Метод и средства контроля толщины покрытий с резонансным вихретоковым преобразованием тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.13, кандидат технических наук Приходько, Василий Алексеевич

• Приходько, Василий Алексеевич
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Приходько, Василий Алексеевич

Введение

Глава 1. Аналитический обзор методов неразрушающего контроля

1.1 .Особенности контроля параметров методами вихревых токов

1.2. Специфика объекта контроля

1.3. Сравнительный анализ частотных способов отстройки от влияния мешающих факторов

1.4. Особенности применения аддитивной коррекции погрешностей в приборах вихретокового контроля

Выводы

Глава 2. Разработка математической модели процесса контроля толщины покрытия

2.1. Математическая модель процесса измерения толщины покрытия

2.2. Математическая модель контроля фазовых характеристик

Разработка нелинейных алгоритмов оценки фазовых параметров преобразователя

2.4. Оценка возможности применения двухчастотного способа контроля в резонансном режиме

Выводы

Глава 3 Разработка метода резонансного контроля и структурных схем приборов с резонансным двухчастотным * преобразованием

3.1. Анализ характеристик вихретоковых преобразователей в резонансном режиме работы

3.2. Способы и структуры построения приборов контроля с резонансным преобразованием.

3.3. Технологические рекомендации по повышению чувствительности накладных вихретоковых преобразователей

3.4 Технологические рекомендации по расчету параметров вихретокового преобразователя.

Выводы

Глава 4. Экспериментальные исследования и оценка точности приборов контроля толщины покрытия.

4.1. Разработка экспериментальной установки для допускового контроля толщины покрытий

4.2. Особенности построения двухчастотного устройства контроля толщины покрытия оцинкованного провода

4.3. Оценка влияния авторегулирования амплитуды возбуждающего сигнала

Выводы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Метод и средства контроля толщины покрытий с резонансным вихретоковым преобразованием»

Для неразрушающего контроля толщины покрытий в настоящее время применяют вихретоковые методы, реализуемые с помощью накладных и проходных электромагнитных преобразователей неэлектрических величин в электрические. Принцип действия вихретоковых приборов контроля основан на измерении амплитудно-фазовых характеристик высокочастотного сигнала, значения которых изменяются в зависимости от электропроводности, магнитной проницаемости, геометрических размеров и формы изделий, а также от зазора между преобразователем и контролируемой поверхностью. В процессе вихрето-кового контроля результат преобразования определяется совокупным влиянием перечисленных факторов, поэтому для повышения точности косвенных измерений отдельных параметров необходимы дополнительные меры по нейтрализации или компенсации мешающих факторов.

В связи с этим контроль толщины немагнитных покрытий на ферромагнитной основе целесообразно выполнять дифференциальным методом, реализуемым несколькими способами, отличающимися друг от друга разными видами модуляции параметров и операциями обработки измеряемых величин. Наиболее перспективным является способ двухчастотного контроля, согласно которому сначала формируют высокочастотный сигнал, возбуждающий вихретоковый преобразователь, и определяют электрическую проводимость верхнего слоя покрытия, а затем с помощью низкочастотного сигнала выполняют измерение общей электропроводности покрытия и судят о контролируемой толщине по результатам обработки амплитудно-фазовых характеристик сигналов на разных частотах. В зависимости от диапазона контроля толщины покрытия двухчастотные толщиномеры характеризуются погрешностью порядка ± (1-10) %, причем для расширения функциональных возможностей такие приборы снабжают рядом различных вихретоко-вых преобразователей накладного и проходного типа.

