УСТРОЙСТВО ФИКСАЦИИ ПОЛОЖЕНИЯ И РАЗМЕРОВ МАЛОРАЗМЕРНЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ВКЛЮЧЕНИЙ В ИЗДЕЛИЯХ ИЗ НЕПРОВОДЯЩИХ МАТЕРИАЛОВ
APPARATUS FOR RECORDING THE POSITION AND SIZES OF SMALL-SIZED METAL INCLUSIONS IN ARTICLES MADE OF NON-CONDUCTIVE MATERIALS

Изобретение относится к методам неразрушающего контроля для фиксации положения и измерения размеров малоразмерных металлических включений (ММВ) размерами от 0,1 до 2 мм в изделиях из непроводящих материалов, в частности из полимерных композитных материалов (ПКМ), и может быть использовано в пищевой, текстильной, фармацевтической промышленностях.
Известен металлоискатель (патент RU №2366982, МПК G01V 3/11, опубл. 10.09.2009, бюл. №25), предназначенный для обнаружения металлических объектов в различных средах, содержащий индукционный преобразователь, состоящий из двух резонансных контуров, включающих соответственно излучающую и частично перекрывающую ее приемную катушки, цепей балансировки, три усилителя, синхронный детектор и индикатор, причем последовательно соединены выход индукционного преобразователя, первый усилитель и вход первого синхронного детектора, четвертый усилитель, второй синхронный детектор, двухканальный аналого-цифровой преобразователь и микропроцессор, первый выход микропроцессора последовательно соединен со вторым усилителем и входом индукционного преобразователя, второй и третий выходы соответственно с опорными входами синхронных детекторов, соединенными выходами соответственно с третьим и четвертым усилителями, соединенными выходами с входами двухканального аналого-цифрового преобразователя, соединенного с микропроцессором, соединенного с индикатором, вход второго синхронного детектора присоединен к выходу первого усилителя.
Недостатком данного технического решения является фиксация наличия только крупных объектов (оружие, золотые украшения и т.п.), а также низкая точность определения положения объекта.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является устройство определения положения малоразмерных металлических включений в изделиях из композитных материалов (патент RU №2710080, МПК G01V 3/11, G01N 27/82, опубл. 24.12.2019 г., бюл. №3), включающее усилители, синхронные детекторы, двухканальный аналого-цифровой преобразователь, блок обработки, индикатор и индукционный преобразователь, между индукционным преобразователем и первым усилителем подключен коммутатор. Индукционный преобразователь включает в себя возбуждающую катушку индуктивности и измерительные катушки индуктивности.
Недостатком данного технического решения малая информативность контроля, и, как следствие, его низкая эффективность.
Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение информативности обнаружения ММВ в непроводящих объектах.
Технический результат заключается в повышении эффективности контроля за счет фиксации положения и измерения размеров ММВ.
max
min
Это достигается тем, что устройство фиксации положения и размеров малоразмерных металлических включений в изделиях из непроводящих материалов, содержащее генератор гармонических колебаний, блок обработки последовательно соединенный с микропроцессором и блоком представления результатов, первый вихретоковый преобразователь, включающий в себя измерительные катушки, выходы которых соединены с соответствующими входами первого коммутатора, который своим выходом подключен к блоку обработки, и возбуждающую катушку, снабжено дополнительным вихретоковым преобразователем, идентичным первому вихретоковому преобразователю, выходы измерительных катушек которого соединены с соответствующими входами первого коммутатора, и снабжено дополнительным коммутатором, первый и второй выходы которого соединены с соответствующими входами вихретоковых преобразователей, являющимися входами возбуждающих катушек, а вход дополнительного коммутатора соединен с выходом генератора гармонических колебаний, при этом в микропроцессоре реализован алгоритм определения положения и размеров малоразмерных металлических включений посредством фиксации значений величин сигналов максимального вносимого напряжения U и минимального вносимого напряжения U и сравнения их со значениями из набора плоскостей состояния, находящегося в памяти микропроцессора.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана структурная схема устройства фиксации положения и размеров малоразмерных металлических включений в изделиях из непроводящих материалов, на фиг. 2 структурная схема вихретоковых преобразователей, на фиг. 3 - положение вихретоковых преобразователей относительно контролируемого изделия, на фиг. 4 - график изменения модуля вносимого напряжения при движении объекта в форме шара радиусом 0,29 мм вдоль оси X с фиксированной глубиной залегания h=1 мм, на фиг. 5 - изображена плоскость состояния (для шаров радиусом 0,29 1 мм, при глубине залегания h=1÷4 мм; фиг. 6 - изображение всего контролируемого изделия с расположенными включениями.
