ПРИСТАВНОЕ УСТРОЙСТВО КОЭРЦИТИМЕТРА Российский патент 1995 года по МПК G01R33/12 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при определении коэрцитивной силы ферромагнитных изделий и неразрушающем контроле изделий по коэрцитивной силе.

Известны коэрцитиметры с приставным электромагнитом (Михеев М.Н. Неразрушающие методы контроля качества материалов и изделий. Вестник АН СССР, 1974, N 1, с. 51), которые содержат разомкнутый магнитопровод, замыкаемый контролируемым изделием, с установленной на нем обмоткой перемагничивания и нуль-индикатор магнитного потока в виде феррозонда с сердечником, являющимся частью магнитопровода. Контролируемый участок изделия намагничивают пропусканием тока через обмотку магнитопровода (число витков W), затем размагничивают его током обратного направления, в процессе размагничивания измеряют магнитный поток в магнитопроводе с помощью феррозонда и в момент равенства потока нулю отсчитывают значение размагничивающего тока I_o, по которому определяют коэрцитивную силу. Показания аппаратуры (ампер-витки размагничивания WI_o) пропорциональны коэрцитивной силе Н_с материала изделия и средней длине магнитной силовой линии в изделии l_и.

Недостатком известного устройства является низкая точность определения Н_с, обусловленная зависимостью тока I_o от непостоянства зазора δ между полюсами магнитопровода и контролируемым участком изделия, а также от толщины последнего. Кроме того, зависимость I_o(H_c) является нелинейной (из-за влияния на величину тока I_o восприимчивости на спинке петли гистерезиса материалов с различными Н_с) и смещена вдоль оси I_o на величину I_ом, обусловленную остаточным намагничиванием магнитопровода.

Известно также приставное устройство коэрцитиметра (Захаров В.А. Михеев М. Н. Францевич В. М. К расчету феррозондового коэрцитиметра с приставным электромагнитом и компенсационной обмоткой. -Дефектоскопия, N 4, 1971, с. 21), содержащее разомкнутый магнитопровод, замыкаемый контролируемым изделием, с установленной на нем обмоткой перемагничивания, нуль-индикатор магнитного потока в магнитопроводе и установленную на нем компенсационную обмотку, соединенную последовательно-встречно с обмоткой перемагничивания. Подбором соотношения ампер-витков размагничивания и компенсации устраняется зависимость тока I_o от зазора δ изделие-магнитопровод в определенном диапазоне изменения последнего.

Недостатком этого устройства является сложность и зависимость показаний аппаратуры от толщины контролируемых изделий, а также от восприимчивости на спинке петли гистерезиса материала изделий и от величины коэрцитивной силы материала магнитопровода Н_см.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является приставное устройство коэрцитиметра (а.с. СССР N 1205089, кл. G 01 R 33/12, 1986), содержащее разомкнутый магнитопровод, замыкаемый контролируемым изделием, обмотку перемагничивания и нуль-индикатор магнитного поля в виде двух преобразователей, расположенных между полюсами магнитопровода у рабочей поверхности устройства.

Недостатком устройства-прототипа является сложность, обусловленная необходимостью симметричного расположения преобразователей магнитного поля относительно нейтральной плоскости магнитопровода и поворота их вокруг оси при настройке аппаратуры на контроль изделий различных типоразмеров. Кроме того, известное устройство имеет низкую точность определения коэрцитивной силы из-за влияния на показания аппаратуры (ток размагничивания I_o) толщины контролируемых изделий, магнитной восприимчивости на спинке петли гистерезиса материала изделий и величины коэрцитивной силы материала магнитопровода Н_см.

Предлагаемое изобретение позволяет упростить устройство и повысить точность определения коэрцитивной силы ферромагнитных изделий за счет снижения влияния на показания аппаратуры непостоянства размеров контролируемых изделий, зазора между изделием и полюсами магнитопровода приставного устройства, восприимчивости на спинке петли гистерезиса изделий и коэрцитивной силы материала магнитопровода.

