УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВИХРЕТОКОВОГО КОНТРОЛЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ НЕМАГНИТНЫХ ОБЪЕКТОВ
DEVICE FOR EDDY CURRENT TEST OF METALLIC NON-MAGNETIC OBJECTS

Изобретение относится к средствам неразрушающего контроля немагнитных металлических изделий и может быть использовано для контроля их толщины и удельной электрической проводимости материала.
4
Известен электромагнитный толщиномер (SU 1226024 Α1, МПК G01B 7/06, опубл. 23.04.1986 г., бюл. №15), содержащий последовательно соединенные генератор синусоидального сигнала, вихретоковый преобразователь, усилитель, схему амплитудно-фазового преобразования сигнала вихретокового преобразователя, в которой в качестве опорного используется выходное напряжение генератора, и индикатор. Благодаря амплитудно-фазовому преобразованию сигнала в данном устройстве осуществляется отстройка от влияния на результаты измерения толщины изменений зазора между вихретоковым преобразователем и объектом контроля.
Недостатком этого устройства является отсутствие отстройки от влияния изменений электропроводности материала и малый диапазон отстройки от влияния изменений зазора.
6
Известно устройство для контроля толщины металлических изделий (SU 375468 Α1, МПК G01B 7/06, опубл. 23.03.1973 г., бюл. №16), содержащее два генератора синусоидальных сигналов высокой и низкой частот, подключенных ко входам двухчастотного вихретокового преобразователя, схему частотного выделения и амплитудно-фазового преобразования сигналов вихретокового преобразователя и индикатор. Благодаря наличию двухчастотного возбуждения вихретокового преобразователя устройством обеспечивается эффективная отстройка от влияния на результаты измерения толщины изменений зазора между вихретоковым преобразователем и объектом контроля в значительном диапазоне его изменений.
Недостатком этого устройства является малый диапазон и трудоемкость отстройки от влияния изменений электропроводности материала.
4
Известно устройство вихретокового контроля, реализующее трехпараметровый способ вихретокового контроля металлических немагнитных объектов (SU 1176231 Α1, МПК G01N 27/90, опубл. 30.08.1985 г., бюл. №32), выбранное в качестве прототипа, содержащее первый, второй и третий генераторы гармонических сигналов, сигнальные выходы которых соединены со входами накладного ВТП, первый, второй и третий избирательные резонансные усилители, входы которых соединены с выходом вихретокового преобразователя, первый и второй синхронные детекторы, сигнальные входы которых соединены с выходами соответственно первого и второго избирательных усилителей, а входы управления с выходами управления соответственно первого и второго генераторов, амплитудный детектор, вход которого соединен с выходом третьего избирательного усилителя, вычислительный блок, пять входов которого соединены каждый в отдельности с выходами первого и второго синхронных детекторов и амплитудного детектора, а выход соединен со входом блока индикации. В состав вычислительного блока входят коммутатор, аналого-цифровой преобразователь, блок ввода и вывода, центральный процессор, блок памяти и цифропечатающее устройство.
Постоянные составляющие выходных напряжений синхронных детекторов пропорциональны амплитудам комплексных составляющих детектируемого сигнала, совпадающих по фазе с управляющими сигналами (Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: Справочное руководство. Пер. с нем. - М.: Мир, 1982 - 512 с.). В устройстве используются синхронные детекторы с двумя выходами, представляющие собой по сути два синхронных детектора, управляемые опорными напряжениями с выходов управления генераторов, сдвинутыми по фазе на 90°.
1
2
3
1
2
3
Согласно реализуемому устройством способу контроля частоты первого, второго и третьего генераторов ƒ, ƒ, ƒ выбирают таким образом, что обобщенный параметр вихретокового контроля β на первой частоте превышает 50, глубина проникновения электромагнитного поля δ на второй частоте примерно в два раза меньше толщины объекта контроля T, а обобщенный параметр вихретокового контроля β на третьей частоте примерно равен 2. Обобщенный параметр вихретокового контроля определяется по формуле:
где σ - удельная электрическая проводимость материала;
0
μ - магнитная постоянная;
R - радиус эквивалентного витка обмотки возбуждения вихретокового преобразователя.
