Устройство для контроля изделий из ферромагнитного материала

(51156 01 й 27(90 БРЕТ ИДЕТЕЛ У К АВТОРСКОМ 00 ающе- выяв- енных ширева за а приГОСУДАРСТВЕ ЮЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССР(71) Самарский филиал Научно-исследовательского института технологии и организации производства двигателей2) В.С.Митюрин6) Авторское свидетельство СССР)Ф 1577508, кл 6 01 И 27(90, 1990,Карандеев К.Б. Специальные методыэлектрических измерений. - М,-ЛГосэнергоиздат, 1963, с.153, 183-184, 189-192, 168.Приборы для неразрушающего контро ля материалов и изделий: Справочник. Кн.2/Под ред, В.В,Клюева. - М.; Машиностроение, 1989, с.129-133,Терехов Ю.Н., Калинин Н.П. Оценкавозможностей схем первичной обработкисигнала вихретокового преобразователя, -В кнНеразрушающие методы контроля.Вып.5, М.; 1987.Никитин А.И., Васютинский Н,Н., Днепровский В.Я. Контроль толщины стеноктруб. - В сб,; Электромагнитные методыконтроля качества. М.: 1965, Московскийдом НТП им.Ф.Э.Дзержинского, с, 51.Дякин В,В., Сандовский В,А, Теория ирасчет накладных вихретоковых преобразователей. - М,: Наука, 1981, с,97.Дорофеев А,Л., Казаманов Ю.Г, Электромагнитная дефектоскопия, - М.: Машиностроение, 1980, с.196-199,Изобретение касается неразру го контроля и может применяться дл ления прижогов на изделиях изготов из ферромагнитных сталейфЖ 1820315 А 1 2(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ФЕРРОМАГНИТНОГО МАТЕРИА- ЛА(57) Изобретение касается неразрушающего контроля и может применяться для выявле- . ния прижогов на изделиях, изготовленных из ферромагнитных сталей, Цель - расширениеобласти использования, обеспечивается за счет выявления прижогов наферромагнитных изделиях с отстройкой от влияния изменений электропроводности и магнитной проницаемости бездефектного участка изделия, Отстройка от влияния измерения магнитной проницаемости осуществляется амплитудным методом выделения информации, Отстройка от влияния изменения электропроводности осуществляется двухчастотным методом, 4 ил. Целью изобретения является ра ние области использования устрой счет выявления также и дефектов ти жог.На фиг,1 приведена структурная схемазаявляемого уст 1 ойства; на фиг.2 - сеткалиний уравновешивания ветви а 1, с 1, Ь 1 прото вофазного моста на 5 кГц; на фиг.З - сеткалиний уравновешивания ветви а 1, о 1, Ь 1 противофазного моста на 5 кГц; на фиг.4- сеткалиний уравновешивания ветви а 2, с 2, Ь 2 противофазного моста на 1 МГц.Принцип, действия устройства заключается в следующем. Двухпараметровым методом отстраиваются от влияния магнитнойпроницаемости контролируемого изделияна выходные напряжения низкочастотногои высокочастотного противофазных мостов,Метод заключается в том, что регулируют 15элементы уравновешивания мостов такимобразом, что вектора выходных напряжениймостов на комплексных плоскостях напряжений мостов при влиянии магнитной проницаемости на комплексные сопротивления 20вихретокового преобразователя двигаютсяне меняясь по амплитуде по окружностям,центры которых находятся в неподвижныхточках - началах векторов выходных напряжений мостов, . 25При этом при настройке устройства магнитная проницаемость образца меняетсяискусственно с помощью его подмагничива- .ния постоянным током,Отстройка от влияния электропроводности осуществляется двухчастотным методом, который заключается в том, чтопродетектированные выходные напряжения низкочастотного и высокочастотного каналов, одинаковым образом зависящие от 35электрапроводности, взаимно вычитают.Информационными параметрами привыявлении прижогов являются влияний магнитной проницаемости, электропроводности итолщины прижога на комплексное сопротивление вихретвкового преобразователя при боль- .шей рабочей частоте соответственногодографам влияния магнитного слоя на магнитном основании на комплексное сопротивление вихретокового преобразователя. 