Способ определения электрических и магнитных параметров цилиндрических изделий
Изобретение может быть использовано при неразрушающем контроле магнитной проницаемости и удельной электрической проводимости дилиндрических ферромагнитных изделий проходными преобразователями. Способ определения электрических и магнитных параметров реализован в устройстве . В цилиндрическом ферромагнитном изделии (ЦФМИ), помещенном в проходной ферромагнитный преобразователь 1, однородным осесимметричным переменным магнитным полем (ПМП) возбуждают вихревые токи. Одновременно измеряют напряжение, не зависящее от свойств ЦФМИ. Затем определяют текущее значение относительного вносимого напряжения, являющееся комплексным сигналом, из него выделяют действительную составляющую. Далее изменяют частоту тока возбуждения ПМП, добиваясь получения максимального значения действительной составляющей относительного вносимого напряжения, и регистрирлпот его. Определяют значение магнитной проницаемости, уменьшают частоты тока возбуждения ПМП до тех пор, пока действительная со(- тавляющая относительного вносимого напряжения не уменьшится в об раз. Измеряют частоту тока возбуждения ПМП и определяют значение удельной электрической проводимости изделия КЗ соотношения, приведенного в описании изобретения. Устройство содержит генератор 6 управляемого напряжения , амплитудный детектор 7, делители 8, 13, блоки Б 9, 10 выборкихранения, Б 11, 14 сравнения, коммутатор 12, вычислительный Б 15, преобразователь 16 частоты в напряжение , линию 17 задержки, дифференци-; альную цепь 18, компаратор 19, фор- . мирователь 20 импульсов записи. Способ имеет высокую точность измерения. 2 ил. ш (Л
СОЮЗ СОНЕТСНИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИН (19) (ff) А1
1511 ф G 01 N 27/72
Фиг 1
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ
ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ
ПРИ ГКНТ СССР
° (21 ) 4157349/24-21 (22) 08.12,86 (46) 30.12.88. Бюл, Ф 48 (71) Омский политехнический институт (72) Д.К.Пискунов, В.10,Селезнев, С.M.Äoáðoâoëüñêèé, С.А.Хапров и Г.П.Филей (53) 621.317,44(088.8) (56) Герасимов В,Г. Электромагнитный контроль однослойных и многослойных изделий. М,: Энергия, 1972, c. .28-31 °
Приборы для неразруыающего контроля материалов и изделий. Справочник под ред. В.В.Клюева, т. 2, M.: ,Машиностроение, 1976, с. 91, 94, 99, 105, 134. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ И МАГНИТНЫХ ПАРАМЕТРОВ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ (57) Изобретение может быть использовано при неразрушающем контроле магнитной проницаемости и удельной электрической проводимости цилиндрических ферромагнитных изделий проходными преобразователями. Способ определения электрических и магнитных параметров реализован в устройстве, В цилиндрическом ферромагнитном изделии (ЦФМИ), помещенном в проходной ферромагнитный преобразователь
1, однородным осесимметричным переменным магнитным полем (ПМП) возбуждают вихревые токи. Одновременно измеряют напряжение, не зависящее от свойств ЦФМИ. Затем определяют текущее значение относительного вносимого напряжения, являющееся комплексным сигналом, из него выделяют действительную составляющую. Далее изменяют частоту тока возбуждения ПМП, добиваясь получения максимального значения действительной составляющей относительного вносимого напряжения, и регистрируют его. Определяют значение магнитной проницаемости, уменьшают частоты тока возбуждения ПМП до тех пор, пока действительная составляющая относительного вносимого напряжения не уменьшится в о раз.
Измеряют частоту тока возбуждения
IIMII и определяют значение удельной электрической проводимости иэделия из соотношения, приведенного в описании изобретения. Устройство содержит генератор 6 управляемого напряжения, амплитудный детектор 7, делители 8, 13, блоки Б 9, 10 выборкихранения, Б 11, 14 сравнения, коммутатор 12, вычислительный Б 15, преобразователь 16 частоты в напряжение, линию 17 задержки, дифференци-, альную цепь 18, компаратор )9, формирователь 20 импульсов записи. Способ имеет высокую точность измерения.