Повышение достоверности и расширение диапазона измерений двухчастотных приборов практически ограничивается как методическими, так и инструментальными погрешностями. Данное положение обусловлено тем, что возбуждение вихрето-ковых преобразователей сигналами различной частоты приводит к резкому изменению амплитуды выходных колебаний из-за влияния эквивалентной индуктивности обмоток преобразователей и вихретоковых потерь в контролируемом изделии. При этом нестабильностью электропроводности покрытия или основы, обусловленной технологическим разбросом их физико-механических параметров, определяется нижняя граница погрешности измерения толщины вихретоковыми методами. Однако наибольший вклад в ограничение достоверности вносит инструментальная составляющая погрешности, связанная с практическими трудностями измерения амплитуды и фазы высокочастотных сигналов малого уровня при наличии промышленных помех.

Учитывая, что повышение качества выпускаемой продукции практически невозможно без совершенствования параметров аппаратуры контроля, улучшение характеристик вихретоковых толщиномеров особенно необходимо для целого ряда предприятий, производящих изделия с защитными покрытиями. Это характеризует актуальность темы исследований.

Целью диссертационной работы является разработка метода резонансного вихретокового преобразования, обеспечивающего повышение достоверности и расширение диапазона измерения приборов контроля толщины покрытия за счет автоматической отстройки от влияния удельной электропроводности покрытия и нестабильности параметров датчика.

К основным задачам исследований относятся:

- разработка и исследование новых способов построения резонансных приборов контроля со стабилизацией амплитуды выходного сигнала вихретокового преобразователя и компенсацией мешающих факторов;

- теоретическое исследование резонансного двухчастот-ного метода контроля с учетом шумовых параметров сигнала;

- оценка возможности применения аддитивной коррекции погрешности для повышения качества приборов контроля толщины покрытия;

- разработка структурных схем и анализ характеристик приборов с резонансным преобразованием.

Методы и средства исследований. При решении диссертационных задач использовались методы общей теории систем, теория вероятностей, теория автоматического управления, методы математического и схемотехнического моделирования на ПЭВМ, теория измерений, теория электромагнитного поля, теория погрешности, теория функций комплексного переменного, методы аппроксимации характеристик и спектрального анализа сигналов.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- предложен усовершенствованный вихретоковый метод, обеспечивающий повышение чувствительности и достоверности контроля толщины покрытий за счет применения резонансного режима работы первичных преобразователей;

- предложены способы измерения толщины покрытий, обеспечивающие повышение точности измерения дифференциальных фазовых параметров основанные на стабилизации амплитуды выходного сигнала вихретокового преобразователя;

- разработана математическая модель процесса измерения дифференциальных параметров сигнала двухчастотным методом при наличии шумовых составляющих исследуемого сигнала;

- предложены и исследованы структуры построения и алгоритмы работы резонансных приборов контроля с автоматической коррекцией погрешностей преобразования.

Практическая ценность работы заключается в том, что на основе проведенных исследований разработаны и внедрены цифровой прибор и установка контроля толщины покрытия в технологическом цикле производства продукции. Разработаны и экспериментально исследованы принципиальные схемы высокостабильных и универсальных резонансных вихретоковых преобразователей, реализованные на микромощных операционных усилителях и КМОП логических элементах, характеризующиеся минимальным энергопотреблением и обладающие высокой достоверностью результатов контроля.

Реализация и внедрение результатов исследований проведены на предприятиях АО "Протон", предприятии "Сталь-канат" ОСПАЗ и использованы в учебном процессе ВИПС.

Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований обсуждены и опубликованы в материалах Всероссийской научной конференции "Проблемы создания и развития ИТКС специального назначения" (11-13.02.97, г.Орел), на Всероссийской научно-технической конференции

Диагностика веществ, изделий и устройств" (24.11. -26.1 1.99, г. Орел), на межведомственной конференции "Проблемы научно-технического и информационного обеспечения" (1.02. - 4.02. 2000, г. Москва), на Второй международной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов стран СНГ "Техника и технология связи" (1.02 - 3.02.2000, г. Санкт-Петербург).

По материалам диссертационной работы опубликовано 7 тезисов докладов, статья в журнале "Приборы и техника эксперимента" (Москва, академия наук Российской федерации), получены решения о выдаче двух патентов на изобретения.

