способ идентификации металлов и сплавов и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ идентификации металлов или сплавов, включающий формирование электрохимической системы: электроды - электролит, при этом пробу испытуемого металла или сплава используют в качестве одного из электродов, воздействие на сформированную электрохимическую систему электрическим током, а именно, по меньшей мере, одним информационным импульсом напряжения, и одновременное с воздействием измерение электрических параметров: значений тока и падения напряжения, сохранение массива полученных данных измеренных электрических параметров и его математическую обработку, отличающийся тем, что перед воздействием на упомянутую электрохимическую систему информационным импульсом напряжения через нее осуществляют предварительное пропускание электрического тока, а воздействие информационным импульсом осуществляют со строго заданным, по меньшей мере, одним значением скорости нарастания/спада напряжения, при этом измерение упомянутых электрических параметров осуществляют в зависимости от скорости нарастания/спада напряжения.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для воздействия на систему электрическим током используют информационные импульсы напряжения со скоростью нарастания и скоростью спада напряжения информационного импульса не менее 10⁴ В/с.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что для воздействия на систему электрическим током используют информационные импульсы напряжения со скоростью нарастания и скоростью спада напряжения информационного импульса, предпочтительно от 10⁷ до 10⁹ В/с.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в случае использования группы информационных импульсов их пропускание осуществляют с частотой, лежащей в диапазоне значений 0,5-10 Гц.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что предпочтительно, чтобы при воздействии группой информационных импульсов частота их пропускания составляла 0,8-2,0 Гц.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют информационные импульсы напряжения, имеющие трапециевидную или треугольную форму, предпочтительно, симметричную треугольную форму.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют амплитудное значение напряжения для трапециевидного и треугольного импульсов до 1000 В и в течение процесса измерения его поддерживают постоянным.

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что предпочтительно амплитудное значение напряжения информационных импульсов, имеющих трапециевидную и треугольную форму, составляет от 90 до 300 В.

9. Способ по п.7 или 8, отличающийся тем, что длительность постоянного амплитудного значения для трапециевидного импульса составляет от 1 до 800 мкс.

10. Способ по п.6, отличающийся тем, что предпочтительно длительность трапециевидного информационного импульса составляет от 5 до 300 мкс.

11. Способ по п.6, отличающийся тем, что предпочтительно длительность треугольного информационного импульса составляет от 5 до 300 мкс.

12. Способ по п.1, отличающийся тем, что предварительное пропускание через электрохимическую систему электрического тока осуществляют с заданным значением количества электричества в зависимости от вида испытуемого металла или сплава.

13. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве электролита используют водный раствор, содержащий бораты, фосфаты, фториды, нитраты и хлориды щелочных и щелочноземельных металлов с общей концентрацией солей до 150 г/л.

14. Способ по п.1 или 13, отличающийся тем, что в качестве электролита для идентификации сплавов на основе алюминия, титана, магния, циркония используют водный раствор, содержащий бораты, фосфаты, фториды щелочных металлов.

15. Способ по п.1 или 13, отличающийся тем, что в качестве электролита для идентификации различных марок сталей используют водный раствор, содержащий, фосфаты и фториды щелочных металлов, фосфорную кислоту.

16. Способ по п.1, отличающийся тем, что электровоздействие может осуществляться как в условиях катодной, так и анодной поляризации пробы металла или сплава, используемого в электрохимической системе в качестве одного из электродов.

17. Способ по п.1, отличающийся тем, что электрические параметры измеряют в течение всей длительности информационного импульса, в том числе в моменты времени, соответствующие фронтам импульса.

18. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве регистрируемых электрических параметров используют согласованные во времени значения тока и напряжения.

19. Способ по п.1, отличающийся тем, что математическую обработку осуществляют путем сравнения полученных массивов электрических параметров в процессе измерения для системы металл - электролит с массивами электрических параметров, полученных ранее для металлов и сплавов с известным составом и свойствами.

20. Устройство для идентификации металлов и сплавов, содержащее генератор информационных электрических импульсов напряжения, измерительный модуль, пригодный для измерения электрических параметров сильнотоковых процессов в растворе электролита, а также средства для размещения электролита, токоведущий электрод и компьютер, отличающееся тем, что генератор электрических испытательных сигналов содержит элементы управления скоростью нарастания и спада выходного напряжения.

21. Устройство по п.20, отличающееся тем, что элементы управления скоростью нарастания и спада выходного напряжения выполнены в виде имеющих между собой физическую связь источника тока и емкостного накопителя.

