Введение

1. Обзор литературы
1.1 Толщиномеры диэлектрических покрытий на электропроводящих основаниях
1.2 Выбор структурной схемы
1.2.1 Толщиномер ТЛ-1М [3, стр.82-83]
1.2.2 Вихретоковый толщиномер диэлектрических покрытий на электропроводящем основании [4]
1.2.3 Вихретоковый толщиномер диэлектрических покрытий [5]
1.2.4 Токовихревое устройство для измерения толщины диэлектрических покрытий на немагнитном проводящем основании [6]
1.2.5 Устройство для измерения толщины покрытий [7]
1.3 Выбор первичного преобразователя
1.4 Выбор операционного усилителя
1.4. 1 Классификация операционных усилителей
1.4. 2 Типы сигнальных входов
1.4. 3 Предполагаемые применения
2. Расчетная часть
2.1 Расчет ВТП
2.2 Построение годографа
2.3 Расчет операционного усилителя
3. Описание разработанного прибора "Толщиномер изоляции ВТ-5М"
3.1 Назначение толщиномера
3.2 Калибровка толщиномера
3.3 Измерение
Заключение
Библиографический список
Приложения

Введение

Неразрушающий контроль и, в частности, дефектоскопия как его разновидность обеспечивают качество, надежность и безопасность эксплуатации огромного числа самых разных технических объектов без нарушения их свойств, функционирования и пригодности к применению.

В НК существуют различные области диагностирования.

В данном курсовом проекте речь будет идти об измерении толщины покрытия, это относится к области метрической диагностики.

Покрытия из изоляционных материалов наносят для теплозащиты, защиты от агрессивных сред и атмосферных воздействий, они также защищают металлы от коррозии, предотвращают опасность поражения электрическим током, при пропускании его через данный объект, выполняют декоративные и другие функции.

Материалом покрытия могут служить лак, краска, эмаль, стекло, резина, пластмасса, оксидные и фосфатные слои.

Среди показателей качества покрытий важнейший - толщина, допустимые пределы изменения которой определяются нормативно-техническ й документацией.

Разрушающие методы измерения толщины покрытий, например метод микрошлифов, метод взвешивания, травления, не позволяют реализовать 100%-ный контроль продукции, малопроизводительны и неэкономичны.

Поэтому применение вихретоковых толщиномеров для измерения толщины покрытий дает, как правило, значительный технический и экономический эффект.

С точки зрения вихретокого контроля измерение толщины диэлектрика на проводящем основании представляет задачу измерения зазора между накладным ВТП и поверхностью проводящего основания.

Целью данного курсового проекта является разработка толщиномера изоляции с применением параметрического вихретокового преобразователя, в том числе рассчитать преобразователь и схему усилителя, составить руководство по эксплуатации и настройке разработанного прибора.

1. Обзор литературы

1.1 Толщиномеры диэлектрических покрытий на электропроводящих основаниях

Один из основных параметров толщиномера - погрешность измерения, возникающая, как правило, вследствие влияния мешающих факторов, связанных с измерением параметров объекта. В толщиномерах обычно используют только накладные ВТП, позволяющие оценивать локальную толщину объекта.

Структурные схемы толщиномеров определяются способом выделения информации и отличаются от схем дефектоскопов, как правило, отсутствием блоков, применяемых при модуляционном способе.

Погрешность измерения толщиномеров зависит от шероховатости поверхности, изменений электромагнитных параметров и близости края объекта, вариации зазора между ВТП и объектом, перекосом ВТП при установке его на контролируемую поверхность и т.д.

Толщиномеры диэлектрических покрытий на электропроводящих основаниях представляют собой измерители зазора. Выбрав достаточно большое значение параметра контроля, можно получить хорошую чувствительность к зазору при малой погрешности, вызванной влиянием изменений д и толщины основания. Благодаря этому удается создать толщиномеры без применения специальных схем, предназначенных для ослабления влияния мешающих факторов на показания приборов. [1, с.415]

1.2 Выбор структурной схемы

В зависимости от количества учитываемых параметров различают однопараметровый, двухпараметровый и многопараметровый контроль.