В этом случае сигнал вихретокового преобразователя на первой частоте зависит только от зазора h между преобразователем и объектом контроля, сигнал на второй частоте зависит от зазора h и удельной электропроводности материала σ, а сигнал на третьей частоте - от зазора h, удельной электропроводности материала σ и толщины объекта Т. Это обеспечивает возможность раздельного контроля величин h, σ и Τ в широком диапазоне изменений их значений.
2
3
Недостатком известного устройства является низкая достоверность контроля ввиду невозможности качественного разделения реакций вихретокового преобразователя на взаимодействие с объектом каждой в отдельности частотных составляющих возбуждающего магнитного поля. Это обусловлено использованием в составе устройства для обеспечения частотной избирательности измерительных каналов избирательных резонансных усилителей, уменьшение полосы пропускания которых ограничено нестабильностью частотозадающих элементов, характеристики которых даже при тщательном их подборе в значительной мере подвержены влиянию изменений температуры окружающей среды. Особенно сильная зависимость результатов контроля от температуры имеет место при измерении удельной электрической проводимости материала σ и толщины объекта контроля Т, в случае реализации которого основными информативными параметрами сигнала вихретокового преобразователя являются фазы сигналов частот ƒ и ƒ.
Задачей изобретения является повышение достоверности контроля за счет более качественного разделения реакций вихретокового преобразователя на взаимодействие с объектом каждой в отдельности частотных составляющих возбуждающего магнитного поля.
Поставленная задача решена за счет того, что устройство для вихретокового контроля металлических немагнитных объектов, также как в прототипе, содержит первый, второй и третий генераторы гармонических сигналов, сигнальные выходы которых соединены со входами накладного вихретокового преобразователя, первый, второй, третий и четвертый синхронные детекторы, входы управления которых соединены соответственно с первым выходом управления первого генератора, вторым выходом управления первого генератора, первым выходом управления второго генератора и вторым выходом управления второго генератора, вычислительный блок, выход которого соединен со входом блока индикации.
Согласно изобретению устройство дополнительно содержит схему синхронизации, первый выход которой соединен со входами генераторов, пятый и шестой синхронные детекторы, входы управления которых соединены соответственно с первым и вторым выходами управления третьего генератора, сигнальные входы всех синхронных детекторов соединены с выходом вихретокового преобразователя, первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой интегрирующие дискретизаторы, входы управления которых соединены со вторым выходом схемы синхронизации, сигнальные входы интегрирующих дискретизаторов соединены с выходами соответственно первого, второго, третьего, четвертого, пятого и шестого синхронных детекторов, а выходы соединены каждый с отдельным входом вычислительного блока.
Благодаря исключению из схемы устройства избирательных усилителей, синхронизации частот генераторов и использованию интегрирующих дискретизаторов достигается более качественное разделение реакций вихретокового преобразователя на взаимодействие с объектом каждой в отдельности частотных составляющих возбуждающего магнитного поля.
На фиг. 1 изображена структурная схема устройства для вихретокового контроля металлических немагнитных объектов; на фиг. 2 - конструкция вихретокового преобразователя; на фиг. 3 - амплитудно-частотная характеристика измерительного канала.
Устройство для вихретокового контроля металлических немагнитных объектов содержит первый 1 (Г1), второй 2 (Г2) и третий 3 (Г3) генераторы гармонических сигналов, схему синхронизации 4 (СС), накладной вихретоковый преобразователь 5 (ВТП), первый 6 (СД1), второй 7 (СД2), третий 8 (СД3), четвертый 9 (СД4), пятый 10 (СД5) и шестой 11 (СД6) синхронные детекторы, первый 12 (ИД1), второй 13 (ИД2), третий 14 (ИД3), четвертый 15 (ИД4), пятый 16 (ИД5) и шестой 17 (ИД6) интегрирующие дискретизаторы, вычислительный блок 18 (ВБ), блок индикации 19 (БИ).
