ПРИБОР КОНТРОЛЯ ФАЗОВОГО СОСТАВА СТАЛИ
STEEL PHASE COMPOSITION CONTROL MEMBER

Данное изобретение относится к неразрушающему контролю металлов и сплавов, а именно к устройствам, предназначенным для автоматизированного экспресс-контроля состава сплавов на основе железа, а именно содержания ферритной фазы в различных марках стали при литье и, прежде всего, в стальных пробах и калибровочных образцах.
Известно техническое решение (RU 2150121, G01R 33/12, G01N 27/72, опубл. 27.05.2000), в котором раскрыт ферритометр, состоящий из датчика и вторичного прибора. Датчик состоит из поплавка, в который вставлен магнит в виде стержня, на периферии магнита расположено железное кольцо, при этом поплавок расположен в герметичном корпусе из немагнитного материала. Снаружи герметичного корпуса расположена катушка, которая, взаимодействуя с железным кольцом, создает силу, отрывающую магнит от образца. Оторвавшийся от образца магнит через корпус из немагнитного материала замыкает контакт, соединенный со вторичным прибором. Вторичный прибор фиксирует ток отрыва магнита от образца.
Устройство работает следующим образом. Постоянный магнит датчика прикладывается к поверхности металла измеряемого образца. Нажатием кнопки на вторичном приборе запускается счетчик, считающий поступающие от генератора импульсы. Результат счета отображается на индикаторе вторичного прибора и поступает на цифроаналоговый преобразователь (ЦАП). Показания счетчика плавно возрастают во времени. В соответствии с этим плавно возрастает напряжение на входе преобразователя и соответственно ток на выходе усилителя. Этот плавно возрастающий ток увеличивает крутящий момент на рамке, связанной с постоянным магнитом датчика. Так продолжается до тех пор, пока магнит не оторвется от поверхности измеряемого образца. При этом срабатывает геркон и останавливает счетчик. На индикаторе прекращается нарастание цифровых показаний на уровне процентного содержания ферритной фазы в образце. Установление соответствий показаний устройства (тарировка) шкале процентного содержания феррита в данном классе сталей осуществляется путем подбора соответствующего коэффициента усиления усилителя. При этом ручка регулировки коэффициента усиления может иметь градуировку позиций, соответствующих классам сталей, измеряемым устройством. При последующем нажатии кнопки счетчик сбрасывается на ноль и начинает снова считать импульсы от генератора.
Существенным недостатком известного технического решения является неоднородность и ограниченность в пространстве магнитного поля, создаваемого датчиком, подведенным к исследуемому образцу. При этом погрешность измерения определяется местоположением датчика на поверхности образца.
Наиболее близким аналогом, принятым за прототип, является устройство для экспресс-испытания изделий из листовой электротехнической стали (патент RU 2434237 C1, G01R 33/00, G01R 33/12, опубл. 20.11.2011). Устройство предназначено для измерения динамической петли гистерезиса и основной кривой намагничивания изделий из листовой электротехнической стали. Заявляемое устройство и устройство-прототип основаны на индукционном методе измерения магнитных свойств объекта контроля. Разница между объектами контроля данных устройств выражается в различных системах создания и измерения параметров магнитного поля в объекте контроля.
В предлагаемом устройстве измерения осуществляются абсолютным методом (в отличии от дифференциального в прототипе), измерения осуществляются по напряжению на измерительной обмотке при стабилизации тока, блоки устройств, схожие по функциональному назначению (такие, как генератор, усилитель и датчик тока), имеют принципиально различную схемотехническую реализацию, в предлагаемом устройстве присутствует микроконтроллер, позволяющий осуществить при необходимости сбор и передачу информации на компьютер, а также в предлагаемом устройстве присутствует индикатор для вывода измерительной информации.
Технической задачей настоящего изобретения является создание устройства, построенного на современной элементной базе, обладающего диапазоном измерения, не хуже существующих аналогов, позволяющего сохранять, обрабатывать и передавать данные по цифровым интерфейсам.
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение надежности и достоверности автоматического измерения содержания ферритной фазы в образце или пробе, обеспечение погрешности измерения ферритной фазы в пределах ±3%.
