Электромагнитный способ измерения электрической проводимости немагнитных материалов и устройство для его осуществления

Электромагнитный способ измерения электрической проводимости немагнитных материалов и устройство для его осуществления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

ОП И-САНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

<щ998937

Союз Советских

Социапистическик

Реслублик (63 ) Дополнительное к авт. саид-ву (22) Заявлено 05.95.80 (2 l } 2920964/25-28 (5I)M. Хл.

501 М 27/90 с присоединением-заявки J%

Гесударстееннкн кекнтет

СССР но делан нзееретеннй н етнрьпнв

{23) Приоритет +: (53) УДХ 620.179. .14 (088 8) Опубликовамо 23.02.83 Бюллетень Рй 7

Дата опубликования описания 25.02.83

В. B. Këþeâ, Д.И. Косовский, Ю.М. Шка ет, Kf.4СЖужипкий

В.С.Лапшин и A.È.Н, ин;, :, -, -ъ,|:— фj в:j

1 . Научно--исследовательский институт интроскопкк (72) Авторы изобретения (7l ) Заявитель (54) ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ .

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОВОДИМОСТИ НЕМАГНИТНЫХ

МАТЕРИАЛОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Изобретение относится к неразрушаю щему контролю электрической проводи-. мости материалов и изделий методом вихревых токов и может быть использо- вано на заводах машиностроительной цромышпенности.

Известен способ -измерения электрической проводимости с помощью накладного преобразователя, установленного aps измерении на контролируемое изделие, заключающийся в том, что в контропируемем материале возбуждают вихревые токи, преобразуют их поле в напряжение, компенсируют напряжение холостого хода и выделяют из результирующего напряжения активную и реактивную составляющие.

Дая повышения точности измерения фор. мируют электрическое напряжение постоянной величины, суммируют его с одной из составляющих, с помощью блока не- . линейной функции вида у=.х" .преобразуютсуммарное напряжение. После этого пре образуют с.помощью двух блоков делевия получаемые напряжения. в сигнал,пропорциовапьный отношению. активной составпяющей к реактивной и к выходно му напряжению блока нечинейной функции и по полученному результату судят об

5 электрической проводимости Р 1).

Недостатком данного способа явпяется ограниченный диапазон измеряемых значений электрической проводимости (Q ), в котором достигается одинаковое уменьшение диэлектрического зазора между преобразователем и поверхностью влияния от изменения вепичины контролируемого издепня. Это объясняется тем, что при измерении 6 s диайазоне (1-58) 10

См/M активная составляющая вносимого напряжения, зависящего от контролируемой величины, изменяется в диапазоне (0,023139-0,0082308) Ve, а реактив2î ная — в диапазоне (0,045623-0,0821 89) Уо, где V>- напряжение- на измеритель ной катушке в отсутствие объекта измерения. Из приведенных значении следует, что прибавление напряжения постоянной величины к одной иэ составляющих вносимого напряжения оказывает различ, ное влияние в зависимости от величины измеряемой (Г .

Кроме того, без внесения дополнитель ного напряжения возрастание зазора при изменении 6 изделий сопровождается увеличением фазового угла. Прибавлением напряжения к активной составляющей

6 вносимого напряжения для . Д =1 ° 10 См/м ц1 можно уменьшить влияние зазора при измерении малых значений Q . Однако прибавление той же величины к активной составляющей для б =59 106СМ/м вызовет в три раза большее ее изменение.

B данном случае при измерении больших значений 5 увеличение зазора сопровождается не возрастанием, а уменьшением фазы на величину, большую, по сравнению с величиной, получаемой без дополнитель ного напряжения. Таким образом, преобразование только одной иэ составляющих вносимого напряжения при измерении 6 в больших диапазонах наряду с умецьшением погрешности в одной части диапазо- на приводит к ве увеличению в другой части диапазона измерений G.

Суммирование максимальных значений постоянного напряжения постоянной величины 0,03 или 0,05 напряжения холос36 того хода соответственно с реактивной или активной составляющими вносимого напряжения приводит к уменьшению фазового угла при возрастании зазора. При этом величина уменьшения фазового угла намного больше увеличения угла при измерении без преобразования одной из составляющих, чем вызывается не уменьшение, а возрастание погрешности изм ере ния.

