Устройство неразрушающего определения механических напряжений в поверхностном слое изделий из металлов и сплавов
Относится к измерительной технике, а именно к устройствам неразрушающего определения механических (в том числе технологических остаточных) напряжений в поверхностном слое изделий из металлов и сплавов с различными электромагнитными свойствами. В устройстве использовано явление скин-эффекта в проводнике, которое позволяет послойно исследовать проводящее изделие путем подачи в него электромагнитного поля различных частот и измерения характеристик сигнала-отклика изделия. Устройство содержит источник 1 переменного тока различных частот, датчик 2 с двумя парами электродов 3, 3 / и 4, 4/, измеритель 5 тока и синфазной с этим током составляющей выходного напряжения датчика, преобразователь 6 сигнала, вычислительное устройство 7. Датчик установлен на испытуемом изделии 8. Через подающие электроды 3, 3 / датчика 2 на поверхность изделия 8 подают переменный ток последовательности различных частот. С приемных электродов 4, 4/ датчика 2 снимается напряжение сигнала-отклика. В измерителе 5 производится выделение и измерение поданного в изделие тока и синфазной этому току составляющей напряжения сигнала-отклика. Аналоговые сигналы с выхода измерителя поступают в преобразователь 6, с выхода которого цифровые коды, соответствующие измеренным величинам тока и напряжения, поступают в вычислительное устройство 7, где производятся все необходимые расчеты.
Относится к измерительной технике, а именно к устройствам для неразрушающего определения механических (в том числе технологических остаточных) напряжений в поверхностном слое изделий из металлов и сплавов с различными электромагнитными свойствами.
Известно устройство, реализующее неразрушающий способ определения деформирующей способности технологических остаточных напряжений по патенту РФ №2113691, МПК G 01 B 7/06, приор. 27.05.93 г. Способ основан на явлении скин-эффекта в проводниках, использование которого позволяет послойно исследовать проводящее изделие путем подачи в него электромагнитного поля различных частот и измерения сигнала-отклика, параметры которого связаны с изменением напряженного состояния изделия. Диапазон используемых частот однозначно определяется требуемой глубиной исследования изделия. Устройство содержит источник измерительных сигналов, датчик с двумя электродами и нагрузочным и согласующим сопротивлениями, приемник измерительных сигналов и ПЭВМ. Источник измерительных сигналов вырабатывает последовательность входных напряжений с амплитудой G i и частотами fi(i=1,2...k). Электроды через нагрузочное и согласующее сопротивления обеспечивают подвод/отвод сигналов к/от испытуемой поверхности изделия. С выхода датчика снимаются падение напряжения Ui на исследуемом участке изделия и амплитуда входного напряжения G i на частотах fi. Измеряется амплитудо-фазо-частотная характеристика участка поверхности изделия, которая образуется совокупностью измерений: ослабления сигналов Ui/G i, разности фаз Фi между током и напряжением и частоты fi. Эти данные используются для расчета текущих значений величины деформирующей способности технологических остаточных напряжений.
Области контактов токовых электродов с поверхностью изделия являются областями с максимальными неоднородностями плотности тока в изделии. Поэтому измеряемые сигналы-отклики также весьма подвержены влиянию этой неоднородности, что понижает помехозащищенность устройства. Кроме того, глубина исследования материала на низких частотах тем больше, чем больше расстояние между токовыми электродами. Если нужно "заглянуть" в среду поглубже, то нужно увеличивать расстояние между электродами, но при этом детальность исследования (разрешение) теряется (детальность тем больше, чем меньше расстояние между измерительными электродами).
Налицо противоречие между требованиями обеспечения достаточной глубины и детальности исследования.
Ставится задача создать устройство, обеспечивающее большую стабильность измерений при сохранении глубины и детальности исследования на низких частотах.
Задача решается за счет того, что в устройстве, включающем источник измерительных сигналов, и последовательно соединенные с ним датчик с подводящим и отводящим электродами, приемник измерительных сигналов и вычислительное устройство, имеющаяся пара электродов использована как подающая (токовая) и дополнительно введена пара электродов, используемая в качестве приемной, а приемник измерительных сигналов является измерителем тока и синфазной этому току составляющей напряжения сигнала-отклика, снимаемого с поверхности исследуемого изделия приемной парой электродов. Источник измерительных сигналов последовательно соединен с подающей парой электродов и входом измерителя тока приемника измерительных сигналов, приемная пара электродов также подключена к входу приемника измерительных сигналов, выход которого через преобразователь сигналов подключен к входу вычислительного устройства.
Измерение силы поданного тока повышает стабильность измерений, т.к. внешнее воздействие не только задается (источником лона), но и измеряется непосредственно в изделии.
Взаимное расположение двух пар электродов на плоскости измерений характеризуется положением осей этих пар, т.е. прямых, соединяющих центры электродов внутри каждой пары, а также величинами разносов электродов в парах -расстояниями между центрами электродов.