Поставленный технический результат достигается в устройстве контроля фазового состава стали, содержащего источник переменного тока, состоящий из генератора синусоидального напряжения и усилителя переменного напряжения, блок, регистрирующий результат измерения и датчик тока, при этом устройство дополнительно содержит индикатор, отображающий результат измерения, микроконтроллер, выполняющий функции генератора синусоидального напряжения и блока, регистрирующего результат измерения, позволяющий реализовать функции цифровой обработки сигналов, записи данных, их вывода на индикатор и передачи данных, при этом в качестве усилителя переменного напряжения используется отдельный усилитель мощности, представляющий собой каскадное включение усилителя напряжения, управляющим элементом которого является операционный усилитель, и каскада на комплементарных транзисторных сборках, питание которого подключено к выходам выпрямителей ±25 В, вход усилителя мощности подключен к выходу цифроаналогового преобразователя микроконтроллера, а выход к обмотке возбуждения первичного преобразователя, при этом первичный преобразователь представляет собой обмотку возбуждения и измерительную обмотку, расположенные коаксиально, причем выход измерительной обмотки подключен к предварительному усилителю, понижающий трансформатор, вторичные обмотки которого подключены к входам выпрямителей напряжения ±25 В, стабилизаторы напряжения +3,3 В и +5 В, входы которых подключены к выходу выпрямителя напряжения +25 В, отдельные предварительные усилители сигнала с датчика тока и сигнала с измерительной обмотки, входы которых подключены соответственно к датчику тока и измерительной обмотке, а выходы к двум каналам аналого-цифрового преобразователя микроконтроллера.
Предпочтительно, датчик тока реализован с помощью датчика Холла и не вносит дополнительного сопротивления последовательно с нагрузкой в виде преобразователя.
Достижение заявленного технического результата обеспечивается за счет применения цифровой обработки сигнала с первичного преобразователя, трансформаторной конструкции первичного преобразователя и совместного измерения напряжения на вторичной обмотке преобразователя и тока в обмотке возбуждения. Автоматизация измерения осуществляется за счет автоматической подстройки тока в обмотке возбуждения, амплитуду которого регулирует микроконтроллер. Детальная реализация перечисленных принципов приведена ниже.
Предлагаемое техническое решение приведено на фиг. 1, где:
1 - понижающий трансформатор;
2 - стабилизатор напряжения +5 В;
3 - стабилизатор напряжения +3,3 В;
4 - выпрямители напряжения ±25 В;
5 - микроконтроллер;
6 - индикатор;
7 - датчик тока;
8 - предварительный усилитель сигнала с датчика тока;
9 - усилитель мощности;
10 - первичный преобразователь;
11 - предварительный усилитель сигнала с измерительной обмотки.
Понижающий трансформатор (1) служит для обеспечения схемы устройства двухполярным питанием. Вторичные обмотки трансформатора должны обеспечивать два выходных напряжения с номинальным действующим значением не менее 18 В каждое. Вторичные обмотки трансформатора подключены на входы выпрямителей напряжения (4).
Стабилизатор напряжения +5 В (2) обеспечивает питание индикатора (контроллера и подсветки) (6), датчика тока (7) и стабилизатора +3.3 В (3) и подключен электрически к соответствующим контактам этих микросхем.
Стабилизатор напряжения +3,3 В (3) обеспечивает в электрической схеме устройства напряжение логического уровня и питание усилителей (8, 11) и подключен к соответствующим контактам блоков (5, 8, 11). Чтобы снизить влияние импульсных помех на аналоговую часть схемы применяются типовые схемы фильтрации.
Выпрямители напряжения ±25 В (4) необходимы для обеспечения двухполярным питанием усилителя мощности (9). Выпрямители представляют собой классическую схему двухполупериодного выпрямителя с большой электрической емкостью, обеспечивающей постоянство напряжения с пульсациями не превышающими 3 В при выходном токе 2 А.
Усилитель мощности (9) представляет собой каскадное включение усилителя напряжения, управляющим элементом которого является операционный усилитель и каскада на комплементарных транзисторных сборках (транзисторы в которых включены по схеме Дарлингтона), обеспечивающих необходимый выходной ток. Усилитель мощности (9) охвачен отрицательной обратной связью, которая подключается относительно выходного напряжения (после транзисторов). Операционный усилитель обеспечивает полный размах выходного напряжения. Выходной каскад на транзисторах обеспечивает выходной ток. На вход усилителя подается сигнал с микроконтроллера (5). С выхода усилителя напряжение поступает на обмотку возбуждения первичного преобразователя (10).
