Способ вихретокового контроля

СОЮЗ СОВЕТСКИХ СОЦИАЛИСТИЧЕСКИ 9) П) 7375 А СПУБЛИК Я)5 6 01 й 27/.1 ИЗОБРЕТЕНИЯ ПИСА АВТ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯПРИ ГКНТ СССР МУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(71) Куйбышевский авиационный институт им, акад. С.П.Королева(56) Авторское свидетельство СССР ЬВ 1216716, кл. О 01 И 27/90, 1986,Авторское свидетельство СССР 1 Ф 1374120, кл. 8 01 М 27/90, 1988.(54) СПОСОБ ВИХРЕТОКОВОГО КОНТРОЛЯ (57) Изобретение относится к неразрушающему контролю и может быть использовано для измерения удельной электрической проводимости. Цель изобретения - повышение точности контроля. Это достигается эа счет более полного подавления влияния неконтролируемых параметров, С помощью генераторов 1, 2, 3 и 4 через коммутатор 6 вихретоковый преобразователь 7 последовательно возбуждают токами с частотами м 1, в 2 = ви, са =а 1/и и а 4 =а 1 п . Соответствующие напряжения 01, 02, Оз и 04, вносимые в вихретоковый преобразователь 7, заносятся в блоки 12, 13, 14 и 15 памяти, 8 блоках 16 и 17 вычитания Формируются сигналы Р 1 = 02+ + Оз - 201 и Р 2 = 04+ О 1 - 202. На выходе блока 18 умножения Формируется произведение Р) Р 2, а частота аи регулируется до выполнения условия Р 1 Р 2О. Полученная величина а)1 заносится в счетчик 26, запускается вычислительный блок 24 и определяется величина удельной электрической проводимости, 3 ил., 1 табл,Изобретение относится к контрольноизмерительной технике и может быть использовано для измерения удельной электрической проводимости неферромагнитных электропроводящих материалов,Цель изобретения - повышение точности контроля - достигается за счет более полного подавления влияния неконтролируемых параметров.На фиг.1 представлена структурная схема устройства, реализующего способ вихре- токового контроля; на фиг.2 сплошной линией изображены зависимости величины ИОо от величины 1 и ф для различных значений а= при у =г/й =0,5,2 Нгде 01, Оо. - выходное напряжение вихретокового преобразователя (ВТП), установленного соответственно на изделии и в воздухе, Н - зазор между ВТП и изделием, г - радиус меньшей обмотки ВТП (пунктирной линией показаны графики аппроксимирующей функции на тех участках, где они отличаются от реальной зависимости); на фиг,З - зависимости 1(х), илл юстрирующие способ.Устройство, реализующее способ вихретокового контроля материалов, содержит генераторы 1 - 4 переменного тока, управляющие входы которых подключены к блоку 5 управления, э выходы - к коммутатору 6, последовательно соединенные вихретоковый преобразователь 7, вход которого подключен к выходу коммутатора 6, усилитель 8, амплитудный детектор 9 и коммутатор 10, генератор 11 тактовых импульсов, подключенный к управляющим входам коммутаторов 6 и 10, блоки 12 - 15 памяти, входы которых подключены к выходам коммутатора 10, блок 16 вычитания, входы которого соединены с блоками 12 - 14 памяти, блок 17 вычитания, входы которого соединены с блоками 13, 14 и 15 памяти, последовательно соединенные блок 18 умножения, входы которого соединены с выходами блоков 17 и 16 вычитания, компаратор 19 и блок 20 световой индикации, источник 21 опорного напряжения, подключенный к второму входу компарэтора 19,Устройство содержит также последовательно соединенные коммутатор 22, входы которого соединены с выходами блоков 12 - 15 памяти, аналого-цифровой преобразова- тель 23 и вычислительный блок 24, управляющие входы коммутатора 22 и аналого-цифрового преобразователя 23 соединены с выходами вычислительного блока 24, последовательно соединенные одновибратор 25 и счетчик 26, второй вход которого соединен с выходом генератора 1, а выходы - с вторым входом вычислительно го блока 24, Разрешающий ввод информации вход вычислительного блока 24 соединен с выходом компаратора 19.