В процессе контроля измеряется только один параметр - толщина изоляционного покрытия (h*) и основным мешающим фактором будет удельная электропроводность (УЭП).

К наиболее распространенным способам выделения информации при вихретоковом контроле относятся амплитудный, фазовый и амплитудно-фазовый, основанные на использовании соответственно амплитуды, фазы, а также одновременно амплитуды и фазы выходного напряжении ВТП.

Рассмотрим часть годографа вносимых напряжений , обусловленных изменениями контролируемого параметра и подавляемого фактора (параметра) (рис.1). Амплитуда напряжения ВТП (модуль комплексного напряжения) может лишь в небольшой степени зависеть от изменения подавляемого параметра, если рабочая точка из начала координат смещается в точку комплексной плоскости , расположенную на нормали к годографу в точке , соответствующей ОК с номинальными параметрами . Этого можно добиться вычитанием компенсирующего напряжения из напряжения измерительной обмотки ВТП: , где - начальное вносимое напряжение при и . Если изменение подавляемого фактора вызывает смещение конца вектора из точки в точку , то разность модулей векторов и .

Рисунок 1. Векторная диаграмма амплитудного способа выделения информации

В тоже время при изменении контролируемого параметра (точка ) , где - модуль чувствительности ВТП к контролируемому параметру ; - угол в точке между направлениями па комплексной плоскости линий влияния факторов и .

Амплитудный способ двухпараметрового контроля целесообразно применять тогда, когда годографы близки дугам концентрических окружностей, а угол между касательными к ним и годографами значителен . Очень важно, чтобы этот угол мало изменялся при значительных приращениях параметров и . В противном случае, т.е. когда линия влияния отличается от окружности, а линии влияния - от прямой линии, амплитудный способ приводит к погрешностям контроля, которые тем больше, чем сильнее отличие от окружности, а - от прямой линии. Так как в этом случае выходное напряжение прибора пропорционально , то наилучшие условия выделения информации о параметре будут при .

Амплитудный способ выделения информации целесообразно применять, например, для контроля диаметра прутков проходными ВТП или толщины диэлектрических покрытий (что идентично изменению зазора между ВТП и ОК) накладными ВТП с подавлением влияния изменений удельной электрической проводимости у. Поэтому будем использовать именно амплитудный способ выделения информации.

Схема прибора, основанного на использовании амплитудного способа ослабления влияния мешающих факторов (рис.2). Автогенератор (АГ) синусоидальных напряжений обеспечивает ток возбуждения ВТП и напряжение компенсатора (К). Сигналы с ВТП усиливаются усилителем (У) и детектируются амплитудным детектором (АД), а постоянное напряжение детектора подается на индикатор (И). Компенсатор позволяет отрегулировать компенсирующее напряжение по амплитуде и фазе так, чтобы оно соответствовало требования подавления влияния мешающего фактора.

Рисунок 2. Структурная схема прибора, использующего амплитудный способ выделения информации

Структурная схема прибора, основанная на фазовом способе ослабления влияния мешающих факторов, отличается от приведенной на рис.2 тем, что после усилителя включено фазометрическое устройство того или иного типа, опорное напряжение на которое поступает от автогенератора. [2, с.221-223] В данном курсовом проекте могут быть использованы следующие структурные схемы.

1.2.1 Толщиномер ТЛ-1М [3, стр.82-83]

На рис.3 представлена структурная схема толщиномера ТЛ-1МП. Работает она следующим образом.

Автогенератор 1 вырабатывает синусоидальное напряжение частотой 1 МГц для питания преобразователя 2, представляющего собой катушку индуктивности, включенную в параллельный резонансный контур. Напряжение, снимаемое с преобразователя, поступает на вход амплитудного детектора 3, с выхода которого постоянное напряжение через усилитель 4 подается на вход процессорного блока 5. Процессорный блок управляет параметрами усилителя, преобразует входное напряжение в цифровой код, производит его обработку по заданному алгоритму, передает информацию о толщине измеряемого покрытия в блок 6 индикации. В усилителе процессорный блок задает коэффициент усиления и начальное смещение напряжения в зависимости от конкретного сочетания материалов контролируемых изделий. Блок индикации высвечивает информацию об измеряемой толщине покрытия. Кроме того на дисплее блока индикации может отображаться информация о выполнении толщиномером той или иной операции. Электропитание всех узлов толщиномера осуществляется от стабилизированного блока 7 питания.