Сущность изобретения состоит в том, что в приставном устройстве коэрцитиметра, содержащем разомкнутый магнитопровод, замыкаемый контролируемым изделием, обмотку перемагничивания и два преобразователя магнитного поля, центры которых расположены между полюсами магнитопровода и обмоткой перемагничивания, по одному из вариантов преобразователи магнитного поля выполнены в виде измерителей напряженности магнитного поля, центр одного из измерителей установлен в нейтральной плоскости магнитопровода, а оси чувствительности обоих измерителей перпендикулярны указанной плоскости. Предпочтительным является расположение центров обоих измерителей напряженности магнитного поля в нейтральной плоскости магнитопровода.

По второму варианту приставное устройство коэрцитиметра дополнительно снабжено измерителем напряженности магнитного поля, а преобразователи магнитного поля выполнены в виде магнитного компаратора. Центр одного из преобразователей (полуэлементов) компаратора установлен в нейтральной плоскости магнитопровода, а центр измерителя напряженности магнитного поля расположен в пространстве между полюсами магнитопровода и обмоткой перемагничивания, причем оси чувствительности измерителя напряженности и обоих полуэлементов магнитного компаратора перпендикулярны нейтральной плоскости магнитопровода. Предпочтительным является расположение центров измерителя напряженности магнитного поля и обоих полуэлементов магнитного компаратора в нейтральной плоскости магнитопровода.

Совокупность перечисленных существенных признаков предлагаемого изобретения позволяет упростить приставное устройство коэрцитиметра за счет того, что оси чувствительности преобразователей магнитного поля устанавливаются в положение, не требующее никакой дополнительной регулировки, причем исключается необходимость измерения тока размагничивания I_o и перевод его в напряженность магнитного поля (в коэрцитивную силу), поскольку благодаря указанному выше расположению преобразователей магнитного поля и ориентации их осей чувствительности производится отсчет непосредственно величины напряженности магнитного поля, равного коэрцитивной силе контролируемого изделия. Точность определения коэрцитивной силы повышается за счет того, что величина напряженности магнитного поля, измеряемого при определенных условиях преобразователями, установленными по предлагаемым вариантам, не зависит от толщины контролируемых изделий и их восприимчивости на спинке петли гистерезиса, а также от величины зазора между изделием и полюсами магнитопровода приставного устройства (в достаточно большом интервале изменения зазора) и от коэрцитивной силы материала магнитопровода.

На фиг. 1 показана схема коэрцитиметра с приставным устройством по первому варианту; на фиг. 2 то же, по второму варианту; на фиг. 3 топография магнитного поля в пространстве между полюсами магнитопровода в состоянии остаточного намагничивания системы магнитопровод-изделие; на фиг. 4 топография магнитного поля в момент измерения коэрцитивной силы изделия; на фиг. 5 конструкция приставного устройства коэрцитиметра; на фиг. 6 зависимость составляющей Н_х напряженности магнитного поля вдоль оси Х от координаты Y при различном расположении преобразователей магнитного поля; на фиг. 7 зависимость напряженности Н*, измеряемой с помощью предлагаемого устройства, от толщины t контролируемых изделий (1) в сопоставлении с зависимостью тока размагничивания I_o известных коэрцитиметров от t (2): на фиг. 8 зависимость параметра Н* от зазора δ магнитопровод-изделие (1) в сопоставлении с зависимостью тока I_o от δ (2); на фиг. 9 зависимость параметра Н* от коэрцитивной силы Н_с контролируемых изделий (1) в сопоставлении с зависимостью тока I_o от Н_с (2).

Приставное устройство коэрцитиметра по первому варианту (фиг. 1) содержит разомкнутый П-образный магнитопровод 1, замыкаемый контролируемым изделием 2, установленную на магнитопроводе обмотку 3 перемагничивания и расположенные между полюсами магнитопровода и обмоткой измерители 4 и 5 напряженности магнитного поля. Центр по крайней мере одного из измерителей (4 на фиг. 1) расположен в нейтральной плоскости магнитопровода 1, а оси чувствительности обоих измерителей перпендикулярны указанной плоскости. В частном случае центры обоих измерителей 4 и 5 могут располагаться в нейтральной плоскости магнитопровода. Обмотка перемагничивания соединена с источником 6 питания для намагничивания и размагничивания изделия 2. Измерители 4 и 5 соединены соответственно с блоками 7 и 8 преобразования сигналов. Выход блока 7 соединен с одним из входов (первым) блока 9 сравнения и с первым входом индикатора 10, а выход блока 8 с вторым входом блока сравнения. Выход последнего соединен с вторым (управляющим) входом индикатора 10, выход которого является выходом устройства.