Основные положения, выносимые на защиту:

- метод резонансного вихретокового преобразования, обеспечивающий повышение чувствительности и достоверности контроля толщины покрытия за счет измерения дифференциальных амплитудно-фазовых параметров сигналов с автокомпенсацией погрешностей;

- математическая модель процесса контроля толщины покрытия при малых изменениях фазы сигнала с учетом шумовых составляющих;

- структурные схемы и алгоритмы преобразования сигналов приборов двухпараметрового контроля толщины покрытия.

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий», Приходько, Василий Алексеевич

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Научная новизна диссертационного исследования заключается в том, что впервые сформулированы и содержательно обоснованы следующие положения.

1. Математическая модель процесса измерения толщины покрытия, математическая модель прибора контроля позволяющие определять в процессе производства оцинкованного провода толщину покрытия отличающиеся от известных высокой информативностью и достоверностью результатов.

2. Метод резонансного контроля толщины покрытия позволяющий минимизировать инструментальную погрешность за счет постоянной коррекции частоты возбуждающего сигнала в зависимости от свойств объекта контроля. При этом амплитуда возбуждающего сигнала поддерживается на постоянном уровне, соответствующем резонансному значению. Разностное значение амплитуды используется как дополнительный информативный параметр для корректировки возбуждающего сигнала и отстройки от мешающих воздействий. Применение двухчастотно-го способа позволяет измерять толщину покрытия с высокой степенью достоверностью и отстройкой от мешающих факторов.

3. Разработанная установка и устройство контроля толщины покрытия применяются в технологических картах лаборатории качества ОСПАЗ "Сталь-канат" и позволяют экономить до 10% цинка за сутки.

Кроме того в результате диссертационных исследований решены следующие задачи.

1. Анализ вихретоковых способов контроля с целью уточнения требований к приборам и ограничений по чувствительности резонансного двухчастотного метода.

2. Выявлены взаимосвязи измеряемых параметров с контролируемыми характеристиками изделий и способы отстройки от мешающих факторов.

3. Выявлена возможность применения способов аддитивной коррекции погрешностей для повышения качества приборов контроля толщины покрытия.

4. Предложены и исследованы новые способы обработки фазовых параметров приборов резонансного двухчастотного контроля с автоматической стабилизацией амплитуды выходного сигнала вихретокового преобразователя.

5. Разработаны алгоритмы измерения малых изменений фазы сигнала зависящие от информативных параметров объекта контроля с учетом мешающих факторов.

6. На основе предложенных алгоритмов разработаны структурные схемы приборов контроля толщины покрытия. Новизна предложенных технических решений зафиксирована в заявках на изобретения, относящихся к способу контроля и устройству контроля толщины покрытия.

7. Предложен способ изготовления вихретоковых датчиков позволяющий производить измерения в независимости от геометрических размеров объекта контроля и его перемещений, обладающий высокой технологичностью и позволяющий проводить измерения в резонансной зоне электромагнитного поля.

8. Проведена экспериментальная проверка характеристик разработанного прибора двухчастотного контроля толщины немагнитного покрытия.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Приходько, Василий Алексеевич, 2000 год

1. Левшина B.C., Новицкий П.В. Электрические измерения физических величин:. Учеб. пособие для вузов.- Л.: Энер-гоатомиздат, 1983.- 320 с.

2. Неразрушающий контроль и диагностика / Под ред. Клюева В. В. -М.: Машиностроение, 1995. 438с.

3. Новицкий П. В., Кнорринг В. Г., Гутников В. С. Цифровые приборы с частотными датчиками.- Л.: Энергия, 1970. 424 с.

4. Приборы и системы для измерения вибрации, шума и удара: Справочник. Кн.1./ Под ред. Клюева В. В.- М.: Машиностроение, 1978,- 448 с.

5. Справочник по средствам автоматики./ Под ред. Низэ В. Э.и Антика И. В.,- М.: Энергоатомиздат, 1983.- 504 с.

