СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПОЛНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ УПРОЧНЕННОГО СЛОЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ МЕТАЛЛОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ СИГНАЛОВ ВЫСОКОЙ ЧАСТОТЫ
METHOD OF MEASURING TOTAL ELECTRICAL RESISTANCE OF A REINFORCED LAYER OF ARTICLES MADE FROM METALS USING HIGH FREQUENCY SIGNALS

Изобретение относится к исследовательской области, преимущественно к комплексу мероприятий по исследованию структуры упрочненной поверхности изделий после проведения упрочняющих обработок. Оно предназначено для измерения полного электрического сопротивления по всей глубине упрочненного слоя изделий, которое является показателем изменения структуры (изменение дисперсности, отсутствия или уменьшения количества структурных дефектов) после проведения упрочняющей обработки.
Способ также может быть использован в области измерительной техники при создании приборов по измерению электрического сопротивления слоя материала произвольной толщины.
1. Известен мостовой способ измерения электрического сопротивления (Основы метрологии и электрические измерения: учебник для вузов / Б.Я. Авдеев [и др.]; под общ. ред. Е.М. Душина. - 6-е изд., перераб. и доп.- Ленинград: Энергоатомиздат, 1987. - 480 с.). Он основан на включении измеряемого сопротивления в мостовую схему с последующей балансировкой этой схемы и определении неизвестного сопротивления по условию баланса мостовой схемы.
Достоинство: с помощью этого способа можно достаточно точно определять величину сопротивления в широком диапазоне, кроме того, он может быть использован как на постоянном токе, так и на переменном. Недостатками этого способа является то, что при измерении очень малых сопротивлений (10-2-10-4 Ом), для обеспечения необходимой чувствительности моста, требуется через измеряемое сопротивление пропускать очень большие токи (10-102 А), а при измерении больших сопротивлений (более 1 МОм) - повышать напряжение на исследуемом изделии до величины 102-103 В, что ограничивает область его применения.
2. Известен способ измерения электрического сопротивления (Патент RU 2137144 C1, G01R 27/00, опубл. 10.09.1999), заключающийся в том, что через измеряемое сопротивление пропускают электрический ток, после чего выполняют первое измерение величины тока и падения напряжения на измеряемом сопротивлении, и по их значениям определяют первое значение сопротивления; после первого измерения изменяют величину проходящего тока через измеряемое сопротивление путем включения последовательно с измеряемым сопротивлением дополнительного сопротивления, затем выполняют второе измерение величины тока и падения напряжения на измеряемом сопротивлении и по их значениям определяют второе значение сопротивления, а измеряемое сопротивление определяют по приведенной формуле с учетом значений внутреннего сопротивления устройства измерения сопротивления без дополнительного сопротивления. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей известного способа.
Достоинствами данного способа являются: простота, хорошая точность измерения и малые затраты на реализацию. Недостатком этого способа является невозможность определения электрического сопротивления упрочненного поверхностного слоя материала, который является показателем качества высокоэнергетической обработки изделий из металлов.
Известен способ определения удельного электрического сопротивления поверхностного слоя материала (Патент RU 2426137 C1, G01R 27/16, опубл. 10.08.2011, Бюл. №22), включающий измерение электрического сопротивления контакта поверхностного слоя материала с металлической плитой методом амперметра-вольтметра, отличающийся тем, что дополнительно измеряют силу прижима поверхностного слоя материала к металлической плите в контакте, параметр шероховатости и твердость поверхностного слоя материала и определяют удельное сопротивление поверхностного слоя материала по выведенной формуле.
Достоинством данного способа является возможность определения качества поверхности после механической обработки с высокой точностью. Основным недостатком данного способа является то, что электрическое сопротивление зависит от состояния поверхности (шероховатость), что не позволяет говорить о качестве упрочненного слоя и величине полного электрического сопротивления по всей длине изделия.
Вышерассмотренные известные способы являются аналогами предлагаемого изобретения.
