимости [1].

Недостатком известных способа и дефектоскопа является не очень большой диапазон отстройки от влияния изменения электропроводности бездефектных участков контролируемого изделия вследствие того, что отстройка от электропроводности осуществляется двухчастотным методом и обязательным условием этой отстройки является пропорциональность изменений электропроводности на обеих частотах. В действительности для достаточно больших изменений электропроводности они не являются пропорциональными, что следует из годографа вносимого сопротивления вихретокового преобразователя (ВТП), расположенного над немагнитном полупространством [2, с. 19].

Наиболее близким изобретению является способ выявления -слоев на титановых сплавах, заключающийся в том, что устанавливают ВТП на полированную поверхность образца, частоту напряжения возбуждения ВТП устанавливают равной нескольким сотням МГц, покачивают ВТП и фиксируют экстремум выходного сигнала по индикатору, проводят аналогичные операции на контролируемом участке изделия и используют зафиксированный экстремум для выявления -слоев [3].

Недостатком способа является отсутствие отстроек от изменений электропроводности бездефектных участков контролируемого изделия и от шероховатости и неровностей контролируемого изделия, а также, вследствие большого значения частоты, влияния на показания индикатора изменений распределенных емкостей между проводом, подводимым к датчику, и корпусом.

Наиболее близким изобретению является также устройство вихретокового контроля, содержащее генератор синусоидального напряжения, рабочий и компенсационный последовательные контуры, каждый из которых содержит соответственно рабочий и компенсационный вихретоковые преобразователи, два амплитудных детектора, дифференцированный усилитель, индикатор. Устройство применяется для двухпараметрового контроля электропроводящих изделий [4, с. 132-133].

Недостатком устройства является наличие отстройки только от одного мешающего фактора.

Целью изобретения является отстройка от влияния изменений электропроводности бездефектных участков и шероховатости и неровностей поверхности контролируемого изделия при выявлении -слоев на титановых сплавах и устранение влияния распределенных емкостей на показания индикатора.

Поставленная цель достигается тем, что способ выявления газонасыщенных слоев на титановых сплавах, заключающийся в том, что устанавливают ВТП, покачивают ВТП и фиксируют экстремум выходного сигнала по индикатору, проводят аналогичные операции на контролируемом участке изделия и используют зафиксированный экстремум для выявления газонасыщенных слоев, дополнен тем, что значение частоты напряжения возбуждения ВТП устанавливают меньше 20 МГц, включают ВТП в последовательный колебательный контур с регулируемой емкостью, детектируют, усиливают выходное напряжение контура U_вых и подают его на индикатор, устанавливают коэффициент усиления усилителя достаточным для выявления газонасыщенных слоев, подбирают емкость C₁ из условия: _к = var, U_k= const при поочередном влиянии различных значений электропроводности образцов, где _к - фаза выходного напряжения контура U_k - амплитуда выходного напряжения контура, устанавливают показания индикатора на нуль, размещают между полированной поверхностью образца и ВТП диэлектрическую прокладку толщиной 10-20 мкм и фиксируют показания P₁ индикатора, размещают между торцом ВТП и образцами с различными значениями электропроводности фольгу, подбирают емкость конденсатора C₂ из условия _к = var, U_k-const, устанавливают нуль индикатора, размещают между фольгой и торцом ВТП выбранную диэлектрическую прокладку и фиксируют показания индикатора P₂, подбирают коэффициент усиления усилителя, при котором P₁=P₂, размещают фольгу на контролируемом участке и деформируют ее, придавая ей форму поверхности контролируемого участка, устанавливают ВТП на дефорированную фольгу и фиксируют показания индикатора P₃, определяют показания индикатора P₄ при установке ВТП на контролируемом участке и подключении к колебательному контуру конденсатора емкостью C₁ определяют разность P₄-P₃ и по ней судят о наличии дефектов на контролируемом участке.

Поставленная цель достигается также тем, что в устройство для реализации способа, содержащее генератор синусоидального напряжения, последовательный колебательный контур, образованный первым переменным резистором, первым переменным конденсатором и вихретоковым преобразователем, амплитудный детектор и индикатор, добавлены разделительный трансформатор, двойной переключатель, второй переменный конденсатор, первая и вторая схемы установки нуля, модуляционный усилитель, второй и третий переменные резисторы, переключатель, причем первичная обмотка разделительного трансформатора подсоединена параллельно к первому переменному резистору, выводы первого переменного конденсатора подсоединены по одному ко второму и пятому контактам двойного переключателя, выводы второго переменного конденсатора подсоединены по одному к третьему и шестому контактам двойного переключателя, второй и третий контакты двойного переключателя могут подключаться поочередно к первому его контакту, соединенному с одним концом параллельно соединенных первого переменного резистора и первичной обмотки разделительного трансформатора, другой конец которых соединен с выходом генератора синусоидального напряжения, одновременно и соответственно с поочередным подключением второго и третьего контакта двойного переключателя к первому его контакту, пятый и шестой контакты двойного переключателя могут подключаться поочередно к четвертому его контакту, соединенному с одним концом вихретокового преобразователя, подключенным другим концом к корпусу, вход амплитудного детектора соединен с одним концом вторичной обмотки разделительного трансформатора, другой конец которой соединен с корпусом, амплитудный детектор, первая схема установки нуля, модуляционный усилитель, вторая схема установки нуля и индикатор соединены последовательно, модуляционный усилитель имеет два резистора регулировки коэффициента усиления: второй и третий переменные резисторы, два конца которых соединены вместе и подключены к точке схемы модуляции усилителя, к которой должен подключаться один конец резистора регулировки коэффициента усиления модуляционного усилителя, два других конца второго и третьего переменных резисторов подсоединены по одному соответственно ко второму и третьему контактам переключателя, которые могут подключаться поочередно к первому его контакту, соединенным с точкой схемы, к которой должен подключаться другой конец резистора регулировки коэффициента усиления модуляционного усилителя.

