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

Авторы патента:

G01N27 - Исследование или анализ материалов с помощью электрических, электрохимических или магнитных средств (G01N 3/00-G01N 25/00 имеют преимущество; измерение переменных электрических или магнитных величин и исследование электрических или магнитных свойств материалов G01R)

Изобретение относится к средствам неразрушающего контроля, основанным на вихретоковом методе, и предназначено для обнаружения поверхностных и подповерхностных трещин в деталях различных материалов в машиностроении, авиастроении, в железнодорожном транспорте. Сущность изобретения: введены блок фазового сдвига, микропроцессор, блок памяти, блок связи с компьютером, многофункциональный дисплей. Предлагаемое изобретение позволяет контролировать немагнитные и ферромагнитные материалы, производить автоматическую отстройку от влияющих факторов, визуализировать сигнал от дефекта, сохранять результаты контроля и документировать их.

Полезная модель относится к области неразрушающего контроля, в частности к устройствам, основанным на методе вихревых токов, и предназначенным для дефектоскопии металлоизделий и может быть использовано в машиностроении, авиастроении и других отраслях для обнаружения поверхностных и подповерхностных трещин в деталях из черных и цветных металлов (в том числе ферромагнитных и немагнитных сталей).

Известен целый ряд вихретоковых устройств для поиска трещин в деталях из ферромагнитных сталей и сплавов ВД-12НФ, ВД-13НФ, ВД-15НФ, ВД-19НФ, ВД-20НФ содержащих генератор напряжения, фазовращатель, измерительный преобразователь, масштабный усилитель, фазовый детектор, управляемый усилитель и блок индикации [см. Инструкция по неразрушающему контролю деталей и узлов локомотивов и моторвагонного подвижного состава. Вихретоковый метод. - Москва: МПС РФ департамент локомотивного хозяйства, 2001 г., стр.80-88, 93-96 аналог к заявке прилагается].

К недостаткам данных устройств можно отнести достаточно узкий диапазон фазовращателя, малая величина рабочего зазора, отсутствие визуализации, документирования и сохранения результатов контроля. Указанные недостатки существенно уменьшают диапазон контролируемых материалов и изделий, а так же область применения этих вихретоковых устройств, из-за несоответствия современным требованиям к проведению неразрушающего контроля.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому по совокупности признаков и принятым за прототип является

вихретоковый дефектоскоп ВД-12НФМ, содержащий генератор напряжения, измерительный преобразователь, автоматический регулятор уровня, фазовращатель, фазовый детектор, фильтр, управляемый усилитель, аналого-цифровой преобразователь сигнала, блок индикации [см. Бизюлев А.Н., Калинин Ю.С., Мужицкий В.Ф., Сосницкая Т.А., Вихретоковый дефектоскоп ВД12-НФМ. // Контроль. Диагностика №4, 2003, с.29-30, прототип к заявке прилагается].

Этот прибор обнаруживает поверхностные трещины от 0,5 мм на ферромагнитных 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 работы фазовращателя (только ферромагнитные материалы), а отсутствие визуализации, документирования и сохранения результатов контроля ограничивает его область применения.

Суть заявляемого изобретения состоит в том, что в вихретоковое устройство для обнаружения поверхностных и подповерхностных трещин в деталях из токопроводящих материалов, содержащее последовательно соединенные высокочастотный генератор, вихретоковый преобразователь, автоматический регулятор уровня, фазовый детектор, низкочастотный фильтр, управляемый усилитель и аналого-цифровой преобразователь, а также фазовращатель, первый вход которого соединен с вторым выходом генератора, блок управления, первый выход которого подключен к второму входу фазовращателя, а второй выход - к второму входу управляемого усилителя, и блок индикации, введены блок фазового сдвига, первый вход которого соединен с выходом фазовращателя, второй вход - с третьим

выходом блока управления, а выход подключен к второму входу фазового детектора, микропроцессор, блок памяти, интерфейс и многофункциональный дисплей, при этом первый вход микропроцессора связан с выходом аналого-цифрового преобразователя, а второй и третий входы микропроцессора связаны двунаправлено с блоком памяти и интерфейсом соответственно, первый выход микропроцессора подключен к входу блока индикации, второй и третий выходы микропроцессора подключены к входам блоков управления и интерфейсу соответственно.

