УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЛОКАЛЬНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ФЕРРОМАГНИТНОЙ ФАЗЫ АУСТЕНИТНЫХ СТАЛЕЙ Российский патент 1999 года по МПК G01N27/87 G01N27/72 

Изобретение относится к измерительной технике, для неразрушающего контроля качества материалов и предназначено для локального измерения ферромагнитной фазы аустенитных сталей при литье, в заготовках и в готовых изделиях, сварочных швах и наплавках и др.

В современном машиностроении, энергетике, самолето- и судостроении широко применяются парамагнитные сплавы с магнитной проницаемостью μ < 1,05 (аустенитные стали). К таким сплавам предъявляются высокие требования по их магнитным свойствам. Материалы из этих сплавов не должны изменять свое парамагнитное состояние при их изготовлении, когда они подвергаются воздействию внешних полей, упругих напряжений, пластических деформаций, высоких температур (например: при сварке, резке, термообработке) и др.

Контроль стабильности магнитного состояния этих сталей является весьма актуальным, т.к. воздействия поля, температуры, пластических деформаций могут существенно увеличивать магнитную проницаемость за счет перехода материала аустенитной стали в ферромагнитное состояние (в α- фазу).

Такой контроль осуществляют с помощью приборов - ферритометров. Залогом успешного контроля и работы прибора является локальный, накладной дифференциальный феррозондовый датчик, предназначенный для сканирования поверхности материалов и изделий. Однако, существующие на сегодняшний день конструкции датчиков, при своих достоинствах, ограничивают возможности этого метода контроля, не обеспечивая достаточно полной локальности измерений материалов.

Предлагаемое в заявляемом изобретении устройство для измерения ферромагнитной фазы аустенитных сталей отвечает этим требованиям и позволяет повысить точность и достоверность локальных измерений ферромагнитной фазы аустенитных сталей.

Известно устройство для локального измерения ферромагнитной фазы материалов [1].

Устройство содержит постоянный магнит, феррозондовый датчик, ручку и немагнитный защитный корпус, в котором магниточувствительные элементы расположены у полюса магнита, симметрично его продольной оси, в зонах, в которых на длине магниточувствительных элементов, результирующая составляющих поля магнита, направленных вдоль каждого из магниточувствительных элементов, практически равна нулю, причем магниточувствительные элементы подключены к электроизмерительному блоку прибора по схеме полемера.

Устройство работает следующим образом.

При сканировании поверхности материала устройством, его магнит взаимодействует с материалом, промагничивая его на определенную глубину. При этом по обмоткам возбуждения магниточувствительных элементов пропускается переменный ток с определенной частотой, который периодически доводит сердечники магниточувствительных элементов до насыщения. В отсутствие, на сканируемом участке материала пятен с ферромагнитными свойствами (α-фазы) ЭДС, наводимые в измерительных обмотках магниточувствительных элементов, от неоднородности магнитного поля и выходной сигнал, фиксируемый стрелочным индикатором, будут отсутствовать.

При сканировании участка материала, обладающего ферромагнитными свойствами, силовые линии магнитного поля неоднородности участка материала, воздействуют на сердечники магниточувствительных элементов в направлении (вдоль), их магнитных (продольных) осей (измеряется нормальная составляющая магнитного поля неоднородности материала). В результате изменения магнитных потоков сердечников, ЭДС, наводимые в измерительных обмотках магниточувствительных элементов, соединенных по схеме полемера, будут складываться. Сумма величин ЭДС, передаваемых в виде сигнала на стрелочный индикатор, и является мерой нормальной составляющей магнитного поля, создаваемого α-фазой в материале.

Однако, это известное устройство обладает существенными недостатками, снижающими эффективность его применения, а именно:
1. Относительная погрешность измерения по обработанной поверхности материала составляет 10%.

2. Для проверки достоверности результатов, необходимо дважды сканировать участок материала во взаимно ортогональных направлениях.

3. Погрешность измерения возрастает, когда материал имеет небольшую толщину (2-3 мм), или же магнит имеет прямоугольную форму, в этом случае, силовые линии магнитного поля неоднородности материала, воздействующие на магниточувствительные элементы устройства, могут быть разнополярными, и результирующий выходной сигнал уменьшится, то есть устройство недостаточно универсально для широкого круга контроля изделий и материалов.

Наиболее близким техническим решением, взятым за прототип, является известное устройство для локального измерения ферромагнитной фазы материалов [2].

