СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ И МАГНИТОУПРУГИЙ ДАТЧИК ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ Российский патент 1997 года по МПК G01N27/80 

Изобретение относится к приборостроению, неразрушающему контролю материалов, технической диагностике и может быть использовано для определения механических напряжений в ферромагнитных материалах при плоском напряженном состоянии с помощью накладных датчиков для оценки ресурсоемкости устройства агрегатов, работающих под нагрузкой.

В настоящее время известен способ определения механических напряжений (см. А.С. N 1597612), заключающийся в том, что на одном и том же участке исследуемого элемента конструкции проводят основное и вспомогательное измерения магнитоупругой чувствительности, каждое из которых проводят при однократном контролирующем измерении напряженного состояния этого элемента вдоль линии действия искомых напряжений с одновременным его намагничиванием переменным полем фиксированной амплитуды, с превышением амплитуды при вспомогательном измерении в 4-6 раз относительно основного измерения выбирают рабочий градуировочный график по результату вспомогательного измерения и судят о величине искомых напряжений по результатам основного измерения.

Кроме того, известен магнитоупругий датчик (см. А.С. N 1509638), содержащий Х-образный магнитопровод, намагничивающие и измерительные обмотки, расположенные на стержнях магнитопровода; снабженного перемычками из ферромагнитного материала, установленными между стержнями Х-образного магнитопровода так, что их торцы контактируют с боковыми гранями стержней, концы которых выступают за пределы наружных поверхностей перемычек, намагничивающие обмотки размещены на стержнях, расположенных по одной оси Х-образного магнитопровода, а измерительные по другой.

Наиболее близким по техническому результату к заявляемому является способ измерения механических напряжений накладными магнитоупругими преобразователями при плоском напряженном состоянии, заключающийся в том, что одноосно нагруженное контролируемое изделие намагничивают с помощью двух накладных трансформаторных магнитоупругих преобразователей во взаимно перпендикулярных направлениях, одно из которых совпадает с направлением нагружения изделия и измеряют параметры выходных сигналов преобразователей, выделяя первую гармонику ЭДС измерительных обмоток обоих преобразователей и первую гармонику разности выделенных ЭДС, измеряют их амплитуды и фазы соответственно, причем измерения проводят при двух значениях амплитуды синусоидального тока, питающего намагничивающие обмотки преобразователей, после чего аналогичные измерения проводят, намагничивая этими преобразователями одноосно нагруженный эталонный образец, изготовленный из материала контролируемого изделия и имеющий его температуру, после чего вычисляют механическое напряжение по определенному соотношению измеренных величин (см. А.С. N 1273754).

Наиболее близким по техническому результату к заявляемому является магнитоупругий датчик для определения механических напряжений, содержащий две скрепленные между собой пластины, одна из которых выполнена из магнитоупругого, а другая из немагнитного материала и П-образный магнитопровод с размещенными на нем намагничивающей и измерительной обмотками, причем пластина из магнитоупругого материала выполнена с двумя отверстиями, в которых установлены с зазором стержни П-образного магнитопровода. На чертеже представлена схема датчика.

Для определения механических напряжений повышенной точности при наличии зазора между магнитоупругим датчиком и поверхностью контролируемого изделия необходимо, чтобы магнитоупругий датчик, включая Н-образный сердечник (1) и два сердечника полосовой формы (2, 3), которые установлены между полюсами первого симметрично его центральной части, причем на Н-образном сердечнике размещены возбуждающая (4) и измерительная (5) обмотки, а на остальных сердечниках измерительные обмотки (6,7). Причем намагничивание контролируемого изделия ведут в диапазоне частот 10-30 Гц, затем измеряют комплекс параметров выходного сигнала с последовательным выделением нечетных гармоник и числа скачков Баркгаузена, причем при измерении последнего ЭДС первой гармоники поддерживают постоянной для данного материала независимо от зазора, и по сравнению соответствующих зависимостей параметров контролируемого и эталонного изделий определяют механические напряжения.

