Способ вихретокового контроля

 

Изобретение относится к неразрушающему контролю и может быть использовано для измерения удельной электрической проводимости. Цель изобретения - повышение точности контроля. Это достигается за 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 , , саз и п UM ft)i п . Соответствующие напряжения Ui, , Ua и LM, вносимые в вихретоковый преобразователь 7, заносятся в блоки 12, 13, 14 и 15 памяти. В блоках 16 и 17 вычитания формируются сигналы Pi U2 + + Уз - 2Ui и Р2 U4 + Ui - 2Ua. На выходе блока 18 умножения формируется произведение Pi Ра, а частота wi регулируется до выполнения условия Pi Р2 0. Полученная величина ей заносится в счетчик 26, запускается вычислительный блок 24 и определяется величина удельной электрической проводимости. 3 ил.. 1 табл. ч ч Ё

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (Я)5 G 01 N 27/90

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР.1

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4458163/28 (22) 11.07.88 (46) 07.05.91, Бюл. М 17 (71) Куйбышевский авиационный институт им. акад. С.П.Королева (72) А.P.Øèøêèí и В.Н.Буров (53) 620.179.14 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

N. 1216716, кл. С 01 N 27/90, 1986.

Авторское свидетельство СССР

1Ф 1374120, кл. 6- 01 N 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

<1 > . Ж" 1 647375 А1 генераторов 1, 2, 3 и 4 через коммутатор

6 вихретоковый преобразователь 7 последовательно возбуждают токами с частотами М, а2 = В и, Са =СО /п и ац =а n . Соответствующие напряжения 01, 02, 03 и 04, вносимые в вихретоковый преобразователь 7, заносятся в блоки

12, 13, 14 и 15 памяти. 8 блоках 16 и 17 вычитания формируются сигналы Р1 = 02+

+ 0з — 20 и Р2 = 04+ 01 — 202. На выходе блока 18 умножения формируется произведение Р> Р2, а частота аИ регулируется до выполнения условия Р1 Р2 > О. Полученная величина оН заносится в счетчик 26, запускается вычислительный блок 24 и определяется величина удельной электрической проводимости. 3 ил., 1 табл.

1647375

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 вихретокового контроля; на фиг.2 сплошной линией изображены зависимости величины

О/Uo от величины InP для различных значений a= при у =г/R =0,5, 2Н где 01, 0>.— выходное напряжение вихретокового преобразователя (ВТП), установленного соответственно на изделии и в воздухе, Н— зазор между ВТП и изделием, r — радиус меньшей обмотки ВТП (пунктирной линией показаны графики аппроксимирующей функции на тех участках, где они отличаются от реальной зависимости); на фиг,3 — зависимости k(x), илл юстрирующие способ.

Устройство, реализующее способ вихретокового контроля материалов, содержит генераторы 1 — 4 переменного тока, управляющие входы которых подключены к блоку

5 управления, а 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 компаратора 19, Устройство содержит также последовательно соединенные коммутатор 22, входы которого соединены с выходами блоков 1.2—

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 вычислительно5

15 (2) Р1 Р2 — 0оп где 0оп> О.

Частоты в1,аг,щ и в4 итерационно изменяют до тех пор, пока не будет выполняться условие (2). Зто может быть только втом случае,,если Рj > О, P2 > О или P2 < О, P> < 0. При изменении величины а) в п раз величина Р изменится в /и раз, величина ЬР изменится на величину «Ь= In й, следовательно, величины Р1 и P2 пропорциональны величинам вторых производ ных в соответствующих точках, т.е.