По второму варианту (фиг. 2) преобразователи 11 и 12 магнитного поля являются полуэлементами компаратора 13 и соединены с его соответствующими входами. Выход компаратора 13 соединен с управляющим входом индикатора 10. Центр одного из полуэлементов (11 на фиг. 2) расположен в нейтральной плоскости магнитопровода 1. Наряду с этим в устройство дополнительно введен измеритель 14 напряженности магнитного поля, соединенный с блоком 15 преобразования сигнала, выход которого соединен с первым входом индикатора 10. Центр измерителя 14 расположен между полюсами магнитопровода 1 и обмоткой 3 перемагничивания. Оси чувствительности полуэлементов 11 и 12 магнитного компаратора и измерителя 14 напряженности магнитного поля расположены перпендикулярно нейтральной плоскости магнитопровода. В частном случае центры всех трех магнитных преобразователей 11, 12 и 14 могут располагаться в нейтральной плоскости магнитопровода.

Устройство работает следующим образом. Приставное устройство (ПУ) коэрцитиметра устанавливают на контролируемый участок изделия 2, как показано на фиг. 1 и 2, либо изделие 2 устанавливают на полюса магнитопровода 1 ПУ. Затем в обмотку 3 перемагничивания ПУ подают ток намагничивания от источника 6 питания; после намагничивания изделия до технического насыщения ток намагничивания плавно выключают и в обмотку 3 подают от источника 6 питания ток противоположного по отношению к намагничивающему направления (размагничивающий ток), увеличивающийся во времени. В процессе размагничивания изделия измеряют магнитное поле в пространстве между полюсами магнитопровода 1 ПУ и обмоткой 3 с помощью преобразователей по одному из двух вариантов.

По первому варианту сигналы с измерителей 4 и 5 магнитного поля (фиг. 1) поступают на соответствующие блоки 7 и 8 преобразования сигнала. Выходные сигналы (напряжения) этих блоков сравниваются между собой с помощью блока 9 сравнения, а один из сравниваемых сигналов (в данном случае с блока 7) поступает на вход индикатора 10 (сравнение может производиться и непосредственно по выходным полезным сигналам измерителей 4 и 5). При размагничивающем токе, равном нулю (состояние остаточного намагничивания системы магнитопровод-изделие), сигналы с преобразователей 4, 5 и блоков 7 и 8 неодинаковы в силу резкой неоднородности магнитного поля в пространстве между полюсами магнитопровода, обмоткой ПУ и изделием (фиг. 3). По мере увеличения размагничивающего тока и размагничивания изделия поле в указанном пространстве становится более однородным и при определенном значении тока размагничивания становится практически однородным по всему межполюсному пространству (фиг. 4). В этот момент времени намагниченность контролируемого участка изделия становится равной нулю, а напряженность магнитного поля в исследуемой зоне (она же внутреннее поле в изделии) равна коэрцитивной силе материала изделия Н_с. При этом сигналы с блоков 7 и 8 (величины напряженности магнитного поля, измеряемые преобразователями 4 и 5) становятся равными, на выходе блока 9 сравнения появляется управляющий сигнал, по которому индикатор 10 фиксирует значение напряженности магнитного поля, равное Н_с (обозначим его Н*).

По второму варианту сигналы с преобразователей 11 и 12 поступают на входы компаратора 13, а напряженность магнитного поля измеряется с помощью преобразователя 14 и блока 15, сигнал с выхода которого (величина напряженности магнитного поля) поступает на индикатор 10. В момент, когда магнитное поле в исследуемом пространстве становится однородным, срабатывает компаратор 13 и выдает сигнал на фиксацию напряженности магнитного поля Н*=Н_с.

