Электромагнитный толщиномер

 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для измерения толщины различных покрытий на цилиндрических металлических основах. Толщиномер содержит микроконтроллер, программируемый делитель частоты, первичный трансформаторный преобразователь с одной возбуждающей и двумя измерительными обмотками, последовательно соединенные повторитель. интегратор, операционный усилитель и элемент И. Один из выходов микроконтроллера подключен к индикатору. Толщиномер дополнительно содержит генератор и подключенный к нему первичный вихретоковый преобразователь (ВТП). Вихретоковый преобразователь неподвижно закреплен в цилиндрическом корпусе, общем с трансформаторным преобразователем. Трансформаторный преобразователь расположен под ВТП и подпружинен к измеряемой поверхности. Оба преобразователя образуют первичный измерительный преобразователь, корпус которого имеет угловой вырез в нижней части. ВТП позволяет определять диаметр изделия, что повышает точность измерений и дает возможность исключить необходимость калибровки прибора при контроле покрытий на цилиндрических изделиях с отличающимися радиусами. 4 ил.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к устройствам для измерения толщины различных покрытий на цилиндрических металлических основах неразрушающим электромагнитным методом.

Известен "Магнитный толщиномер покрытий (см. описание изобретения к авт. св. СССР N 1803720, кл. G 01 B 7/06, опубл. в 1993), содержащий генератор, первичный преобразователь, усилитель, детектор, три сумматора, блок управления, нормирующий усилитель, аналого-цифровой преобразователь, индикатор, источник постоянного напряжения, четыре группы делителей напряжения по N в каждой группе и четыре коммутатора.

Данная конструкция магнитного толщиномера позволила повысить точность за счет уменьшения погрешности магнитного толщиномера, однако это связано с необходимостью калибровки толщиномера при контроле изделий с отличающимися радиусами.

Известен "Индукционный интегрирующий толщиномер (см. статью автора Сясько В. А. "Индукционный интегрирующий толщиномер. Журнал "Дефектоскопия", N 12, 1990, с.47-52. ), который выбран в качестве прототипа. Известный толщиномер содержит блок обработки информации, включающий микроконтроллер, индикатор, программируемый делитель частоты, операционные усилители, электронный и аналоговые ключи, резистор, конденсатор и элемент И, а также измерительный трансформаторный преобразователь, состоящий из источника аксиального магнитного поля (W) и измерительных обмоток (W₁ и W₂), расположенных в корпусе.

Недостатком этого толщиномера является также необходимость его калибровки при контроле цилиндрических изделий с отличающимися радиусами.

Задача предлагаемого технического решения направлена на создание толщиномера, позволяющего уменьшить влияние кривизны цилиндрических изделий на точность измерения и исключить необходимость его калибровки при контроле покрытий на цилиндрических изделиях с отличающимися радиусами.