Способ осуществляют следующим образом,Вихретоковый преобразователь 7 устанавливают на контролируемое изделие и проводят четыре такта измерения,его выходных сигналов 01, 02, Оз и 04. В первом цикле вихретоковый преобразователь 7 возбуждают током с частотой в 1, во втором - током с частотой вг =в 1 и, где и1, в третьем - током с частотой щ =в 1/и , в четвертом - током с частотой йм =в 1 иг 10 15 Зависимость О от величины 1 ир точно аппроксимируется выражением вида 0 = Оо + 01 и р на небольшом участке изменения Р (фиг.2), Если измерение проводится при 18 ФВ(например, когда необходима определенная глубина контроля), где точка перегиба зависимости 0 = 1( 1 и Р ) происходит при ф, то необходимо аппроксимировать нелинейные участки зависимости 0 = 1( 1 и ф ), Иначе для этого целесообразно использовать выражение видаО:О, +01(1 ир)", (1) где к - показатель степени;Оо, 01 - коэффициенты,Для того, чтобы зависимость О = 1( 1 и Р ) могла аппроксимироваться выражением (1), она не должна иметь точек перегиба, Для этого после проведения четырех тактов измерения Формируют сигналы Р 1= 02+ Оз - 201 и Р 2 = 04 + 01 - 202. Если Рг Р 1О, то изменяют величину в 1 и соответственно йа, щ и в 4, проводят четыре такта измерения, вновь формируют сигналы Р 1 и Рг и снова проверяют выполнение условия Рг Р 1 = О, Из-за погрешности дискретизации, увеличивающейся по мере различия 01, 02, Оз и 04, реально необходимо выполнение условия 20 25 30 35 40 45(2) Р 1 Р 2Ооп где Ооп О.Частоты в 1,вг,вз и йм итерационно изменяют до тех пор, пока не будет выполняться условие (2), Зто может быть .только е том случае, если Р 1О, Р 20 или Р 2О, Р 1О. При изменении величины в в и раз величина Р изменится в п раз, величина 1 иР изменится на величину Ь= 1 и Й, следовательно, величины Р 1 и Рг пропорциональнывеличинам вторых производ ных в соответствующих точках, т,е.(1 п) 2 (1 пф)выполнение условия (2) означает, что приполученных значениях 8 сформированнаязависимость О = 1 (1 г 1 р) не имеет точек перегиба, так как в противном случае или Р 1 ф О,или Р 2 мО, или же величины Р 1 и Р 2 имеютразные знаки.Выполнение условия (2) позволяет также исключить измерения на участках, близких к линейным участкам зависимости0 = 1 (1 п 8), например, при слишком больших значениях,В(1 п 1 о4), при 33 эили при больших значениях величины зазора, так как и в этом случае Р 1=0 или Р 2:О. Взависимости от величины и и от необходимой степени удаления рабочего диапазонаизменения параметра Р от точки перегибавыбирают значение Ооп,После выполнения условия (2) зависимость О = т (Р) может быть аппроксимирована выражением (1). Покажемвозможность аппроксимации реальной зависимости О .= 1 (Р) выражением (1) на конкретном примере, Количественноуравнение (1) задается тремя параметрами Оо, О 1, и К поэтому для их нахождениянеобходимо взять три интерполирующиеточки, например 1 пр 1 = 1,6, 1 п /Ъ = 2,0 ии 3 з = 2,5.Для различных значений а имеема=0,3; 01= Оо+61 (1,6) =,0,570;02= Оо +О 1 (2,0) = 0,450;Оз = Оо + О 1 (2,5) = 0,340;а = 0,5; 01 = Оо + О 1 (1,6) = 0,695;02= Оо+О 1 (2;О) =- 0,615;Оз= О.+О 1 (2,5)"=0,530;а,0; О 1= О,+01 (1,81 =0840,02= О +О 1 (2,0) =0810;ОЗ= Оо+О 1 (2,5) =0,785.Решая раздельно эти системы, получим:для а =0,3 0=-0,8700+1,7296(1 п р)а = 0,5 О = 1,9750 - 1,1266 (1 и /3 )О 2 1а = 1,0 О = 0,6600+ 0,2643 (1 п Р ) 87Аппроксимирующие кривые, полученные с помощью уравнений (3), изображены на фиг.З пунктирными линиями, Из сравнения реальных зависимостей и аппроксимирующих кривых видно, что в диапазоне интерполяции (1 п Р = 1,6 - 2,5) отклонения обеих кривых не превышают погрешности графических построений, что свидетельствует о воэможности использоеания выражения (1) для аппроксимации реальной зависимости О -(ф), где И - велич проводимостиИспользуя находят ве на удельной электрическойатериала изделия,величины 01. 