СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ В ИЗДЕЛИЯХ ИЗ ФЕРРОМАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 1999 года по МПК G01L1/12 

Изобретение относится к приборостроению, а именно к определению механических напряжений в изделиях из ферромагнитных материалов путем измерения изменения магнитных свойств последних, и может быть использовано в машиностроении, газовой промышленности, других отраслях для неразрушающего контроля механических (например, остаточных сварочных) напряжений.

Известен способ определения механических напряжений, который заключается в том, что устанавливают преобразователь, состоящий из накладных электромагнитов, расположенных на одной прямой вдоль базы измерения на контролируемое изделие, подают на намагничивающий электромагнит синусоидальный сигнал, снимают с измерительного электромагнита сигнал, по величине которого судят о механических напряжениях (а. с. СССР N 249721, МКИ G 01 L 1/12, 1969).

Недостатками данного способа является низкая точность измерений вследствие сильного влияния неконтролируемых параметров (изменения структуры материала, химического состава, термической обработки, немагнитного зазора между полюсами и поверхностью контролируемого изделия и др.).

Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ, в котором на контролируемое изделие устанавливают преобразователь, содержащий два взаимно перпендикулярных накладных электромагнита, один из которых намагничивающий, а другой - измерительный, подают на намагничивающий электромагнит намагничивающий сигнал, снимают с измерительного электромагнита преобразованный сигнал, определяют измеряемую величину путем фазочувствительного измерения преобразованного сигнала и по значению измеряемой величины судят о механических напряжениях (а. с. СССР N 111331, МКИ G 01 N 27/86, G 01 R 33/02, 1957).

Способ-прототип реализуется датчиком магнитной анизотропии (а.с. СССР N 111331, МКИ G 01 N 27/86, G 01 R 33/02, 1957), который содержит генератор синусоидального сигнала, преобразователь, устанавливаемый на контролируемое изделие и выполненный в виде двух накладных взаимно перпендикулярных электромагнитов, один из которых намагничивающий, а другой - измерительный, и фазочувствительный вольтметр, причем намагничивающий электромагнит подключен к генератору синусоидального сигнала, генератор синусоидального сигнала подключен к одному из входов фазочувствительного вольтметра, а измерительный электромагнит подключен к другому входу фазочувствительного вольтметра.

Изобретение по указанному авторскому свидетельству может быть выбрано в качестве прототипа как для способа, так и для устройства, так как содержит следующие признаки, общие с заявляемым изобретением.

Для способа: операцию установки на контролируемое изделие преобразователя, содержащего два взаимно перпендикулярных накладных электромагнита, один из которых намагничивающий, а другой - измерительный, подачу на намагничивающий электромагнит намагничивающего сигнала, снятие с измерительного электромагнита преобразованного сигнала, определение измеряемой величины путем фазочувствительного измерения преобразованного сигнала и определение по значению измеряемой величины механических напряжений.

Для устройства: наличие генератора синусоидального сигнала, преобразователя, устанавливаемого на контролируемое изделие и выполненного в виде двух накладных взаимно перпендикулярных электромагнитов, один из которых намагничивающий, а другой - измерительный, и фазочувствительного вольтметра; при этом намагничивающий электромагнит подключен к генератору синусоидального сигнала, генератор синусоидального сигнала подключен к одному из входов фазочувствительного вольтметра, а измерительный электромагнит подключен к другому входу фазочувствительного вольтметра.

