Устройство для идентификации стали

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

171639О А1

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

СЛКСАНКЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4763149/24 (22) 28.11.89 (46) 29.02.92. Бюл, Nз 8 (72) С.В. Жуков (53) 621.396(088,8) (56) Авторское свидетельство СССР

N 842553, кл. 6 01 К 27/80, 1980.

Авторское свидетельство СССР

М 714180, кл. G 01 N 11/12, 1978.. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИДЕНТИФИКАЦИИ

СТАЛИ (57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для идентификации стали по магнитоупругой чувствительности. Целью изобретения явля.ется повышение точности идентификации стали за Счет автоматизации процесса измерения и исключения субьективных ошибок оператора. Устройство содержит преобразователь, состоящий из П-образного магнитопровода с обмоткой намагничивания, Изобретение относится к контрольно-.измерительной технике и может быть использовано для идентификации сталей по показателю магнитоупругой чувствительности, например при оценке напряженного состояния ферромагнитных материалов магнитным видом не.разрушающих испытаний.

Известно ус-ройство для идентифйка.ции стали по показателю магнитоупругой чувствительности, содержащее П-образный магнитопровод с обмоткой намагничивания, подключенной к источнику постоянного тока, генератор звуковой частоты, пьезоэлектрический излучатель, индукци- . онную обмотку и селективный вольтметр. (я)5 0 01 N 11/12, G 06 F 15/46 пьезоэлектрического излучателя с концентратором и индукционной обмотки, генератор звуковой частоты, усилитель, детектор, два генератора напряжения треугольной формы, блок регистрации максимума индуцированной ЭДС в рабочем цикле намагничивания зоны испытаний, блок регистрации тока намагничивания в момент регистрации максимума индуцированной ЭДС и блок обработки результатов измерений, реализующий алгоритмы идентификации результата измерений и распознавания магнитного образа исследуемой стали. Принцип действия устройства состоит в определении максимума индуцированной ЭДС в рабочем цикле намагничивания зоны испытаний и соответствующего этому максимума тока намагничивания. Массив накопленных пар значений обрабатывается блоком обработки результатов измерений известными статистическими методами. 1 ил.

С помощью данного устройства в зоне испытаний металл намагничивают магнитным полем, создаваемым П-образным магнитопроводом с обмоткой намагничивания, питаемой от источника постоянного тока.

При этом в зоне испытания возбужДают упругие колебания с помощью пьезоэлектрического излучателя, подключенного к выходу генератора звуковой частоты, сигнал индукционной обмотки, зарегистрированный селективным вольтметром, анализируют при различных токах источника и по максимуму выходного сигнала селективного вольтметра идентифицируют исследуемую сталь.

1716390

Недостатком известного устройства является низкая точность из-за отсутствия блоков, обеспечивающих безусловное предварительное размагничивание эоны испытаний, узлов, осуществляющих поиск положения точного максимума выходного сигнала индукционной обмотки (в прототи пе эта операция выполняется оператором), и блоков, реализующих алгоритм распознавания сталей.

Отсутствие названных блоков и узлов создает условия для субъективных ошибок оператора, снижает точность и оперативность идентификации материала.

Цель изобретения — повышение точности идентификации сталей за счет предварительного размагничивания зоны испытаний и поиска положения максимума исследуемого сигнала.

Увеличение числа диагностических признаков, используемых для идентификации стали, повышает достоверность распознавания. Автоматизация всего процесса измерений и исключение операций по анализу данных, выполняемых оператором, повышает точность идентификации стали за счет устранения субъективных и других случайных ошибок. Автоматическое повторение циклов намагничивания и полного размагничивания среды в зоне испытаний также повышает точность, в том числе за счет исключения ситуаций проведения измерений на образце с неизвестным начальным магнитным состоянием.