45 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, 0г, Оз и U4. В первом цикле вихретоковый преобразователь 7 возбуждают током с частотой си1, во втором— током с частотой сог =N1 и, где n > 1, в третьем — током с частотой с93 =в1/и, в четвертом — током с частотой а4 = в1 п г

Зависимость 0 от величины In/ точно аппроксимируется выражением вида U =до+01 In/ на небольшом участке изменения ф (фиг.2). Если измерение проводится при j9 В*(например, когда необходима определенная глубина контроля), где точка перегиба зависимости U = f (In P ) происходит при f3*, то необходимо аппроксимировать нелинейные участки зависимости

0 = f (Ь P ), Иначе для этого целесообразно использовать выражение вида

U = o +% (In/)" (1) где к — показатель степени;

Оо, 0 — коэффициенты, Для того, чтобы зависимость 0 = f { In p ) могла аппроксимироваться выражением (1), она не должна иметь точек перегиба. Для этого после проведения четырех тактов измерения Формируют сигналы P> = 02+ 0з — 201 и P2 = 04 + 0 — 202. Если Рг Р1 О, то изменяют величину со1 и соответственно

602,щ и в4, проводят четыре такта измерения, вновь формируют сигналы Р1 и Р2 и снова проверяют выполнение условия

Рг P> = О. Из-за погрешности дискретизации, увеличивающейся по мере различия 01, 02, 0з и 04, реально необходимо выполнение условия

1647375 д20 620

Р1, Pz поэтому

8(In j3) выполнение условия (2) означает, что при полученных значениях Р сформированная зависимость U = f {in/) не имеет точек перегиба, так как в противном случае или Р1 О, или Р2мО, или же величины Р1 и Pz имеют разные знаки.

Выполнение условия (2) позволяет также исключить измерения на участках, близких к линейным участкам зависимости

U = f (In J3), например, г1ри слишком больших значениях /{in/> 4), при t? P* или при больших значениях величины зазора, так как и в этом случае Р1 О или Р2=0. В зависимости от величины п и от необходимой степени удаления рабочего диапазона изменения параметра Р от точки перегиба выбирают значение Орп.

После выполнения условия (2) зависимость U = f (P) может быть аппроксимирована выражением (1). Покажем возможность аппроксимации реальной зависимости U =- f (P) выражением (1) на конкретном примере, Количественно уравнение (1) задается тремя параметрами Ор, 81, и К поэтому для их нахождения необходимо взять три интерполирующие точки, например inp1 = 1,6, In t?z = 2,0 и

In/a =2.5.

Для различных значений а имеем а=0,3;01= 8, +81 (1,6) =,0,570;

02 = Ор +81 (2,0) = 0,450;

03 = — .Ор + 81 (2,5) = 0,340; а =0,5; 01= Ор+81 (1,6)"=0,695;

02 = Ор + 81 (2;О) =- 0,615;

0з= 8. +81 (2,5)"=0,530; а-1,0; U> = 0o +Oi (1,6 =0,840.

02 = Oo + 81 (2,0) = 0,810;

0з = Ор + 81 (2,5) = 0,785.

Решая раздельно зти системы, получим: для а =0,3 U=-0,8700+1,7296(ln p) а = 0 5 U = 1,9750 — 1,1266 (! и ft )о 2 1 а = 1,0 0 = 0,6600+ 0,2643 (1п P ) о 8 7 .

Аппроксимирующие кривые, полученные с помощью уравнений (3), изображены на фиг.3 пунктирными линиями, Из сравнения реальных зависимостей и аппроксимирующих кривых видно, что в диапазоне интерполяции (In/ = 1,6 — 2,5) отклонения обеих кривых не превышают погрешности графических построений, что свидетельствует о воэможности использоеания выражения (1) для аппроксимации реальной зависимости U - f (P), Таким образом. после проведения четырех тактов измерения и выполнения условия (2) с учетом (1) имеем

01=- 8. +81 In{/)":

5 02=- Ор +81 1и(!?(й ));

03 = Ор + 81 In{@ vn )); (4)

04 = Ор + 81 In(p ° и ))", Используя тождества 1п ху = ln х+ fn у, 1п у = 2 in у, систему уравнения {4) преоб2= разуем к виду

01 = Op + 81 (х) ;

02= Oo +81 (X+ Ь); (5)

0з= О.+О (х-Л)";

U4= Ор +81 (х+ 2Л), где х= lnф;

Л In n

lf= м. и где 0 — величина удельной электрической проводимости материала изделия.

