Способ вихретокового измерения параметров электропроводящих изделий

 

Изобретение относится к неразрушающему контролю и может быть использовано для измерения удельной электрической проводимости плоских объектов и толщины их диэлектрических покрытий. Повышение точности измерения удельной электрической проводимости и расширение функциональных возможностей за счет измерения толщины диэлектрического покрытия достигается путем определения зазора между вихретоковым преобразователем и поверхностью контролируемого объекта, при котором выполняется заданное соотношение. Изменяя с помощью микрометрического винта 28 положение каркаса 3, добиваются баланса индикатора 23 нуля. При этом выполняется соотношение ΔV<SB POS="POST">к</SB>/ΔV<SB POS="POST">к</SB>=ΔV<SB POS="POST">э</SB>/ΔV<SB POS="POST">э</SB>, где V<SB POS="POST">к</SB> и V<SB POS="POST">к</SB> - приращения сигналов, обусловленных влиянием контролируемого объекта при двух значениях зазора

ΔV<SB POS="POST">э</SB> и ΔV<SB POS="POST">э</SB> - то же, при взаимодействии с образцовым объектом. Затем с помощью блока 13 возведения в квадрат, блока 14 деления, блока 27 памяти и масштабного преобразователя 15 формируется сигнал, пропорциональный измеряемой удельной электрической проводимости, поступающий на индикатор 16. Толщина диэлектрического покрытия 31 считывается по разности показаний индикатора 29 для точки баланса и начальной точки. 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

„„SU„„ I 543338

А1 (51)5 G 01 N 27/90

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ . Н ASTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ з//

Hz н

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯЫ

ПРИ П4НТ СССР (21) 4385602/25-28 (22) 29.02.88 (46) 15.02.90. Бюл. Ф 6 (71) Куйбышевский авиационный институт им. акад.С.П. Королева (72) А.P Шишкин, В.Н. Буров и В.Т. Кофтелев (53) 620. 179. 14(088.8) (56) Авторское свидетельство .СССР

В 302587, кл. G 01 N 27/90, 1971.

Авторское свидетельство СССР

У 1136071, кл. Г 01 И 27/90, 1985. (54) СПОСОБ ВИХРЕТОКОВОГО ИЗМЕРЕНИЯ

ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩИХ ОБЪЕК, ТОВ (57) Изобретение относится к неразру-. шающему контролю и может быть использовано для измерения удельной электрической проводимости плоских объектов и толщины их диэлектрических покрытий ° Повьппение точности измерения удельной электрической проводимости и расширение функциональных возможностей за счет измерения толщины диэлектрического покрытия достигается путем определения зазора между вихретоковым, преобразователем.и поверхностью контролируемого объекта, при котором выполняется заданное соотношение, Изменяя с помощью микрометрического винта 28 положение каркаса 3, добиваются баланса индикатора 23 нуля. При этом выполняется соотношение . "»/ " » = П,/hu„roe U„H " к приращения сигналов обусловленных

1543338 руется сигнал, пропорциональный измеряемой удельной электрической проводимости, поступающий на индикатор

16. Толщина диэлектрического покры5 тия 31 считывается по разности показаний индикатора 29 для точки баланса и начальной точки. 2 ил.

Изобретение относится к неразрушающему контролю,и может быть исполь- 15 зовано для измерения удельной электрической проводимости плоских объектов и толщины их диэлектрических покрытий.

Цель изобретения — повышение точности измерения удельной электрической проводимости и расширение функциональных возможностей за счет измерения толщины диэлектрического покрытия, достигается путем определения зазора между вихретоковым преобразоВателем и поверхностью контролируемоГо объекта, при котором выполняется заданное соотношение.

