Способ вихретокового контроля

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано в промышленности для контроля линейных и угловых перемещений, величины вибрации электропроводящих объектов. Технический результат: повышение чувствительности и быстродействия, уменьшение погрешности измерений. Сущность: используется вихретоковый преобразователь в виде параллельного колебательного контура. Преобразователь подключают к источнику постоянного стабильного тока. Измеряют падение напряжения на активном сопротивлении катушки вихретокового преобразователя. После этого отключают преобразователь от источника тока для формирования в нем собственных затухающих колебаний. Выделяют один из периодов затухающих колебаний, измеряют его амплитуду и положение на временной оси относительно начала затухающих колебаний. После этого осуществляют принудительное гашение затухающих колебаний. Информативным параметром является изменение амплитуды периода и изменение положения периода на временной оси. Величину падения напряжения на катушке используют для автоматической регулировки усиления выходного сигнала. 4 ил.

 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано в промышленности для контроля линейных и угловых перемещений, величины вибрации электропроводящих объектов.

Известен способ вихретокового контроля (см. книгу: Физические и физикохимические методы контроля состава и свойств вещества. Метод вихревых токов. / Н.Н.Шумиловский и др. - М. - Л.: Энергия, 1966 - с.123-132). Способ заключается в том, что используют вихретоковый преобразователь в виде параллельного колебательного контура, который устанавливают в зоне контроля и периодически подключают к источнику питания для формирования в параллельном колебательном контуре собственных затухающих колебаний, по величине затухания которых судят об изменениях физико-механических параметров контролируемого объекта, в качестве информативного параметра используют изменение средневыпрямленного напряжения затухающих колебаний, изменением периода подключения контура к источнику питания влияют на чувствительность контроля.

Недостатком способа является его низкая чувствительность, так как выделение информативного параметра осуществляется путем измерения средневыпрямленного значения экспоненциально затухающего гармонического колебания, что предполагает усреднение составляющих с высокой и низкой информативностью. Кроме того, способ обладает большой погрешностью измерения, вызванной влиянием температуры на активное сопротивление катушки параллельного колебательного контура.

Известен способ вихретокового контроля (см. патент РФ №2185617 от 7.02.2000, опубликован 20.07.2002), который является наиболее близким по технической сущности и взят в качестве прототипа. Способ заключается в том, что вихретоковый преобразователь в виде параллельного колебательного контура устанавливают в зоне контроля и периодически подключают к источнику питания для формирования в параллельном колебательном контуре собственных затухающих колебаний, по величине затухания которых судят об изменениях физико-механических параметров контролируемого объекта. При этом в качестве источника питания используют источник постоянного стабильного тока, который подключают к параллельному колебательному контуру и отключают от него после окончания переходного процесса, после чего величину затухания определяют путем выбора полупериода с максимальным изменением амплитуды, которая соответствует максимальной чувствительности к изменению параметров контролируемого объекта. При этом для компенсации погрешности измерения, вызванного изменением активного сопротивления катушки параллельного колебательного контура вследствие воздействия температуры окружающей среды, перед отключением источника постоянного стабильного тока от параллельного колебательного контура измеряют падение напряжения на активном сопротивлении его катушки, после чего корректируют выходную величину источника постоянного стабильного тока в зависимости от величины этого падения напряжения, после отключения источника постоянного стабильного тока от параллельного колебательного контура выходную величину источника постоянного стабильного тока восстанавливают до исходного значения.

Недостатком способа является его ограниченное быстродействие вследствие удлинения периода возбуждения затухающих колебаний на время, необходимое для корректировки тока возбуждения, а также из-за большой длительности процесса затухания. Недостатком является то, что в качестве информативного параметра используется только вносимое со стороны объекта контроля активное сопротивление и не учитывается вносимая индуктивность.

Решаемой технической задачей является создание способа для вихретокового контроля физико-механических параметров электропроводящих объектов с повышенной чувствительностью и быстродействием.

Техническим результатом заявляемого способа является исключение процедуры корректировки тока возбуждения и введение процедуры регулировки коэффициента усиления выходного сигнала, введение процедуры принудительного гашения затухающих колебаний сразу после выделения информативного параметра, измерение вносимого реактивного сопротивления.

Это достигается тем, что в способе вихретокового контроля, основанном на использовании вихретокового преобразователя в виде параллельного колебательного контура, который устанавливают в зоне контроля и подключают к источнику постоянного стабильного тока, измеряют падение напряжения на активном сопротивлении катушки вихретокового преобразователя, после чего отключают его от источника постоянного стабильного тока для формирования в вихретоковом преобразователе собственных затухающих колебаний, величина затухания которых является информативным параметром, по которому судят об изменениях физико-механических свойств контролируемого объекта, новым является то, что выделяют один из периодов затухающих колебаний, измеряют его амплитуду и положение на временной оси относительно начала затухающих колебаний, после чего осуществляют принудительное гашение затухающих колебаний, при этом информативным параметром является изменение амплитуды периода и изменение положения периода на временной оси, а величину падения напряжения на катушке вихретокового преобразователя используют для автоматической регулировки усиления выходного сигнала.

