RU2067292C1

RU2067292C1 - Device assessing increment of contact dieference of potentials

Info

Publication number: RU2067292C1
Authority: RU
Inventors: А.М. Пронин
Original assignee: Самарский государственный технический университет
Priority date: 1992-06-30
Filing date: 1992-06-30
Publication date: 1996-09-27

Abstract

FIELD: mechanical engineering. SUBSTANCE: device is designed for nondestructive test of structural condition of material during process of manufacture and testing of parts of machines and samples. For test of energy condition there are used two electrodes mounted for reciprocating motion. This makes it possible to conduct simultaneous measurements on two different surfaces of part, one of them was subjected or is subjected to action and the other one is not. Comparator indicates difference of measured values of contact difference of potentials which value is fed to register. EFFECT: increased operational stability of device. 1 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для неразрушающего контроля структурного состояния материала в ходе изготовления и испытания деталей машин и образцов. The invention relates to mechanical engineering and can be used for non-destructive testing of the structural state of the material during the manufacture and testing of machine parts and samples.

Известно аналогичное техническое решение, в котором измеряют контактную разность потенциалов (КРП) между исследуемым материалом и электродом сравнения, который с целью уменьшения погрешности и упрощения процесса измерения (уменьшения количества измерений) выполняют из того же металла (а.с. N 316000 G 01 n 27/6010, Б.И. N 29, 1971) [1]
Однако недостаток данного решения состоит в том, что при контроле нескольких образцов (деталей) значение изменения измеренной величины КРП будет нести в себе погрешность, обусловленную различием в исходной микроструктуре, субмикроструктуре (физическом состоянии), которое всегда присутствует и является следствием проявления случайных факторов при их изготовлении, т.е. в исходном состоянии, до помещения образца в среду с нестационарными параметрами КРП не будет нулевой по отношению ко всем образцам. Иначе говоря, при контроле нескольких образцов (деталей), подвергнутых воздействию, будут получены различные величины КРП U₁; U₂; U₃.U_n.A similar technical solution is known in which the contact potential difference (CRP) between the test material and the reference electrode is measured, which, in order to reduce the error and simplify the measurement process (reduce the number of measurements), is made of the same metal (a.s. N 316000 G 01 n 27/6010, B. I. N 29, 1971) [1]
However, the disadvantage of this solution is that when controlling several samples (parts), the value of the change in the measured value of the CRP will carry an error due to the difference in the initial microstructure, submicrostructure (physical state), which is always present and is a consequence of the occurrence of random factors during their manufacture, i.e. in the initial state, before the sample is placed in an environment with non-stationary parameters, the CRP will not be zero with respect to all samples. In other words, when controlling several samples (parts) exposed, various values of the UPC U ₁ will be obtained; U ₂ ; U ₃ .U _n .

Известно устройство для контроля работы узлов трения (а.с. СССР N 615379 G 01 M 13/04, Б.И. N 26, 1978) [2] Оно содержит эталонный образец (электрод сравнения), смонтированный с возможностью возвратно-поступательного перемещения (обеспечивается модулятором), дифференциальный усилитель, неинвестирующий вход которого соединен с эталонным образцом и резистором, а выход с индикатором нулевого сигнала (фазовым детектором), частотоизбирательный фильтр, включенный между инвертирующим входом усилителя и его выходом, регулируемый источник постоянного напряжения (интегратор), выход которого соединен с резистором и вольтметр (регистратор). Недостаток этого решения заключается в том, что если контроль изменения КРП осуществляется путем однократного измерения после технологического или эксплуатационного воздействия, то по разным образцам деталей будут получены неодинаковые значения КРП, вследствие различия в исходном физическом состоянии материала. Это колебание значений КРП будет свидетельствовать о неопределенности, неточности фактического значения величины изменения КРП. Если же производить измерение КРП по схеме до и после технологического или эксплуатационного воздействия, то это приведет к увеличению числа измерений и усложнению процесса оценки изменений. Кроме того, следует отметить еще одно обстоятельство. При длительном измерении КРП, что может иметь место при оценке партии образцов (деталей), или долговременном испытании с непрерывной регистрацией КРП, ее значения могут нести в себе погрешность, обусловленную изменением климатических условий (температуры, влажности и др.), влияющих на состояние поверхностного слоя исследуемого материала и эталонного образца (электрода сравнения). A device for monitoring the operation of friction units (AS USSR N 615379 G 01 M 13/04, B. I. N 26, 1978) [2] It contains a reference sample (reference electrode) mounted with the possibility of reciprocating movement (provided by a modulator), a differential amplifier whose non-investing input is connected to a reference sample and a resistor, and an output with a zero signal indicator (phase detector), a frequency-selective filter connected between the inverting input of the amplifier and its output, an adjustable constant voltage source I (integrator) whose output is connected to a resistor and a voltmeter (registrar). The disadvantage of this solution is that if the control of the change in the control factor is carried out by a single measurement after a technological or operational impact, then the different values of the control function will be obtained from different samples of the parts, due to the difference in the initial physical state of the material. This fluctuation in the values of the PKK will indicate the uncertainty, inaccuracy of the actual value of the change in the PKK. If, however, PKK is measured according to the scheme before and after the technological or operational impact, then this will lead to an increase in the number of measurements and complication of the process of assessing changes. In addition, another circumstance should be noted. With a long-term measurement of the CRP, which may occur when evaluating a batch of samples (parts), or a long-term test with continuous registration of the CRP, its values may carry an error due to changes in climatic conditions (temperature, humidity, etc.) that affect the state of the surface a layer of the test material and a reference sample (reference electrode).