2 ил.
I 448260
Изобретение относит"я к измери-. тельной технике и мажет быть испальзовано при неразрушающем контроле магнитнои проницаемости и удельнои элек5 трической проводимости цилиндрических ферромагнитных изделий проходными преобразователями.
Целью изобретения является повьпоение точности определения магнитной проницаемости и удельной электрической проводимости цилиндрических ферромагнитньах изцелий эа счет исключенш. операции калибровки преобразователя по эталонному изделию и связанной с этим погрешности определения параметров изделия в широком диапазоне их изменения, На фиг. 1 приведена функциональная схема устройства дня осуществле- о0 ния способа; на фиг. 2 — годаграф
Величины,Ъ! 3„(77) е
Устройство содержит проходной элек. тромагнитный преобразователь I, состоящий из двух последовательна Вклю- 2! ченных намагничива.ощих обмоток 2 и 3 и двух встречно включенных измерительных обмоток 4 и 5р причем намагничивающая обмотка 2 соецине=:- с выходом генератора 6 управляемога на-пряжения (ГУН); амплитудный детектор (АД) 7, вход которого подключен к второй измерительнои обмотке з, а
Выход.- к второму входу первого делителя (Д) 8 ; первый блок 9 выборкихранения (БВХ), вход записи которого подключен к выходу Д 8", второй блок 10 выборки-хранения (БВХ),вход записи которого соединен с выходом
БВХ 9, а вход управления — с выходом первого блока 17 сравнения (БС); ком- . мутатор (KON) 12, первый вход которого соединен:с выходом БВХ 10, а второй — с выходом второго делигеля
13, вход которого подключен к выходу
БВХ 10; второй блок 14 сравнения, вычислительный блок (В1>) 15, преобразователь 16 частоты в напряжение (ПЧН), линию 17 задержки, дифференцир чОщую цепь (ДЦ) 18, ВХОД коTopoH соединен с обмоткой 5, а выход — с первым входом компаратора (K) 19, второй вход которого заземлен; формирователь (Ф} 20 импульсов записи„ вход которого подключен к выходу K
19, а выход — к входу управления
БВХ 9, В основу способа положена связь действительной составляющей относительного вносимого напряжения и частоты тока возбуждения с магнитной проницаемостью и удельной электрической проводимостью ферромагнитных материалов.
Выражение для относительного вносимого напряжения „. используемого при бесконтактном измерении электромагнитных параметров цилиндрических из,целий, записывается В виде
77 (N)= ---- — - =.,-lr (lulL (77)-1), (7)
77(И}-V, где U — напряжение холостого хода!!, найденное при отсутствии цилчндра внутри проходного преобразователя H равное
Vo 7(о7 11!4:7о" б р е
U(N} — напряжение ца измерительной обмотке проходного преобразователя с цилиндрическим изделием, расположенным внутри обмотки возбуждения и равное
"If+ f7;} !
Я 2
"=(--) — коэффициент заполнения рав*= в- .-- н- -:= ный отнощению пло агади поперечного сечения цилиндра к площади„ охватываемай контуром измерительной обмотки;
2:1:, (7I) (N ) = — -- —.— — эффек тивная магнит1- эзар NI (Nтная проницаемость цилиндра;
N=> MUG — обобщенный параметр, характеризующий процессы, ripoхоцящие внутри изделия;
P — магнитная постоянная .
