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

Устройство относится к средствам неразрушающего контроля, основанным на вихретоковом методе, и предназначено для дефектоскопии металлоизделий в машиностроении, авиастроении, в железнодорожном транспорте для обнаружения и измерения поверхностных и подповерхностных трещин в деталях различных материалов. Сущность изобретения: введены формирователь вспомогательной частоты, управляемый полосовой фильтр, дополнительный канал измерения амплитуды сигнала вспомогательной частоты, состоящий из последовательно включенных амплитудного детектора и аналого-цифрового преобразователя сигнала амплитуды, дополнительный канал измерения фазы сигнала вспомогательной частоты, состоящий из последовательно включенных фазового детектора и аналого-цифрового преобразователя сигнала фазы. Предлагаемое изобретение позволяет исключить влияние электромагнитных свойств материала контролируемого изделия на показания устройства, производить измерение величины дефекта непосредственно в метрических единицах, контролировать любые немагнитные и ферромагнитные материалы, повысить чувствительность устройства, улучшить достоверность контроля, исключив ложные срабатывания.

Настоящее 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 токопроводящих материалов.

Известно устройство вихретоковое устройство для обнаружения поверхностных и подповерхностных трещин в деталях из токопроводящих материалов (RU 63068, кл. G01N 27/00, 10.05.07, бюл. 15), содержащее фазовращатель, последовательно соединенные преобразователь и автоматический регулятор уровня, генератор, первый выход которого соединен с входом фазовращателя, а второй выход - с входом преобразователя, последовательно соединенные фазовый детектор, второй вход которого соединен с выходом автоматического регулятора уровня, низкочастотный фильтр, управляемый усилитель и аналого-цифровой преобразователь, а также блок индикации и блок управления, первый выход которого соединен с первым входом фазовращателя, а второй выход - со вторым входом управляемого усилителя, а также блок фазового сдвига, первый вход которого соединен с третьим выходом блока управления, второй вход - с входом фазовращателя, а выход соединен с первым входом фазового детектора, блок памяти, блок связи с компьютером, многофункциональный дисплей и микропроцессор, вход которого соединен с аналого-цифровым преобразователем, первый и второй выходы соединены с блоком управления и блоком индикации соответственно, а с блоком памяти и блоком связи с компьютером микропроцессор связан двунаправленно.

Недостатками описанного устройства являются низкая точность и достоверность измерений, обусловленные получением информации о дефекте на основании только фазы сигнала, без анализа его амплитуды. Также к недостаткам устройства ограниченный набор контролируемых материалов и отсутствие возможности изменения частоты возбуждения преобразователя.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому по совокупности признаков и принятым за прототип является вихретоковое устройство для обнаружения поверхностных и подповерхностных трещин в деталях из токопроводящих материалов (а.с. RU 2312333, кл. G01N 27/90, 10.12.07, бюл.34), содержащее генератор напряжения переменной частоты, последовательно соединенные измерительный вихретоковый преобразователь и масштабный усилитель, а также последовательно соединенные фазовый детектор, управляемый усилитель, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) сигнала фазы, микропроцессор и фазовращатель, выход которого подключен к второму входу фазового детектора, формирователь сигнала возбуждения, формирователь опорного сигнала, блок автоматической регулировки усиления, а также дополнительный канал измерения амплитуды сигнала, состоящий из последовательно соединенных амплитудного детектора и АЦП сигнала амплитуды. Первые входы формирователей связаны с выходом генератора, выход формирователя сигнала возбуждения подключен к входу измерительного ВТП, а выход формирователя опорного сигнала подключен ко второму входу фазовращателя. Второй, третий и четвертый выходы микропроцессора соединены со вторыми входами соответственно управляемого усилителя, формирователя сигнала возбуждения и формирователя опорного сигнала. Вход амплитудного детектора дополнительного канала измерения амплитуды сигнала связан с выходом масштабного усилителя, а выход АЦП амплитуды подключен к второму входу микропроцессора.

Недостатками данного устройства являются влияние электромагнитных свойств контролируемого материала на точность измерений, что делает невозможным оценивать глубину дефекта в метрических единицах. Также к недостаткам устройства следует отнести ложные срабатывания устройства на структурных неоднородностях и магнитных пятнах, не являющихся дефектами.

