RU2677081C1

RU2677081C1 - Eddy current measuring system to control quality and thickness of hardening coatings on metal basis

Info

Publication number: RU2677081C1
Application number: RU2018100701A
Authority: RU
Inventors: Алексей Владимирович Ишков; Виктор Васильевич Иванайский; Николай Тихонович Кривочуров; Анатолий Михайлович Сагалаков; Сергей Федорович Дмитриев; Владимир Николаевич Маликов
Priority date: 2017-12-28
Filing date: 2017-12-28
Publication date: 2019-01-15

Abstract

FIELD: defectoscopy.SUBSTANCE: invention relates to methods of non-destructive testing and allows to investigate reinforcing boride coatings applied on a steel base and to make a conclusion about the quality of the coating on steel. Method of studying the quality and wear resistance of reinforcing boride coatings, based on the analysis of the two-frequency signal of the eddy current transducer, is an estimate of the standard deviation of the signal of the eddy current transducer using a measuring system that includes a personal computer with software and blocks for generating, filtering, separating the signal.EFFECT: improving the accuracy of determining the quality and durability of the boride coating, reducing the influence of the gap between the eddy current transducer and the product under test on the inspection results.1 cl, 2 dwg, 1 tbl

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 на возбуждающие обмотки вихретоковых преобразователей подается сигналы двух частот, после чего производят сравнение напряжений, индуцируемых в измерительную обмотку преобразователей, параллельно с чем осуществляют линейное изменение частоты одного из сигналов до момента, в котором частоты двух сигналов совпадут. [1. Коноваленко В.В. Двухчастотный толщиномер. Авт. свид. 1078239, кл. G01B 7/06, бюл. 9, 1984 г.].There is a method of two-frequency control of the thickness of an electrically conductive coating, according to which the signals of two frequencies are applied to the exciting windings of the eddy current transducers, after which the voltages induced in the measuring winding of the transducers are compared, in parallel with which the frequency of one of the signals is ramped up to the moment at which the frequencies two signals coincide. [one. Konovalenko V.V. Dual frequency thickness gauge. Auth. testimonial. 1078239, cl. G01B 7/06, bull. 9, 1984].

Точность данного способа контроля ограничена изменением скорости и нелинейностью развертки частоты первого сигнала во времени, а также влиянием зазора между вихретоковым преобразователем и объектом контроля, 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 control object, 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 [Беликов Е.Г., Тимаков Л.К. Вихретоковый способ двухпараметрического контроля изделий. Авт. свид. 1608422, кл. G01B 7/06, бюл. 43,1980 г. (прототип)].There is also a method of two-parameter control, which consists in the fact that after the formation of the signal that excites 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 [Belikov EG, Timakov L.K. Eddy current method of two-parameter control of products. Auth. testimonial. 1608422, cl. G01B 7/06, bull. 43.1980 g. (Prototype)].

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 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 ограничивается вариациями электрической проводимости объекта контроля, которая влияет на результат преобразования. Так, при измерениях толщины медного гальванического покрытия вариация температуры на 10°C приводит к дополнительной погрешности 4% из-за уменьшения электрической проводимости покрытия.The accuracy of control by this method is limited by variations in the electrical conductivity of the test object, which affects the conversion result. So, when measuring the thickness of a copper plating, a temperature variation of 10 ° 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, в соответствии с которым формируется высокочастотный и низкочастотный сигналы, поступающие на возбуждающие катушки вихретоковых преобразователей, первый из которых используют для измерения удельной электрической проводимости изделия, а второй - для измерения его толщины, причем по результатам измерения параметров высокочастотного напряжения первого преобразователя регулируют частоту низкочастотного возбуждающего сигнала и определяют толщину контролируемого изделия по результатам обработки амплитудно-фазовых параметров выходного напряжения второго низкочастотного преобразователя [Незамаев С.Р., Бошин С.Н., Шмелев Л.С. Вихретоковый толщиномер. Авт. свид. 1670368, бюл. 30, 1991 г.].Closest to the invention in technical essence is a two-frequency method of non-destructive testing of products, in accordance with which high-frequency and low-frequency signals are generated that are applied to the exciting coils of eddy current transducers, the first of which is used to measure the electrical conductivity of the product, and the second to measure its thickness, moreover, according to the results of measuring the parameters of the high-frequency voltage of the first Converter regulate the frequency of the low-frequency exciting of the signal and determine the thickness of the tested article on the results of processing the amplitude and phase parameters of the second low frequency inverter output voltage [Nezamaev SR, SN Boshin, Shmeliov LS Eddy current thickness gauge. Auth. testimonial. 1670368, bull. 30, 1991].