Устройство содержит постоянный магнит, феррозондовый датчик, ручку и немагнитный защитный корпус, в котором магниточувствительные элементы датчика расположены в плоскости нейтрального сечения магнита на его противоположных сторонах ортогонально его продольной оси, соосно друг другу; при этом они подключены к электроизмерительному блоку прибора по градиентометрической схеме, что позволяет исключить влияние внешнего постоянного магнитного поля, например геомагнитного поля, поля цеха и др.

Устройство-прототип работает следующим образом.

При сканировании поверхности материала устройством его магнит взаимодействует с материалом, промагничивая его на определенную глубину. При этом по обмоткам возбуждения магниточувствительных элементов пропускается переменный ток с определенной частотой, который периодически доводит сердечники магниточувствительных элементов до насыщения. В отсутствие в материале участка с ферромагнитными свойствами (α-фазы), ЭДС, наводимые в измерительных обмотках магниточувствительных элементов от неоднородности магнитного поля, будут отсутствовать; следовательно, и выходной сигнал, фиксируемый стрелочным индикатором, также будет отсутствовать.

При обнаружении участка, обладающего ферромагнитными свойствами, силовые линии магнитного поля рассеяния неоднородности материала воздействуют на сердечники магниточувствительных элементов в направлении ортогонально магнитным осям этих сердечников (в этом случае измеряется тангенциальная составляющая магнитного поля рассеяния неоднородности материала). В результате изменения магнитных потоков сердечников ЭДС, наводимые в измерительных обмотках магниточувствительных элементов, соединенных по схеме градиентометра, в этом случае будут складываться. Сумма величин ЭДС, передаваемая в виде сигнала на стрелочный индикатор, и является мерой продольного градиента, тангенциальной составляющей магнитного поля относительно продольной оси магниточувствительных элементов, создаваемого α-фазой в материале.

Однако это известное устройство-прототип имеет недостатки, снижающие эффективность его применения, а именно:
1. Относительная погрешность измерения по обработанной поверхности материала составляет до 7%.

2. Для проверки достоверности результатов необходимо дважды сканировать участок материала во взаимно ортогональных направлениях.

3. Погрешность измерения возрастает, когда материал имеет небольшую толщину или же магнит имеет прямоугольную форму. В этом случае силовые линии магнитного поля неоднородности материала, воздействующие на магниточувствительные элементы устройства, могут быть разнополярными, и результирующий выходной сигнал уменьшится, т.е. устройство недостаточно универсально для широкого круга контроля изделий и материалов.

Сопоставительный анализ заявляемого устройства с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается наличием новой конструкции датчика, его элементов и связями, а именно тем, что оно снабжено дополнительными магниточувствительными элементами, расположенными в плоскости нейтрального сечения магнита, на его противоположных сторонах, под углом к оси намагничивания магнита, при этом магниточувствительные элементы подключены к электроизмерительному блоку прибора по градиентометрической схеме, а также одновременно с первой парой магниточувствительных элементов они подключены через переключатели к электроизмерительному прибору по схеме полемера.

Известно устройство в приборе Ферстера (измеритель проницаемости 1.005-1531 GK-5-1000/0,1-TQ-1), которое отличается от вышеописанного прототипа [2] наличием юстировочного магнита, применяемого с целью более точной установки магниточувствительных элементов в плоскости нейтрального сечения магнита (ЮНДК 24). В современных магнитах со значительной площадью намагничивания такой юстировочный магнит применять проблематично. В целом же это устройство расположением своих элементов и подключением их (градиентометрическая схема), а также по своим функциям и недостаткам аналогично прототипу [2].

Известно также устройство [3] , используемое для локального измерения ферромагнитной фазы листового материала.

Устройство состоит из феррозондового датчика, двух постоянных магнитов, расположенных в одной плоскости один против другого на некотором расстоянии друг от друга, боковые стороны магнитов, имеющие разные полюса, взаимодействуют друг с другом, для повышения точности измерений, магниточувствительные элементы размещены в одной плоскости на одной стороне параллельно друг другу и поверхности материала, при этом, первый магниточувствительный элемент размещен в центре взаимодействующих сторон магнитов, в плоскости их нейтрального сечения, другой - за краями магнитов. Магниточувствительные элементы включены по градиентометрической схеме. Однако относительная погрешность измерений этого устройства на самой чувствительной шкале, составляет до 15%.

Весомый вклад в такую погрешность вносят разнополярные силовые линии магнитного поля неоднородности материала, воздействующие на второй магниточувствительный элемент; в результате этого, градиентометрически соединенные магниточувствительные элементы работают по "классической" градиентометрической схеме, т. е. ЭДС, наводимые в измерительных обмотках магниточувствительных элементов, вычитаются, и результирующий выходной сигнал уменьшается. Следовательно, устройство не всегда может обнаружить участки с ферритной фазой и точно оценить величину магнитного поля неоднородности материала.

