Толщиномер
THICKNESS GAUGE

Заявляемое техническое решение относится к области контрольно – измерительной техники, в частности, к средствам неразрушающего контроля изделий и сооружений, изготовленных с применением ферромагнитных материалов (стали, чугуна).
В современном мире сталь и чугун широко применяются в качестве конструкционных материалов в строительстве, машиностроении, мостостроении, судостроении и т.п. Как правило, данные ферромагнитные материалы работают в довольно нагруженном состоянии, нередко со знакопеременными нагрузками, а иногда ещё и непосредственно соприкасаясь с достаточно агрессивными средами.
Указанные условия эксплуатации приводят к появлению внутри материала различных дефектов его кристаллической структуры. Скопившись в некоторых, особенно, когда и если в небольших объёмах, дефекты кристаллической структуры могут привести к появлению различного рода трещин, что снижает прочность такого изделия (сооружения) в целом, и может привести к его разрушению. По традиции этот процесс накопления указанных дефектов в ходе эксплуатации изделия (сооружения) принято называть усталостью материала.
При этом сами ферромагнитные материалы, с применением которых сделано изделие (сооружение), определённым образом изменяют свои магнитные свойства. В частности, наблюдаемая при их перемагничивании так называемая «петля гистерезиса» становится тем шире, чем больше «усталости» (т.е. подобных дефектов) наберётся в испытуемом образце.
Описанный процесс нередко усугубляется наблюдаемым в ходе эксплуатации изделия (сооружения) уменьшением остаточных толщин его конструктивных элементов, что в свою очередь, обычно является следствием ржавления и/или истирания их поверхностей.
Для оценки прочностных свойств различных изделий широко применяются такие средства неразрушающего контроля, как ультразвуковые толщиномеры. Их принцип действия основан на измерении тем или иным способом промежутков времени между посылкой ультразвукового сигнала и поступлением сигнала, отраженного от противоположной стенки испытуемого изделия. При известной скорости распространения звуковой волны в материале изделия данное время не сложно пересчитывается в искомую остаточную толщину.
Известны следующие приборы – аналоги предлагаемого технического решения, основанные на описанном принципе действия.
– Толщиномер КРОПУС УДТ-20. Руководство по эксплуатации,https://propribory.ru/static/upl/10-09-2019/-FnJDhGJYobcqoM-/OM_udt20_18.03.2109.pdf;
– Толщиномеры ультразвуковые В7-217. Руководство по эксплуатации,https://vostok-7.ru/upload/iblock/3f9/3f95b25bed34a07d64ee9ab9de23996f.pdf;
– Ультразвуковой толщиномер А1208, https://prometeyndt.ru/files/a1208.pdf.
Имеющиеся в открытом доступе описания перечисленных устройств – аналогов, как и других подобных им приборов дают представление об их функциональных возможностях, но содержат очень немного сведений о компонентах, которые в них применены, а также о связях между такими компонентами.
Существенным же недостатком всех перечисленных приборов является отсутствие у них возможности оценивать параметры петли гистерезиса перемагничивания, в частности, величину так называемой коэрцитивной силы, которая, в том числе, характеризует остаточную намагниченность материала.
Измерение остаточной намагниченности ферромагнитного материала, как уже отмечалось, позволяет более обосновано судить о степени его усталости и, самое главное, принимать обоснованные решения о необходимости замены либо подкрепления конкретного конструктивного элемента изношенного изделия (сооружения) или его части.
В качестве прототипа заявляемого технического решения было выбрано устройство, описанное в патенте РФ на изобретение № 2231753 от 27.06.2004 «Способ измерения толщины изделия с помощью ультразвуковых импульсов».
Оно содержит: блок индикации, генератор зондирующих импульсов, соединённый с ним приёмный усилитель, а также подключенный к ним ультразвуковой преобразователь.
Недостатком данного прибора также является невозможность с его помощью определять величину остаточной намагниченности исследуемого образца ферромагнитного материала.
Задача, решаемая заявляемым техническим решением, состоит в расширении функциональных возможностей устройства – прототипа путём организации обеспечения возможности измерения предлагаемым прибором остаточной намагниченности и коэрцитивной силы контролируемого образца. Это существенно повышает достоверность выводов относительно остаточной прочности испытуемого образца.
Поставленная задача решается следующим образом.
В толщиномер, содержащий блок индикации, генератор зондирующих импульсов, соединённый с ним приёмный усилитель, а также подключенный к ним ультразвуковой преобразователь, введены микроконтроллер, соединённый с его соответствующим входом переключатель.
С первой клеммой переключателя соединен выход согласующего усилителя. Вход согласующего усилителя соединён с выходом датчика магнитного поля. Вход датчика магнитного поля соединён с соответствующим выходом микроконтроллера. Кроме того, в предлагаемое устройство введен электромагнит, вход которого соединён с соответствующим выходом микроконтроллера.
