СПОСОБ КОНТРОЛЯ ПЛОСКОСТНОСТИ ПОВЕРХНОСТЕЙ ТРУБОПРОВОДНОЙ АРМАТУРЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF MONITORING FLATNESS OF SURFACES OF PIPELINE FITTINGS AND DEVICE FOR REALISING SAID METHOD

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, используемой при послеремонтном контроле поверхностей крупногабаритной трубопроводной арматуры /ТПА/. Одним из основных параметров качества восстановления рабочих и присоединительных поверхностей ТПА является величина неплоскостности на допустимом уровне (5-20) микрон при диаметре кольцевой поверхности до 1800 мм.
Известен способ контроля плоскостности, заключающийся в установке изделия контролируемой поверхностью на заведомо плоскую массивную плиту, предварительно покрытую тонким равномерным слоем сажи. После установки изделия на плиту и его снятия на плите остаются отпечатки, по которым судят о величине и местах размещения неплоскостности контролируемой поверхности. Недостатками известного способа являются:
- влияние равномерности нанесения слоя сажи и варианта установки изделия на плиту на результат контроля;
- отсутствие возможности автоматизации процесса контроля неплоскостности.
Известны также емкостный преобразователь (1) и емкостный преобразователь для контроля плоскостности (2), позволяющие контролировать отклонение от плоскостности в определенных участках контролируемой кольцевой поверхности путем поочередного определения емкости между измерительными электродами и контролируемым изделием. Измерительные электроды образуют размещенную в непроводящем корпусе кольцевую эталонную поверхность, которая накладывается на контролируемую поверхность изделия, после чего электроды поочередно с помощью коммутатора подключаются к измерителю емкости, по величине которой и судят о зазоре между измерительным электродом и участком контролируемой поверхности.
Прототип (2) не лишен следующих недостатков:
- отсутствие прямого цифрового отсчета отклонения от плоскостности участков контролируемой поверхности, что затрудняет автоматизацию процесса контроля;
- невысокая точность определения отклонений от плоскостности вследствие использования для контроля только одного физического параметра, присущего паре “измерительный электрод - участок контролируемой поверхности”, а именно емкости, зависящей от площади взаимодействия измерительного электрода с контролируемой поверхностью и от диэлектрических свойств воздуха в зазоре. Эти недостатки не позволяют обеспечить требуемой высокой достоверности контроля и автоматизировать процесс контроля.
Целями изобретения являются повышение достоверности и автоматизация процесса контроля путем определения отклонений от плоскостности участков контролируемой поверхности по двум физическим параметрам - емкости и напряжению пробоя, например, а также путем совместной компьютерной обработки результатов контроля.
Для достижения целей:
- в способ введены операции поочередного измерения двух физических параметров, например емкости и напряжения пробоя, присущих паре “измерительный электрод - участок контролируемой поверхности”, и операции совместной компьютерной обработки результатов измерения этих параметров, например вычисления среднего арифметического значения зазора для каждой пары;
- в устройство введены плита с эталонной поверхностью, датчик максимального зазора, формирователи сигналов пробоя измеряемого и максимального зазоров, два измерительных автогенератора, компьютер и ряд других элементов и связей между ними.
На Фиг.1 показана конструкция стационарного присоединительного устройства для контроля плоскостности путем наложения на него изделия с контролируемой поверхностью, а на Фиг.2 - конструкция накладного датчика, например, для контроля кольцевых поверхностей внутри клиновых задвижек. На Фиг.3 приведена структура преобразователя емкостей Сэ каждой пары “измерительный электрод - участок контролируемой поверхности” в сигналы, удобные для цифровой обработки. На Фиг.4 изображены отклики преобразователя Фиг.3 на зондирующие сигналы при разных значениях емкостей Сэ. На Фиг.5 показан вариант преобразователя емкости между электродами в частоту измерительного автогенератора. На Фиг.6 показан алгоритм работы преобразователя Фиг.5. На Фиг.7 изображен вариант преобразователя зазора в паре “измерительный электрод - участок контролируемой поверхности” с использованием напряжения пробоя этого зазора. На Фиг.8 приведен алгоритм работы преобразователя Фиг.7. На Фиг.9 показан вариант конструкции измерительного электрода в виде плоского спирального LC-резонатора или катушки индуктивности. Общая структура устройства, реализующего способ, приведена на Фиг.10.
Для детального ознакомления с предлагаемым способом контроля плоскостности рассмотрим его аппаратную реализацию.