6. Браславский Д. А., Петров В. В. Точность измерительных устройств.- М.: Машиностроение, 1986.- 312 с.

7. Волчок Л. Я. Методы измерения в двигателях внутреннего сгорания,- Л.: Машгиз, 1955.- 272 с.

8. Хайрулин И. X., Исмагилов Ф.Р. Исследование вихре-токового датчика для поверхностей сложной геометрии./ Приборы и системы управления, 1999, № 2, С 26-28.

9. Адаптивные телеизмерительные системы./ Под ред. А. В. Фремке.- Л.: Энергоиздат, 1991.- 248 с.

10. Загорский Я. Т., Иванов Б. Р. Микромощные электронные измерительные устройства.-М.: Энергоатомиздат, 1993,- 320 с.

11. Орнатский П. П. Теоретические основы информационной измерОительной техники,- Киев.: Вища школа, 1986.- 432 с.

12. Смолов В. Б. Функциональные преобразователи информации.- Л.: Энергоиздат, 1981.- 248 с.

13. Викторов В. А., Лункин Б. В., Совлуков А. С. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин.-М.: Наука, 1978. 321с.

14. Коноваленко В. В. Двухчастотный толщиномер. А. с. №1078239, МПК 001 В 7/06. Опубл. в БИ, 1984, №9.

15. Зацепин Н. Н., Жигалов В. А. Электромагнитный способ измерения диаметра ферромагнитных изделий. А. с. №1043481, МПК 001 В 7/06. Опубл. в БИ, 1983, №35.

16. Новиков Л. Я., Бобров В. Ф. Способ вихретокового контроля расстояния до электропроводящего изделия и устройство его осуществления. А. с. №1627822, МПК в01 В 7/06. Опубл. в БИ, 1991, №6.

17. Беликов В. Г. , Тимаков В. Г. Вихретоковый способ двухпараметрового контроля изделий. А. с. №1608422, МПК С01 В 7/06. Опубл. БИ, 1990, №43.

18. Беликов В. Г. , Тимаков В. Г. Устройство для двухпараметрового неразрушающего контроля. А. с. №1619007, МПК 001 В 7/06. Опубл. в БИ, 1991, №1.

19. Булгаков В. Ф., Толмачев И. И. Вихретоковое устройство для неразрушающего контроля электропроводных изделий. А. с. №1569527, МПК в01 В 7/06. Опубл. в БИ, 1990, №21.

20. Баньков В. И. Индуктивный датчик электромагнитного поля. А. с. №2095758, МПК в01 Б 5/20. Опубл. в БИ, 1997, №31.

21. Шубаев С. Н., Арбузов В. О., Щетинин М. И., Электромагнитный толщиномер. А. с. №1226023, МПК в01 В 7/06. Опубл. в БИ, 1986, №15.

22. Электрические измерения: Средства и методы измерений./ Под ред. Шрамкова Е. Г.-М.: Высш. школа, 1972.- 520 с.

23. Орнатсикий П. П. Автоматические измерения и приборы. Киев: Высшая школа, 1979, -440 с.

24. Сосулин Ю. Г., Теория обнаружения и оценивания стахостических сигналов. М:. Советское радио 1978. -189 с.

25. Фомин А. Ф., Новоселов О. Н., Победоносцев К. А., Чернышев Ю. Н. Цифровые информационно измерительные системы теория и практика. М.: Энергоиздат 1996. - 445 с.

26. Розанов Ю. А. Случайные процессы. М.: Наука, 1979. -183 с.

27. Новоселов О. Н., Фомин А. Ф. Помехоустойчивость передачи сигналов при разностных и дельта-дискретных представлениях. /Радиотехника, 1987, № 7. С. 56-60.