Рисунок 3. Структурная схема вихретокового толщиномера ТЛ-1МП:

1 - Автогенератор, 2 - абсолютный параметрический накладной ВТП, 3 - амплитудный детектор, 4 - усилитель, 5 - процессорный блок, 6 - блок индикации, 7 - блок питания. [3, стр.82-83]

1.2.2 Вихретоковый толщиномер диэлектрических покрытий на электропроводящем основании [4]

Вихретоковый толщиномер относится к неразрушающему контролю и может быть использовано для измерения толщины диэлектрических покрытий на электропроводящем основании.

На рис.4 представлена структурная схема вихретокового толщиномера диэлектрических покрытий на электропроводящем основании. Работает она следующим образом.

Вихретоковый преобразователь 1 устанавливают на поверхности диэлектрического покрытия. При этом частота измерительного автогенератора 2 устанавливается в соответствии с толщиной диэлектрического покрытия. Для повышения чувствительности с помощью вычитателя 3 частот определяется разностная частота путем вычитания из частоты измеренного сигнала частоты опорного автогенератора 5. Полученная разностная частота зависит от толщины покрытия по нелинейному закону. С целью линеаризации в вихретоковом толщиномере с помощью частотометра 7, измерителя 6 периода колебаний и вычитателя 8 выполняется преобразование N= K₁ (K₂T_p-K₃f_p), где N - результат измерения, T_p и f_p период и частота разностных колебаний на выходе вычитателя 3 частот, K₁, K₂ и K₃ - коэффициенты пропорциональности. Коэффициенты пропорциональности выбираются экспериментально из условия расширения линейной части характеристик. Дополнительно расширяют линейную часть характеристики толщиномера в верхней области измеряемых толщин, регулируя связь между колебательными контурами автогенераторов 2 и 5. [4]

Рисунок 4. ВТ толщиномер диэлектрических покрытий на электропроводящем основании

1.2.3 Вихретоковый толщиномер диэлектрических покрытий [5]

Толщиномер относится к неразрушающему контролю и может быть использовано для измерения толщины диэлектрических покрытий.

На рис.5 представлена структурная схема вихретокового толщиномера диэлектрических покрытий. Работает она следующим образом.

Вихретоковый преобразователь 1 размещается на поверхности диэлектрического покрытия. В результате взаимодействия с электропроводящим основанием контролируемого объекта изменяется частота измерительного автогенератора 2. это измерение частоты определяется как разность частот измерительного 2 и опорного 4 автогенераторов, получаемая на выходе вычитателя 5 частот. Период полученных колебаний измеряется измерителем 6 периода колебаний и зависит от толщины диэлектрического покрытия по закону, близкому к линейному. Окончательно линеаризация выходной характеристики толщиномера достигается за счет применения линеаризатора 7. [5]

Рисунок 5. ВТ толщиномер диэлектрических покрытий на электропроводящем основании

1.2.4 Токовихревое устройство для измерения толщины диэлектрических покрытий на немагнитном проводящем основании [6]

Токовихревое устройство относится к области неразрушающего контроля методом вихревых токов и может быть использовано в устройствах для измерения толщины диэлектрических покрытий на немагнитных проводящих основаниях.

На Рис.6 представлена структурная схема вихретокового устройства для измерения толщины диэлектрических покрытий. Работает она следующим образом.

