СПОСОБ КОНТРОЛЯ СВОЙСТВ ОБЪЕКТА ИЗ ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩИХ МАТЕРИАЛОВ
METHOD TO CONTROL PROPERTIES OF ENTITY MADE FROM ELECTRICALLY CONDUCTING MATERIALS

1. Область техники
Изобретение относится к неразрушающему контролю методом вихревых токов и может быть использовано для контроля свойств объектов из электропроводящих материалов, в частности толщины покрытия и проводимости основы.
2. Уровень техники
Известен двухчастотный способ контроля свойств объекта (пат. РФ №2184931, МПК G01B 7/06, 2000), в котором определяют свойство объекта из электропроводящих материалов.
Недостатком способа является низкая точность измерений, вызванная неизбежными погрешностями при измерении амплитуды и фазы переменного напряжения.
Известен также, принятый заявителем за наиболее близкий аналог (прототип), способ контроля свойств объекта на электропроводящем основании (з-ка на изобретение №99127414/28, МПК G01B 7/06, опубл. 10.10.2001), включающий операции измерения частоты автогенератора, в колебательный контур которого включен вихретоковый преобразователь, устанавливаемый последовательно на эталонный и контролируемый объекты, сравнения частот автогенератор эталонного и контролируемого объекта и установления свойства объекта по величине изменения частоты.
Недостатком способа является низкая точность измерения, обусловленная его однопараметровостью, не позволяющая, например, произвести отстройку от влияния проводимости основы на результаты измерения толщины покрытия.
3. Сущность изобретения
3.1. Задача
Техническая задача - повышение точности контроля.
Технический результат - отстройка от влияния неконтролируемых свойств объекта на результаты измерения контролируемых параметров за счет перехода к многопараметровому контролю.
3.2. Перечень чертежей
На фиг.1 представлен пример 1 реализации устройства для многопараметрового контроля свойств объекта из электропроводящих материалов, на фиг.2 - характер семейства зависимостей приращения двух частот - верхней (Δfв) и нижней (Δfн) от толщины диэлектрического покрытия (h) для разных значений удельной диэлектрической проводимости основы (σ), на фиг.3 - пример 2 реализации устройства для многопараметрового контроля свойств объекта из электропроводящих материалом, где 1 - автогенератор, 2 - блок вихретокового преобразователя с индуктивностью L1, 3 - блок управляемого конденсатора, 4 - цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), 5 - микропроцессор, 6 - устройство индикации, 7 - набор аналоговых ключей.
Сущность предложенного способа заключается в следующем.
3.3. Отличительные признаки
В отличие от известного способа, включающего операции измерения частоты автогенератора, в колебательный контур которого включен вихретоковый преобразователь, устанавливаемый последовательно на эталонный и контролируемый объекты, сравнения частот автогенератор эталонного и контролируемого объекта и установления свойства объекта по величине изменения частоты, в способе контроля свойств объекта из электропроводящих материалов производят измерения частот при нескольких значениях величин элементов, составляющих колебательный контур автогенератора, хотя бы один из элементов которого выполнен управляемым, и устанавливают свойства объекта по совокупности изменения частот, на которых были произведены измерения, при этом количество частот, на которых производятся измерения, выбирается не менее количества контролируемых параметров. При контроле толщины покрытия и проводимости основания снимают семейство эталонных зависимостей приращения частот от величины зазора и проводимости основания, измеряют приращение частот на контролируемом объекте, сравнивают с семейством эталонных зависимостей и устанавливают величину проводимости основания контролируемого объекта по соотношению приращения частот, а толщину покрытия по аппроксимированной зависимости приращения верхней частоты от величины зазора для установленного значения проводимости основания.
3.4. Описание способа
Технический результат - отстройка от влияния неконтролируемых свойств объекта на результаты измерения контролируемых параметров осуществляется за счет перехода к многопараметровому контролю путем введения дополнительных частот. При этом элементы колебательного контура автогенератора (хотя бы один) должны быть выполнены управляемыми, измерения резонансной частоты контура автогенератора производится последовательно при нескольких (два или больше) значениях величин этих элементов, а об изменении свойств объекта контроля судят по совокупности изменений частот.
Повышение точности контроля, по сравнению с другими многочастотными многопараметровыми способами контроля, достигается за счет измерения резонансной частоты колебательного контура автогенератора, с включенным в него вихретоковым преобразователем, а не за счет использования амплитудно-фазовых характеристик сигнала вихретокового преобразователя.
4. Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
На фиг.1 представлен пример реализации устройства для случая, когда управляемым выполнен конденсатор колебательного контура автогенератора.
