SU1716390A1 - Устройство дл идентификации стали - Google Patents

Description

Изобретение относитс  к контрольно-измерительной технике и может быть использовано дл  идентификации сталей по показателю магнитоупругой чувствительности, например при оценке напр женного состо ни  ферромагнитных материалов магнитным видом неразрушающих испытаний.

Известно устройство дл  и деитифйка- ции стали по показателю магнитоупругой чувствительности, содержащее П-обраэный магнитопровод с обмоткой намагничивани , подключенной к источнику посто нного тока, генератор звуковой частоты, пьезоэлектрический излучатель, индукционную обмотку и селективный вольтметр.

С помощью данного устройства в зоне испытаний металл намагничивают магнитным полем, создаваемым П-образным маг- нитопроводом с обмоткой намагничивани , питаемой от источника посто нного тока. При этом в зоне испытани  возбуждают упругие колебани  с помощью пьезоэлектрического излучател , подключенного к выходу генератора звуковой частоты, сигнал индукционной обмотки, зарегистрированный селективным вольтметром, анализируют при различных токах источника и по максимуму выходного сигнала селек- тивного вольтметра идентифицируют исследуемую сталь.

,

Недостатком известного устройства  вл етс  низка  точность из-за отсутстви  блоков, обеспечивающих безусловное предварительное размагничивание зоны испытаний, узлов, осуществл ющих поиск положени  точного максимума выходного сигнала индукционной обмотки (в прототипе эта операци  выполн етс  оператором), и блоков, реализующих алгоритм распознавани  сталей.

Отсутствие названных блоков и узлов создает услови  дл  субъективных ошибок оператора, снижает точность и оперативность идентификации материала.

Цель изобретени  - повышение точно- сти идентификации сталей за счет предварительного размагничивани  зоны испытаний и поиска положени  максимума исследуемого сигнала.

Увеличение числа диагностических при- знаков, используемых дл  идентификации стали, повышает достоверность распознавани . Автоматизаци  всего процесса измерений и исключение операций по анализу данных, выполн емых оператором, новы- шает точность идентификации стали за счет устранени  субъективных и других случайных ошибок. Автоматическое повторение циклов Намагничивани  и полного размагничивани  среды в зоне испытаний также повышает точность, в том числе за счет исключени  ситуаций проведени  измерений на образце с неизвестным начальным магнитным состо нием.

В предложенное устройство дл  идеи- .тификации стали, содержащее установленные в зоне испытаний П-образный магнитопровод с обмоткой намагничивани , пьезоэлектрический излучатель, индукционную обмотку, а также генератор звуковой частоты, выход которого соединен с входом пьезоэлектрического излучател , первые выводы обмотки намагничивани  и индукционной обмотки подключены к общей шине, дополнительно .введены датчик упругих колебаний, установленный на оси индукционной обмотки, на торце которого установлен пьезоэлектрический излучатель , фазосдвигающа  цепь, синхронный детектор, усилитель напр жени , усилитель тока, сумматор, перва  и втора  дифференцирующие цепи, первый и второй генераторы треугольного напр жени , формирователь импульса, блок выделени  нул , блок выборки и хранени , блок выде- лени  максимума, первый и второй триггеры , первый и второй элементы И, аналого-цифровой преобразователь, генератор импульсов, первый и второй счетчики, блок обработки результатов измерени  и