Цель предлагаемого технического решения состоит в повышении точности оценки изменений КРП вследствие технологических или эксплуатационных воздействий путем однократного измерения КРП. The purpose of the proposed technical solution is to increase the accuracy of the assessment of changes in the PKK due to technological or operational impacts by a single measurement of the PKK.

Цель достигается тем, что предлагаемое устройство снабжено вторым резистором, вторым электродом, выполненным с возможностью возвратно-поступательного перемещения и соединенным с первым выводом второго резистора, вторым дифференциальным усилителем, вторым частотно-избирательным фильтром, включенным в цепь отрицательной обратной связи второго дифференциального усилителя к неинвертирующему входу которого подключен второй электрод, первым и вторым генератором, каждый из которых выполнен с возможностью синхронизации с перемещениями первого и второго электродов, первым фазовым детектором, входы которого соединены с выходами первого дифференциального усилителя и первого генератора, вторым фазовым детектором, входы которого соединены с выходами второго дифференциального усилителя и второго генератора, первым интегрирующим фильтром, вход которого подключен к выходу первого фазового детектора, вторым интегрирующим фильтром, вход которого подключен к выходу второго фазового детектора, компаратор, входы которого подключены к выходам первого и второго интегрирующих фильтров, а выход подключен ко входу индикатора, при этом второй выход первого резистора соединен с выходом первого интегрирующего фильтра и второй вывод второго резистора соединен с выходом второго интегрирующего фильтра. The goal is achieved by the fact that the proposed device is equipped with a second resistor, a second electrode configured to reciprocate and connected to the first output of the second resistor, a second differential amplifier, a second frequency-selective filter, included in the negative feedback circuit of the second differential amplifier to a non-inverting the input of which is connected to the second electrode, the first and second generator, each of which is configured to synchronize with movements of the first and second electrodes, the first phase detector, the inputs of which are connected to the outputs of the first differential amplifier and the first generator, the second phase detector, the inputs of which are connected to the outputs of the second differential amplifier and the second generator, the first integrating filter, the input of which is connected to the output of the first phase detector, a second integrating filter, the input of which is connected to the output of the second phase detector, a comparator, whose inputs are connected to the outputs of the first and second integrating phi liters, and the output is connected to the indicator input, while the second output of the first resistor is connected to the output of the first integrating filter and the second output of the second resistor is connected to the output of the second integrating filter.

Изобретение поясняется чертежом, на котором изображена блок-схема устройства. The invention is illustrated in the drawing, which shows a block diagram of a device.