Используя величины U1. Uz, 0з и 04, 04 — 0Э находят величины M1 = и

02 — 01

U4 — U1

25 М2 =, для которых с учетом (5)

0z — 01 справедливы равенства

04 03 х+2Л вЂ” х — Л

k k

M1— — {х+Л) — х"

04 — 01 х+2Л вЂ” х

М2 — х+Л -х" х

Величины полученных сигналов М1 и М2 уже не зависят от величины коэффициентов Ор и 81 . Если бы величина показателя k была бы известна, то, используя любое из выражений для М1 или Mz, можно было бы найти селичину х = In/ . Ho величина k так же как и О, и 81 зависит от величины де40 стабилизирующего фактора (например, вы ражения (6)), поэтому необходимо в процессе контроля находить реальное значение k.

Если величины х и k рассматривать как

45 неизвестные искомые величины, то на плоскости xk уравнения F1 (х,k,M1) = 0 и

Fz (x,k,Ìz) = О задают две кривые, где

F1{x, k, М1)

50 {х+Л) х — M1 =О (7) М2 =О

Р2{х k|М2) (х + Л)" — х" (8) Каждое из уравнений (7) и (8) имеет бесконечное множество решений хь ki, совокупности которых и образуют кривые F1 И Fz на плоскости xk. При реальных значениях

8 . .Ь и k кривые F1 и Fz представляют собой

1647375 почти прямые линии, пересекающиеся в одной точке, которая является решением уравнения (х — Л)" — х"

+(„„Mz)z =0 (9) (х +h)» — х"

Так как истинные (соответствующие действительности) значения хо и ko являются решением и уравнения (7), и уравнения (8), то значение хо и ko единственной точки пересечения кривых F> и Fz является искомым, Следовательно, решая уравнение (9) относительно величин х и k при полученных значениях величин М1 и Mz, можно найти величину х = In ф(при этом заодно находится величина К которая в дальнейшем для определения величины о не используется). Найдя, решая {9), величин х = In/ c учетом выражения P = Я,ио ж1 О, величину удельной электрической проводимости находят в виде гх г (10)

R /4о Ш1 где p< = 4 л . 10 Гн/м — магнитная постоянная;

R — радиус большей обмотки вихретокового преобразователя, м.

В общем случае показатель k не является целым числом, поэтому аналитически выражения (7) и (8) трудно проанализировать, Покажем, что при реальных значениях

j3, Л и х уравнения (7) и (8) практически являются уравнениями двух пересекающихся прямых. Пусть в некоторый момент контроля а- 0,5, а параметр х = In p 1,7 (условие (2) выполняется). Согласно (3), для а- 0,5 имеем 64- 1,9750, 011,1266, k - 0,2717; Если n - I,5, то

Л = In vn=0,2027325, тогда согласно (5), 01= 0,6736841, Ог 0,6332342, Оз 0,7178168,i

Од 0,5958122, à M> — -„3,0161874, Ог-О1"

Π— Π1,9251456

Ог -О1

На фиг.2 изображены две линии F > и Fz, которые задаются соответственно уравнениям (7) и (8) для случая

М1 = 3,0161874, Мг«1,9251456. Каждая иэ точек х, k, лежащая на прямой

F> или Fz, является одним из многочисленных решений уравнения (7) или (8) соответственно. Иэ фиг.3 видно, . что линии Fq u Fz пересекаются только в одной точке с координатами xo - 1,7,,ko - 0,2717.

Так как уравнение (12) имеет только одно решение и в этой точке значение функции ((х+2Л" — x — Л" )а (х +Л)" — х" (х + Л)" — х" будет минимальное, min Ф - Ф (М„хо) - О, поэтому уравнение (9) можно решать чис10 ленными методами.

Покажем на конкретном примере решение уравнения (9) простейшим (но не самым эффективным) методом покоординатного спуска. Он заключается в следующем. Выби15 рается некоторое начальное приближение х, ki и находится значение функции Ф в этой точке — cDi = Ф (х, ki). Каждому значению х и kt последовательно дается приращение

+ h и находится значение Фг = Ф (хi + h, kl), Фз= Ф (хi — h, ki), Ф4 = Ф (xt, ki+ h), Ф5 = Ф (хь ki — h). Из величин Ф вЂ” Фц выбирается минимальная величина cDI и координаты этой точки принимаются за координаты нового приближения — хь ki. Снова находятся cD>, Фг, Фз, Ф4, Ф5 (два из которых будут известны из предыдущего шага), определяется минимальное значение и т.д.

