RU2184931C2 - Eddy-current method of double-frequency test of articles - Google Patents
Eddy-current method of double-frequency test of articles Download PDFInfo
- Publication number
- RU2184931C2 RU2184931C2 RU2000102731A RU2000102731A RU2184931C2 RU 2184931 C2 RU2184931 C2 RU 2184931C2 RU 2000102731 A RU2000102731 A RU 2000102731A RU 2000102731 A RU2000102731 A RU 2000102731A RU 2184931 C2 RU2184931 C2 RU 2184931C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- frequency
- converter
- eddy
- signal
- amplitude
- Prior art date
Links
Landscapes
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Magnetic Means (AREA)
- Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к неразрушающему контролю и может быть использовано для бесконтактного измерения толщины немагнитных электропроводящих изделий методом вихревых токов. The invention relates to non-destructive testing and can be used for non-contact measurement of the thickness of non-magnetic electrically conductive products by the method of eddy currents.
Известен способ двухчастотного контроля толщины электропроводящего покрытия, в соответствие с которым формируют два сигнала, подаваемых на вихретоковые преобразователи, и сравнивают по амплитуде выходные напряжения вихретоковых преобразователей при линейном изменении частоты одного из сигналов от минимального уровня до момента равенства с частотой другого сигнала [1]. There is a method of two-frequency control of the thickness of an electrically conductive coating, in accordance with which two signals are generated that are applied to eddy current transducers, and the output voltages of eddy current transducers are compared in terms of amplitude when the frequency of one of the signals varies linearly from the minimum level until it is equal to the frequency of the other signal [1].
Точность такого способа контроля ограничивается изменением скорости и нелинейностью развертки частоты первого сигнала во времени, а также влиянием зазора между вихретоковым преобразователем и контролируемым изделием, поскольку результат преобразования получают посредством обработки только амплитудных параметров сигналов. The accuracy of this control method is limited by the change in speed and non-linearity of the frequency sweep of the first signal in time, as well as by the influence of the gap between the eddy current transducer and the controlled product, since the conversion result is obtained by processing only the amplitude parameters of the signals.
Известен также способ двухпараметрового контроля, заключающийся в том, что после формирования сигнала, возбуждающего вихретоковый преобразователь, сначала компенсируют его выходное напряжение при наличии в зоне контроля эталонного изделия, толщина которого значительно превышает глубину проникновения электромагнитного поля, а затем измеряют амплитуду и фазу выходного сигнала вихретокового преобразователя, установленного на контролируемое изделие, и по результатам их обработки определяют параметры изделия [2]. There is also known a two-parameter control method, which consists in the fact that after the formation of the signal exciting the eddy current transducer, its output voltage is first compensated if there is a reference product in the control zone, the thickness of which significantly exceeds the penetration depth of the electromagnetic field, and then the amplitude and phase of the eddy current output signal are measured the converter installed on the controlled product, and the parameters of the product are determined by the results of their processing [2].
Недостатком этого способа является низкая точность измерения в широком диапазоне контролируемых параметров, что связано с возрастанием относительной инструментальной погрешности измерения при уменьшении амплитуды выходного сигнала вихретокового преобразователя в случае увеличения толщины диэлектрического покрытия или увеличения электрической проводимости основы изделия. Эта погрешность обусловлена нелинейностью выпрямительных элементов, применяемых для выделения амплитуды сигнала, и нестабильностью уровней срабатывания формирователей импульсов, используемых в блоке обработки для выделения фазовых параметров, приводящих к резкому повышению погрешности измерения малых сигналов и, как следствие, к снижению достоверности неразрушающего контроля параметров изделий. The disadvantage of this method is the low measurement accuracy in a wide range of controlled parameters, which is associated with an increase in the relative instrumental measurement error with a decrease in the amplitude of the output signal of the eddy current transducer in the case of an increase in the thickness of the dielectric coating or an increase in the electrical conductivity of the product base. This error is due to the nonlinearity of the rectifier elements used to extract the signal amplitude and the instability of the response levels of the pulse shapers used in the processing unit to extract phase parameters, which lead to a sharp increase in the measurement error of small signals and, as a result, to a decrease in the reliability of non-destructive testing of product parameters.