Кроме итого, необходимо учитывать нелинейную зависимость между вносимым напряжением и б, которая увеличивается в случае преобразования составляющих напряжения. Нелинейная зависимость вызывает необходимость применения боль шого количества образцов электрической проводимости, трудоемких в изготовлении и сложных при аттестации. Нелинейность зависимости исключает возможность пр".= менения индикаторов с цифровым отсче- И том.

Известно также устройство для измерения электрической проводимости немат нитных материалов, содержащее генератор переменного тока, накладной вихре- $5 токовый преобраэователь с компенсатором напряжения холостого хода, усилитель сигнала преобразователя, два фазовращателя, соединенные последовательно между

1 собой и генератором, два фазовых детектора, один из которых настроен в фазе с током, а другой - в квадратуре с ним, делитель напряжения и индикаторР 21.

Недостатком устройства является то, что отсутствие блоков по преобразованию составляющих вносимого иирряжения ис« ключает возможность отстройки от влияния изменения зазора при измерении электрической проводимости.

Необеспечена также линейная зависимость между электрическими сигналами и контролируемыми значениями электрической проводимости, .что исключает возможность применения цифровой индикации, снижает точность измерения и удобство отсчета показаний.

Цель изобретения - повышение точности измерения.

Цель достигается тем, что формируют два напряжения постоянной величины, равных ((0,0010-0,0015) и (0,00100,015)) Ч, складывают первое напряжение с активной составляющей вносимого напряжения и вычитают второе напряжение из реактивной составляющей, находят отношение преобразованных составляющих, затем возводят эти отношения в степень (2,05-2,1 5) и по полученному результату определяют электрическую проводимость контролируемого материала, где V о- напряжение измерительной катушки преобразователя в отсутствие контролируемого материала.

Устройство для осуществления способа снабжено двумя регулируемыми источниками постоянного напряжения, двумя сумматорами и функциональным преобразователем вида ) =х Ц ЩО, один вход каждого из сумматоров соединен с выходом одного из фазовых детекторов,другой вход соединен с одним из источников постоянного напряжения, выходы сумматоров соединены с двумя входами делителя напряжения, а функциональный преобразователь включен между делителем напряжения и индикатором.

На фиг. 1 показаны годографы вносимого напряжения накладного вихретокового преобразователя в зависимости от зазора и электрической проводимости 2;; на фиг. 2 — зависимости Относительной погрешности измерения электрической проводимости heÃ, % от изменения зазора 5b при добавлении и вычитании соответственно к активной R< V 8„ и реактивной Д цЧ > составляющим вносимого напряжения добавочных напряжений РцЧщ =

998937

0,0093611 Чо и Ь 3 ЧЬн

* 0,015604 Уо; на фиг. 3 - зависимости 40, % от 6 4 при добавочных напряже-ниях., ЬК ;Чщ=0,0014330 V и дЭ пЧ „, 0,011247 V; на фиг. 4 — зависимости

Ь() от ХА при добавочных напряжениях ЫцЧру =0,0021875Ч и Ъ-) Ч и

0,010191Vp на фиг. 5 - блок-схема устройства измерения электрической проводимости немагнитных материалов.

1О

Бифрами Х,П,П! и.И обозначены погрешности bG, % при измерении электрической проводимости (5,20,40,60) 10

См/M соответственно.

Одновременное преобразование ак гив- > $ ной и реактивной составляющих вносимого напряжения — увеличение первой из них и уменьшение второй-позволяет в значительной степени ослабить влияние изменения диэлектрического зазора и между 20

> преобразователем и поверхностью контролируемого материала в широком диапазоне измерения электрической проводимости

5 Величины, пропорпиональные прибавляемому к активной составляющей напря- 2$ жению, обозначены на фиг. 1 ЬВ V, величина, пропорпиональная вычитаемой от реактивной составляющей, -ЬЭ Ч и, Преобразование одной из составляющих вносимого напряжения, например умень- щ шение реактивной составляющей, позволяет отстроиться от влияния зазора в небольшом дйапазоне измерения. В данном случае ЬВ g V@> О и Ь Э„Ч, = OQ

При этом величина изменения показаний прибора для (7у и при увеличении зазора от 4p до ho+ В будет определяться углом между векторами вносимого напря-! .у ю жения ОА„, „и ОА > соответственно при зазорах oи o+ Ь . Различие показаний прибора при измерении 6}моХ onf ределится углом между вектором o m0X и йА, соответственно при зазорах 0

4 / .и Q.+ ЬЪ.