Поставленная задача достигается тем, что электромагнитный толщиномер, содержащий первичный трансформаторный преобразователь и блок обработки информации, включающий микроконтроллер, соединенный с индикатором, программируемый делитель частоты, входы которого соединены с соответствующими выходами микроконтроллера, повторитель, один из входов которого соединен одновременно с соответствующими выводами первого, второго и третьего аналоговых ключей, на второй вывод третьего ключа подано опорное напряжение, а второй вход повторителя объединен с его выходом и подключен к одному из выводов резистора, второй вывод которого соединен через четвертый аналоговый ключ с пятым аналоговым ключом, а также с одним из выводов конденсатора и входом операционного усилителя, которые вместе с резистором образуют интегратор, другой вывод конденсатора и выход операционного усилителя соединены с другим выводом пятого аналогового ключа и соответствующим входом компаратора, последовательно соединенного с логическим элементом И, другой вход которого соединен с соответствующим выходом микроконтроллера, один из входов которого подключен к выходу логического элемента И, другие выходы микроконтроллера подключены к управляющим выводам соответственно первого, второго, третьего и пятого аналоговых ключей, управляющий вывод четвертого аналогового ключа соединен с выходом программируемого делителя частоты и с управляющим выводом электронного ключа, вторые входы операционного усилителя и компаратора заземлены, а первичный трансформаторный преобразователь представляет собой, размещенные в корпусе, источник аксиального магнитного поля, один из выводов которого заземлен, а другой соединен с первым выводом электронного ключа, на второй вывод которого подано напряжение питания, и две измерительные обмотки, каждая из которых одним своим выводом подключена к соответствующему первому и второму аналоговым ключам, вторые выводы измерительных обмоток заземлены, дополнительно снабжен последовательно соединенными между собой первичным вихретоковым преобразователем и генератором, выход которого соединен со вторым входом микроконтроллера, при этом первичный вихретоковый преобразователь, представляющий собой измерительную обмотку, образует с первичным трансформаторным преобразователем первичный измерительный преобразователь, заключенный в цилиндрический корпус с угловым вырезом в нижней его части и выполненный из диэлектрического материала, причем первичный вихретоковый преобразователь неподвижно закреплен в верхней части корпуса первичного измерительного преобразователя, а первичный трансформаторный преобразователь, с жестко закрепленной на его корпусе неферромагнитной электропроводящей пластиной, подпружинен в корпусе первичного измерительного преобразователя и свободно в нем перемещается по осевой линии.

Новым является введение последовательно соединенных генератора и первичного вихретокового преобразователя, который вместе с первичным трансформаторным преобразователем образуют первичный измерительный преобразователь, заключенный в цилиндрический корпус с угловым вырезом в нижней его части и выполненный из диэлектрического материала, при этом первичный вихретоковый преобразователь неподвижно закреплен в верхней части корпуса первичного измерительного преобразователя, а первичный трансформаторный преобразователь, с жестко закрепленной на его корпусе неферромагнитной электропроводящей пластиной, подпружинен в корпусе первичного измерительного преобразователя и свободно в нем перемещается по осевой линии.

В отличие от прототипа, в котором производятся четыре цикла преобразования измерительной информации с выхода первичного трансформаторного преобразователя и вычисляется толщина покрытия в соответствии с алгоритмом, позволяющим уменьшить влияние магнитной проницаемости μ изделия на результат измерения, предлагаемая конструкция электромагнитного толщиномера позволяет получить информацию о величине радиуса R цилиндрического изделия и учесть его при вычислении толщины T покрытия, тем самым уменьшить влияние радиуса R цилиндрического изделия на результат измерения и исключить необходимость калибровки толщиномера при измерении покрытий на цилиндрических изделиях с отличающимися радиусами.

Заявляемый электромагнитный толщиномер поясняется чертежами, где: на фиг. 1 - представлена функциональная схема электромагнитного толщиномера; на фиг. 2 - представлены диаграммы, иллюстрирующие работу толщиномера, и таблица состояний ключей (. - замкнутое состояние ключа); на фиг. 3 - представлена зависимость частоты на выходе генератора от величины радиуса изделия; на фиг. 4 - представлена зависимость информативного параметра от толщины покрытия при различных радиусах.

Электромагнитный толщиномер (фиг.1) содержит блок обработки информации 1, содержащий микроконтроллер 2, индикатор 3, генератор 4, программируемый делитель частоты 5, повторитель 6, выполненный на операционном усилителе, а также резистор 7, конденсатор 8 и операционный усилитель 9, образующие интегратор, компаратор 10, выполненный на операционном усилителе, логический элемент И 11, электронный ключ 12, аналоговые ключи 13, 14, 15, 16, 17, первичный трансформаторный преобразователь 18, состоящий из источника аксиального магнитного поля 19 и измерительных обмоток 20, 21, первичный вихретоковый преобразователь, представляющий собой измерительную обмотку 22, неферромагнитную электропроводящую пластину 23, корпус 24 первичного трансформаторного преобразователя, пружины 25. Преобразователи 18 и 22 образуют первичный измерительный преобразователь, заключенный в корпус 26 с угловым вырезом в нижней его части. Позицией 27 обозначено покрытие цилиндрического изделия 28, толщина которого измеряется.