На фиг. 1 представлена структурная .30

Схема устройства, реализующего способ; на фиг. 2 — зависимости, поясняющие способ, Устройство, реализующее способ, состоит из вихретокового преобразователя 1, содержащего корпус 2 и располо35 женный в нем диэлектрический каркас

3, на котором размещены возбуждающая катушка 4 индуктивности и соусные с ней две измерительные идентичные меж40 ду собой катушки 5 и 6 индуктивности, расположенные на расстоянии Н друг от друга, а также из последовательно соединенных модулятора 7 и генератора 8, выход которого подключен к катушке 4, последовательно соединенных первого усилителя 9, вход которого подключен к катушке 5, первого амплитудного детектора 10, первого полосового фильтра 11 второго амплитудного

Ф

50 детектора 12, блока 13 возведения в квадрат, блока 14 деления, регулируемого масштабного преобразователя 15 и индикатора 16, последовательно соединенных второго усилителя 17, вход которого подключен к катушке 6, треть

-55 его амплитудного детектора 18, второго полосового фильтра 19, четвертого амплитудного детектора 20, второго влиянием контролируемого объекта

I при двух значениях з аз ора, Ю э и Нэ — то же, при взаимодействии с образцовым объектом. Затем с помощью блока t3 возведения в квадрат, блока 14 деления, блока 27 памяти и масштабного преобразователя 15 формиблока 21 деления, блока 22 вычитания и индикатора 23 нуля. Выход блока 21 деления через последовательно включенные первый ключ 24 и первый блок 25 памяти соединен с вторым входом блока 22 вычитания, выход блока 13 возведения в квадрат через последовательно соединенные второй ключ 26 и второй блок 27 памяти соединен с вторым входом блока 14 деления, второй вход блока 21 деления соединен с выходом амплитудного детектора 12.

Устройство содержит также микрометрический винт 28 и механический индикатор 29 перемещений. С помощью микрометрического винта 28 каркас 3 может перемещаться внутри корпуса 2, а величину этого перемещения измеряют индикатором 29, корпус которого закреплен в корпусе 2 преобразователя 1, а подвижный шток касается поверхности каркаса 3. На фиг. 1 также показано контролируемое изделие 30 и диэлектрическое покрытие 31 на нем толщиной Нэ, Способ осуществляется следующим образом.

Вихретоковый преобразователь 1 питают переменным током с частотой Я, которая изменяется во времени по си нусоидальному закону Я = Я (1 +

+ t з п р t), где t — время, Q — частота модуляции (Q((Q), g — глубина модуляции (| < 1) °

В процессе калибровки вихретоковый преобразователь 1 устанавливают на образцовое изделие (не показано) с зазором между вихретоковым преобразователем 1 и проводящей поверхностью образцового изделия, который должен быть равен величине максимально возможного зазора в процессе контроля между вихретоковым преобразователем 1 и проводящей поверхностью контролируемого изделия 30. Выходное напряжение вихретокового преобразователя 1

154333ß усиливают и выделяют путем детектирования информативную составляющую

U усиленного выходного напряжения преобразователя 1, величина которой будет равна

U = la+ а,$ 1+fsinot+ а а )„(1 + II since))ii., где )е з = кД,М,йз - значение параметра Р в момент, когда ()3 = (0о 1

G - величина удельной электрической проводимости материала образцового иэделия;

R — радиус возбуждающей катушки 4.

Используя разложения 1 + ХХ Х . 1

= 1 + — — -- sin Х = — (1 — cos 2Х)

2 8 2 и выражение (1), получим

U =1а+ а (1+ — «sin9t о )i оэ 2 у а

- -" — + — cos2gt) + a ٠(1 +

16 16 2 - Оз

+ t nini)t)J К. (2) Из информативной составляющей U выделяют и измеряют периодические с частотой F = 2 52 приращения ДБ информативной составляющей, амплитуда которых согласно (2) равна ,2 Нэ К а 16 аэ где а — величина коэффициента а

1

1 при зазоре Н + Ь Н.

После этого находят и запоминают

6U величину —, учитывая, что величид Бэ. ны К, (и изменяются в процессе калибровки значительно меньше, чем величина а,, имеем

Величина ЬБэ не зависит от величины коэффициентов а и а и прямо пропорциональна величине

Величину ЙН э запоминают, задают фиксированное приращение зазора Ь Н и снова измеряют периодические с частотой F = 2Q приращения 5U информативной составляющей. Амплитуда этих приращений равна

И =Waa — P„ (3) 6.Бэ а Г(Но+ Л Н) U а1 Г(Но) ! где G(H) — функция, описывающая зависимость величины а< от Н.

На этом операции, связанные с калибровкой, з аканчиваются.