Недостатком прототипа по способу и по устройству является низкая точность измерения механических напряжений в изделиях из ферромагнитных материалов. Реализация определения механических напряжений по способу-прототипу с помощью устройства-прототипа осуществляется следующим образом. На намагничивающий электромагнит подают намагничивающий сигнал. С измерительного электромагнита снимают преобразованный сигнал. Преобразованный сигнал может совпадать по фазе с намагничивающим сигналом или иметь произвольный сдвиг по фазе, не кратный 0^o и 180^o. При сдвиге фазы преобразованного и намагничивающего сигналов на величину, кратную 0^o и 180^o происходит смена знака измеряемой величины. Сдвиг по фазе связан со значительной неравномерностью распределения магнитных свойств по поверхности контролируемого изделия, например в сварных соединениях в результате действия остаточных сварочных напряжений. Далее производят фазочувствительное измерение преобразованного сигнала и получение, таким образом, измеряемой величины. В случае совпадения фаз намагничивающего и преобразованного сигнала фазочувтствительное измерение преобразованного сигналов дает значение измеряемой величины, равное эффективному значению преобразованного сигнала. В случае несовпадения фаз намагничивающего и преобразованного сигналов фазочувствительное измерение преобразованного сигнала дает уменьшенное значение измеряемой величины вследствие уменьшения эффективного значения преобразованного сигнала по двум причинам. Во-первых, при интегрировании преобразованного сигнала в измеряемом полупериоде присутствует как положительная, так и отрицательная части полуволн, которые взаимокомпенсируются. Во-вторых, каждая из полуволн является неполной. Указанное уменьшение сигнала при формировании измеряемой величины обусловливает снижение точности определения механических напряжений по способу-прототипу с использованием устройства-прототипа.

В основу заявляемого изобретения поставлена задача усовершенствования способа измерения механических напряжений в изделиях из ферромагнитных материалов и устройства для его реализации путем введения новых операций в способ и новых элементов и связей в устройство, благодаря чему повышается точность определения механических напряжений для случаев несовпадения фаз намагничивающего и преобразованного сигналов на величину, не кратную 0^o и 180^o.

Поставленная задача решается за счет того, что в известном способе, заключающемся в том, что на контролируемое изделие устанавливают преобразователь, содержащий два взаимно перпендикулярных накладных электромагнита, один из которых намагничивающий, а другой измерительный, подают на намагничивающий электромагнит намагничивающий сигнал, снимают с измерительного электромагнита преобразованный сигнал, производят фазочувствительное измерение преобразованного сигнала и по значению измеряемой величины судят о механических напряжениях, согласно предлагаемому изобретению одновременно с фазочувствительным измерением производят измерение эффективного значения преобразованного сигнала, а значение измеряемой величины определяют из соотношений
U₃ = U₂ при U₁ ≥ 0;
U₃ = -U₂ при U₁ < 0;
где U₁ - значение величины преобразованного сигнала, определяемое фазочувствительным измерением;
U₂ - эффективное значение преобразованного сигнала;
U₃ - значение измеряемой величины.

Для реализации этого способа предложено устройство, включающее генератор синусоидального сигнала, преобразователь, устанавливаемый на контролируемое изделие и выполненный в виде двух накладных взаимно перпендикулярных электромагнитов, один из которых намагничивающий, а другой - измерительный, и фазочувствительный вольтметр, причем намагничивающий электромагнит подключен к генератору синусоидального сигнала, генератор синусоидального сигнала подключен к одному из входов фазочувствительного вольтметра, а измерительный электромагнит подключен к другому входу фазочувствительного вольтметра. Согласно предлагаемому изобретению устройство дополнительно снабжено вольтметром переменного тока и счетно-решающим блоком, причем вход вольтметра переменного тока подключен к измерительному электромагниту, а выходы обоих вольтметров подключены к счетно-решающему блоку.

Одновременное применение с фазочувствительным измерением дополнительного измерения эффективного значения преобразованного сигнала позволяет определять измеряемую величину по всему преобразованному сигналу без его потери в отличие от способа-прототипа, в котором измеряемая величина определяется с потерей части преобразованного сигнала при фазочувствительном измерении, для случаев несовпадения фаз преобразованного и намагничивающего сигналов на величину, не кратную 0^o и 180^o. Применение вольтметра переменного тока, подключенного входом к измерительному электромагниту, позволяет определить эффективное значение всего преобразованного сигнала. Применение счетно-решающего блока позволяет по предложенному соотношению определить измеряемую величину.

Заявляемое изобретение иллюстрируется чертежом.

На чертеже изображена функциональная схема устройства для реализации способа определения механических напряжений в изделиях из ферромагнитных материалов.