45При этом для стали ЗОХГСА электропроводность и магнитная проницаемость бездефектных участков изделия примерно равны2,4 МСм/м и 140 соответственно, Прижог "закалки" толщиной 20 мкм уменьшает эти значения до 2,2 МСм/и и 70, Прижог "отпуска"толщиной 20 мкм увеличивает эти значениядо 2.6 МСм/м и 210. Отсюда следует, чтоотносительное изменение магнитной проницаемости больше относительного изменения электролроводности в 5 раз.. Устройство содержит генераторы.1 и 2синусоидальных колебаний, выходы кото рых подключены к входам первого и второгопротивофазных мостов, соответственно,Первый мост выполнен в виде верхней и- нижней ветвей, содержащих левое и правое плечи. Левое плечо верхней ветви содержит последовательно соединенные первый конденсатор 3 и первую индуктивность 4, правоеплечо верхней ветви содержит последовательно соединенные первый резистор 5 и катушку индуктивности вихретокового и реобразователя 6, левое плечо нижней ветви содержит второй конденсатор 10, правоеплечо нижней ветви содержит последовательно соединенные первый переменный конденсатор 9, первый переменный резистор 8 и вторую индуктивность 7. Второй мост также выполнен в виде верхней и нижней ветвей, содержащих левое и правое плечи, Левое плечо верхней ветви содержит третий. конденсатор 17, правое плечо верхней ветви содержит последовательно соединенные второй резистор 11, четвертый конденсатор 12 и катушку индуктивности вихретокового преобразователя б, левое плечо нижней ветви содержит пятый конденсатор 16, правое плечо нижней ветвисодержит последовательно соединенныевторой переменный конденсатор 15, второй переменный резистор 14 и третью индуктивность 13. Точки соединения левых плеч верхней и нижней ветвей и правых плеч верхней и нижней ветвей в первом и втором мостах являются входами мостов, причемточки соединения правых плеч верхней и нижней ветвей в первом и втором мосту соединены между собой. Точки соединения правых и левых плеч нижних ветвей мостов предназначены для подключения к земле, Точки соединения правых и левых плеч вер-.хних ветвей первого и второго мостов являются выходами мосов. Выход первого моста подключен к входу фильтра низкой частоты 18, выход которого подключен к входу первого амплитудного детектора 20, выход которого соединен с первым входом дифференциального усилителя 22, на выходе которого включен индикатор 23. Выходвторого моста. подключен к входу фильтра высокой частоты 19, выход которого подключен к входу второго амплитудного детектора 21, выход которого соединен с вторымвходом дифференциального усилителя 22,Значения элементов мостов рассчитываются и выбираются соответственноотстройке по амплитуде выходных напряжений мостов от влияния магнитной проницаемости и на линейность приращений выходных напряжений мостов от влияния электропроводности.Выбор значений элементов мостов соответственно отстройке по амплитуде выходных напряжений мостов от влияния10 д.+ пр Юс =у ешение этого уравнен для напряжепзси 81"-чаг, 5 Одпсп ниЯ а Ь пРх 1 п сопзт д определени ностей урав 81" - сопзс=чаг, 81"выражения дляентров окружпри х 1 п - чаг,ет следующие координат ц овеш иван ия; магнитной проницаемости осуществляется с помощью сеток линий уравновешивания, которые строятся по методике имеющейся в работе.Обозначим: в низкочастотном мосту сопротивление плеча С 1 Ь 1-21, равное 81+)х 11, сопротивление плеча а 1 с 1-, равное хг, сопротивление плеча а 1 б 1-гз, равное)хр, сопротивление плеча Ь 1 б 1-24, равное 84 +)х 4, в высокочастотном мосту согпротивление плеча сгЬг-р, равное 81 +х 1, сопротивление плеча агсгг, равное)х, сопротивление плеча абг гз, равное )хз, сопротивление плеча Ь 202-24, равное 84 +)х 42, сопротивление вихретокового преобразователя на ниэКОй ЧаСтстЕ мвтп На ВЫСОКОЙ ЧаСтОтЕ мвтп,1 2 емкость 9-с 4Сетки линий уравновешивания ветвей апСпЬп И апбпЬп МОСТОВ ПРЕДСтаВЛЯЮт СОЬОЙ комплексные плоскости напряжений мостов с нанесенными на них траекториями концов векторов относительных напряжеОапсп Оапбпний мостов - и Ь при измененииОапЬ, Оапьпзначений сопротивлений моста х" = чаг, 81" " сопзс,.й 1" = чаг, х 1" = сопз, х 4" = чаг, й 4 " СОПЗТ, й 4 = ЧаГ, Х 4 п "СОПЗ 1.Методика заключается в следующем: относительное напРЯжение плеча апсп моСтаопРеделяется формулой: П - Ь -ОапспЙдапьп )х +)х + 81. Данное уравнение представляет собой дробно-линейную функцию общая форма которой определяется уравнением где е, К д и Ь - постоянные. комплексные величины;р - переменный параметр.