Способ вихретокового измерения параметров электропроводящих изделий

ООЗ СОВЕТСКИХОЦИАЛИСТИЧЕСКЕСПУБЛИК 19) Я А ТЕН ТОРСКО ИДЕТЕЛ ЬСТВ разрушаюользовано трической магнитной одящих изизмерения окрытий на ОСНОВОИ И ПОВЫтруктурная схема способ; на фиг.2- поясняющие спот(о 1 при рд =тствен но.ющее способ, саго вихретокового1), содержащего них Цель изобрете сти использованиение облаоля также я - расши а счет кон ОСУДАРСТВЕННЪЙ КОМИТЕТО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЪТИЯРИ ГКНТ СССР(54) СПОСОБ ВИХРЕТОКОВОГО ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЗЛЕКТРОПРОВОДЯЩИХ ИЗДЕЛИЙ(57) Изобретение относится к неразрушающему контролю. При измерении соответствующих сигналов О,О,Оз, установкепреобразователя на поверхность контролируемого иэделия, возбуждении преобразователя токами трех частот 1, ЯЯ, измерении соответствующих сигналов О,ОО преобразователя формируют сигнал Ф характеризующий величину зазора Ни сигнал М,характеризующий величину удельной электрической проводимости основы эталонногоизделия. Формируют сигнал Ф, характеризующий величину зазора между преобразоИзобретение относится к не щему контролю и может быть ис для измерения удельной эле проводимости а, относительной проницаемости,иэлектропров делий и материалов, а также для толщины Нэ диэлектрических и(51)5 6 01 В 7/10, 6 01 й 27/90 вателем и основой контролируемого изделия, сравнивают величины Ф, и Ф итеррационно изменяют величину зазора между преобразователем и контролируемым изделием до получения равенства Ф, = Ф определяют соответствующее равенству перемещенйе Нпреобразователя и толщину Н диэлектрического покрытия на контролируемом изделии, формируют сигнал Мхарактеризующий величину удельной электрической проводимости контролируемого изделия, не изменяя положения преобразователя, его возбуждают токами с частотами 1 и Г измеряют соответствующие значения сигналов преобразователя О, О, 0 и формируют сигнал 2, характеризующий величину относительной магнитной проницаемости,иматериала основы контролируемого иэделия по величине Л и по предварительно полученной зависимости Е = 1 р , определяют величину магнитной проницаемости основы контролируемого изделия и величину удельной электрической проводимости п материала основы контролируемого иэделия. 5 ил. изделии с ферромагнитно шении информативности.На фиг.1 изображена с устройства, реализующего 5 показаны зависимости, соб, О =ф) при а, О = = 1(1/Д и 0 = 1 3) соотвеУстройство, реализу стоит из параметрическо преобразователя 1 (ВТП2.5Составитель И.Кесоянедактор Б.Федотов Техред М.Моргентал Корректор Т.МалеЗаказ 3805 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СС 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 10) 1 - г)11Величину а, Р,характеризует Фкг г ) кг Найдя и запомнив величины сигналовФ,и М ВТП устанавливают на КИ, Все последующие такты из)иерения проводятсяпри установке ВТП на КИ,В четвертом, пятом и шестом тактах измерения ВТП Возбужда)от током с частотой112 и 1 и амплитудой 1 1, и 1 з соответственно. Прй этом измеряют сооветствующиесигналы ВТП: ООИ О,которые равны:О, = а.+ а,/93) . 3 /Р )О - 30+ а /ф 2( Г)э ф Я (12)Об - эо ) 3 Ягьф 132 ЯЗ 2 к Р) егде /32,= Р Ьк 1 2 л:,Рр/,и,;,к,ад 3 32 " Величины коэффициентов 33 и 3 при новом зазоре, Если КИ им 88 тдиэлектрическое покрьггие толщиной НЭ(например, слой краски)то первоначальныйзазор между ВТП и КИ - Н будет равен Н =+ О.,(р - р ЧЪ(13)который зависит только от Величины Н.