28. Новоселов О. Н., Фомин А. Ф. Нелинейные методы оценивания, фильтрации и демодуляции при негауссовских распределениях сигналов и помех в измерительных системах / Измерительная техника, 1991,№ 12. С. 4-11.

29. Баскаков С. И. Радиотехнические цепи и сигналы.- М.: Высш. шк., 1983. -536 с.

30. Викторов В. А, Лункин Б. В, Совлуков А. С. Высокочастотный метод. М. Наука, 1979. -316 с.

31. Агейкин Д. И., Костина Е. Н., Кузнецова Н. Н. Датчики контроля и регулирования. М.: Машиностроение, 1975. -278 с.

32. Чернышов Ю. Н., Тафинцев Ю. В., Чернышов А. В. Измерительные информационные системы с сетевой архитектурой / Автоматизация и компьютеризация информационной техники и технологии: Сб. трудов МГУ, 1994, Вып.269.С.20-25.

33. Справочник по теоретическим основам радиоэлектроники / Под ред. канд.техн. наук Б. X. Кривитского. М.: Энергия, 1977. - 416 с.

34. Баскаков С. И. Радиотехнические цепи и сигналы. М.: Высш. шк., 1983,- 536 с.

35. Шалыгин А. С., Палагин Ю. А. Прикладные методы статистического моделирования.- JL: Машиностроение, 1986. -216 с.

36. Функциональные устройства обработки сигналов / Под ред. профессора Ю. В. Егорова М.: Радио и связь, 1997. -308 с.

37. Фрадин А. 3. Антенно-фидерные устройства. -М.: Связь, 1977.-243 с.

38. Якименко В. И., Фомин А. Ф. Прием двоичных сигналов при негауссовских помехах и флуктуации сопутствующего параметра. / Радиотехника, 1988, №5. С. 65-68.

39. Лосев А. К. Теория линейных электрических цепей: Учеб.для вузов, / -М.: Высшая Школа, 1987. 421 с.

40. Гибсон Дж.Д Адаптивное представление в системах дифференциального кодирования речи ./ ТИИЭР, 1979, Т. 68, №4. С.65-110.

41. Тихонов В. И. Оптимальный прем сигналов. -М.: Советское радио, 1983. -321 с.

42. Тихонов В. И. Оптимальный прием сигналов -М.: Радио и связь, 1983. -212 с.

43. Mare J. Reconstruction of a stationary Gaussian process from its sign-chages ./ J.Appl. Prod. 1977, Vol. P.38-57.

44. Чабдаров Ш. M., Трохимов А. Т., Полигауссовы представления произвольных помех и прием дискретных сигналов./ Радио техника и электроника, 1985. Т 20, №4. С. 69-74.

45. Котович Г. Н., Ламекин В. Ф., Адаптивные алгоритмы низкочастотного ДМ-преобразования. Вопросы радиоэлектроники / Техника средств связи. Сер Внутриобъектовая связь, 1990, №12. С.43-53.

46. Шелухин О. И., Фомин А. Ф. Два подхода в задачах дискретной фильтрации и демодуляции сигналов в негауссов-ских помехах. // Изв. Вузов, Радиоэлектроника, 1986, № 4. С.14-18.

47. Венскаускас К. К., Рубель В. А. Основные модели не-гауссовских помех /Радиотехника, 1987, № 5. С. 48-49.

48. Валеев В. Г., Гонопольский В. Б. Метод амплитудного подавления негауссовских помех // Радиотехника и электроника. 1981.№ 11. С. 201-207.

49. Тихонов В. И., Кульман Н. К. Нелинейная фильтрация и квазикогерентный прием сигналов. -М.: Советское радио, 1975. -186 с.

50. Новоселов О. Н., Фомин А. Ф. Квазиоптимальная нелинейная фильтрация при воздействие негауссовской помехи с коррелированными значениями // Измерительная техника, 1994, № 3. С. 23-26.

51. Клекис Э. А. Оптимальная фильтрация в системах со случайной структурой и дискретным временем // Автоматика и телемеханика, 1987,№ 11. С. 61-69.