22. Устройство по п.20, отличающееся тем, что генератор испытательных сигналов в качестве элементов управления скоростью нарастания и спада выходного напряжения содержит два источника тока: один обеспечивает нарастание напряжения, а второй его спад.

23. Устройство по п.20, отличающееся тем, что дополнительно содержит, по меньшей мере, один электрод сравнения, предназначенный для размещения его в пространстве между испытуемым электродом и токоведущим электродом - противоэлектродом, выполненным с возможностью его присоединения к одному из полюсов источника информационных импульсов, другой полюс источника предназначен для подключения к нему испытуемого пробы металла, выступающей в качестве электрода, при этом все электроды соединены с измерительной системой.

24. Устройство по п.20, отличающееся тем, что для исключения механической пробоподготовки и упрощения процедуры проведения процесса измерения противоэлектрод и электрод сравнения конструктивно объединены в одном корпусе, представляющем собой электрохимический датчик, который снабжен каналом для размещения электролита и устройством крепления к поверхности испытуемого металла или сплава, обеспечивающим контакт электролита с испытуемым образцом металла, который выступает в качестве электрода.

25. Устройство по п.24, отличающееся тем, что токоведущий электрод - противоэлектрод выполнен из нержавеющей стали.

26. Устройство по п.24, отличающееся тем, электрод сравнения выполнен из платины либо сплава на основе вольфрама.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электрохимическим способам исследования материалов и может быть использовано для анализа химических или физических свойств, элементного и фазового состава, марки, характера термической обработки металлов и сплавов в машиностроении, металлообработке и металлургической промышленности.

Известен [RU 2179311 C1], в котором описан способ идентификации металла или сплава, заключающийся в том, что приводят в соприкосновение с исследуемым изделием из металла или сплава заполненный электролитом зонд с размещенным в нем опорным электродом, подают между исследуемым изделием и опорным электродом кратковременный поляризующий импульс, измеряют потенциал на исследуемом изделии, при этом упомянутое измерение потенциала на исследуемом изделии осуществляют с помощью электрода сравнения, размещенного в заполненном электролитом зонде, в течение длительности поляризующего импульса, а затем по окончании поляризующего импульса, идентифицируют металл или сплав исследуемого изделия по результатам упомянутого измерения; упомянутое измерение потенциала осуществляют в течение длительности поляризующего импульса в период кратковременного отключения поляризующего импульса.

К недостаткам аналога можно отнести то, что для получения более достоверных сведений предпочтительно измерение параметров проводить одновременно с электровоздействием. В аналоге в качестве параметра, используемого для идентификации, регистрируется только один параметр, такой как напряжение, что также не добавляет достоверности результатам.

Наиболее близким к заявляемому является известный способ идентификации металлов и сплавов с использованием нейросети, раскрытый в [RU 2281487 C1, в котором осуществляют предварительное обучение нейросети комплексу характеристик - образу, которые она могла бы распознавать, при этом в качестве таких характеристик используют электрические параметры процессов, возникающих в результате воздействия на электрохимическую ячейку трапециевидных импульсов напряжения. Идентификация происходит путем сравнения полученных для исследуемого образца характеристик с уже имеющимися в базе данных нейросети. Данный способ выбран за прототип.

К недостаткам прототипа можно отнести вид электрохимического воздействия для получения классифицирующих признаков, а именно применение импульсов без задания значений скорости нарастания и скорости спада напряжения, при этом регистрация электрических параметров происходит именно в моменты времени, соответствующие фронтам импульсов.

В раскрытом в прототипе устройстве отсутствует возможность управления скоростью нарастания и спада задающего напряжения тестирующего сигнала.

В системе измерения не предусмотрено соотнесение результатов измерений с наблюдаемыми параметрами фронтов тестирующего сигнала (напряжения).

Авторы прототипа указывают на наибольшую информативность представления данных в виде циклических вольтамперных зависимостей. Однако форма циклических вольтамперограмм в значительной степени зависит от значения скорости нарастания и спада напряжения, так как, практически, все точки для ее построения регистрируются именно на фронтах импульса в соответствующие моменты времени, что сказывается на достоверности получаемых результатов.

В прототипе также отсутствует предварительная подготовка поверхности, дающая возможность при использовании электрохимического метода измерения получить более достоверные результаты.

Задачей группы изобретений является, разработка усовершенствованного метода и устройства для измерения (определения) электрических параметров системы металл - электролит пригодного для идентификации металлов и сплавов.

Технический результат - возможность контроля и идентификации металлов и их сплавов с высокой точностью, повышение информативности и достоверности способа.