Техническим преимуществом изобретения является то, что совокупность заявленных признаков позволяет расширить функциональные возможности, т.е. исследовать так же немагнитные токопроводящие материалы в том числе цветные металлы, производить автоматическую отстройку от влияющих факторов, визуализировать сигнал от дефекта, сохранять результаты контроля и документировать их.

На фиг.1 приведена структурная блок-схема вихретокового устройства.

Оно включает в себя последовательно соединенные высокочастотный генератор 1, вихретоковый преобразователь 3, автоматический регулятор 4 уровня, фазовый детектор 5, низкочастотный фильтр 6, управляемый усилитель 7, аналого-цифровой преобразователь 9, микропроцессор 12 и блок 10 индикации, а также фазовращатель 2, блок 8 управления, блок 11 фазового сдвига, блок 13 памяти, интерфейс 14 и многофункциональный дисплей 15.

Первый вход фазовращателя 2 подключен к второму выходу генератора 1, а выход фазовращателя 2 соединен с первым входом

блока 11 фазового сдвига, выход которого включен к второму входу фазового детектора 5. Первый, второй и третий выходы блока 8 управления подключены к вторым входам фозовращателя 2, управляемого уисилителя 7 и блока 11 фазового сдвига соответственно.

Второй и третий входы микропроцессора 12 электрически связаны двунаправлено с блоком 13 памяти и интерфейсом 14. Второй выход микропроцессора соединен с входом блока 8 управления, а третий выход микропроцессора 12 подключен к входу многофункционального дисплея 15.

Генератор 1 предназначен для формирования синусоидального сигнала заданной частоты, используемого в качестве сигнала возбуждения преобразователя 3 и опорного сигнала, поступающего на второй вход фазовращателя 2.

Фазовращатель 2 позволяет изменять фазу опорного сигнала в диапазоне 90°. Для расширения диапазона работы устройства и возможности контролировать немагнитные токопроводящие материалы добавлен блок фазового сдвига 11, который смещает фазу опорного сигнала, расширяя диапазон работы фазовращателя.

Вихретоковый преобразователь 3, представляет собой дифференциальный датчик трансформаторного типа, состоящий из возбуждающей катушки индуктивности и двух включенных встречно измерительных катушек индуктивности, и предназначен для обнаружения дефектов контролируемого изделия.

Автоматический регулятор 4 уровня предназначен для поддержания выходного сигнала постоянной величины независимо от изменения рабочего зазора между преобразователем 3 и поверхностью контролируемой деталью.

Фазовый детектор 5 предназначен для выделения фазы

сигнала преобразователя 3, величина которой зависит от структуры материала в зоне контроля детали.

Для выделения постоянной составляющей сигнала с фазового детектора 5 применен низкочастотный фильтр 6

Управляемый усилитель 7 выполняет функцию усиления сигнала с низкочастотного фильтра 6. Сигнал с управляемого усилителя 7 оцифровывается аналого-цифровым преобразователем 9 и передается на вход микропроцессора 12.

Блок 8 управления формирует управляющие сигналы на фазовращатель 2, блок 11 фазового сдвига и управляемый усилитель 7 на основании команд микропроцессора 12.

Микропроцессор 12 содержит управляющую программу, осуществляющую сбор, обработку, хранение данных, а также формирование команд для блока 8 управления, блока 10 индикации и многофункционального дисплея 15.

Блок 13 памяти предназначен для хранения результатов контроля, настроек режимов работы и программ пользователя.

Интерфейс 14 предназначен для связи с внешним компьютером (на фиг.1 не показан), формирует протокол двухсторонней связи микропроцессора и компьютера.

