вихретоковое устройство для обнаружения поверхностных и подповерхностных трещин в деталях из токопроводящих материалов

Формула изобретения

Вихретоковое устройство для обнаружения поверхностных и подповерхностных трещин в деталях из токопроводящих материалов, содержащее генератор напряжения, последовательно соединенные измерительный преобразователь и масштабирующий усилитель, а также последовательно соединенные фазовый детектор, управляемый усилитель, аналого-цифровой преобразователь сигнала фазы, микропроцессор и фазовращатель, выход которого подключен к другому входу фазового детектора, отличающееся тем, что в него введены формирователь сигнала возбуждения и формирователь опорного сигнала, блок автоматической регулировки управления и дополнительный канал измерения амплитуды сигнала, состоящий из последовательно соединенных амплитудного детектора и аналого-цифрового преобразователя сигнала амплитуды, при этом первые входы формирователей сигнала возбуждения и опорного сигнала связаны с выходом генератора, выход формирователя сигнала возбуждения подключен к входу измерительного преобразователя, а выход формирователя опорного сигнала ко второму входу фазовращателя, второй, третий и четвертый выходы микропроцессора соединены со вторыми входами соответственно управляемого усилителя, формирователя сигнала возбуждения и формирователя опорного сигнала, причем вход блока автоматической регулировки усилением связан с выходом масштабирующего усилителя, а выход блока подключен к входу фазового детектора, вход амплитудного детектора дополнительного канала измерения амплитуды сигнала связан с выходом масштабного усилителя, выход аналого-цифрового преобразователя сигнала амплитуды дополнительного канала подключен ко второму входу микропроцессора.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области неразрушающего контроля, в частности к устройствам, основанным на методе вихревых токов, предназначенным для дефектоскопии металлоизделий, и может быть использовано в машиностроении, авиастроении, в железнодорожном транспорте для обнаружения поверхностных и подповерхностных трещин в деталях из ферромагнитных и немагнитных сталей и других материалов.

Известен целый ряд вихретоковых устройств для поиска трещин в деталях из ферромагнитных и немагнитных сталей и сплавов, содержащих генератор напряжения, измерительный преобразователь, масштабный усилитель, а также фазовый детектор, управляемый усилитель, аналого-цифровой преобразователь сигнала фазы, микропроцессор и фазовращатель [см. Средства Неразрушающего Контроля и Технической Диагностики. Т.1. Вып.2. - Санкт-Петербург: «ВВП», 2004 г., аналог к заявке прилагается].

К недостаткам данных устройств можно отнести отсутствие возможности изменения частоты генератора, ограниченный диапазон фазовращателя, малую величину рабочего зазора. Указанные недостатки существенно уменьшают диапазон контролируемых материалов и объектов.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому по совокупности признаков и принятым за прототип является вихретоковый дефектоскоп ВД-12НФП, содержащий генератор напряжения, измерительный преобразователь, масштабный усилитель, а также фазовый детектор, управляемый усилитель, аналого-цифровой преобразователь сигнала фазы, микропроцессор и фазовращатель, вход которого подключен к выходу генератора, а выход - к входу фазового детектора [см. Бизюлев А.Н., Сысоев A.M., Мужицкий В.Ф. Вихретоковый дефектоскоп ВД12-НФП. // Контроль. Диагностика №9, 2004, с.5-7, прототип к заявке прилагается.].

Этот прибор обнаруживает поверхностные трещины от 0,5 мм на ферромагнитных и немагнитных материалах при наличии непроводящего покрытия до 0,5 мм, а также поверхностные трещины на ферромагнитных материалах от 3 мм при наличии непроводящего покрытия до 3 мм. При этом перечень контролируемых материалов ограничен диапазоном функционирования фазовращателя, чувствительность прибора - частотой генератора, величина рабочего зазора - отсутствием автоматического регулятора усиления.

Суть заявляемого изобретения состоит в том, что в вихретоковое устройство для обнаружения поверхностных и подповерхностных трещин в деталях из токопроводящих материалов, содержащее генератор напряжения, последовательно соединенные измерительный вихретоковый преобразователь и масштабный усилитель, а также последовательно соединенные фазовый детектор, управляемый усилитель, аналого-цифровой преобразователь сигнала фазы, микропроцессор и фазовращатель, выход которого подключен к другому входу фазового детектора, введены формирователь сигнала возбуждения и формирователь опорного сигнала, блок автоматической регулировки управления и дополнительный канал измерения амплитуды сигнала, состоящий из последовательно соединенных амплитудного детектора и аналого-цифрового преобразователя сигнала амплитуды, при этом первые входы формирователей сигнала возбуждения и опорного сигнала связаны с выходом генератора, выход формирователя сигнала возбуждения подключен к входу измерительного преобразователя, а выход формирователя опорного сигнала - ко второму входу фазовращателя, второй, третий и четвертый выходы микропроцессора соединены с вторыми входами соответственно управляющего усилителя, формирователя сигнала возбуждения и формирователя опорного сигнала, причем вход блока автоматической регулировки усилением связан с выходом масштабного усилителя, а выход блока подключен к входу фазового детектора, вход амплитудного детектора дополнительного канала измерения амплитуды сигнала связан с выходом масштабного усилителя, выход аналого-цифрового преобразователя сигнала амплитуды дополнительного канала подключен к второму входу микропроцессора.

Техническим преимуществом изобретения является то, что совокупность заявленных признаков позволяет расширить функциональные возможности, т.е. исследовать любые немагнитные и магнитные материалы, а также значительно увеличить чувствительность прибора, увеличить рабочий зазор, повысить соотношение сигнал/шум и достоверность контроля.

На чертеже приведена структурная блок-схема вихретокового устройства.