индикатор, вход которого соединен с информационным выходом блока обработки результатов измерени , первый и второй информационные входы и вход запуска которого соединены соответственно с выходами первого и второго счетчиков и выходом второго элемента И. подключенным к входу установки первого триггера, выход которого соединен с первым входом первого элемента И, второй вход которого соединен с выходом генератора импульсов, а выход - со счетным :входом второго счетчика, вход сброса которого соединен с входом сброса первого счетчика, входом установки второго триггера и выходом формировател  импульса , вход которого соединен с выходом второй дифференцирующей цепи, вход которой соединен с информационным входом усилител  тока и выходом второго генератора треугольного , напр жени , второй выход индукционной обмотки соединен с входом усилител  напр жени , выход которого соединен с управл ющим входом синхронного детектора, выход которого соединен с информационными входами блока выборки и блока выделени  максимума, выход которого соединен с входом запуска блока выборки и хранени  и входами сброса первого и второго триггеров, выход первого генератора треугольного напр жени  соединен с входом блоха выделени  нул , первым входом сумматора и входом первой дифференцирующей цепи, выход которой соединен с вторым входом сумматора, выход которого соединен с входом управлени  .коэффициента усилени  усилител  тока, выход которого соединен с вторым выводом обмотки намагничивани , выход блока выборки и хранени  соединен с входом аналого-цифрового преобразовател , выход которого со- единен со счетным входом первого счетчика, первый и второй входы второго элемента И соединены соответственно с выходом второго триггера и выходом блока выделени  нул .

На чертеже представлена блок-схема предложенного устройства.

Устройство дл  идентификации стали по показателю магнитрупругой чувствитель-; .ностисодержит установлённыевзонеиспы- таний ПтобразньГй магнитопровод 1 С обмоткой 2 намагничивани , пьезоэлектрический излучатет 3, индукционную обмотку 5, а также генератор 7 звуковой частоты, выход которого соединен с входом пьезоэ- лектрического излучател  3, первые выводы обмотки 2 намагничивани  и индукционной обмотки 5 подключены к общей шине. С целью повышени  точнорти идентификации стали, в устройство введены датчик 4 упругих колебаний, установленный на оси индукционной обмотки 5, на торце которой установлен пьезоэлектрический излучатель 3, фазосдвигающа  цепь 8, синхронный де тектор 9, усилитель 10 напр жени , усили- тель 14 тока, сумматор 13, перва  12 и втора  17 дифференцирующие цепи, первый 11 и второй 18 генераторы треугольного напр жени , формирователь 16 импульса, блок 15 выделени  нул , блок 22 выборки и хранени , блок 21 выделени  максимума, первый 23 и второй 20 триггеры, первый 24 и второй 19 элементы И, аналого-цифровой преобразователь 26, генератор 25 импульсов , первый27и второй29 счетчики, блок28 обработки результатов измерени  и индикатор 30, вход которого соединен с информационным выходом блока 28 обработки результатов измерени , первый и второй информационные входы и вход запуска ко- торрго соединены соответственно с выходами первого 27 и второго 29 счетчиков и выходом второго элемента И 19, подключенным к входу установки первого триггера 23, выход которого соединен с первым входом первого элемента И 24, второй вход которого соединен с выходом генератора 25 импульсов , а выход - со счетным входом второго счетчика 29, вход сброса которого соединен с вхо- дом сброса первого счетчика 27,

.входом установки второго триггера 20 и выходом формировател  16 импульса, вход которого соединен с выходом второй дифференцирующей цепи 17, выход кото- рой соединен с информационным входом усилител  14 тока и выходом второго генератора 18треугольного напр жени , второй выход индукционной обмотки соединен с входом усилител  10 напр жени , выход ко- торого соединен с управл ющим входом синхронного детектора 9, выход которого соединен с информационными входами блока 22 выборки и блока 21 выделени  максимума, выход которого соединен с вхо- дом запуска блока 22 выборки и хранени  и входами сброса первого 23 и второго 20 триггеров, выход первого генератора 11 треугольного напр жени  соединен с вхо- дом блока 15 выделени  нул , первым вхо- дом сумматора 13 и входом первой дифференцирующей цепи 12, выход которой соединен с вторым входом сумматора 13, выход которого соединен с входом управлени  коэффициента усилени  усилите- л  14 тока, выход которого соединен с вторым выводом обмотки 2 намагничивани , выход блока 22 выборки и хранени  соединен с входом аналого-цифрового преобразовател  26, выход которого соединен

со счетным входом первого счетчика 27, первый и второй входы второго элемента И 19 соединены соответственно с выходом второго триггера 20 и выходом блока 15 выделени  нул .