При этом соответствующие выходы микроконтроллера соединены с входом генератора зондирующих импульсов, входом приёмного усилителя, а также входом блока индикации и входом модуля беспроводной связи, а вторая клемма переключателя соединена с выходом приёмного усилителя.
Пример реализации заявляемого технического решения иллюстрируется на фиг. 1, где представлена функциональная схема предлагаемого устройства.
Здесь изображены:
(1) генератор зондирующих импульсов – ГЗИ;
(2) ультразвуковой преобразователь – УЗП;
(3) приёмный усилитель – ПУ;
(4) переключатель, имеющий, по крайней мере, 3 положения;
(5) микроконтроллер – МК, способный выполнять аналого-цифровое преобразование (АЦП) поступающих на соответствующий его вход аналоговых сигналов и запрограммированный на осуществление всех операций с измеренными и оцифрованными величинами, включая вычисление автокорреляционных функций (АКФ). Он служит для управления устройством в целом, в том числе, выводом информации на блок индикации (9), а также обменом информацией с внешними устройствами с помощью модуля беспроводной связи (10);
(6) датчик магнитного поля – ДМП, в качестве которого может быть использован, например, датчик Холла;
(7) электромагнит – ЭМ, по возможности, обладающий большим числом витков;
(8) согласующий усилитель – СУ;
(9) блок индикации – БИ, в качестве которого может быть использован, например, дисплей с диагональю в несколько сантиметров, подобный тем, что ныне широко применяются в смартфонах;
(10) модуль беспроводной связи – МБС, в качестве которого может быть использован стандартный блок «Wi-Fi / Bluetooth», также широко используемый в смартфонах.
Между перечисленными элементами установлены следующие соединения.
Генератор зондирующих импульсов (1) соединён с приёмным усилителем (3). К ним подключен ультразвуковой преобразователь (2). С соответствующим входом микроконтроллера (5) соединён переключатель (4). С первой клеммой переключателя (4) соединен выход согласующего усилителя (8). Вторая клемма переключателя (4) соединена с выходом приёмного усилителя (3).
Вход согласующего усилителя (8) соединён с выходом датчика магнитного поля (6). Вход датчика магнитного поля (6) соединён с соответствующим выходом микроконтроллера (5).
Вход электромагнита (7) соединён с соответствующим выходом микроконтроллера (5), а соответствующие выходы микроконтроллера (5) соединены с входом генератора зондирующих импульсов (1), входом приёмного усилителя (3), входом блока индикации (9) и входом модуля беспроводной связи (10).
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
На фиг. 1 переключатель (4) изображен в положении «Откл.». В этом положении указанного переключателя элементы предлагаемого устройства отключены от питания.
При переводе переключателя (4) в положение «Т» (режим толщинометрии) ряд элементов предлагаемого устройства получит питание. В частности, окажутся задействованы: генератор зондирующих импульсов (1), ультразвуковой преобразователь (2) и приёмный усилитель (3), а также микроконтроллер (5) вместе с блоком индикации (9) и модулем беспроводной связи (10).
Генератор зондирующих импульсов (1) начинает периодически возбуждать ультразвуковой преобразователь (2) электрическими импульсами.
Период их повторения должен быть выбран на несколько порядков больше периода повторения полезных эхо – импульсов при максимальной толщине рабочего диапазона измерений. Это делается с тем, чтобы процесс многократных отражений ультразвуковых импульсов в измеряемом изделии успевал затихнуть к моменту следующей посылки в изделие зондирующего импульса.
Приёмный усилитель (3) усиливает электрические колебания, поступающие от ультразвукового преобразователя (2). Данные сигналы через переключатель (4), находящийся в положении «Т», поступают на соответствующий вход микроконтроллера (5), где благодаря АЦП они оцифровываются, а затем обрабатываются, исходя из следующих принципов.
В память микроконтроллера (5) вносится оцифрованные значения сигнала, имеющего продолжительность по времени, в 10 – 20 раз превышающую период повторения полезных эхо – импульсов при максимальной толщине измеряемого изделия. Затем вычисляется огибающая функция этого сигнала.
Пока ультразвуковой преобразователь (2) не установлен на измеряемое изделие, в записанной реализации будет иметь место только его собственный реверберационный шум и шум приёмного усилителя (3). Огибающая такого сигнала (она является «опорной») служит для определения факта появления полезных сигналов после того, как ультразвуковой преобразователь (2) будет установлен на контролируемое изделие, а также для нахождения моментов начала и конца стробирования принятых колебаний, то есть для определения границ оцифровываемого сигнала, который в дальнейшем будет подвергнут автокорреляционной обработке.