Генератор 1 подает питание на преобразователь 2 и компенсатор 3, компенсирующий напряжение преобразователя при наличии около него контролируемого изделия без покрытия с максимальной удельной проводимостью основания. Напряжение преобразователя усиливается и подается на входы фазочувствительных детекторов 7,8. Фазочувствительный детектор 7 настроен в квадратуре с током возбуждения преобразователя, а фазочувствительный детектор 8 - в фазе, причем его выходное напряжение имеет противоположную полярность относительно выходного напряжения фазочувствительного детектора 7. Напряжение с выходов детекторов суммируется сумматором 11. Кроме того, выходное напряжение детектора 7 активной составляющей напряжения преобразователя преобразуется ключом 9 и блоком 13 нелинейной функции y=xe^-x и суммируется дополнительным сумматором 12 с выходным напряжением сумматора 11. Выходное напряжение дополнительного сумматора 12 регистрируется индикатором 10 толщины диэлектрических покрытий. Увеличение точности измерения толщины покрытия при малых значениях удельной проводимости основания достигается путем дополнительного суммирования выходного напряжения сумматора 11 с напряжением, имеющим обратный относительно суммарного выходного напряжения фазочувствительных детекторов характер изменения удельной проводимости и не зависящим от толщины покрытий.

Введение в схему устройства дополнительного сумматора и блока нелинейной функции вида y=xe^-x и осуществление дополнительного суммирования выходного напряжения блока нелинейной функции с суммой выходных напряжений фазочувствительных детекторов уменьшает погрешность измерения толщины от изменения удельной проводимости основания до величины, не превышающей ± 4%. [6]

Рисунок 6. Вихретоковое устройство для измерения толщины диэлектрических покрытий на немагнитном проводящем основании (5, 6 - фазовращатели)

1.2.5 Устройство для измерения толщины покрытий [7]

Устройство относится к средствам неразрушающего контроля толщины покрытий и может быть использовано в любой отрасли машиностроения.

На рис.7 представлено устройство для измерения толщины покрытий.

Работает она следующим образом.

Выходной сигнал генератора 1, ограниченный по амплитуде усилителем-ограничит лем 2, поступает одновременно на ВТП 5 и на один из входов фазового детектора 7.

При настройке устройства преобразователь устанавливают на образец без покрытия, а затем на изделие с покрытием. Установка преобразователя 5 на изделие с покрытием вызывает расстройку фазосдвигающего контура 4 относительно несущей частоты и появление фазового сдвига. Измерение этого фазового сдвига осуществляет фазовый детектор 7, выполненный по схеме дифференциального усилителя (на транзисторах v₁; v₂) с токопитающим каскадом (на транзисторе v₃).

Распределение коллекторного тока транзистора v₃ при подаче на него опорного напряжения U₁ (t) изменяется под действием подаваемого на транзисторы v₁ и v₂ напряжения U₂ (t), сдвинутого относительно опорного на угол , где Дц - фазовый угол, зависящий от расстройки контура L₁C₂.

На выходе фазового детектора 7 выделяется напряжение, пропорциональное разности постоянных составляющих коллекторных токов транзисторов v₁ и v₂ и соответствующее изменению фазового угла контура 4, регистрируемое индикатором 8. Выходное напряжение частотного детектора 3 увеличивается с увеличением частоты фазосдвигающего контура 4 и уменьшается с её убыванием в пределах линейного участка характеристики детектора, которая, в свою очередь, будет линейной в области частот, близких к резонансной частоте фазосдвигающего контура 4.

Использование устройства позволит обеспечить повышение точности и расширить диапазон измерения толщины покрытий. [7]

Рисунок 7. Устройство для измерения толщины покрытий

Из приведенных структурных схем приборов, выбираем схему на рис.3, т.к она лучше всего соответствует заданию, имеет амплитудный способ выделения информации и наиболее простая в исполнении, чем все выше приведенные. Для применения изменим схему, изображенную на рис.3 поменяв местами амплитудный детектор и усилитель. Измененная и принятая схема изображена на рис.8.

Рисунок 8. Структурная схема вихретокового толщиномера ВТ-5Л:

1 - Автогенератор, 2 - абсолютный параметрический накладной ВТП, 3 - усилитель, 4 - амплитудный детектор, 5 - процессорный блок, 6 - блок индикации, 7 - блок питания.

1.3 Выбор первичного преобразователя

По заданию задано разработать толщиномер с параметрическим ВТП, по этому трансформаторный ВТП рассматривать не будем.