52. Шелухин О. И., Фомин А. Ф., Новоселов О. Н. Повышение достоверности измерительной информации при нелинейном оценивании и демодуляции в условиях негауссовских помех // Метрология, 1988, № 5. С. 5-9.

53. Пиотровский Я. Б. Теория измерения для инженеров: Пер.с польск. М.: Мир, 1989. 282 с.

54. Шелухин О. И. Радиосистемы ближнего действия.- М.: Радио и связь, 1989. 221 с.

55. Теория обнаружения сигналов / П. С. Акимов, П. А. Бакут, В. А. Богданович и др. / Под ред. П. А. Бакута. М.: Радио и связь, 1984. - 261с.

56. Гоноровский И. С. Радиотехнические цепи и сигналы.- М.: Сов. радио, 1971.- 672 с.

57. Арш Э. И. Автогенераторные измерения. —М.: Энергия, 1976. -136 с.

58. Основы метрологии и электрические измерения./ Под ред. Душин Е. М. Л.: Энергоатомиздат, 1987. - 343 с.

59. Шило В. JI. Популярные микросхемы КМОП: Справочник М.: Ягуар, 1993. - 63с.

60. Справочник конструктора РЭА: общие принципы конструирования./ Под ред. Р. Г. Варламова.- М.: Сов. радио, 1986,- 480 с.

61. Неразрушающий контроль металлов и изделий: Справочник/Под. ред. Г. С. Самойловича. М.: Машиностроение, 1986. - 456 с.

62. Дубовой Н.Д. Автоматические многофункциональные измерительные преобразователи. М.: Радио и связь, 1989.- 256 с.

63. Приходько В. А.,Богданов Н. Г., Суздальцев А. И. Вихретоковый способ двухпараметрического контроля изделий. Решение на выдачу патента по заявке на изобретение № 2000102730 от 3.02.2000 г.

64. Приходько В. А., Богданов Н.Г. Суздальцев А. И. Вихретоковый способ двухчастотного контроля изделий. Решение на выдачу патента по заявке на изобретение № 2000102731 от 3.02.2000 г.

65. Романов Г. Н., Шевелев А. В., Ревин В. В., Киселев И. Н. Цифровые силоизмерительные устройства для контроля натяжения нитевидных материалов.// Измерительная техника, 1989, № 7. С. 35.

66. Фрадин А. 3. Антенно-фидерные устройства. М.: Связь 1977 - 221 с.

67. Вопросы расчета и проектирования антенн и радио линий. Л.: ВАС 1987. -303 с.

68. Дубровский С. В. Радиотехника и антенны. М.: Радио и связь, 1992. -368 с.

69. Машковцев Б. М., Прохин И. П. Волноводно-резонаторные устройства. Л.: ВАС, 1982. -125 с.

70. Муравьев Ю. К. Справочник по расчету проволочных антенн.-Л.: ВАС, 1978.-165 с.

71. Лейтман М. Б. Нормирующие измерительные преобразователи электрических сигналов. М.: Энергоиздат, 1986. -144с.

72. Справочник по радиоизмерительным приборам/Под ред Гаврилова М. П. М.: Энергия, 1976. -624 с.

73. Терещук P.M., Терещук K.M., Седов С.А. Полупроводниковые приемно-усилительные устройства: Справ, радиолюбителя,- Киев: Наук, думка, 1988.- 800 с.

74. Фомин А. Ф., Новоселов О. Н., Плющев А. В. Отбраковка аномальных результатов измерений. М.: Энергоатомиз-дат, 1985. - 123 с.

75. Коржик В. И., Финк Л. М., Щелкунов К. Н. Расчет помехоустойчивости систем передачи дискретных сообщений. М.: Радио и связь, 1981. - 168 с.

76. Фрагмент результатов измерений зависимости изменений фазы от толщины покрытия для провода "С" типа