Устройство для определения механических напряжений в изделиях из ферромагнитных материалов содержит генератор синусоидального сигнала 1, преобразователь 2, устанавливаемый на контролируемое изделие и выполненный в виде двух накладных взаимно перпендикулярных электромагнитов, один из которых намагничивающий 3, а другой - измерительный 4, и фазочувствительный вольтметр 5; причем намагничивающий электромагнит подключен к генератору синусоидального сигнала 1, генератор синусоидального сигнала 1 подключен к одному из входов фазочувствительного вольтметра 5, а измерительный электромагнит подключен к другому входу фазочувствительного вольтметра 5, вольтметр переменного тока 6 и счетно-решающий блок 7. Причем вход вольтметра переменного тока 6 подключен к измерительному электромагниту 4, а выходы обоих вольтметров 5 и 6 подключены к счетно-решающему блоку 7.

Сущность предложенного способа заключается в следующем.

Устанавливают на контролируемое изделие преобразователь 2, содержащий два взаимно перпендикулярных накладных электромагнита, один из которых намагничивающий 3, а другой измерительный 4, подают на намагничивающий электромагнит 3 синусоидальный намагничивающий сигнал, снимают с измерительного электромагнита 4 преобразованный сигнал, производят его фазочувствительное измерение, а также одновременно определяют его эффективную величину, затем определяют измеряемую величину из соотношения, указанного выше, по величине которого, например, пользуясь градуировочным графиком, определяют механические напряжения.

Устройствоа для реализации указанного способа работает следующим образом: генератор синусоидальных сигналов 1 подает намагничивающий сигнал на намагничивающий электромагнит 3 преобразователя 2, который наводит магнитный поток в контролируемом изделии. Магнитный поток из-за наличия магнитной анизотропии изделия, вызванной присутствием механических напряжений, отклоняется от направления полюсов намагничивающего электромагнита в сторону измерительного электромагнита 4, тем самым приводит к появлению в измерительном электромагните 4 преобразованного сигнала. Этот преобразованный сигнал состоит из сигнала основной частоты с фазой, кратной 0^o и 180^o сигнала генератора, и из сигналов с фазами, не кратными 0^o и 180^o сигнала генератора, например при измерении сварочных напряжений. В фазочувствительном вольтметре 5 происходит фазочувствительное выпрямление и измерение преобразованного сигнала, но при этом происходит потеря части сигналов с фазами, не кратными 0^o и 180^o к намагничивающему сигналу. Вольтметр переменного тока 6 производит измерение всего преобразованного сигнала и передает его на счетно-решающий блок 7. Счетно-решающий блок 7 производит по предложенному соотношению определение измеряемой величины. По измеряемой величине определяют механические напряжения.

В качестве примера, иллюстрирующего реализацию предлагаемого способа определения механических напряжений в изделиях из ферромагнитных материалов и устройства для его реализации, ниже приведены результаты измерений продольных остаточных сварочных механических напряжений по предлагаемому способу, способу-прототипу и сравнение их с результатами измерений разрушающим методом, который широко используется для измерения остаточных сварочных механических напряжений. Измерения напряжений проводились в сварном образце 500 х 500 х 5 мм из Стали 20. При изготовлении сварного образца сварку продольного шва проводили под слоем флюса АН-348 проволокой Св 08А диаметром 3 мм на режиме I_св = 450А, U_д = 30В, v_св = 38 м/ч.

Механические напряжения по предлагаемому способу определяли с использованием преобразователя ДМА-1. Преобразователь выполнен в виде двух взаимно перпендикулярных электромагнитов. Преобразователь подключали по схеме намагничивающим электромагнитом к генератору синусоидальных сигналов Г3-109, а измерительным к фазочувствительному вольтметру (блоку преобразования измерителя механических напряжений ИНИ-1Ц), кроме того, второй вход фазочувствительного вольтметра также подключали к Г3-109. К измерительному электромагниту преобразователя ДМА-1 подключали также вольтметр переменного тока на базе мультиметра Щ-4313. Балансировка исходного фазового смещения преобразователя осуществлялась в блоке преобразования измерителя механических напряжений ИНИ-1Ц. В качестве намагничивающего использовали сигнал напряжением 3 В, частотой 1000 Гц. По показаниям фазочувствительного вольтметра и вольтметра переменного тока согласно предложенному соотношению определяли измеряемую величину. Определение механических напряжений по измеряемой величине проводили по методике, описанной в статье: Батюк В.В., Жданов И.М., Фомичев С.К. и др. Оценка напряженного состояния сварных конструкций магнитоупругим методом // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. - 1992, N 3, с. 80 - 87.

