Вихретоковый преобразователь для неразрушающего контроля параметров материалов

 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к неразрушающим методам контроля, и может быть использовано для контроля параметров ферромагнитных и проводящих материалов, например магнитной проницаемости, электропроводности, механических напряжений, для сортировки сталей по маркам и других. Цель изобретения - повышение точности преобразователя. Это достигается благодаря тому, что вихретоковый преобразователь содержит стержневой магнитопровод, на котором размещены обмотка возбуждения, выполненная из двух аксиально установленных последовательно встречно включенных секций, и измерительная обмотка, выполненная из двух последовательно согласно соединенных первой и второй размещенных коаксиально относительно соответствующих секций обмотки возбуждения. Вторая секция измерительной обмотки выполнена из двух последовательно согласно включенных частей с числом витков n₁ и n₂ соответственно, число n₃ витков первой секции измерительной обмотки и число n₁ и n₂ витков частей второй секции измерительной обмотки выбраны из условий: n₃> n₁ n₃< n₁+n₂ Преобразователь снабжен коммутатором, к первому, второму и третьему входам которого подключены соответственно конец первой секции измерительной обмотки и начала первой и второй частей ее второй секции, а выход коммутатора является информайионным выходом преобразователя. 3 ил., 1 табл.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для неразрушающего вихретокового контроля параметров ферромагнитных и электропроводных материалов, например магнитной проницаемости, электропроводности, механических напряжений, сортировки сталей по маркам, величины перемещений и других.

Известен накладной вихретоковый измерительный преобразователь для неразрушающего контроля параметров материалов, содержащий стержневой магнитопровод, на котором размещена обмотка возбуждения и симметрично по обе ее стороны - две дифференциально включенные измерительные обмотки [1].

При использовании обмотку возбуждения подключают к источнику переменного тока, а измерительную - к измерительному прибору или устройству измерения. Устанавливают преобразователь на поверхности контролируемого материала и по величине измеренного напряжения на выходе измерительной обмотки определяют контролируемый параметр, пользуясь, например, тарировочным графиком или рассчитывают его величину в устройстве измерения.

Преобразователь позволяет до взаимодействия с контролируемым изделием получать практически нулевой сигнал на выходе измерительной обмотки. Однако он имеет недостаток, на его выходной сигнал очень большое влияние оказывает величина воздушного зазора между полюсом преобразователя и поверхностью контролируемого изделия, так как величина зазора преобразователем не контролируется, то точность измерения преобразователем невысокая.

Наиболее близок к изобретению вихретоковый преобразователь [2] для неразрушающего контроля параметров материалов, содержащий стержневой магнитопровод с размещенными на нем обмоткой возбуждения, выполненной из двух аксиально установленных встречно включенных секций и с измерительной обмоткой, состоящей из двух последовательно согласно соединенных первой и второй секций, размещенных коаксиально относительно соответствующих секций обмотки возбуждения.

При использовании преобразователь устанавливают на поверхность контролируемого материала, обмотку возбуждения подключают к источнику переменного тока, а измерительную - к измерительному прибору, по величине измеренного сигнала на выходе измерительной обмотки, пользуясь тарировочным графиком, определяют интересующий параметр контролируемого материала.

Известный преобразователь имеет достоинство: он позволяет повысить точность контроля за счет частичной отстройки от влияния отклонений оси магнитопровода относительно нормали к поверхности контролируемого материала. Однако на выходной сигнал преобразователя, а следовательно и на точность контроля, большое влияние оказывает величина воздушного зазора между полюсом преобразователя и поверхностью контролируемого материала, так как величина воздушного зазора в преобразователе не контролируется, то точность известного преобразователя невысокая.

Цель изобретения - повышение точности преобразователя.