Выражение, служащее для определения координат центров окружностей уравновешивания при х 1" = чаг, 81 п "сопзт и 81" " чаг, х 1" = сопзф определяется уравнением: г с,т , Ве -- - .=О,гапЬп 28ОапЬпОапсп ОапСп хД ВаЬоОапЬп 2 хК+ 2 хФ С помощью этик уравнений строятся сетки линий уравновешивания ветвей апспЬп мостов и на сетки наносят годографыкомплексного сопротивления вихретоковогопреобразователя, расположенного над ферромагнитным полуп ространством (фиг,2, 4),При этом увеличение емкостей конденсаторов 3 и 17 сдвигает на сетках линийуравновешивания значения напряжениймоста соответствующих сопротивленияммоста х 1" (и емкостных и индуктивных) и 81"в сторону больших значений этих сопротивлений.Вследствие этого при увеличении емко 25 сти конденсатора 3 начало годографа напряжений моста при расположениивихретокового преобразователя над ферромагнитным полупространством на сетке линий уравновешивания моста, приведенной30 на фиг,2 (т.е. значение напряжений моста,соответствующее равенству нулю индуктивного и вносимого активного сопротивленийвихретокового преобразователя), будетдвигаться по линии х 1 = О, 81 = чаг в сторонубольших значений 81 (к началу координатсо стороны, при которой х 1 = - со). Конецданного годографа, соответствующий максимальному значению индуктивного и нуле-.вому значению активного сопротивлениявихретокавого преобо 1 азователя будет двигаться по линиям х 1 = чаг и 81,= чаг всторону их больших значений (к началу координат со стороны при которой х 1 = + оо),Аналогично, при увеличении емкости 17начало такого же годографа напряжений насетке линий уравновешивания приведенного на фиг,4 бугдет двигаться по линиямх 1 = чаг(здесь х 1 - емкостное сопротивле-,2ние), 81 = чаг в сторону их больших значений (т,е. тоже к началу координат состороны, при которой х 1 = -бо), Конец дангного годографа будет двигаться по линиямх 1 = чаг, 81 "чаг в сторону их большихгзначений (к началу координат со стороны,при которой х 12 " + о),Форма и размеры годографоа напряжений на сетках линий уравновешивания мостов при расположении вихретоковогопреобразователя нд ферромагнитным полу= 1 К 1 Осга 1 ЮОагЬг 131 + Ьд 1 ЛЕНИЙ г 11И 111ОПРЕДЕЛЯКСЯ В ОСНОВ 1:2ном активными сопротивлениями 5 и 11плеч, содержащих викретоковый преобразователь, Следовагельно, эти сопротивле ния необходимо выбирать достаточнобольшими.В результате, формулы приведенныхвыходных напряжений мостов примут вид;0аОс,1, бай а 1г" ( 16" "т ке 1 +1 г 1.1 уИз данных формул следует, что нелинейность приращений выходных напряжений мостов от влияния электропроводности вносят приращения модулей 1 Ьг 11иЬ 1 121.Найдем условия уменьшения данной нелинейности меньше допустимой, Для этого умножим и раз 1 делим легвые части Формулы(1)и(2)на г 11и 211 соответственно и преобразуем формулы:, ю1а,,"1 афарф"г гг 1 гг г )гг(аа 1ай, + р аг,1айсбИз формул следует, что при значениях отношений и меньших 0,11 ЬЬ1 Ьд 11"1 аЬ311нелинейность от влияния 1 Ьц 1и 1 Ьг 11 ослабляется в сотни раз. Следовательно, необходимо уменьшать значения приращений .Ь 211 ии Ж 111 и увеличивать модули сопротивлений 1 г 11 и Ь 11 1 . В противофазных мостах, в режиме,2близком к резонансному модули сопротив 15 Нетрудно доказать что так как приговщения модулей 1 Ьг 11 1, Ьги Л 11 1, Ьк 1 1 определяются, соответственно, одними и теми же приращениями модулей сопротивлений вихретокового преобразователя 20 мвтпи Ьгвтп ,тоданныеприращения2 Гмодулей будут, соответственно, пропорциональны между собой:Ьг 11 = п 1 А,1 .А 1 Г =пг 1 Ь Г,где п 1 и пг - коэффициенты пропорциональности,30 В связи с этим можно записать:,гфТ,о. приращения выходных напряжениймостов при влиянии электропроводности 1 О основыконтролируемого изделия линейны,Если данные напряжения продетектироеать и подать на входы дифференциального усилителя, то можно подобрать коэффициент усиления напряжения на одном из входов 45 дифференциального усилителя таким образом, чтобы напряжение на выходе дифференциального усилителя не зависело от влияния электропроводности основы контролируемого изделия на комплексное сопротивление 50 вихретокового преобразователя, т,е,цагъгМ 1 +1 агъ,йа Ю: +" я 1 ца ъЮс о ьа Ч+1 М 11 н аг, а 1 Оа ь 15 1 м1 ца,ь,11 ,:соМ,Для реализации двухчастотной отстройки от влияния злектропроводности необходимо также, чтобы приращения модулей комплексных сопротивлений вихретокового преобразователя Ьетп " и Ьгвтп(а следовательнои Ь 21 ти Ьт 1 ") при вли 1 2янии электропроводности были пропорциональны между собой. Практика показывает,мвтпчто для малых отношений 1 и2 втптакая пропорциональность соблюетп2дается,Противофазные мосты на низкой и высокой.