RU2766423C1

RU2766423C1 - Apparatus for recording the position and sizes of small-sized metal inclusions in articles made of non-conductive materials

Info

Publication number: RU2766423C1
Application number: RU2021120423A
Authority: RU
Inventors: Валерий Павлович Лунин; Олег Николаевич Будадин; Леонид Андреевич Чернов; Антон Олегович Кузнецов
Priority date: 2021-02-18
Filing date: 2021-02-18
Publication date: 2022-03-15

Abstract

FIELD: testing.

SUBSTANCE: invention relates to non-destructive testing methods for recording the position and measuring the size of small-sized metal inclusions (SMI). The apparatus for recording the position and sizes of small-sized metal inclusions in articles made of non-conductive materials is equipped with an additional eddy-current transducer identical to the first eddy-current transducer, the outputs of the measuring coils whereof are connected with the corresponding inputs of the first switch, and is equipped with an additional switch, the first and second outputs whereof are connected with the corresponding inputs of the eddy-current transducers, which are the inputs of the exciting coils, and the input of the additional switch is connected with the output of the harmonic oscillation generator, wherein an algorithm for determining the position and sizes of small-sized metal inclusions is implemented in the microprocessor by recording the values of the signals of maximum inserted voltage U_max and minimum inserted voltage U_min and comparing said values with values from a set of planes of state in the memory of the microprocessor.

EFFECT: increase in the efficiency of monitoring due to the recorded position and measured sizes of SMI.

1 cl, 6 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к методам неразрушающего контроля для фиксации положения и измерения размеров малоразмерных металлических включений (ММВ) размерами от 0,1 до 2 мм в изделиях из непроводящих материалов, в частности из полимерных композитных материалов (ПКМ), и может быть использовано в пищевой, текстильной, фармацевтической промышленностях.The invention relates to non-destructive testing methods for fixing the position and measuring the size of small-sized metal inclusions (MMI) with sizes from 0.1 to 2 mm in products made of non-conductive materials, in particular polymer composite materials (PCM), and can be used in food, textile , pharmaceutical industries.

Известен металлоискатель (патент RU №2366982, МПК G01V 3/11, опубл. 10.09.2009, бюл. №25), предназначенный для обнаружения металлических объектов в различных средах, содержащий индукционный преобразователь, состоящий из двух резонансных контуров, включающих соответственно излучающую и частично перекрывающую ее приемную катушки, цепей балансировки, три усилителя, синхронный детектор и индикатор, причем последовательно соединены выход индукционного преобразователя, первый усилитель и вход первого синхронного детектора, четвертый усилитель, второй синхронный детектор, двухканальный аналого-цифровой преобразователь и микропроцессор, первый выход микропроцессора последовательно соединен со вторым усилителем и входом индукционного преобразователя, второй и третий выходы соответственно с опорными входами синхронных детекторов, соединенными выходами соответственно с третьим и четвертым усилителями, соединенными выходами с входами двухканального аналого-цифрового преобразователя, соединенного с микропроцессором, соединенного с индикатором, вход второго синхронного детектора присоединен к выходу первого усилителя.Known metal detector (patent RU No. 2366982, IPC G01V 3/11, publ. 10.09.2009, bull. No. 25), designed to detect metal objects in various environments, containing an induction transducer, consisting of two resonant circuits, including respectively radiating and partially receiving coil overlapping it, balancing circuits, three amplifiers, a synchronous detector and an indicator, and the output of the induction converter, the first amplifier and the input of the first synchronous detector, the fourth amplifier, the second synchronous detector, a two-channel analog-to-digital converter and a microprocessor are connected in series, the first output of the microprocessor is connected in series connected to the second amplifier and the input of the induction converter, the second and third outputs, respectively, to the reference inputs of the synchronous detectors, connected by the outputs, respectively, to the third and fourth amplifiers, connected by the outputs to the inputs of the two-channel analog-to-digital converter connected to microprocessor connected to the indicator, the input of the second synchronous detector is connected to the output of the first amplifier.