В предложенное устройство для идентификации стали, содержащее установленные в зоне испытаний П-образный магнитопровод с обмоткой намагничивания, пьезоэлектрический излучатель, индукционную обмотку, а также генератор звуковой частоты, выход которого соединен с входом пьезоэлектрического излучателя, первые выводы обмотки намагничивания и индукционной обмотки подключены к общей шине, дополнительно. введены датчик упругих колебаний, установленный на оси индукционной обмотки, на торце которого установлен пьезоэлектрический излучатель, фазосдвигающая цепь, синхронный детектор, усилитель напряжения, усилитель тока, сумматор, первая и вторая дифференцирующие цепи, первый и второй генераторы треугольного напряжения, формирователь импульса, блок выделения нуля, блок выборки и хранения, блок выделения максимума, первый и второй триггеры, первый и второй элементы И, аналого-цифровой преобразователь, генератор импульсов, первый и второй счетчики, блок обработки результатов измерения и индикатор, вход которого соединен с информационным выходом блока обработки результатов измерения, первый и второй информационные входы и вход запуска которого соединены соответственно с выходами первого и второго счетчиков и выходом второго элемента И, подключенным к входу установки первого триггера, выход которого соединен с первым входом первого элемен10 та И, второй вход которого соединен с выходом генератора импульсов, а выход — со счетным:входом второго счетчика, вход сброса которого соединен с входом сброса первого счетчика, входом установки второго

15 триггера и выходом формирователя импульса, вход которого соединен с выходом второй дифференцирующей цепи, вход которой соединен с информационным входом усилителя тока и выходом второго генератора тре20 угольного: напряжения, второй выход индукционной обмотки соединен с входом усилителя напряжения, выход которого соединен с управляющим входом синхронного детектора, выход которого соединен с ин25 формационными входами блока выборки и блока выделения максимума, выход которого соединен с входом запуска блока выборки и хранения и входами сброса первого и второго триггеров, выход первого генерато30 ра треугольного напряжения соединен с входом блоха выделения нуля, первым входом сумматора и входом первой дифференцирующей цепи, выход которой соединен с вторым входом сумматора, выход которого

35 соединен с входом управления .коэффициента усиления усилителя тока, выход которого соединен с вторым выводом обмотки счетчика, первый и второй входы второго элемента И соединены соответственно с выходом второго триггера и выходом блока

45 выделения нуля.

На чертеже представлена блок-схема предложенного устройства.

Устройство для идентификации стали по показателю магнитоупругой чувствитель;-, 50 . ности содержит установленныев зоне испытаний П-.образный магнитопровод 1 с обмоткой 2 намагничивания, пьезоэлектрический излучатея 3, индукционную обмотку

5, а также генератор 7 звуковой частоты, 55 выход которого соединен с входом пьезоэ. лектрического излучателя 3, первые выводы обмотки 2 намагничивания и индукционной обмотки 5 подключены к общей шине. С . целью повышения точности идентификации стали, в устройство введены датчик 4 упрунамагничивания, выход блока выборки и хранения соединен с входом аналого-циф40 рового преобразователя, выход которого со-,: единен со счетным входом первого

1716390

20

40 гих колебаний, установленный на оси индукционной обмотки 5, на торце которой установлен пьезоэлектрический излучатель

3, фазосдвигающая цепь 8, синхронный де тектор 9, усилитель 10 напряжения, усили- 5 тель 14 тока, сумматор 13, первая 12 и вторая 17 дифференцирующие цепи, первый 11 и второй 18 генераторы треугольного напряжения, формирователь 16 импульса, блок 15 выделения нуля, блок 22 выборки и хранения, блок 21 выделения максимума, первый 23 и второй 20 триггеры, первый 24 и второй 19 элементы И, аналого-цифровой преобразователь 26, генератор 25 импульсов, первый 27 и второй 29 счетчики, блок 28 обработки результатов измерения и индикатор 30, вход которого соединен с информационным выходом блока 28 обработки результатов измерения, первый и второй информационные входы и вход запуска которого соединены соответственно с выходами первого 27 и второго 29 счетчиков и. выходом второго элемента И 19, подключенным к входу установки первого триггера 23, выход которого соединен с первым входом первого элемента И 24, второй вход которого соединен с выходом генератора 25 импульсов, а выход — co счетным входом второго счетчика 29, вход сброса которого соединен с вхо- 30 дом сброса первого счетчика 27, . входом установки второго триггера 20 и выходом формирователя 16 импульса, вход которого соединен с выходом второй дифференцирующей цепи 17, выход которой соединен с информационным входом усилителя 14 тока и выходом второго генератора 18 треугольного напряжения, второй выход индукционной обмотки соединен с входом усилителя 10 напряжения, выход которого соединен с управляющим входом синхронного детектора 9, выход которого соединен с информационными входами блока 22 выборки и блока 21 выделения максимума, выход которого соединен с exo-..45 дом запуска блока 22 выборки и хранения и входами сброса первого 23 и второго 20 триггеров, выход первого генератора 11 треугольного напряжения соединен с входом блока 15 выделения нуля, первым вхо- 50 дом сумматора 13 и входом первой дифференцирующей цепи 12, выход которой соединен с вторым входом сумматора