Сопоставление заявленных технических решений с прототипами показывает, что заявляемый способ отличается от известного тем, что значение частоты напряжения возбуждения вихретокового преобразователя устанавливают меньше 20 МГц, двухпараметровым методом отстраиваются от влияния изменений электропроводности бездефектных участков контролируемого изделия, отстройка от влияния шероховатости и неровности поверхности контролируемого изделия осуществляется измерением с помощью фольги сигнала от этого влияния и последующим вычитанием этого сигнала из сигнала от влияния контролируемого участка на ВТП.

Заявляемое устройство отличается от известного наличием новых элементов и блоков: разделительного трансформатора, двойного переключателя, второго переменного конденсатора, первой и второй схемами установки нуля, модуляционного усилителя, второго и третьего переменных резисторов, переключателя с их связями с остальными элементами и блоками устройства. Следовательно, заявляемые технические решения соответствуют критерию изобретения "новизна".

Сравнение заявляемых решений с другими техническими решениями показывает, что установление значения частоты напряжения возбуждения вихретокового преобразователя меньше 20 МГц, двухпараметровый метод, использование фольги по заявляемому способу, а также новые элементы, блоки и веденные связи позволили получить новые технические свойства: отстроиться от влияния изменений электропроводимости бездефектных участков и шероховатости поверхности контролируемого изделия. Следовательно, заявляемые технические решения соответствуют критерию изобретения "существенные отличия".

На фиг. 1 приведена структурная схема устройства для реализации способа; на фиг. 2 - пример выполнения устройства; на фиг. 3 - изображение комплексной плоскости приведенных напряжений последовательного колебательного контура; на фиг. 4 - изображение комплексной плоскости приведенных сопротивлений последовательного колебательного контура.

Заявляемый способ реализуется с помощью устройства, структурная схема которого приведена на фиг. 1. Устройство содержит задающий генератор 1, к выходу которого подключен вход последовательного колебательного контура, состоящего из первого переменного резистора 2, разделительного трансформатора 3, первого переменного конденсатора 5, второго переменного конденсатора 6, двойного переключателя 4, вихретокового преобразователя 7, причем первичная обмотка разделительного трансформатора 3 подсоединена параллельно к первому переменному резистору 2, выводы первого переменного конденсатора 5 подсоединены по одному ко второму и пятому контактам двойного переключателя 4, выводы второго переменного конденсатора 6 подключены по одному к третьему и шестому контактам двойного переключателя 4, второй и третий контакты двойного переключателя 4 могут поочередно подключаться к первому его контакту, соединенному с одним концом параллельно соединенных первого переменного резистора 2 и первичной обмотки разделительного трансформатора 3, другой конец которых совместно с корпусной точкой является входом последовательного колебательного контура, одновременно и соответственно с поочередным подключением второго и третьего контактов двойного переключателя 4 к первому его контакту, пятый и шестой контакты двойного переключателя 4 могут подключаться поочередно к четвертому его контакту, соединенному с одним концом вихретокового преобразователя 7, подключенным другим концом к корпусу, вторичная обмотка разделительного трансформатора 3 является выходом последовательного контура и соединена со входом амплитудного детектора 8. К выходу амплитудного детектора 8 подключены последовательно соединенные первая схема установки нуля 9, модуляционный усилитель 10, вторая схема установки нуля 14 и индикатор 15, причем модуляционный усилитель 10 имеет два резистора регулировки коэффициента усиления: второй переменный резистор 11 и третий переменный резистор 12, два конца которых соединены вместе и подключены к точке схемы модуляционного усилителя 10, к которой должен подключаться один конец резистора регулировки коэффициента усиления модуляционного усилителя 10, два других конца второго и третьего переменных резисторов 11 и 12 подсоединены по одному соответственно ко второму и третьему контактам переключателя 13, которые могут подключаться поочередно к первому его контакту, соединенному с точкой схемы модуляционного усилителя, к которой подключен другой конец резистора регулировки коэффициента усиления модуляционного усилителя 10.

Режим выявления -слоев заявляемым способом и устройством имеет следующие свойства. В грубом приближении за годограф влияния -слоя на комплексное сопротивление ВТП можно принять годограф электропроводящего немагнитного слоя с постоянным значением электропроводности, расположенного на электропроводящем немагнитном полупространстве, электропроводность которого больше электропроводности слоя [2, с. 95].

В действительности же электропроводность -слоя с увеличением толщины -слоя от нуля и больше уменьшается от значения электропроводности основы металла. Этот факт сдвигает годограф -слоя к годографу обобщенного параметра контроля. Информационными параметрами выявления -слоев на частоте около одного МГц являются толщина -слоя и электропроводность, что обуславливает возможность выявления -слоев с двухпараметровой отстройкой от электропроводности.

Рассчитаем глубину проникновения вихревых токов в контролируемое изделие при значении электропроводности изделия, равном 0,4 МСмм на частоте 0,8 МГц.

При этом можно отметить, что на частотах несколько сотен МГц, вследствие небольшого значения глубины проникновения вихревых токов в металл, информационным параметром влияния -слоев является только электропроводность, и -слои нельзя выявлять с двухпараметровой отстройкой от электропроводности.

Наличие необходимой чувствительности вихретокового преобразователя к - -слоям на частоте около 1 МГц автором было обнаружено практически. При этом практически, а также по годографам комплексного сопротивления ВТП установлено, что эта чувствительность в несколько раз меньше, чем такая же чувствительность на частоте несколько сотен МГц. Тем не менее эта чувствительность на частоте около 1 МГц является достаточной, что обуславливает возможность выявления -слоев на частоте около 1 МГц с двухпараметровой отстройкой от электропроводности и с отстройкой от шероховатости и неровности контролируемой поверхности.

