Устройство для оценки приращения контактной разности потенциалов

 

Использование: в машиностроении и для неразрушающего контроля структурного состояния материала в ходе изготовления и испытания деталей машин и образцов. Сущность изобретения: для контроля энергетического состояния используются два электрода, смонтированные с возможностью возвратно-поступательного перемещения. Это позволяет производить одновременное измерение КРП с двух разных поверхностей детали, из которых одна подвергалась или подвергается воздействию, а другая - нет. Компаратор выявляет разность измеренных значений контактной разности потенциалов, величина которой подается на регистратор. 1 ил., 1 табл.

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для неразрушающего контроля структурного состояния материала в ходе изготовления и испытания деталей машин и образцов.

Известно аналогичное техническое решение, в котором измеряют контактную разность потенциалов (КРП) между исследуемым материалом и электродом сравнения, который с целью уменьшения погрешности и упрощения процесса измерения (уменьшения количества измерений) выполняют из того же металла (а.с. N 316000 G 01 n 27/6010, Б.И. N 29, 1971) [1] Однако недостаток данного решения состоит в том, что при контроле нескольких образцов (деталей) значение изменения измеренной величины КРП будет нести в себе погрешность, обусловленную различием в исходной микроструктуре, субмикроструктуре (физическом состоянии), которое всегда присутствует и является следствием проявления случайных факторов при их изготовлении, т.е. в исходном состоянии, до помещения образца в среду с нестационарными параметрами КРП не будет нулевой по отношению ко всем образцам. Иначе говоря, при контроле нескольких образцов (деталей), подвергнутых воздействию, будут получены различные величины КРП U₁; U₂; U₃.U_n.

Известно устройство для контроля работы узлов трения (а.с. СССР N 615379 G 01 M 13/04, Б.И. N 26, 1978) [2] Оно содержит эталонный образец (электрод сравнения), смонтированный с возможностью возвратно-поступательного перемещения (обеспечивается модулятором), дифференциальный усилитель, неинвестирующий вход которого соединен с эталонным образцом и резистором, а выход с индикатором нулевого сигнала (фазовым детектором), частотоизбирательный фильтр, включенный между инвертирующим входом усилителя и его выходом, регулируемый источник постоянного напряжения (интегратор), выход которого соединен с резистором и вольтметр (регистратор). Недостаток этого решения заключается в том, что если контроль изменения КРП осуществляется путем однократного измерения после технологического или эксплуатационного воздействия, то по разным образцам деталей будут получены неодинаковые значения КРП, вследствие различия в исходном физическом состоянии материала. Это колебание значений КРП будет свидетельствовать о неопределенности, неточности фактического значения величины изменения КРП. Если же производить измерение КРП по схеме до и после технологического или эксплуатационного воздействия, то это приведет к увеличению числа измерений и усложнению процесса оценки изменений. Кроме того, следует отметить еще одно обстоятельство. При длительном измерении КРП, что может иметь место при оценке партии образцов (деталей), или долговременном испытании с непрерывной регистрацией КРП, ее значения могут нести в себе погрешность, обусловленную изменением климатических условий (температуры, влажности и др.), влияющих на состояние поверхностного слоя исследуемого материала и эталонного образца (электрода сравнения).

Цель предлагаемого технического решения состоит в повышении точности оценки изменений КРП вследствие технологических или эксплуатационных воздействий путем однократного измерения КРП.

Цель достигается тем, что предлагаемое устройство снабжено вторым резистором, вторым электродом, выполненным с возможностью возвратно-поступательного перемещения и соединенным с первым выводом второго резистора, вторым дифференциальным усилителем, вторым частотно-избирательным фильтром, включенным в цепь отрицательной обратной связи второго дифференциального усилителя к неинвертирующему входу которого подключен второй электрод, первым и вторым генератором, каждый из которых выполнен с возможностью синхронизации с перемещениями первого и второго электродов, первым фазовым детектором, входы которого соединены с выходами первого дифференциального усилителя и первого генератора, вторым фазовым детектором, входы которого соединены с выходами второго дифференциального усилителя и второго генератора, первым интегрирующим фильтром, вход которого подключен к выходу первого фазового детектора, вторым интегрирующим фильтром, вход которого подключен к выходу второго фазового детектора, компаратор, входы которого подключены к выходам первого и второго интегрирующих фильтров, а выход подключен ко входу индикатора, при этом второй выход первого резистора соединен с выходом первого интегрирующего фильтра и второй вывод второго резистора соединен с выходом второго интегрирующего фильтра.