Сравнивают сигналы 4:В и Ф, . Если Ф 2= Ф, изменяют зазор между ВТП и КИ, сноваизмеряют О,О;, и Ц и находят новое значение Ф,Итерационное изменение зазора Нпродолжают до тех пор, пока не выполнитсяравенство Ф 2 = Ф. В этом случае зазор Н" Нэ+ Нгде Нэ - толщина диэлектрическогопокрытия, Н,- суммарная Величина итерационного перемещения ВТП, равен Н, т.е,11 о+ Нк- Н ПозтомУ ВеличинУ Нэ гюслеВыполнения равенства Ф, = Фможно найти по формулеНд =Нр- Н), (1 4)Определив Нз, находят аналогично (11)и запоминают Величину сигнала М 2: ДЛя ОПрвдЕЛЕНИя ВЕЛИЧИНЫ Мпк ПОСЛЕ Выполнения равенства Ф, = Ф и определения величины М 2 проводят седьмой, восьмой и девятый такты измерения, в которых ВТП возбуждают токами частотой 1 1 = 17,= т , и амплитудами 1 1,.и 1 соответстВенно. При этом измеряют амплитуды соответствующих сигналов ВТП: О О, и О, где5 14 14к1, гп1, кп, 1= К, 1 б = - ,На фиг.4 изображена зависимость О =:= т ф) для различных значений М построенная с учетом известных зависимостей, Из1 О анализа зависимостей фиг,4 Видно, что приД 1 величина О+ в основном определяетсявеличиной М. Однако полная отстройка отвлияниями,(о) возможна только при 3) = О,что неосуществимо, Поэтому предлагается с1 Б помощью специальных операций формировать сигнал 2 = 11)т) ОЕсли зависимостьО = т ф) аппроксймировать выражениемО Ь. Ь,Р 1 Ьгр,Е= Ь. (16)20 Однако зависимость О =И, )(см.фиг.4) имеет при ф = 3 точку перегиба,Поэтому выражение (16), не имеющее точекперегиба, при использовании его для аппроксимации О" =- 1 ф) дает ошибку. При Д2 Б 3 О= 1 ф) Выпукла вверх, а при,В3 -вниз. Если зависимость О ) = т ф,) представляется в виде О" = ЕД) (см.фиг.5), зависимость О =- Гф, ) при всех значениях фвыпукла вниз и не имеет точек перегиба,С учетом незначительной нелинейностиО-.= 1 (о 1) можно записать:О Ь +1 Р)+ ЬР 2)2 (17)где ЬЬ,; Ь 2 - коэффициенты.Чтобы в седьмом такте величина Д 1,35величина 1 должна быть выбрана с учетомвыражения для Р) из условия(7). При этом получаем: Выражение (20) может быть также пол учено иэ выражения Р) путем подставки Л= 1/к, р = 1/е.Умножив числитель и знаменатель выражения (2 О) на величину )т)п, получаем окончательное выражение для сигнала Е =ЬО г ( т " . к ",л,Олт- п ) + в дк- к )щгк кгг. кг. кВеличина сигнала 2 не зависит от величичы гти определяется только величиной р Чтобы, зная величину Е, определить величинур. , необходимо определить зависимость Е = р, ,и) и найти обоатную ей зависимостьи = р (7). Зависимость Е = = р, (и) можно найти теоретически, воспользовавшись тем, что 2 =- Ь,= О прир, = 0 и Н = М Для этого, воспользовавшись известными выражениями (.1), надо определить амплитуду О" ВТП для различных значений,и,приф; 0 и Н = НЗависимость Л = р, (и,) можно также определить экспериментально, устанавливая ВТП на образцы с различными значениями,и, и зазором Н = Нопределяя Е по выражению (21). Найдя при измерении величину Л и используя полученную зависимость р= р (Е) (она может быть задана, например, в виде таблицы или графика), оператор определяет величину,иВеличинуаможно найти, используя величины сигналов М, и М,. Учитывая, что после выполнения равенства Ф= Ф, Н = = Н т.е.зазоры междуВТП иОИ и ВТПи КИ равны, при этом величины а, и а, в выражениях(11) и (15) также равны, поэтому величина М, /М= Р,., /о., 0 к уп.са/(Осщро,к 1 г, а величину 0;, можно найти по формуле:а.