Отстройка от влияния изменений электропроводности бездефектных участков контролируемого изделия осуществляется с помощью последовательного колебательного контура, содержащего вихретоковый преобразователь 7. Принцип отстройки заключается в следующем. Введем обозначения: z₁ - комплексное сопротивление вихретокового преобразователя 7, при его установке на металл, равное R₀+R₁+ jL₁ , где R₁ - вносимое активное сопротивление, R₀ - активная составляющая комплексного сопротивления вихретокового преобразователя при его нахождении в воздухе; L и L₀ - индуктивности вихретокового преобразователя на металле и в воздухе соответственно; C - емкость первого переменного конденсатора 5; L₂ - индуктивность первичной обмотки разделительного трансформатора 3; R₂ - сопротивление первого переменного резистора 2;

Z₂ - комплексное сопротивление параллельно соединенных переменных резистора 2 и первичной обмотки разделительного трансформатора 3; U_к - входное напряжение колебательного контура.

Комплексное сопротивление последовательного колебательного контура определяется формулой:



Ток, протекающий через контур:



Напряжение на сопротивление Z₂



Данная формула представляет дробно-линейную функцию, которая преобразует прямые и окружности на комплексной плоскости сопротивлений последовательно колебательного контура в соответственно окружности и прямые на комплексной плоскости напряжений последовательного колебательного контура [5, стр.183-199].

Для обобщения результатов исследования данной формулы, разделим ее числитель и знаменатель на L₀.



Формулы зависимости координат центров окружностей - траекторий конца вектора приведенного напряжения



при изменении приведенных сопротивлений



полученные по методике, имеющейся в работе [5, стр. 189-192], имеют вид:



Примем следующие значения рабочей частоты F и параметров последовательного колебательного контура, соответствующие примеру выполнения устройства, приведенному на фиг.2.

F = 0,8 МГц, L₀= 400 мкГ, R₀ = 160 Ом, L₂ = 150 мкГ, R₂ = 1,5 ком, C = 100 пФ.

При этом

и уравнения (1) и (2) принимают вид:





Построение по этим формулам окружности - траектории конца вектора напряжения при изменении приведенных сопротивлений и на комплексной плоскости приведенных напряжений последовательного колебательного контура с нанесением на них годографом приведенного комплексного сопротивления вихретокового преобразователя, расположенного над немагнитным полупространством изображены на фиг. 3.

Данные окружности аналогичны универсальной сетке линий уравновешивания приведенного выходного напряжения измерительного моста, верхняя ветвь которого является резонансной цепочкой, содержащей вихретоковый преобразователь, с нанесением на данную сетку годографами приведенного комплексного сопротивления вихретокового преобразователя, расположенного над немагнитными и магнитными, соответственно, проводящими полупространствами [6].

При построении векторной диаграммы напряжений последовательного колебательного контура на комплексной плоскости его напряжения использовались следующие значения приведенных сопротивлений колебательного контура:



При этом учитывалось, что вектора приведенных напряжений должны быть параллельны соответственно векторам приведенных напряжений и

Принцип отстройки от влияния электропроводности бездефектных участков изделия заключается в том, что регулируют емкость с переменного конденсатора 5 и сопротивления R₂ переменного резистора 2 таким образом, что годограф приведенного комплексного сопротивления вихретокового преобразователя меняет свою форму и местоположение на окружностях- траекториях конца вектора приведенного напряжения так, что при изменении электропроводности бездефектных участков изделия вектор приведенного напряжения движется, не изменяясь по амплитуде, по окружности.

Принцип отстройки поясняется также с помощью векторной диаграммы сопротивлений последовательного колебательного контура на комплексной плоскости его приведенных сопротивлений, изображенной на фиг. 4.

На диаграмме изображены вектора приведенных реактивной и активной составляющих комплексного сопротивления вихревого преобразователя с нанесенным его годографом при расположении над немагнитным проводящим полупространством. При подключении последовательно к вихревому преобразователю 7 параллельно соединенных переменного резистора 2 и первичной обмотки разделительного трансформатора 3 начало координат 0 комплексной плоскости приведенных сопротивлений вихретокового преобразователя будет смещено влево и вниз на величину приведенных активной и реактивной составляющих комплексного сопротивления Z₂.

Траектория смещения начала координат при изменении значений сопротивления R₂ приведенная на комплексной плоскости сопротивлений колебательного контура (фиг. 4) соответствует рассчитанным значениям сопротивления Z₂. При включении переменного конденсатора 5 последовательно с вихретоковым преобразователем 7 и переменным резистором 2, параллельно которому включена первичная обмотка разделительного трансформатора 3, начало координат комплексной плоскости приведенных сопротивлений колебательного контура смещается вверх на величину по оси приведенной мнимой составляющей При этом регулированием сопротивления K₂ и емкости С начало координат смещают в такую точку O₁, что вектор комплексного сопротивления колебательного контура при влиянии изменения электропроводности на комплексное сопротивление вихретокового преобразователя движется, не меняясь по модулю, по окружности, что соответствует отстройке от влияния изменения электропроводности на выходной сигнал устройства.