Задача изобретения решается, а технический результат достигается тем, что, как и в известном, в предлагаемом способе идентификации металлов и сплавов осуществляют формирование электрохимической системы: электроды - электролит, при этом пробу испытуемого металла или сплава используют в качестве одного из электродов, затем осуществляют воздействие на сформированную электрохимическую систему электрическим током, а именно, по меньшей мере, одним информационным импульсом напряжения и проводят измерение электрических параметров: значений тока и падения напряжения одновременно с упомянутым воздействием, сохранение массива полученных данных и его математическую обработку.

Новым в предлагаемом способе является то, что дополнительно перед воздействием на упомянутую электрохимическую систему воздействуют электрическим током с заданным значением количества электричества, а воздействие информационными импульсами осуществляют со строго заданным, по меньшей мере, одним значением скорости нарастания/спада напряжения, при этом измерение упомянутых электрических параметров осуществляют в зависимости от скорости нарастания/спада напряжения.

Предварительное перед измерением электрических параметров контролируемое пропускание электрического тока позволяет на границе раздела металл - электролит сформировать переходный слой, состоящий из элементов испытуемой пробы и электролита. Свойства переходного слоя являются функцией элементного и фазового состава испытуемого металла. Формирование переходного слоя приводит к тому, что электрохимическая система приобретает емкостные свойства. В количественном отношении емкостные свойства также являются функцией элементного и фазового состава испытуемого металла.

Экспериментальное подтверждение влияния предварительного пропускания электрического тока через сформированную электрохимическую систему на достоверность регистрации электрических параметров, находящихся в прямой взаимосвязи со свойствами испытуемого металла, приведены в примерах 1 и 2 настоящего описания.

Предварительное пропускание электрического тока осуществляют до такого состояния электрохимической системы, пока ее емкость не возрастет, по меньшей мере, на 10 пикоФарад.

Предварительное пропускание электрического тока может осуществляться как в импульсном режиме, так и при воздействии постоянным током.

Применение импульсов с различными значениями скорости нарастания и спада информационного напряжения позволяет выделить сразу несколько различных видов характеристических параметров испытуемых объектов.

Кроме того, скорость нарастания и скорость спада напряжения информационного импульса составляет не менее 10⁴ В/с.

Предпочтительно, что скорость нарастания и скорость спада напряжения информационного импульса составляет 10⁷-10⁹ В/с.

При этом воздействие осуществляют, по меньшей мере, одним информационным импульсом или группой единичных информационных импульсов.

В случае использования группы информационных импульсов их пропускание осуществляют с частотой лежащей в диапазоне значений 0,5-10 Гц.

Время паузы между информационными импульсами в группе является достаточным для восстановления в системе металл - электролит состояния, которое существовало до электровоздействия, поэтому в случае использования группы информационных импульсов их пропускание осуществляют с частотой не более 10 Гц. Такая организация электровоздействия позволяет также избежать разогрева и вскипания приэлектродных областей электролита.

Минимальное значение частоты информационных импульсов составляет 0,5 Гц. Пропускание импульсов с меньшей частотой приведет к увеличению длительности измерений и усложнит регистрацию электрического сигнала аналого-цифровым преобразователем.

Предпочтительно, чтобы при воздействии группой информационных импульсов частота их пропускания составляла 0,8-2,0 Гц.

Используют информационные импульсы напряжения со следующими параметрами:

- форма импульса: трапециевидная, треугольная, предпочтительно симметричная треугольная;

- длительность постоянного амплитудного значения для трапециевидного импульса от 1 до 800 мкс;

- амплитудное значение напряжения для трапециевидного и треугольного импульсов - до 1000 В;

Конкретные параметры информационного импульсного электровоздействия выбираются в зависимости от свойств или типа конкретного испытуемого объекта.

Минимальное значение длительности информационного импульса 1 мкс обусловлено тем, что данное значение соответствует минимально требуемому времени, для того чтобы процесс протекания тока через систему металл - электролит перешел в установившийся режим.

Увеличение длительности информационных импульсов выше максимального заявленного значения - 800 мкс, приводит к значительным изменениям в морфологии испытуемых объектов, а также к локальному перегреву поверхностных слоев, что не позволит отнести заявляемый способ к методам неразрушающего контроля. Также при этом снижается информативность измерений.

Предпочтительно, чтобы длительность трапециевидного информационного импульса (основание трапеции) составляла 5-300 мкс.

Предпочтительно, чтобы длительность треугольного информационного импульса (основание треугольника) составляла 5-300 мкс.

Предпочтительно, чтобы амплитудное значение напряжения для трапециевидного и треугольного информационного импульса составляло 90-300 В.