Из научно-технической литературы и патентной документации неизвестно использование диапазона частот в 10-30 Гц для определения механических напряжений, измерения комплекса параметра выходного сигнала с последовательным выделением нечетных гармоник ЭДС и числа скачков Баркгаузена, причем, чтобы при измерении числа скачков Баркгаузена ЭДС первой гармоники поддерживалась бы постоянной для данного материала независимо от зазора в пределах от 0 до 5 мм, между магнитоупругим преобразователем и поверхностью контролируемого изделия. Кроме того, неизвестен магнитоупругий датчик, содержащий магнитопровод, включающий три сердечника, один из которых имеет Н-образную форму, а два других одинаковую полосовую форму, при этом последние размещены между полюсами первого симметрично его центральной части, причем на Н-образном сердечнике размещена намагничивающая и измерительная, а на остальных измерительные обмотки. Однако известно использование эффекта Баркгаузена для определения структуры ферромагнетиков, (см. журнал "Спектроскопия", 1986, N 3, с. 90-92. Портативный структуроскоп СКИФ-1). Известно также использование магнитоупругого датчика с двумя сердечниками, один из которых имеет Н-образную форму, а другой полосовую, причем второй сердечник расположен между полюсами первого и несет измерительную обмотку (см. ж-л "Дефектоскопия", 1988, N 3. Датчик для структуроскопа). Однако он используется для определения структуры ферромагнитных изделий. Способ осуществляется следующим образом. Из материала контролируемого изделия изготавливают эталонный образец. Нагружают эталонный образец заданными напряжениями, аналогично напряжениям, действующим в контролируемом изделии в реальных условиях.

Собирают электрическую схему (не показано). С помощью магнитоупругого датчика производят намагничивание эталонного образца переменным электромагнитным полем частотой 10-30 Гц. При заданных механических напряжениях измеряют параметры выходных сигналов магнитоупругого преобразователя. При фиксированной ЭДС первой гармоники строят тарировочный график зависимости числа скачков Баркгаузена от величины напряжений. Затем аналогичным образом намагничивают контролируемое изделие. При этом при намагничивании величину ЭДС первой гармоники выходного сигнала поддерживают постоянной, зафиксированной ранее для данного материала при наличии зазора в указанных выше пределах до 5 мм. По сравнению соответствующих параметров эталонного и контролируемого изделий определяют механические напряжения. Магнитоупругий датчик для определения механических напряжений (см. черт.) состоит из магнитопровода, включающего три сердечника (1,2,3), один из которых (1) имеет Н-образную, а два других (2,3) одинаковую полосовую форму. Причем дополнительные полосовые сердечники установлены между полюсами Н-образного сердечника симметрично его центральной части. Намагничивающая обмотка (4) расположена на Н-образном сердечнике, а измерительные (5,6,7) расположены на каждом сердечнике, как показано на чертеже. При этом обмотки 4 и 7 наматываются бескаркасным способом на Н-образный сердечник, а полосовые сердечники 2 и 3 с обмотками 7 и 6 крепятся к Н-образному сердечнику клеем, например эпоксидной смолой.

Пример 1. Для определения напряженного состояния магистральных нефтепродуктопроводов был изготовлен датчик, как показано чертеже. Кроме того, для выполнения измерений был изготовлен макет прибора, электрическая функциональная схема которого не показана. Затем из материала труб (ст. 3 КП) были изготовлены эталонные образцы размерами 500х30х10, где последний размер толщина трубной стали. Так как заранее было известно, что характерные деформации при разрушении выпучивание трубы за счет ее изгиба, было установлено, что наиболее опасными являются деформации одноосного растяжения. Поэтому испытания и калибровка прибора была проведена на разрывной машине марки INSTRON.