В данном способе применяется также отстройка от электропроводности бездефектных участков контролируемого изделия при размещении между торцом вихретокового преобразователя и поверхностью контролируемого изделия фольги. Принцип этой отстройки такой же, что и вышеприведенный. Годографы влияния электропроводности немагнитного полупространства на комплексное сопротивление вихретокового преобразователя при размещении вихретокового преобразователя над немагнитным полупространством, покрытым электропроводящим немагнитным слоем, электропроводность которого больше электропроводности полупространства, имеются в работе [4,с.101]. Из данных годографов следует, что в данном случае отстройка от электропроводности осуществляется при меньших значениях емкости конденсатора последовательного колебательного контура, чем при размещении вихретокового преобразователя непосредственно над проводящим немагнитным полупространством.

Принцип отстройки от влияния шероховатости и неровности поверхности заключается в следующем. Обозначим h_пк - зазор между рабочим торцом вихретокового преобразователя и поверхностью контролируемого изделия; h_пф- зазор между рабочим торцом вихретокового преобразователя и поверхностью фольги, размещенной на поверхности контролируемого изделия; h_фк- зазор между фольгой и поверхностью контролируемого изделия.

Если на шероховатой или неровной поверхности какого-либо объекта, слегка смоченной водой, поместить фольгу толщиной не более 30 мкм из электропроводящего немагнитного материала, например из алюминия, на фольге разместить лист эластичной резины и прижать листом резины фольгу к поверхности объекта, то фольга принимает форму шероховатости и неровности поверхности, на которой она находится, и приобретает хорошую адгезию к этой поверхности. При этом применяемая фольга должна быть гибкой, неупругой. (Если алюминиевая фольга является упругой, то упругость фольги можно устранить нагреванием ее в течение небольшого времени на огне). Этот факт подтвердился при использовании образцов с различными типами шероховатости и неровности поверхности. Для этого применялась алюминиевая фольга толщиной 17 мкм от электрического конденсатора марки К50-3, емкостью 50 мкф, напряжением 300 В. В качестве эластичной резины применялась стирательная резинка размером 50х20х10 мм.

Влияние шероховатости и неровности поверхности на комплексное сопротивление вихретокового преобразователя аналогично влиянию зазора. Следовательно, влияния шероховатости и неровности точек, расположенных одинаково относительно одинаковых участков поверхностей контролируемого изделия и фольги, имеющей форму шероховатости и неровности поверхности контролируемого изделия, на комплексное сопротивление вихретокового преобразователя будут аналогичны влиянию одного и того же зазора. Это позволит, выровняв чувствительности дефектоскопа к влиянию зазоров h_пк и h_пф, устранить влияние шероховатости и неровности поверхности на результаты контроля вычитанием значений показаний индикатора при расположении вихретокового преобразователя рабочим торцом на поверхность фольги, размещенной на поверхности контролируемого изделия из значений показаний индикатора при расположении вихретокового преобразователя рабочим торцом на поверхности контролируемого изделия. При этом должно соблюдаться условие, чтобы при расположении вихретокового преобразователя на поверхности фольги, размещенной на поверхности контролируемого изделия, изменения удельной электрической проводимости бездефектных участков и - слои контролируемого изделия не влияли на показания индикатора. Для соблюдения этого условия можно возбудить вихретоковый преобразователь напряжением, частота которого соответствует глубине проникновения вихревых токов в фольгу, меньшей толщины фольги. Однако этот способ имеет тот недостаток, что вследствие большого значения частоты напряжения возбуждения вихретокового преобразователя (при использовании алюминиевой фольги это значение находится около 20 МГц) на показания индикатора влияют изменения распределенных емкостей между проводом, проводимым к датчику и корпусам. Поэтому в заявляемом способе при размещении вихретокового преобразователя рабочим торцом на поверхности фольги, размещенной на поверхности контролируемой детали, используется та же рабочая частота, что и при размещении вихретокового преобразователя рабочим торцом на поверхности контролируемого изделия. При этом от влияния изменения удельной электрической проводимости бездефектных участков контролируемого изделия на выходное напряжение дефектоскопа отстраиваются двухпараметровым методом. - слои при этом также не будут влиять на показания индикатора вследствие того, что алюминиевая фольга, как установлено практически, уменьшает чувствительность дефектоскопа к влиянию зазора h_фк в 10 раз по сравнению с чувствительностью дефектоскопа к влиянию зазора h_пк, а после выравнивания чувствительностей дефектоскопа к влияниям зазоров h_пк и h_пф это уменьшение усиливается еще примерно в три раза. Следовательно, влияние -слоев на показания индикатора при этом ослабляется в 30 раз.

Конструкция датчика должна содержать резиновую манжету [7]. Резиновая манжета имеет двойное назначение: во-первых, она дополнительно прижимает второй вихретоковый преобразователь к фольге, во-вторых, при нахождении максимума показаний устройства с помощью покачивания датчика, резиновая манжета автоматически ориентирует второй вихретоковый преобразователь по нормали к контролируемой поверхности, чем упрощает нахождение минимума показаний устройства.

Устройство для реализации способа содержит две схемы установки нуля: первую 9 и вторую 14, стоящие соответственно на входе и выходе модуляционного усилителя 10.

Назначение первой схемы установки нуля 9 - уменьшить постоянную составляющую выпрямленного напряжения до уровня, при котором коэффициент усиления модуляционного усилителя 10 имеет максимальное значение. При выявлении -слоев в дальнейшем первая схема установки нуля не используется, а установка значения показаний индикатора 15 на нуль осуществляется второй схемой установки нуля 14.