Изобретение поясняется чертежом, на котором изображена блок-схема устройства.

Устройство содержит два электрода 1 и 8, выполненных с возможностью возвратно-поступательного перемещения, каждый из которых подключен к неинвертирующему входу соответствующих дифференциальных усилителей 2 и 2'. В цепь отрицательной обратной связи этих усилителей включены частотно-избирательные фильтры 4 и 4'. К неинвертирующему входу дифференциальных усилителей 2 и 2' подключены также первые выводы соответствующих резисторов 3 и 3'. Входы фазовых детекторов 5 и 5' соединены с выходами соответствующих дифференциальных усилителей 2 и 2' и генераторов 6 и 6', а их (5 и 5') выходы подключены к входу соответствующих интегрирующих фильтров 7 и 7'. Генераторы выполнены с возможностью синхронизации с перемещениями связанных с ними электродов 1 и 8. Выход интегрирующих фильтров 7 и 7' подключен к компаратору 9, в свою очередь выход компаратора 9 соединен с индикатором 10, при этом второй выход резисторов 3 и 3' связан также с выходами соответствующих фильтров 7 и 7'.

Реальные детали машиностроения и образцы имеют определенную структуру геометрического строения, т.е. состоят из комплекса отдельных поверхностей. При этом, как правило, технологическому воздействию на каком-то этапе или эксплуатационному испытанию подвергают не все поверхности, а лишь некоторые из них. Тогда, если производить одновременное измерение КРП с двух разных поверхностей, из которых одна подвергалась (подвергается) технологическому или эксплуатационному воздействию, а другая нет, то по разности значений КРП с этих поверхностей можно судить о ее фактическом изменении, обусловленном технологическим или эксплуатационным воздействием, свободном от влияния исходного структурного состояния материала при контроле деталей (образцов) и от влияния изменений климатических условий при измерении.

Для контроля энергетического состояния электрод 1 устанавливается над поверхностью 11, подвергнутой воздействию, на расстоянии не более 1 мм, а электрод 8 над исходной поверхностью 12. Возникающее, вследствие воздействия, приращение контактной разности потенциалов выявляется следующим образом.

Колебательное движение электродов 1 и 8 приводит к изменению расстояния между обкладками конденсаторов 1-11 и 8-12, а значит и их емкости. При достаточно большом сопротивлении резисторов 3 и 3' заряд не будет успевать полностью стекать с обкладок конденсаторов за период изменения их емкости, что вызовет появление переменных потенциалов на неинвертирующем входе дифференциальных усилителей 2 и 2', охваченных частотно-избирательной обратной связью 4 и 4', настроенной на частоту механических колебаний вибраторов. С выхода усилителей полезный сигнал поступает на вход соответствующих фазовых детекторов 5 и 5', куда также поступает опорный сигнал с генераторов 6 и 6'. Продетектированные сигналы, пройдя через интегрирующие фильтры 7 и 7' и резисторы 3 и 3', подаются на обкладки динамических конденсаторов 1-11 и 8-12, стремясь скомпенсировать контактную разность потенциалов. Одновременно эти же сигналы с выхода интегрирующих фильтров поступают на вход компаратора 9, где выявляется разность значений КРП между электродом 1 и поверхностью 11, подвергнутой воздействию и электродом 8 и исходной поверхностью 12, соответствующая фактическому изменению ΔKРП под влиянием технологического или эксплуатационного воздействия на поверхность. Эта величина ΔКРП подается на вход индикатора 10. Фазочувствительные детекторы 5 и 5' настроены таким образом, что их выходной потенциал понижается при фазе переменного сигнала, соответствующей превышению потенциалом компенсации значения КРП и возрастает в противном случае. Тогда, при потенциале компенсации, равном КРП, заряд на динамическом конденсаторе будет скомпенсирован и переменный сигнал на входе дифференциального усилителя отсутствовать. При отклонении потенциала компенсации от КРП конденсатор зарядится и на входе дифференциального усилителя появится переменный потенциал, в зависимости от фазы которого фазочувствительный детектор отработает потенциал компенсации таким образом, чтобы восстановить его равенство значению КРП.

Таким образом, представленная схема измерения позволяет устранить влияние колебания свойств исходного структурного состояния материала и изменений климатических условий на точность оценки приращения КРП.