13, выход которого соединен с входом управления коэффициента усиления усилите- 55 ля 14 тока, выход которого соединен с вторым выводом обмотки 2 намагничивания, выход блока 22 выборки и хранения соединен с входом аналого-цифрового преобразователя 26, выход которого соединен со счетным входом первого счетчика 27, первый и второй входы второго элемента И

19 соединены соответственно с выходом второго триггера 20 и выходом блока 15 выделения нуля.

Устройство работает следующим образом.

На зону испытаний образца стали (или изделия) устанавливают преобразователь устройства, обеспечивая акустический контакт торца датчика 4 с материалом и магнитный контакт полюсов П-образного магнитопровода 1.

При включении устройства генераторы

11 и 18 начинают вырабатывать напряжения треугольной формы, причем период колебаний выходного напряжения генератора. 18 много больше периода колебаний напряжения генератора 11. В момент времени, когда выходное напряжение генератора 18достигает нулевого значения, усилитель 14 тока оказывается практически закрытым и на обмотку 2 намагничивания ток практически не поступает, а следовательно, среда в зоне 6 не намагничивается. По мере роста выходного напряжения генератора 18 усилитель

14 тока постепенно открывается, осуществляя питание обмотки 2 намагничивания согласно управляющему сигналу, действующему на втором входе этого усилителя 14.

Генератор 11 вырабатывает напряжение треугольной формы, которое подается

1 непосредственно на.один из входов сумматора 13 и через первую дифференцирующую цепь 12 — на другой вход того же сумматора

13. B результате на выходе сумматора.13 появляется напряжение треугольной формы, в экстремальных точках которого сказываются наложенными короткие импульсы.

Такая форма изменения тока намагничивания необходима для обеспечения строго линейного изменения поля намагничивания, создаваемого обмоткой 2, что дополнительно повышает точность измерений (исключается нелинейность на границах с экстре мал ьн ы ми точками участках), В ыходной сигнал сумматора 13 воздействует на вход усилителя 14 тока и обеспечивает изменение тока намагничивания специальной формы. Таким образом, зона 6 испытания постоянно намагничивается линейно изменяющимся полем переменной амплитуды: от минимального (нулевого) до максимального (насыщение) значения и в обратном направлении. Такой режим намагничивания обеспечивает как полное намагничивание среды, так и ее размагничивание.

1716390

15 цированной ЭДС

40

Генератор 7 вырабатывает напряжение звуковой (или ультразвуковой) частоты, которое подается на пьезоэлектрический излучатель 3, установленный на концентраторе 4. В результате в зону 6 материала посылаются упругие колебания повышенной амплитуды (благодаря применению концентратора 4). Вследствие магнитоупругого эффекта в индукционной обмотке 5 наводится ЭДС, которая через усилитель 10 напряжения подается на первый вход детектора 9, в качестве которого наиболее целесообразно применять синхронный детектор. На второй вход того же детектора 9 через фазосдвигающую цепь 8 подается выходное напряжение генератора

7 удвоенной частоты.

При изменении магнитного состояния зоны 6 испытаний выходной сигнал детектора 9 проходит через максимальное значение, которое фиксируется во времени блоком 21 выделения максимума сигнала.

Выходной сигнал блока 21 запускает блок

22 выборки и хранения, который запоминает названное максимальное значение выходного сигнала детектора 9.

Одновременно выходным сигналом блока

21 выделения максимума осуществляется начальная установка (для определенности — установка нуля) первого и второго триггеров20 и 23, Напряжение. зарегистрированное в блоке 22 с помощью аналого-цифрового преобразователя 26, кодируется в последовательность импульсов или в параллельный код, который запоминается в первом счетчике 27. В результате в первом счетчике 27 запоминается число, пропорциональное максимальному значению индуцированной ЭДС, обусловленной магнитоупругим эффектом в данном сплаве.