Недостатком данного технического решения является фиксация наличия только крупных объектов (оружие, золотые украшения и т.п.), а также низкая точность определения положения объекта.The disadvantage of this technical solution is the fixation of the presence of only large objects (weapons, gold jewelry, etc.), as well as the low accuracy of determining the position of the object.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является устройство определения положения малоразмерных металлических включений в изделиях из композитных материалов (патент RU №2710080, МПК G01V 3/11, G01N 27/82, опубл. 24.12.2019 г., бюл. №3), включающее усилители, синхронные детекторы, двухканальный аналого-цифровой преобразователь, блок обработки, индикатор и индукционный преобразователь, между индукционным преобразователем и первым усилителем подключен коммутатор. Индукционный преобразователь включает в себя возбуждающую катушку индуктивности и измерительные катушки индуктивности.The closest in technical essence to the proposed invention is a device for determining the position of small-sized metal inclusions in products made of composite materials (patent RU No. 2710080, IPC G01V 3/11, G01N 27/82, publ. 24.12.2019, bull. No. 3) , including amplifiers, synchronous detectors, a two-channel analog-to-digital converter, a processing unit, an indicator and an induction converter, a switch is connected between the induction converter and the first amplifier. The inductive transducer includes an exciting inductance coil and measuring inductance coils.

Недостатком данного технического решения малая информативность контроля, и, как следствие, его низкая эффективность.The disadvantage of this technical solution is the low information content of the control, and, as a result, its low efficiency.

Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение информативности обнаружения ММВ в непроводящих объектах.The technical objective of the invention is to increase the information content of the detection of MMW in non-conductive objects.

Технический результат заключается в повышении эффективности контроля за счет фиксации положения и измерения размеров ММВ.The technical result consists in increasing the efficiency of control by fixing the position and measuring the dimensions of the MMV.

Это достигается тем, что устройство фиксации положения и размеров малоразмерных металлических включений в изделиях из непроводящих материалов, содержащее генератор гармонических колебаний, блок обработки последовательно соединенный с микропроцессором и блоком представления результатов, первый вихретоковый преобразователь, включающий в себя измерительные катушки, выходы которых соединены с соответствующими входами первого коммутатора, который своим выходом подключен к блоку обработки, и возбуждающую катушку, снабжено дополнительным вихретоковым преобразователем, идентичным первому вихретоковому преобразователю, выходы измерительных катушек которого соединены с соответствующими входами первого коммутатора, и снабжено дополнительным коммутатором, первый и второй выходы которого соединены с соответствующими входами вихретоковых преобразователей, являющимися входами возбуждающих катушек, а вход дополнительного коммутатора соединен с выходом генератора гармонических колебаний, при этом в микропроцессоре реализован алгоритм определения положения и размеров малоразмерных металлических включений посредством фиксации значений величин сигналов максимального вносимого напряжения U_max и минимального вносимого напряжения U_min и сравнения их со значениями из набора плоскостей состояния, находящегося в памяти микропроцессора.This is achieved by the fact that the device for fixing the position and dimensions of small-sized metal inclusions in products made of non-conductive materials, containing a generator of harmonic oscillations, a processing unit connected in series with the microprocessor and the results presentation unit, the first eddy current transducer, including measuring coils, the outputs of which are connected to the corresponding the inputs of the first switch, which is connected to the processing unit with its output, and the exciting coil, is equipped with an additional eddy current transducer, identical to the first eddy current transducer, the outputs of the measuring coils of which are connected to the corresponding inputs of the first switch, and is equipped with an additional switch, the first and second outputs of which are connected to the corresponding inputs of eddy current transducers, which are the inputs of the excitation coils, and the input of the additional switch is connected to the output of the generator of harmonic oscillations, while the mic The roprocessor implements an algorithm for determining the position and size of small-sized metal inclusions by fixing the signal values of the maximum input voltage U _max and the minimum input voltage U _min and comparing them with the values from the set of state planes stored in the microprocessor memory.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана структурная схема устройства фиксации положения и размеров малоразмерных металлических включений в изделиях из непроводящих материалов, на фиг. 2 структурная схема вихретоковых преобразователей, на фиг. 3 - положение вихретоковых преобразователей относительно контролируемого изделия, на фиг. 4 - график изменения модуля вносимого напряжения при движении объекта в форме шара радиусом 0,29 мм вдоль оси X с фиксированной глубиной залегания h=1 мм, на фиг. 5 - изображена плоскость состояния (для шаров радиусом 0,29 1 мм, при глубине залегания h=1÷4 мм; фиг. 6 - изображение всего контролируемого изделия с расположенными включениями.The essence of the invention is illustrated by drawings, where in Fig. 1 shows a block diagram of a device for fixing the position and size of small-sized metal inclusions in products made of non-conductive materials; Fig. 2 is a block diagram of eddy current transducers, in Fig. 3 - the position of the eddy current transducers relative to the controlled product, in Fig. 4 is a graph of the change in the modulus of the introduced voltage during the movement of an object in the form of a ball with a radius of 0.29 mm along the X axis with a fixed depth h=1 mm, in Fig. 5 - shows the state plane (for balls with a radius of 0.29 1 mm, at a depth h=1÷4 mm; Fig. 6 - image of the entire controlled product with located inclusions.