Предлагаемый способ выявления - слоев на титановых сплавах реализован следующим образом. На вихретоковый преобразователь 7 подают от задающего генератора 1 синусоидальное напряжение, частотой около 0,8 МГц. С помощью двойного переключателя 4 к последовательному колебательному контуру подключается первый переменный конденсатор 5. С помощью переключателя 13 к модуляционному усилителю 10 подключается второй переменный резистор 11. Регулированием элемента первой схемы установки нуля уменьшается постоянная составляющая выпрямленного напряжения до уровня, при котором коэффициент усиления модуляционного усилителя 10 имеет максимальное значение. Вихретоковый преобразователь 7 устанавливают рабочим торцом последовательно на стандартные образцы удельной электрической проводимости, диапазон значений которых включает в себя значение удельной электрической проводимости контролируемого изделия (около 0,7 Мсм см/м). Регулированием первого переменного резистора 2 и первого переменного конденсатора 5 отстраиваются от влияния изменений удельной электрической проводимости на выходной сигнал устройства. Вихретоковый преобразователь 7 устанавливают рабочим торцом на полированной поверхности бездефектного эталонного образца, в качестве которого можно использовать один из стандартных образцов. Регулированием элементов второй схемы установки нуля 14 устанавливают значение показаний индикатора 15 на нуль. Полированную поверхность эталонного образца освобождают от вихретокового преобразователя 7 и на ней размещают диэлектрическую прокладку, например, конденсаторную бумагу, толщиной 12 мкм. Устанавливают на диэлектрическую прокладку рабочим торцом вихретоковый преобразователь 7 и измеряют значение показаний индикатора 15. Устанавливают вихретоковый преобразователь 7 рабочим торцом на поверхности контролируемого изделия и измеряют значение показаний индикатора 15. Если это значение отлично от нуля, то оно является результатом влияния на комплексное сопротивление вихретокового преобразователя 7 или - слоя, или шероховатости поверхности, или -слоя и шероховатости поверхности вместе.

С помощью двойного переключателя 4 от последовательного колебательного контура отключают первый переменный конденсатор 5 и подключают второй переменный конденсатор 6. С помощью переключателя 13 от модуляционного усилителя 10 отключают третий переменный резистор 12. Поверхности тех же стандартных образцов удельной электрической проводимости слегка смачивают водой и на них размещают лист фольги из сильнопроводящего немагнитного материала, толщиной около 15 мкм. На фольге размещают лист эластичной резины и прижимают листом резины фольгу к поверхности стандартных образцов, в результате чего фольга приобретает хорошую адгезию к этим поверхностям. Поверхность фольги освобождают от листа эластичной резины и на ней устанавливают последовательно вихретоковый преобразователь 7 в точках, под которыми находятся стандартные образцы удельной электрической проводимости.

Регулированием второго переменного конденсатора 6 отстраиваются от влияния изменений удельной электрической проводимости стандартных образцов на выходной сигнал устройства соответственно векторной диаграмме комплексных сопротивлений последовательного колебательного контура на годографах вносимого сопротивления вихретокового преобразователя, расположенного под немагнитным проводящим полупространством, покрытым немагнитным проводящим слоем [4, с.101]. Полированную поверхность эталонного образца слегка смачивают водой, размещают на ней фольгу. На фольге размещают лист эластичной резины и прижимают листом резины фольгу к полированной поверхности эталонного образца. Освобождают поверхность фольги от листа эластичной резины и на ней размещают рабочим торцом вихретоковый преобразователь 7.

Регулированием элементов второй схемы установки нуля 14 устанавливают значение показаний индикатора на нуль. Поверхность фольги освобождают от вихретокового преобразователя и на ней размещают ту же диэлектрическую прокладку, толщиной 12 мкм. Устанавливают вихретоковый преобразователь 7 на диэлектрическую прокладку и измеряют значение показаний индикатора 15. Регулированием значений переменного резистора 12 устанавливают такое значение коэффициента усиления модуляционного усилителя 7, что приращение показаний индикатора 15 от влияния зазора размером 12 мкм становится равным значению показаний индикатора 15 при установке вихретокового преобразователя 7 рабочим торцом на поверхности той же диэлектрической прокладки, размещенной на полированной поверхности эталонного образца. Освобождают поверхность фольги от диэлектрической прокладки. Размещают на поверхности фольги рабочим торцом вихретоковый преобразователь 7.

Регулированием элементов второй схемы установки нуля устанавливают значение показаний индикатора 15 на нуль, участок поверхности контролируемого изделия, содержащей точку контроля, слегка смачивают водой и на нем размещают фольгу, на фольге размещают лист эластичной резины и прижимают листом резины фольгу к поверхности контролируемого изделия, в результате чего фольга принимает форму шероховатости и неровности поверхности, на которой она находится, и приобретает хорошую адгезию к этой поверхности, размещают вихретоковый преобразователь 7 рабочим концом на поверхности фольги таким образом, чтобы точка поверхности контролируемого изделия находилась над рабочим торцом вихретокового преобразователя 7. Измеряют значение показаний индикатора 15.

После этого вычитанием этого значения из значения показаний индикатора 15 при расположении вихретокового преобразователя рабочим торцом на поверхности контролируемой детали устраняют влияние шероховатости на результаты контроля.

При выявлении - слоев в последующих точках регулирование значений переменных первого 2, второго 11 и третьего 12 резисторов, первого 5 и второго 6 конденсаторов, а также применение диэлектрической прокладки, толщиной 12 мкм не требуется. Достаточно только переключение двойного переключателя 4 и переключателя 13 на отрегулированные элементы устройства.

Применяемую фольгу в данном способе заранее подбирают таким образом, что значения электропроводимости и толщины фольги на используемых участках являются постоянными. Для этого в разных точках используемых участков фольги устанавливают рабочим торцом вихретоковый преобразователь 7 и замеряют значения показаний индикатора 15. При этом одинаковым значениям показаний индикатора 15 соответствуют постоянные значения электропроводности и толщины фольги. Вихретоковый преобразователь соответственно заявляемому способу закрепляют в резиновой манжете, входящей в конструкцию датчика. Отсчет всех показаний индикатора 15 производят нахождением их минимума покачиванием вихретокового преобразователя 7.