Если же магниточувствительные элементы расположить так же, но вблизи друг друга, чтобы избежать влияния разнополярных силовых линий неоднородности поля, то чувствительность устройства уменьшится, т.к. уменьшение базы магниточувствительных элементов, работающих по градиентометрической схеме, ведет к снижению чувствительности устройства. Следовательно, устройство становится так же малочувствительным к обнаружению ферромагнитной фазы материалов.

Введение же в это устройство дополнительных магниточувствительных элементов не оправдывало бы себя. Это связано с тем, что дополнительные магниточувствительные элементы в одном и том же направлении, что и первая пара магниточувствительных элементов, измеряли бы один и тот же градиент магнитного поля, при этом влияние магниточувствительных элементов друг на друга, расположенных таким образом, приводило бы к снижению чувствительности устройства.

Таким образом, известные технические устройства не дают полного решения проблемы, связанной с локальным измерением ферромагнитной фазы аустенитных сталей.

Предлагаемое техническое решение (отличающееся введением дополнительного датчика с магниточувствительными элементами, расположенными определенным образом, а также использование соединительных связей магниточувствительных элементов определенным образом и в зависимости от исследуемых материалов и изделий), реализованное в заявляемом устройстве, в настоящий момент в подобных технических устройствах неизвестно и не следует явным образом из уровня техники. Эти новые признаки сообщают объекту новые, неочевидные свойства, а именно: существенное повышение точности и достоверности локальных измерений ферромагнитной фазы аустенитных сталей, при одновременном повышении его универсальности и эффективности применения.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание устройства, предназначенного для локального измерения ферромагнитной фазы аустенитных сталей с повышенной точностью и достоверностью результатов измерений, при одновременном повышении его универсальности и эффективности применения.

Поставленная задача достигается за счет технического результата, который может быть получен при осуществлении изобретения; а именно, повышение точности и достоверности результатов измерений ферромагнитной фазы аустенитных сталей, за счет повышения локальности измерений и одновременного проведения двойного контроля одного и того же участка материала, а также обеспечения универсальности и эффективности устройства при его практическом использовании, за счет работы магниточувствительных элементов датчиков в режиме градиентометра или полемера в зависимости от исследуемых материалов и изделий.

Технический результат достигается за счет того, что известное устройство, содержащее постоянный магнит, феррозондовый датчик, ручку и немагнитный защитный корпус, в котором расположены в плоскости нейтрального сечения магнита на его противоположных сторонах, ортогонально его оси намагничивания, соосно друг другу, магнитоэлементы, подключенные к электроизмерительному блоку прибора по градиентометрической схеме, дополнительно снабжено феррозондовым датчиком, магниточувствительные элементы которого, расположены в плоскости нейтрального сечения магнита, на его противоположных сторонах, под углом к его оси намагничивания, при этом они подключены к электроизмерительному блоку прибора по градиентометрической схеме и одновременно, через переключатели, магниточувствительные элементы первого и дополнительного датчиков подключены к электроизмерительному блоку прибора по схеме полемера.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Изобретение поясняется чертежом, где изображено предлагаемое устройство.

Устройство содержит ручку 1, защитный немагнитный корпус 2, в котором установлен постоянный магнит 3 и расположены в плоскости его нейтрального сечения на противоположных сторонах ортогонально оси намагничивания магнита соосно друг другу магниточувствительные элементы 4, 5, а под углом (0-90^o) к оси намагничивания магнита расположены магниточувствительные элементы 6, 7, при этом они подключены к электроизмерительному прибору через переключатели по схеме градиентометра и полемера.

Устройство работает следующим образом.

Магниточувствительные элементы предлагаемого устройства размещены таким образом, что измерения осуществляются во взаимно ортогональных направлениях. При сканировании поверхности материала магнит 3 взаимодействует с материалом, промагничивая его на определенную глубину. При этом по обмоткам возбуждения магниточувствительных элементов 4, 5 и 6, 7 пропускается переменный ток с определенной частотой, который периодически доводит сердечники магниточувствительных элементов до насыщения. В отсутствие в материале участка с ферромагнитными свойствами (α- фазы) ЭДС, наводимые в измерительных обмотках магниточувствительных элементов 4, 5 и 6, 7 от неоднородности магнитного поля, будут отсутствовать, поэтому и выходные сигналы, фиксируемые стрелочными индикаторами, также будут отсутствовать.

При обнаружении участка, обладающего ферромагнитными свойствами, силовые линии магнитного поля неоднородности материала воздействуют на сердечники магниточувствительных элементов 4, 5 и 6, 7 в направлении ортогонально магнитным осям сердечников (измеряются тангенциальные составляющие магнитного поля рассеяния неоднородности материала в разных точках участка).