Когда ультразвуковой преобразователь (2) установлен на поверхность измеряемого изделия, в реализации принятых колебаний появляются полезные эхо – импульсы. Этот сигнал также оцифровывается (он полагается «рабочим») и записывается в память микроконтроллера (5), где вычисляется его огибающая. Далее происходит сравнение этой огибающей с опорной.
Момент начала стробирования определяется из условия отклонения опорной огибающей от рабочей, то есть от той огибающей сигнала, что содержит полезные эхо – импульсы.
На начальном этапе, когда собственный реверберационный шум ультразвукового преобразователя (2) превалирует над всеми остальными сигналами, обе огибающие совпадают. В более поздние моменты времени затухающий реверберационный шум ультразвукового преобразователя (2) становится меньше полезных эхо – импульсов и опорная огибающая принимает значения меньшие, чем значения рабочей огибающей. Момент времени, при котором происходит это отклонение, и выбирается в качестве момента начала стробирования реализации принятых колебаний.
Момент окончания стробирования в некоторых случаях также может определяться из условия отклонения опорной огибающей от рабочей. Однако, это допустимо только в такие моменты времени, которые достаточно далеко отстоят от момента, когда затухающий реверберационный шум ультразвукового преобразователя (2) станет меньше полезных эхо – импульсов, то есть от момента начала стробирования.
Такое возможно, например, при контроле изделий с плохо отражающими ультразвук поверхностями, например, когда поверхности испытуемого изделия сильно шероховатые. Тогда амплитуда ультразвуковых импульсов, многократно отражающихся в изделии, быстро уменьшается при каждом отражении и в реализации принятых колебаний оказывается всего несколько (5 – 10) импульсов.
Момент времени, когда опорная огибающая и рабочая огибающая снова начинают совпадать, и берётся в качестве момента окончания стробирования реализации принятых колебаний.
Если контролируемое изделие обладает достаточно хорошо отражающими поверхностями, в принятой реализации амплитуда повторяющихся эхо – импульсов не падает ниже шума приёмного усилителя (3) достаточно долго.
Тем не менее, возможны случаи, когда к полезным эхо – импульсам в некоторые моменты времени будет добавляться некая импульсная помеха. Например, при контроле изделия вблизи сварного шва возможно появление сигнала, отраженного от дефекта в самом сварном шве. Или когда вследствие знакопеременных нагрузок возникло расслоение материала изделия, и в его конструктивном элементе появилась микротрещина. Подобные ситуации будут характеризоваться резким (по сравнению с расположенными рядом точками замеров) изменением (уменьшением) измеренных толщин.
После определения моментов начала и конца стробирования реализации принятых колебаний из неё выбирается отрезок, заключённый между такими моментами, и для его значений оцифрованного сигнала вычисляется АКФ. Далее определяется аргумент, при котором эта функция достигает максимума. После чего значение этого аргумента умножается на хранящуюся в памяти микроконтроллера (5) величину скорости ультразвука в материале тестируемого изделия и делится на 2.
Полученный результат выводится на блок индикации (9) и, при необходимости, с помощью модуля беспроводной связи (10) может быть передан во внешнее устройство, например, смартфон, планшет или ноутбук либо какое-то другое устройство, которое допускает использование каналов беспроводной связи (Wi-Fi / Bluetooth), а также установку соответствующего программного обеспечения (приложения).
Последняя опция имеет своей целью обеспечить возможность совместной работы с предлагаемым прибором двум и более пользователям. Например, один из них проводит замеры, возможно даже, работая на высоте, а другой может страховать первого и одновременно в полуавтоматическом режиме вести протокол измерений.
Далее, при переводе переключателя (4) в положение «К» (режим коэрцитиметрии) в предлагаемом устройстве получат питание и будут задействованы:  датчик магнитного поля (6), электромагнит (7), согласующий усилитель (8), а также микроконтроллер (5) вместе с блоком индикации (9) и модулем беспроводной связи (10).
В данном режиме предлагаемое устройство будет работать следующим образом.
1) По команде микроконтроллера (5) к обмотке электромагнита (7)  прикладывается максимально возможное для данного прибора напряжение.Оно определяется напряжением, создаваемым электрохимическим источником питания этого устройства (аккумулятор(ами) или батарейка(ми)). С целью упрощения функциональной схемы, на фиг. 1 они не показаны. Данное напряжение составляет несколько вольт.