4$

Как. видно иэ сопоставления углов

Д.А„,,п и 4AM(N влияние зазора значительно возрастает с увеличением О ., Сопоставляя углы<> -„и ALA > соответственно между вносимыми векторами Т P Р t $0 (О„А „,„и 0 А„„„;„) и (О А „„,„и О„- „„0(), видим, что их величина значительно уменьшилась по сравнению с отстройкой .по зазору посредством преобразования одной иэ составляющих, что наглядно подтверждает преимущество отстроики

$$ от зазора при одновременном преобразс вании реактивной и активной составляюших- вносимого напряжения.

Как следует иэ зависимостей, приводимых на фиг. 2-4, наилучшие разул таты отстройки от зазора при его 5GMeненни. до 1 ммдостигаются при увеличении активной составляюяей на величину B AV@ 0,001433, 4о и уменьшени активйой составляющей наба,Ч и

=0,011247Чо. При атом погрешность измерения L(}, % 1 5Ъ пои всех исследуемых значениях 6 (5..60) 10, См/м, 6

Преобразование составляющих, характеризуемое наименьшим значением ЬК Чци.

0,0093611 Чо и наибольшим Ь3„„Чщ

=0,015604 Vo (фиг. 2), обеспечивает отстройку от зазора с допустимой погрешностью в диапозоне изменения ЬЬ

<0,3 мм.

Тот же диапазон отстройки от изме-.нения зазора Д 0,3 мм имеет место при другом крайнем случае, характеризуемом наибольшим значением ЬР Ч

= 0,0021875 Ч0 нашим a3, V „=

= 0,010191 Чо.

Между отношением реактивной составляющей вносимого напряжения и активной при постоянном диэлектрическом зазоре 4 и величиной обобщенного параметра P= З./м),ц„ имеется линейная зависимость, где J) - диаметр вихретокового преобразователя; (6- круговая частота тока; p = 12,56 10 /м; 8 электрическая проводимость контролируемого изделия. Поэтому по величине cw нала, пропорпионального квадрату отношения составляющих вносимого напряжения, можно судить об алектрической проводимости. Преобразование составляющих вносимого напряжения нарушает эту зависимость. Чем больше величина добавочных напряжений Ь Р V > и Ь.)р,Нщ тем больше отклонение or линейной зависимости.. Возведением отношений преобразованных составляющих в степень (2,05-2,1 5) восстанавливают линейную зависимость между величинами электрического сигнала и измеряемыми значе-. ниями электрической проводимости. Собтветственно, чем больше величина 69 q V>> иЬЗ дЧ, тем больше должен. быть. показатель отношений.

Устройство, осуществляющее. способ, содержит генератор 1 переменного тока, накладной вихретоковый преобразователь

2 с компенсатором напряжения холостого хода, усилитель 3 сигнала преобразователя, фазовый детектор 4, напряжение которого сдвинуто на 90 по отношению

D к току возбуждения преобразователя 2, 7 ééééç1 8 фазовый детектор 5, напряжение которого по фазе совпадает с током возбркдения преобразователя 2, фазовращатели ф и 7 для регулирования детекторов 4 и 5, регулируемые источники 8 и 9 постоянного напряжения, сумматоры 10 и 11, вход каждого из которых соединен,с одним из фазовых детекторов 4 и 5, другой вход каждого из сумматоров соединен с однйм из источников 8 и 9 постоянного напряжения, делитель 12 напряжений, входы которого соединены с сумматорами 10 и 11, функциональный преобразователь

13 вида у=х205- Я,4Г и индикатор

Устройство работает следующим об» разом..