Недостатком известного способа является низкая точность контроля при вариациях удельной электрической проводимости в пределах объекта контроля. Низкая точность вызвана тем, что для сохранения стабильности обобщенного параметра, зависящего от радиуса эквивалентного витка преобразователя, удельной электрической проводимости и абсолютной магнитной проницаемости и частоты f возбуждающего сигнала, необходимо реализовать обратно пропорциональную зависимость между частотой и проводимостью т.е. при реализации способа требуется использовать амплитудные и фазовые детекторы с нелинейной характеристикой преобразования. Помимо этого, на амплитуду выходного напряжения вихретокового преобразователя оказывает существенное влияние зазор между контролируемым изделием и преобразователем, вызывающего дополнительные погрешности. Существенным недостатком также является наличие двух вихретоковых преобразователей, что приводит к усложнению конструкции и увеличению уровня помех сигнала, несущего информацию об объекте контроля.The disadvantage of this method is the low accuracy of the control with variations in electrical conductivity within the control object. The low accuracy is due to the fact that in order to maintain the stability of the generalized parameter, which depends on the radius of the equivalent coil of the transducer, electrical conductivity and absolute magnetic permeability and frequency f of the exciting signal, it is necessary to realize an inversely proportional relationship between frequency and conductivity i.e. when implementing the method, it is required to use amplitude and phase detectors with a nonlinear conversion characteristic. In addition, the amplitude between the monitored product and the transducer, which causes additional errors, has a significant effect on the amplitude of the output voltage of the eddy current transducer. A significant drawback is the presence of two eddy current transducers, which leads to a complication of the design and an increase in the level of interference of the signal that carries information about the control object.

Технической задачей изобретения является повышение точности определения качества и износостойкости боридного покрытия 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 accuracy of determining the quality and wear resistance of boride coatings by eliminating errors due to changes in electrical conductivity over a wide range and reducing the influence of the gap between the eddy current transducer and the controlled product on the control results.

Настоящая задача решается тем, что заявляемый способ исследования боридных покрытий представляет собой оценку среднеквадратичного отклонения сигнала вихретокового преобразователя с использованием измерительной системы, включающей персональный компьютер с программным обеспечением и блоки генерации, фильтрации, разделения сигнала. Блок генерации формирует сигналы и передает сигналы частоты f1 и f2 на возбуждающую катушку вихретокового преобразователя, которая создает электромагнитное поле, индуцирующее вихревые токи в электропроводящем объекте контроля. Вихревые токи создают электродвижущую силу в измерительной катушке вихретокового преобразователя в виде сигнала. Сигнал проходит через блоки разделения, каждый из которых управляется программным блоком фильтрации, связанным с программным блоком генерации. В результате сигнал разделяется на два сигнала частотой f1 и f2, несущих информацию о материале основы и покрытия соответственно. Изменение частоты фильтрации происходит одновременно с изменением частоты генерации. Два сигнала передаются на амплитудный детектор, затем через аналого-цифровой преобразователь в программный блок обработки сигнала, где происходит вычисление разности амплитуды сигнала f2 и амплитуды сигнала f1, после чего результаты измерений выводятся на экран персонального компьютера в виде графика. Разность амплитуд двух сигналов частоты f1 и f2 несет информацию о состоянии покрытия исходя из значения среднеквадратичного отклонения (СКО) полученной разности.The present problem is solved in that the inventive method for the study of boride coatings is an estimate of the standard deviation of the eddy current transducer signal using a measuring system including a personal computer with software and blocks for generating, filtering, and separating the signal. The generation unit generates signals and transmits frequency signals f1 and f2 to the exciting coil of the eddy current transducer, which creates an electromagnetic field that induces eddy currents in an electrically conductive monitoring object. Eddy currents create an electromotive force in the measuring coil of the eddy current transducer in the form of a signal. The signal passes through the separation units, each of which is controlled by a filtering software unit associated with the generation software unit. As a result, the signal is divided into two signals of frequency f1 and f2, which carry information about the base material and the coating, respectively. A change in the filtering frequency occurs simultaneously with a change in the generation frequency. Two signals are transmitted to an amplitude detector, then through an analog-to-digital converter to a signal processing software unit, where the difference between the signal amplitude f2 and signal amplitude f1 is calculated, after which the measurement results are displayed on a personal computer in the form of a graph. The difference in amplitudes of two frequency signals f1 and f2 carries information about the state of the coating based on the mean square deviation (RMS) of the resulting difference.