=)" " " (гг) Амплитуду тока возбуждения ВТП следует выбирать таким образом, чтобы электромагнитное поле ВТП не насыщало материал изделия. В этом случаеи,= сопзт не зависит от величины магнитного поля; а при возбуждении ВТП синусоидальным током частотой 1 в выходном сигнале ВТП не появляются сигналы с частотой 3, 5, 71 (гармоники). Это позволяет при необходимости совместить такты и уменьшить время измерения, возбуждать ВТП одновременно токами нескольких частот и выделить соответствующие сигналы с помощью фильтров,Устройство, реализующее способ, работает следующим образом.Генераторы 5-10 синусоидальных напряжений с кварцевой стабилизацией частоты сигнала вырабатывают сигналы с .частотами т 1 - тб соответственно, Сигналы с генераторов 5 - 10 складываются в блоке 11 сложения, с выхода которого сигнал, содержащий шесть гармоник, поступает на вход преобразователя 12 напряжение - ток, благодаря чему БТП 1 возбуждается токами шести частот. причем величина тока через катушку 4 не зависит от ее импеданса дляэтого и необходим преобразователь 12 на 5 пряжение - ток) Сигнал с ВТП 1, содержащий шесть гармоник, через усилитель 13поступает на входы измерительных каналов21-23. Сигнал с усилителя 13 также поступает на вход фильтра 14 нижних частот, кото 10 рый пропускает только низкочастотныегармоники с частотами Т 4 16, т.е, частотасреза фильтра 14 - 1 ср должна удовлетвоРЯ ь условию ".бтсрТ 1 Сигнэл с фильтРэ14 дополнительнс проходит через усили 15 тель 15 и поступает на входы измерительных каналов 16-18, Необходимостьдополнительного усилителя 15 объясняетсятем, что амплитуды низкочастотных сигналов значительно меньше амплитуд высоко 20 частотных сигналов (при одинаковых токахи при Р = Ои, = 1, амплитуда сигнала счастотой 1, больше амплитуды сигнала с частотой 14 в Г 1/т 4 = 100 раэ).Паласовые фильтры, входящие в состав25 измерительных каналов 21-23, 16-18, пропускают сигналы с чэстотэми т 1 Т 6 соответственно. Амплитудные детекторы измерительных каналов выделяют амплитуды отфильтрованных сигналов, На выходе изме 30 рительных каналов (амплитудныхдетекторов) 21-23, 16-18 появляются сигналы величиной Оа, - Оаб соответственно.При настройке устройства ВТП 1 устанавливают в воздухе ф = О), регулируя амп 35 литуды генераторов 5-7, добиваются, чтобывыполнялось равенство Ов= Озг= Оаг, т.е. 1== ,/11 з= 1,/р. Временно отключив вольтметр20 от блока 19 и подключая его поочереднок выходам измерительных каналов 16-18,40 добиваются, регулируя амплитуды генераторов 8-10, чтобы выполнялось равенствоОз.;= Оз - "- Оаб =- 1.0000 В, Это необходимодля того, чтобы величина сигнала Е, снимаемого с блока 19 сложения, могла быть ис 45 пользована для определения ипотеоретически полученной зависимостии == р; Д, которая рассчитывается для величины О относительно амплитуды ВТП. ЕслиЗаВИСИМОСтЬи г = У (Е) ОПРЕДЕЛЯЕТСЯ ЭКСПЕ 50 риментально, достаточно, проверяя вольтметром 20, добиться выполнения равенстваОД =Од 5 ОМ,Оператор работает с устройством следующим образом. Вращая микрометриче 55 ский винт 29, он заставляют каркас 3перемещаться до момента совпадения установочных торцов корпуса 2 и каркаса 3 (доупора). Затем, вращая шкалу индикатора 30,устанавливает на индикаторе 30 значение11= - Н После этого оператор устанавливает диэлектрическую пластину толщиной Но на образцовое (эталон ное) изделие без диэлектрического покрытия (фиг,1 не показано), а на нее - ВТП 1, при этом расстояние Н, 5 между катушкой 4 и проводящей поверхностью иэделия равно величине Но, причем на выходе измерительных каналов 21, 23 и 22 появляются соответственно сигналы О =-О, Оа 2= О, Озз= Оз (см выражение (4). 