Устройство позволяет производить физически обоснованное сравнение различных методов и режимов обработки поверхностей и на этой основе выявлять оптимальные. Кроме того, в рамках выборочного контроля, оно может быть использовано в производстве для оценки правильности настроенности технологических операций.

Сравнение с базовым объектом. Базовый объект прототип.

В заключение в качестве примера приведем сравнение результатов измерений, полученных на устройстве прототипа и заявляемом устройстве. С этой целью было изготовлено десять одинаковых образцов, каждый из которых имел две цилиндрических поверхности шириной по 20 мм и диаметром 50 мм, разделенных канавкой шириной 4 мм, диаметром 45 мм. Первоначально обе поверхности всех образцов обрабатывались точением с одинаковыми режимами обработки. Затем одна поверхность каждого из образцов подвергалась поверхностному пластическому деформированию (ППД) обкатыванием шаром диаметром 10 мм с усилием 750 Н и подачей 0,1 мм/об. В результате такой обработки происходит существенное изменение структуры поверхностного слоя. Ставится задача оценить изменение КРП, происшедшее вследствие обработки ППД. Измерения по прототипу на поверхности, подвергнутой ППД, дали значения КРП в диапазоне от 145 до 350 мВ для всех десяти образцов. Однако эти результаты отражают величину изменения КРП по отношению к материалу электрода и никак не свидетельствуют о величине изменения КРП вследствие ППД. Другой путь состоит в измерении КРП до ППД и после. Если построить эту процедуру обезличенно по отношению к образцам, то результаты измерений по 10 образцам выглядят так: до ППД значения КРП были в диапазоне от 247 до 500 мВ, после ППД от 145 до 350 мВ. В этом случае также трудно судить о фактическом изменении КРП, происшедшем вследствие ППД, т.к. результаты замеров КРП до и после ППД пересекаются. Еще более трудно говорить о возможности идентификации поверхностей по абсолютной величине КРП на предмет: была ли поверхность обработана ППД, или нет. Так, например, значение КРП=300 мВ может соответствовать и точной поверхности и обработанной ППД. Другой вариант определения КРП до и после ППД состоит в фиксации результатов измерений к конкретному образцу, которые приведены в таблице. Однако следует сказать, что такая организация измерений существенно осложняет оценку КРП, особенно если она осуществляется в условиях производства. В этой же таблице приведены результаты измерений с использованием заявляемого устройства одновременно двумя электродами.

Как видно из таблицы, значения ΔU по прототипу имеют больший диапазон рассеяния, чем по заявляемому устройству и, следовательно, меньшую точность оценки. Кроме того, процедура оценки изменения КРП более сложна, громоздка и длительна.

Готовность: опытный образец, прошедший лабораторные испытания на кафедре "технология машиностроения" с подтверждением ожидаемого положительного эффекта.

Внедрение намечено на 1991г, в ПО "Куйбышевбурмаш" для контроля настроенности технологических операций при изготовлении деталей буровых долот и оценки качества поверхностей.

Формула изобретения

Устройство для оценки приращения контактной разности потенциалов, содержащее первый электрод, выполненный с возможностью возвратно-поступательного перемещения и подключенный к неинвертирующему входу первого дифференциального усилителя, первый частотно-избирательный фильтр, включенный в цепь отрицательной обратной связи первого дифференциального усилителя, первый резистор, первый вывод которого подключен к неинвертирующему входу первого дифференциального усилителя, и индикатор, отличающееся тем, что введены второй резистор, второй электрод, выполненный с возможностью возвратно-поступательного перемещения и соединенный с первым выводом второго резистора, второй дифференциальный усилитель, второй частотно-избирательный фильтр, включенный в цепь отрицательной обратной связи второго дифференциального усилителя и к неинвертирующему входу которого подключен второй электрод, первый и второй генераторы, каждый из которых выполнен с возможностью синхронизации с перемещениями первого и второго электродов, первый фазовый детектор, входы которого соединены с выходами первого дифференциального усилителя и первого генератора, второй фазовый детектор, входы которого соединены с выходами второго дифференциального усилителя и второго генератора, первый интегрирующий фильтр, вход которого подключен к выходу первого фазового детектора, второй интегрирующий фильтр, вход которого подключен к выходу второго фазового детектора, компаратор, входы которого подключены к выходам первого и второго интегрирующих фильтров, а выход подключен к входу индикатора, при этом второй вывод первого резистора соединен с выходом первого интегрирующего фильтра и второй вывод второго резистора соединен с выходом второго интегрирующего фильтра.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2