Принцип действия предлагаемого устройства можно пояснить с помощью закономерностей изменения топографии и характеристик магнитного поля при размагничивании изделия в зависимости от места расположения преобразователей магнитного поля на примере ПУ, показанного на фиг. 5. Магнитопровод ПУ имеет размеры: толщина сердечника у полюсов 12 мм, ширина (размер в направлении, перпендикулярном плоскости чертежа) 28 мм, расстояние между внутренними поверхностями полюсов магнитопровода 32 мм. Обмотка перемагничивания состоит из двух одинаковых секций (по 1180 витков в каждой), расстояние которых до рабочей поверхности ПУ составляет 20 мм. В пространстве между полюсами магнитопровода, обмоткой и поверхностью контроля размещен феррозондовый измеритель магнитного поля (длина 3 мм, диаметр 0,9 мм, диаметр сердечника феррозонда -- 0,1 мм) с возможностью установки его в заданное положение в системе координат Х-Y (начало координат лежит в точке пересечения продольной плоскости симметрии, нейтральной плоскости и рабочей поверхности магнитопровода) и фиксации в этом положении.

На фиг. 6 показана зависимость нормальной по отношению к нейтральной плоскости магнитопровода составляющей напряженности магнитного поля Н_х от координаты Y в нейтральной плоскости магнитопровода (кривая, соответствующая Х= 0) и вне ее (кривая при Х=14 мм) в состоянии остаточного намагничивания изделия (сталь 40Х, 56х28 мм, толщина t=12,5 мм) после его намагничивания током 3 А. Из фиг. 6 видно, что если один из преобразователей (первый), измеряющих Н_х, располагать в нейтральной плоскости магнитопровода (например, при Y= 3 мм), то во всех других точках рассматриваемого пространства как в нейтральной плоскости, так и вне ее параметр Н_х будет отличаться от показаний первого преобразователя. Так, если первый измеритель показывает Н_х= Н₁= 4 А/см, то второй измеритель, расположенный также в нейтральной плоскости, но удаленный от первого на 6 мм (Y=9 мм), показывает Н_х=Н^l₂=-1,8 А/см, т.е. разность показаний ΔН' Н₁-Н^l₂ составляет 5,8 А/см. Значение Н_х=0 при Y= 7 мм на фиг. 6 соответствует характерной точке А на фиг. 3: в этой точке магнитное поле от изделия равно магнитному полю от магнитопровода, а суммарное поле равно нулю; в зависимости от соотношения магнитных полей изделия и магнитопровода точка А может смещаться вдоль оси Y. Что касается силовой линии суммарного магнитного поля, проходящего через точку А, то она подходит к точке от полюса магнитопровода слева, затем поворачивается на 180^о и, замыкаясь по изделию (пунктир), подходит к точке А справа, после чего поворачивается на 180^о и идет к правому полюсу магнитопровода. Если же второй измеритель магнитного поля расположить вне нейтральной плоскости магнитопровода ближе к одному из его полюсов (Х=14 мм) на том же уровне Y=3 мм, то он показывает Н_х=Н^ll₂=-16 А/см, а разность показаний первого и второго измерителей ΔН=Н₁-Н^ll₂ составляет 20 А/см.

При подаче размагничивающего тока в обмотку ПУ и его увеличении значения Н_х во всех рассматриваемых точках пространства увеличиваются, при этом кривые Н_х(Y) смещаются вправо, как показано стрелками на фиг. 6. При некотором значении размагничивающего тока все кривые практически сливаются в одну зависимость, близкую к прямой, параллельной оси Y, что соответствует Н_х=Н*=Н_с= 8,8 А/см. Для сравнения при том же токе размагничивания пунктиром на фиг. 6 показана зависимость напряженности Н_х при Х=0 от координаты Y в отсутствие изделия; видно, что поле неоднородно как в пространстве между полюсами магнитопровода, так и за его пределами. Различие в сравниваемых картинах магнитного поля объясняется тем, что перемагничивание изделия с помощью ПУ происходит послойно, начиная с приповерхностных областей (Захаров В.А. К теории приставных магнитных устройств с магнитопроводом.-Дефектоскопия, N 3, 1978, с. 75). На фиг. 4 топография поля соответствует началу перемагничивания поверхностного слоя изделия, при этом пунктиром обозначена линия, вдоль которой суммарная индукция равна нулю, а глубже материал изделия еще не размагничен (силовые линии направлены в противоположную сторону в сторону намагничивания). В момент отсчета Н* магнитное поле от этой части изделия компенсирует неоднородность собственного магнитного поля ПУ в пространстве между полюсами магнитопровода и суммарное поле становится однородным практически по всему межполюсному пространству. С дальнейшим увеличением тока размагничивания кривые смещаются и наклоняются вправо (на фиг. 6 не показано), что соответствует намагничиванию изделия в направлении, противоположном первоначальному.