Точность контроля данным способом практически ограничивается изменением электропроводности изделия, влияющим на результат преобразования. В частности, при контроле толщины медного гальванического покрытия изменение температуры на 10oС приводит к дополнительной погрешности 4% из-за уменьшения электрической проводимости покрытия.The accuracy of control by this method is practically limited by a change in the conductivity of the product, affecting the result of the conversion. In particular, when controlling the thickness of the copper plating, a temperature change of 10 o C leads to an additional error of 4% due to a decrease in the electrical conductivity of the coating.
Наиболее близким к изобретению по технической сущности является двухчастотный способ неразрушающего контроля изделий, согласно которому формируют высокочастотный и низкочастотный сигналы, возбуждающие вихретоковые преобразователи, первый из которых используют для измерения удельной электрической проводимости изделия, а второй - для измерения его толщины, причем по результатам детектирования параметров высокочастотного выходного напряжения первого преобразователя регулируют частоту низкочастотного возбуждающего сигнала и определяют толщину контролируемого изделия по результатам обработки амплитудно-фазовых параметров выходного напряжения второго низкочастотного преобразователя [3]. Closest to the invention in technical essence is a two-frequency method of non-destructive testing of products, according to which high-frequency and low-frequency signals are generated that excite eddy-current transducers, the first of which is used to measure the electrical conductivity of the product, and the second to measure its thickness, and according to the results of detection of parameters the high-frequency output voltage of the first converter regulate the frequency of the low-frequency exciting signal and determine dividing the thickness of the controlled product according to the results of processing the amplitude-phase parameters of the output voltage of the second low-frequency converter [3].
Недостатком известного способа является низкая точность контроля при изменении удельной электрической проводимости в широких пределах. Данное положение обусловлено тем, что для обеспечения стабильности обобщенного параметра β, зависящего от радиуса эквивалентного витка преобразователя, удельной электрической проводимости δ и абсолютной магнитной проницаемости μ0 изделия и частоты f возбуждающего сигнала,
Технической задачей изобретения является повышение точности измерения путем исключения погрешности, обусловленной изменениями удельной электрической проводимости в широком диапазоне, и снижения влияния зазора между вихретоковым преобразователем и контролируемым изделием на результаты контроля. An object of the invention is to increase the measurement accuracy by eliminating the error caused by changes in the electrical conductivity in a wide range, and by reducing the influence of the gap between the eddy current transducer and the controlled product on the control results.
Сущность вихретокового способа двухчастотного контроля изделий заключается в том, что формируют высокочастотный и низкочастотный сигналы, которые подают соответственно на первый и второй вихретоковые преобразователи. По результатам детектирования значений выходного напряжения первого преобразователя регулируют частоту возбуждающего сигнала второго вихретокового преобразователя. По результатам обработки амплитудно-фазовых значений выходного напряжения второго преобразователя определяют толщину контролируемого покрытия. Первый вихретоковый преобразователь вводят в колебательный режим, подключая его в параллельный колебательный контур, и стабилизируют амплитуду его выходного напряжения посредством регулировки амплитуды токовых импульсов возбуждающего высокочастотного сигнала. Затем полученное напряжение детектируют и усиливают разность фаз между высокочастотным возбуждающим сигналом и выходным напряжением первого преобразователя. Усиленную разность фаз потом используют для регулировки частоты возбуждающего высокочастотного сигнала до значения, соответствующего резонансу колебательного контура, после чего формируют низкочастотный возбуждающий сигнал посредством деления частоты высокочастотного сигнала на четный коэффициент, учитывающий тип электропроводящего покрытия, и подают на второй вихретоковый преобразователь. The essence of the eddy current method of dual-frequency control of products is that they form high-frequency and low-frequency signals, which are supplied respectively to the first and second eddy current converters. According to the results of detecting the output voltage of the first transducer, the frequency of the exciting signal of the second eddy current transducer is regulated. According to the results of processing the amplitude-phase values of the output voltage of the second converter, the thickness of the controlled coating is determined. The first eddy current transducer is introduced into an oscillatory mode, connecting it to a parallel oscillatory circuit, and the amplitude of its output voltage is stabilized by adjusting the amplitude of the current pulses of the exciting high-frequency signal. Then, the obtained voltage is detected and the phase difference between the high-frequency exciting signal and the output voltage of the first converter is amplified. The amplified phase difference is then used to adjust the frequency of the exciting high-frequency signal to a value corresponding to the resonance of the oscillating circuit, after which a low-frequency exciting signal is formed by dividing the frequency of the high-frequency signal by an even coefficient taking into account the type of electrically conductive coating, and feed it to the second eddy current transducer.