02, Оз и 04,04 - ОЭичины М 1 =0 и02 - 01 04 - 01М 2 =, для которы02 - 01справедливы равенства04 - Оз02 - 01 с учетом (5)(х +Л) - х 04 - 0102 - 01 г +д)с К(6) Величины полученных сигналов М 1 и М 2уже не зависят от величины коэффициентов Оо й О 1 . Если бы величина показателя К была бы известна, то, используя любое из выражений для М 1 или М 2, можно было бы найти селичину х = 1 и 3 . Но величина М так же как и О, и О 1 зависит от величины де стабилизирующего фактора (например, вы ражения (6, поэтому необходимо в процессе контроля находить реальное значение К,Если величины х и 1 рассматривать как 5 неизвестные искомые величины, то наплоскости хк уравнения 1-1 (х,к,М 1) = 0 и Е 2 (х,к, М 2) = О задают две кривые, где(х+Ь) - х т бес- вокуп 12 на аждае из урачное множести которых и обкости хЕ При 1 кризые Р внешний (7) и (8) име во решений хь Ь, с разуют кривые 1-1 и реальных зна и 1-2 представляю ко но ниях обой Таким образом. после проведения четырех тактов измерения и выполнения условия (2) с учетом (1) имеем01- Оо +01 1 пф)" 5 02.= Оо + О 1 1 п(В( ЪО ; Оз= Оо+О 1 1 п(ф 1(4) 04= Оо+О 1 1 п(иИспользуя тождества 1 п ху = 1 п х + 1 п у, 1 п у = 2 1 и у, систему уравнения (4) преоб 2 разуем к виду 01= Оо+О 1 (х); 02= Оо+О 1 (х+4; (5) Оз= О.+О 1 (х-Л)"; 1504= Оо +О 1 (х+ 2 Л), где х = 1 пф; Л 1 п /и в=кпочти прямые линии, пересекающиеся в одной точке, которая является решением уравнения(х + Ь)" - х"Так как истинные (соответствующие действительности) значения хо и Мо являются решением и уравнения (7), и уравнения (8), то значение хо и 1 о единственной точки пересечения кривых Е 1 и Е 2 является искомым,Следовательно, решая уравнение (9) относительно величин х и М при полученных значениях величин М 1 и М 2, можно найти величину х = и Р(при этом заодно находится величина К которая в дальнейшем для определения величины о не используется), Найдя, решая (9), величин х = 1 ир с учетом выражения Р = Я ио ж 1 О, величину удельной электрической проводимости находят в виде2 х 2(10)е 1 )Ио Ш 1 где ро = 4 л 10 Гн/м - магнитная ПОСТОЯ Н НдЯ,В - радиус большей обмотки вихретокового преобразоватЕля, м,В общем случае показатель к не является целым числом, поэтому аналитически выражения (7) и (8) трудно проанализировать, Покажем, что при реальных значениях Р, Ь и х уравнения (7) и (8) практически являются уравнениями двух пересекающихся прямых. Пусть в некоторый момент контроля а,5, а параметр х = 1 и О 1,7 (условие (2) выполняется), Согласно (3), для а,5 имеем Й,9750, 01- 1,1266, 1( 0,2717; Если и 1,5, то Ь =1 и 1/и,2027325, тогда согласно (5) , 01 0,6736841, 02 й 0,6332342, Озй 0,7178168, 040,5958122, а М 1 - "3,0161874,02 01 М 2 О 0 -1,925145602 - 01на фиг,2 изображены две линии Г 1 и Р 2, которые задаются соответственно уравнениям (7) и (8) для случая М 1 = 3,0161874, У 2:1,9251456. Каждая иэ точек х 1, 1(1, лежащая на прямой Р 1 или Е 2, является одним из многочисленных решений уравнения (7) или (8) соответственно, Иэ фиг,З видно, . что линии Г 1 и Г 2 пересекаются тольков одной точке с координатами хо - 1,7, 1(о - 0,2717.Так как уравнение (12) имеет только одно решение и в этой точке значение функции ( (х+2 Л " - х - Л" )х(х + Л)" - х" будет минимальное, в 1 и Ф - Ф (кхо) - О, поэтому уравнение (9) можно решать чис ленными методами.