Оно включает генератор 1 напряжения переменной частоты, последовательно соединенные измерительный вихретоковый преобразователь (ВТП) 2 и масштабный усилитель 3, а также последовательно соединенные фазовый детектор 4, управляемый усилитель 5, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 6 сигнала фазы, микропроцессор 7 и фазовращатель 8, выход которого подключен к второму входу фазового детектора 4, формирователь 9 сигнала возбуждения, формирователь 10 опорного сигнала, блок 11 автоматической регулировки усиления (АРУ), а также дополнительный канал измерения амплитуды сигнала, состоящий из последовательно соединенных амплитудного детектора 12 и АЦП 13 сигнала амплитуды. Первые входы формирователей 9 и 10 связаны с выходом генератора 1, а выход формирователя 9 подключен к входу измерительного ВТП 2, а выход формирователя 10 подключен к второму входу фазовращателя 8. Второй, третий и четвертый выходы микропроцессора 7 соединены с вторыми входами соответственно управляемого усилителя 5, формирователя 9 сигнала возбуждения и формирователя 10 опорного сигнала. Вход амплитудного детектора 12 дополнительного канала измерения амплитуды сигнала связан с выходом масштабного усилителя 3, а выход АЦП 13 амплитуды подключен ко второму входу микропроцессора 7.

Измерительный ВТП 2 представляет собой дифференциальный датчик, состоящий из возбуждающей и измерительной катушек индуктивности, и предназначен для обнаружения дефектов контролируемой детали.

Формирователи 9 и 10 предназначены для изменения в широких пределах возбуждающего синусоидального сигнала генератора 1 одинаковых по частоте и амплитуде. Кроме этого, формирователь опорного сигнала 10 совместно с фазовращателем 8 позволяют изменять фазу опорного сигнала от 0 до 360°. Возможность изменения частоты и амплитуды возбуждающего сигнала в широких пределах позволяет существенно расширить диапазон выявляемых дефектов и повысить точность их оценки за счет изменения глубины проникновения электромагнитного поля в материал контролируемой детали. Изменение фазы опорного сигнала позволяет произвести компенсацию для любых ферромагнитных и немагнитных исследуемых сталей и сплавов.

Блок 11 АРУ предназначен для поддержания выходного сигнала постоянной величины независимо от изменения рабочего зазора между ВТП 2 и поверхностью контролируемой детали.

Фазовый детектор 4 предназначен для выделения фазы сигнала ВТП 2, величина которой зависит от структуры материала в зоне контроля детали.

Управляемый усилитель 5 выполняет функцию усиления сигнала фазового детектора 4. Сигналы с фазового и амплитудного детекторов 4 и 12 оцифровываются в АЦП 6 и АЦП 13 соответственно и передаются на первый и второй входы микропроцессора 7.

Микропроцессор 7 содержит в себе программу для автоматического управления усилителем 5, фазовращателем 8, формирователями 9 и 10. Микропроцессор 7 предназначен для запоминания, хранения, представления информации, а также управления функциями устройства.

Канал измерения амплитуды сигнала, состоящий из амплитудного детектора 12 и АЦП 13 сигнала амплитуды, позволяет исключить ложные срабатывания устройства, связанные с изменением рабочего зазора ВТП 2.

Устройство работает следующим образом.

ВТП 2 устанавливают над контролируемой деталью и на возбуждающую его катушку подают синусоидальный сигнал, сформированный формирователем 9, в соответствии с командами микропроцессора 7 и входным сигналом генератора 1. Сигнал с измерительной катушки ВТП 2 усиливается в масштабном усилителе 3 и поступает на вход АРУ 11. Амплитуда сигнала на выходе АРУ 11 остается неизменной в независимости от изменения рабочего зазора между ВТП 2 и контролируемой деталью.

Синусоидальный сигнал с генератора 1 параллельно подается на вход формирователя 10 опорного сигнала, на выходе которого, в соответствии с командами, заданными программой микропроцессора 7, формируется синусоидальный сигнал той же частоты и амплитуды, что и на выходе формирователя сигнала возбуждения 9.

По команде микропроцессора 7 формирователь 10 опорного сигнала и фазовращатель 8 формируют необходимую фазу опорного сигнала в пределах от 0 до 360° для компенсации выходного сигнала ВТП 2. Т.е. после установки ВТП 2 на контролируемую деталь производят компенсацию устройства - формируют фазу опорного сигнала, соответствующую нулевому уровню сигнала на выходе фазового детектора 4. Широкий диапазон и высокая точность установки фазы дают возможность произвести компенсацию для любых токопроводящих материалов.

На первый и второй входы фазового детектора 4 поступают сигнал с масштабного усилителя 3 через блок 11 АРУ и опорный сигнал с фазовращателя 8. Амплитудный детектор 12 выделяет амплитуду выходного сигнала ВТП 2, величина которой соответствует величине зазора между ВТП 2 и контролируемой деталью.

По разнице фаз между опорным сигналом на выходе цепи, состоящей из формирователя 10 опорного сигнала и фазовращателя 8, и выходного сигнала ВТП 2, усиленного масштабным усилителем 3 судят о глубине исследуемого дефекта. При этом изменение структуры материала детали в зоне контроля и изменение рабочего зазора ВТП 2 вызывают одинаковый отклик на выходе фазового детектора 4, а отклик на выходе амплитудного детектора 12 на изменение структуры материала и изменение рабочего зазора ВТП 2 будет различным, что позволяет исключить ложные срабатывания устройства.

Параллельный анализ амплитуды и фазы входного сигнала позволяет расширить функциональные возможности устройства, повысить достоверность контроля и исключить ложные срабатывания, связанные с изменением зазора между ВТП 2 и деталью.