Ы вЂ” круговая частота тока возбуждения, ю „. — число витков измерительной ! б
Обмо тки
Н вЂ” амплитуда напряженности магнитного поля на поверхности цилиндра;
R — радиус измерительной обмотИ кир
R — радиус цилиндра; — удельная электрическая проводимость
p — начальная магнитная проницаемость;
I и Т„ — модифицированные функции
Бесселя первого рода соответственно нулевого и первого порядков, 14482
0„(Н)= - т (И)+ (рВер (И)-1), (2) где Rep (N) — действительная составляющая эффективнвй магнитной проницаемости цилиндра;
Т j (N) — мнимая составляющая эффективной магнитной проницаемости цилиндра, Как следует из формулы (2) и года графа j p><>(N ) согласно фиг, 2 дей- 2п ствительпая составляющая относительного вносимого напряжения Ве11н(И) достигает максимума при там же значении обобщенного параметра N, что и
Ве()р <(N) ). Обозначим это значение 25 через 11 . Отсюда максимальное значение действительной составляющей относительного вносимого напряжения записывается в виде максВеУ н(11)=рмаксВе((М) ) . (3) В цилиндрическом ферромагнитном изделии, помещенном в проходной ферромагнитный преобразователь 1, однородным осесимметричным переменным магнитным полем возбуждают вихревые таки, Последние наводят в измерительной обмотке 4 электромагнитного
Ф преобразователя 1 напряжение У(И), 45 зависящее от свойств изделия. Одновременно с помощью второй (идентичной первой) измерительной обмотки 5 преобразователя 1 измеряют напряжение
U, не зависящее от свойств изделия.
50 Затем определяют текущее значение относительного вносимого напряжения по соотношению
U(N) -Uo
U (И)=
su о
Полагают,что радиус изделия R а значит, и коэффициент заполнения известны, В алгебраической форме величину относительного вносимого напряжения преобразователя записывают
При этом очевидно, что точка указанного максимума единственна (фиг. 2), а так как значение максВе(ф (11)) может быть вычислено с заданной точностью и, следовательно, принято в дальнейшем за константу $2j, формула для вычисления начальной магнитной проницаемости запишется в виде
1 максВеУ (Б) (4)
j xazcRe7jр, „7077 т,е, для определения р достаточно измерить максимальное значение действительной составляющей относительного вносимого напряжения.
Максимальному значению ReU (N) со н ответствует вполне определенное значение обобщенного параметра N которое также может быть найдено с заданной точностью. Данное значение
Б можно исчолвзовать для определения электрической проводимости 6 .
Однако в этом случае погрешность определения б может быть значительна, поскольку даже малая погрешность в определении максимума влечет значительную погрешность определения ча60 стоты, соответствующей максимуму (Фиг, 2). Поэтому с целью достижения минимальной погрешности измерения уменьшением частоты добиваются выполнения равенства
RelJ (N< ) ь максВе116н(11 ) где Ы. — ко нс тант а.
Из формул (2), (3) и последнего равенства получаем
Re(gp><(Nz) ) =
Выражение (5) устанавливает простое соотношение между двумя точками годаграфа Ug„{ N), позволяющее по максимальному значению ReU„„(N) и коэффициенту найти значение ВеЦ,(11 ), которому соответствует обобщенный параметр Nz. Данный параметр исполь" зуют в дальнейшем для определениями, Особую точку Nz на годографе выбирают по максимуму производной
dRe(i« Как показали расчеты, этот максимум наблюдается в случае, если 0 лежит в диапазоне 1,18-2, так как именно в этом диапазоне достигается компромисс между погрешностью измерения Веб,„(N) и методической погрешностью определения .