Покажем на конкретном примере решение уравнения (9) простейшим (но не самым эффективным) методом покоординатного спуска. Он заключается в следующем. Выби рается. некоторое начальное приближение хь 1 о и находится значение функции Ф в этой точке - Ф 1 = Ф (х), к. Каждому значению х и Ь последовательно дается приращение ч Ьи находится значение Ф 2 = Ф (х)+ Ь, Ь), Фз = Ф (х 1 - Ь, К, Ф 4 = Ф (х), К) + Ь), Ф 5 = Ф (хь Ь - Ь). Из величин Ф 1 - Ф 5 выбирается минимальная величина Ф 1 и координаты этой точки принимаются за координаты нового приближения - хь кь Снова 25 находятся Ф 1, Ф 2, Фз, Ф 4, Ф 5 (два из которых будут известны из предыдущего шага), определяется минимальное значение и т.д. Так повторяется до тех пор, пока при выбранном шаге Ь удается минимизировать З 0 величину Ф. Если величину Ф не удается минимизировать, т,е, если Ф 1 - минимальное значение из величин Ф 1 - Ф 5, то величину шага Ь уменьшают (например, в 10 раз) и снова находят Ф 1, Ф 2, Фз, Ф 4, Ф 5 и т,д. Эти операции повторяют до получения необходимой точности вычисления координат тОчки хо, 1(о.В таблице приведен фрагмент решенияуравнения (9) этим методом, Пусть в некото рый момент контроля а= 0,5, после выполнения (2) хо = 1 и Р = 1,7, ко = 0,2717, Измерив величины 01, 02, Оз и 04, получим М 1=3 0161874, М 2=1,9251456. Если предполагаемое значение 0 отличается от реального на 40 то 45 начальнеелеиближеиие х - л ( ф х 14 )- =1 и ( 1,7 1,4 ) 1,9. В качестве начального приближения к) выберем Ь " 0,5, первоначальную величину шага Ь -0,25, чтобы через два шага по координате М не получить к " 0 (при этом знаменатели в выражении (9) будут равны нулю, что недопустимо), незначительно изменим величину кь взяв Ь 0,501,Из первой строчки таблицы видно, что минимальным из Ф 1 - Ф 5 является Ф 5, поэтому в качестве новой координаты выбирается х) = 1,9, К) = 0,501-0,25 хи 0,251. Как видно из таблицы, величины х) и К 1 приближаются к искомым х о = 1 7, Ко = 0,2717Необходимо отметить, что при к = 1 уравнение (9) не решается, так как при к = 1 в уравнении (9) величины х взаимно сокращаются. Однако выполнение условия (2) позволяет исключить измерения при линейной зависимости О = 1 ( и ф ), когда к = 1.Устройство, реализующее способ, работает следующим образом.Оператор устанавливает вихретоковый преобразователь 7 на контролируемое изделие, С помощью генераторов 1 - 4 через коммутатор 6 вихретоковый преобразователь 7 последовательно возбуждают токами с частотами в 1, в 2, вз и в 4 соответственно, Величины частот в 1, й 2, вз и в 4 зависят от величины управляющего сигнала с блока 5 управления, который в одном из вариантов представляет собой регулируемый источник опорного напряжения, а генераторы 1 - 4 представляют собой электронно-перестраиваемые генераторы, Выходной сигнал О вихретокового преобразователя 7 усиливается усилителем 8, а из усиленного сигнала с помощью амплитудного детектора 9 выделяется амплитудное значение. Генератор 11 тактовых импульсов управляет работой коммутаторов 6 и 10 таким образом, что в блоки 12 - 15 памяти заносятся величины сигналов О при возбуждении его токами с частотой в 1,в 2,вз и в 4 соответственно. Таким образом, в блоках 12 - 15 памяти хранятся величины Оз, 01, 0 и 04 соответственно,В блоках 16 и 17 вычитания формируются сигналы Р 1 = 02 + Оз - 201 и Р 2= 04+ 01 - 202 соответственно. Сигналы Р 1 и Р 2 поступают на входы блока 12 умножения, с выхода которого сигнал Р 2 Р 1 поступает на вход компаратора 19, на второй вход которого поступает сигнал с источника 21 опорного напряжения, численно равный величине Ооп Если Р 2 Р 1Оол, т,е. условие (2) выполняетсято на выходе компаратора 19 появляется сигнал и сработает блок 20 световой индикации, Если блок 20 не вырабатывает сигнал, та оператор, изменяя величину сигнала с блока 5 управления (при этом измекяются величины в 1,в 2,вз и йМ), добивается срабатывания блока 20 световой индикации. После зтога оператор сбрасывает показания счетчика 26 (если до этого в нем хранилась информация) и запускает одновибратор, который выдает сигнал определенной длительности. поступающий на разрешающий счет вход счетчика 26. На его второй вход с генератора 1 поступает сигнал с частотой в 1 . 