Так повторяется до тех пор, пока при выбранном шаге h удается минимизировать величину Ф. Если величину Ф не удается минимизировать, т.е. если Ф1 — минимальное значение из величин Ф вЂ” Ф5, то величину шага h уменьшают (например, в 10 раз) и снова находят cD>, Фг, Фз, Фд, Фь и т,д.

Эти операции повторяют до получения необходимой точности вычисления координат точки хо, kp.

В таблице приведен фрагмент решения уравнения (9) этим методом, Пусть в некото40 рый момент контроля а = 0,5, после выполнения (2) хо = Ь P = 1,7, k = 0,2717. Измерив величины 01, Ог, Оз и О4, получим М1=3,0161874, Мг=1,9251456. Если предполагаемое значение (7 отличается от реального на 40 то

45 начальнеелеиближеиие xl - lx (р 6,4 )=!и (1 7 V1,4 )1,9. В качестве начального приближения k выберем k - 0,5, первоначальную величину шага h -0,25, чтобы через два шага по координате k не получить k - 0 (при этом знаменатели в выражении (9) будут равны нулю, что недопустимо), незначительно изменим величину Мь взяв ki 0,501, Из первой строчки таблицы видно, что минимальным из Ф вЂ” Фь является Фь, поэтому в качестве новой координаты выбирается

xi = 1,9, ki = 0,501 — 0,25 - 0,251. Как видно из таблицы, величины xi u kI приближаются к искомым х о = 1,7, k = 0,2717, 1647375

Необходимо отметить, что при k = 1 уравнение (9) не решается, так как при k = 1 в уравнении (9) величины х взаимно сокращаются. Однако выполнение условия (2) позволяет исключить измерения при линейной зависимости U = f (InP ), когда

k- =1.

Устройство, реализующее способ, работает следующим образом.

Оператор устанавливает вихретоковый преобразователь 7 на контролируемое изделие, C помощью генераторов 1 — 4 через коммутатор 6 вихретоковый преобразователь 7 последовательно возбуждают токами счастотами о1, в2,вз и сй соответственно. Величины частот а1, в, аз и йц 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 0 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 }0 таким образом, что в блоки 12 — 15 памяти заносятся величины сигналов Ui при возбуждении его токами с частотой cu>, ez, а и в соответственно. Таким образом, в блоках 12 — 15 памяти хранятся величины 0з, 01, 0 и Uq соответственно.

В блоках 16 и 17 вычитания формируются сигналы P> = Uz + 0з — 201 и Pz = 04+ U1 — 202 соответственно. Сигналы

Р1 и Pz поступают на входы блока 12 умножения, с выхода которого сигнал Рг Р1 поступает на вход компаратора 19, на второй вход которого поступает сигнал с источника

21 опорного напряжения, численно равный величине Uon. Если Р2 P1 > Uon, т,е. условие (2) выполняется,,то на выходе компаратора

19 появляется сигнал и сработает блок 20 световой индикации, Если блок 20 не вырабатывает сигнал, то оператор, изменяя величину сигнала с блока 5 управления (при этом измекяются величины в,са,вз и аМ), добивается срабатывания блока 20 световой индикации. После этого оператор сбрасывает показания счетчика 26 (если до этого в нем хранилась информация) и запускает одновибратор, который выдает сигнал определенной длительности. поступающий нэ разрешающий счет вход счетчика 26. Нэ его второй вход с генератора 1 поступает сигнал с частотой tu> .

Таким образом, по окончании счета в счетчике 26 хранится значение величины со1 в цифровом коде.

