CS272321B1

CS272321B1 - Device for measuring cracks in electrically conductive materials

Info

Publication number: CS272321B1
Application number: CS8710274A
Authority: CS
Inventors: Jaroslav Kunt
Original assignee: Jaroslav Kunt
Priority date: 1987-12-30
Filing date: 1987-12-30
Publication date: 1991-01-15
Also published as: CS1027487A1

Abstract

Zařízení k měření hloubky, délky a sklonu trhlin v elektricky vodivých materiálech střídavou potenciometrickou metodou umožňuje u všech běžně používaných materiálů měřit uvedené veličiny bez použití etalonů umělých trhlin s využitím neporušeného místa poblíž trhliny ke kalibraci zařízení. Další výhodou zařízení je podstatné zjednodušení při kalibraci, nulování a volbě rozsahů při využití zařízení, včetně možnosti použití jen jednoho snímače pro všechny používané rozsahy měření. Zařízení se skládá z měřicího zařízení obsahujícího jeden ovládací prvek obvodu (8) a ze snímače, sestávajícího nejméně ze dvou proudových elektrod (3 a 4) a nejméně dvou napěťových elektrod (5 a 6). Dále je opatřeno ručkovým měřidlem (11) s nejméně dvěma měřicími stupnicemi s vyznačením nuly (14) méně citlivého rozsahu a nuly (15) citlivějšího rozsahu a mechanickou nulou (13).The device for measuring the depth, length and inclination of cracks in electrically conductive materials by the alternating potentiometric method enables the measurement of the specified quantities in all commonly used materials without the use of artificial crack standards, using an intact area near the crack to calibrate the device. Another advantage of the device is the significant simplification of calibration, zeroing and range selection when using the device, including the possibility of using only one sensor for all used measurement ranges. The device consists of a measuring device containing one circuit control element (8) and a sensor consisting of at least two current electrodes (3 and 4) and at least two voltage electrodes (5 and 6). It is further provided with a dial gauge (11) with at least two measuring scales with markings of zero (14) of the less sensitive range and zero (15) of the more sensitive range and a mechanical zero (13).

Description

Vynález se týká zařízení k měření trhlin v elektricky vodivých materiálech, zejména jejich tvaru, délky a sklonu pomocí střídavé potenciometrické metody s využitím nízké frekvence střídavého pracovního proudu.The invention relates to a device for measuring cracks in electrically conductive materials, in particular their shape, length and inclination, by means of an alternating potentiometric method using a low frequency alternating operating current.