Это достигается тем, что в вихретоковом преобразователе для неразрушающего контроля параметров материалов, содержащем стержневой магнитопровод с размещенными на нем обмоткой возбуждения, выполненной из двух аксиально установленных встречно включенных секций и с измерительной обмоткой, состоящей из двух последовательно согласно соединенных первой и второй секций, размещенных коаксиально относительно соответствующих секций обмотки возбуждения, вторая секция измерительной обмотки выполнена из двух последовательно согласно включенных частей с числом витков n₁ и n₂ соответственно число n₃ витков первой секции измерительной обмотки и число n₁ и n₂ витков частей второй секции и измерительной обмотки выбраны из условий n₃>n₁; n₃<n+n₂. Преобразователь снабжен коммутатором, к первому, второму и третьему входам которого подключены соответственно конец первой секции измерительной обмотки и начала первой и второй частей ее второй секции, а выход коммутатора является информационным выходом преобразователя.

На фиг. 1 показана конструкция вихретокового преобразователя для неразрушающего контроля параметров материалов; на фиг.2 - электрическая схема соединения обмоток преобразователя; на фиг.3 - экспериментальные зависимости U_вых=f( Δ ).

Преобразователь (фиг.1) состоит из стержневого магнитопровода 1, на котором размещена обмотка возбуждения, состоящая из двух аксиально установленных последовательно встречно включенных секций 2 и 3, выходом подключенных к источнику 4 переменного тока, и измерительная обмотка, состоящая из двух последовательно согласно соединенных первой секции 5 и второй секции, соединенных между собой последовательно согласно и размещенных коаксиально относительно секций 2 и 3 обмотки возбуждения. Вторая секция измерительной обмотки выполнена из двух последовательно согласно включенных частей 6 и 7 с числом витков n₁ и n₂ соответственно. Вихретоковый преобразователь содержит также коммутатор 8 и соединенное с его выходом устройство 9 измерения.

К первому, второму и третьему входам коммутатора подключены соответственно конец первой секции измерительной обмотки и начала первой и второй частей ее второй секции, а выход коммутатора является информационным выходом преобразователя.

Число n₃ витков первой секции 5 измерительной обмотки и числа n₁ и n₂ витков частей второй ее секции выбраны из условий: n₃>n₁ и n₃<n+n₂.

Преобразователь работает следующим образом.

При подключении секций 1 и 2 обмотки возбуждения к источнику 4 переменного тока за счет выполнения условия n₃>n₁ с выхода секции 5 и части 6 снимется напряжение U_5,6= U₅-U₆>0 где U₅, U₆ соответственно величина напряжения, снимаемого с секции 5 и части 6 измерительной обмотки.

При подключении выхода секции 5 и частей 6 и 7 измерительной обмотки и устройству 9 измерения за счет выполнения условия n₃<n+n₂ с их выхода снимется напряжение U_5,6,7=U₅-(U₆+U₇)<0, где U₇ - напряжение с части 7 измерительной обмотки. Физически при выполнении условия n₃>n₁между напряжениями U₅ и U₆ возникает сдвиг по фазе, при котором зависимость U_5,6=f( Δ ), где Δ - зазор между полюсом преобразователя и поверхностью контролируемого материала, имеет экстремальный характер с наличием минимума. Когда материал ферромагнитный, если в этом случае преобразователь ввести во взаимодействие с электропроводным материалом, то результирующее напряжение U_5,6=f( Δ ) с уменьшением зазора начнет увеличиваться.

При выполнении условия n₃<n+n₂ между напряжением U₅ и U_6,7= U₆+U₇возникает фазовый сдвиг, при котором результирующее напряжение U_5,6,7= f( Δ ) будет иметь экстремальный характер при уменьшении зазора между полюсом преобразователя и поверхностью электропроводного материала с наличием минимума, при взаимодействии преобразователя в этом случае с ферромагнитным материалом при уменьшении зазора Δ результирующее напряжение начнет увеличиваться. Обе зависимости U_5,6= f( Δ ) и U_5,6,7=f( Δ ) могут быть использованы для бесконтактного контроля физико-механических параметров проводящих материалов, при использовании в качестве информационного параметра величины экстремума (напряжение или ток).