10 Выражение (11) для сигнала М 1 можно переписать в виде: Ъ"7 + )15г123)- +1.Т В блоках 25 и 24 сложения формируются соответственно сигналы Ф, и М 1 путем сложения сигналов О, О, и О. с весовыми 25 коэффициентами, определяемыми выражениями (8) и (23) (некоторые из этих весовых коэффициентов могут иметь отрицательную величину). Оператор, изменяя величину сигнала - О о источника 27 опорного напряже. 30 ния, добивается, чтобы гальванометр 28 давал нулевое показание. При этом О= Фл. В дальнейшем величину 1 А.= Ф., не изменяют. Показания вольтметра 26 - величину сигнала М оператор запоминает (записы вает), а показания вольтметра 20 при установке ВТП на образцовое иэделие игнорирует,После этого оператор устанавливает 40 ВТП 1 на контролируемое изделие 32, имеющее в общем случае диэлектрическое покрытие 33 толщиной Нд, На выходеблоков 25 и 24 сложения формируются сигналы Ф, и М 2 соответственно. Изменяя с помощью 45 микрометрического винта 29 положение каркаса 3, т.е, изменяя величину зазора Н и Н (см,фиг.1), оператор добивается, чтобы гальванометр 28 давал нулевое показание, При этом Ф= Ф а Нд + МН где Н суммарная величина перемещения каркаса 3 относительно корпуса ЯН - Нна фиг.1 г ри Ф. - ф). При перемещении каркаса 3 1.а величину Нх=Нк показания индикатора Ь увеличиваются на величину Нт.е. Ь - - Н,+ 55Н,- - На (см,выражение (14). Таким образом, индикатор 30 показывает толщину диэлектрического покрытия 33НаНа выходе измерительных каналов 16- 18 формируются сигналы 11 ал О, Оа= Ои Цо = О, соответственно, В блоке 19 сложения формируется сигнал Е путем сложения сигналов О - О в сооетстви с весовыми коэффициентами, определяемыми выражением (21). По величине Е, которую показывает вольтметр 20, оператор, зная зависимость и, = р(Е), определяет величину р, Зная известные для эталонного изделия величины - рп.с и оса, определив изная М и используя величину сигнала М которую показывает вольтметр 26, оператор вычисляет величину и, по формуле (22).При необходимости между блоком 19 и вольтметром 20 следует включить линеаризатор (на фиг.1 не показан), ко.горый учитывает зависимость р,= р, (Х), Б этом случает вольтметр 20 показывает непосредственно величину,уп. Чтобы не запоминать величину М между блоком 24 и вольтметром 26 необходимо включить масштабный преобразователь (на фиг,1 не показан), изменяя коэффициент передачи которого, добиваются, чтобы величина Мбыла равна 1,ОООВ. В этом случает в формулу(22) вместо Мнадо подставить единицу, При необходимости устройство можно снабдить вычислительным блоком (на фиг.1 не показан), В этом случае информацию М 7 с цифровым вольтметром 26 и 20 в виде цифрового кода надо вводить через коммутатор (мультиплексор),Величины Р, Г К, щ рекомендуется выбирать следующими: К = 2,7 - 6,5; гп =4 - 10; 1=1,5 - 3; Р =2 - 4, Желательно, чтобы частоты 1 - 1 не относились друг к другу как целые нечетные числа, например 1201 Ф 5, ,/1 У 3 и т.