СПОСОБ НЕПРЕРЫВНОГО КОНТРОЛЯ ТОЛЩИНЫ И СПЛОШНОСТИ СОЕДИНЕНИЯ СЛОЕВ БИМЕТАЛЛА
METHOD FOR CONTINUOUS CONTROL OF THICKNESS AND CONTINUITY OF BIMETAL LAYER JOINTS

Изобретение относится к контрольно измерительной технике и может быть использовано для непрерывного контроля толщины и сплошности соединения слоев биметалла в технологическом процессе изготовления многослойных изделий.
Известен способ контроля толщины металлических поверхностных слоев (А.С. СССР №1758413, G01В 7/00, G01N 27/90, 1990 г.), заключающийся в том, что на материал воздействуют переменным магнитным полем, измеряют индуктивным преобразователем на поверхности этого материала нормальную и тангенциальную составляющие указанного поля, определяют отношение сигналов этого преобразователя, переменное магнитное поле возбуждают по крайней мере на двух частотах индикатором с П-образным магнитопроводом, контактирующим полюсами с контролируемым материалом, нормальную составляющую поля измеряют на оси симметрии между указанными полюсами, тангенциальную составляющую измеряют под полюсом магнитопровода и определяют отношение указанных отношений на каждой из частот магнитного поля, по которому фиксируют толщину поверхностного слоя материала.
Недостатками данного способа являются определение толщины только одного слоя двухслойных изделий, а также невозможность использования данного способа для бесконтактного контроля, что значительно снижает область применения и функциональные возможности.
Известен также способ непрерывного контроля толщины слоев биметалла с ферромагнитным основанием (Патент РФ №2210058, G01В 7/06, G01N 27/90, 10.08.2003, Бюл.№22), заключающийся в том, что на биметалл воздействуют переменным магнитным полем, которое возбуждают индуктором с П-образным магнитопроводом, измерительный индуктор располагают с зазором со стороны ферромагнитного слоя биметалла, эталонный - со стороны ферромагнитного слоя эталона, причем вторичные обмотки индуктора включены последовательно-встречно, отклонение толщины ферромагнитного слоя биметалла от эталона определяют по изменению напряжения вторичной обмотки измерительного индуктора относительно напряжения вторичной обмотки эталонного индуктора.
Данный способ эффективнее предыдущего и позволяет расширить область применения при сохранении точности измерения толщины слоев биметалла, однако имеет ряд существенных недостатков, а именно:
- недостаточная точность измерения толщины слоев биметалла в технологическом процессе изготовления многослойных изделий;
- невозможность контроля сплошности соединения слоев биметалла.
Технический результат - повышение точности измерения слоев биметалла в технологическом процессе прокатки и расширение функциональных возможностей за счет контроля сплошности соединения слоев биметалла.
Технический результат достигается тем, что в способе, заключающемся в том, что на биметалл воздействуют переменным магнитным полем, которое возбуждают индуктором с П-образным магнитопроводом, измерительный индуктор располагают с зазором со стороны ферромагнитного слоя биметалла, эталонный - со стороны ферромагнитного слоя эталона, причем вторичные обмотки индуктора включены последовательно-встречно, отклонение толщины ферромагнитного слоя биметалла от эталона определяют по изменению напряжения вторичной обмотки измерительного индуктора относительно напряжения вторичной обмотки эталонного индуктора, первичные обмотки электромагнитов питаются переменным током от генератора такой частоты, когда эффективная глубина проникновения вихревых токов меньше, чем толщина измеряемого слоя биметалла, а также используют две двухобмоточные накладные катушки, которые располагают с зазором с противоположной стороны соответственно биметалла и эталонного образца, при этом вторичные обмотки включены последовательно-встречно, а первичные обмотки катушек питаются переменным током по крайней мере на двух частотах, причем первая частота выбирается такой, чтобы глубина проникновения вихревых токов была меньше толщины контролируемого слоя биметалла, а вторая - больше, отклонение толщины второго слоя и сплошность соединения слоев биметалла от эталона определяют соответственно на первой и второй частотах по изменению напряжения на второй обмотке измерительной катушки относительно напряжения вторичной обмотки катушки, расположенной над эталоном.