V současné době se při měření hloubky trhlin v elektricky vodivých materiálech v defektoskopické praxi nejčastěji’používá potenciometrické metoda, která v tomto oboru dosahuje oproti metodám vířivých proudů a metodám ultrazvukovým nejpřesnějších výsledků. Potenciometrická metoda je založena na principu měření elektrické vodivosti ve směru kolmém k ploše trhliny. Praktická aplikace metody se provádí tak, že dvěma elektrodami se zavádí do zkoušené části povrchu střídavý nebo stejnosměrný proud a dalšími nejméně dvěma elektrodami, umístěnými mezi elektrodami přivádějícími proud, se měří úbytek napětí na úseku s trhlinou. 3e zřejmé, že proud musí trhlinu podcházet, takže jeho dráha se prodlužuje s rostoucí hloubkou trhliny. Ξ rostoucí délkou dráhy roste i její odpor, takže úbytek napětí v měřeném úseku s trhlinou se rovněž zvětšuje. Pokud jde o druh pracovního proudu, lze použít proud stejnosměrný i střídavý. Použití stejnosměrného proudu má výhodu v tom, že při dostatečné proudové hustotě v měřeném materiálu je možno indikovat i vady umístěné pod jeho povrchem. Podstatnou nevýhodou stejnosměrné metody je nutnost používat proud řádově 10 A. Střídavá potenciometrické metoda má proti stejnosměrné určité výhody. Střídavý proud probíhá následkem povrchového jevu povrchovou vrstvou a tím je jeho velikost pro stejný rozdíl měřeného napětí podstatně menší. Při praktickém měření se používá maximálně 1 A. Potenciometrické metoda je svou jednoduchostí, časovou nenáročností i na kvalifikaci obsluhy s přijatelnou přesností kolem 10 % nastaveného rozsahu významným přínosem při měření hloubky trhlin a tím i při rozhodování o míře porušení materiálu.At present, the potentiometric method is most often used in the measurement of crack depth in electrically conductive materials in defectoscopic practice, which achieves the most accurate results in this field compared to eddy current methods and ultrasonic methods. The potentiometric method is based on the principle of measuring electrical conductivity in a direction perpendicular to the crack surface. The practical application of the method is carried out by introducing alternating or direct current into the tested part of the surface by two electrodes and by measuring at least two electrodes placed between the current-supplying electrodes the voltage drop in the crack section. 3e it is clear that the current must undergo a crack, so that its path increases with increasing crack depth. Ξ as the length of the path increases, so does its resistance, so that the stress drop in the measured section with the crack also increases. Regarding the type of operating current, both direct current and alternating current can be used. The use of direct current has the advantage that, with a sufficient current density in the measured material, it is possible to indicate defects located below its surface. A significant disadvantage of the DC method is the need to use a current of the order of 10 A. The alternating potentiometric method has certain advantages over the DC method. The alternating current flows through the surface layer as a result of the surface phenomenon, and thus its magnitude is considerably smaller for the same difference in the measured voltage. A maximum of 1 A is used in practical measurements. The potentiometric method is a significant benefit in measuring the depth of cracks and thus in deciding the degree of material failure due to its simplicity, time-saving and operator qualification with an acceptable accuracy of around 10% of the set range.

Na základě potenciometrické metody jsou vyráběny a v defektoskopické praxi používány přístroje na měření hloubky trhlin využívající v převážné většině střídavě potenciometrické metody s pracovním proudem od 0,3 do 1,0 A a pracující na frekvenci cca 1 kHz. Tyto přístroje jsou přenosné, napájené z baterie nebo též ze sítě. Jejich podstatnou nevýhodou je nutnost používat etalonu s umělou trhlinou a to v případě přesného měření ze stejného materiálu jako je materiál měřený. Tato podmínka je v některých případech obtížně splnitelná a v případě ovlivnění materiálu tepelně, např. ve svarech nesplnitelná. Sklon trhliny je těmito přístroji buď obtížně měřitelný, nebo jeho měření není možné. Cejchování přístrojů před vlastním měřením je zvláště při montážních pracech zdlouhavé a vyžaduje častou kontrolu etalonem. Z komerčních přístrojů k měření hloubky trhlin je k aplikaci stejnosměrné metody vyráběn jen jeden typ, který pracuje bez využití etalonu a pro pokrytí celého měřicího rozsahu potřebuje pět různých snímačů. Přístroj je napájen ze sítě 220 V, ccž ztěžuje jeho použití při montážních pracech. Jeho pracovní proud je až 20 A stejnosměrných. Vzhledem k nutnosti měnit během měření pracovní proud i zesílení přístroje je do jisté míry ovlivněno měření bez použití etalonu.Based on the potentiometric method, devices for measuring the depth of cracks are manufactured and used in defectoscopic practice, using mostly potentiometric methods with an operating current from 0.3 to 1.0 A and operating at a frequency of about 1 kHz. These devices are portable, battery-powered or mains-operated. Their main disadvantage is the need to use a standard with an artificial crack in the case of accurate measurement of the same material as the material being measured. This condition is in some cases difficult to meet and in case of thermal influence of the material, eg in welds unsatisfiable. The slope of the crack is either difficult to measure with these devices or it is not possible to measure it. Calibration of instruments before the actual measurement is time-consuming, especially during assembly work, and requires frequent standard inspections. Of the commercial crack depth measuring instruments, only one type is produced for the application of the DC method, which works without the use of a standard and needs five different sensors to cover the entire measuring range. The device is powered from the 220 V mains, which makes it difficult to use it during installation work. Its operating current is up to 20 A DC. Due to the need to change the operating current and gain of the device during the measurement, the measurement without the use of a standard is to some extent affected.