За основу принят автогенератор 1, выполненный по схеме емкостной трехточки, на транзисторе Т1. Конденсаторы С1-С3 и резисторы R1-R3 обеспечивают режим самовозбуждения и режим по постоянному току транзистора T1. L1 - индуктивность обмотки вихретокового преобразователя 2, образует с управляемым конденсатором 3 колебательный контур автогенератора. В качестве управляемого конденсатора используется варикап D1 (KB 105А) и цифроаналоговый преобразователь 4 типа код-напряжение (AD7390 фирмы Analog Device). Конденсатор С4 является разделительным и служит для сохранения режима транзистора по постоянному току при изменении управляющего напряжения на варикапе D1. Резистор R4 позволяет избежать шунтирования контура автогенератора низким выходным сопротивлением ЦАП 4 и сохранить высокую добротность контура. Информационный вход ЦАП 4 подключен к выходу микропроцессора 5 (ATmega 64 фирмы ATMEL). Выход автогенератора подключен ко входу микропроцессора 5, который обеспечивает необходимые режимы измерения, управления ЦАП 4, обработки получаемых результатов и представления результатов контроля на устройстве индикации 6 (МТ-6464А фирмы МЕЛТ).
Устройство работает следующим образом.
Микропроцессор 5 перед каждым циклом измерения частоты автогенератора 1 передает в ЦАП 4 управляемого конденсатора 3 цифровой код, обеспечивающий выходное напряжение ЦАП 4, при котором последовательно соединенные варикап D1 и конденсатор С4 с индуктивностью L1 ВТП 2 образуют колебательный контур, настроенный на одну из выбранных частот. После завершения переходного процесса в автогенераторе 1, вызванного изменением величины управляемого конденсатора 3, микропроцессор 5 производит измерение текущего значения частоты. После завершения процесса измерения цикл повторяется вновь, но уже для другой частоты.
После перебора всех выбранных частот производится обработка результатов и вывод их на индикатор 6. После чего весь цикл измерения может быть вновь повторен.
В качестве примера построения алгоритма работы микропроцессора 5 рассмотрим задачу о раздельном контроле толщины диэлектрического покрытия и удельной электрической проводимости основания из немагнитного материала.
H
B
Первоначально строится семейство зависимостей приращения частот от толщины диэлектрического покрытия h и проводимости основания σ, при использовании двух частот f и f.
Характер этих зависимостей приведен на Фиг.2.
B
H
1
2
3
4
Такое взаимное расположение графиков и относительная их величина соответствуют условиям: f>f и σ<σ<σ<σ.
H
B
B
Проводимость основы σ определяют, например, по соотношению Δf/Δf (в случае с прямыми линиями). По найденному значению проводимости следует выбрать соответствующую кривую (или рассчитать новую, используя соседние), а потом по выбранной кривой, используя зависимость h(Δf), определить искомую величину h.
Выбор количества и величин частот, на которых производятся измерения, определяется условиями контроля. Если решается задача измерения толщины электропроводящего немагнитного покрытия на электропроводящем немагнитном основании (толщина алюминиевой плакировки на дюралевых листах), мешающим фактором при измерении толщины покрытия с постоянной проводимостью будет влияние изменений проводимости основы. В этом случае достаточно проводить измерения при двух значениях управляемого конденсатора, которые следует выбрать так, чтобы глубина проникновения электромагнитного поля на первой резонансной частоте была примерно равна толщине плакирующего слоя, а на второй - значительно ее превышала, но все же была меньше толщины листа, что осуществляется общеизвестными расчетами (см., например, "Физический энциклопедический словарь". Советская энциклопедия. М: 1984, с.690, реф. "Скин-эффект").
В этом случае изменения первой резонансной частоты будут в основном связаны с изменением толщины плакирующего слоя, а второй - с изменением проводимости основы.
Сняв эти зависимости и занеся их в память микропроцессора, можно по совокупности изменений этих частот определить отклонение параметров контролируемого изделия от номинала.
В случае, когда требуется контролировать еще и толщину листа, придется ввести третье значение емкости конденсатора, соответствующее резонансной частоте автогенератора, на которой глубина проникновения электромагнитного поля больше толщины листа и изменения которой будут сильно зависеть от толщины листа и слабее от проводимости основания и толщины покрытия.
Если в качестве величины, влияющей на точность измерения толщины покрытия, окажется еще и его проводимость, то потребуется еще одно значение емкости конденсатора колебательного контура, соответствующее частоте, на которой глубина проникновения электромагнитного поля меньше толщины плакировки и будет зависеть, при постоянных прочих условиях, от проводимости этого слоя.
На фиг.3 представлен пример реализации устройства для случая, когда управляемой выполнена катушка индуктивности колебательного контура автогенератора.
В данном случае обмотка ВТП 2, играющая роль катушки индуктивности L1 колебательного контура автогенератора 1, выполнена состоящей из двух частей, а с помощью набора аналоговых ключей 7 (например, ADG719 фирмы Analog Device) в колебательный контур может быть включена либо только ее часть, либо вся катушка целиком. Управление ключами осуществляется по сигналу микропроцессора 5, а соотношение частот, на которых производится измерение, определяется через соотношение величин индуктивности частей обмотки катушки L1.
Конденсатор С4 является вторым элементом контура и величина его емкости совместно с величиной индуктивности катушки L1 определяет резонансную частоту колебательного контура автогенератора 1. В данном случае набор ключей 7 позволяет использовать только два значения резонансной частоты, а следовательно, устройство может быть использовано для решения только двухпараметровых задач. Увеличением количества ключей 7 и секций катушки индуктивности L1 можно увеличить количество рабочих частот, а следовательно, и количество измеряемых параметров объекта контроля.