Устройство работает следующим образом .

На зону испытаний образца стали (или издели ) устанавливают преобразователь устройства, обеспечива  акустический контакт торца датчика 4 с материалом и магнит- ный контакт полюсов П-образного магнитолровода 1.:

При включении устройства генераторы 11 и 18 начинают вырабатывать напр жений треугольной формы, причем период колебаний выходного напр жени  генератора 18 много больше периода колебаний напр жени  генератора 11. В момент времени, когда выходное напр жение генератора 18 достигает нулевого значени , усилитель 14 тока оказываетс  практически закрытым и на обмотку 2 намагничивани  ток практически не поступает, а следовательно, среда в зоне 6 не намагничиваетс . По мере роста выходного напр жени  генератора 18 усилитель 14 тока постепенно открываетс , осуществл   питание обмотки 2 намагничивани  согласно управл ющему сигналу, действующему на втором входе этого усилител  14.

Генератор 11 вырабатывает напр жение треугольной формы, которое подаетс  непосредственно на один из входов сумматора 13 и через первую дифференцирующую цепь 12 - на другой вход того же сумматора 13. В результате на выходе сумматора 13 по вл етс  напр жение треугольной формы , в экстремальных точках которого оказываютс  наложенными короткие импульсы. Така  форма изменени  тока намагничивани  необходима дл  обеспечени  строго линейного изменени  пол  намагничивани , создаваемого обмоткой 2, что дополнительно повышает точность измерений (исключаетс  нелинейность на границах с экстремальными точками участках). Выходной сигнал сумматора 13 воздействует на вход усилител  14 тока и обеспечивает изменение тока намагничивани  специальной формы. Таким образом, зона 6 испытани  посто нно намагничиваетс  линейно измен ющимс  полем переменной амплитуды: от минимального (нулевого) до максимального (насыщение) значени  и в обратном направлении. Такой режим намагничивани  обеспечивает как полное намагничивание среды, так и ее размагничивание.

Генератор 7 вырабатывает напр жение звуковой (или ультразвуковой) частоты, которое подаетс  на пьезоэлектрический излучатель 3, установленный на концентраторе 4. В результате в зону 6 материала посылаютс  упругие колебани  по- вышенной амплитуды (благодар  применению концентратора 4). Вследствие магнитоупругого эффекта в индукционной обмотке 5 наводитс  ЭДС, котора  через усилитель 10 напр жени  подаетс  на первый вход детектора 9, в качестве которого наиболее целесообразно примен ть синхронный детектор. На второй вход того же детектора 9 через фазосдвигающую цепь 8 подаетс  выходное напр жение генератора 7 удвоенной частоты.

При изменении магнитного состо ни  зоны 6 испытаний выходной си гнал детектора 9 проходит через максимальное значение , которое фиксируетс  во времени блоком 21 выделени  максимума сигнала. Выходной сигнал блока 21 запускает блок 22 выборки и хранени , который запоминает названное максимальное значение выходного сигнала детектора 9. Одновременно выходным сигналом блока 21 выделени  максимума осуществл етс  начальна  установка (дл  определенности -установка нул ) первого и второго триггеров 20 и 23. Напр жение, зарегистрированное в блоке 22 с помощью аналого-цифрового преобразовател  26, кодируетс  в последовательность импульсов или в параллельный код, который запоминаетс  в первом счетчике 27. В результате в первом счетчике 27 запоминаетс  число, пропорциональное максимальному значению индуцированной ЭДС, обусловленной магнйтоупругим эффектом в данном сплаве.