В процессе контроля вихретоковый преобразователь 1 устанавливают над контролируемым изделием, в общем случае имеющим диэлектрическое покрытие толщиной Н, с некоторым первоначальным зазором Hz между повеРхностью покрытия и вихретоковым преобразователем 1. Величина зазора Н между вихретоковым преобразователем

1 и проводящей поверхностью изделия будет равна Н = Н + Н . Из информа-. тивной составляющей U выделяют и измеряют периодические с частотой F =

= 2 Ю приращения ЬН информативной составляющей. Амплитуда этих прираще25 ний„ аналогично (2), равна 2 (5)

"An Po з К Г оярйц

30 5 „— величина удельной электрической проводимости материала контролируемого изделия; а = G(H + Н ) — величина коэфф 2. фициента а, при зазоре Н =

Н +Н

z °

Величину 1 Б „з апоминают, з адают фиксированное приращение зазора Р Н и снова измеряют периодические с час40 тотой F = 2 g приращения Ь Б информативной составляющей, амплитуда этих приращений равна Б = К а, — „,. (6)

III

45 где а = G(H + Н + 6H) — величина коэффициента а, при зазоре

+ Hz + 6 H

I Нк

Находят величину . Учитывая, Нк что величины К, (и Р „изменяются значительно меньше, чем величина а1, имеем

ЬК, а " Г,(Н + Н + ЬН) ()

ЬЦ, а; Г(Н + Hz) а Нк ЬНэ

Сравнивают величины и " к о э

7 1543338 8

3Р

Если они отличаются друг от друга, — (О. Таким образом, величина то изменяют величину Н . Снова изме- Р (+ Н)С(Н) G((H) G(H +))Н) ряют величины hU и QU находят

С2 (Н) новую величину — и сравнивают с 5

6U»

ЬН» должна быть или больше, или меньше с величиной э . Если сравниваемые нуля. Числитель этого выражения равен

gU и э (H + hH) G(H) — G (H) G(H + Ь Н) = величины отличаются друГ от друга, To t(G (H) + G (H) 6,H)G(H) G(H)PG(H) + величину Н итерационно измевяют до 10 + G (Н) аН = ОН(С (Н)С(Н) — G (Н)2).

Z. а 2 тех пор, пока не будет соблюдаться величины G> (Н) Р О (С (Н)) > О равенство

ЭР

I l 6 Н 7 О, поэтому — (О, если выполhU< Мэ дН

""к "э

15 няется условие

G (H) G(H) < О с заданной степенью точности.

При этом с учетом (7) и (4) имеем

С(н + н) с(н +н +бн) )

G(H ) с(н) + н, а

Анализ известных зависимостей величины выходного наряжения вихретокового преобразователя от величины 8 позволяет сделать вывод, что условие (11) выполняется для трансформаторных преобразователей с определенным значе25

Очевидно, что равенство (9) выполняется, если соблюдается равенство (10) Н, =Н%+ НЕ. нием величины параметра 4 =

I

r - радиус меньшей катушки. Например,, дпя трансформаторного двухкатушечного преобразователя с (=Ä 0,5 относительная величина выходного напряжения в. диапазоне = 0-10 (точки ап-" проксимации = О, 8= 3, = 10) может аппроксимироваться следующими ,выражен иями:

Чтобы равенство (8) выполнялось только лишь при выполнении равенстВа (9), достаточно (но не необходимо)

G(H + Н) чтобы функция У = — — кнл — была монотонна в рабочем диапазоне изменения Н. Для этого достаточно, чтобы — ) О или

ЗР

ЭН выполнялось условие

U — -1 00

Ц Э

О

U — =1 00

Ц Ф о

U — =1 00

У о

U — 1 00 тцт Э

0,110(+ 0,00256(;

0,106 P + 0,00282 Р; прио = О при ()(. = 0,1 при ()4 = 0,3

Об 0908 + Оу 00293/3 1

0,695 P + 0,00264 ; при ()(, = 0,5

2Н где о4= -—

R — величина обобщенного значения зазора H;t амплитуда выходного напряжения преобразователя в воздухе (P =- О).