Новая совокупность существенных признаков, заявляемых в способе, позволяет повысить чувствительность, быстродействие и уменьшить погрешность измерения.

На фиг.1 изображена структурная схема устройства вихретокового контроля, реализующая заявляемый способ. На фиг.2 приведены эпюры напряжения в колебательном контуре при разных h₁ и h₂ расстояниях вихретокового преобразователя до контролируемого объекта, иллюстрирующие принцип выделения информативного параметра; на фиг.3 приведены эпюры напряжений, поясняющие работу устройства вихретокового контроля; на фиг.4 приведена экспериментальная выходная характеристика устройства вихретокового контроля.

Устройство для реализации способа содержит последовательно соединенные источник постоянного стабильного тока 1, первый аналоговый ключ 2, вихретоковый преобразователь 3, второй аналоговый ключ 4, пиковый детектор 5, первый элемент выборки-хранения 6, анализатор преобразователь 7, выход которого является выходом устройства. Выход задающего генератора 8 соединен со входом синхронизатора 9 и первым входом счетчика 10, группа выходов которого соединена с группой входов анализатора преобразователя 7, второй вход которого соединен с выходом второго элемента выборки-хранения 11, первый вход которого соединен со входом вихретокового преобразователя 3 и выходом ключа гашения 12, вход которого соединен с первым выходом синхронизатора 9, второй выход которого соединен со вторым входом второго элемента выборки-хранения 11, третий выход соединен со вторым входом первого элемента выборки-хранения 6, четвертый выход - со вторым входом первого аналогового ключа 2, вторым входом пикового детектора 5, первым входом селектора 13 и вторым входом счетчика 10, третий вход которого соединен с выходом селектора 13 и со вторым входом второго аналогового ключа 4, вход которого соединен со входом компаратора 14, выход которого соединен со вторым входом селектора 13.

Способ осуществляется следующим образом. Импульсы с задающего генератора 8 поступают на вход синхронизатора 9, на четвертом выходе которого появляется управляющая последовательность импульсов в форме меандра (эпюра а). Во время действия отрицательной фазы происходит сброс пикового детектора 5, приведение в исходное состояние селектора 13 и включение первого аналогового ключа 2, который подключает источник постоянного стабильного тока 1 к вихретоковому преобразователю 3, после чего устанавливается режим протекания постоянного стабильного тока через катушку вихретокового преобразователя 3. После чего на втором выходе синхронизатора 9 появляется импульс (эпюра б), во время действия которого при помощи второго элемента выборки-хранения 11 осуществляется запоминание падения напряжения, вызванное протеканием тока через активное сопротивление катушки. Это напряжение (эпюра в) подается на второй вход анализатора-преобразователя 7 и используется для регулировки усиления выходного сигнала в зависимости от температуры окружающей среды катушки вихретокового преобразователя 3. Затем во время действия отрицательной фазы (эпюра а) разрешается работа пикового детектора 5, селектора 13, осуществляется запуск счетчика 10, а также осуществляется отключение вихретокового преобразователя 3 от источника постоянного стабильного тока 1, при этом после отключения, в результате накопленной в катушке магнитной энергии, на выходе вихретокового преобразователя 5 возникают затухающие гармонические колебания (эпюра г), которые начинаются с отрицательного полупериода, поскольку предполагается, что для питания контура используется источник вытекающего тока. Затухающие колебания поступают на вход второго аналогового ключа 4 и на вход компаратора 14. С компаратора 14 последовательность прямоугольных импульсов (эпюра д) поступает на вход селектора 13, который осуществляет подсчет импульсов и вырабатывает селектирующий импульс (эпюра е), по длительности соответствующий периоду затухающих колебаний, а по временному положению, в данном конкретном случае, четвертому периоду колебаний. На время действия селектирующего импульса происходит включение второго аналогового ключа 4, который пропускает четвертый период (эпюра ж) на вход пикового детектора 5, являющегося детектором положительных значений. С выхода пикового детектора 5 напряжение, соответствующее амплитуде четвертого положительного полупериода (эпюра з), поступает на первый вход элемента выборки-хранения 6, который запоминает это напряжение (эпюра к) в момент действия управляющего импульса, поступающего с третьего выхода синхронизатора 4 (эпюра и). Сразу после этого на первом выходе синхронизатора 9 вырабатывается импульс, который поступает на вход ключа гашения 12 (эпюра л), в результате чего обеспечивается принудительное гашение затухающего колебания. Счетчик 10 подсчитывает количество импульсов, поступающих с выхода задающего генератора 8 за время между передним фронтом положительного импульса (эпюра а) и передним фронтом положительного импульса (эпюра е). Двоичное число с группы выходов счетчика 10, соответствующее количеству подсчитанных импульсов, поступает на группу входов анализатора преобразователя 7. Анализатор-преобразователь 7 обеспечивает функциональное преобразование сигналов, а также их суммирование и масштабирование. Напряжение на выходе анализатора-преобразователя 7 является выходным сигналом устройства (эпюра м). Цикл измерения составляет один период управляющей импульсной последовательности, поступающей с четвертого выхода синхронизатора 4 (эпюра а), это соответствует времени одного замера. Частота импульсов (замеров) может достигать пятьдесят и более килогерц, что говорит высоком быстродействии устройства.