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Таким образом, по окончании счета есчетчике 26 хранится значение величиныв 1 в цифровом коде.Сигналы Оз, 01, 02 и 04 с блоков 12 - 15памяти последовательно поступают черезкоммутатор 22 на вход аналого-цифровогопреобразователя 23 (АЦП 23). После занесения информации о величине в 1 в счетчик26 оператор запускает вычислительныйблок 24. Информация в вычислительныйблок 24 может вводиться только после поступления сигнала на разрешающий входблока 24 с выхода компаратора 19, что предотвращает ввод информации при невыполнении условия (2), После пускавычислительного блока 24 информация о величине в 1 поступает с выходов счетчика 26в вычислительный блок 24, а после этого спомощью коммутатора 22 и АЦП 23 по командам с вычислительного блока 24 информация а величинах 01, 02, Оз и 04последовательно вводится в вычислительный блок 24.Вычислительный блок 24 вычисляет величины М и М 2, решает уравнение (12) паодному из алгоритмов (4), определяет величину о по формуле (13) и выводит ее значение на индикатор, входящий в составвычислительнога блока 24. В зависимостиот условий и вида контроля вычислительныйблок 24 либо непрерывно обрабатывает ин- (формацию (01, 02, Оз, 04), либо работает вждущем режиме, в последнем случае оператор каждый раз после перестановки ВТП 7запускает заново вычислительный блок,Информация о величинах В, Л и"7ро =4 10 к/м может хранитьсяили в постоянном запоминающем устройстве вычислительного блока 24, или вводитсяв него оператором перед началом работы.Получаемая дополнительно в ходе вычислений величина 1 может использоваться дляоценки достоверности контроля,Формула изобретенияСпособ вихретакового контроля, заключающийся в там, что в контролируемом изделии с помощыа еихретоковогопреобразователя возбуждают вихревые токи и измеряют напряжения 01, 02, Оз и 04 вчетырех тактах измерения, в первом тактевихретоковый преобразователь питают током с частотой в 1, во втором такте - такомс частотой в 2 =в 1 п, в третьем такте -током с частотой вз =в 1/и, формируютсигнал Р 1 = 02 + Оз - 201, итерациакноизменяют частоты в 1,в 2 и вз до выполнения заданного соотношения выходныхсигналов вихретокового преобразователя,измеренных в каждом такте измерения, и12 1647375 10 2 Л -х О 4 1 =О01 х+Л) Примечание ф Фз Эначени Номершага личиншага г"4 начение 2,83 10 3.2 Минимальное значе. ние ФЕ, новое значе. ние х "1 9 к" О 251 О 4 Ю 6,43 1 О 050 1,91 10 14 1 О 31 Минимальное значение Фз, новое значение х"1,65 к" 0251,61 10 Минимальное значе. ние Ф 1, ноева величина шага Ь О 025,02 1,65 Минимальное значение Ф 2, новое значение х 1,675 к 0276 определяют измеряемый параметр с учетом совокупности значений 01, 02, 03 и 04 и значения и, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности контроля, в четвертом такте измерения вихретоковый преобразователь возбуждают током с частотой в 4=в 1 п, формируют сигнал Р 2 =" 04+ 01 - 202, итерационное изменение частот в 1,а 2,вз и в 4 проводят до выполнения условия Рт Р 2О и определяют величину удельной электрической проводимости о по формуле е 2 Х оО Гхх 1 где В - радиус большей обмотки вихретокового преобразователя; со - магнитная постоянная; х и К - пара корней уравнения х+2 Л " - х - Л" О 4 - Оз л. Муска оизводс каз 1393 ЬНИИПИ Составитель П. ШкатовТехред М.Моргентал Кор Тираж 406 Подписноеарственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Рауаская наб 4/5 но-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101