д. Это необходимо для того, чтобы даже в случае проявления нелинейных свойств материала (несмотря на малые величины 1 1,1, гармоники сигнала не проникали в другие измерительные каналы,Способ позволяет получить сигналы (Ф и Е), которые зависят только от одного измеряемого параметра, и исключить влияние других измеряемых параметров, что позволяет, определив Ни,и, измерять о Итерационное изменение зазора позволяет исключить его влияние при измерении,ии о. Необходимо также отметить, что величины Р, Г К, т, входящие в выражения для определения измеряемых параметров с учетом кварцевой стабилизации частот 1 - 1 можно определять и поддерживать с высокой точностью. Независимость величин р, 1, К в и способов формирования сигналов М, Ф и Е от конструктивных параметров ВТП позволяет снизить требования к точности изготовления ВТП и использовать различ 13 1689753ные конструкции ВТП в зависимости от условий контроля.Формула изобретенияСпособ вихретокового измерения параметров электропроводящих изделий, заключающийся в установке вихретоковогопреобразователя на образцовое изделие сзазором Но, возбуждении преобразователятоком трех частот 1, 12= 1 и 1 измерениисоответствующих сигналов О, О О преобразователя, установке преобразователя наповерхность контролируемого изделия, возбуждении преобразователя токами трех частот 1 1 измерении соответствующихсигналов О О О, преобразователя и использовании сигналов для определения толщины диэлектрического покрытия иудельной электрической проводимости основы контролируемого иэделия, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью расширения 20области использования за счет контролятакже изделий с ферромагнитной основойи повышения информативности, величинузазора Нвыбирают равной максимальнойтолщине диэлектрического покрытия, величины частот , и 1, выбирают иэ условий50/4 п.к.макс11Л К"о0 к.минз =, т 1 ргде Р1, 11 Р -. Е,В - радиус преобразователя, м;р,=4 10 Гнlм - магнитная постоянная;Окминипквах - соответственно минимальное значение удельной электрическойпроводимости и максимальное значение относительной магнитной проницаемости материала основы контролируемого изделия,используя сигналы О, Ог и О формируютсигнал Фхарактеризующий величину зазора Н в видеф 0 (Ж Гр)+0 (р/р р+3(р р 4и сигнал М характеризующий величинуудельной электрической проводимости основы эталонного изделия, в виде(1 - 1/ Е50формируют сигнал Фхарактеризующий величину зазора между преобразователем иосновой контролируемого изделия, в виде Ф,= 04 Я - Р)+ 0,( ф - )++О(р-р Лсравнивают величины Ф, и Ф, итерационно измеряют величину зазора между преобразователем и контролируемым изделиемдополучения равенства Фг= Ф, определяютсоответствующие равенству перемещениеН к преобразователя, а толщину Надиэлектрического покрытия на контролируемом изделии определяют из соотношенияНа= Но Нк 1формируют сигнал М характеризующий величину удельной электрической проводимости контролируемого изделия, в видеМг (Об Оф) (1/Ф+ 1) (1/ф 1) +,212 Л Я,Ио Пкмакс= 1;1(,6 4 п 1где к1, в1, к Ф п 1;бк.щах - максимальное значение удельной электрической проводимости материала основы контролируемого изделия, измеряют соответствующие сигналы преобразователя 0009 и формируют сигнал Е, характеризующий величину относительноймагнитной проницаемости р.материалаосновы контролируемого изделия, в видеО (тгк-кг+ (в-вг)+9 К-К 7по величине 2 и по предварительно полученной зависимости Е = 1 (и) определяют величину магнитной проницаемости основы контролируемого изделия, а величину удельной электрической проводимости о, материала основы контролируемого изделия определяют иэ соотношения(м 1 )2,яркгдето, и, - соответственно величины относительной магнитной проницаемости и удельной электрической проводимости материала основы образцового изделия.