Входы первого, второго и третьего генераторов гармонических сигналов 1-3 (Г1-Г3) соединены с первым выходом схемы синхронизации 4 (СС). Сигнальные выходы генераторов гармонических сигналов 1-3 (Г1-Г3) соединены со входами накладного вихретокового преобразователя 5 (ВТП). Выход вихретокового преобразователя 5 (ВТП) соединен с сигнальными входами шести синхронных детекторов 6-11 (СД1-СД6). Входы управления первого 6 (СД1) и второго 7 (СД2) синхронных детекторов соединены соответственно с первым и вторым выходами управления первого генератора гармонических сигналов 1 (Г1). Входы управления третьего 8 (СД3) и четвертого 9 (СД4) синхронных детекторов соединены соответственно с первым и вторым выходами управления второго генератора гармонических сигналов 2 (Г2). Входы управления пятого 10 (СД5) и шестого 11 (СД6) синхронных детекторов соединены соответственно с первым и вторым выходами управления третьего генератора гармонических сигналов 3 (Г3). Выходы синхронных детекторов 6-11 (СД1-СД6) соединены соответственно с сигнальными входами интегрирующих дискретизаторов 12-17 (ИД1-ИД6). Входы управления интегрирующих дискретизаторов 12-17 (ИД1-ИД6) соединены со вторым выходом схемы синхронизации 4 (СС). Выходы интегрирующих дискретизаторов 12-17 (ИД1-ИД6) соединены каждый с отдельным входом вычислительного блока 18 (ВБ). Выход вычислительного блока 18 (ВБ) соединен со входом блока индикации 19 (БИ).
На фиг. 2 показан один из возможных вариантов конструкция накладного вихретокового преобразователя 5 (ВТП) устройства, наиболее часто используемый в вихретоковых толщиномерах. ВТП содержит обмотку возбуждения 20, измерительную обмотку 21 и компенсационную обмотку 22.
При осуществлении контроля вихретоковый преобразователь 5 (ВТП), располагают вблизи объекта контроля 23, в качестве которого для примера выбрана металлическая труба из немагнитного материала (на фиг. 2 показано поперечное сечение вихретокового преобразователя и части трубы).
1
2
3
Устройство для вихретокового контроля металлических немагнитных объектов работает следующим образом. Генераторами гармонических сигналов 1-3 (Г1-Г3) вырабатываются гармонические сигналы с частотами ƒ, ƒ, ƒ, которые синхронизируются схемой 4 (СС), благодаря чему поддерживаются стабильными разности частот
2
3
1
2
ƒ-ƒ=a⋅Δƒ и ƒ-ƒ=b⋅Δƒ,
где а и b - целые числа;
Δƒ - частота сигнала управления на втором выходе схемы синхронизации 4 (СС).
0
1
1
2
1
2
3
1
2
3
4
При этом возможны различные варианты синхронизации частот генераторов гармонических сигналов 1-3 (Г1-Г3). Например, такой, когда схема синхронизации 4 (СС) содержит генератор прямоугольных импульсов опорной частоты ƒ, а генераторы гармонических сигналов 1-3 (Г1-Г3) и схема синхронизации 4 (СС) имеют в своем составе делители частоты соответственно в n,n⋅n,n⋅n⋅n и n⋅n⋅n⋅n раз
1
2
3
4
где n, n, n и n - целые числа.
В состав генераторов гармонических сигналов 1-3 (Г1-Г3) входят формирователи синусоидального сигнала из ступенчатого, имеющего число ступенек m. Частоты выходных сигналов генераторов 1-3 (Г1-Г3) равны соответственно
1
0
1
ƒ=ƒ/n;
2
0
1
2
ƒ=ƒ/n⋅n;
3
0
1
2
3
ƒ=ƒ/n⋅n⋅n.
Разность частот
0
1
2
3
4
4
3
3
4
2
Δƒ=ƒ/n⋅n⋅n⋅n и a=n(n-1); b=n⋅n(n-1).
1
2
3
1
2
3
Кроме того, значения частот ƒ, ƒ и  ƒ должны удовлетворять условиям, при которых, как и в случае изобретения-прототипа, обобщенный параметр вихретокового контроля β на первой частоте превышает 50, глубина проникновения электромагнитного поля δ на второй частоте примерно в два раза меньше толщины Τ объекта контроля, а обобщенный параметр вихретокового контроля β на третьей частоте примерно равен 2.