Устройство преобразователь 2 и дополнительный второй вихретоковый преобразователь 3, фиксации положения и размеров малоразмерных металлических включений в изделиях из непроводящих материалов содержит генератора гармонических колебаний 1, первый вихретоковый соединенные через коммутатор 4 с блоком обработки 5, к которому последовательно подключены микропроцессор 6 и блок представления результатов 7. Входы первого вихретокового преобразователя 2 и дополнительного второго вихретокового преобразователя 3 подключены к генератору гармонических колебаний 1 через соответствующие первый и второй выходы дополнительного коммутатора 8.The transducer device 2 and an additional second eddy current transducer 3, fixing the position and size of small-sized metal inclusions in products made of non-conductive materials, contains a harmonic oscillation generator 1, the first eddy current generator connected through a switch 4 with a processing unit 5, to which a microprocessor 6 and a results presentation unit 7 are connected in series The inputs of the first eddy current transducer 2 and the additional second eddy current transducer 3 are connected to the generator of harmonic oscillations 1 through the corresponding first and second outputs of the additional switch 8.

Первый вихретоковый преобразователь 2, выполнен в виде возбуждающей катушки (L₁) - 9 и измерительных катушек (L₁₁, L₁₂, …L_1n) 10.1, 10.2, …10.n, и дополнительный второй вихретоковый преобразователь 3, также выполнен в виде возбуждающей катушки (L₂) - 11 и измерительных катушек (L₂₁, L₂₂, …, L_2n) - 12.1, 12.2, …12.n, где n - целое число, n≥1. Входы возбуждающих катушек 9 и 11 являются входами соответствующих вихретоковых преобразователей 2 и 3, а выходы измерительных катушек 10.1-10.n и 12.1-12.n являются выходами соответствующих вихретоковых преобразователей 2 и 3. При этом измерительные катушки 10.1-10.n и 12.1-12.n расположены внутри соответствующих возбуждающих катушек 9 и 11. Вихретоковые преобразователи 2 и 3 посредством дополнительного коммутатора 8 выполнены с возможностью согласного или встречного включения. Радиус возбуждающих катушек 9 и 11 вихретоковых преобразователей 2 и 3 R_B выбирается из условия