В результате изменения магнитных потоков сердечников ЭДС, наводимые в измерительных обмотках магниточувствительных элементов 4, 5 и 6, 7, соединенных по градиентометрической схеме, в этом случае будут складываться. Сумма величин ЭДС, передаваемая в виде сигнала на стрелочный индикатор, и является мерой продольного градиента тангенциальной составляющей магнитного поля неоднородности материала в направлении магниточувствительных элементов 4 и 5. В направлении магниточувствительных элементов 6 и 7 величина сигнала является мерой продольно-поперечного градиента тангенциальной составляющей магнитного поля, создаваемого α-фазой в материале.

Если хотя бы на один из магниточувствительных элементов 4 и 5, 6 и 7 будут воздействовать разнополярные силовые линии магнитного поля неоднородности материала, то в этом случае ЭДС, наводимые в измерительных обмотках, например магниточувствительных элементов 4 и 5, будут вычитаться, следовательно, эти магниточувствительные элементы становятся практически малочувствительными к обнаружению ферромагнитной фазы материала. Величина сигнала будет значительно отличаться от величины сигнала, получаемого от магниточувствительных элементов 6 и 7. Поэтому для контроля материала необходимо переключить магниточувствительные элементы 4 и 5 в режим работы по схеме полемера. ЭДС, наводимые в измерительных обмотках магниточувствительных элементов 4 и 5, будут складываться. Сумма величин ЭДС, передаваемая в виде сигнала на стрелочный индикатор, и является мерой тангенциальной составляющей магнитного поля неоднородности материала, создаваемой α-фазой в материале.

Таким образом, предлагаемое устройство благодаря новой конструкции датчика позволяет, с одной стороны, путем установки дополнительных магниточувствительных элементов определенным образом одновременно измерять материал в разных точках участка и сверять полученные показания, с другой стороны, работа магниточувствительных элементов в дополнительном режиме позволяет проводить любой контроль ферромагнитной фазы аустенитных сталей независимо от исследуемых материалов и изделий. Все это ведет к повышению точности и достоверности локальных измерений устройством при одновременном обеспечении его универсальности и эффективности применения.

Источники информации
1. Есилевский В. П., Пеликан А.Г., Еремеева И.Ю. Магнитный ферритометр ФМ-2. "Дефектоскопия", N 6, 1971, с. 123 - 124.

2. Ригмант М.Б., Горкунов Э.С., Пономарев B.C. и др. Измеритель содержания ферритной фазы ферритометра ФМ-3. "Дефектоскопия", N 5, 1996, с. 78 - 83.

3. Веденев М.А., Пономарев B.C., Ригмант М.Б. и др. Прибор для контроля измерений магнитного состояния листов слабомагнитных аустенитных сталей - ферритометр Ф-01. "Дефектоскопия", N 3, 1994, с. 3-9.

Изобретение относится к измерительной технике для неразрушающего контроля качества материалов и предназначено для локального измерения ферромагнитной фазы аустенитных сталей при литье, в заготовках и готовых изделиях, сварных швах, наплавках и др. Устройство выполнено в виде датчика и содержит ручку и защитный немагнитный корпус, в котором установлен постоянный магнит. В плоскости нейтрального сечения магнита на его противоположных сторонах ортогонально оси намагничивания магнита соосно друг другу установлена первая пара магниточувствительных элементов. Вторая пара элементов установлена под углом к оси намагничивания магнита. Магниточувствительные элементы подключены к электроизмерительному прибору через переключатели по схемам градиентометра и полемера. Устройство обеспечивает повышение точности и достоверности локальных измерений при одновременном повышении его универсальности и эффективности применения. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для локального измерения ферромагнитной фазы аустенитных сталей, содержащее постоянный магнит, феррозондовый датчик, ручку и немагнитный защитный корпус, в котором расположены в плоскости нейтрального сечения магнита на его противоположных сторонах ортогонально его оси намагничивания соосно друг другу магниточувствительные элементы, подключенные к электроизмерительному блоку прибора по градиентометрической схеме, отличающееся тем, что устройство дополнительно снабжено феррозондовым датчиком, магниточувствительные элементы которого расположены в плоскости нейтрального сечения магнита на его противоположных сторонах под углом к его оси намагничивания, при этом они подключены к электроизмерительному блоку прибора по градиентометрической схеме. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что магниточувствительные элементы обоих датчиков одновременно с градиентометрической схемой через переключатели подключены к электроизмерительному прибору по схеме полeмера.