Таким образом, при < = 0,0; Ы =

= 0,1; о(. = 0,3; ()(. = 0,5 значения соответствующих коэффициентов а равны

-О, 110; -О, 106; -0,0908; -О, 0695. По

55 этим значениям построена зависимость а = С(М,) при = 0„5, которая изоб4 ражена на фиг. 2. На фиг. 2 изображены также аналогичные зависимости при ) = 0,1 и у = 0,75. Из этих зависимостей видно, что при ) = 0,5-0,75 в диапазоне М = 0-0,5 функция С(с() выпукла вниз, т.е. С"(()О > О, G(g) (О, следовательно, условие (10) выполняется, а функция Р(о ) — монотонно убывающая в диапазоне изменения = 0,0-0,5.

Поэтому при выполнении условия (8)

sa счет изменения величины Н (а следовательно, и Н) справедливо равенство (11) .

1543338

1О (14) ны

55

Условие (11) является достаточным, но не необходимым, поэтому условие (8) выполняется только при достижении равенства (10) в более широком диапазоне изменения параметров ю и 1, чем это следует из условия (11) и зависимостей, изображенных на фиг.2.

После достижения равенства (10), измерив величину Н < — величину окончательного зазора Н>, при котором выполняется условие (8), толщину диэлектрического покрытия можно найти по формуле н =н — н„° (12)

Если в процессе контроля величи-, ны коэффициентов передачи блоков, реализующих способ, не изменяются, Il то величина коэффициента а, определяется величиной зазора Н. При выполнении условия (8) величина зазора Н

=- Н + Н„ равна зазору Н, который и жеется при калибровке, поэтому а, = а . С учетом этого и выражений (2) и (5) имеем 1. к о.к (13)

Г3э Ро., отсюда величину G„ìîæíî найти в виде

Устройство, реализующее способ, работает следующим образом.

Перед началом калибровки оператор замыкает ключи 24, 26 и, вращая микрометрический винт 28, заставляет перемещаться каркас 3 вихретокового преобразователя 1 до момента совпадения установочных торцов корпуса 2 и каркаса 3 (до упора). На индикаторе 29 при этом устанавливают значение Нд.

В процессе калибровки на образцовое изделие (без диэлектрического покрытия) устанавливают диэлектрическую пластину (не показана) толщиной Н„, а на нее — вихретоковый преобразователь 1, при этом расстояние между катушками 4 и 5 и проводящей поверхностью изделия 30 равно величине Н,.

О

В течение всей работы устройства возбуждающая катушка 4 запитывается с помощью генератора 8 и модулятора

7 переменным током с частотой И =

=Я (1 + (singt). С измерительных катушек 5 и 6, расположенных соосно на расстоянии Q Н друг от друга, 5

45 сигналы поступают на входы усилителей 9 и 17 соответственно и усиливают ся ими. С помощью амплитудных детекторов 10 и 18 выделяются информативные составляющие U усиленных сигналов, снимаемых с измерительных катушек 5 и 6. С помощью полосовых фильтров 11 и 19, которые пропускают сигналы с частотой F = 2 g, из информативных составляющих выделяют периодические с частотой F = 2g приращения 5U

I э и Ь U соответственно. На выходе амплитудных детекторов 12 и 20 формируются сигналы, численно равные велиI чинам В U и 6 U соответственно. На выходе блока 21 деления формируется

ЬНэ сигнал вЂ, который через замкну э алый ключ 24 поступает и запоминается в блоке 25 памяти. Сигнал (5U) с выхода блока 13 возведения в квадрат через замкнутый ключ 26 поступает и запоминается в блоке 27 памяти. При этом на оба входа блока 14 деления поступает сигнал (ЬБ ), поэтому на

его выходе формируется сигнал, численно равный единице. Изменяя величину коэффициента передачи регулируемого масштабного прео бразователя 15, оператор добивается, чтобы индикатор

16 показал величину(. При этом установленное в процессе калибровки значение К „получается равным величи- не э т ° e ° K п = э.