На чертеже представлена схема устройства, реализующего способ непрерывного контроля толщины и сплошности соединения слоев биметалла.
Устройство состоит из биметаллической полосы 1, эталона 2, двух индукторов, один из которых измерительный 3, а другой - эталонный 4. Вторичные обмотки индукторов 3 и 4 соединены последовательно-встречно, а первичные питаются переменным током от генератора 5 такой частоты, когда эффективная глубина проникновения вихревых токов меньше, чем толщина измеряемого слоя биметалла. В состав устройства входят выпрямитель 6, указатель отклонения толщины 7 и двухобмоточные накладные катушки - измерительная 8 и эталонная 9. Вторичные обмотки катушек 8 и 9 включены последовательно-встречно, а первичные обмотки катушек 8 и 9 питаются переменным током по крайней мере на двух частотах от генератора 10, при этом первая частота выбирается такой, чтобы глубина проникновения вихревых токов была меньше толщины контролируемого слоя биметалла, а вторая - больше. Так же в устройстве используют демодулятор 11, усилитель 12 и микропроцессорное устройство 13 для регистрации отклонения толщины и сплошности соединения слоев биметаллической полосы.
Способ осуществляется следующим образом.
Биметаллическая полоса 1 и эталон 2 намагничиваются с помощью П-образных электромагнитов измерительного 3 и эталонного индукторов 4 на фиксированной частоте генератором 5. Электромагниты установлены со стороны ферромагнитных слоев биметаллической полосы и эталона. В электромагните магнитная цепь замыкается измеряемой полосой, в эталонном - эталоном. Первичные обмотки электромагнитов питаются переменным током от генератора такой частоты, когда эффективная глубина проникновения вихревых токов меньше, чем толщина измеряемой полосы. Во вторичных обмотках электромагнитов возникают напряжения, которые пропорциональны толщинам измеряемого ферромагнитного основания биметалла и эталона. Вторичные обмотки соединены так, что их напряжение в схеме сравнения направлены навстречу одно другому. Так как напряжение, поступающее от вторичной обмотки эталонного электромагнита, постоянно, а напряжение от вторичной обмотки измерительного электромагнита, контролирующего толщину ферромагнитного слоя прокатываемой биметаллической полосы, меняется в зависимости от изменения этой толщины, то результирующее напряжение будет пропорционально отклонению толщины от заданной эталоном. Выпрямленный ток поступает на указатель 7 отклонения толщины ферромагнитного слоя биметаллической полосы от заданной толщины.
Индуктивность электромагнитной системы равна:
где n - число витков;
ж
в
l и l - соответственно длины магнитопровода и воздушного зазора;
ж
в
S и S - сечения магнитопровода и воздушного зазора;
ж
в
µ и µ - магнитные проницаемости железа и воздуха;
ж
Р - потери в магнитопроводе, пронизываемом магнитным потоком Ф;
ω - угловая частота.
Так как для подкоренного выражения в вышеприведенной формуле справедливо положение:
то с незначительной погрешностью можно считать, что индуктивность системы равна:
ж
в
Учитывая, что магнитная проницаемость железа равна µ=7000-7500, а воздуха µ=1, т.е.
можно принять
Полное сопротивление обмотки вычисляется по известной формуле:
где R - активное сопротивление обмотки катушки.
На практике активное сопротивление обмотки R значительно меньше индуктивного ωL, поэтому в расчетах активное сопротивление не учитывается. По измеренным значениям напряжения U и тока I вычисляется полное сопротивление
а затем и индуктивность
отсюда получаем зависимость толщины воздушного зазора от изменения напряжения, возникающего на катушке:
Двухобмоточные накладные катушки - измерительная 8 и эталонная 9 располагают с зазором с противоположной стороны соответственно полосы биметалла 1 и эталонного образца 2. Вторичные обмотки катушек 8, 9 включены последовательно-встречно, а первичные обмотки катушек питаются переменным током от генератора, по крайней мере на двух частотах, причем первая частота выбирается такой, чтобы глубина проникновения вихревых токов была меньше толщины контролируемого слоя биметалла, а вторая - больше.