Вывод об испытуемом объекте делают в ответ на отклик электрохимической системы, при этом в качестве отклика (выходного сигнала измерительной системы) выступает массив данных согласованных во времени электрических параметров, который используют для вычисления либо значения тока, либо напряжения, либо значения тока и напряжения, либо других производных величин.

Математическую обработку осуществляют путем сравнения полученных массивов электрических параметров в процессе измерения для системы испытуемый металл - электролит с массивами электрических параметров, полученных для известных металлов и сплавов в том же электролите.

Например, путем его сравнения с массивами данных, полученными ранее для системы металл - электролит, когда известен элементный состав металла, его марка, характер термической и поверхностной обработки, и делают вывод об испытуемом металле или сплаве на основе проведенного сравнения.

При пропускании импульсного тока высокой плотности через границу раздела фаз металл-электролит, становится возможным осуществить локализацию энергии в пространстве и времени с достаточно высокой эффективностью.

В монографии [Мамаев А.И., Мамаева В.А. Сильнотоковые процессы в растворах электролитов. - Новосибирск: Изд-во СО РАН. 2005. - 254 с.] рассмотрены физико-химические процессы на межфазных границах при сильнотоковом импульсном воздействии. Из приведенных в монографии расчетов, потоки энергии при импульсных трапециевидных воздействиях достигают значений на уровне энергии образования веществ в нанослоях на границе раздела сред, что не достигается при использовании других типов электровоздействия.

В условиях воздействия на вещество энергиями значительно выше энергии связи, происходит разрушение химических связей, составляющие исходного вещества ионизируются, переходят в состояние плазмы, появляются дополнительные носители заряда. Все эти процессы находят свое отображение в электрических параметрах электрохимических систем, в которых реализуется данный тип воздействия на вещество.

Энергия, затрачиваемая на стадии окисления, электрохимического растворения, ионизации составляющих материалов различна, поэтому как качественный, так и количественный состав испытуемых объектов находит свое отображение в характере получаемых вольтамперных зависимостей.

Варьирование скорости нарастания и спада информационного напряжения в заявляемом диапазоне значений позволяет осуществлять выбор наиболее оптимального режима для регистрации массива данных электрических параметров, характеризующих электрохимическую систему, содержащую испытуемый объект (пробу металла или сплава), что обеспечивает требуемую точность и информативность метода.

Рассмотрим протекание электрохимических процессов в различных интервалах скорости нарастания и спада информационного напряжения.

Если нарастание напряжения от 0 до амплитудного значения достигается, например, со скоростью развертки 10⁸-10⁹ В/с, следовательно, напряжение от 0 В до 400 В нарастает за время 0,4-4 мкс.

В течение указанных коротких интервалов времени электрохимические реакции не успевают начаться, поэтому имеют место процессы заряда и перезаряда емкостей системы, включая емкости двойного электрического слоя. Протекающие процессы характеризуют то равновесное состояние, в котором система находилась до приложения внешнего электрического поля.

Если нарастание напряжения от нуля до амплитудного значения достигается со скоростью развертки 4·10⁷ -1·10⁸ В/с, следовательно например от 0 В до 400 В напряжение нарастает за время 4-10 мкс.

Уменьшение крутизны фронта, в сравнении с первым способом, позволяет наложить изменяющийся потенциал на границу радела фаз, где уже запущен такой процесс как электрохимическая реакция. Таким образом, становится возможным установить влияние поляризации электрода и энергетического вклада на качество и скорость протекающих электрохимических реакций.

Если нарастание напряжения от 0 до амплитудного значения достигается со скоростью развертки 0,8·10⁶ -4·10⁷ В/с, следовательно от 0 В до 400 В напряжение нарастает за время 10-500 мкс.

Дальнейшее уменьшение крутизны фронта позволяет достигнуть за счет протекающих электрохимических реакций возникновения критических концентрационных изменений в приэлектродной области и образования на поверхности электрода продуктов, обладающих свойствами барьерного типа непосредственно во время развертки потенциала. Это позволяет установить для данного материала электрода требуемые для начала микроплазменного процесса энергетический вклад и величину поляризации, а также оценить влияние инициированной, химической реакции количество затрачиваемой для осуществления процесса работы.

Состав электролита для информационного электровоздействия выбирается из условий того, что протекающие в процессе электровоздействия реакции с участием веществ, входящих в его состав, не будут оказывать или оказывать минимальное разрушающее воздействие на исследуемый материал, а продукты реакций не будут его загрязнять. Кроме того, состав электролита определяются из условий возникновения микроплазменных разрядов.