Не снимая с эталонного изделия преобразователь 1, оператор размыкает ключи 2 4 и 26. В дальнейшем положение этих ключей не изменяется, а в блоках памяти 25 и 27 хранятся величиf

ЕU и (hU ) соответственно. На

3 этом калибровка устройства заканчивается °

В процессе контроля оператор уста.навливает вихретоковый преобразователь 1 на контролируемое изделие 30, которое в общем случае имеет диэлектрическое покрытие 31 толщиной Н

Аналогично процессу калибровки йа выходе блоков 21 и 13 формируются "к сигналы и (уЗ„) соответственно. "к

Изменяя с помощью микрометрического винта 28 положение каркаса 3, то есть изменяя величину зазора Н, оператор, следя за показаниями индикатора 23 нуля, добивается, чтобы на вы1543338

l2 ходе блока 22 вычитания формировался сигнал U,,равный нулю. При U< = 0

У выполняется равенство сигналов

I I — — — и равенство (11). При пере- 5 фк ДПэ

OUI dU мещении каркаса 3 ча величину Н = Н показания индикатора 29 увеличатся на величину Н, поскольку при калибровке на индикаторе 29 выставлено 10 значение -Н, то согласно (12), он показывает величину -Н о + Н» = -Н .

При Н = 0 индикатор 29 также будет

Показывать величину О.

Сигнал (hU<) с блока 13 воэведе- 15

Ния в квадрат поступает на первый

Вход блока 14 деления, на второй вход которого поступает сигнал (duý)

idU и

С блока 27 памяти..Сигнал () по ДП ) 20

Ступает на вход масштабного преобразователя 15 с Kм„=6э С

А э

ДПк

) G>=G< поступает на индикатор 16, 25 который показывает величину (7„.

Использование величины приращения

5 U информативной составляющей U c частотой 2 g позволяет получить линейную зависимость величины 6Б от 30

Величины Р и исключить влияние величин коэффициентов ао и а на точность измерения 5Ä . Совместное измерение

Величины ДБ и итерационное изменеНие зазора, в процессе контроля до

Получения определенного равенства позволяет контролировать толщину Н .. диэлектрического покрытия на контролируемом изделии и исключить влияние

Величины зазора на точность измере- 40 нияз„. Так как для определения величин контролируемых; параметров используются величины ), П и

ЛUK 45 — то результат измерения не завиД11 ° сит от величины коэффициентов преобразования устройств, реализующих

Способ, необходимо только, чтобы в процессе контроля эти величины не изменялись.

Формула изобретения

Способ вихретокового измерения параметров электропроводящих изделий, заключающийся в том, что вихретоковый преобразователь питают переменным током с частотой Я, модулируют ее по гармоническому закону с частотой

Q усиливают выходное напряжение преобразователя, выделяют информативную составляющую U усиленного выходного напряжения преобразователя, выделяют периодические с частотой F приращения 0Б выделенной информатив- ной составляющей, в процессе контроля измеряют величину приращения ДБ, информативной составляющей и корректируют результа-. измерения, о т л ич а.ю щ ий с я тем, что, с целью увеличения точности измерения удельной электрической проводимости и повышения информативности за счет измерения также и толщины диэлектрического покрытия, величину F выбирают равной 2 Д., предварительно преобразователь устанввливают на образцовое изделие с зазором Но, соответствующим верхнему пределу рабочего зазора между торцом преобразователя и поверхностью изделия в процессе контроля, измеряют величину hU приращения информативной составляющей, задают фиксированное приращение зазора b,Н и снова измеряют величину приращения

Ю информативной составляющей, опре1 деляют и запоминают величину ДП /ДБ а в процессе контроля задают фиксированное приращение зазора ДН измеряЭ ют величину приращения hU» информативной составляющей определяют велиl

У чину Д U„/dU q, сравнивают величины

d, Б»/dU у и d U >/Юэ, изменяют величину зазора Н вплоть до получения равенства d. U /dU = Щ /ЬБэ, после чего определяют величину dU /U> и перемещение Н преобразователя, а удельную электрическую проводимость контролируемого изделия и толщину Н диэлектрического покрытия на контролируемом изделиии находят из соотношений

Q =&э(М1» ЕUp,); H = Ho "к ° где (э,5 „. — удельная электрическая проводимость контролиру- емого и образцового изделий соответственно.

1543338

-о,оч

00Е

Составитель П. Шкатов

Редактор М, Недолуженко Техред А,Кравчук Корректор И. Самборская

Тираж 508

Подписное

Заказ 398

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретенйям и открытиям при ГЕНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101