Напряжение, вырабатываемое первым генератором 11, поступает на вход блока 15 выделения нуля. Каждый раз, когда выходное напряжение генератора 11 достигает нулевого значения, блок выделения нуля вырабатывает короткий импульс, который передается на первый вход второго элемента

И 19. Если по второму входу элемент И 19 открыт (определяется потенциалом второго триггера 20) ° то выходной импульс блока 15 выделения нуля передается на вход установки.первого триггера 23. Таким образом. выходной импульс первого триггера 23 по длительности оказывается равным времени между началом намагничивания среды (момент перехода через нуль выходного напряжения генератора 11) и моментом достижения индуцированной ЭДС своего максимального значения (выходной импульс блока 21 выделения максимума). Названный импульс открывает первый элемент И 24, через который на вход второго счетчика 9 начинают передаваться импульсы с выхода генератора 25 импульсов. В результате за время действия выходного потенциала первого триггера 23 во втором счетчике 29 накапливается число,.пропор- . циональное времени от начала процесса намагничивания до момента фиксации максимума индуцированной ЭДС. Поскольку намагничивание производится по линейному закону, то это число оказывается пропорциональным току намагничивания среды в момент фиксации максимума индуТаким образом, в течение рабочего цикла в счетчиках 27 и 29 запоминается информация о максимальном значении . индуцированной ЭДС и о токе намагничивания, соответствующем максимуму магнитоупругой чувствительности.

Для исключения ложных отсчетов и обеспечения автоматического производства измерений только на максимальной амплитуде изменения поля намагничивания. с помощью блоков 17 и 16 производится отбор рабочего цикла. Для этого выходное напряжение генератора 18 дифференцируется цепью 17, на выходе которой появляются короткие импульсы, соответствующие экстремальным значениям треугольного напряжения. Формирователь 16 импульсов ограничивает выходные импульсы второй дифференцирующей цепи 17 по времени и амплитуде. При этом выходным. импульсом формирователя 16 импульса производится установка нуля счетчиков 27 и 29, а:также запуск триггера 20. В результате непосредственно перед рабочим циклом в счетчиках

27 и 29 стирается предыдущая информация, а выходным потенциалом второго триггера

20 открывается второй элемент И 19. До этого момента измерения не выполняются, поскольку элемент И 19 остается закрытым.

Задним фронтом выходного сигнала элемента И 19 осуществляется запуск блока

28 обработки результатов измерений, который считывает информацию из счетчиков 27 и 29, а затем обрабатывает ее по заданному алгоритму распознавания и идентификации. Результат идентификации отображается на экране индикатора 30.

Для работы устройства могут быть предусмотрены следующие алгоритмы работы блока 28, реализуемые программно.

Алгоритм идентификации результата измерения (отсчета). Данный- алгоритм предназначен для исключения влияния случайных факторов на результаты обработки данных. В простейшем случае он реализует1716390

10 ся методом стохастической аппроксимации.

Для этого может быть использован акселе-: ратный абсолютно оптимальный на классе . помех рекуррентный алгоритм идентифика- . ции 5

Cn- Cn-1+ Е(у-Ñn->)/èР, (1) где Сп, Сп-i — оценки результата измерения соответственно на и-м и (n-1)-м шагах; у — текущий результат измерения;

n — номер текущего измерения (шага); 10

P — "Фишеровская" йнформация;

F — оператор производной функции rioмех с аргументом (у-Cn->)

Для случая нормального закона распределения помех алгоритм (1) упрощается к .15 виду

Cn = Cn-1+ (у — Cn-1)/и. (2)

При работе блока 28 обработки результатов измерений по программе, реалиэую- щей алгоритм (1) или (2), дальнейшие 20 операции не выполняются до тех пор, пока разность(у-С ->) не станет меньше заданной точности измерения, Алгоритм обучения распознаванию сталей. 25

Данный алгоритм выполняет функцию

"градуировки" устройства. В процессе обучения с помощью устройства выполняют полные циклы измерений на группах образцов заданных марок сталей (из списка марок, подлежащих распознаванию в процессе натурных исследований). При этом в группы объединяют образцы из сталей, минимально отличающихся (в пределах группы) по способам выплавки, раскисления и химического состава, а сами образцы отжигают для снятия внутренних напряжений. Для простейшей программной реализации данного алгоритма, например:в переносном варианте конструктивного исполнения устройства, определяют вектор а с компонентами в виде математических ожиданий ai u az максимума индуцированной ЭДС и соответствующего тока намагничивания, а также ковариационную матрицу

М этих величин по каждой группе образцов.