Предпочтительно, чтобы в качестве электролита был использован водный раствор, содержащий бораты, фосфаты, фториды, нитраты и хлориды щелочных и щелочноземельных металлов, фосфорную кислоту с общей концентрацией до 150 г/л.

Такие достаточно высокие концентрации необходимы для того, чтобы сопротивление раствора было минимально. При выполнении данного условия падение напряжения в электролите минимально и практически все напряжение падает на границе раздела фаз исследуемый металл - электролит.Благодаря этому становится возможным осуществить локализацию энергии в поверхностном слое исследуемого материала.

Процесс можно проводить и при малых концентрациях химических материалов в электролите, но в этом случае будет необходимо увеличить напряжение на выходе источника (входе ячейки), чтобы добиться требуемой поляризации исследуемого металла.

Состав электролита, в котором осуществляют предварительное пропускание электрического тока, должен позволить достаточно быстро сформировать на поверхности металла переходный слой. Для большого числа металлов состав таких электролитов известен и описан в литературе [Аверьянов Е.Е. Справочник по анодированию. - М.: Машиностроение. 1988. - 224 с.]:

- для формирования переходного слоя для сплавов на основе алюминия, титана, циркония и гафния могут применяться известные электролиты на основе борной, лимонной, сульфосалициловой кислот;

для формирования переходного слоя для сплавов на основе магния предпочтительно использовать электролиты содержащие фторид-ионы;

- для формирования переходного слоя для сталей предпочтительно, чтобы электролит содержал гидроксид- и фосфат-ионы.

За счет применения информационных импульсов напряжения с заявляемыми значениями амплитуды и скорости нарастания становится возможным определить величину как активного, так и емкостного тока.

Проведение процедуры измерения может осуществляться в условиях как катодной, так и анодной поляризации.

Поставленная задача достигается также тем, что, как и известное предлагаемое устройство для идентификации металлов и сплавов содержит генератор информационных электрических импульсов напряжения, измерительный модуль, пригодный для измерения электрических параметров сильнотоковых процессов в растворе электролита, и компьютер.

Новым является то, что генератор электрических испытательных сигналов содержит элементы управления скоростью нарастания и спада выходного напряжения.

В одном варианте исполнения элементы управления скоростью нарастания и спада выходного напряжения выполнены в виде имеющих между собой физическую связь источника тока и емкостного накопителя.

В другом варианте исполнения генератор испытательных сигналов в качестве элементов управления скоростью нарастания и спада выходного напряжения содержит два источника тока: один обеспечивает нарастание напряжения, а второй его спад.

Описанные варианты исполнения генератора испытательных сигналов позволяют получать импульсы напряжения с заявляемыми параметрами, а именно, треугольной либо трапециевидной формы и требуемой скоростью нарастания и спада выходного напряжения.

Предпочтительно чтобы устройство дополнительно содержало, по меньшей мере, один электрод сравнения, предназначенный для размещения его в пространстве между испытуемым электродом и вторым токоведущим электродом-противоэлектродом.

Испытуемый электрод и противоэлектрод соединяются с различными полюсами источника информационных импульсов. Противоэлектрод соединен с измерительной системой.

Применение электрода сравнения позволяет осуществлять прямые измерения поляризационного информационного напряжения U_п на границе раздела испытательным электрод - электролит.

Предпочтительно, чтобы измерение тока, протекающего через испытательный объект, осуществлялось преобразователем ток-напряжение, в качестве которого может быть использован либо датчик Холла, либо резистивный шунт.

Кроме того, для исключения механической пробоподготовки и упрощения процедуры проведения измерений на образцах, имеющих значительную площадь, противоэлектрод и электрод сравнения конструктивно объединены в одном корпусе, представляющим собой электрохимический датчик, который снабжен устройством крепления к поверхности испытуемого металла, обеспечивающим контакт электролита с испытуемым образцом металла, который выступает в качестве электрода.

Важным преимуществом использования разработанного датчика, в сравнении с обычной электрохимической ячейкой, является обеспечение постоянства межэлектродных расстояний, а также площади исследуемого электрода, что напрямую влияет на достоверность проводимых измерений.

Предпочтительно, чтобы материалом противоэлектрода служила нержавеющая сталь.

Предпочтительно, чтобы материалом электрода сравнения служила платина либо сплавы на основе вольфрама.

Устройство для реализации способа разработано на основе известного измерительного оборудования для измерения и контроля электрических параметров сильнотоковых импульсных процессов в растворах электролитов, описанного в [RU № 2284517, Способ определения электрических параметров сильнотоковых импульсных процессов в растворах электролитов и компьютерная система измерения].

Изобретение поясняется графическими материалами:

На фиг.1 показана блок-схема устройства для осуществления заявляемого способа.