Напр жение, вырабатываемое первым генератором 11, поступает на вход блока 15 выделени  нул . Каждый раз, когда выходное напр жение генератора 11 достигает нулевого значени , блок выделени  нул  вырабатывает короткий импульс, который передаетс  на первый вход второго элемента И 19. Если по второму входу элемент И 19 открыт (определ етс  потенциалом второго триггера 20). то выходной импульс блока 15 выделени  нул  передаетс  на вход установки .первого триггера 23. Таким образом, выходной импульс первого триггера 23 по длительности оказываетс  равным времени между началом намагничивани  среды (момент перехода через нуль выходного напр - жени  генератора 11) и моментом достижени  индуцированной ЭДС своего максимального значени  (выходной импульс блока 21 выделени  максимума). Названный импульс открывает первый элемент И 24, через который на вход второго счетчика 29 начинают передаватьс  импульсы с выхода генератора 25 импульсов. В

результате за врем  действи  выходного потенциала первого триггера 23 во втором счетчике 29 накапливаетс  число, .пропорциональное времени от начала процесса намагничивани  до момента фиксации

0 максимума индуцированной ЭДС. Поскольку намагничивание производитс  по линейному закону, то это число оказываетс  пропорциональным току намагничивани  среды в момент фиксации максимума инду5 цированной ЭДС.

Таким образом, в течение рабочего цикла в счетчиках 27 и 29 запоминаетс  информаци  о максимальном значении индуцированной ЭДС и о токе намагничива0 ни , соответствующем максимуму магнито- упругой чувствительности.

Дл  исключени  ложных отсчетов и обеспечени  автоматического производства измерений только на максимальной амп5 литуде изменени  пол  намагничивани  с помощью блоков 17 и 16 производитс  отбор рабочего цикла. Дл  этого выходное напр жение генератора 18 дифференцируетс  цепью 17, на выходе которой по вл ютс 

0 короткие импульсы, соответствующие экстремальным значени м треугольного напр жени . Формирователь 16 импульсов ограничивает выходные импульсы второй Дифференцирующей цепи 17 по времени и

5 амплитуде. При этом выходным .импульсом формировател  16 импульса производитс  установка нул  счетчиков 27 и 29. а также запуск триггера 20. В результате непосредственно перед рабочим циклом в счетчиках

0 27 и 29 стираетс  предыдуща  информаци , а выходным потенциалом второго триггера 20 открываетс  второй элемент И 19. До этого момента измерени  не выполн ютс , поскольку элемент И 19 остаетс  закрытым.

5 Задним фронтом выходного сигнала элемента И 19 осуществл етс  запуск блока 28 обработки результатов измерений, который считывает информацию из счетчиков 27 и 29, а затем обрабатывает ее по заданному

0 алгоритму распознавани  и идентификации . Результат идентификации отображаетс  на экране индикатора 30.

Дл  работы устройства могут быть предусмотрены следующие алгоритмы работы

5 блока 28, реализуемые программно.

Алгоритм идентификации результата измерени  (отсчета). Данный- алгоритм предназначен дл  исключени  .вли ни  случайных факторов на результаты обработки данных. В простейшем случае он реализуетс  методом стохастической аппроксимации. Дл  этого может быть использован акселе-, ратный абсолютно оптимальный на классе помех рекуррентный алгоритм идентифика- ции

Cn-Cn-i + F(y-Cn-i)/nP,(1)

где Сп, Сп-1 - оценки результата измерени  соответственно на n-м и (п-1)-м шагах;

у - текущий результат измерени ;

п-номер текущего измерени  (шага);

Р - Фишеровска  информаци ;

F - оператор производной функции помех с аргументом (у-Сп-0

Дл  случа  нормального закона распределени  помех алгоритм (1) упрощаетс  к виду

Cn Cn-i+(y-Cn-i)/n.(2)

При работе блока 28 обработки результатов измерений по программе, реализую щей алгоритм (1) или (2), дальнейшие операции не выполн ютс  до тех пор, пока разность (y-Cn-i) не станет меньше заданной точности измерени .

Алгоритм обучени  распознаванию сталей .