На плите 1 с эталонной поверхностью /см. Фиг.1/ размещена диэлектрическая пластина 2 с измерительными электродами 3. Каждый электрод 3 снабжен выводом 4, имеет форму прямоугольника, все электроды равномерно распределены по окружности и перекрывают область возможного наложения кольцевой контролируемой поверхности 5. В центре пластины 2 размещен измеритель 6 физических параметров зазора в паре “измерительный электрод - участок контролируемой поверхности” в вид, приемлемый для компьютерной обработки. Кабель 7 с разъемом 8 необходимы для связи измерителя 6 с компьютером. Вариант накладного устройства, предназначенного для контроля кольцевых поверхностей внутри ТПА, приведен на Фиг.2. В этом не имеющем существенных отличий варианте диэлектрическая пластина 2 выполнена в виде несущей конструкции - корпуса - с эталонной поверхностью, снабженной измерительными электродами 3, накладываемой на контролируемую поверхность.
В изображенном на Фиг.3 варианте преобразователя емкостей Сэ в напряжение
Uвых используется коммутатор 9 измерительных электродов к прецизионному резистору 10, который в свою очередь подключен к выходу генератора 11 импульсов стабильных длительности tи и амплитуды Uи. Генератор 11 запускается импульсами Uзап с выхода компьютера 12. Резистор 10 и подключенная через коммутатор 11 емкость Сэ образуют интегрирующую цепь, постоянная времени которой зависит от зазора в паре «измерительный электрод - участок контролируемой поверхности», поскольку имеет место следующая зависимость:
0
Cэ=εεSB/tз,
0
10
3
10
10
где tз - величина зазора в паре “измерительный электрод - участок контролируемой поверхности"; Sв - площадь взаимодействия электрода 3 и контролируемой поверхности в паре "измерительный электрод - участок контролируемой поверхности"; ε - относительная диэлектрическая проницаемость воздуха в зазоре; ε - абсолютная диэлектрическая постоянная. Реальные значения Сэ могут быть в пределах (10-10)Ф, как следствие, при R=22 МОм имеем диапазон изменения постоянной времени τ=RСэ в пределах от 22 мксек до 0,00022 сек. На Фиг.4 показан разброс откликов Uвых для указанных величин R и Сэ на входной импульс длительностью tи=250 мксек.
Измеряя напряжение Uc по заднему фронту импульса tи, можно определить величину зазора в паре "измерительный электрод - участок контролируемой поверхности". С помощью коммутатора 9, управляемого кодом Nком с выхода компьютера 12, электроды 3 поочередно подключаются к резистору 10, производится запуск генератора 11. Через нормирующие усилители 13 и 14 сигналы Uвых и Uи подаются в компьютере 12 на вход аналого-цифрового преобразователя /АЦП/ и используются для последующего расчета отклонений от плоскостности /зазоров/ в месте нахождения пары "измерительный электрод - участок контролируемой поверхности".
3
Генератор 11 запускается помощью сигнала Uт с выхода компьютера 12. В устройстве предусмотрена возможность управления длительностью tи формируемых импульсов. Наличие этой связи и функции позволяет обеспечить оптимальную точность контроля отклонений от плоскостности при различных значениях площади взаимодействия Sв. Дело в том, что оптимальная точность контроля обеспечивается при соизмеримых значениях τ и tи.
Вариант преобразователя емкостей Сэ в частоту изображен на Фиг.5. Кодоуправляемый аналоговый коммутатор 9 обеспечивает поочередное подключение измерительных электродов 3 в частотозадающую цепь измерительного автогенератора 16, частота fвых которого через нормирующий усилитель 13 подается в компьютер 12. Аналогично через нормирующий усилитель 14 в компьютер 12 подается частота fo с опорного автогенератора 17, в частотозадающую цепь которого подключен датчик 18. Частота fвых является однозначной функцией емкости Сэ, а наличие в преобразователе автогенератора 17 и датчика 18 позволяет снизить влияние дестабилизирующих факторов, например колебаний диэлектрической проницаемости воздуха, на достоверность контроля. При известных пределах изменения Сэ от 10 пФ до 100 пФ реален выбор частоты fвых в пределах от нескольких единиц до сотен килогерц.
Алгоритм работы преобразователя Фиг.5 приведен на Фиг.6. С компьютера 12 поочередно подаются коды Nком управления коммутатором 9 на время измерения частот fвых и fo. Процесс измерения повторяется для каждого положения коммутатора 9, а результаты измерения оперативно обрабатываются в компьютере 12, запоминаются, сравниваются с аналогичными результатами контроля зазоров методом напряжения пробоя, например, и выдаются на индикацию и регистрацию в регистратор 15. В зависимости от числа измерительных электродов 3, выбранных значений tи, fвых и fo, цикл измерения и обработки результатов контроля может составлять от сотых долей секунды до нескольких секунд.