Способ на примере решения задачи измерения толщины немагнитного электропроводящего покрытия с помощью накладных вихретоковых преобразователей реализуется следующим образом (см. чертеж). The method on the example of solving the problem of measuring the thickness of a non-magnetic conductive coating using patch eddy current transducers is implemented as follows (see drawing).
С помощью высокочастотного генератора 1 и преобразователя напряжения в ток 2 с регулируемым коэффициентом передачи на вихретоковый преобразователь 3 подают импульсы тока. Частоту этих импульсов fвч выбирают из условия минимальной чувствительности выходного сигнала преобразователя 3 к толщине контролируемого покрытия, т.е. глубина проникновения электромагнитного поля на высокой частоте должна быть меньше минимальной толщины покрытия. Подключают конденсатор 4 параллельно обмотке вихретокового преобразователя 3 и образуют колебательный контур, резонансную частоту которого, определяемую индуктивностью обмотки L3 преобразователя 3 и емкостью C4 конденсатора 4, устанавливают близкой к расчетному значению высокой частоты:
Амплитуду Uм выходного напряжения преобразователя 3 выделяют детектором 5 и подают на усилитель 6, который выделяет и усиливает разность между амплитудой Uм и опорным U0 напряжением, формируемым источником постоянного напряжения 7. Выходным сигналом усилителя 6 регулируется ток питания преобразователя напряжения в ток 2, и при большом коэффициенте усиления К6 усилителя 6 автоматически стабилизируется на уровне Uм=U0 напряжение на выходе вихретокового преобразователя за счет регулировки амплитуды импульсов возбуждающего тока.Using a high-frequency generator 1 and a voltage to current converter 2 with an adjustable transmission coefficient, current pulses are fed to the eddy current converter 3. The frequency of these pulses f RF is selected from the condition of the minimum sensitivity of the output signal of the converter 3 to the thickness of the coating being monitored, i.e. the depth of penetration of the electromagnetic field at a high frequency should be less than the minimum coating thickness. Connect the capacitor 4 parallel to the winding of the eddy current transducer 3 and form an oscillating circuit, the resonant frequency of which, determined by the inductance of the winding L 3 of the transducer 3 and the capacitance C 4 of the capacitor 4, is set close to the calculated value of the high frequency:
The amplitude U m of the output voltage of the converter 3 is isolated by the detector 5 and fed to an amplifier 6, which isolates and amplifies the difference between the amplitude U m and the reference U 0 by the voltage generated by the constant voltage source 7. The output signal of the amplifier 6 regulates the power supply current of the voltage converter to current 2, and with a large gain K 6 of the amplifier 6, the voltage at the output of the eddy current transducer is automatically stabilized at the level of U m = U 0 by adjusting the amplitude of the exciting current pulses.