Тарировочные графики были выполнены в полосе действия упругих напряжений до 10% пластической деформации. При этом было установлено, что наличие изоляции на трубе, а также зазор, ржавчина и т.д. требуют условий работы прибора с электромагнитным полем при намагничивании частотой до 30 Гц. В этом случае отклик наиболее информативен. Кроме того, для предотвращения влияния зазора была установлена методика измерения скачков Баркгаузена при фиксированной величине ЭДС первой гармоники. Затем прибором с датчиком и тарировочным графиком были выполнены измерения на газопроводе линейного участка насосной станции Уральского управления магистральными нефтепродуктопроводами. При этом измерения были проведены на трех линиях с давлением 5, 25, 45 ат. Трубы диаметром 350 мм с изоляцией из краски толщиной 3 мм. Показания прибора контролируемых труб соответствовали внутреннем давлению с погрешностью в ± 10% от предела упругости.

Пример 2. Аналогичные измерения были проведены на образцах стали марки ст. 20. При этом было установлено, что наиболее информативной является частота в 10 Гц. Это объясняется механизмом проникновения электромагнитного поля вглубь контролируемого изделия. Последующие измерения с различными сталями позволили установить предельные величины по частоте электромагнитного поля в 10-30 Гц.

Таким образом, предлагаемый способ определения механических напряжений позволяет с определенной точностью измерять величину напряжений в металлоконструкциях. Контролировать состояние агрегатов и устройств под нагрузкой для предотвращения критических напряжений. Для оценки ресурсоемкости разработана специальная методика измерения напряжений, включающая детальное обследование опасного участка, временную динамику замеров, анализа ресурсоемкости изделия при истечении гарантийного срока службы, учета пластических деформаций и выдача экспертного заключения о работоспособности металлоконструкции или необходимости замены наиболее опасного участка.

Использование: в неразрушающем контроле материалов, для определения механических напряжений в ферромагнитных материалах. Задача - возможность создания технологии, позволяющей с определенной точностью измерять величину напряжений в металлоконструкциях. Сущность: нагружное контролируемое изделие намагничивают с помощью магнитоупругих преобразователей, установленных с зазором относительно изделия, измеряют параметры выходных сигналов преобразователей, выделяют первую гармонику ЭДС измерительных обмоток преобразователей, аналогичные измерения проводят, намагничивая этими же преобразователями аналогично нагруженный эталонный образец, изготовленный из материала контролируемого изделия и имеющий его температуру и с учетом измеренных параметров определяют механические напряжения, намагничивание проводят в диапазоне частот 10-30 Гц, в качестве параметров выходных сигналов измерительных обмоток преобразователей используют нечетные гармоники ЭДС и числа скачков Баркгаузена, причем при измерении последнего параметра первую гармонику ЭДС поддерживают постоянной для данного материала, а о механических напряжениях судят по сравнению измеренных параметров контролируемого изделия и образца. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ определения механических напряжений с использованием накладных магнитоупругих преобразователей, заключающийся в том, что нагруженное контролируемое изделие намагничивают с помощью магнитоупругих преобразователей, установленных с зазором относительно изделия, измеряют параметры выходных сигналов преобразователей, выделяют первую гармонику ЭДС измерительных обмоток преобразователей, аналогичные измерения проводят, намагничивая этими же преобразователями аналогично нагруженный эталонный образец, изготовленный из материала контролируемого изделия и имеющий его температуру, и с учетом изморенных параметров определяют механические напряжения, отличающийся тем, что намагничивание проводят в диапазоне частот 10 30 Гц, в качестве параметров выходных сигналов измерительных обмоток преобразователей используют нечетные гармоники ЭДС и числа скачков Баркгаузена, причем при измерении последнего параметра первую гармонику ЭДС поддерживают постоянной для данного материала, а о механических напряжениях судят по сравнению измеренных параметров контролирумого изделия и образца. 2. Магнитоупругий датчик для определения механических напряжений, содержащий корпус, установленные в нем сердечник с размещенными на нем возбуждающей и измерительной обмотками, отличающийся тем, что он снабжен двумя дополнительными сердечниками полосовой формы и размещенными на них соответственно двумя измерительными обмотками, а основной сердечник выполнен Н-образной формы, причем дополнительные сердечники установлены между полюсами основного симметрично его центральной части.