Вариант преобразователя с использованием напряжения пробоя зазора в паре "измерительный электрод - участок контролируемой поверхности" приведен на Фиг.7. В нем используются незащищенные твердым диэлектриком измерительные электроды 3, высоковольтный коммутатор 9, генератор линейно-изменяющегося напряжения /ГЛИН/ 19, ограничительные резисторы 20 и 21, формирователь 22 сигнала Uпр1 пробоя зазора в паре "измерительный электрод - участок контролируемой поверхности", формирователь 23 сигнала Uпр2 пробоя в датчике 24 контрольного зазора и АЦП 25. Алгоритм работы преобразователя Фиг.7 показан на Фиг.3. В каждом состоянии коммутатора 9 осуществляется запуск ГЛИН 19, отсчет интервалов времени до моментов пробоя зазоров в паре и в датчике 24 и оперативное измерение этих напряжений с помощью АЦП 25.
В преобразователе Фиг.7 используется зависимость напряжения пробоя воздушного зазора от его величины. Известно, что для сухого воздуха эта величина составляет 1000 В на 1 мм, при реальных значениях контролируемых зазоров до 100 мкм напряжение пробоя составит величину от 1 В до 100 В. Наличие датчика 24 позволяет снизить влияние влажности воздуха на точность определения зазоров. Датчики 18 и 24 следует разместить вблизи измерительных электродов. Реальные значения интервала tк контроля зазора в одной паре лежит в пределах (1÷100) миллисекунд, цикл измерения и обработки результатов контроля не превышает (2÷3) сек. Возможны варианты совместного использования преобразователей Фиг.3 и Фиг.7 или Фиг.5 и Фиг.7. Кроме того, для реализации предложенного способа возможно построение индуктивного или частотного преобразователя и его использование вместо емкостных преобразователей Фиг.3 или Фиг.5. Вариант конструкции измерительного электрода для индуктивного преобразователя приведен на Фиг.9. Все измерительные электроды 3 и датчик 18 изготавливаются в виде спирального индуктивного элемента 26, второй вывод 27 которого подключен к общему проводу. При использовании конструкции Фиг.9 в преобразователе Фиг.5 алгоритм работы преобразователя не изменяется, а эквивалентная индуктивность Lэ элемента 25 с учетом влияния части контролируемой проводящей поверхности является однозначной функцией контролируемого зазора в паре "измерительный электрод - участок контролируемой поверхности". С учетом неизбежного влияния контролируемой поверхности не только на индуктивность Lэ, но и на емкость Сэ измерительного электрода Фиг.9 этот электрод фактически является высокочастотным LC-резонатором, резонансная частота которого является функцией зазора в паре "измерительный электрод - участок контролируемой поверхности". В связи с этим возможен вариант измерения резонансной частоты этого электрода при неизменной структуре и алгоритме работы преобразователя Фиг.5, с целью определения контролируемого зазора в паре по значениям резонансной частоты.
Итак, предложенный способ содержит следующие операции:
- совмещение контролируемой поверхности с эталонной поверхностью, на которой равномерно радиально размещены измерительные электроды;
- измерение двух физических параметров, однозначно зависящих от контролируемого зазора в каждой паре "измерительный электрод - участок контролируемой поверхности", например емкости и напряжения пробоя;
- измерение тех же параметров в опорном датчике;
- расчет значений зазоров путем совместной обработки результатов контроля по каждому из физических параметров с учетом параметров в опорном датчике;
- выдача результатов контроля на индикацию и регистрацию.
Новыми в предложенном способе являются все перечисленные операции, кроме первой. Вариант общей структуры устройства, реализующего способ, приведена на Фиг.10. Выход коммутатора 9 через дополнительный коммутатор 28 поочередно подключается к основному 29 и к дополнительному 30 преобразователям. На Фиг.10 показан вариант использования в качестве преобразователя 29 структуры Фиг.5, а в качестве преобразователя 30 - структуры Фиг.7. Переключение коммутатора 28 из одного состояния в другое может производиться как один раз за цикл работы коммутатора 9, так и в каждом из положений коммутатора 9. Аналогично, при необходимости может быть задано отличное от единицы число измерений в каждом положении коммутатора 9. Тот или иной режим переключения и измерения задается известными действиями программно в блоке 12. Наличие этих вариантов работы устройства позволяет повысить достоверность контроля и снизить влияние дестабилизирующих факторов на результаты контроля.
Источники информации
1. АС СССР №453558. Емкостный преобразователь. БИ №46, 1974 г.
2. АС СССР №412467. Емкостный преобразователь для контроля металлической поверхности. 1974 г.