Вследствие высокочастотной избирательности колебательного контура, содержащего элементы L3, С4, при воздействии прямоугольных импульсов возбуждающего тока на входе вихретокового преобразователя 3 формируется гармонический сигнал, который преобразуется в импульсную форму формирователем 8. Разность фаз между выходными сигналами генератора 1 и формирователя 8 выделяется фазовым детектором 9, и после низкочастотной фильтрации и усиления с помощью активного фильтра 10 формируется сигнал обратной связи, которым регулируется частота генератора 1. Фактически формирователь 8, фазовый детектор 9 и активный фильтр 10 представляют собой звено фазовой автоподстройки частоты высокочастотного генератора 1 и обеспечивают равенство возбуждающей fвч и резонансной fр частот. Изменение удельной электропроводности контролируемого изделия приводит к изменению вихретоковых потерь на высокой частоте и, соответственно, к изменению эквивалентной индуктивности L3 преобразователя 3 и соответствующему изменению резонансной частоты fр колебательного контура. При этом автоматической подстройкой возбуждающего сигнала, формируемого генератором 1, обеспечивается стабильность обобщенного параметра β вихретокового преобразователя в широком диапазоне изменения удельной электрической проводимости. Для формирования низкочастотного возбуждающего сигнала к генератору 1 подключен цифровой делитель частоты 11, выходные импульсы которого поступают на второй вихретоковый преобразователь 12, служащий для измерения толщины Т покрытия. Выходное напряжение преобразователя 12 и импульсный сигнал от делителя частоты 11 поступают на блок обработки 13, выполняющий функциональное преобразование амплитудно-фазовой характеристики преобразователя 12. Для выделения напряжения U13, пропорционального измеряемой толщине Т покрытия, выполняют обработку амплитудно-фазовых параметров, например, по соотношению:
U13 = K13T = K(lnUм12+KUφ12),
где K13 - коэффициент функционального преобразования блока 13;
Uм12,Uφ12 - напряжения, определяемые соответственно амплитудой и фазой выходного сигнала вихретокового преобразователя;
К≈(0,8-1,2) - коэффициент пропорциональности, зависящий от типа электропроводящего покрытия.Due to the high-frequency selectivity of the oscillatory circuit containing the elements L 3 , C 4 , when exposed to rectangular pulses of the exciting current, a harmonic signal is generated at the input of the eddy current transducer 3, which is converted into a pulse form by the shaper 8. The phase difference between the output signals of the generator 1 and the shaper 8 is highlighted by a phase detector 9, and after low-pass filtering and amplification using an active filter 10, a feedback signal is generated, which controls the frequency of the generator 1. Actually torus driver 8, phase detector 9 and the active filter 10 constitute a phase-locked loop unit of the high frequency oscillator 1 and ensure the equality of the exciting rf f and resonance frequency f r. A change in the electrical conductivity of the controlled product leads to a change in eddy current losses at a high frequency and, accordingly, to a change in the equivalent inductance L 3 of the converter 3 and a corresponding change in the resonant frequency f p of the oscillatory circuit. In this case, the automatic adjustment of the exciting signal generated by the generator 1 ensures the stability of the generalized parameter β of the eddy current transducer in a wide range of changes in the electrical conductivity. To generate a low-frequency exciting signal, a digital frequency divider 11 is connected to the generator 1, the output pulses of which are supplied to the second eddy current transducer 12, which serves to measure the thickness T of the coating. The output voltage of the converter 12 and the pulse signal from the frequency divider 11 are supplied to a processing unit 13 that performs a functional conversion of the amplitude-phase characteristic of the converter 12. To extract the voltage U 13 proportional to the measured coating thickness T, the amplitude-phase parameters are processed, for example, by the ratio :
U 13 = K 13 T = K (lnU m12 + KU φ12 ),
where K 13 is the functional conversion coefficient of block 13;
U m12 , U φ12 — voltages determined respectively by the amplitude and phase of the output signal of the eddy current transducer;
K≈ (0.8-1.2) is the coefficient of proportionality, depending on the type of electrically conductive coating.
Результат преобразования выводится на блок индикации 14. Требуемые или расчетные значения коэффициента преобразования блока обработки 13 устанавливают с помощью блока задания коэффициентов 15, который, в частности, необходим при допусковом контроле толщины покрытия. The conversion result is displayed on the display unit 14. The required or calculated values of the conversion coefficient of the processing unit 13 are set using the coefficient setting unit 15, which, in particular, is necessary for tolerance control of the coating thickness.
Особенность реализации данного способа заключается в том, что значение низкой частоты fнч необходимо устанавливать с учетом максимальной толщины Tmах покрытия (или изделия) по условию fнч≤1/2TmaxRЭμ0δ, которое связано с ослаблением электромагнитного поля в е=2,71828 или выполнением соотношения Tmax≤eRЭ/β2.