частоты Я . Предложенный способ осуществляют следующим образом. Из текущего значения относительноФ го вносимого напряжения U „(N) являющегося комплексным сигналом, выделяют действительную составляющую 1чч 8260 BeUsö(N) . Изменяют частоту г1 тока возбуждения переменного магнитного поля, добиваясь получения максимального значения действктельной составляющей относительного вносимого напряжения BeIJÄ(N). При достижении максимального значения действительной составляющей относительноro вносимого напряжения U (N) зто значение реgW гистрируют. Используя полученное значение действительной составляющей относительного вносимого напряжения максВе0 (N) gt> Э определяют значение магнитной проницаемости по соотнощению Веи„,(1г) где, максВе(р,„(11) ) - константы. Затем уменьщают частоту тока. возбуждения переменного магнитного поля до тех пор, пока действительная составляющая относительного вносимогс— напряжения HeU (N) не гменьщится в ОИ рС раз. В этот момент измеряют частоту тока возбуждения переменного магнитного поля Сд . По измеренному значению ча<"тотьг к найденному ранее значению магнит. ;=ой проницаемости 1п определяют значение удельной электрической проводимости 6 изделия по соотногпению „..2 11 7 (8) Юог1 Б где М,, — значение обобщенного параметра, соответствующее зна-" чению действительной составляющей относительного вноси - 4g мого напряжения, равного максВеби(И) с6 Способ может быть реализован устройством, изображенным на фиг, 1. Работу устройства рассмотрим для случая Ы. =-2. Амплитудный детектор 7 предназначен для выделения модуля. напряжения Il lt холостого хода, наводкмого во вто " рой измерительной обмотгое 5 преобразователя 1. Выч и слк тел ь ный Ол 0 к 1 5 p e алк 3 уе т операции вычисления выражений (4) и (8). Второй делитель 13 предназначен для получения половинного значения действительной составляющей относи.— тельного вносимого напряжения, õðàнкмого в БВХ 10. Дкфференцкрующая цепь 18„компаратор 19, формирователь 20 сггужат для формирования импульсов записи действительной составляющей относительного вносимого напряжения 1„(Б) в ЬЧ требуемый момент времени. Устройство работает следующим образом, В начальный момент, после включения устройства, запускается ГУН 6, причем его выходная частота устанавливается минимальной. С помощью ГУН 6 и первой намагничива:ощей обмотки 2 I3 изделии., помещенном II ОгмотKH 2 H 4 преобразователя 1, возбуждаются вихревые токи, которые наводят в измерительной Обмо гке ч преобразовате> ля 1 напряжение Й(N), велкчкeà которого Определяется электромагнитными свойствами изделия. В измерительной обмотке 5 с г>омощыо ГУН 6 к намагнкчквающей ОбMoT сН 3 HBD0$III rc>! папряжеГУ 1t нке холостого хода Й„., величина которого не зависит От электромагнитных свокств изделия, С первой измерительной обмотки ч переменное напряжение пос-,упает на г ервый вх-..д Д 8, На цругой вход Д 8 поступает. ск.гнал е >АД 7,, который =>r>I !et-яет модуль н пряженкя хог>О стО! ходя>, наводимОго во второй кзмерктельной обмотке 5.; С выхода Д Я напряженке подзется на вход =-ar!кск hBX 9. Занесение значений напряжения в БВХ 9 осуществляет R B Оггределенные моменты, формируемые ДЦ 18, 19 и Ф 20, Эти блоки вме=те с БВХ 9 образуют схему выделения действительной составляющей кз напряжения, снимаемогo е первО О Д 8, Построение схемы выделения к ее работы отвечает процессу получения действительной части кз сигнала, описываемого выражением вида А s п(го1+ +ц ), где А — модуль, ср — разность фаз. В случае выполнения условий t=0 и сдвкга В 90 сигнал преобразуется к виду А со">q, что явггяется значением определяемого параметра, Таким образом, в БВХ 9 храчится значение дейс твктелъ ной со ст авляющей в но симого напряжения 11 н, соответствующее определенной частоте тока возбуждения, Схема, включающая БС Il и БВХ 10, обеспечивает определение макси260 где р и т-»вн(N) 7 1448 мального значения действительной составляющей Usö. Для этого значение величины из БВХ 9 сравнивается в БС 11 со значением, содержащимся в БВХ 10. БС 11 формирует сигнал записи действительной составляющей Uù в БВХ 10 только в том случае, если значение, хранящееся в БВХ 9 больше, чем в БВХ 1О. Цикл поиска происходит в ча- 10 стотном диапазоне, обеспечивающем