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 формирователь сигнала возбуждения, измерительный вихретоковый преобразователь, масштабирующий усилитель, автоматический регулятор уровня, фазовый детектор, управляемый усилитель, аналого-цифровой преобразователь сигнала фазы и микропроцессор, а также канал измерения амплитуды сигнала, состоящий из последовательно соединенных амплитудного детектора и аналого-цифрового преобразователя сигнала амплитуды, а также канал опорного сигнала, состоящий из последовательно соединенных формирователя опорного сигнала и фазовращателя, причем выход генератора напряжения соединен с первыми входами формирователя сигнала возбуждения и формирователя опорного сигнала, выход фазовращателя соединен со вторым входом фазового детектора, вход амплитудного детектора соединен с выходом масштабирующего усилителя, а выход аналого-цифрового преобразователя сигнала амплитуды подсоединен ко второму входу микропроцессора, четыре выхода микропроцессора соединены со входами формирователя сигнала возбуждения, формирователя опорного сигнала, фазовращателя и управляемого усилителя соответственно, введены формирователь вспомогательной частоты, управляемый полосовой фильтр, дополнительный каналы измерения амплитуды сигнала вспомогательной частоты, состоящий из последовательно соединенных амплитудного детектора сигнала вспомогательной частоты и аналого-цифрового преобразователя сигнала амплитуды, а также канал измерения фазы сигнала вспомогательной частоты, состоящий из последовательно соединенных фазового детектора сигнала вспомогательной частоты и аналого-цифрового преобразователя сигнала фазы, причем первый вход формирователя вспомогательной частоты соединен с выходом генератора напряжения, а второй вход с пятым выходом микропроцессора, выход формирователя вспомогательной частоты соединен со вторым входом измерительного вихретокового преобразователя и первым входом фазового детектора сигнала вспомогательной частоты, первый вход управляемого полосового фильтра соединен с выходом масштабирующего усилителя, а второй с шестым выходом микропроцессора, выход управляемого полосового фильтра соединен со вторым входом фазового детектора сигнала вспомогательной частоты и входом амплитудного детектора сигнала вспомогательной частоты, выходы аналого-цифровых преобразователей амплитуды и фазы соединены с третьим и четвертым входами микропроцессора соответственно.

Техническим преимуществом изобретения является то, что совокупность заявленных признаков позволяет расширить функциональные возможности, т.е. позволяет исключить влияние материала контролируемого изделия на показания устройства, производить измерение величины дефекта непосредственно в метрических единицах, контролировать любые немагнитные и ферромагнитные материалы, повысить чувствительность устройства, улучшить достоверность контроля, исключив ложные срабатывания.

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

Оно включает генератор напряжения 1, последовательно соединенные формирователь сигнала возбуждения 2, измерительный вихретоковый преобразователь (ВТП) 3, масштабирующий усилитель 4, автоматический регулятор уровня 5, фазовый детектор 6, управляемый усилитель 7, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) сигнала фазы 8 и микропроцессор 9, а также канал опорного сигнала, состоящий из последовательно соединенных формирователя опорного сигнала 10 и фазовращателя 11, а также канал измерения амплитуды сигнала, состоящий из последовательно соединенных амплитудного детектора 12 и АЦП сигнала амплитуды 13, причем выход генератора напряжения 1 соединен с первыми входами формирователя сигнала возбуждения 2 и формирователя опорного сигнала 10, выход фазовращателя 11 соединен со вторым входом фазового детектора 6, вход амплитудного детектора 12 соединен с выходом масштабирующего усилителя 4, а выход АЦП сигнала амплитуды 13 ко второму входу микропроцессора 9, четыре выхода микропроцессора 9 соединены со входами формирователя сигнала возбуждения 2, формирователя опорного сигнала 10, фазовращателя 11 и управляемого усилителя 7 соответственно. Также в устройство входят формирователь вспомогательной частоты 14, управляемый полосовой фильтр 15, дополнительные каналы измерения амплитуды сигнала вспомогательной частоты, состоящий из последовательно соединенных амплитудного детектора сигнала вспомогательной частоты 16 и АЦП сигнала амплитуды 17, а также канал измерения фазы сигнала вспомогательной частоты, состоящий из последовательно соединенных фазового детектора сигнала вспомогательной частоты 18 и АЦП сигнала фазы 19, причем первый вход формирователя вспомогательной частоты 14 соединен с выходом генератора напряжения 1, а второй вход с пятым выходом микропроцессора 9, выход формирователя вспомогательной частоты 14 соединен со вторым входом измерительного ВТП 3 и первым входом фазового детектора сигнала вспомогательной частоты 18, первый вход управляемого полосового фильтра 15 соединен с выходом масштабирующего усилителя 4, а второй с шестым выходом микропроцессора 9, выход управляемого полосового фильтра 15 соединен со вторым входом фазового детектора сигнала вспомогательной частоты 18 и входом амплитудного детектора сигнала вспомогательной частоты 16, выходы АЦП сигнала амплитуды 17 и АЦП сигнала фазы 18 соединены с третьим и четвертым входами микропроцессора 9 соответственно.