На фиг.2 приведена схема измерительной системы для осуществления заявляемого способа.

На фиг.3 показана функциональная схема устройства для осуществления заявляемого способа.

На фиг.4 представлен электрохимический датчик.

На фиг.5 показана структурная схема генератора испытательных сигналов (вариант 1).

На фиг.6 приведена структурная схема генератора испытательных сигналов (вариант 2).

На фиг.7 приведена характерная зависимость тока от времени при электровоздействии информационным импульсом напряжения на металл, с переходным слоем сформированным путем предварительного пропускания тока.

На фиг.8 приведены вольтамперные зависимости, полученные для сплавов алюминия и магния при скорости нарастания напряжения в информационном импульсе 1,8·10⁷ В/с.

На фиг.9 приведены вольтамперные зависимости, полученные на сплавах алюминия и магния при скорости нарастания напряжения 1,8·10⁷ В/с после предварительного пропускания тока.

На фиг.10 приведены вольтамперные зависимости, полученные для сплава циркония - Э635 после предварительного пропускания тока в течении 30 секунд при различных скоростях нарастания информационного напряжения.

На фиг.11 приведены вольтамперные зависимости, полученные для сплавов магния и для стали после предварительного пропускания тока при скорости нарастания напряжения в информационном импульсе 1,9·10 ⁶ В/с.

Устройство (фиг.1) состоит из генератора электрических испытательных сигналов 1, представляющих собой информационные импульсы напряжения с задаваемыми параметрами. Сигнал через датчик 2, подается на испытательный объект 3. К датчику подключен измерительный модуль 4, который осуществляет согласованное во времени измерение электрических параметров, таких как ток и напряжение. Информация об измеренном сигнале передается в память компьютера 5, где происходит ее сохранение и обработка. Результаты отображаются на дисплее компьютера 5. Задание параметров испытательных сигналов осуществляется с помощью компьютера 5.

Измерительный модуль (система) (фиг.2) функционирует следующим образом: с помощью одного из входов аналого-цифрового преобразователя 6 осуществляется регистрация параметров испытательных сигналов, что с высокой точностью позволяет проводить измерения напряжение U, подаваемого в электрохимическую систему. В случае необходимости используют делитель напряжения 7.

Для регистрации поляризационного напряжения U_п, электрод сравнения соединяют с одним из входов аналого-цифрового преобразователя 6.

На другой вход аналого-цифрового преобразователя 6 подается напряжение от преобразователя ток-напряжение 8, которое прямо пропорционально току I, протекающему через испытательный объект.

С помощью компьютера 5 (фиг.3) оператором осуществляется задание параметров испытательных сигналов. Испытательный сигнал (импульсы напряжения с заданными параметрами) от источника 1 подается на датчик 2. К датчику, подсоединенному к испытательному объекту 3, подключен измерительный модуль 4. Измеренные с требуемой дискретностью, в ходе электровоздействия на испытательный объект, электрические параметры передаются с аналого-цифрового преобразователя измерительного модуля в память компьютера 5 в виде массива данных. Полученный массив данных сохраняется и обрабатывается. Результаты испытания визуализируются на дисплее компьютера 5.

На фиг.4 представлен внешний вид электрохимического датчика, использование которого позволяет исключить процесс механической пробоподготовки и упрощает процедуру проведения измерений. Датчик оснащен противоэлектродом (9), электродом сравнения (10) и устройством крепления (11) к поверхности исследуемого металла (3). Крепление осуществляется посредством прижимных вакуумных присосок. Электролит находится во внутреннем канале датчика (12). Забор и смена электролита производится при помощи поршня (13).

Устройство генерирует испытательные информационные импульсы напряжения с параметрами в заявляемом диапазоне значений за счет того, что дополнительно содержит элементы управления скоростью нарастания и спада выходного напряжения в виде имеющих между собой физическую связь источника тока и емкостного накопителя (фиг.5).

Генератор испытательных сигналов в первом варианте исполнения состоит из следующих основных элементов:

- источника постоянного тока 14. Источник 14 управляется с компьютера;

- емкостного накопителя электрической энергии 15,

- 16, 17 - разъемов для подключения датчика.

Генератор испытательных сигналов функционирует следующим образом. Задавая значение зарядного тока и максимально допустимого напряжения на выходе устройства 14 при неизменной емкости накопителя 15, становится возможным формировать скорость нарастания выходного напряжения на разъемах 16, 17 в заявляемом диапазоне. Для обеспечения регулирования данного параметра с точностью не менее 95(предполагается, что доля тока, пропускаемого через испытательный объект, составляет не более 5% от величины тока, генерируемого устройством 14. Выполнение данного условия обеспечивается применением устройства 14 с достаточной мощностью. В момент достижения на 15 заданного напряжения устройство 14 отключается.