Указанные значения запоминаются в перепрограммируемом постоянном запоминающем устройстве микропроцессорного блока

28 в виде матриц числовых значений.

Алгоритм распознавания сталей .

Данный алгоритм предназначен для различения марок сталей по результатам измерений в. натурных условиях. При достаточном объеме ППЗУ блока 28 возможно различение отдельных групп в пределах марки стали. Для распознавания могут быть применены стандартные алгоритмы распознавания образцов. В простейшем случае распознавание производится по правилу

1.К - - т -1 -. - - - т —, >, ((xi-а ) М (х -am)-(xl-ai) M

2, (3). где К- число групп образцов сталей, использованных при обучении;

xi — оценка (Сп) максимума индуцированной ЭДС и соответствующего тока намагничивания в исследуемой зоне 6;

m u l — указывающие на порядковый номер группы образцов стали, использованной для обучения (а = 1, 2, ..., k; l - 1, 2, ..., k).

Если условие (3) выполняется, то материал зоны 6 испытаний признается эквивалентным стали группы с номером m. В противном случае сталь признают эквивалентной металлу группы 1. По окончании классификации материала эоны 6 испытаний блок 28 программно и из своего постоянного запоминающего устройства вызывает текст сообщения, которое воспроизводится на экране индикатора 30. В результате сталь . оказывается идентифицированной но двум признакам; характеризующим ее магнитоупругую чувствительность, .Формула. изобретен и я

Устройство для идентификации стали, содержащее установленные в зоне испытаний П-образный магнитопровод с обмоткой намагничивания, пьезоэлектрический излу. чатель, индукционную обмотку, а также ге„1 нератор звуковой частоты, выход которого соединен с входом пьезоэлектрического излучателя, первые выводы обмотки намагничивания и индукционной обмотки подключены к общей шине, о т л и ч а ю щ ее с я тем, что, с целью повышения точности идентификации стали, в устройство введены датчик упругих колебаний, установленный на оси индукционной обмотки, на торце которого установлен пьезоэлектрический излучатель, фазосдвигающая цепь, синхронный детектор, усилитель напряжения, усилитель тока, сумматор, первая и вторая дифференцирующие цепи, первый и второй генераторы треугольного напряжения, формирователь импульса, блок выделения нуля, блок выборки и хранения, блок выделения максимума, первый и второй триггеры, первый и второй элементы И, аналого-цифровой преобразователь, генератор импульсов, первый и второй счетчики, блок обработки результатов измерения и индикатор, вход которого соединен с информационным выходом блока обработки результатов измерения, первый и второй

1716390

12 информационные входы и вход-запуска которого соединены соответственно с выходами первого и второго счетчиков и выходом второго элемента И, подключенным к входу установки первого триггера, выход которого соединен с первым входом первого элемента И, второй вход которого соедийен с выходом генератора импульсов, а выход — со счетным входом второго .счетЧйКа,"вход сброса которого соединен с входом сброса первого счетчика, входом установки второго триггера и с выходом формирователя импульса, вход которого соединен с выходом второй дифференцирующей цепи, вход ко. торой соединен с информационным входом усилителя тока и выходом второго генератора треугольного напряжения, второй вывод индукционной обмотки соединен с входом усилителя напряжения, выход которого соединен с управляющим входом синхронного детектора, выход которого соединен с информационными входами блока выбОркИ и, блока выделения максимума, выход которо-., го соединен с входом запуска блока выборки и хранения и входами сброса первого и вто5 рого триггеров,, выход первого генератора треугольного напряжения соединен с входом бл6ка выделения нуля. первым входом сумматора и-входом первой дифференциру- " ющей цепи, выход которой соединен с вто10 рым входом сумматора, выход которого соединен с входом управления коэффициента усиления усилителя тока, выход которого соединен с вторым выводом обмотки намагничивания, выход блока выборки и

15 хранения соединен с входом аналого-.цифрового преобразователя, выход которого соединен со счетным входом первого счетчика, первый и второй входы второго элемента И соединены соответственно с вы20 ходом второго триггера и выходом блока выделения нуля.

1716390 .

Составитель С;Жуков

Техред М.Моргентал

Редактор M.Êåëåìåø

Корректор Т.Малец

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

; Заказ 607 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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