1
э
2
Наиболее близким способом измерения электрического сопротивления, является способ, содержащий в своей основе метод амперметра-вольтметра (Патент RU 2167392 С2, G01R 27/16, G01B 7/06, опубл. 20.05.2001) и реализующаяся с помощью корпуса, изготовленного из диэлектрического материала, в котором установлены два токопроводящих электрода и два измерительных электрода, крышки из диэлектрического материала, прикрепленной к корпусу винтами, клемм, пружин возврата и струбцин, прикрепленных к корпусу при помощи винтов. Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения толщины поверхностного токопроводящего слоя изделия. Подключение устройства, реализованного по данному способу, осуществляется от источника постоянного тока, например, источника постоянного питания Б5-47, через реостат R, милливольтметр, в качестве которого может быть использован прибор М 1202, пакет переключателей П, эталонный реостат R к токоподводящим электродам. С измерительных электродов через пакетный переключатель П напряжение подается на потенциометр постоянного тока.
Достоинствами рассмотренного способа являются: 1) простота измерения толщины токопроводящего слоя; 2) высокая контактная жесткость соединения измерительных электродов с исследуемой поверхностью. Недостатками способа являются: 1) невозможность измерения электрического сопротивления упрочненного слоя произвольной толщины, так как измерение идет на постоянном токе; 2) требуется изготовление специальных установок-держателей со строгим диэлектрическим изолированием четырех контактов; 3) ограничения в определении падения напряжения на глубине до десятых долей миллиметра, хотя упрочненный слой изделий после высокоэнергетической обработки начинается с единиц микрометров.
Таким образом, принцип измерения падения напряжения на упрочненном поверхностном слое с возможностью вычисления электрического сопротивления (по известной величине тока) дает право выбрать использованную методику за прототип.
Решаемая предложенным изобретением техническая задача заключается в измерении полного электрического сопротивления по всей глубине упрочненного слоя изделий, которое является показателем изменения структуры (изменение дисперсности, отсутствия или уменьшения количества структурных дефектов) после проведения упрочняющей обработки.
Техническая задача решается путем измерения падения напряжения на упрочненном слое с последующим расчетом полного электрического сопротивления (прямопропорциональной величины) по заданной величине силы электрического тока, причем в процессе измерения применяется зондирующий сигнал переменного тока высокой частоты, а для процесса измерения используются параллельная схема подсоединения исследуемого образца в измерительную цепь.
Для реализации предложенного способа измерения необходимо применение генератора сигналов высокой частоты. При приложении к электропроводящему изделию высокочастотного напряжения области, расположенные внутри проводника, будут обладать большим индуктивным сопротивлением. Это явление известно как скин-эффект. В результате этого эффекта переменный ток высокой частоты при протекании по проводнику распределяется не равномерно по сечению, а преимущественно в поверхностном слое. Так как при упрочняющей обработки (магнитно-импульсная, холодная деформация, термическая обработка и др.) происходит воздействие именно на близкие к поверхности слои изделия, в которых изменяется структура металла (изменяется дисперсность, устраняются дефекты, снимаются остаточные напряжения), то изменение сопротивления поверхностного слоя изделия будет свидетельствовать об изменении структуры материала вблизи поверхности. Так с увеличением дисперсности (увеличивается количество межзеренных границ), увеличивается электрическое сопротивление, а при устранении дефектов и снятии остаточных напряжений (улучшается однородность проводника) электросопротивление уменьшается. Таким образом, можно определить корреляцию между изменением сопротивления и изменением структуры приповерхностных слоев.
Для реализации предложенного способа измерения полного электрического сопротивления упрочненного слоя изделий из металлов с применением сигналов высокой частоты предлагается использовать параллельную схему включения исследуемого изделия в измерительную цепь.
На фиг. 1 представлена параллельная схема включения изделия в измерительную цепь. Она содержит один генератор сигналов высокой частоты, два кольцевых контакта, один осциллограф с полосой пропускания, удовлетворяющей отношению 3:1 частоты зондирующего сигнала, стабилизирующий резистор (50 Ом), шунтирующий резистор (5-10 Ом).
На схеме введены следующие обозначения: 1 - Генератор высокой частоты; 2 - осциллограф; 3 - исследуемое изделие; 4 - кольцевые контакты-хомуты; 5 - стабилизирующий резистор; 6 - шунтирующий резистор.