В качестве преобразователя напряжения в ток 2 может быть использован дифференциальный каскад на транзисторах 16 и 17 с регулируемым генератором тока, собранном на транзисторе 18 и резисторе 19, сопротивлением R19.A feature of the implementation of this method is that the value of the low frequency f low frequency must be set taking into account the maximum thickness T max of the coating (or product) under the condition f low frequency ≤1 / 2T max R Э μ 0 δ, which is associated with a weakening of the electromagnetic field in e = 2.71828 or the fulfillment of the ratio T max ≤eR E / β 2 .
As a voltage to current converter 2, a differential cascade on transistors 16 and 17 can be used with an adjustable current generator assembled on transistor 18 and resistor 19, resistance R 19 .
В соответствии с предложенным способом обеспечивается высокая качественная стабилизация обобщенного параметра
Кроме того, за счет включения возбуждающей обмотки вихретокового преобразователя в параллельный колебательный контур с высокой добротностью (Q≥100) обеспечивается резкое (в Q раз) увеличение чувствительности к удельной электрической проводимости, т.е. к изменению эквивалентной индуктивности L3 по сравнению с обычным преобразователем. Такой резонансный режим работы преобразователя фактически эквивалентен возрастанию в Q раз индуктивного сопротивления вихретокового преобразователя по сравнению с его активным сопротивление RA. Вследствие этого годограф F(h), характеризующий зависимость амплитуды выходного напряжения преобразователя от расстояния h до контролируемого изделия 7, близок к прямой линии, т.е. при увеличении зазора уменьшается амплитуда сигнала, а фаза остается постоянной [4]. Поэтому подстройка частоты генератора 1 непосредственно по фазе в сочетании с автоматической стабилизацией амплитуды выходного сигнала преобразователя 3 позволяет измерять удельную электропроводимость с высокой точностью при устранении влияния зазора и тем самым повысить универсальность применения способа.In addition, by including the exciting winding of the eddy current transducer in a parallel oscillatory circuit with high Q factor (Q≥100), a sharp (Q times) increase in sensitivity to electrical conductivity, i.e. to a change in the equivalent inductance L 3 compared to a conventional converter. Such a resonant mode of operation of the transducer is actually equivalent to an increase in Q times of the inductive resistance of the eddy current transducer compared to its active resistance R A. As a result of this, the hodograph F (h) characterizing the dependence of the amplitude of the output voltage of the converter on the distance h to the item 7 being controlled is close to a straight line, i.e. with an increase in the gap, the signal amplitude decreases, and the phase remains constant [4]. Therefore, adjusting the frequency of the generator 1 directly in phase in combination with automatic stabilization of the amplitude of the output signal of the converter 3 makes it possible to measure the electrical conductivity with high accuracy while eliminating the influence of the gap and thereby increase the versatility of the method.
При контроле изделия двумя вихретоковыми преобразователями, работающими на разных частотах возбуждающего сигнала, целесообразно устанавливать четный коэффициент деления К11 в цифровом делителе частоты 11, чтобы исключить взаимное подвозбуждение преобразователей на нечетных гармониках, определяемых разложением импульсных сигналов в ряд Фурье. Практически коэффициент деления К11 целесообразно устанавливать в зависимость от ширины диапазона контроля по условию K11≥Tmax/Tmin = 8, 16, 32, ... = 2n, что позволяет упростить схему цифрового делителя частоты.When monitoring the product with two eddy current converters operating at different frequencies of the exciting signal, it is advisable to set the even division coefficient K 11 in the digital frequency divider 11 to exclude mutual excitation of the converters at odd harmonics, determined by the expansion of the pulse signals in a Fourier series. In practice, the division coefficient K 11 should be set depending on the width of the control range according to the condition K 11 ≥T max / T min = 8, 16, 32, ... = 2 n , which allows us to simplify the scheme of the digital frequency divider.