Устройство содержит два электрода 1 и 8, выполненных с возможностью возвратно-поступательного перемещения, каждый из которых подключен к неинвертирующему входу соответствующих дифференциальных усилителей 2 и 2'. В цепь отрицательной обратной связи этих усилителей включены частотно-избирательные фильтры 4 и 4'. К неинвертирующему входу дифференциальных усилителей 2 и 2' подключены также первые выводы соответствующих резисторов 3 и 3'. Входы фазовых детекторов 5 и 5' соединены с выходами соответствующих дифференциальных усилителей 2 и 2' и генераторов 6 и 6', а их (5 и 5') выходы подключены к входу соответствующих интегрирующих фильтров 7 и 7'. Генераторы выполнены с возможностью синхронизации с перемещениями связанных с ними электродов 1 и 8. Выход интегрирующих фильтров 7 и 7' подключен к компаратору 9, в свою очередь выход компаратора 9 соединен с индикатором 10, при этом второй выход резисторов 3 и 3' связан также с выходами соответствующих фильтров 7 и 7'. The device contains two electrodes 1 and 8, made with the possibility of reciprocating movement, each of which is connected to a non-inverting input of the corresponding differential amplifiers 2 and 2 '. Frequency selective filters 4 and 4 'are included in the negative feedback circuit of these amplifiers. The non-inverting input of the differential amplifiers 2 and 2 'is also connected to the first conclusions of the corresponding resistors 3 and 3'. The inputs of the phase detectors 5 and 5 'are connected to the outputs of the corresponding differential amplifiers 2 and 2' and the generators 6 and 6 ', and their (5 and 5') outputs are connected to the input of the corresponding integrating filters 7 and 7 '. The generators are arranged to synchronize with the movements of the associated electrodes 1 and 8. The output of the integrating filters 7 and 7 'is connected to the comparator 9, in turn, the output of the comparator 9 is connected to the indicator 10, while the second output of the resistors 3 and 3' is also connected with the outputs of the respective filters 7 and 7 '.

Реальные детали машиностроения и образцы имеют определенную структуру геометрического строения, т.е. состоят из комплекса отдельных поверхностей. При этом, как правило, технологическому воздействию на каком-то этапе или эксплуатационному испытанию подвергают не все поверхности, а лишь некоторые из них. Тогда, если производить одновременное измерение КРП с двух разных поверхностей, из которых одна подвергалась (подвергается) технологическому или эксплуатационному воздействию, а другая нет, то по разности значений КРП с этих поверхностей можно судить о ее фактическом изменении, обусловленном технологическим или эксплуатационным воздействием, свободном от влияния исходного структурного состояния материала при контроле деталей (образцов) и от влияния изменений климатических условий при измерении. Real engineering details and samples have a certain geometric structure structure, i.e. consist of a complex of individual surfaces. Moreover, as a rule, not all surfaces, but only some of them, are subjected to technological impact at some stage or operational test. Then, if simultaneous measurement of the KRP from two different surfaces, of which one has undergone (is) a technological or operational impact, and the other is not, then by the difference in the values of the KRP from these surfaces, one can judge its actual change due to the technological or operational impact, free from the influence of the initial structural state of the material during the control of parts (samples) and from the influence of changes in climatic conditions during measurement.

Для контроля энергетического состояния электрод 1 устанавливается над поверхностью 11, подвергнутой воздействию, на расстоянии не более 1 мм, а электрод 8 над исходной поверхностью 12. Возникающее, вследствие воздействия, приращение контактной разности потенциалов выявляется следующим образом. To control the energy state, the electrode 1 is installed above the exposed surface 11 at a distance of not more than 1 mm, and the electrode 8 is above the original surface 12. The resulting, due to the impact, increment of the contact potential difference is detected as follows.