Измерительный ВТП 3 представляет собой дифференциальный преобразователь, состоящий из возбуждающей и одной или нескольких измерительных катушек индуктивности и предназначенный для обнаружения дефектов на контролируемой поверхности.

Формирователи 2, 10 и 14 предназначены для изменения в широких пределах возбуждающего синусоидального сигнала генератора напряжения 1, при этом сигналы формирователей 2 и 10 одинаковые по частоте и амплитуде. Кроме этого формирователь опорного сигнала 10 совместно с фазовращателем 11 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.

Полученный от формирователей 2 и 14 комбинированный сигнал подается на возбуждающую обмотку ВТП 3.

Блок 5 АРУ предназначен для поддержания выходного сигнала постоянной величины независимо от изменения рабочего зазора между ВТП 3 и поверхностью контролируемой деталью.

Фазовый детектор 6 предназначен для выделения фазы сигнала основной частоты ВТП 6, величина которой зависит от структуры материала в зоне контроля детали.

Управляемый усилитель 7 выполняет функцию усиления сигнала фазового детектора 6. Сигналы с фазового детектора 6 и амплитудного детекторов 2 оцифровываются в АЦП сигнала фазы 8 и АЦП сигнала амплитуды 13 соответственно и передаются на первый и второй входы микропроцессора 9. Управляемый полосовой фильтр 15 предназначен для выделения сигнала вспомогательной частоты. Полученный сигнал поступает на канал измерения амплитуды вспомогательного сигнала, состоящий из амплитудного детектора сигнала вспомогательной частоты 16 АЦП сигнала амплитуды 17 и канала измерения фазы сигнала вспомогательной частоты состоящий из фазового детектора сигнала вспомогательной частоты 18 и АЦП сигнала фазы 19. На фазовый детектор сигнала вспомогательной частоты также подается сигнал с формирователя вспомогательного сигнала 14. Сигналы с АЦП 17 и АЦП 19 поступают на микропроцессор 9.

Микропроцессор 9 содержит в себе программу для автоматического управления усилителем 7, фазовращателем 11, формирователями 2, 10 и 14, управляемым полосовым фильтром 15. Микропроцессор 9 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 3.

Устройство работает следующим образом.

ВТП 3 устанавливают над контролируемой деталью и на возбуждающую его катушку подают комбинированный сигнал, сформированный формирователем сигнала 2 и формирователем вспомогательного сигнала 14, в соответствии с командами микропроцессора 9 и входным сигналом генератора напряжения 1. Сигнал с измерительной катушки ВТП 3 усиливается в масштабирующем усилителе 4 и поступает на вход АРУ 5. Амплитуда сигнала на выходе АРУ 5 остается неизменной в независимости от изменения рабочего зазора между ВТП 3 и контролируемой деталью.

Синусоидальный сигнал с генератора напряжения 1 параллельно подается на вход формирователя опорного сигнала 10, на выходе которого, в соответствии с командами, заданными программой микропроцессора 9, формируется синусоидальный сигнал той же частоты и амплитуды, что и на выходе формирователя сигнала возбуждения 2.

По команде микропроцессора 9 формирователь опорного сигнала 10 и фазовращатель 8 формируют необходимую фазу опорного сигнала в пределах от 0 до 360° для компенсации выходного сигнала ВТП 3. Т.е., после установки ВТП 3 на контролируемую деталь, производят компенсацию устройства - формируют фазу опорного сигнала, соответствующую нулевому уровню сигнала на выходе фазового детектора 6. Широкий диапазон и высокая точность установки фазы дают возможность произвести компенсацию для любых токопроводящих материалов.