Uvedené nedostatky odstraňuje zařízení k měření trhlin v elektricky vodivých materiálech pomocí střídavě potenciometrické metody, sestávající ze zdroje pracovního proudu a ze soustavy vyhodnocovacích prvků napětí sejmutého a měřeného materiálu. Soustava vyhodnocovacích prvků se skládá z dvojice proudových a napěťových elektrod, předzesilovače, obvodu řízení citlivosti, selektivního zesilovače, usměrňovače a ručkového měřidla. Podstata vynálezu spočívá v tom, že dvojice proudových elektrod je připojena na zdroj pracovního proudu o frekvenci ID až 100 Hz a dvojice napěťových elektrod je přes předzesilovač napojena na obvod řízení citlivosti. Výstup obvodu řízení citlivosti je přes selektivní . zesilovač spojen na usměrňovač, jehož vývod je spojen s ručkovým měřidlem. Ručkové měřidlo je opatřeno měřicí ručkou a nejméně dvěma měřicími stupnicemi s vyznačením nuly méně citlivého rozsahu a nuly citlivějšího rozsahu. Dále je ručkové měřidlo opatřeno mechanickou nulou. Poloha vyznačení nuly méně citlivého rozsahu a nuly citlivějšího rozsahu na ručkovém měřidle je závislá na pracovní frekvenci zdroje pracovního proudu a na vzájemné poloze proudových elektrod a napěťových elektrod.These shortcomings are eliminated by a device for measuring cracks in electrically conductive materials by means of an alternating potentiometric method, consisting of a working current source and a system of voltage evaluation elements of the removed and measured material. The set of evaluation elements consists of a pair of current and voltage electrodes, a preamplifier, a sensitivity control circuit, a selective amplifier, a rectifier and a hand-held meter. The essence of the invention lies in the fact that a pair of current electrodes is connected to a working current source with a frequency ID up to 100 Hz and a pair of voltage electrodes is connected to a sensitivity control circuit via a preamplifier. The output of the sensitivity control circuit is selective. the amplifier is connected to a rectifier, the output of which is connected to a hand-held meter. The hand gauge shall be provided with a measuring hand and at least two measuring scales indicating zero of the less sensitive range and zero of the more sensitive range. Furthermore, the hand gauge is equipped with a mechanical zero. The position of marking the zero of the less sensitive range and the zero of the more sensitive range on the hand gauge depends on the operating frequency of the working current source and on the relative position of the current electrodes and the voltage electrodes.

CS 272321 Bl 2CS 272321 Bl 2

Výhodou zařízení podle vynálezu je zejména možnost vytvořit na principu střídavé potenciometrické metody s využitím nízké frekvence pracovního proudu do 10 až 100 Mz přenosný, z baterie napájený přístroj k měření hloubky, délky a sklonu trhlin v elektricky vodivých materiálech. Zařízení má univerzální kalibraci pro všechny běžné materiály a k jeho cejchování není třeba etalonu umělých trhlin. Obsluha zařízení je velmi jednoduchá, všechny potřebné funkce jsou ovládány jedním ovládacím elementem. Podstatnou výhodou je jednoduchost obsluhy zařízení a s ní spojená vyšší přesnost naměřených hodnot, včetně možnosti měření sklonu trhliny. Uvedené výhody zařízení se projevují zejména při jeho použití při montážních pracích.The advantage of the device according to the invention is in particular the possibility to create a portable, battery-powered device for measuring the depth, length and inclination of cracks in electrically conductive materials on the principle of alternating potentiometric methods using a low frequency of operating current up to 10 to 100 Mz. The device has a universal calibration for all common materials and no standard of artificial cracks is required for its calibration. Operation of the device is very simple, all necessary functions are controlled by one control element. A significant advantage is the simplicity of operation of the device and the associated higher accuracy of measured values, including the possibility of measuring the slope of the crack. The stated advantages of the device are manifested especially in its use during assembly work.