Колебательное движение электродов 1 и 8 приводит к изменению расстояния между обкладками конденсаторов 1-11 и 8-12, а значит и их емкости. При достаточно большом сопротивлении резисторов 3 и 3' заряд не будет успевать полностью стекать с обкладок конденсаторов за период изменения их емкости, что вызовет появление переменных потенциалов на неинвертирующем входе дифференциальных усилителей 2 и 2', охваченных частотно-избирательной обратной связью 4 и 4', настроенной на частоту механических колебаний вибраторов. С выхода усилителей полезный сигнал поступает на вход соответствующих фазовых детекторов 5 и 5', куда также поступает опорный сигнал с генераторов 6 и 6'. Продетектированные сигналы, пройдя через интегрирующие фильтры 7 и 7' и резисторы 3 и 3', подаются на обкладки динамических конденсаторов 1-11 и 8-12, стремясь скомпенсировать контактную разность потенциалов. Одновременно эти же сигналы с выхода интегрирующих фильтров поступают на вход компаратора 9, где выявляется разность значений КРП между электродом 1 и поверхностью 11, подвергнутой воздействию и электродом 8 и исходной поверхностью 12, соответствующая фактическому изменению ΔKРП под влиянием технологического или эксплуатационного воздействия на поверхность. Эта величина ΔКРП подается на вход индикатора 10. Фазочувствительные детекторы 5 и 5' настроены таким образом, что их выходной потенциал понижается при фазе переменного сигнала, соответствующей превышению потенциалом компенсации значения КРП и возрастает в противном случае. Тогда, при потенциале компенсации, равном КРП, заряд на динамическом конденсаторе будет скомпенсирован и переменный сигнал на входе дифференциального усилителя отсутствовать. При отклонении потенциала компенсации от КРП конденсатор зарядится и на входе дифференциального усилителя появится переменный потенциал, в зависимости от фазы которого фазочувствительный детектор отработает потенциал компенсации таким образом, чтобы восстановить его равенство значению КРП. The oscillatory motion of the electrodes 1 and 8 leads to a change in the distance between the plates of the capacitors 1-11 and 8-12, and hence their capacitance. With a sufficiently large resistance of the resistors 3 and 3 ', the charge will not have time to completely drain from the plates of the capacitors during the period of changing their capacitance, which will cause the appearance of variable potentials at the non-inverting input of the differential amplifiers 2 and 2', covered by frequency-selective feedback 4 and 4 ', tuned to the frequency of mechanical vibrations of vibrators. From the output of the amplifiers, the useful signal is fed to the input of the corresponding phase detectors 5 and 5 ', where the reference signal from the generators 6 and 6' also receives. The detected signals, passing through the integrating filters 7 and 7 'and the resistors 3 and 3', are applied to the plates of the dynamic capacitors 1-11 and 8-12, trying to compensate for the contact potential difference. At the same time, the same signals from the output of the integrating filters are fed to the input of the comparator 9, where the difference between the CRP values between the electrode 1 and the surface 11 exposed to the electrode 8 and the initial surface 12, which corresponds to the actual change in ΔKRP under the influence of technological or operational effects on the surface, is detected. This value ΔKRP is fed to the input of the indicator 10. The phase-sensitive detectors 5 and 5 'are configured in such a way that their output potential decreases with the phase of the alternating signal corresponding to the excess of the compensation potential of the value of the KRP and increases otherwise. Then, with the compensation potential equal to the CRP, the charge on the dynamic capacitor will be compensated and there will be no alternating signal at the input of the differential amplifier. If the compensation potential deviates from the KRP, the capacitor is charged and an alternating potential appears at the input of the differential amplifier, depending on the phase of which the phase-sensitive detector will work out the compensation potential in such a way as to restore its equality to the value of the KRP.

Таким образом, представленная схема измерения позволяет устранить влияние колебания свойств исходного структурного состояния материала и изменений климатических условий на точность оценки приращения КРП. Thus, the presented measurement scheme makes it possible to eliminate the influence of fluctuations in the properties of the initial structural state of the material and changes in climatic conditions on the accuracy of estimating the increment of the CRP.

Устройство позволяет производить физически обоснованное сравнение различных методов и режимов обработки поверхностей и на этой основе выявлять оптимальные. Кроме того, в рамках выборочного контроля, оно может быть использовано в производстве для оценки правильности настроенности технологических операций. The device allows physically justified comparison of various methods and modes of surface treatment and on this basis to identify the optimal. In addition, within the framework of selective control, it can be used in production to assess the correctness of the mood of technological operations.

Сравнение с базовым объектом. Базовый объект прототип. Comparison with the base object. The base object is a prototype.