Заявляемый способ отличается от прототипа:The inventive method differs from the prototype:

- Использованием исключительно амплитудного детектора с линейной характеристикой преобразования.- Using exclusively an amplitude detector with a linear conversion characteristic.

- Использованием одного вихретокового преобразователя.- Using one eddy current transducer.

- Наличием автоматического синхронного изменения рабочих частот вихретокового преобразователя и частот фильтрации принимаемого сигнала.- The presence of automatic synchronous changes in the operating frequencies of the eddy current transducer and the filtering frequencies of the received signal.

- В качестве информативного параметра, дающем информацию о качественном состоянии боридного покрытия, используют среднеквадратичное отклонение разности амплитуды сигналов f2 и f1.- As the informative parameter that gives information about the qualitative state of the boride coating, the standard deviation of the difference in the amplitude of the signals f2 and f1 is used.

Использование двухчастотного сигнала, с возможностью быстрого и одновременного изменения рабочей частоты прибора и частоты фильтрации, позволяет избавиться от влияния зазора между вихретоковым преобразователем и контролируемым изделием при проведении измерений. Использование в качестве информативного параметра среднеквадратичного отклонения, позволяет реализовать измерительную систему без использования элементов с нелинейной характеристикой и с использованием исключительно амплитудного метода контроля. За счет вычитания амплитуд сигналов, несущих информацию об основе и о покрытии, становится возможным повысить помехозащищенность сигнала, несущего информацию об объекте контроля.The use of a two-frequency signal, with the ability to quickly and simultaneously change the operating frequency of the device and the filtering frequency, eliminates the influence of the gap between the eddy current transducer and the controlled product during measurements. Using the standard deviation as an informative parameter, it allows you to implement a measuring system without the use of elements with non-linear characteristics and using exclusively the amplitude control method. By subtracting the amplitudes of the signals carrying information about the base and the coverage, it becomes possible to increase the noise immunity of the signal carrying information about the object of control.

Способ осуществляют следующим образом: на поверхность стали марки 65 Г наносят покрытия, изготовленные из составов борирующей смеси на основе карбида бора и аморфного бора. Боридные покрытия на стали 65Г получают из модифицированой смеси состава 2Al + B2O3, содержащей флюс П-0.66. Температура процесса борирования составляет 950 - 1250°C, время процесса насыщения - 40-180 сек. Составы наносят на предварительно подготовленную (зачищенную) поверхность пластин из стали 65Г, в виде обмазок, и после высушивания подвергают нагреву по одинаковому режиму: сначала до момента инициирования СВС (самораспространяющийся высокотемпературный синтез) процесса, а затем, при сниженной на 25% мощности генератора, еще в течении 60-80 с. Перед исследованием образцов их поверхность обрабатывают 4%-ым раствором азотной кислоты в этиловом спирте в течение 5-7 секунд. После этого образец исследуют с использованием предложенного способа, представляющего собой оценку среднеквадратичного отклонения сигнала вихретокового преобразователя с использованием измерительной системы, включающей персональный компьютер с программным обеспечением и блоки генерации, фильтрации, разделения сигнала (фиг. 1).The method is as follows: on the surface of steel grade 65 G apply coatings made from compositions of a boron mixture based on boron carbide and amorphous boron. Boride coatings on 65G steel are obtained from a modified mixture of composition 2Al + B2O3 containing P-0.66 flux. The temperature of the boronation process is 950 - 1250 ° C, the time of the saturation process is 40-180 sec. The compositions are applied to the previously prepared (cleaned) surface of 65G steel plates, in the form of coatings, and after drying, they are heated in the same mode: first, until the SHS (self-propagating high-temperature synthesis) initiation process is initiated, and then, when the generator power is reduced by 25%, for another 60-80 s. Before examining the samples, their surface is treated with a 4% solution of nitric acid in ethyl alcohol for 5-7 seconds. After that, the sample is examined using the proposed method, which is an estimate of the standard deviation of the eddy current transducer signal using a measuring system that includes a personal computer with software and blocks for generating, filtering, and separating the signal (Fig. 1).