Zařízení je pro měření na všech citlivostních rozsazích vybaveno jen jedním snímačem, což přináší výhody při výrobě přístroje i při jeho obsluze. Další předností zařízení podle vynálezu je možnost jeho využití při dalších aplikacích v nedestruktivní defektoskopii. Pomocí zařízení je možno třídit materiál na základě chemického složení nebo tepelného zpracování, měřit tlouštku materiálu přístupného jen z jedné strany do tloušíky cca 3 mm, hledat podpovrchové vady materiálu v hloubce do cca 3 mm a měřit tloušíky některých elektricky vodivých vrstev.The device is equipped with only one sensor for measurement on all sensitivity ranges, which brings advantages in the production of the device and in its operation. Another advantage of the device according to the invention is the possibility of its use in other applications in non-destructive defectoscopy. Using the device, it is possible to sort material based on chemical composition or heat treatment, measure the thickness of material accessible only from one side to a thickness of about 3 mm, search for subsurface defects of material at a depth of about 3 mm and measure the thickness of some electrically conductive layers.

Příkladné provedení zařízení podle vynálezu je schematický zobrazeno na připojeném vyobrazení, na kterém je uvedeno souhrnné schéma zapojení a uspořádání jednotlivých prvků zařízení.An exemplary embodiment of the device according to the invention is schematically shown in the attached figure, in which a general diagram of the connection and arrangement of the individual elements of the device is given.

Zařízení k měření hloubky, délky a sklonu trhlin v elektricky vodivých materiálech pomocí střídavé potenciometrické metody s nízkou frekvencí pracovního proudu sestává ze zdroje χ pracovního proudu, na jehož výstup je napojena prvá proudová elektroda 2 a druhá proudová elektroda 2· Obě proudové elektrody 2 ^a £ jsou přiloženy na měřený materiál 2 v blízkosti trhliny, jehož snímané napětí je prostřednictvím prvé napěíové elektrody 2 ^a druhé napěíové elektrody £ vedeno na vstup předzesilovače 2, jehož výstup je přes obvod £ řízení citlivosti spojen se vstupem selektivního zesilovače £ napojeného prostřednictvím usměrňovače 10 na ručkové měřidlo 11. Ručkové měřidlo 11 je opatřeno jednak měřicí ručkou 12 a vyznačením mechanické nuly 13, vyznačením nuly 14 méně citlivého rozsahu a vyznačením nuly 15 citlivějšího rozsahu. Místo vyznačení nuly 14 méně citlivého rozsahu a nuly 15 citlivějšího rozsahu na ručkovém měřidle 11 je závislé na pracovní frekvenci zdroje £ pracovního proudu, dále je závislé na vzájemném geometrickém uspořádání proudových elektrod £, £ a napěíových elektrod £, á·Device for measuring the depth, length and slope of cracks in the electrically conductive materials using an alternating potentiometric method with a low-frequency working stream comprising the source χ working stream at the output of which is connected to a first current electrode 2 and the second current electrode 2 · two current electrodes 2 ^and £ are applied to the material to be measured 2 near the crack, the sensed voltage of which is conducted via the first voltage electrode 2 ^{and the} second voltage electrode £ to the input of a preamplifier 2, the output of which is connected via a sensitivity control circuit to the input of a selective amplifier £ connected gauge 11. The hand gauge 11 is provided on the one hand with a measuring handle 12 and a marking of the mechanical zero 13, a marking of the zero 14 of the less sensitive range and a marking of the zero 15 of the more sensitive range. The location of the zero 14 of the less sensitive range and the zero 15 of the more sensitive range on the hand gauge 11 depends on the operating frequency of the working current source £, and on the mutual geometric arrangement of the current electrodes £, £ and voltage electrodes £, á ·.