Устройство для реализации способа работает следующим образом. Генератор 1 вырабатывает синусоидальное напряжение частотой около 0,8 МГц, которое подается на последовательный колебательный контур, содержащий вихретоковый преобразователь и могущий содержать или переменный конденсатор 5, или переменный конденсатор 6, которые поочередно подключаются к последовательному контуру с помощью двойного переключателя 4. Регулированием емкости переменного конденсатора 5 отстраиваются от влияния удельной электрической проводимости бездефектных участков контролируемого изделия на выходное напряжение колебательного контура при расположении вихретокового преобразователя 7 рабочим торцом на бездефектных участках контролируемого изделия. Регулированием емкости переменного конденсатора 6 отстраиваются от влияний удельной электрической проводимости бездефектных участков контролируемого изделия на выходное напряжение колебательного контура при расположении вихретокового преобразователя 7 рабочим торцом на фольге от сильнопроводящего немагнитного материала, размещенной на поверхности бездефектных участков контролируемого изделия. Напряжение, возникающее на выходе последовательного колебательного контура, детектируется амплитудным детектором 8. После этого уменьшается постоянная составляющая продетектированного напряжения с помощью первой схемы установки нуля 9 до уровня, при котором коэффициент усиления модуляционного усилителя 10 имеет максимальное значение. Выпрямленное напряжение усиливается модуляционным усилителем 10, который может содержать первый или второй переменный резистор 12, подключаемые поочередно с помощью переключателя 13 к модуляционному усилителю 10.

Если вихретоковый преобразователь 7 установлен рабочим торцом на поверхности фольги, размещенной на поверхности образцовой или контролируемой детали, то к модуляционному усилителю с помощью переключателя 13 подключается третий переменный резистор 12, сопротивление которого регулируется таким образом, что значение показаний индикатора 15 привлиянии зазора между рабочим торцом вихретокового образователя 7 и поверхностью фольги становится равным значению показаний индикатора 15 при влиянии того же зазора между рабочим торцом вихретокового образователя 7 и поверхностью бездефектных участков контролируемого изделия.

Было изготовлено и испытано два варианта макета заявляемого устройства. Первый вариант макета заявляемого устройства для реализации способа, соответствующий структурной схеме примера выполнения устройства, приведенной на фиг. 2, имеет следующие основные параметры и их значения. Задающий генератор 1 собран на -диоде, состоящем из полевого транзистора 18 типа КПЗ02В и полевого транзистора 19 типа КП103М. Параллельный колебательный контур задающего генератора состоит из катушки индуктивности 20 и конденсатора 21, причем катушка индуктивности 20 намотана без сердечника, на каркасе диаметром 5 мм проводом, диаметром 0,17 мм и имеет 180 витков, конденсатор 21 имеет емкость, равную 750 пф. Значение резонансной частоты контура находится около 0,8 МГц. Напряжение питания на -диод подается со средней точки переменного резистора 16, максимальное значение сопротивления которого составляет 1,5 кОм, являющегося делителем напряжения. Между средней точкой переменного резистора 16 и корпусом включен фильтрующий конденсатор 17, емкостью 10 нф. Выход задающего генератора соединен со входом согласующего каскада, представляющим собой неинвертирующий усилитель, собранный на операционном усилителе 26 типа 4ОУД8А и резисторах 22, 23, 24, 25, номиналами 47 кОм, 470 кОм, 82 кОм и 470 кОм, соответственно.

Недостатком такого согласующего каскада является то, что при включении устройства стрелка его индикатора "плывет" и требуется минут 15-20, чтобы стрелка остановилась. Для устранения этого недостатка в качестве согласующего каскада можно применять не неинвертирующий усилитель, а повторитель напряжения, собранный на том же операционном усилителе. При этом время прогрева устройства уменьшается до 2-х - 3-х минут. Здесь же отметим, что если соответствующим образом подобрать значения напряжений питания устройства в области 9 В, то время прогрева устройства можно уменьшить практически до нуля. Выход согласующего каскада соединен со входом последовательного колебательного контура, содержащего вихретоковый преобразователь 7.

Значения сопротивления переменного резистора 2 емкостей первого 5 и второго 6 переменных конденсаторов, соответствующие отстройке от влияния изменений удельной электрической проводимости, в заявленном способе составляют примерно 1,5 кОм, 20 пф и 50 пф, соответственно. Значение индуктивности вихретокового преобразователя 7 составляет 400 мкГ. Такое большое значение индуктивности выбрано, исходя из условий согласования выходного сопротивления согласующего каскада и выходного сопротивления последовательного колебательного контура. Конструктивно обмотка вихретокового преобразователя 7 намотана проводом 0,05 мм на ферритовом цилиндрическом сердечнике марки М600, диаметром 1,2 мм и имеет 200 витков. Вторичная обмотка разделительного трансформатора 3 является выходом последовательного колебательного контура и соединена с входом амплитудного детектора 8, собранного на диодах 27, 28 и конденсаторе 29. Разделительный трансформатор 3 намотан на кольцевом ферритовом сердечнике, марки 1000 мм, размерами 32х16х8, проводом диаметром 0,17 мм. Первичная обмотка имеет 15 витков, вторичная обмотка имеет 50 витков.