В случае генерирования трапециевидных импульсов при уменьшении напряжения на емкостном накопителе 15 более чем на 5% от заданного, устройство 14 снова включается (т.е. возобновляет пропускание тока). Таким образом, выдерживается амплитудное значение напряжения в импульсе.

Для генерирования треугольных импульсов напряжения после достижения на 15 заданного значения напряжения, источник тока 14 меняет полярность и с заданным током полностью разряжает устройство 15. Посредством регулировки тока разряда обеспечивается задание скорости спада выходного напряжения на разъемах 16, 17.

В другом варианте исполнения (фиг.6) генератор испытательных сигналов содержит два источника тока: 14 обеспечивает нарастание напряжения, а 14^/ его спад путем разряда устройства 15 постоянным током. Оба источника тока управляются посредством компьютера. В этом варианте источники тока функционируют без смены полярности, что обеспечивает более надежное функционирование устройства в целом.

Описанные варианты исполнения генератора испытательных сигналов позволяют получать импульсы напряжения с заявляемыми параметрами, а именно, треугольной либо трапециевидной формы и требуемой скоростью нарастания и спада выходного напряжения.

В результате работы измерительной системы в компьютер 5 вводятся согласованные во времени данные, соответствующие падению информационного напряжения в электрохимической системе, информационному поляризационному напряжению U_п на границе раздела электрод (проба испытуемого металла или сплава) - электролит и данные тока, протекающего через границу раздела в моменты времени, соответствующие регистрируемым фронтам информационных импульсов напряжения с заданными параметрами. Измерение может проводиться в режиме усреднения значений электрических параметров от 2 до 256 информационных импульсов.

На фиг.7 приведена характерная зависимость тока от времени при электровоздействии информационным импульсом напряжения на металл, предварительного пропускания тока. Суммарный импульс тока I, протекающий через электрохимическую систему, состоит из двух составляющих: емкостной и активной. Резкий скачок тока в начале импульса обусловлен емкостной составляющей I₁. Затем значение тока снижается до определенного значения и стабилизируется. Это значение соответствует активной составляющей тока I₂. Также при реализации импульсного воздействия на реальные электрохимические системы наблюдаются характерные колебания тока, предшествующие его стабилизации.

При обработке полученных данных производится построение вольтамперной зависимости и хроноамперограммы. Также может осуществляться вычисление общего импульсного тока, емкостной и активной составляющих импульсного тока, удельного активного сопротивления и удельной емкости и других дополнительных параметров, служащих критериями (классифицирующими признаками) для дальнейшей идентификации и определения показателей качества.

К таким дополнительным параметрам могут быть отнесены:

- соотношение углов наклона нарастающего и спадающего напряжения и тока;

- интервал времени между достижением амплитудных значений током и напряжением;

- характер колебательного процесса для тока в период нарастания напряжения до заданного значения;

- уравнения, полученные аппроксимацией для различных участков зависимостей тока и напряжения от времени.

Пример 1

Исследованию подвергли сплавы алюминия - Д16, АМ5, и сплав магния - МА5. В качестве электролита во всех измерениях выступал водный раствор фосфорной кислоты (H₃PO₄) с концентрацией 0,1 М. Испытуемый металл служил анодом. На основе полученных данных для трех последовательных импульсов были построены усредненные восходящие ветви вольтамперных зависимостей. Максимальное напряжение для всех измерений составляло 300 В.

На фиг.8 приведены вольтамперные зависимости, полученные для сплавов алюминия и магния при скорости нарастания напряжения в информационном импульсе 1,8·10⁷ В/с.

Из анализа приведенных зависимостей следует, что отклик измерительной системы, полученный в условиях воздействия на металлы несколькими первыми короткими импульсами, не зависит от природы металла.

Аналогичные по своему характеру зависимости были получены для приведенных выше и ряда других сплавов при различных скоростях нарастания информационного напряжения в диапазоне от 10⁶ до 10⁹ В/с, в различных электролитах. Характер вольтамперограмм для всех исследованных металлических материалов во всем диапазоне скоростей нарастания оставался практически постоянным и соответствовал нагрузке, имеющей исключительно активную составляющую.

Таким образом, показано, что отклик измерительный системы, полученный при электровоздействии на металлические материалы без предварительного пропускания электрического тока и формирования переходного слоя, не является информативным и не пригоден для идентификации металлов и сплавов.