Сигнальный выход генератора 1 соединен с первым выводом стабилизирующего резистора 5, который вторым своим выводом соединен с первым выводом шунтирующего резистора 6, первым кольцевым контактом 4 и сигнальным входом осциллографа 2, последний, в свою очередь, своим общим проводом соединен со вторым кольцевым контактом 4, вторым выводом шунтирующего резистора 6 и общим проводом генератора 1. Изделие 3 своими концами подключается между первым и вторым кольцевыми контактами 4.
Алгоритм измерения электрического сопротивления при параллельной схеме включения изделия в измерительную цепь.
Для получения полного электрического сопротивления упрочненного слоя изделия необходимо произвести измерение падения напряжения на изделии при прохождении сигнала высокой частоты. Выбранная частота должна обеспечивать глубину проникновения сигнала, соответствующую толщине упрочненного слоя:
где Δ - толщина упрочненного слоя (скин-слоя);
ρ - удельное сопротивление материала заготовки;
r
μ - относительная магнитная проницаемость;
ƒ - частота сигнала.
ш полн
ш полн
з
При параллельном соединении, перед проведением измерения на упрочненном изделии, необходимо получить контрольную осциллограмму напряжения сигнала высокой частоты без установки изделия в измерительную цепь и зафиксировать амплитудное значение напряжения полного сопротивления шунтирующего резистора (U). По полученному значению (U) с помощью заданной величины силы тока (I) зондирующего сигнала необходимо произвести расчет полного сопротивления шунтирующего резистора:
и
и
Затем необходимо установить изделие в измерительную цепь и произвести повторное измерение с фиксацией амплитудного значения падения напряжения (U) на параллельно соединенных шунтирующем сопротивлении и исследуемом изделии. Так как соединение параллельное, то U выражается формулой:
полн
где R - полное электрическое сопротивление упрочненного слоя изделия.
з
полн
Затем по заданному значению тока (I) и выражая R из (3) производят расчет полного электрического сопротивления упрочненного слоя изделия:
Или с учетом (2):
Если по данному алгоритму произвести измерение полного электрического сопротивления до проведения обработки изделия и после него, то полученная информация говорит об изменении структуры упрочненного слоя (однородность, мелкодисперсность, отсутствие искривления кристаллической решетки), которое напрямую влияет на величину полного электрического сопротивления.
Принцип измерения при параллельной схеме включения изделия в измерительную цепь.
ш полн
Перед началом измерения сопротивления упрочненного слоя изделия производят контрольное снятие осциллограммы напряжения сигнала высокой частоты (без установки изделия). Зондирующий сигнал выбирают с частотой, обеспечивающей проникновение на глубину, равную толщине упрочненного слоя изделия (формула 1). Сигнальный выход генератора 1 подключают через стабилизирующий резистор 5 (50 Ом), который обеспечивает стабильность частоты генерации (при такой схеме измерительной цепи), к первому выводу шунтирующего резистора 6 (5-10 Ом), к которому подключают параллельно осциллограф 2. Производится измерение амплитудного значения падения напряжения на полном сопротивлении шунтирующего резистора (U).
и
з
Затем устанавливают обработанное изделие 3 в кольцевые контакты 4. Сигнал с генератора 1 через стабилизирующий резистор 5 подается на параллельное соединение шунтирующего резистора 6 и исследуемого изделия 3, подключенного через кольцевые контакты 4. Сигнал проходит через параллельное соединение элементов 3 и 6 на общий провод. Подключенный параллельно 3 и 6 осциллограф 2 позволяет измерить амплитудное значения падения напряжения на соединенных параллельно шунтирующем резисторе 6 и исследуемом изделии 3 (U). Так как сигнал является высокочастотным и частота рассчитана с учетом толщины упрочненного слоя, то сигнал протекает только по требуемой глубине (проявляется скин-эффект). Располагая заданным значением силы тока сигнала (I) генератора 1, производят расчет полного сопротивления по формуле 5.
Применение переменного тока высокой частоты в предложенном способе измерения полного электрического сопротивления упрочненного слоя изделий после проведения упрочняющих обработок, позволяет производить настройку соответствующих измерительных устройств под любую толщину упрочненного слоя.