В зависимости от расположения ВТП по отношению к ОК их делят на проходные, накладные и комбинированные.

По заданию курсового проекта объектом контроля является стенка медной трубы толщиной 1 мм, покрытая слоем изоляционного покрытия толщиной от 1 до 2 мм, таким образом целесообразно использовать накладной ВТП.

Рисунок 9. Накладные ВТП с круглыми (а), с прямоугольными (б), крестообразными (в) катушками, со взаимноперпендикуляр ыми осями катушек (г); накладной экранный ВТП (д), и накладные ВТП с ферромагнитными сердечниками (е - и)

Накладные ВТП обычно представляют собой несколько катушек, к торцам которых подводится поверхность объекта (рис.9). Катушки таких преобразователей могут быть круглыми коаксиальными, прямоугольными, прямоугольными крестообразными, с взаимно перпендикулярными осями и др. Накладными ВТП контролируют в основном объекты с плоскими поверхностями и объекты сложной формы. Они применяются также, когда требуется обеспечить локальность и высокую чувствительность контроля. Продольные накладные ВТП можно использовать для контроля расслоений изделий с покрытиями или других многослойных изделий. Экранные накладные ВТП можно применять при контроле листов, пластин, лент и других изделий, к которым возможен двусторонний доступ.

Накладные преобразователи выполняют с ферромагнитными сердечниками или без них. Благодаря ферромагнитному сердечнику повышается абсолютная чувствительность преобразователя и уменьшается зона контроля за счет локализации магнитного потока.

Следуя из того, что по заданию диаметр зоны контроля задан - не более 20 мм, можно использовать и с сердечником и без. Но если учесть, что накладной ВТП без сердечника и проще по исполнению, и целесообразнее с экономической точки зрения, то будем использовать накладной преобразователь без сердечника.

По способу соединения катушек (обмоток) различают абсолютные и дифференциальные ВТП.

Абсолютным называют ВТП (рис.10, а), выходной сигнал которого определяется абсолютными значениями параметров ОК в зоне контроля. Дифференциальным ВТП принято называть, по существу, совокупность двух ВТП, обмотки которых соединены таким образом (рис.10, б), что выходной сигнал определяется разностью параметров ОК соответствующих зон контроля. [2, стр.157-161]

Рисунок 10. Абсолютный (а) и дифференциальный (б) параметрический ВТП: 1 - возбуждающие обмотки; 2 - объект контроля

Выбираем абсолютный ВТП, поскольку он проще по исполнению и нужно наматывать одну катушку вместо двух.

Из приведенной выше классификации, ВТП будет представлять собой абсолютный параметрический накладной ВТП для измерения толщины изоляционного покрытия ОК. Виды данного ВТП представлены в графической части.

1.4 Выбор операционного усилителя

1.4.1 Классификация операционных усилителей

Операционные усилители (ОУ) можно характеризовать многими различными способами в зависимости от их схем или потенциальных применений.

Преобладающее большинство операционных усилителей - это устройства с непосредственными связями, осуществляющие прямое усиление сигналов. Тип входных транзисторов оказывает очень резко выраженное влияние на параметры усилителя, что ведет к разделению операционных усилителей с непосредственными связями на два класса - биполярных ОУ и ОУ с полевым транзисторным (ПТ) - входом.

Биполярные операционные усилители с парой биполярных транзисторов на входе обладают хорошей или даже превосходной стабильностью входного напряжения сдвига, но средними или плохими входными токами смещения и входными сопротивлениями. Как результат компромиссов в процессе проектирования получаемая динамическая характеристика часто бывает плохой.

Операционные усилители с ПТ-входом имеют на входе пару полевых транзисторов с -переходом, которые ценой ухудшения стабильности входного напряжения сдвига обеспечивают превосходные входные токи смещения и входные сопротивления. Независимость входных токов смещения от уровня рабочих токов стоков позволяет улучшать параметры ОУ с ПТ-входом без заметной потери точности. [8, стр.106-107]

1.4.2 Типы сигнальных входов