Пример 2

Исследованию подвергли сплавы алюминия - Д16, АМ5, и сплав магния - МА5.

В качестве электролита для предварительного электровоздействия использовали водный раствор фосфорной кислоты (H₃PO ₄) с концентрацией 0,1 М. Пропускание тока осуществлялось в импульсном режиме при напряжении 300 В, длительность импульсов составляла 250 мкс, частота пропускания - 45 Гц. Количество пропущенного электричества составило 2,7 Кл/см².

После достижения указанного значения количества пропущенного электричества проводили регистрацию электрических параметров для трех последовательных информационных импульсов напряжения.

Затем, на основе полученных данных, были построены усредненные восходящие ветви вольтамперных зависимостей. Максимальное напряжение для информационных импульсов составляло 300 В, а скорость нарастания напряжения составляла 1,8·10⁷ В/с.

На фиг.9 приведены вольтамперные зависимости, полученные для сплавов алюминия и магния после осуществления предварительно пропускания тока.

Из анализа приведенных на фиг.9 вольтамперных зависимостей следует, что отклик измерительной системы, полученный в условиях воздействия на металлы после предварительно пропускания тока и формирования переходного слоя, зависит от природы металла и пригоден для их дальнейшей идентификации.

Таким образом, экспериментально подтверждено повышение достоверности проведения идентификации за счет осуществления предварительного пропускания электрического тока.

Пример 3

Исследованию подвергли три одинаковых образца сплава циркония Э635. Предварительное пропускание электрического тока осуществляли как в примере 2.

Регистрацию электрических параметров проводили для трех последовательных импульсов. Затем были построены усредненные восходящие ветви вольтамперных зависимостей. Максимальное напряжение для всех измерений составляло 300 В. Скорость нарастания напряжения в информационных импульсах для различных образцов варьировалась и составляла соответственно 1,9·10⁶ В/с, 1,8·10 ⁷ В/с, 5,6·10⁷ В/с.

На фиг.10 приведены вольтамперные зависимости, полученные для сплава циркония - Э635 после осуществления предварительного пропускания тока при различных скоростях нарастания информационного напряжения.

Из анализа приведенных на фиг.10 вольтамперных зависимостей следует, что отклик измерительной системы зависит как природы металла, так и от скорости нарастания напряжения информационных импульсов.

Пример 4

Исследованию подвергли сплавы магния - МЛ5, МА11, МА1 и сталь пружинная 65 г. В качестве электролита для предварительного электровоздействия использовали водный раствор бифторида аммония с концентрацией 150 г/л. Пропускание тока осуществлялось в импульсном режиме при напряжении 200 В, длительность импульсов составляла 120 мкс, частота пропускания - 45 Гц. Количество пропущенного электричества составило 2,7 Кл/см².

После достижения указанного значения количества пропущенного электричества проводили регистрацию электрических параметров для трех последовательных информационных импульсов напряжения. Регистрацию электрических параметров проводили в электрохимической системе, где в качестве электролита выступал водный раствор бифторида аммония с концентрацией 15 г/л. Максимальное напряжение для информационных импульсов составляло 200 В, а скорость нарастания напряжения составляла 1,9·10⁶ В/с.

Затем на основе данных, полученных для трех одинаковых последовательных информационных импульсов напряжения, были построены усредненные восходящие ветви вольтамперных зависимостей.

На фиг.11 приведены вольтамперные зависимости, полученные для сплавов магния и для стали при скорости нарастания напряжения 1,9·10⁶ В/с.

Из анализа приведенных на фиг.11 вольтамперных зависимостей следует, что отклик измерительной системы, полученный в условиях воздействия на металлы после предварительно пропускания тока пригоден для их дальнейшей идентификации.

Электролит, использовавшийся для предварительного пропускания тока способствует формирования переходного слоя для сплавов магния и не способствует формированию такого слоя применительно к стали. Однако приведенные на фиг.11 вольтамперные зависимости (применение заявляемого способа) позволяют осуществить идентификацию магниевых сплавов и выявить сплав иной природы - в данном примере сталь пружинную 65 г.

Таким образом, в приведенных примерах показано, что задача получение информативного отклика, пригодного для идентификации металлов и сплавов может быть решена путем регистрации электрических параметров электрохимических систем содержащих испытуемые металлические материалы в условиях воздействия импульсами напряжения. При этом необходимо выполнение двух условий:

- электровоздействие должно осуществляться на металлические образцы после предварительного контролируемого пропускания электрического тока;

- проведение измерений и осуществление процедуры идентификации должно осуществляться в зависимости от скорости нарастания напряжения в информационном импульсе.