Блок генерации 1 (фиг 1) управляет генератором 2, который передает сигналы частоты f1 и f2 через усилитель мощности 3 (где они усиливаются до напряжения 3 В) на возбуждающую катушку 4 вихретокового преобразователя, который создает электромагнитное поле, индуцирующее вихревые токи в электропроводящем объекте контроля. Частоты f1 и f2 выбирают таким образом, чтобы глубина проникновения электромагнитного поля, порожденного сигналом f1 не превышала толщину покрытия, а глубина электромагнитного поля, порожденного сигналом f2 превышала толщину покрытия, но не превышала толщину стальной основы. В результате возбуждающая катушка 4 создает магнитное поле, проникающее в исследуемый материал. Магнитное поле создает вихревые токи в исследуемом образце, которые, в свою очередь, создают напряжение в измерительной катушке 5. Напряжение в виде сигнала несет информацию об объекте контроля. Сигнал проходит через блок усиления 6 и блоки разделения сигнала 7, 8, каждый из которых управляется программным блоком фильтрации 12, связанным с программным блоком генерации 1. В результате сигнал разделяется на два сигнала частотой f1 и f2. Изменение частоты фильтрации происходит одновременно с изменением частоты генерации. Два сигнала передаются на амплитудный детектор 9, через аналого-цифровой преобразователь 10 в программный блок обработки сигнала 11 и результаты измерений выводятся на экран персонального компьютера в виде графика и значения СКО разности амплитуд двух сигналов.Generation unit 1 (FIG. 1) controls a generator 2, which transmits frequency signals f1 and f2 through a power amplifier 3 (where they are amplified to a voltage of 3 V) to an exciting coil 4 of an eddy current transducer, which creates an electromagnetic field that induces eddy currents in an electrically conductive monitoring object . The frequencies f1 and f2 are selected so that the penetration depth of the electromagnetic field generated by the signal f1 does not exceed the coating thickness, and the depth of the electromagnetic field generated by the signal f2 exceeds the coating thickness, but does not exceed the thickness of the steel base. As a result, the exciting coil 4 creates a magnetic field penetrating into the test material. The magnetic field creates eddy currents in the test sample, which, in turn, create a voltage in the measuring coil 5. The voltage in the form of a signal carries information about the control object. The signal passes through the amplification unit 6 and the signal separation blocks 7, 8, each of which is controlled by the filtering software block 12, which is associated with the software generation block 1. As a result, the signal is divided into two signals with the frequencies f1 and f2. A change in the filtering frequency occurs simultaneously with a change in the generation frequency. Two signals are transmitted to an amplitude detector 9, through an analog-to-digital converter 10 to a signal processing software block 11, and the measurement results are displayed on a personal computer in the form of a graph and the standard deviation of the difference in the amplitudes of the two signals.

Определяют качество покрытия исходя из значения СКО следующим образом (Табл. 1): если СКО>25 - покрытия обладают низким качеством и слабой устойчивостью к износу, если 10<СКО<25 - покрытия обладают средним качеством и удовлетворительной устойчивостью к износу, если СКСХ10 - покрытие обладает отличным качеством и устойчиво к износу. График (Фиг. 2) зависимости амплитуды сигнала (U) от положения преобразователя относительно начала объекта контроля

получаемый в результате реализации способа и полученный с использованием разработанной фиг. амплитуда сигнала от покрытия, 2 - амплитуда сигнала от основы. Значение среднеквадратичного отклонения разности двух сигналов в рассматриваемом примере составляло 9,97 мВ, что соответствует качественному покрытию.The quality of the coating is determined based on the RMS value as follows (Table 1): if RMS> 25, the coatings are of low quality and poor wear resistance, if 10 <RMS <25, the coatings are of average quality and satisfactory wear resistance, if SCX10 - the coating has excellent quality and is resistant to wear. Graph (Fig. 2) the dependence of the signal amplitude (U) on the position of the Converter relative to the beginning of the object

obtained as a result of implementing the method and obtained using the developed FIG. the amplitude of the signal from the coating, 2 - the amplitude of the signal from the base. The value of the standard deviation of the difference between the two signals in this example was 9.97 mV, which corresponds to a quality coating.

Claims

A method for studying the quality and wear resistance of hardening boride coatings based on the analysis of a two-frequency eddy-current transducer signal, characterized in that the signal on the exciting coil and the reception of signals from the measuring coil of the transducer are carried out using a personal computer with software that allows you to generate a signal containing two frequencies f1 and f2, while the software includes blocks: generation and filtering; the signal from the measuring coil, which carries information about the state of the material under study, is divided into two frequencies f1 and f2 in the signal separation blocks so that the frequency signal f1 corresponds to the signal from the base material, and the signal f2 corresponds to the signal from the coating material, while controlling the generation frequency and the separation frequency is carried out synchronously due to the communication of the software generation unit and the separation unit controlled by the software filtering unit, after which the signal is fed to an analog-to-digital converter and amplitude detection, and then enters into the program the signal processing unit and displayed on a PC monitor; and as the parameter carrying information about the state of the coating, use the standard deviation of the difference in the amplitudes of the frequency signals f1 and f2 received from the measuring coil.