Авторами установлено, что для дополнительного увеличения устойчивости измерений, связанной с влиянием расположения датчика на поверхности неоднородного по электрическим свойствам изделия, взаимное расположение подающей и приемной пар электродов должно удовлетворять следующему требованию: оси разноименных пар электродов должны пересекаться в середине их разносов (в частном случае совпадения осей должны совпадать и середины разносов). Разнос подающих электродов выбирается из соображения получения необходимой глубины проникновения поля (тока) в изделие, а разнос приемных электродов выбирается меньше разноса подающих электродов, что обеспечивает:
- измерение напряжения сигнала-отклика в менее градиентном поле электродов, подающих ток, что способствует увеличению помехозащищенности аппаратуры;
- увеличение разрешения при исследовании поверхности изделия.
На фиг.1 приведена блок-схема устройства
На фиг.2 изображено возможное взаимное расположение электродов датчика предлагаемого устройства на плоскости исследуемого изделия: а - ось подающих электродов; b - ось приемных электродов; О - точка пересечения осей - середина разносов.
На фиг.3 приведен пример работы устройства при определении остаточных напряжений в турбинной лопатке по этапам его осуществления.
Устройство содержит источник 1 переменного тока различных частот (от десятков герц до нескольких мегагерц), датчик 2 с двумя парами электродов 3, 3/ и 4, 4/, измеритель 5 тока и синфазной с этим током составляющей выходного напряжения датчика, преобразователь 6 сигнала, вычислительное устройство 7. Датчик установлен на испытуемом изделии 8.
Выход источника 1 переменного тока соединен со входом датчика 2, имеющего две пары электродов: 3, 3/ (подающая) служит для подачи тока в исследуемое изделие, 4, 4/ (приемная) - для снятия напряжения сигнала-отклика на участке между приемными электродами. Выход датчика 2 подключен к измерителю 5, выход которого соединен со входом преобразователя сигнала 6, с выхода которого цифровые коды измеренных тока и напряжения поступают на вход вычислительного устройства 7.
Для дополнительного увеличения устойчивости измерений разнос приемных электродов 4, 4/ выбирается меньше разноса подающих электродов 3, 3/, а оси а и b (фиг.2) разноименных пар электродов 3, 3/ и 4, 4 / должны пересекаться в середине их разносов. Если оси а и b совпадают, должны совпадать и середины разносов.
Через подающие электроды 3, 3/ датчика 2 на поверхность изделия 8 подают переменный ток последовательности различных частот fi. С приемных электродов 4, 4/ датчика 2 снимается напряжение сигнала-отклика. В измерителе 5 производится выделение и измерение поданного в изделие тока и синфазной этому току составляющей напряжения сигнала-отклика. Аналоговые сигналы с выхода измерителя поступают в преобразователь 6, с выхода которого цифровые коды, соответствующие измеренным величинам тока Ii и напряжения Ui, поступают в вычислительное устройство 7, где производятся все необходимые расчеты. Например, по измеренным значениям Ii и Ui и известному значению f i вычисляют распределение по глубине удельного сопротивления pi исследуемого изделия, снимают калибровочную зависимость между удельным сопротивлением и механическими напряжениями материала исследуемого изделия на глубинах, соответствующих заданным частотам, и на основании снятой зависимости
вычисленное распределение удельного сопротивления преобразуют в распределение механических напряжений по глубине исследуемого изделия.
Пример работы устройства при определении остаточных напряжений в турбинной лопатке по этапам его осуществления приведен на фиг.3. На кривых а) и б) приведены результаты измерения тока и напряжения в диапазоне рабочих частот; на кривой в) - вычисленное распределение удельного сопротивления по глубине лопатки; на кривой г) - кривая калибровочных коэффициентов; на кривой д) - вычисленная эпюра остаточных напряжений, полученная с помощью предлагаемого устройства. Все результаты получены за 10 минут. На этой же кривой нанесены результаты разрушающего контроля (
). Сравниваемые результаты хорошо коррелируют друг с другом.
На основании предложенных критериев разнос подающей (токовой) пары был выбран в два раза больше разноса приемной пары. При этом максимальная глубина исследования оказалась примерно равной разносу приемной пары, т.е. область исследования датчика стала близкой к изометричной, что улучшает представительность измерений на низких частотах.
Испытания макета предлагаемого устройства показали, что при 10-кратном повторении измерений параметров одного и того же изделия среднее квадратическое отклонение от среднего значения не превосходит 1% от измеряемой величины. Такая воспроизводимость результатов является свидетельством устойчивости измерительного процесса.
1. Устройство для неразрушающего определения механических напряжений в поверхностном слое изделий из металлов и сплавов, включающее источник измерительных сигналов различных частот и последовательно соединенные с ним датчик с парой электродов, приемник измерительных сигналов и вычислительное устройство, отличающееся тем, что оно содержит две пары электродов - подающую и приемную, а приемник измерительных сигналов является измерителем тока и синфазной этому току составляющей напряжения сигнала-отклика изделия, причем источник измерительных сигналов последовательно соединен с подающей парой электродов и входом измерителя тока приемника измерительных сигналов, приемная пара электродов также подключена к входу приемника измерительных сигналов, выход которого через преобразователь сигналов подключен к входу вычислительного устройства.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оси разноименных пар электродов пересекаются в середине их разносов и разнос электродов подающей пары больше разноса приемной пары.