частотах не шунтируют друг друга. Для того, чтобы низкочастотный мост не шунтировал высокочастотный мост последовательно с конденсатором 3 включена индуктивность 4 так, чтобы общее сопротивление плеча а с на низкой частоте осталась расчетным. При этом на высокой частоте сопротивление индуктивностей 4 и 7 в низкочастотном мосту слишком большие для сопротивлений высокочастотного моста и не шунтируют их. На низкой частоте сопротивления резисторов 11, 14 конденсаторов 16, 17 в высокочастотном мосту слишком большие для сопротивлений низкочастотного моста и также не шунтируют их,Для отстройки от влияния магнитной проницаемости в устройстве применяется образец, изготовленный из того же материала; что и контролируемое изделие с подмагничивающей обмоткой, которая наматывается на часть образца проводом, диаметром 0,2 мм и имеет около 200 витков. Значение подмагничивающего постоянного тока, при котором магнитная проницаемость образца начинает меняться, равно, примерно 50 мА, Сопротивление обмотки постоянному току равно, примерно 40 Ом. Отсюда номинальное напряжение источника постоянного тока, к которому подключается подмагничивающая обмотка, равно 2,5 В. Устройство работает следующим образом,Генераторы 1 и 2 вырабатывают синусоидальные напряжения низкой и высокой частот, соответственно. Вихретоковый преобразователь 6 размещается рабочим торцом на поверхности образца с подмагничивающей обмоткой, подключенной к источнику постоянного тока. Варьированием напряжения источника постоянного тока магнитная проницаемость образца меняется. При этом регулированием переменных резисторов 8, 14 и переменных конденсаторов 9, 15 отстраи 55 сопротивления переменных резисторов 8,14 равны 2 кОм, 15 кОм соответственно,Обмотка вихретокового преобразователя 6 наматывается на ферритовом сердечнике, диаметром около 1 мм, проводом, диаметром 0.01 мм. 5 10 152030404550 ваются от влияния магнитной проницаемости на выходное напряжение устройства.Напряжение низкочастотного моста подается на фильтр низкой частоты 18, который пропускает только низкочастотную составляющую напряжения детектируется первым амплитудным детектором 20 и поступает на первый входдифференциального усилителя 22. Напряжение высокочастотного моста подается на фильтр высокой частоты 19, который пропускает только высокочастотную составляющую напряжения, детектируется вторым. амплитудным детектором 21 и поступает на второй вход дифференциального усилителя 22, Источник постоянного тока выключается. Вихретоковый преобразователь 6 сканируется по бездефектному участку поверхности образца. Регулированием коэффициентов усиленийнапряжений поступаемых на входы дифференциального усилителя 22 отстраиваютсяот влияния электропроводности на выходное напряжение устройства, С выхода дифференциального усилителя 22 напряжениепоступает на индикатор 23, При сканировании вихретокового преобразователя по образцу с прижогом проверяются выявление устройством прижога,Конкретные мосты устройства имеютследующие параметры, рассчитанные и выбранные в соответствии с приведенными выше рекомендациями.Рабочие частоты имеют следующие значения; Р 1 =5 кГц, Г 2 = 1 МГц. Глубины проникновения вихревых токов в контролируемоеизделие рассчитываются по формуле;1д ю - , и при значении удельнойОэлектрической проводимости о, равном 2,4МСмlм и значении относительной магнитной проницаемости,и, равном 120 на частоте 5 кГц д 1 = 0,42 мм, на частоте 1 МГц д 2 еи 0,03 мм.Индуктивность вихретокового преобразователя 6 при его нахождении в воздухе равна 255 мк Г. Сопротивления резисторов 5 и 11 равны 16 Ом и 1,6 кОм соответственно. Емкости постоянных конденсаторов 3, 10, 12, 17, 16 равны 1 мкф, 100 н Ф, 100 пф, 195и Ф, 150 пф соответственно, Индуктивности4, 7, 13 равны 510 мкГ, 32 млГ, 410 мкГ соответственно. Максимальные емкости переменных конденсаторов 9, 15 равны 100 нф, 150 и Ф соответственно. Максимальные14 1820315 13 10 20 25 35 40 Значение индуктивности 9 выбрано довольно большим: 32 млГ, для того, чтобы уменьшить максимальное значение емкости переменного конденсатора 8 до 100 нФ.