В заключение в качестве примера приведем сравнение результатов измерений, полученных на устройстве прототипа и заявляемом устройстве. С этой целью было изготовлено десять одинаковых образцов, каждый из которых имел две цилиндрических поверхности шириной по 20 мм и диаметром 50 мм, разделенных канавкой шириной 4 мм, диаметром 45 мм. Первоначально обе поверхности всех образцов обрабатывались точением с одинаковыми режимами обработки. Затем одна поверхность каждого из образцов подвергалась поверхностному пластическому деформированию (ППД) обкатыванием шаром диаметром 10 мм с усилием 750 Н и подачей 0,1 мм/об. В результате такой обработки происходит существенное изменение структуры поверхностного слоя. Ставится задача оценить изменение КРП, происшедшее вследствие обработки ППД. Измерения по прототипу на поверхности, подвергнутой ППД, дали значения КРП в диапазоне от 145 до 350 мВ для всех десяти образцов. Однако эти результаты отражают величину изменения КРП по отношению к материалу электрода и никак не свидетельствуют о величине изменения КРП вследствие ППД. Другой путь состоит в измерении КРП до ППД и после. Если построить эту процедуру обезличенно по отношению к образцам, то результаты измерений по 10 образцам выглядят так: до ППД значения КРП были в диапазоне от 247 до 500 мВ, после ППД от 145 до 350 мВ. В этом случае также трудно судить о фактическом изменении КРП, происшедшем вследствие ППД, т.к. результаты замеров КРП до и после ППД пересекаются. Еще более трудно говорить о возможности идентификации поверхностей по абсолютной величине КРП на предмет: была ли поверхность обработана ППД, или нет. Так, например, значение КРП=300 мВ может соответствовать и точной поверхности и обработанной ППД. Другой вариант определения КРП до и после ППД состоит в фиксации результатов измерений к конкретному образцу, которые приведены в таблице. Однако следует сказать, что такая организация измерений существенно осложняет оценку КРП, особенно если она осуществляется в условиях производства. В этой же таблице приведены результаты измерений с использованием заявляемого устройства одновременно двумя электродами. In conclusion, as an example, we compare the measurement results obtained on the prototype device and the claimed device. For this purpose, ten identical samples were made, each of which had two cylindrical surfaces 20 mm wide and 50 mm in diameter, separated by a groove 4 mm wide and 45 mm in diameter. Initially, both surfaces of all samples were machined with the same processing conditions. Then, one surface of each of the samples was subjected to surface plastic deformation (PPD) by rolling around a ball with a diameter of 10 mm with a force of 750 N and a feed of 0.1 mm / rev. As a result of this treatment, a significant change in the structure of the surface layer occurs. The task is to assess the change in the KRP that has occurred as a result of the processing of the PDP. Measurements on the prototype on the surface subjected to PPD, gave the values of the CRP in the range from 145 to 350 mV for all ten samples. However, these results reflect the magnitude of the change in the CRP with respect to the material of the electrode and in no way indicate the magnitude of the change in the CRP due to the SPD. Another way is to measure the CRP before and after the PDP. If we construct this procedure anonymously with respect to the samples, then the results of measurements on 10 samples look like this: before the PDP, the values of the CRP were in the range from 247 to 500 mV, after the PDP from 145 to 350 mV. In this case, it is also difficult to judge the actual change in the PKK that occurred as a result of the PDD, because measurement results of CRP before and after RPM intersect. It is even more difficult to talk about the possibility of identifying surfaces by the absolute value of the CRP for an object: whether the surface has been treated with PPD or not. So, for example, the value of KRP = 300 mV can correspond to both the exact surface and the processed PPD. Another option for determining the CRP before and after the PDP is to fix the measurement results to a specific sample, which are given in the table. However, it should be said that such an organization of measurements significantly complicates the evaluation of PKP, especially if it is carried out in a production environment. The same table shows the measurement results using the inventive device simultaneously with two electrodes.

Как видно из таблицы, значения ΔU по прототипу имеют больший диапазон рассеяния, чем по заявляемому устройству и, следовательно, меньшую точность оценки. Кроме того, процедура оценки изменения КРП более сложна, громоздка и длительна. As can be seen from the table, the ΔU values of the prototype have a larger scattering range than for the claimed device and, therefore, lower accuracy of the estimate. In addition, the procedure for assessing changes in PKK is more complex, cumbersome and lengthy.

Готовность: опытный образец, прошедший лабораторные испытания на кафедре "технология машиностроения" с подтверждением ожидаемого положительного эффекта. Readiness: a prototype that has passed laboratory tests at the Department of Engineering Technology with confirmation of the expected positive effect.

Внедрение намечено на 1991г, в ПО "Куйбышевбурмаш" для контроля настроенности технологических операций при изготовлении деталей буровых долот и оценки качества поверхностей. ТТТ1 Implementation is scheduled for 1991 in the Kuibyshevburmash software to control the mood of technological operations in the manufacture of drill bit parts and assess the quality of surfaces. TTT1

Claims

A device for estimating the increment of the contact potential difference, comprising a first electrode made with the possibility of reciprocating movement and connected to a non-inverting input of the first differential amplifier, a first frequency-selective filter included in the negative feedback circuit of the first differential amplifier, the first resistor, the first output of which connected to a non-inverting input of the first differential amplifier, and an indicator, characterized in that the second resistor is introduced, the second the second electrode, made with the possibility of reciprocating movement and connected to the first output of the second resistor, a second differential amplifier, a second frequency-selective filter included in the negative feedback circuit of the second differential amplifier and to the non-inverting input of which a second electrode is connected, the first and second generators each of which is configured to synchronize with the movements of the first and second electrodes, the first phase detector, the inputs of which are connected to the outputs and the first differential amplifier and the first generator, the second phase detector, the inputs of which are connected to the outputs of the second differential amplifier and the second generator, the first integrating filter, the input of which is connected to the output of the first phase detector, the second integrating filter, the input of which is connected to the output of the second phase detector, a comparator, the inputs of which are connected to the outputs of the first and second integrating filters, and the output is connected to the indicator input, while the second output of the first resistor is connected to the output of the first integrating filter and the second output of the second resistor is connected to the output of the second integrating filter.