Переменный ток от генератора 1 поступает HB вихретоковый преобразователь

2, С помощью компенсатора преобразователь настраивается так, чтобы в отсут- 20 ствне контролируемого материала напряжение на измерительной катушке преобразователя было минимальным. При расположении преобразователя над контролируемым материалом на измерительной И катушке преобразователя 2 появляется вносимое напряжение, которое усиливается усилителем 3. С усилителя 3 напряжение поступает на входы фазовых детекторов 4 и 5, настройка которых осущест- щ вляется с .помощью фаэовращателей 6 и 7.

На выходе детектора 4 выделяется реактивная составляющая вносимого чапряжения, а на выходе детектора 5 - активная составляюшая. С помощью регулируемых источников 8 и 9 постоянного напряжения устанавливаются напряжения, соответствующие оптимальным условиям от- шение преобразованных составляюших, стройки от зазора. Напряжение источника 8 с помощью сумматора 10 вычитается из напряжения детектора 4,напряжение источника 9 с помощью еумматора ll складывается с напряжением детектора 5.Далее с

Лпомощью делителя 12 находится отношение напряжения сумматора 10 к напряжению сумматора 11. Напряжение на выходе делителя 12, пропорциональное отношению составляющих вносимого напряжения, функциональным преобразователем 13 возводится в степень (2,052,15) и регистрируется цифровым индикатором 14.

Формула изобретения

1. Злектромагнитный способ измерения электрической проводимости немагнитных материалов, в котором используют выдедение активной и реактивной составляюших вносимого напряжения вихретокового греобразователя, о т л и ч а— ю ш и и с я тем, что, с целью повыше ния точности измерения, формируют два напряжения постоянной величины, равных ({0,0010-О,.OOl 5) и (0,0010-0,01 5)3 о, складывают первое напряжение с активной составляющей вносимого напряжения и вычитают второе напряжение иэ реактивной составляющей, находят отнозатем возводят эти отношения в степень (2,05-2,15) и по полученному результату определяют электрическую проводимость контролируемого материала, где

Y0 - напряжение измерительной катушки преобразователя в отсутствие контролиПрименение в устройстве двух регулиpyeMbIx источников постоянного напряжения и двух сумматоров позволяет преобразовывать составляющие вносимого напряжения таким образом, что увеличение зазора до 1 мм изменяет показание прибора при измерении О в диапазоне (158} ° 10 Смlм не более чем на 1-1,5%.

Сопоставление показаний устройства

-при измерении электрической проводимости стандартных образцов показало, что с помощью функционального преобразователя обеспечивается линейная зависимость между электрическими сигналами, пропорциональными отношению преобразованных составляющих вносимого напряжения, и величинами контролируемых. параметров.

Зкономический эффект в народном хозяйстве получается за счет повышения точности измерения электрической проводимости, что позволит значительно сократить изготовление дорогостоящих стандартных образцов и повысить метрологическую аттестацию серийно выпускаемых приборов. руем ого материала.

2. Устройство для измерения электрической проводимости немагнитных материалов по п. 1, содержашее генератор переменного тока, накладной вихретоковый преобразователь с компенсатором напряжения холостого хода, усилитель сигнала преобразователя, два фазовраща еля, соединенные последовательно между собой и генератором, два фазовых детектора, один изкоторых настроен в фазе с током, а друтой — в квадратуре с ним, делитель напряжений и индикатор, о т— л и ч а ю ш е е с я тем, что оно снабжено двумя регулируемыми источниками.9 998937 10 постоянного напряжения, двумя суммате- включен между делителем напряжения н рами и функпиональным преобразователем индикатором. . вида у =х Р =<<, один вход каждого Источники информации, из сумматоров соединен с выходом одно- . принятые во внимание при экспертизе го из фазовых детекторов, другой вход s 1. Авторское свидетельство СССР соединен с одним из источников постоя1- N 517858, кл. G 01 М 27/86, 1976. ного напряжения, выходы сумматоров сое- 2. Авторское свидетельство СССр динены с двумя входами делителя напря- % 284313, кл. Q 018 27/86, 1971 жения, а функциональный преобразователь (прототип) .