Из фиг. 6 видно, что с точки зрения большей точности отсчета параметра Н* предпочтительным является сравнение напряженностей магнитного поля на уровне Y= 3 мм в точках Х₁=0 и Х₂=14 мм, поскольку в этом случае изменение разности сигналов измерителей наиболее резкое и четко фиксируется их равенство (момент отсчета Н*). Однако асимметричное (Х≠0) по отношению к нейтральной плоскости магнитопровода расположение второго преобразователя имеет недостаток: при перекосах ПУ по отношению к контролируемой поверхности изделия (например, когда зазоры под полюсами магнитопровода ПУ не равны друг другу) происходит деформация топографии магнитного поля в межполюсном пространстве ПУ и появляется ошибка в измерении Н_с, т.е. имеем Н*>Н_с или Н*<H_c в зависимости от направления перекоса. Эта ошибка отсутствует, как показывают эксперименты, если оба преобразователя расположены в нейтральной плоскости магнитопровода (по второму варианту ПУ предпочтительным с этой точки зрения является расположение всех трех преобразователей в нейтральной плоскости магнитопровода).

Как показывают экспериментальные исследования, величина напряженности магнитного поля Н*, измеряемая с помощью предлагаемого устройства, не зависит от постоянства таких параметров, как толщина контролируемых изделий и магнитная восприимчивость на спинке петли гистерезиса материала изделия, а также зазора δ изделие-магнитопровод в достаточно широком диапазоне изменения последнего. Не влияет на показания аппаратуры также коэрцитивная сила материала магнитопровода Н_см. Это обусловлено тем, что контролируемый участок изделия под полюсами магнитопровода и в приповерхностном слое изделия между полюсами намагничивается до технического насыщения даже при зазорах до 3-5 мм независимо от габаритов (массивности) всего изделия в целом. При этом размагничивание материала в контролируемой зоне происходит по предельной петле гистерезиса и в момент, когда его намагниченность становится равной нулю, "внутреннее поле" равно коэрцитивной силе Н_с материала изделия. С другой стороны, поскольку "внутреннее поле" всегда равно касательной составляющей напряженности магнитного поля у поверхности изделия, а последнее в момент достижения однородности поля в межполюсном пространстве равно Н*, то, независимо от зазора δ и толщины t изделия, получаем Н*=Н_с. Этот результат получается независимо от конкретной величины размагничивающего тока (последний может меняться в зависимости от изменения параметров t и δ на изделиях из одного и того же материала), а также от величин коэрцитивной силы материала магнитопровода Н_см (намагниченный магнитопровод при размагничивании изделия выполняет функцию постоянной магнитодвижущей силы, которая направлена встречно ампер-виткам размагничивания, создаваемым обмоткой с током).