Микроконтроллер 2 выполнен, например, на микросхеме типа КР1816ВЕ51.

Программируемый делитель частоты 5 выполнен, например, на микросхеме типа КР580ВИ53.

Повторитель 6, операционный усилитель 9 и компаратор 10 выполнены, например, на микросхемах типа КР544УД1.

Логический элемент И 11 выполнен, например, на микросхеме типа К155ЛИ.

Ключ 12 - электронный и выполнен, например, на транзисторе типа КТ818.

Ключи 13-17 - аналоговые и выполнены, например, на микросхемах типа КР590КН2.

Генератор выполнен, например, на микросхеме типа К555ЛАЗ.

Микроконтроллер 2 соединен с индикатором 3, другие выходы микроконтроллера 2 подключены ко входам программируемого делителя частоты 5, к управляющим выводам аналоговых ключей 13-17 и к одному из входов логического элемента И 11, выход которого соединен с одним из входов микроконтроллера 2. Второй вход микроконтроллера 2 соединен с генератором 4. Второй вход логического элемента И 11 соединен с выходом компаратора 10, один из входов которого заземлен, а второй его вход соединен с одним из выводов аналогового ключа 17, с выводом конденсатора 8 и с выходом операционного усилителя 9, один из входов которого заземлен, а другой его вход соединен со вторым выводом конденсатора 8 и соответствующими выводами аналоговых ключей 16 и 17. Другой вывод аналогового ключа 16 через резистор 7 соединен с выходом и одним из входов повторителя 6, другой вход которого подключен к соответствующим выводам первого, второго и третьего аналоговых ключей 13-15. На второй вывод третьего аналогового ключа 15 подано опорное напряжение. Выход программируемого делителя частоты 5 соединен с управляющими выводами аналогового ключа 16 и электронного ключа 12, на один из выводов которого подано напряжение питания, а другой его вывод соединен с одним из выводов источника аксиального магнитного поля 19, другой вывод которого заземлен. Выводы измерительных обмоток 20 и 21 подключены соответственно к аналоговым ключам 13 и 14. Другие выводы измерительных обмоток 20 и 21 заземлены. Выводы измерительной обмотки 22, образующей первичный вихретоковый преобразователь, соединены с генератором 4. Пластина 23, выполненная из неферромагнитного электропроводного материала, закреплена на корпусе 24 первичного трансформаторного преобразователя, подпружиненного пружиной 25. Первичный трансформаторный преобразователь 18 и первичный вихретоковый преобразователь 22 образуют первичный измерительный преобразователь, заключенный в цилиндрический корпус 26 с угловым вырезом в нижней его части. Корпус 26 выполнен из диэлектрического материала. Первичный вихретоковый преобразователь 22 неподвижно закреплен в верхней части корпуса 26. Первичный трансформаторный преобразователь 18 свободно перемещается в корпусе 26 по осевой линии.

Электромагнитный толщиномер работает следующим образом.

Работа толщиномера синхронизируется микроконтроллером 2 в соответствии с записанной в память программой функционирования. Алгоритм работы поясняется временной диаграммой и таблицей состояния ключей 12-17 (фиг. 2 к,л,м,н,о,п). Работа программируемого делителя частоты 5 синхронизируется сигналами U_c(t) с периодом следования τ_c и "Контроль", разрешающим работу программируемого делителя частоты 5 (фиг.2а,б).

При проведении измерения первичный измерительный преобразователь, корпус 26 которого имеет угловой вырез в нижней его части, позволяющий устанавливать подпружиненный первичный трансформаторный преобразователь 18 нормально к поверхности цилиндрического изделия в точке контроля, устанавливается на покрытие 27 цилиндрического изделия 28, имеющего радиус R.

Для определения толщины T покрытия 27 работа толщиномера строится в четыре цикла.