На первый и второй входы фазового детектора 6 поступают сигнал с масштабирующего усилителя 4 через блок АРУ 5 и опорный сигнал с фазовращателя 11. Амплитудный детектор 12 выделяет амплитуду выходного сигнала ВТП 3, величина которой соответствует величине зазора между ВТП 3 и контролируемой деталью.

По разнице фаз между опорным сигналом на выходе цепи, состоящей из формирователя опорного сигнала 10 и фазовращателя 11, и выходного сигнала ВТП 3, усиленного масштабирующим усилителем 4 судят о глубине исследуемого дефекта. При этом изменение структуры материала детали в зоне контроля и изменение рабочего зазора ВТП 3 вызывают одинаковый отклик на выходе фазового детектора 6, а отклик на выходе амплитудного детектора 12 на изменение структуры материала и изменение рабочего зазора ВТП 3 будет различным, что позволяет исключить ложные срабатывания устройства, связанные с изменением зазора между преобразователем и контролируемой поверхностью.

Сигнал с масштабирующего усилителя 4 также поступает на управляемый полосовой фильтр 15, на котором выделяется сигнал вторичной частоты с внесенным откликом на ВТП 3. Канал амплитудного детектирования и канал фазового детектирования сигнала вспомогательной частоты служат для выделения, оцифровки и передачи в микропроцессор 9 амплитуды и фазы сигнала вспомогательной частоты. Микропроцессор 9, управляя формирователем сигнала вспомогательной частоты 14, выставляет различные значения вспомогательной частоты, что позволяет на основании полученных данных о фазе и амплитуде сигнала для различных частот определить зазор между ВТП 3 и контролируемой деталью, а также электромагнитные характеристики контролируемого материала.

Таким образом, микропроцессор 9 имея данные о текущем зазоре и материале контролируемой детали по заложенной в нем программе на основании данных о фазе и амплитуде сигнала от дефекта основной частоты, производит расчет истинной величины дефекта, отображая результат в метрических единицах.

Адаптивное вихретоковое устройство для обнаружения и измерения поверхностных и подповерхностных трещин в деталях из токопроводящих материалов, содержащее генератор напряжения, последовательно соединенные формирователь сигнала возбуждения, измерительный вихретоковый преобразователь, масштабирующий усилитель, автоматический регулятор уровня, фазовый детектор, управляемый усилитель, аналого-цифровой преобразователь сигнала фазы и микропроцессор, а также канал измерения амплитуды сигнала, состоящий из последовательно соединенных амплитудного детектора и аналого-цифрового преобразователя сигнала амплитуды, а также канал опорного сигнала, состоящий из последовательно соединенных формирователя опорного сигнала и фазовращателя, причем выход генератора напряжения соединен с первыми входами формирователя сигнала возбуждения и формирователя опорного сигнала, выход фазовращателя соединен со вторым входом фазового детектора, вход амплитудного детектора соединен с выходом масштабирующего усилителя, а выход аналого-цифрового преобразователя сигнала амплитуды ко второму входу микропроцессора, четыре выхода микропроцессора соединены со входами формирователя сигнала возбуждения, формирователя опорного сигнала, фазовращателя и управляемого усилителя соответственно, отличающееся тем, что в него введены формирователь вспомогательной частоты, управляемый полосовой фильтр, дополнительный канал измерения амплитуды сигнала вспомогательной частоты, состоящий из последовательно соединенных амплитудного детектора сигнала вспомогательной частоты и аналого-цифрового преобразователя сигнала амплитуды, а также канал измерения фазы сигнала вспомогательной частоты, состоящий из последовательно соединенных фазового детектора сигнала вспомогательной частоты и аналого-цифрового преобразователя сигнала фазы, причем первый вход формирователя вспомогательной частоты соединен с выходом генератора напряжения, а второй вход с пятым выходом микропроцессора, выход формирователя вспомогательной частоты соединен со вторым входом измерительного вихретокового преобразователя и первым входом фазового детектора сигнала вспомогательной частоты, первый вход управляемого полосового фильтра соединен с выходом масштабирующего усилителя, а второй с шестым выходом микропроцессора, выход управляемого полосового фильтра соединен со вторым входом фазового детектора сигнала вспомогательной частоты и входом амплитудного детектора сигнала вспомогательной частоты, выходы аналого-цифровых преобразователей сигнала амплитуды и сигнала фазы соединены с третьим и четвертым входами микропроцессора соответственно.