четкий "захват" максимума. Дпя этого служит цепь, образованная блоками 9 и 10, коммутатором 12 и вторым блоком 14 сравнения. Частота генератора 15 6 возрастает до тех пор, пока на первом выходе hC 14 присутствует сигнал, свидетельству:вщш"; о том, что сигнал на выходе БВХ 9 не стал меньшим или равным 0,8 максимального зна- 20 чения, записанного в БВХ 10 которое поступает на БС 14 через КОМ 12. При выполнении данного условия, вопервых, напряжение на БВХ 1О, пропорциональное максимуму HeU,„, посту- 25 пает на блок 15, во-вторых, коммутатор 12 подключает к входу БС 14 выход Д 13, а следовательно, половинное значение MBKcPiBUBH поступает на вход БС 14, в-третьих, БС 14 перево- 30 дит ГУН 6 в режим уменьшения частоты возбуждения и, в-четверть1х, блок 15 производит вычисление значения магнитной проницаемости 1тт по соотношению (4) ° После этого в БС 14 осуществляется сравнение действительной составляющей Йв„с выхода БВХ 9 с половиной ее максимального значения. В момент равенства этих величин БС 14 вырабатывает сигнал запрета на изменение частоты ГУН 6, По этому сигналу с выхода преобразователя 16 на блок 15 приходит напряжение, эквивалентное частоте тока возбуждения. Этот сигнал через промежуток, определяемый времеНем преобразования частоты в напряжение в ПЧН 16, через линию 17 задержки поступает на вход управления блока 15, разрешая вычисление значения удельной электричес- 50 кой проводимости 5 по соотношению (8). При этом блок 15 может быть выполнен в виде аналогового или цифрового процессора (в последнем случае на его аналоговых входах устанавливаются соответствующие ЛЦП), работающего по описанному алгорнтму. В предложенном способе устранен ряд методических погрешностей, обусловленных использованием эталона и номограмм. Точность способа при этом возрастает приблизительно в 1,5 раза, расширяется диапазон контролируемых изделий. Формула и з о б р е т е н и я Способ определения электрических и магнитных параметров цилиндрических изделий, включающий последовательное воздействие на образец однородным переменным осесимметричным магнитньвт ттолем двух различных частот, регистрацию относительного вносимого напряжения на обеих частотах, о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения точности способа, в процессе регистрации относительного вносимого напряжения выделяют его действительную составляющую, при этом частоту однородного переменного осесимметричного магнитного поля сначала изменяют до момента достижения максимума действительной составляющей относительного вносимого напряжения, значение которого регистрируют, а затем уменьшают частоту до момента, когда действительная составляющая относительного вносимого напряжения уменьшится по сравнению с зарегистрированным значением в от. раз, и .регистрируют соответствующую частоту однородного переменного осесимметричного поля, а начальную магнитную проницаемость и удельную электрическую проводимость контролируемого изделия определяют из соотношений MazcReU Ä(М) 2 PPîÆ соответственно начальная магнитная проницаемость и удельная электрическая проводимость контролируемого иэделия; относительное вносимое напряжение; обобщенный параметр; значение обобщенного параметра, соответствующее частоте Я однородного переменного осесимметричного магнитного поля, при которой действительная Корректор В .Гирняк Заказ 6841/49 Тираж 847 Подписное БНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Н-35, Раушская наб., д. 4/5 Производственно-полиграфическое предприятие, r. Ужгород, ул. Проектная, 4 9 1448260 составляющая относительного вносимого напряжения уменьшилась по сравнению с зарегистрированным значением в eL раэ {eC— константа); Составитель С.Шумилишская Редактор М.Келемеш Техред Л. Сердюкова )о - коэффициент заполнения; - радиус контролируемого иэделия; — магнитная постоянная; — эффективная магнитная проницаемость цилиндра.