В первом цикле в момент t₀ начала преобразования (фиг. 2) замыкается аналоговый ключ 13, коммутирующий выход измерительной обмотки 20 на вход повторителя 6, выполненного на операционном усилителе. В момент t₁ замыкается электронный ключ 12 (фиг.2к) и через источник аксиального магнитного поля 19 начинает протекать ток i(t) (фиг.2г). В этот же момент замыкается аналоговый ключ 16 и размыкается аналоговый ключ 17 (фиг.2п). На измерительной обмотке 20 наводится ЭДС e₁(t) (фиг.2д), обратно пропорциональная толщине T покрытия 27, подаваемая через повторитель 6 на вход интегратора, образованного резистором 7, конденсатором 8 и операционным усилителем 9. В момент t₂ напряжение U_и (фиг.2е) на выходе интегратора пропорционально площади ЭДС e₁(t).

В момент t₂ аналоговый ключ 13 (фиг.2л) размыкается, замыкается аналоговый ключ 15 (фиг.2н), на вход логического элемента И 11 подается разрешающий сигнал U_ox(t) (фиг.2ж), при этом на выходе логического элемента И 11 формируется передний фронт временного интервала U_x(t) (фиг.2з).

В этот же момент времени напряжение U_и(t) (фиг.2е) начинает линейно уменьшаться, достигая нулевого значения в момент времени t₃, что вызывает срабатывание компаратора 10, выполненного на операционном усилителе, и на выходе логического элемента И 11 формируется задний фронт импульса U_x(t) (фиг. 2з), длительность которого обратно пропорциональна толщине T покрытия 27 и пропорциональна радиусу R цилиндрического изделия 28. После этого снимаются разрешающие сигналы "контроль" со входа программируемого делителя частоты 5 и U_ox(t) (фиг.2ж) со входа логического элемента И 11, размыкаются аналоговые ключи 15 и 16 (фиг.2н,о), замыкается аналоговый ключ 17 (фиг.2п)/ Временной интервал t₂ - t₃ микроконтроллер 2 квантует импульсами частотой f₀ и подсчитывает код N₁ =(t₃ - t₂)·f₀, пропорциональный напряжению U_и (фиг.2е) на выходе интегратора в момент t₂ и, соответственно, площади ЭДС e₁(t).

Аналогично во втором цикле преобразования подсчитывается код N₂, пропорциональный площади ЭДС e₂(t). Отличие заключается в том, что в момент начала второго цикла преобразования, соответствующего моменту t₀ начала первого цикла преобразования? замыкается ключ 14 (фиг.2м) вместо ключа 13. В момент окончания преобразования код N₂ пропорционален площади ЭДС e₂(t).

В третьем и четвертом циклах преобразования, когда первичный измерительный преобразователь отнесен далеко от цилиндрического изделия 28, подсчитываются коды N₁₀ и N₂₀, пропорциональные, соответственно, площадям ЭДС e₁₀(t) и e₂₀(t).

По окончании четвертого цикла преобразования микроконтроллером 2 вычисляется информативный параметр n = (N₁ - N₁₀)/(N₂ - N₂₀).

В соответствии со статьей (прототипом) n равно отношению вносимых потокосцеплений ϑ_в1(T) и ϑ_в2(T), что подавляет влияние магнитных свойств цилиндрического изделия 28 на n. Вместе с тем n зависит от величины радиуса R цилиндрического изделия 28.

Во время первого и второго циклов преобразования микроконтроллер 2 определяет частоту f импульсов с выхода генератора 4 (фиг.2и) с включенным в его контур первичным вихретоковым преобразователем 22. Частота f на выходе генератора 4 пропорциональна величине вносимой неферромагнитной электропроводящей пластиной 23 индуктивности, которая в свою очередь обратно пропорциональна расстоянию H между первичным вихретоковым преобразователем 22 и неферромагнитной электропроводящей пластиной 23. Конструкция корпуса 26 первичного измерительного преобразователя имеет угловой вырез в нижней его части, который обуславливает изменение H при установке его на цилиндрическое изделие с отличающимися радиусами R, при этом H пропорционально радиусу R. Таким образом, частота f на выходе генератора 4 обратно пропорциональна радиусу R цилиндрического изделия 28.