Первичный преобразователь (10) представляет собой трансформаторный преобразователь проходного типа, состоящий из коаксиально расположенных обмоток возбуждения и измерения. Обмотка возбуждения обеспечивает намагничивание объекта контроля до необходимых значений и содержит 500-600 витков медного провода диаметром не менее 1 мм. Обмотка измерения служит для измерения переменного магнитного потока, проходящего через объект контроля. Применение для измерения отдельной обмотки позволяет отстроиться от изменения собственного сопротивления обмотки возбуждения и произвольно выбирать диапазон измеряемого напряжения. Обмотка возбуждения первичного преобразователя подключена к выходу усилителя мощности (9), измерительная обмотка подключена к предварительному усилителю (11).
От усилителя мощности (9) в обмотку возбуждения (в составе первичного преобразователя 10) ток проходит через датчик тока (7), представляющий собой микросхему с датчиком Холла. Применение датчика Холла для измерения тока в обмотке возбуждения позволяет избежать внесения дополнительных сопротивлений последовательно с нагрузкой, сопротивление которой составляет единицы Ом.
Сигнал с датчика тока (7), прежде чем попасть на аналого-цифровой преобразователь (АЦП) микроконтроллера (5), проходит через предварительный усилитель (8), который позволяет снизить до желаемого уровня постоянную составляющую, отфильтровать высокочастотные помехи и ограничить сигнал диапазоном измерения АЦП.
Аналогичный усилитель (11) используется для преобразования сигнала с измерительной обмотки, который без корректировки представляет собой знакопеременный сигнал, амплитуда которого может существенно превышать диапазон измерения АЦП. Вход усилителя (11) подключен к обмотке измерения, выход подключен к одному из каналов АЦП микроконтроллера.
Микроконтроллер (5) служит для генерации напряжения на обмотке возбуждения, обработки сигналов с измерительной обмотки и датчика тока, управления индикатором и возможной реализацией внешних интерфейсов. В микроконтроллере содержится программа измерения и данные калибровки устройства на наборе образцов-имитаторов ферритной фазы. Микроконтроллер должен включать в себя не менее двух каналов АЦП и не менее одного канала цифро-аналогового преобразователя (ЦАП). К входам каналов АЦП микроконтроллера подключены выходы предварительных усилителей (8 и 11) сигналов с датчика тока и измерительной обмотки первичного преобразователя; выход ЦАП подключен на вход усилителя мощности; к соответствующим выводам микроконтроллера подведено питание +3,3 В; один из портов общего назначения подключен к индикатору.
Индикатор (6) позволяет осуществлять вывод результатов измерений и диагностических сообщений. Подсветка и контроллер индикатора подключены к питанию +5 В. Шина данных подключена к порту контроллера.
Все части устройства размещаются в одном корпусе.
Выводы обмоток возбуждения и измерения подключаются к электрической части устройства с помощью разъемов. Это упрощает сборку устройства и обеспечивает возможность калибровки.
Индикатор подключается к соответствующему разъему на печатной плате устройства с помощью шлейфа.
Электрическая часть устройства может быть выполнена на одной или нескольких печатных платах, соединение между которыми выполнено с помощью жестких разъемов (без использования проводов).
В штатном режиме подготовка устройства к работе не требуется. Включение устройства производится путем подключения устройства к сети (или источнику автономного питания) и переключением тумблера на передней панели.
Измерения проходят в автоматическом режиме. Оператор помещает цилиндрический образец в первичный преобразователь. Микроконтроллер фиксирует изменение индуктивности обмотки возбуждения и переходит в режим измерения, который заключается в прохождении следующих этапов:
- напряжение на обмотке возбуждения увеличивается до тех пор, пока ток в ней не достигнет заранее известной для данной обмотки величины, обеспечивающей напряженность поля в зоне измерения 25 кА/м;
- усредненное по нескольким периодам напряжение измерительной обмотки фиксируется в памяти контроллера;
- измеренное значение напряжения нормируется по току в обмотке возбуждения с целью отстройки от колебаний его амплитуды (которые могут быть обусловлены нагревом обмотки от объекта контроля или нагрева элементов схемы устройства);
- полученное значение напряжения с поправкой по току ставится в соответствие со значением ферритной фазы по градуировочной характеристике в памяти контроллера;
- значение ферритной фазы выводится на индикатор;
- напряжение в обмотке возбуждения сбрасывается до низкого уровня, соответствующего отсутствию образца.
Калибровка устройства происходит путем изменения программы контроллера и выполняется после изготовления. Задачами калибровки являются определение тока в обмотке возбуждения, соответствующего напряженности поля в области измерения 25 кА/м, и внесение поправок в градуировочную кривую, связывающую напряжение на обмотке с количеством ферритной фазы в объекте контроля.