Получаемая преобразователем экстремальная зависимость также эффективно может быть использована для измерения толщин диэлектрических покрытий, или перемещений изделий относительно полюса преобразователя.

При использовании преобразователя сначала определяют тип контролируемого материала: ферромагнитный или токопроводящий или какая фаза магнитная или проводящая преобладает, для этого секции 2 и 3 обмотки возбуждения подключают к источнику 4 переменного тока, а выход секции 5 и части 6 и секции 5 и частей 6, 7 поочередно посредством коммутатора 8 подключают к устройству 9 измерения при опускании преобразователя по нормали к поверхности контролируемого материала 10.

Если в одном из случаев напряжение при приближении преобразователя к поверхности материала уменьшается, затем достигает минимума и начинает увеличиваться, то эта характеристика является рабочей, например, она была получена при подключении секции 5 и части 6 и при взаимодействии преобразователя с ферромагнитным материалом 10. При использовании секции 5 и частей 6, 7 и взаимодействии преобразователя с проводящим материалом 10 получается второй тип экстремальной характеристики.

Обозначив тип материала на переключателе коммутатора, легко установить тип материала или при известном материале установить рабочий режим. Каждому рабочему режиму соответствует своя тарировочная зависимость величины экстремума Umin (ток или напряжение) от контролируемого параметра, например от магнитной проницаемости (одна зависимость) или электропроводности (вторая зависимость), или от других параметров, влияющих на магнитную проницаемость и электропроводность.

Установив необходимый режим контроля, устанавливают преобразователь перпендикулярно к поверхности контролируемого материала 10 и плавно опускают к его поверхности, фиксируют минимум выходного сигнала устройством 9 измерения, например микроамперметром, и, пользуясь предварительно построенным тарировочным графиком зависимости величины сигнала (минимума) от контролируемого параметра, определяют его величину, например величину магнитной проницаемости, марку стали и других.

На фиг.3 приведены результаты экспериментальных исследований преобразователя в режиме контроля марки стали и сплавов. Использовался преобразователь с параметрами: высота магнитопровода 15 мм, диаметр магнитопровода 5 мм, число витков каждой секции обмотки возбуждения 150, число витков секции 5 и части 6 измерительной обмотки 300, число витков части 7 измерительной обмотки 123, использовался провод диаметром 0,08 мм, в качестве устройства измерения - мультиметр типа МР-11, в качестве источника переменного тока - мультивибратор с импульсами частотой 32,6 кГц, ток возбуждения 30 мА.

В таблице приведены результаты экспериментальных исследований.

Из полученных экспериментальных результатов (фиг.3, таблица) следует, что вихретоковый преобразователь позволяет реализовать бесконтактный способ контроля параметров проводящих материалов, так как информационный параметр (напряжение) U_вых.min фиксируется при определенном зазоре Δ_min между полюсом преобразователя и поверхностью контролируемого материала, что исключает необходимость обработки поверхности контролируемого материала, например предварительную зачистку.

Формула изобретения

ВИХРЕТОКОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДЛЯ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ МАТЕРИАЛОВ, содержащий стержневой магнитопровод с размещенными на нем обмоткой возбуждения, выполненной из двух аксиально установленных встречно включенных секций, и с измерительной обмоткой, состоящей из двух последовательно согласно соединенных первой и второй секций, размещенных коаксиально относительно соответствующих секций обмотки возбуждения, отличающийся тем, что вторая секция измерительной обмотки выполнена из двух последовательно согласно включенных частей с числом витков n₁ и n₂ соответственно, число n₃ витков первой секции измерительной обмотки и число n₁ и n₂ витков частей второй секции измерительной обмотки выбраны из условий n₃ > n₁; n₃ < n₁ + n₂, а преобразователь снабжен коммутатором, к первому, второму и третьему входам которого подключены соответственно конец первой секции измерительной обмотки и начала первой и второй частей ее второй секции, а выход коммутатора является информационным выходом преобразователя.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4