Многофункциональный дисплей 15 предназначен для отображения текущих настроек и режимов дефектоскопа, а также визуализации результатов измерений.

В качестве дополнительной индикации превышения сигналом порогового значения применен блок 10 индикации, в него входят звуковая и световая индикация, дополняющая сигнала дефекта на многофункциональном дисплее 15.

Устройство работает следующим образом.

Преобразователь 3 устанавливают над контролируемой деталью и на его катушку возбуждения подают синусоидальный

сигнал, сформированный генератором 1. Сигнал с измерительных катушек преобразователя 3 поступает на вход автоматического регулятора 4 уровня. Амплитуда сигнала на выходе автоматического усилителя 6 уровня остается неизменной в независимости от изменения рабочего зазора между преобразователем 3 и контролируемой деталью.

Синусоидальный сигнал с второго выхода генератора 1 подается на первый вход фазовращателя 2, который изменяет фазу опорного сигнала в соответствии с командами блока 8 управления, заданными микропроцессором 12.

При контроле немагнитных проводящих материалов фазовращатель 2 не обеспечивает необходимого диапазона изменения фазы, поэтому дополнительно используется блок 11 фазового сдвига, смещающий опорный сигнал по фазе на заданную блоком 8 управления величину.

После установки преобразователя 3 на контролируемое изделие, производят компенсацию устройства - формируют фазу опорного сигнала, соответствующую нулевому уровню сигнала на выходе фазового детектора 5. Широкий диапазон и высокая точность установки фазы дают возможность произвести компенсацию для широкого диапазона токопроводящих материалов.

На первый и второй входы фазового детектора 5 поступают сигналы с блока 11 фазового сдвига и сигнал с автоматического регулятора 4 уровня.

По разнице фаз между опорным сигналом на выходе блока 11 фазового сдвига и сигналом преобразователя 3 на выходе автоматического регулятора 4 уровня судят о глубине исследуемого дефекта.

Сигнал фазового детектора 5 после низкочастотного фильтра 6 и управляемого усилителя 7, оцифровывается аналого-цифровым

преобразователем 9 для последующей передачи в микропроцессор 12. При превышении сигналом заданного порогового значения происходит срабатывание световой и звуковой индикации в блоке 10 индикации, сопровождаемое изменением информации на многофункциональном дисплее 15.

Устройство позволяет сохранить настройки и результаты контроля в блоке 13 памяти для их последующего использования. Кроме того, результаты контроля могут передаваться на компьютер, при помощи интерфейса 14, как во время контроля, так и из блока 13 памяти, что позволяет производить дополнительную обработку сигнала и документировать результаты контроля, а так же предоставляет широкие возможности по автоматизации вихретокового контроля.

Вихретоковое устройство для обнаружения поверхностных и подповерхностных трещин в деталях из токопроводящих материалов, содержащее последовательно соединенные высокочастотный генератор, вихретоковый преобразователь, автоматический регулятор уровня, фазовый детектор, низкочастотный фильтр, управляемый усилитель и аналого-цифровой преобразователь, а также фазовращатель, первый вход которого соединен с вторым выходом генератора, блок управления, первый выход которого подключен к второму входу фазовращателя, а второй выход - к второму входу управляемого усилителя, и блок индикации, отличающееся тем, что в него введены блок фазового сдвига, первый вход которого соединен с выходом фазовращателя, второй вход - с третьим выходом блока управления, а выход подключен к второму входу фазового детектора, микропроцессор, блок памяти, интерфейс и многофункциональный дисплей, при этом первый вход микропроцессора связан с выходом аналого-цифрового преобразователя, второй и третий входы микропроцессора связаны двунаправлено с блоками памяти и связи с компьютером соответственно, а первый выход микропроцессора подключен к входу блока индикации, второй и третий выходы микропроцессора подключены к входам блока управления и интерфейсу соответственно.