Синусоидальный ток первой частоты, действующий в возбуждающих (первичных) обмотках измерительной и эталонной накладных катушек, создает электромагнитное поле, которое возбуждает вихревые токи в электропроводящем верхнем слое биметаллической полосы. Эти вихревые токи затухают по мере проникновения вглубь исследуемого объекта. Электромагнитное поле вихревых токов воздействует на вторичные обмотки измерительной 8 и эталонной 9 катушек, наводя в них эдс, которые пропорциональны толщинам измеряемого верхнего слоя биметалла и эталона. Напряжение эталонной катушки так же постоянно, а напряжение измерительной катушки, контролирующее толщину верхнего слоя биметаллической полосы, меняется в зависимости от изменения этой толщины. Результирующий сигнал подается на демодулятор 11, на выходе которого создается выпрямленное напряжение, пропорциональное по величине отклонению толщины слоя биметалла от заданной эталоном. Выпрямленный и усиленный сигнал усилителем 12 подается на вход микропроцессорного устройства 13, где и регистрируется отклонение толщины.
Величина глубины проникновения δ вихревых токов используемой частоты в материал слоя рассчитывается по известной формуле:
а
где ω - круговая частота тока возбуждения; µ - абсолютная магнитная проницаемость слоя материала; σ - удельная электропроводность материала. Расчеты показывают, что, например, при частоте тока возбуждения 10 МГц на глубине материала h=1δ вихревые токи затухают ~ до 37%, при h=2δ до 13,5%, а при h=3δ до 5%. Это значит, что при толщине полосы h<δ более 37% вихревых токов будет проникать через полосу, тем самым снижая чувствительность устройства, что приведет к невозможности замера покрытий в десятые доли мкм, а также к невозможности замера сплошности соединений слоев биметалла на второй частоте. Для повышения чувствительности устройства выбирают такую частоту питающего тока, чтобы глубина проникновения вихревых токов δ не превышала . Так при  только 0,7% возбуждаемых вихревых токов проникают через исследуемый слой, а 99,3% - нет. При таком исполнении увеличивается чувствительность устройства и появляется возможность измерения толщины слоя биметалла в сотые доли мкм, что повышает точность измерения, а также возможность измерения сплошности соединения слоев биметалла на второй частоте.
Для измерения сплошности слоев биметалла глубину проникновения вихревых токов выбирают больше, чем толщина слоя, т.е. δ>h. Синусоидальный ток второй частоты, действующий в возбуждающих (первичных) обмотках измерительной 8 и эталонной 9 катушек, создает электромагнитное поле, которое возбуждает вихревые токи в электропроводящем верхнем слое биметаллической полосы. Эти вихревые токи затухают по мере проникновения вглубь исследуемого объекта. Электромагнитное поле вихревых токов воздействует на вторичные обмотки измерительной 8 и эталонной 9 катушек, наводя в них эдс, которые пропорциональны изменению сплошности соединения слоев биметалла и эталона. Напряжение эталонной катушки так же постоянно, а напряжение измерительной катушки, контролирующее сплошность соединения слоев биметаллической полосы, меняется в зависимости от изменения сплошности соединения слоев и толщины слоя биметалла. Результирующий сигнал подается на демодулятор 11, на выходе которого создается выпрямленное напряжение, пропорциональное по величине изменению сплошности соединения слоев и толщины биметалла от заданной эталоном. Выпрямленный и усиленный сигнал усилителем 12 подается на вход микропроцессорного устройства 13, где сравниваются сигналы на первой и второй частотах, и по разности напряжений судят об изменении сплошности соединения слоев биметалла.
Таким образом, отклонение толщины второго слоя и сплошность соединения слоев биметалла от эталона определяют соответственно на первой и второй частотах по изменению напряжения на второй обмотке измерительной катушки относительно напряжения вторичной обмотки катушки, расположенной над эталоном.
Для проверки работоспособности предлагаемого технического решения на АО ЗПС (г.Тамбов) на линии рулонного производства биметаллической полосы размерами по толщине (1,9-4,5) мм с антифрикционным слоем АО - 10, АО - 20-1, проводились измерения толщины и сплошности соединения слоев биметалла в процессе прокатки, погрешность измерения при этом не превысила 3,0%.