вихретоковый способ двухчастотного контроля изделий

Формула изобретения

Вихретоковый способ двухчастотного контроля изделий, заключающийся в том, что формируют высокочастотный и низкочастотный сигналы, которые подают соответственно на первый и второй вихретоковые преобразователи, и по результатам детектирования значений выходного напряжения первого преобразователя регулируют частоту возбуждающего сигнала второго вихретокового преобразователя и определяют толщину контролируемого покрытия по результатам обработки амплитудно-фазовых значений выходного напряжения второго преобразователя, отличающийся тем, что первый вихретоковый преобразователь вводят в колебательный режим, стабилизируют амплитуду его выходного напряжения посредством регулировки амплитуды токовых импульсов возбуждающего высокочастотного сигнала, параллельно детектируют и усиливают разность фаз между высокочастотным возбуждающим сигналом и выходным напряжением первого преобразователя, которую используют для регулировки частоты возбуждающего высокочастотного сигнала до значения, соответствующего резонансу колебательного контура, а низкочастотный возбуждающий сигнал формируют посредством деления частоты высокочастотного сигнала на четный коэффициент и подают на второй вихретоковый преобразователь.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к неразрушающему контролю и может быть использовано для бесконтактного измерения толщины немагнитных электропроводящих изделий методом вихревых токов.

Известен способ двухчастотного контроля толщины электропроводящего покрытия, в соответствие с которым формируют два сигнала, подаваемых на вихретоковые преобразователи, и сравнивают по амплитуде выходные напряжения вихретоковых преобразователей при линейном изменении частоты одного из сигналов от минимального уровня до момента равенства с частотой другого сигнала [1].

Точность такого способа контроля ограничивается изменением скорости и нелинейностью развертки частоты первого сигнала во времени, а также влиянием зазора между вихретоковым преобразователем и контролируемым изделием, поскольку результат преобразования получают посредством обработки только амплитудных параметров сигналов.

Известен также способ двухпараметрового контроля, заключающийся в том, что после формирования сигнала, возбуждающего вихретоковый преобразователь, сначала компенсируют его выходное напряжение при наличии в зоне контроля эталонного изделия, толщина которого значительно превышает глубину проникновения электромагнитного поля, а затем измеряют амплитуду и фазу выходного сигнала вихретокового преобразователя, установленного на контролируемое изделие, и по результатам их обработки определяют параметры изделия [2].

Недостатком этого способа является низкая точность измерения в широком диапазоне контролируемых параметров, что связано с возрастанием относительной инструментальной погрешности измерения при уменьшении амплитуды выходного сигнала вихретокового преобразователя в случае увеличения толщины диэлектрического покрытия или увеличения электрической проводимости основы изделия. Эта погрешность обусловлена нелинейностью выпрямительных элементов, применяемых для выделения амплитуды сигнала, и нестабильностью уровней срабатывания формирователей импульсов, используемых в блоке обработки для выделения фазовых параметров, приводящих к резкому повышению погрешности измерения малых сигналов и, как следствие, к снижению достоверности неразрушающего контроля параметров изделий.

Точность контроля данным способом практически ограничивается изменением электропроводности изделия, влияющим на результат преобразования. В частности, при контроле толщины медного гальванического покрытия изменение температуры на 10^oС приводит к дополнительной погрешности 4% из-за уменьшения электрической проводимости покрытия.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является двухчастотный способ неразрушающего контроля изделий, согласно которому формируют высокочастотный и низкочастотный сигналы, возбуждающие вихретоковые преобразователи, первый из которых используют для измерения удельной электрической проводимости изделия, а второй - для измерения его толщины, причем по результатам детектирования параметров высокочастотного выходного напряжения первого преобразователя регулируют частоту низкочастотного возбуждающего сигнала и определяют толщину контролируемого изделия по результатам обработки амплитудно-фазовых параметров выходного напряжения второго низкочастотного преобразователя [3].

Недостатком известного способа является низкая точность контроля при изменении удельной электрической проводимости в широких пределах. Данное положение обусловлено тем, что для обеспечения стабильности обобщенного параметра , зависящего от радиуса эквивалентного витка преобразователя, удельной электрической проводимости и абсолютной магнитной проницаемости ₀ изделия и частоты f возбуждающего сигнала, необходимо реализовать обратно пропорциональную зависимость между частотой и проводимостью: f = 1/, т.е. при реализации способа требуется использовать амплитудные и фазовые детекторы с нелинейной характеристикой преобразования. Кроме того, на амплитудные значения выходного напряжения вихретокового преобразователя существенно влияет наличие зазора между контролируемым изделием и преобразователем, приводящего к дополнительным погрешностям измерения параметров.