Источники информации
1. Коноваленко В.В. Двухчастотный толщиномер. Авт. свид. 1078239, кл. G 01 В 7/06, бюл. 9, 1984 г.Sources of information
1. Konovalenko VV Dual frequency thickness gauge. Auth. testimonial. 1078239, cl. G 01 B 7/06, bull. 9, 1984
2. Беликов Е.Г., Тимаков Л.К. Вихретоковый способ двухпараметрического контроля изделий. Авт. свид. 1608422, кл. G 01 В 7/06, бюл. 43, 1980 г. (прототип). 2. Belikov E.G., Timakov L.K. Eddy current method of two-parameter control of products. Auth. testimonial. 1608422, cl. G 01 B 7/06, bull. 43, 1980 (prototype).
3. Незамаев С.Р., Бошин С.Н., Шмелев Л.С. Вихретоковый толщиномер. Авт. свид. 1670368, бюл. 30, 1991 г. (прототип). 3. Nezamaev S.R., Boshin S.N., Shmelev L.S. Eddy current thickness gauge. Auth. testimonial. 1670368, bull. 30, 1991 (prototype).
4. Неразрушающий контроль материалов и изделий. Справочник/ Под. ред. Г. Е. Самойловича. - М.: Машиностроение, 1976, с.215. 4. Non-destructive testing of materials and products. Reference / Under. ed. G. E. Samoilovich. - M.: Mechanical Engineering, 1976, p.215.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2000102731A RU2184931C2 (en) | 2000-02-03 | 2000-02-03 | Eddy-current method of double-frequency test of articles |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2000102731A RU2184931C2 (en) | 2000-02-03 | 2000-02-03 | Eddy-current method of double-frequency test of articles |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2000102731A RU2000102731A (en) | 2002-01-27 |
| RU2184931C2 true RU2184931C2 (en) | 2002-07-10 |
Family
ID=20230193
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2000102731A RU2184931C2 (en) | 2000-02-03 | 2000-02-03 | Eddy-current method of double-frequency test of articles |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2184931C2 (en) |
-
2000
- 2000-02-03 RU RU2000102731A patent/RU2184931C2/en active
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Неразрушающий контроль металлов и изделий. Справочник/ Под ред. Г.С. Самойловича. - М.: Машиностроение, 1976, с. 215. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP4807850B2 (en) | Improved RF power control device for RF plasma application | |
| US3997835A (en) | Method and apparatus for measuring distance | |
| US3379972A (en) | Non-contacting displacement gauge having a feedback means for controlling the vibration amplitude of the probe | |
| JP2911828B2 (en) | Multi-parameter eddy current measurement system with parameter compensation | |
| GB2146437A (en) | Apparatus for measuring the level of the molten metal in the mold of a continuous casting machine | |
| US4182986A (en) | Test, control and gauging method using locked oscillators | |
| US3931571A (en) | Eddy current metal surface flaw detector | |
| GB2054867A (en) | Eddy-current distance measuring apparatus | |
| US7466143B2 (en) | Clearance measurement systems and methods of operation | |
| GB2146128A (en) | Metal detection apparatus | |
| RU2184931C2 (en) | Eddy-current method of double-frequency test of articles | |
| US11169004B2 (en) | Inductive sensor for measurement device | |
| US6809542B2 (en) | Wafer resistance measurement apparatus and method using capacitively coupled AC excitation signal | |
| RU2184930C2 (en) | Eddy-current method of double-parameter test of articles | |
| US3679968A (en) | Method and device for measuring the thickness of a metal deposit on an insulating support | |
| US3518551A (en) | Circuit arrangement for measuring the damping of an oscillation | |
| EP0157533A2 (en) | Pressure measuring apparatus, e.g. a barometer | |
| US2923880A (en) | Apparatus for impedance measurements | |
| RU2305280C1 (en) | Method of testing article | |
| RU2163350C2 (en) | Meter of linear displacement | |
| US20030154793A1 (en) | Uninterruptible power supply | |
| US3522528A (en) | Noncontacting capacitance distance gauge having a servosystem and a position sensor | |
| SU1216716A1 (en) | Electromagnetic method of measuring specific electric conductance of non-ferromagnetic conducting articles | |
| SU1073732A1 (en) | Device for electromagnetic well-logging | |
| SU278130A1 (en) | DEVICE FOR MEASURING THE THICKNESS OF ELECTRICAL WIRING PRODUCTS |