Сигналы 0з, 0>, Uz и U4 с блоков 12 — 15 памяти последовательно поступают через коммутатор 22 на вход аналого-цифрового преобразователя 23 (АЦП 23). После занесения информации о величине в в счетчик

26 оператор запускает вычислительный блок 24. Информация в вычислительный блок 24 может вводиться только после поступления сигнала на разрешающий вход блока 24 с выхода компаратора 19, что предотвращает ввод информации при невыполнении условия (2), После пуска вычислительного блока 24 информация о величине со1 поступает с выходов счетчика 26 в вычислительный блок 24, а после этого с помощью коммутатора 22 и АЦП 23 по командам с вычислительного блока 24 информация о величинах 0>, Uz, 0з и 04 последовательно вводится в вычислительный блок 24.

Вычислительный блок 24 вычисляет величины М> и Mz, решает уравнение (12) по одному из алгоритмов (4), определяет величину о по формуле (13) и выводит ее значение на индикатор, входящий в состав вычислительного блока 24. В зависимости от условий и вида контроля вычислительный блок 24 либо непрерывно обрабатывает ин- ( формацию (0>, 02, 0з, 0<), либо работает в ждущем режиме, в последнем случае оператор каждый раз после перестановки ВТП 7 запускает заново вычислительный блок, Информация о величинах R, Л и

"7 ро =4л - 10 н/м может храниться или в постоянном запоминающем устройстве вычислительного блока 24, или вводится в него оператором перед началом работы.

Получаемая дополнительно в ходе вычислений величина k может использоваться для оценки достоверности контроля, Формула изобретения

Способ вихретокового контроля, заключающийся в том, что в контролируемом изделии с помощью вихретокового преобразователя возбуждают вихревые токи и измеряют напряжения 01, Uz, 0з и 04 в четырех тактах измерения, в первом такте вихретоковый преобразователь питают током с частотой coi, во втором такте — током с частотой а =в1 п, в третьем такте— током с частотой соз = а1/n, формируют сигнал P1 = 02 + 03 — 20), итерациокно изменяют частоты в,иц и п до выполнения заданного соотношения выходных сигналов вихретокового преобразователя, измеренных в каждом такте измерения, и

1647375,Примечание

Фа

Ф1

Фз

Ф1

Величина шага R

Значение х

Значение

Номер шага

1,17 10

2,83 10

3.204 10

Минимальное значение ФЕ, новое значение х "1 9 к-0251

8,43 10

5,02 10

0,25

1,9

0,501

3,14 10

1,7910

1,91 10

8,43 10

3,204 10

Минимальное значение Фз, новое значение хг«1,65 к " 0 251

0,25

0,251

1,9

9,61 10

3.204 \О

3,19 10

5,02 10

1.91 10

Минимальное значение Ф1, ноева величина шага h » «0 025

0,25

1,65

0,251

3,06 10

4,95 10

2,95 10

1,91 10

1,05 10

Минимальное значение Фа, новое значение х11 65 к| 0,276

0,251 0,025

1,65

3,90 10 8,09 10

1,05 10

1,91 10"

Минимальное значение (Dz новое значение х «1,675 к 0 276

2,95 10

0.025

0,276

1,65

06 определяют измеряемый параметр с учетом совокупности значений U1, 02, U3 и 04 и значения и, отличающийся тем, что, с целью повышения точности контроля, в четвертом такте измерения вихретоковый преобразователь возбуждают током с частотой в4=N1 п, формируют сигнал Р2 = - U4 + 01 — 202, итерационное изменение частот О}1, а2, вз и в4 проводят до выполнения условия Рт Р2 > О и определяют величину удельной электрической проводимости о по формуле

Е 2 }г ив

/ о О}1 где R — радиус большей обмотки вихретокоВого преобразователя; со — магнитная постоянная; х и К вЂ” пара корней уравнения (х+2Л "— x — Л" ог — Оз г (x+a)" „ о2-а

+ (х+2Л} -х U4 ггг 12 (х +Л)" — х"

02

15 fd хо 18 /g Х

Риг. V

Составитель П. Шкатов

Редактор А. Шандор Техред М.Моргентал Корректор И. Муска

Заказ 1393 Тираж 406 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

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