Данный алгоритм выполн ет функцию градуировки устройства. В процессе обучени  с помощью устройства выполн ют полные циклы измерений на группах образцов заданных марок сталей (из списка марок , подлежащих распознаванию в процессе натурных исследований). При этом в группы объедин ют образцы из сталей , минимально отличающихс  (в пределах группы) по способам выплавки, раскислени  и химического состава, а сами образцы отжигают дл  сн ти  внутренних напр жений . Дл  простейшей программной реализации данного алгоритма, например в переносном варианте конструктивного исполнени  устройства, определ ют вектор § с компонентами в виде математических ожиданий ai и за максимума индуцированной ЭДС и соответствующего тока намагничивани , а также ковариационную матрицу М этих величин по каждой группе образцов. Указанные значени  запоминаютс  в пере- программируемрм посто нном запоминающем устройстве микропроцессорного блока 28 в виде матриц числовых значений.

Алгоритм распознавани  сталей.

Данный алгоритм предназначен дл  различени  марок сталей по результатам измерений в натурных услови х. При достаточном объеме ППЗУ блока 28 возможно различение отдельных групп в пределах марш стали. Дл  распознавани  могут быть применены стандэртные алгоритмы распознавани  образцов. В простейшем случае распознавание производитс  по правилу

4 i ( xi - am )T NT1™ (xi - Јn) - (3 - 5f) т M

2,1

(3).

где К- число групп образцов сталей, использованных при обучении;

оценка (Сп) максимума индуцированной ЭДС и соответствующего тока намагничивани  в исследуемой зоне 6;

m и I - указывающие на пор дковый номер группы образцов стали, использованной дл  обучени  (т 1, 2k; I 1, 2,...,

Ю. Если условие (3) выполн етс , то материал зоны б испытаний признаетс  эквивалентным стали группы с номером т. В противном случае сталь признают эквивалентной металлу группы I. По окончании

классификации материала зоны б испытаний блок 28 программно и из своего посто нного запоминающего устройства вызывает текст сообщени , которое воспроизводитс  на экране индикатора 30. В резул ьтатестальоказываетс 

идентифицированной по двум признакам, характеризующим ее магнитоупругую чувствительность .

.Формула, изобретени 

Устройство дл  идентификации стали, содержащее установленные в зоне испытаний П-образн ый магнитопровод с обмоткой намагничивани , пьезоэлектрический излучатель , индукционную обмотку, а также генератор звуковой частоты, выход которого соединен с входом пьезоэлектрического излучател , первые выводы обмотки намагничивани  и индукционной обмотки

подключены к общей шине, от л и ч а ю ще- е с   тем, что, с целью повышени  точности идентификации стали, в устройство введены датчик упругих колебаний, установленный на оси индукционной обмотки, на торце которого установлен пьезоэлектрический из- лучатель, фазосдвигаю ща  цепь, синхронный детектор, усилитель напр жени , усилитель тока,сумматор, перва  и втора  дифференцирующие цепи, первый и

второй генераторы треугольного напр жени , формирователь импульса, блок выделени  нул , блок выборки и хранени , блок выделени  максимума, первый и второй. триггеры, первый и второй элементы И. аналого-цифровой преобразователь, генератор импульсов, первый и второй счетчики, блок обработки результатов измерени  и индикатор , вход которого соединен с информационным выходом блока обработки результатов измерени , первый и второй