Первый элемент выборки-хранения 6, анализатор-преобразователь 7, задающий генератор 8, синхронизатор 9, счетчик 10, второй элемент выборки-хранения 11, селектор 13, компаратор 14 выполнены на микроконтроллере C8051F007. При этом элементы выборки-хранения, задающий генератор, счетчик, селектор, компаратор входят в состав архитектуры указанного микроконтроллера. Синхронизатор выполнен программным способом. Функции анализатора-преобразователя реализованы программно с использованием цифроаналогового преобразователя, также входящего в состав микроконтроллера. Выход цифроаналогового преобразователя является выходом устройства. Описание микроконтроллера приведено в книге: О.И.Николайчук. х51-совместимые микроконтроллеры фирмы Cygnal. - М: ООО «ИД СКИМЕН», 2002.

Источник постоянного стабильного тока 1 может быть выполнен по схеме, приведенной в книге: У.Титце, К.Шенк. Полупроводниковая схемотехника. - М.: Мир, 1982, с.175, рис.12.16.

Первый 2 и второй 4 аналоговые ключи могут быть выполнены на одной микросхеме ADG413BN фирмы Analog Devices, представляющей собой четыре аналоговых ключа с прямыми и инверсными управляющими входами.

Вихретоковый преобразователь 3 представляет собой накладную катушку индуктивности, заключенную в диэлектрический корпус и подключенную к коаксиальному кабелю. Индуктивность катушки и емкость кабеля образуют параллельный колебательный контур.

Пиковый детектор 5 может быть выполнен по схеме, приведенной в книге: У.Титце, К.Шенк. Полупроводниковая схемотехника. - М.: Мир, 1982, с.475, рис.25.18.

В целях подтверждения осуществимости заявленного объекта и достигнутого технического результата изготовлен и испытан опытный образец вихретокового датчика, выполненный в соответствии со структурной схемой, изображенной на фиг.1. При этом использовался вихретоковый преобразователь в виде накладной катушки диаметром 5 мм, сечением 1 мм², с количеством витков, равным 80, собственным активным сопротивлением 3,7 Ом, включенный в параллельный колебательный контур, емкость которого 490 пФ образована коаксиальным кабелем с волновым сопротивлением 75 Ом и длиной 7 метров. В качестве контролируемого объекта использовался диск диаметром 40 мм и толщиной 4 мм из стали марки 30ХГСА. На фиг.4 приведена экспериментальная выходная характеристика устройства, отражающая зависимость выходного напряжения от зазора между торцом катушки и плоскостью диска, при двух температурах окружающей среды катушки. Проведенные испытания показали осуществимость заявленного способа вихретокового контроля, подтвердили его практическую ценность.

Способ вихретокового контроля может применяться:

- для измерения величины радиальной вибрации и осевого смещения валов турбин, компрессоров, электродвигателей и т.п.;

- для контроля теплового расширения деталей машин;

- в качестве датчика оборотов или фазового ключа;

- в качестве бесконтактного концевого переключателя;

- для контроля толщины диэлектрических покрытий на токопроводящем основании.

Способ вихретокового контроля, основанный на использовании вихретокового преобразователя в виде параллельного колебательного контура, который устанавливают в зоне контроля и подключают к источнику постоянного стабильного тока, измеряют падение напряжения на активном сопротивлении катушки вихретокового преобразователя, после чего отключают его от источника постоянного стабильного тока для формирования в вихретоковом преобразователе собственных затухающих колебаний, величина затухания которых является информативным параметром, по которому судят об изменениях физико-механических свойств контролируемого объекта, отличающийся тем, что выделяют один из периодов затухающих колебаний, измеряют его амплитуду и положение на временной оси относительно начала затухающих колебаний, после чего осуществляют принудительное гашение затухающих колебаний, при этом информативным параметром является изменение амплитуды периода и изменение положения периода на временной оси, а величину падения напряжения на катушке вихретокового преобразователя используют для автоматической регулировки усиления выходного сигнала.