Сказанное подтверждается экспериментом с применением ПУ по фиг. 5, результаты которого приведены на фиг. 7-9 в сопоставлении с ПУ известных коэрцитиметров. Из фиг. 7 видно, что параметр Н* практически не зависит от толщины t изделий (кривая 1), в то время как ток размагничивания I_o существующих коэрцитиметров, выраженный в условных, или сопоставимых, единицах (кривая 2), изменяется значительно (при малых толщинах за счет изменения средней длины магнитной силовой линии в контролируемой зоне изделия, а при больших толщинах, превышающих толщину полюса магнитопровода, за счет непромагничивания до насыщения глубинных объемов магнетика вдоль средней силовой линии). Фиг. 8 показывает слабую зависимость параметра Н* от зазора δ изделие магнитопровод (кривая 1) и весьма сильную зависимость тока I_o от δ (кривая 2). На фиг. 9 представлена прямая 1, отражающая связь параметра Н * с Н_с; поскольку Н*=Н_с, то прямая выходит из начала координат. В отличие от этого зависимость I_o(H_c) (кривая 2), во-первых, является нелинейной (из-за влияния магнитной восприимчивости на спинке петли гистерезиса материала изделий: на изделиях с большей коэрцитивной силой, как правило, меньше магнитная восприимчивость, и наоборот, что сказывается на величине магнитного сопротивления изделия и, соответственно, на токе I_o), и, во-вторых, смещена относительно оси I_o на величину I_ом тока, требуемого для компенсации намагниченного материала магнитопровода (WI_ом= Н_см ˙l_м, где l_м средняя длина магнитной силовой линии в магнитопроводе).

Таким образом, используя особенности изменения топографии магнитного поля в межполюсном пространстве ПУ при перемагничивании системы ПУ-изделие, можно фиксировать в процессе размагничивания контролируемого изделия напряженность магнитного поля, равную коэрцитивной силе материала изделия, причем независимо от многих мешающих факторов.

Предлагаемое устройство является простым в изготовлении и надежным в эксплуатации, позволяя непосредственно измерять коэрцитивную силу материала на изделиях из различных ферромагнитных материалов и осуществлять неразрушающий контроль физико-механических параметров и состояния (в частности, измерения механических напряжений) ферромагнитных изделий по коэрцитивной силе. При этом измерение и контроль можно производить в условиях отсутствия непосредственного контакта между полюсами магнитопровода ПУ и контролируемым изделием (например, через тонкие, 1-4 мм, перегородки и т.п.). Коэрцитиметры с применением предлагаемого ПУ могут найти применение в машиностроении, металлургии, в других отраслях промышленности, а также при научных исследованиях.

Использование: при определении коэрцитивной силы ферромагнитных изделий и неразрушающем контроле по коэрцитивной силе. Сущность изобретения: устройство содержит разомкнутый магнитопровод, замыкаемый контролируемым изделием, обмотку перемагничивания и два преобразователя магнитного поля, центры которых расположены между полюсами магнитопровода и обмоткой перемагничивания. Преобразователи магнитного поля выполнены в виде измерителей напряженности магнитного поля, центр одного из них расположен в нейтральной плоскости магнитопровода, а оси чувствительности обоих преобразователей перпендикулярны указанной плоскости. Устройство может быть снабжено измерителем напряженности магнитного поля, а преобразователи магнитного поля выполнены в виде магнитного компаратора. Этим достигается упрощение устройства и повышение точности определения коэрцитивной силы ферромагнитных изделий за счет снижения влияния непостоянства размеров контролируемых изделий, зазора между изделием и полюсами магнитопровода, восприимчивости на спинке петли гистерезиса изделий и коэрцитивной силы материала магнитопровода. 2 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. ПРИСТАВНОЕ УСТРОЙСТВО КОЭРЦИТИМЕТРА, содержащее П-образный магнитопровод с обмоткой перемагничивания и два преобразователя магнитного поля, расположенные в плоскости магнитопровода между его полюсами и обмоткой перемагничивания, отличающееся тем, что центр по меньшей мере одного из преобразователей магнитного поля расположен в нейтральной плоскости магнитопровода, а оси чувствительности обоих преобразователей, образующих магнитный компаратор, перпендикулярны нейтральной плоскости магнитопровода. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено измерительным преобразователем магнитного поля, расположенным между полюсами магнитопровода и обмоткой перемагничивания в плоскости магнитопровода, причем ось чувствительности измерительного преобразователя магнитного поля перпендикулярна нейтральной плоскости магнитопровода. 3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что центр измерительного преобразователя магнитного поля расположен в нейтральной плоскости магнитопровода.