Zdroj £ pracovního proudu dodává proud měřenému materiálu 2 prostřednictvím prvé proudové elektrody 2 ^a druhé proudové elektrody £. Z měřeného materiálu £ je přes první napěíovou elektrodu 2 ^a druhou napěiovou elektrodu £ vedeno snímané napětí na vstup předzesilovače 2, který předá zesílené napětí obvodu £ řízení citlivosti. Dále je napětí vedeno na vstup selektivního zesilovače £ naladěného na frekvenci zdroje pracovního proudu £. Zesílení napětí je pak předáno usměrňovači £0, který napájí ručkové měřidlo 11. Při cejchování zařízení pro měření na požadovaném druhu materiálu upravíme prostřednictvím obvodu řízení citlivosti £ výchylku ručky 12 měřidla 11 z mechanické nuly £3 měřidla £1, při hlubších trhlinách na nulu 14 méně citlivého rozsahu, nebo při méně hlubokých trhlinách na nulu 15 citlivějšího rozsahu. Po přiložení snímače s elektrodami £, £ a £ a £ na místo s trhlinou lze odečítat na zvoleném rozsahu hloubku trhliny.The working current source £ supplies a current to the material to be measured 2 via the first current electrode 2 ^{and the} second current electrode £. From the material to be measured, a ^{sensed voltage is applied via the first voltage electrode 2 and the} second voltage electrode 6 to the input of the preamplifier 2, which transmits the amplified voltage of the sensitivity control circuit 6. Furthermore, the voltage is fed to the input of a selective amplifier £ tuned to the frequency of the operating current source £. The voltage gain is then transmitted to the rectifier £ 0, which supplies the hand gauge 11. When calibrating the measuring device on the required type of material, we adjust the deflection of the hand 12 of the gauge 11 from the mechanical zero £ 3 of the gauge £ 1 to the zero 14 with deeper cracks. less sensitive range, or with less deep cracks to zero 15 more sensitive range. After placing the sensor with the electrodes £, £ and £ and £ in place with the crack, the crack depth can be read in the selected range.

Při měření tvaru trhliny v elektricky vodivém materiálu pomocí zařízení podle vynálezu se přiloží snímač se zabudovanými dvěma proudovými elektrodami £ a £ a dvěma napětovými elektrodami £ a £ na neporušené místo měřeného materiálu 2, a to poblíž jeho trhliny. Ovládacím prvkem obvodu £ řízení citlivosti se zvýší poté zesílení obvodu do hodnoty, aby měřicí ručka 12 ručkového měřidla 11 přešla z polohy mechanické nuly 13 do polohy nuly 14 méně citlivého rozsahu při hlubší trhlině. Při méně hluboké trhlině pak do polohy nuly 15 citlivějšího rozsahu. Tím je přístroj ocejchován. Poté se snímač se zabudovanými elektrodami £, 4 a £ a £ přemístí na měřenou trhlinu v materiálu 2 v kolmé poloze k napětovým elektrodám £ a £, mezi kterými prochází. Hloubka trhliny se poté změří změnou polohy íWhen measuring the crack shape in an electrically conductive material by means of the device according to the invention, a sensor with two current electrodes £ and £ and two voltage electrodes £ and £ is applied to the intact place of the material to be measured 2 near its crack. The control element of the sensitivity control circuit 6 then increases the gain of the circuit to a value so that the measuring handle 12 of the hand gauge 11 moves from the mechanical zero position 13 to the zero position 14 of a less sensitive range at a deeper crack. With a less deep crack, then to the zero position 15 of a more sensitive range. This calibrates the device. Then the sensor with built-in electrodes £, 4 and £ and £ is moved to the measured crack in the material 2 in a position perpendicular to the voltage electrodes £ and £, between which it passes. The crack depth is then measured by changing the position í