где Т_ОК - толщина контролируемого изделия 13.The first eddy current transducer 2 is made in the form of an exciting coil (L ₁ ) - 9 and measuring coils (L ₁₁ , L ₁₂ , ... L _1n ) 10.1, 10.2, ... 10.n, and an additional second eddy current transducer 3 is also made in the form driving coil (L ₂ ) - 11 and measuring coils (L ₂₁ , L ₂₂ , ..., L _2n ) - 12.1, 12.2, ... 12.n, where n is an integer, n≥1. The inputs of the exciting coils 9 and 11 are the inputs of the respective eddy

current transducers

2 and 3, and the outputs of the measuring coils 10.1-10.n and 12.1-12.n are the outputs of the respective eddy

current transducers

2 and 3. In this case, the measuring coils 10.1-10.n and 12.1 -12.n are located inside the respective excitation coils 9 and 11. The eddy

current transducers

2 and 3 are made with the possibility of consonant or counter switching by means of an additional switch 8. The radius of the exciting coils 9 and 11 of the eddy current transducers 2 and 3 R _B is selected from the condition

where T _OK is the thickness of the controlled product 13.

Устройство фиксации положения и размеров малоразмерных металлических включений в изделиях из непроводящих материалов работает следующим образом.The device for fixing the position and size of small-sized metal inclusions in products made of non-conductive materials works as follows.

Генератором гармонических колебаний 1 генерируются сигналы через дополнительный коммутатор 8 на вихретоковые преобразователи 2 и 3. Вихретоковые преобразователи 2 и 3 располагаются соосно на верхней и нижней параллельных поверхностях контролируемого изделия 13, измерительные катушки 10.1-10.n и 12.1-12.n подключаются встречно, при этом в блоке обработки 5 фиксируются сигналы только вихревых токов (вносимое напряжение). Сигналы измерительных катушек 10.1-10.n и 12.1-12.n (вносимое напряжение) измеряется непрерывно и при сканировании контролируемого изделия 13 (при их взаимном смещении) фиксируются максимальная (U_max) и минимальная (U_min) величины сигнала. В микропроцессоре 6 анализируются сигналы всех измерительных катушек 10.1-10.n и 12.1-12.n, для каждой из них в памяти микропроцессора 6 имеется набор плоскостей состояния, построенный на основе экспериментальных данных или путем моделирования двухкоординатной градуировочной сетки в осях U_max - U_min для всего диапазона изменения размеров включений и их глубины залегания в контролируемом изделии 13 от плоскости расположения вихретоковых преобразователей 2 и 3, определяется количество, размер проводящих включений и их расположения внутри контролируемого изделия 13.The generator of harmonic oscillations 1 generates signals through an additional switch 8 to eddy current transducers 2 and 3. Eddy current transducers 2 and 3 are located coaxially on the upper and lower parallel surfaces of the controlled product 13, the measuring coils 10.1-10.n and 12.1-12.n are connected in opposite directions, in this case, in the processing unit 5, signals of only eddy currents (introduced voltage) are recorded. The signals of the measuring coils 10.1-10.n and 12.1-12.n (introduced voltage) are measured continuously and when scanning the controlled product 13 (with their mutual displacement), the maximum (U _max ) and minimum (U _min ) signal values are recorded. The microprocessor 6 analyzes the signals of all measuring coils 10.1-10.n and 12.1-12.n, for each of them in the memory of the microprocessor 6 there is a set of state planes built on the basis of experimental data or by modeling a two-coordinate calibration grid in the axes U _max - U _min for the entire range of change in the size of inclusions and their depth in the controlled product 13 from the plane of location of the eddy current transducers 2 and 3, the number and size of conductive inclusions and their location inside the controlled product 13 are determined.

В каждый момент времени блоком представления результатов 7 формируется изображение зоны контроля контролируемого изделия 13, например, в виде прозрачного светящегося прямоугольного параллелепипеда (или в виде другой формы контролируемого изделия 13), на котором отображаются включения в соответствии с их координатами и размерами. Отображается количество и размер включений, при этом включения разного размера могут отображаться разным цветом.At each moment of time, the result presentation unit 7 forms an image of the control zone of the controlled product 13, for example, in the form of a transparent luminous rectangular parallelepiped (or in the form of another form of the controlled product 13), which displays inclusions in accordance with their coordinates and sizes. The number and size of inclusions are displayed, while inclusions of different sizes can be displayed in different colors.