Сетки линий уравновешивания ветвей а 1 с 1 Ь 1 и а 2 Ь 2 с 2 противофазных мостов на 5 кГц и 1 МГц с нанесенными на них годографами комплексного сопротивления вихре- токового преобразователя расположенного над ферромагнитным полупространством приведены на фиг.2 и 4,Сетка линий уравновешивания ветви а 1 б 1 Ь 1 противофаэного моста на 5 кГц приведена на фиг.3, причем, в качестве реактивного регулируемого параметра взята непосредственно переменная емкость С 4По сеткам линий уравновешивания приведенным на фиг.2, 3, 4 наглядно видны условия отстроек от влияния магнитной проницаемости на амплитуды выходных напряжений мостов, которые заключаются в том, что вектора выходных напряжений мостов б 1 с 1 и б 2 с 2 при влиянии магнитной проницаемости двигаются не меняясь по амплитудам по окружностям.Прижоги снижают прочность и долговечность деталей. Однако приборы для выявления прижогов слабой степени при наличии мешающего влияния структуры металла до настоящего времени отсутствуют. Поэтому выявление прижогов является актуальной задачей, Устройство для контроля изделий из ферромагнитных материалов позволяет выявлять прижоги на ферромагнитных изделиях и этим повышает достоверность нераэрушающего контроля изделий,Формула изобретен и яЪ Устройство для контроля иэделий из ферромагнитного материала, содержащее генераторы высокой и низкой частот, вихре- токовый преобразователь, две мостовые схемы, в одно из плеч каждой из которых включена катушка индуктивности вихретокового преобразователя, фильтры высокой и низкой частот, два амплитудных детектора и индикатор, первые выходы генераторов высокой и низкой частот подключены к точкам соединения левых плеч верхней и нижней ветвей, соответственно. первой и второй мостовых схем, вторые выходы генераторов высокой и низкой частоты обьединены и подключены к точке соединения правых плеч верхней и нижней ветвей первой и второй мостовых схем, точки соединения правых и левых плеч нижних ветвей первой и второй мостовых схем предназначены для подключения к земле, точки соединения правых и левых плеч верхних ветвей первой и второй мостовых схем являются выходами мостовых схем и подключены соответственно к фильтрам низкой и высокой частот, о т л и ч а ю щ и й с я тем,что, с целью расширения области использования эа счет выявления также и дефектов типа прижог, оно снабжено дифференциальным усилителем, первая мостовая схема выполнена в виде верхней и нижней ветвей,содержащих левое и правое плечи, левое плечо верхней ветви содержит последовательно соединенные первый конденсатор и первую индуктивность, правое плечо верхней ветви содержит последовательно соединенные первый резистор и катушку индуктивности вихретокового и реобразователя, левое плечо нижней ветви содержит второй конденсатор, а правое плечо нижней ветви содержит последовательно соединенные первый переменный конденсатор,первый переменный резистор и вторую индуктивность, а вторая мостовая схема выполнена в виде верхней и нижней ветвей, содержащих левое и правое плечи, левое плечо верхней .ветви содержит третий конденсатор, правое плеЧо верхней ветви - последовательно соединенные второй резистор, четвертый конденсатор и катушку индуктивности вихретокового преобразователя, левое плечо нижней ветви содержит пятый конденсатор, а правое плечо нижней ветви - последовательно соединенные второй переменный конденсатор, второй переменный резистор и третью индуктивность, выходы фильтров высокой и низкой частот соединены с входами соответствующих амплитудных детекторов. выходы которых соединены с входами дифференциального. усилителя, выход которого соединен с инди 50. катором, 1820315Т СССР гарина 101 аказ 2027 Тираж Подписное . ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открцтиям и 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 роизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород 4 М А Р