1
2
3
1
2
3
1
2
3
Сигнал разностной частоты Δƒ со второго выхода схемы синхронизации 4 (СС) подается на входы управления интегрирующих дискретизаторов 12-17 (ИД1-ИД6).Выходные сигналы генераторов 1-3 (Г1-Г3) подаются на обмотку возбуждения 20 накладного ВТП вихретокового преобразователя 5 (ВТП). Ток этой обмотки имеет три гармонические составляющие частот ƒ, ƒ и ƒ и создает трехчастотное магнитное поле. Измерительная 21 и компенсационная 22 обмотки вихретокового преобразователя 5 (ВТП) включены встречно, поэтому при отсутствии вблизи вихретокового преобразователя электропроводящего объекта выходной сигнал вихретокового преобразователя равен нулю. При наличии вблизи вихретокового преобразователя электропроводящего объекта трехчастотное магнитное поле возбуждения наводит в контролируемом изделии вихревые токи трех частот. Магнитное поле этих вихревых токов обуславливает возникновение выходного сигнала (вносимого напряжения) вихретокового преобразователя. Для выделения комплексных составляющих сигнала вихретокового преобразователя, обусловленных каждой из трех частотных составляющих магнитного поля вихревых токов, в устройстве имеются шесть одинаковых измерительных каналов, состоящих каждый из последовательно соединенных синхронного детектора 6-11 (СД1-СД6) и интегрирующего дискретизатора 12-17 (ИД1-ИД6). Каналы, в состав которых входят синхронные детекторы 6 и 7 (СД1 и СД2), предназначены для выделения действительной и мнимой составляющих сигнала вихретокового преобразователя, обусловленных вихревыми токами частоты ƒ. Каналы, в состав которых входят синхронные детекторы 8 и 9 (СД3 и СД4), предназначены для выделения действительной и мнимой составляющих сигнала, обусловленных вихревыми токами частоты ƒ. Каналы, в состав которых входят синхронные детекторы 10 и 11 (СД5 и СД6), предназначены для выделения действительной и мнимой составляющих сигнала, обусловленных вихревыми токами частоты ƒ. Синхронными детекторами осуществляется синхронное с соответствующей частотой управления ƒ, ƒ или ƒ детектирование напряжений измерительных обмоток вихретокового преобразователя, а интегрирующими дискретизаторами осуществляется усреднение выходных сигналов синхронных детекторов за время Τ=1/Δƒ, задаваемое выходным сигналом схемы синхронизации 4 (СС).
i
i
i
1
2
3
Схемотехнически интегрирующий дискретизатор состоит из последовательно соединенных схем аналогового интегратора и аналогового запоминающего устройства, охваченных общей отрицательной обратной связью, и представляет собой импульсный фильтр нижних частот с конечной импульсной характеристикой (Гутников B.C. Методы реализации специальных весовых функций в измерительных устройствах. - Измерения, контроль, автоматизация, 1983, №2, с. 3-15). Амплитудно-частотная характеристика измерительного тракта с опорной частотой ƒ имеет нули на частотах, отличающихся от ƒ на значение, кратное Δƒ (фиг. 3). При этом сигнал вихретокового преобразователя с несущей частотой ƒ пропускается измерительным трактом практически без искажения, а присутствующие на входе этого же тракта сигналы двух других частот практически полностью ослабляются. В результате такой обработки сигналов на выходах первого 12 (ИД1) и второго 13 (ИД2) интегрирующих дискретизаторов выделяются сигналы, пропорциональные амплитудам комплексных составляющих вносимого напряжения частоты ƒ на выходах третьего 14 (ИД3) и четвертого 15 (ИД4) интегрирующих дискретизаторов - частоты fƒ, на выходах пятого 16 (ИД5) и шестого 17 (ИД6) интегрирующих дискретизаторов - частоты ƒ.
Благодаря указанному ранее выбору частот генераторов гармонических сигналов выделенные составляющие сигнала вихретокового преобразователя на первой частоте зависят только от зазора h между вихретоковым преобразователем и объектом, составляющие сигнала на второй частоте зависят от зазора h и удельной электропроводности материала σ, а составляющие сигнала на третьей частоте - от зазора h, удельной электропроводности материала σ и толщины Τ объекта. Вычислительным блоком 18 (ВБ) осуществляется вычислительное преобразование сигналов измерительных каналов. При этом могут быть использованы различные алгоритмы преобразования и, в частности, предлагаемый в прототипе. В этом случае по амплитудному значению сигнала на первой частоте вычисляют значение зазора h, по отношению действительной и мнимой составляющих сигнала на второй частоте с учетом значения h - значение удельной электрической проводимости σ, а по значениям составляющих сигнала на третьей частоте, зазора h и удельной электрической проводимости σ - значение толщины Т. Блоком индикации 19 (БИ) осуществляется индикация результатов контроля.
Использование предлагаемого устройства для вихретокового контроля металлических немагнитных объектов обеспечивает повышение достоверности контроля в условиях значительных изменений условий контроля.