Если частица, например, включение в форме шара радиусом 0,29 мм, перемещается на расстояние (глубину залегания) h=1 мм от плоскости расположения вихретокового преобразователя 2 или 3 при сканировании поверхности контролируемого изделия 13, то величина изменения сигнала одной из измерительных катушек 10.1-10.n или 121-12.n изменяется как показано на фиг. 4. При этом форму кривой можно охарактеризовать величинами максимального вносимого напряжения U_max и минимального вносимого напряжения U_min.If a particle, for example, an inclusion in the form of a ball with a radius of 0.29 mm, moves to a distance (depth of occurrence) h=1 mm from the plane of location of the eddy current transducer 2 or 3 when scanning the surface of the controlled product 13, then the magnitude of the change in the signal of one of the measuring coils 10.1 -10.n or 121-12.n is changed as shown in FIG. 4. In this case, the shape of the curve can be characterized by the values of the maximum input voltage U _max and the minimum input voltage U _min .

На плоскости с системой координат U_max и U_min кривая на фиг.4 отобразится точкой А (фиг. 5). Если на этой плоскости отложить точки для других значений диаметров включений и глубины залегания h, то получится плоскость состояния, то есть двумерная градуировочная область. Если неизвестное включение отобразится на плоскости фиг. 5, точкой В, то используя линейную аппроксимацию, получаем h_B=3,45 мм (радиус включения (шара) 0,81 мм).On a plane with a coordinate system U _max and U _min , the curve in Fig. 4 will be displayed as point A (Fig. 5). If points for other values of inclusion diameters and occurrence depth h are set aside on this plane, then a state plane will be obtained, that is, a two-dimensional calibration area. If an unknown inclusion is displayed on the plane of Fig. 5, point B, then using a linear approximation, we obtain h _B =3.45 mm (radius of inclusion (ball) 0.81 mm).

Экспериментально доказано, что погрешность измерения устройством фиксации положения и размеров малоразмерных металлических включений в изделиях из непроводящих материалов при определении размеров включений составляет ~10%, фиксации положения - до 20% (таблица 1).It has been experimentally proven that the error in measuring the position and size of small-sized metal inclusions in products made of non-conductive materials by a device for fixing the position and size in determining the size of inclusions is ~10%, fixing the position is up to 20% (Table 1).

Использование устройства фиксации положения и размеров малоразмерных металлических включений в изделиях из непроводящих материалов повышает эффективность контроля за счет одновременной фиксации положения и определения размеров ММВ.The use of a device for fixing the position and size of small-sized metal inclusions in products made of non-conductive materials increases the efficiency of control by simultaneously fixing the position and determining the size of the MMW.

Claims

A device for fixing the position and dimensions of small-sized metal inclusions in products made of non-conductive materials, containing a generator of harmonic oscillations, a processing unit connected in series with a microprocessor and a unit for presenting results, the first eddy current transducer, which includes measuring coils, the outputs of which are connected to the corresponding inputs of the first switch, which is connected by its output to the processing unit, and an excitation coil, characterized in that it is equipped with an additional eddy current transducer identical to the first eddy current transducer, the outputs of the measuring coils of which are connected to the corresponding inputs of the first switch, and is equipped with an additional switch, the first and second outputs of which are connected to the corresponding inputs of eddy current transducers, which are the inputs of the excitation coils, and the input of the additional switch is connected to the output of the generator of harmonic oscillations, while in the micro The processor implements an algorithm for determining the position and size of small-sized metal inclusions by fixing the signal values of the maximum input voltage U _max and the minimum input voltage U _min and comparing them with the values from the set of state planes stored in the microprocessor memory.