информационные входы и вход запуска которого соединены соответственно с выходами первого и второго счетчиков и выходом второго элемента И, подключенным к входу установки первого триггера, выход которого соединен с первым входом первого элемента И, второй вход которого соединен с выходом генератора импульсов, а выход - со счетным входом второго-счетЧИк а, вход сброса которого соединен с входом сброса первого счетчика, входом установки второго триггера и с выходом формировател  импульса , вход которого соединен с выходом второй дифференцирующей цепи, вход которой соединен с информационным входом усилител  тока и выходом второго генератора треугольного напр жени , второй вывод индукционной обмотки соединен с входом усилител  напр жени , выход которого соединен с управл ющим входом синхронного детектора, выход которого соединен с информационными входами блока выборки и. блока выделени  максимума, выход которрт. го соединен с входом запуска блока выборки и хранени  и входами сброса первого и еторого триггеров,.выход первого генератора треугольного напр жени  соединен с входом блока выделени  нул , первым входом сумматора и входом первой дифференциру ющей цепи, выход которой соединен с вторым входом сумматора, выход которого соединен с входом управлени  коэффициента усилени  усилител  тока, выход которого соединен с вторым выводом обмотки намагничивани , выход блока выборки и

хранени  соединен с входом аналого-цифрового преобразовател , выход которого соединен со счетным входом первого счетчика, первый и второй входы второго элемента И соединены соответственно с вы

ходом второго триггера и выходом блока выделени  нул .

W 07 //7 47 ilf W 4 ф J7«r Г/ 7/У 7/FSWW

14

10

11

Claims (1)

1. Формула, изобретения

   Устройство для идентификации стали, содержащее установленные в зоне испытаний П-образный магнитопровод с обмоткой намагничивания, пьезоэлектрический излучатель, индукционную обмотку, а также генератор звуковой частоты, выход которого соединен с входом пьезоэлектрического излучателя, первые выводы обмотки намагничивания и индукционной обмотки подключены к общей шине, о т л и ч а ю щ ее с я тем, что, с целью повышения точности идентификации стали, в устройство введены датчик упругих колебаний, установленный на оси индукционной обмотки, на торце которого установлен пьезоэлектрический излучатель, фазосдвигающая цепь, синхронный детектор, усилитель напряжения, усилитель тока,сумматор, первая и вторая дифференцирующие цепи, первый и второй генераторы треугольного напряжения, формирователь импульса, блок выделения нуля, блок выборки и хранения, блок выделения максимума, первый и второй· триггеры, первый и второй элементы И. аналого-цифровой преобразователь, генератор импульсов, первый и второй счетчики, блок обработки результатов измерения и индикатор, вход которого соединен с информационным выходом блока обработки результатов измерения, первый и второй

   11 1716390 12 информационные входы и вход запуска которого соединены соответственное выходами первого и второго счетчиков и выходом второго элемента И, подключенным к входу установки первого триггера, выход которого 5 соединен с первым входом первого элемента И, второй вход которого соединен с выходом генератора импульсов, а выход - со счетным входом второго счетЧИКа,' вход сброса которого соединен с входом сброса 10 первого счетчика, входом установки второго триггера и с выходом формирователя импульса, вход которого соединен с выходом второй дифференцирующей цепи, вход которой соединен с информационным входом 15 усилителя тока и выходом второго генератора треугольного напряжения, второй вывод индукционной обмотки соединен с входом усилителя напряжения, выход которого соединен с управляющим входом синхронного 20 Детектора, выход которого соединен с ин формационными входами блока выборки й. блока выделения максимума, выход которого соединен с входом запуска блока выборки и хранения и входами сброса первого и второго триггеров,, выход первого генератора треугольного напряжения соединен с входом блока выделения нуля, первым входом сумматора и входом первой дифференцируй ющей цепи, выход которой соединен с вторым входом сумматора, выход которого соединен с входом управления коэффициента усиления усилителя тока, выход которого соединен с вторым выводом обмотки намагничивания, выход блока выборки и хранения соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен со счетным входом первого счетчика, первый и второй входы второго элемента И соединены соответственно с выходом второго триггера и выходом блока выделения нуля.

   Редактор М.Келемеш Составитель С.Жуков Техред М.Моргентал Корректор Т.Малец ’

   Заказ 607 Тираж Подписное

   ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

   113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5 ,

   Производственно-издательский комбинат Патент, г. Ужгород, ул.Гагарина, 101