Для уменьшения влияния радиуса R цилиндрического изделия 28 на результат измерения предварительно снимаются и записываются в память микроконтроллера 2 характеристики, представленные на фиг. 3 и фиг. 4. На фиг. 3 представлена зависимость частоты f на выходе генератора 4 от величины радиуса R цилиндрического изделия 28. На фиг.4 представлена зависимость информативного параметра n от толщины T покрытия при различных радиусах R цилиндрических изделий.

После проведения четырех циклов измерения, вычисления n и определения f микроконтроллер 2 по записанной в память характеристике f от радиуса R цилиндрического изделия 28 осуществляет обратное преобразование и вычисляет R. После этого по вычисленному R микроконтроллер 2 выбирает из памяти характеристику n от толщины T покрытия 27, соответствующую вычисленному R, осуществляет обратное преобразование и вычисляет толщину Т покрытия 27, выдает результат на индикатор 3.

Таким образом, предлагаемый электромагнитный толщиномер позволяет уменьшить влияние радиуса R цилиндрического изделия на точность измерения толщины покрытия T и исключить необходимость калибровки при контроле цилиндрических изделий с отличающимися радиусами R, т. е. повысить производительность и точность контроля.

Формула изобретения

Электромагнитный толщиномер, содержащий первичный трансформаторный преобразователь и блок обработки информации, включающий микроконтроллер, соединенный с индикатором, программируемый делитель частоты, входы которого соединены с соответствующими выходами микроконтроллера, повторитель, один из входов которого соединен одновременно с соответствующими выводами первого, второго и третьего аналоговых ключей, на второй вывод третьего ключа подано опорное напряжение, а второй вход повторителя объединен с его выходом и подключен к одному из выводов резистора, второй вывод которого соединен через четвертый аналоговый ключ с пятым аналоговым ключом, а также с одним из выводов конденсатора и входом операционного усилителя, которые вместе с резистором образуют интегратор, другой вывод конденсатора и выход операционного усилителя соединены с другим выводом пятого аналогового ключа и соответствующим входом компаратора, последовательно соединенного с логическим элементом И, другой вход которого соединен с соответствующим выходом микроконтроллера, один из входов которого подключен к выходу логического элемента И, другие выходы микроконтроллера подключены к управляющим выводам соответственно первого, второго, третьего и пятого аналоговых ключей, управляющий вывод четвертого аналогового ключа соединен с выходом программируемого делителя частоты и с управляющим выводом электронного ключа, вторые входы операционного усилителя и компаратора заземлены, а первичный трансформаторный преобразователь представляет собой размещенные в корпусе источник аксиального магнитного поля, один из выводов которого заземлен, а другой соединен с первым выводом электронного ключа, на второй вывод которого подано напряжение питания, и две измерительные обмотки, каждая из которых одним своим выводом подключена к соответствующим первому и второму аналоговым ключам, вторые выводы измерительных обмоток заземлены, отличающийся тем, что толщиномер дополнительно снабжен последовательно соединенными между собой первичным вихретоковым преобразователем и генератором, выход которого соединен со вторым входом микроконтроллера, при этом первичный вихретоковый преобразователь, представляющий собой измерительную обмотку, образует с первичным трансформаторным преобразователем первичный измерительный преобразователь, заключенный в цилиндрический корпус с угловым вырезом в нижней его части и выполненный из диэлектрического материала, причем первичный вихретоковый преобразователь неподвижно закреплен в верхней части корпуса первичного измерительного преобразователя, а первичный трансформаторный преобразователь с жестко закрепленной на его корпусе неферромагнитной электропроводящей пластиной подпружинен в корпусе первичного измерительного преобразователя и свободно в нем перемещается по осевой линии.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4