CS 272321 Bl měřicí ručky 12 ručkového měřidla 11 na zvoleném rozsahu citlivosti, ocejchovaném v mm. Nulová poloha obou rozsahů, tj. nuly 14 méně citlivého rozsahu a nuly 15 citlivějšího rozsahu je vytvořena tak, že při použité frekvenci zdroje 1. pracovního proudu a požadované citlivosti snímání hloubky trhliny, která je převážně dána vzájemnou vzdáleností proudových elektrod 2 ^a £ ^a napětových elektrod 2> £ ^se přiloží' dvojice elektrod 2> £ ^a £ na místo materiálu bez trhliny. Po nastavení požadované citlivosti obvodem £ řízení citlivosti je na ručkovém měřidle 11 zaznamenána poloha ručky 12, čímž je určena nulová poloha rozsahu nuly 14 méně citlivého rozsahu nebo nuly 15 citlivějšího rozsahu.CS 272321 B1 of the measuring hand 12 of the hand meter 11 on the selected sensitivity range, stamped in mm. The zero position of the two ranges, i.e. 14 zeros less sensitive range and zeros more sensitive screen 15 is formed so that when the used frequency source 1 and the operating current required for sensing the depth of the crack, which is mostly determined spacing between current electrodes 2 ^and £ ^and voltage The electrode 2> £ ^is applied to a pair of electrodes 2> £ ^and £ in place of the crack-free material. After setting the desired sensitivity by the sensitivity control circuit 6, the position of the handle 12 is recorded on the hand gauge 11, thereby determining the zero position of the zero range 14 of the less sensitive range or the zero 15 of the more sensitive range.

Tím je dosaženo možnosti univerzální kalibrace přístroje, přičemž jako etalon druhu materiálu 2 slouží bezvadné místo poblíž trhliny a zesílení potřebné k přemístění ručky 12 z mechanické nuly 13 měřidla 11 na nulu 14, 15, příslušného rozsahu upravuje citlivost přístroje pro přesné měření na požadovaném materiálu 2^.This enables universal calibration of the instrument, with a perfect location near the crack and the reinforcement required to move the handle 12 from the mechanical zero 13 of the meter 11 to zero 14, 15 as a standard of material type 2, adjusting the sensitivity of the instrument for accurate measurement on the required material 2. ^.

Sklon trhliny měříme tak, že snímač s proudovými a napětovými elektrodami 2, £, £, 6 přikládáme ve stejné vzdálenosti např. 1 mm podél trhliny z jedné a druhé strany. Při rozdílné hodnotě výchylky ručky 12 měřidla 11 je trhlina kolmá do místa větší výchylky ručky 12 měřidla 11. Velikost rozdílu výchylky je měřítkem kolmosti trhliny.The slope of the crack is measured by applying a sensor with current and voltage electrodes 2, £, £, 6 at the same distance, eg 1 mm along the crack on one and the other side. With a different value of the deflection of the handle 12 of the gauge 11, the crack is perpendicular to the location of the larger deflection of the handle 12 of the gauge 11. The magnitude of the difference in deflection is a measure of the perpendicularity of the crack.

Zařízení podle vynálezu je možno využít pro další aplikaci v nedestruktivní defektoskopii. Pomocí přístroje je možno třídit materiál na základě chemického složení nebo tepelného zpracování, hledat podpovrchové vady materiálu do hloubky cca 3 mm a do stejné hloubky měřit tlouštku materiálu přístupného jen z jedné strany.The device according to the invention can be used for further application in non-destructive defectoscopy. Using the device, it is possible to sort the material on the basis of chemical composition or heat treatment, look for subsurface defects of the material to a depth of about 3 mm and measure the thickness of the material accessible from only one side to the same depth.

Claims

OBJECT OF THE INVENTION

Device for measuring cracks in electrically conductive materials, especially their shape, inclination and depth using an alternating potentiometric method, consisting of a working current source and a system of voltage evaluation elements taken from the measured material, consisting of a pair of current and voltage electrodes, preamplifier, sensitivity circuit , a selective amplifier, a rectifier and a hand-held meter, characterized in that the pair of current electrodes (3, 4) is connected to a source (1) of operating current of 10 to 100 Hz and the pair of voltage electrodes (5, 6) is connected via a preamplifier ( 7) connected to a sensitivity control circuit (8), the output of which is connected via a selective amplifier (9) to a rectifier (10), the output of which is connected to a hand meter (11) provided with a measuring hand (12) and at least two measuring scales with zero marking (14) of less sensitive range and zero (15) of more sensitive range and mechanical zero (13), the position of marking of zero (14) of less sensitive range on the handle of the meter (11) depends on the operating frequency of the working current source (1) and on the mutual position of the current electrodes (3, 4) and the voltage electrodes (5, 61).