Выход амплитудного детектора 8 соединен со входом первой схемы установки нуля 9, в которой с целью устранения влияния дрейфа нуля первичных каскадов устройства на показания индикатора отсутствует активный элемент (операционный усилитель). Состоит первая схема установки нуля из двух делителей напряжения, первый из которых представляет переменный резистор 30, максимальное значение сопротивления которого составляет 6,3 кОм, второй делитель напряжения представляет три последовательно соединенных резистора: 31-е, 32-е и 33-е, номиналами 470 кОм, 6,2 кОм и 15 кОм соответственно. Существенное значение из них имеет резистор 31, соединенный одним концом со средней точкой первого делителя напряжения: если значение сопротивления этого резистора установить слишком маленьким, например 10 кОм, то первая схема установки нуля 9 будет иметь большой диапазон регулирования величины постоянной составляющей выпрямленного напряжения, однако при этом на показания индикатора будут влиять нестабильности, напоминающее дрейф нуля усилителя положительного и отрицательного источников питания, подключаемых к первому делителю напряжения. С увеличением значения сопротивления резистора 31 этот диапазон и эти нестабильности уменьшаются, и при имеющимся значении сопротивления резистора 31, равном 470 кОм, первая схема нуля 9 имеет достаточный диапазон регулирования величины постоянно составляющей выпрямленного напряжения, при этом нестабильности схемы, влияющие на показания индикатора, практически отсутствуют. В первой схеме установки нуля резистор 30 может отсутствовать, а резистор 31 взят переменным, и один его конец подключен непосредственно к источнику питания - U_п, а другой конец к резистору 32. Выход первой схемы установки нуля 9 соединен со входом модуляционного усилителя 10, представляющего последовательное соединение модулятора 34, усилителя низкой частоты и демодулятора. Усилитель низкой частоты собран на операционном усилителе 38, типа К140УД8А, резисторах 37, 39, 40, номиналами 82 кОм, 82 кОм и 470 кОм, соответственно, и второго 11 и третьего 12 переменных резисторов с максимальными значениями сопротивления 4,7 МОм и 2,2 МОм соответственно, включаемых поочередно с помощью переключателя 13 в цепь обратной связи усилителя низкой частоты и являющихся элементами регулировки коэффициента усиления модуляционного усилителя. Напряжение несущей частоты, равной одному кГц модуляционного усилителя, подводится к модулятору 34 и демодулятору 36 от генератора 35. Выход модуляционного усилителя 10 соединен со входом второй схемы установки нуля 14, являющимся неинвертирующим усилителем, собранным на операционном усилителе 46, типа К140УД8А, резисторах 43, 44, 45, 46, 47, 48, номиналами 82 кОм, 82 кОм, 82 кОм, 47 кОм и 82 кОм, соответственно, и двух переменных резисторов 41 и 42 с максимальными значениями сопротивлений 1 кОм и 47 кОм, соответственно, являющимися резисторами "плавно" и "грубо" установки нуля усилителя. Ко входу схемы установки нуля 14 подключены одним концом последовательно соединенные стрелочный индикатор 15, типа М24, с максимальным значением измерения тока 100 мкА, и переменный резистор 49, с максимальным значением сопротивления 20 кОм, подключенные другим концом к корпусу. Переменный резистор 49 служит для расширения пределов измерения индикатора 15, которое производится следующим образом: если установить значение сопротивления переменного резистора 49 на нуль, регулировкой переменных резисторов 42 и 41 второй схемы установки нуля 14 установить показания индикатора 15 на значение 100 мкА и увеличить значение сопротивления переменного резистора 49 таким образом, что показания индикатора становятся равными 50 мкА, то предел измерения тока индикатора 15 станет равным 200 мкА. Аналогично устанавливаются и другие значения пределов измерения индикатора 15. Вместо операционных усилителей, типа К140УД8Ф (Б, В) в устройстве могут применяться операционные усилители, типа КР140УД8Ф (Б,В). Вихретоковый преобразователь соединяется с устройством с помощью коаксиального кабеля длиной около 1 м.

Второй вариант макета заявляемого устройства имеет следующие схемные и конструктивные отличия от первого варианта. Между вторичной обмоткой разделительного трансформатора 3 и входом амплитудного детектора 8 включен еще один разделительный трансформатор. Его отличие от разделительного трансформатора 3 состоит в том, что первичная обмотка имеет 50 витков, а вторичная обмотка - 80 витков. Еще одно отличие состоит в том, что обмотка разделительного трансформатора 3 включена согласно, а второго разделительного трансформатора - встречно. При этом конец вторичной обмотки разделительного трансформатора 3, соединенный с корпусом, должен быть от корпуса отключен. Максимальное значение сопротивления переменного резистора 2 составляет 6,8 кОм, а номинальное значение - 3-5 кОм. Число витков вихретокового преобразователя составляет не 200, а 280-300. Резистор 31 берется переменный.

Номинальное значение сопротивления резистора 31 первой схемы установки нуля составляет не 470 кОм, а 50 кОм. Причем один конец резистора 31 подключен непосредственно к источнику питания - U_п, а другой конец к резистору 32. При этом при таком уменьшении значения сопротивления резистора 31 нестабильностей отмечено не было. Было также установлено, что наличие согласующего каскада в задающем генераторе хотя и повышает чувствительность, но не является обязательным и параллельный колебательный контур задающего генератора может непосредственно подключаться к последовательному колебательному контуру. Было также установлено, что между вторичной обмоткой вторичного разделительного трансформатора и входом амплитудного детектора 8 для повышения чувствительности можно включать неинвертирующий усилитель или повторитель напряжения на микросхеме К140УД8 или КР140УД8, но это также не является обязательным. Этот второй вариант макета устройства при прочих равных технических параметрах имеет больший диапазон отстройки от электропроводности.