Технической задачей изобретения является повышение точности измерения путем исключения погрешности, обусловленной изменениями удельной электрической проводимости в широком диапазоне, и снижения влияния зазора между вихретоковым преобразователем и контролируемым изделием на результаты контроля.

Сущность вихретокового способа двухчастотного контроля изделий заключается в том, что формируют высокочастотный и низкочастотный сигналы, которые подают соответственно на первый и второй вихретоковые преобразователи. По результатам детектирования значений выходного напряжения первого преобразователя регулируют частоту возбуждающего сигнала второго вихретокового преобразователя. По результатам обработки амплитудно-фазовых значений выходного напряжения второго преобразователя определяют толщину контролируемого покрытия. Первый вихретоковый преобразователь вводят в колебательный режим, подключая его в параллельный колебательный контур, и стабилизируют амплитуду его выходного напряжения посредством регулировки амплитуды токовых импульсов возбуждающего высокочастотного сигнала. Затем полученное напряжение детектируют и усиливают разность фаз между высокочастотным возбуждающим сигналом и выходным напряжением первого преобразователя. Усиленную разность фаз потом используют для регулировки частоты возбуждающего высокочастотного сигнала до значения, соответствующего резонансу колебательного контура, после чего формируют низкочастотный возбуждающий сигнал посредством деления частоты высокочастотного сигнала на четный коэффициент, учитывающий тип электропроводящего покрытия, и подают на второй вихретоковый преобразователь.

Способ на примере решения задачи измерения толщины немагнитного электропроводящего покрытия с помощью накладных вихретоковых преобразователей реализуется следующим образом (см. чертеж).

С помощью высокочастотного генератора 1 и преобразователя напряжения в ток 2 с регулируемым коэффициентом передачи на вихретоковый преобразователь 3 подают импульсы тока. Частоту этих импульсов f_вч выбирают из условия минимальной чувствительности выходного сигнала преобразователя 3 к толщине контролируемого покрытия, т.е. глубина проникновения электромагнитного поля на высокой частоте должна быть меньше минимальной толщины покрытия. Подключают конденсатор 4 параллельно обмотке вихретокового преобразователя 3 и образуют колебательный контур, резонансную частоту которого, определяемую индуктивностью обмотки L₃ преобразователя 3 и емкостью C₄ конденсатора 4, устанавливают близкой к расчетному значению высокой частоты:



Амплитуду U_м выходного напряжения преобразователя 3 выделяют детектором 5 и подают на усилитель 6, который выделяет и усиливает разность между амплитудой U_м и опорным U₀ напряжением, формируемым источником постоянного напряжения 7. Выходным сигналом усилителя 6 регулируется ток питания преобразователя напряжения в ток 2, и при большом коэффициенте усиления К₆ усилителя 6 автоматически стабилизируется на уровне U_м=U₀ напряжение на выходе вихретокового преобразователя за счет регулировки амплитуды импульсов возбуждающего тока.

Вследствие высокочастотной избирательности колебательного контура, содержащего элементы L₃, С₄, при воздействии прямоугольных импульсов возбуждающего тока на входе вихретокового преобразователя 3 формируется гармонический сигнал, который преобразуется в импульсную форму формирователем 8. Разность фаз между выходными сигналами генератора 1 и формирователя 8 выделяется фазовым детектором 9, и после низкочастотной фильтрации и усиления с помощью активного фильтра 10 формируется сигнал обратной связи, которым регулируется частота генератора 1. Фактически формирователь 8, фазовый детектор 9 и активный фильтр 10 представляют собой звено фазовой автоподстройки частоты высокочастотного генератора 1 и обеспечивают равенство возбуждающей f_вч и резонансной f_р частот. Изменение удельной электропроводности контролируемого изделия приводит к изменению вихретоковых потерь на высокой частоте и, соответственно, к изменению эквивалентной индуктивности L₃ преобразователя 3 и соответствующему изменению резонансной частоты f_р колебательного контура. При этом автоматической подстройкой возбуждающего сигнала, формируемого генератором 1, обеспечивается стабильность обобщенного параметра вихретокового преобразователя в широком диапазоне изменения удельной электрической проводимости. Для формирования низкочастотного возбуждающего сигнала к генератору 1 подключен цифровой делитель частоты 11, выходные импульсы которого поступают на второй вихретоковый преобразователь 12, служащий для измерения толщины Т покрытия. Выходное напряжение преобразователя 12 и импульсный сигнал от делителя частоты 11 поступают на блок обработки 13, выполняющий функциональное преобразование амплитудно-фазовой характеристики преобразователя 12. Для выделения напряжения U₁₃, пропорционального измеряемой толщине Т покрытия, выполняют обработку амплитудно-фазовых параметров, например, по соотношению:

U₁₃ = K₁₃T = K(lnU_м12+KU₁₂),

где K₁₃ - коэффициент функционального преобразования блока 13;

U_м12,U₁₂ - напряжения, определяемые соответственно амплитудой и фазой выходного сигнала вихретокового преобразователя;

К(0,8-1,2) - коэффициент пропорциональности, зависящий от типа электропроводящего покрытия.

Результат преобразования выводится на блок индикации 14. Требуемые или расчетные значения коэффициента преобразования блока обработки 13 устанавливают с помощью блока задания коэффициентов 15, который, в частности, необходим при допусковом контроле толщины покрытия.

Особенность реализации данного способа заключается в том, что значение низкой частоты f_нч необходимо устанавливать с учетом максимальной толщины T_mах покрытия (или изделия) по условию f_нч1/2T_maxR_Э0, которое связано с ослаблением электромагнитного поля в е=2,71828 или выполнением соотношения T_maxeR_Э/².

В качестве преобразователя напряжения в ток 2 может быть использован дифференциальный каскад на транзисторах 16 и 17 с регулируемым генератором тока, собранном на транзисторе 18 и резисторе 19, сопротивлением R₁₉.

В соответствии с предложенным способом обеспечивается высокая качественная стабилизация обобщенного параметра и при постоянном радиусе эквивалентного витка обмотки вихретокового преобразователя достигается высокая точность контроля толщины немагнитного покрытия.

Кроме того, за счет включения возбуждающей обмотки вихретокового преобразователя в параллельный колебательный контур с высокой добротностью (Q100) обеспечивается резкое (в Q раз) увеличение чувствительности к удельной электрической проводимости, т.е. к изменению эквивалентной индуктивности L₃ по сравнению с обычным преобразователем. Такой резонансный режим работы преобразователя фактически эквивалентен возрастанию в Q раз индуктивного сопротивления вихретокового преобразователя по сравнению с его активным сопротивление R_A. Вследствие этого годограф F(h), характеризующий зависимость амплитуды выходного напряжения преобразователя от расстояния h до контролируемого изделия 7, близок к прямой линии, т.е. при увеличении зазора уменьшается амплитуда сигнала, а фаза остается постоянной [4]. Поэтому подстройка частоты генератора 1 непосредственно по фазе в сочетании с автоматической стабилизацией амплитуды выходного сигнала преобразователя 3 позволяет измерять удельную электропроводимость с высокой точностью при устранении влияния зазора и тем самым повысить универсальность применения способа.

При контроле изделия двумя вихретоковыми преобразователями, работающими на разных частотах возбуждающего сигнала, целесообразно устанавливать четный коэффициент деления К₁₁ в цифровом делителе частоты 11, чтобы исключить взаимное подвозбуждение преобразователей на нечетных гармониках, определяемых разложением импульсных сигналов в ряд Фурье. Практически коэффициент деления К₁₁ целесообразно устанавливать в зависимость от ширины диапазона контроля по условию K₁₁T_max/T_min = 8, 16, 32, ... = 2ⁿ, что позволяет упростить схему цифрового делителя частоты.

Источники информации

1. Коноваленко В.В. Двухчастотный толщиномер. Авт. свид. 1078239, кл. G 01 В 7/06, бюл. 9, 1984 г.

2. Беликов Е.Г., Тимаков Л.К. Вихретоковый способ двухпараметрического контроля изделий. Авт. свид. 1608422, кл. G 01 В 7/06, бюл. 43, 1980 г. (прототип).

3. Незамаев С.Р., Бошин С.Н., Шмелев Л.С. Вихретоковый толщиномер. Авт. свид. 1670368, бюл. 30, 1991 г. (прототип).

4. Неразрушающий контроль материалов и изделий. Справочник/ Под. ред. Г. Е. Самойловича. - М.: Машиностроение, 1976, с.215.