2) Отметим, что электромагнит (7), обмотка которого имеет большое число витков и находится в непосредственной близости от ферромагнитного материала (сердечник плюс тестируемое изделие), обладает немалой индуктивностью. Данное обстоятельство приводит к тому, что переходные процессы, в которых он участвует, могут занимать заметное время. Поэтому по прошествии некоторого времени, достаточного для завершения соответствующих переходных процессов, микроконтроллер (5) обесточивает обмотку электромагнита (7). А затем, ещё через какое-то время, опять-таки определяемое необходимостью завершения переходных процессов, обращается к  датчику магнитного поля (6) с тем, чтобы через согласующий усилитель (8) и переключатель (4) на соответствующий вход микроконтроллера (5) обеспечить поступление сигнала, пропорционального остаточной намагниченности испытуемого образца.
3) Данный сигнал в микроконтроллере (5) подвергается АЦП, результат чего записывается в отдельной ячейке памяти и может быть выведен на блок индикации (9), а модулем беспроводной связи (10) – передан на внешнее устройство.
4) Далее микроконтроллер (5) меняет полярность напряжения, прикладываемого к обмотке электромагнита (7), на противоположную и в соответствии с принципами широтно – импульсной модуляции (ШИМ), начинает  подавать на обмотку импульсы «обратного» напряжения, ступенчато уменьшая их скважность, начиная со значений, близких к единице (например, 99,9%). При этом будет увеличиваться так называемый коэффициент заполнения – как величина, обратная скважности.Электромагнит (7) из-за своей немалой индуктивности обладает свойствами фильтра. Поэтому ток, протекающий по его обмотке в «установившемся» режиме, будет ступенчато увеличиваться на каждой такой «ступеньке». Следовательно, будет увеличиваться и создаваемое электромагнитом (7) потокосцепление, под действием которого находится испытуемый образец.На каждой «ступеньке» микроконтроллер (5) обращается к  датчику магнитного поля (6), сигнал которого через согласующий усилитель (8) и переключатель (4) после поступления на соответствующий вход микроконтроллера (5) будет подвергаться АЦП. Поэтому минимальная продолжительность «ступеньки» также определяется необходимостью завершения соответствующих переходных процессов. К ним добавляется время, необходимое для того, чтобы по команде микроконтроллера (5) от датчика магнитного поля (6) через согласующий усилитель (8) и переключатель (4) поступил сигнал на соответствующий вход микроконтроллера (5).Знак полученного оцифрованного результата каждый раз сравнивается со знаком того значения, что на предыдущем этапе было записано в отдельную ячейку памяти сразу после обесточивания электромагнита (7) – перед тем, как была изменена полярность прикладываемого к его обмотке напряжения, см. п. «3».
5) Величина коэффициента заполнения, при которой будет зафиксирована смена знака сигнала, полученного от датчика магнитного поля (6), микроконтроллером (5) пересчитывается в искомое значение коэрцитивной силы путём умножения на соответствующий переводной коэффициент.Оно также может быть выведено на блок индикации (9), а модулем беспроводной связи (10) – передано во внешнее устройство.
После того, как предлагаемое устройство, работая в режиме «К» (режим коэрцитиметрии), определит значение коэрцитивной силы в испытуемом образце, микроконтроллер (5), не меняя полярности подаёт на обмотку электромагнита (7) полное напряжение, и перечисленные выше пункты 1 … 5 будут повторяться им до тех пор, пока переключатель (4) не будет переведён в положение «Откл.» или предлагаемое устройство не будет отключено иным способом, например, дистанционно.
С целью экономии заряда электрохимического источника (аккумулятора или батарейки) микроконтроллер (5) отключает питание от всех элементов предлагаемого устройства кроме модуля беспроводной связи (10), если в течение заданного времени на блок индикации (9) будут передаваться только нулевые значения измеряемой толщины изделия или его остаточной намагниченности (коэрцитивной силы). Данное время может составлять несколько секунд, минут или десятков минут. Его пользователь прибора имеет возможность изменять с помощью «внешних» устройств (смартфона, планшета, ноутбука).
Разблокировать прибор после подобного отключения можно, либо также с помощью внешнего устройства, либо переведя на предлагаемом устройстве переключатель (4) в положение «Откл.», а затем – в соответствующее требуемому режиму, «Т» или «К».
Представленное описание позволяет вполне однозначно утверждать, что реализация заявляемого технического решения несомненно обеспечивает решение поставленной задачи. Благодаря вновь введенным элементам в устройстве – прототипе безусловно реализована возможность измерения остаточной намагниченности и коэрцитивной силы в испытуемом образце ферромагнитного материала.
Указанная функциональная возможность несомненно позволит лицам, обслуживающим изделия (либо сооружения), созданные из стали и/или чугуна, более достоверно оценивать степень усталости конструкций такого изделия или сооружения.
Поэтому лица, отвечающие за техническое состояние обслуживаемого изделия (сооружения) смогут принимать более обоснованные решения, обусловленные остаточными прочностными характеристиками их конструктивных элементов, и при необходимости, предпринимать меры для подкрепления либо замены изношенных конструктивных элементов изделия (сооружения) или их частей.