Результаты испытаний первого варианта макета заявляемого устройства для реализации заявляемого способа приведены в таблицах 1 - 6. В табл. 1 представлена зависимость значений выходного тока I_иI_ф устройства от влияния удельной электрической проводимости при расположении вихретокового преобразователя рабочим торцом, соответственно, на поверхности стандартных образцов удельной электрической проводимости и на поверхности фольги, размещенной на поверхности стандартных образцов удельной электрической проводимости. В табл. 2 - зависимость приращений выходного тока I устройства от влияния -слоя толщиной 20-30 мкм на образцах с гладкой, не шероховатой, контролируемой поверхностью. В табл. 3 - зависимость приращений выходного тока _ш, _шф и I , соответственно, от совместного влияния -слоя, шероховатости и неровности поверхности, от влияния фольги, имеющей форму шероховатости и неровности контролируемой поверхности, и от влияния только -слоя в одних и тех же точках контроля контролируемой шероховатой неровной поверхности с -слоем. В табл. 4 - зависимость приращений выходного тока _ш и _шф , соответственно, от влияний шероховатости и неровности поверхности и фольги, имеющей форму шероховатости и неровности контролируемой поверхности, в одних и тех же точках контроля на бездефектных образцах. В табл. 5 - зависимость приращений выходного тока I_пкh, I_пфh и I_фкh от влияния зазора, величиной 12 мкм, соответственно, между рабочим торцом вихретокового образователя и полированной поверхности эталонного образца, между рабочим торцом вихретокового преобразователя и фольгой, расположенной на полированной поверхности эталонного образца между фольгой и полированной поверхностью эталонного образца при наличии отстройки от влияния удельной электрической проводимости бездефектных участков изделия и при неизменном значении коэффициента усиления модуляционного усилителя. В табл. 6 - значения величин зазоров h, соответствующие приращениям выходного тока I_ш от влияния шероховатости и неровности поверхности контролируемого изделия или от влияния зазора.

Для испытания брались титановые стандартные образцы удельной электрической проводимости, диапазон значений которых включает в себя значения удельной электрической проводимости контролируемого изделия - около 0,7 см/м, и восемь образцов из титанового сплава, шесть из которых имели гладкие, не шероховатые поверхности, а содержащие -слой толщиной 20-30 мм, один образец имел шероховатые и неровные поверхности, содержащие -слой толщиной 20-30 мм, и один образец, имеющий шероховатые и неровные поверхности, являлся бездефектным, причем одна из поверхностей всех образцов являлась полированной, бездефектной и применялась в качестве поверхности эталонного образца.

Испытания показали, что, соответственно табл. 1, диапазон значений электропроводности, в котором изменения электропроводности не влияют на результаты контроля, составляет 0,625-0,75 М см/м, т.е. этот диапазон включает в себя значение электропроводности бездефектных участков контролируемого изделия - около 0,7 М см/м. Приращения выходного тока устройства, соответственно табл. 2, от влияния -слоя толщиной 20-30 мкм составляет 50-100 мкм. Приращения выходного тока устройства, соответственно табл. 3 и 4, от влияния шероховатости, в зависимости от степени шероховатости, составляют от 0 до 120 мкА, что, соответственно табл. 6, эквивалентно влиянию зазора от 0 до 10 мкм. При этом из табл. 3 и 4 следует, что шероховатости и неровности поверхности не влияют на результаты контроля, даже без применения фольги, если влияние поверхности и неровностей существенно меньше влияния - -слоя на приращение выходного тока устройства. Из сопоставления табл. 2 и 5 следует, что влияние слоя толщиной 25 мкм эквивалентно влиянию зазора величиной 6 мкм на приращение выходного тока индикатора. Применение фольги соответственно заявляемому способу позволяет измерить приращение выходного тока устройства от влияний шероховатости и неровностей поверхности с точностью 10%, что, при влиянии шероховатости сильной степени и неровностей поверхности, эквивалентной влиянию зазора величиной 8-10 мкм, позволяет выявлять -слои толщиной 3 мкм и больше. Из табл. 5 следует, что при размещении фольги между рабочим торцом вихретокового преобразователя и поверхностью титанового изделия фольга уменьшает влияние титанового изделия на комплексное сопротивление вихретокового преобразователя в 10 раз, а после уменьшения приращения тока _пфh (см. табл. 6), соответственно заявляемому способу, от 430 до 160 мкА, это уменьшение становится 30-кратным, вследствие чего контролируемое изделие почти не влияет на результат измерения шероховатости и неровности в заявляемом способе.

Недостатком первого варианта макета заявленного устройства является не очень большой диапазон отстройки от электропроводности. Этот диапазон можно увеличить подбором чисел витков вихретокового преобразователя 7 и регулированием сопротивления переменного резистора 2.

Испытания второго варианта макета заявляемого устройства показали, что при прочих равных технических параметрах он имеет больший диапазон отстройки от электропроводности.

Предлагаемые способ выявления газонасыщенных слоев на титановых сплавах и устройство для его реализации позволяет отстроиться при выявлении -слоев от изменений удельной электрической проводимости бездефектных участков и шероховатости и неровности контролируемого изделия и этим самым повышают достоверность неразрушающего контроля.

Источники информации

1. А.С. N 1732255 (аналог).

2. Дякин В. В., Сандовский В.А. Теория и расчет накладных вихретоковых преобразователей. - М.: Наука, 1981, с. 19, 95.

3. Калинин Н.П., Остапенко В.Д. Контроль газонасыщенных слоев титановых сплавов вихревыми токами повышенной частоты. - Дефектоскопия, 1983, N 5, с. 15-21 (прототип).

4. Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий. Справочник. /Под ред. Клюева В.В. - М.: Машиностроение, 1986, с. 101-132-133 (прототип).

5. Карандеев К. Б. Специальные методы электрических измерений. - М-Л.: Госэнергоиздат, 1963, с. 183-192.

6. А.С. N 1748038.

7. А.С. N 691745.