Устройство преобразователь 2 и дополнительный второй вихретоковый преобразователь 3, фиксации положения и размеров малоразмерных металлических включений в изделиях из непроводящих материалов содержит генератора гармонических колебаний 1, первый вихретоковый соединенные через коммутатор 4 с блоком обработки 5, к которому последовательно подключены микропроцессор 6 и блок представления результатов 7. Входы первого вихретокового преобразователя 2 и дополнительного второго вихретокового преобразователя 3 подключены к генератору гармонических колебаний 1 через соответствующие первый и второй выходы дополнительного коммутатора 8.
1
11
12
1n
2
21
22
2n
B
ОК
Первый вихретоковый преобразователь 2, выполнен в виде возбуждающей катушки (L) - 9 и измерительных катушек (L, L, …L) 10.1, 10.2, …10.n, и дополнительный второй вихретоковый преобразователь 3, также выполнен в виде возбуждающей катушки (L) - 11 и измерительных катушек (L, L, …, L) - 12.1, 12.2, …12.n, где n - целое число, n≥1. Входы возбуждающих катушек 9 и 11 являются входами соответствующих вихретоковых преобразователей 2 и 3, а выходы измерительных катушек 10.1-10.n и 12.1-12.n являются выходами соответствующих вихретоковых преобразователей 2 и 3. При этом измерительные катушки 10.1-10.n и 12.1-12.n расположены внутри соответствующих возбуждающих катушек 9 и 11. Вихретоковые преобразователи 2 и 3 посредством дополнительного коммутатора 8 выполнены с возможностью согласного или встречного включения. Радиус возбуждающих катушек 9 и 11 вихретоковых преобразователей 2 и 3 R выбирается из условия  где Т - толщина контролируемого изделия 13.
Устройство фиксации положения и размеров малоразмерных металлических включений в изделиях из непроводящих материалов работает следующим образом.
max
min
max
min
Генератором гармонических колебаний 1 генерируются сигналы через дополнительный коммутатор 8 на вихретоковые преобразователи 2 и 3. Вихретоковые преобразователи 2 и 3 располагаются соосно на верхней и нижней параллельных поверхностях контролируемого изделия 13, измерительные катушки 10.1-10.n и 12.1-12.n подключаются встречно, при этом в блоке обработки 5 фиксируются сигналы только вихревых токов (вносимое напряжение). Сигналы измерительных катушек 10.1-10.n и 12.1-12.n (вносимое напряжение) измеряется непрерывно и при сканировании контролируемого изделия 13 (при их взаимном смещении) фиксируются максимальная (U) и минимальная (U) величины сигнала. В микропроцессоре 6 анализируются сигналы всех измерительных катушек 10.1-10.n и 12.1-12.n, для каждой из них в памяти микропроцессора 6 имеется набор плоскостей состояния, построенный на основе экспериментальных данных или путем моделирования двухкоординатной градуировочной сетки в осях U - U для всего диапазона изменения размеров включений и их глубины залегания в контролируемом изделии 13 от плоскости расположения вихретоковых преобразователей 2 и 3, определяется количество, размер проводящих включений и их расположения внутри контролируемого изделия 13.
В каждый момент времени блоком представления результатов 7 формируется изображение зоны контроля контролируемого изделия 13, например, в виде прозрачного светящегося прямоугольного параллелепипеда (или в виде другой формы контролируемого изделия 13), на котором отображаются включения в соответствии с их координатами и размерами. Отображается количество и размер включений, при этом включения разного размера могут отображаться разным цветом.
max
min
Если частица, например, включение в форме шара радиусом 0,29 мм, перемещается на расстояние (глубину залегания) h=1 мм от плоскости расположения вихретокового преобразователя 2 или 3 при сканировании поверхности контролируемого изделия 13, то величина изменения сигнала одной из измерительных катушек 10.1-10.n или 121-12.n изменяется как показано на фиг. 4. При этом форму кривой можно охарактеризовать величинами максимального вносимого напряжения U и минимального вносимого напряжения U.
max
min
B
На плоскости с системой координат U и U кривая на фиг.4 отобразится точкой А (фиг. 5). Если на этой плоскости отложить точки для других значений диаметров включений и глубины залегания h, то получится плоскость состояния, то есть двумерная градуировочная область. Если неизвестное включение отобразится на плоскости фиг. 5, точкой В, то используя линейную аппроксимацию, получаем h=3,45 мм (радиус включения (шара) 0,81 мм).
Экспериментально доказано, что погрешность измерения устройством фиксации положения и размеров малоразмерных металлических включений в изделиях из непроводящих материалов при определении размеров включений составляет ~10%, фиксации положения - до 20% (таблица 1).
Использование устройства фиксации положения и размеров малоразмерных металлических включений в изделиях из непроводящих материалов повышает эффективность контроля за счет одновременной фиксации положения и определения размеров ММВ.