Терехин И.В.

Научно-образовательный материал:

Макетирование приборов неразрушающего контроля
Аннотация
Макетирование приборов неразрушающего контроля является приложением к курсу «Проектирование электромагнитных преобразователей» специальности «Приборы и методы контроля качества и диагностики».

Проектирование приборов рассматривается на примере приборов вихретокового контроля. Отличительной особенностью приборов неразрушающего контроля является взаимосвязь измерительного преобразователя и измерительной части прибора. Поэтому макетирование касается как эскизного проектирования вихретоковых преобразователей, так и макетирование измерительной части прибора.

Материал условно разделен на две части. В первой части приводятся примеры эскизного проектирования преобразователя для контроля удельной электрической проводимости при гармоническом и импульсном способах возбуждения преобразователей. Во второй рассматривается вопрос разработки макета измерительной части устройства на основе персонального компьютера, платы ЦАП / АЦП и программной среды LabView 2010.

Рис. 1 – годограф относительного вносимого напряжения

В приведенных примерах проектирования вихретокового преобразователя (ВТП) целью эскизного проектирования является расчет конструкции ВТП, определение выходных сигналов ВТП и определение блок-схемы устройства контроля удельной электрической проводимости образцов при двух способах возбуждения – гармоническом и импульсном. Объектом контроля являются прокат, листы из немагнитного металла. Толщина образцов изменяется в пределах 5 – 30 мм, ширина – 30 – 2000 мм, длина – 100 – 20000 мм. Диапазон изменения удельной электрической проводимости: 10 – 36 МСм/м. Погрешность измерения 5% при условии, что зазор до образцов составляет не более 0,3 мм.

При гармоническом возбуждении выбор условий контроля осуществляется на основании стандартного нормированного годографа относительного вносимого напряжения (рис.1) и зависимостей амплитуды и фазы относительного вносимого напряжения от влияющих параметров контроля. В рассматриваемой задаче информативным параметром является обобщенный параметр контроля β, зависящий от относительной электрической проводимости σ, мешающим фактором является изменение зазора, вызванное в том числе шероховатостью и кривизной поверхности образцов. Измерять значение обобщенного параметра β с отстройкой от зазора выгодно фазовым способом. Оптимальные условия для фазового разделения β и h наблюдаются при β = 2 – 4 и относительном зазоре h_* = 0,5 – 1. Выбор радиуса катушки возбуждения делают исходя из требуемой локальности контроля, а частоту возбуждения рассчитаем, используя требуемую глубину проникновения, радиус катушки возбуждения и значение обобщенного параметра. На основании полученных данных проводится конструктивный расчет ВТП, цель которого – определить размеры окна под намотку, обмоточный провод и число витков. Определение выходного сигнала проводится для фактически полученных размеров ВТП и его обмоточных данных. Результатом расчет является выходная характеристика датчика – зависимость фазы вносимого напряжения от удельной электрической проводимости. Зависимость получена с помощью компьютерного моделирования, погрешность измерения составила 2,5%. На основании расчета и выбранного способа отстройки формулируются требования к блокам аппаратуры контроля: коэффициенты усиления, величины напряжений и т.д.

Рис. 2 – зависимость относительного векторного потенциала от относительного времени

При импульсном возбуждении выбор условий контроля проводят с использованием временной диаграммы относительного векторного потенциала (рис. 2). Суть выбора условий контроля сводится к выбору такого момента (или диапазона) времени для измерений, чтобы толщина образца не влияла на величину вносимого векторного потенциала (потока измерительной катушки).

Из рис. 2 следует, что при толщине образца равной радиусу диаметру возбуждения измерения становятся инвариантными к толщине образцов. Поэтому выгодно взять катушку диаметром 5 мм. Отстройка от зазора сводится к нормировке фактически измеренного потока измерительной катушки по величине потока измерительной катушки в начальный момент времени, т.е. непосредственно после подачи импульса тока возбуждения. Данный способ отстройки существенно проще, чем при гармоническом возбуждении. Алгоритм конструктивного расчета и определения выходного сигнала тот же, что и при гармоническом возбуждении.

В разделе, посвященном макетированию приборов рассматриваются вопросы передачи и преобразования сигнала ВТП в измерительной части прибора, передача данных между АЦП и персональным компьютером в макете прибора. Приведен пример реализации простейшего макета прибора, реализующего прием и индикацию сигналов ВТП в виде осциллограмм, вектора на комплексной плоскости и индикаторов. На рис. 3 показан интерфейс программы.

Рис. 3 – внешний вид рабочего окна макета прибора

В целом макет прибора состоит из ВТП, усилителя и генератора. Небольшие доработки программы позволяют реализовать любой тип отстройки от мешающего фактора, смоделировать узлы будущего прибора с учетом их шумов, погрешностей и оценить таким образом точность разрабатываемого средства НК.