Механические напряжения по способу-прототипу определяли с использованием описанной выше схемы подключения аппаратуры. При этом в качестве измеряемой величины принимали показания фазочувствительного вольтметра. Определение механических напряжений по измеряемой величине проводили по указанной выше методике.

Механические напряжения разрушающим способом определяли механическим тензометрированием (Экспериментальные методы исследования деформации и напряжений. Справочное пособие /под ред. Касаткина Б.С., Киев. "Наукова думка", 1981. - 583 с.) с использованием механического тензометра ДРГ 15/50.

Сравнительные результаты определения измеряемой величины и механических напряжений, полученные предлагаемым способом, способом-прототипом и разрушающим методом приведены в таблице.

Таким образом, заявляемые способ и устройство позволяют повысить точность определения механических напряжений в изделиях из ферромагнитных материалов.

Изобретение относится к области неразрушающего контроля качества изделий и может быть использовано для определения механических, например сварочных, напряжений. На контролируемое изделие устанавливается преобразователь из двух взаимно перпендикулярных электромагнитов, один из которых намагничивающий, а другой измерительный. На намагничивающий электромагнит подается намагничивающий сигнал с генератора синусоидального сигнала. Путем фазочувствительного измерения преобразованного сигнала с измерительного электромагнита фазочувствительным вольтметром определяется промежуточное значение измеряемой величины. Одновременно с фазочувствительным измерением определяется эффективное значение сигнала с измерительного электромагнита при помощи вольтметра переменного тока. Окончательное значение измеряемой величины, по которой судят о механических напряжениях в изделии, определяется в счетно-решающим блоке как положительное эффективное значение преобразованного сигнала, если промежуточное значение измеряемой величины положительно. В ином случае окончательное значение измеряемой величины в счетно-решающем блоке принимается равным отрицательному эффективному значению преобразованного сигнала. Способ позволяет определять измеряемую величину без потерь при несовпадении фаз намагничивающего и преобразованного сигналов, благодаря чему повышается точность определения механических напряжений в изделии. 2 с. п.ф-лы, 1 ил., 1 табл.

1. Способ определения механических напряжений в изделиях из ферромагнитных материалов, заключающийся в том, что на контролируемое изделие устанавливают преобразователь, содержащий два накладных электромагнита, один из которых намагничивающий, а другой измерительный, подают на намагничивающий электромагнит намагничивающий сигнал, снимают с измерительного электромагнита преобразованный сигнал, производят фазочувствительное измерение преобразованного сигнала и по значению измеряемой величины судят о механических напряжениях, отличающийся тем, что одновременно с фазочувствительным измерением производят измерение эффективного значения преобразованного сигнала, а значение измеряемой величины определяют из соотношений
U₃=U₂ при U₁ ≥ 0,
U₃=-U₂ при U₁ < 0,
где U₁ - значение величины преобразованного сигнала, определяемое фазочувствительным измерением;
U₂ - эффективное значение преобразованного сигнала;
U₃ - значение измеряемой величины. 2. Устройство для определения механических напряжений в изделиях из ферромагнитных материалов, содержащее генератор синусоидального сигнала, преобразователь, устанавливаемый на контролируемое изделие и выполненный в виде двух накладных взаимно перпендикулярных электромагнитов, один из которых намагничивающий, а другой измерительный, и фазочувствительный вольтметр, причем намагничивающий электромагнит подключен к генератору синусоидального сигнала, генератор синусоидального сигнала подключен к одному из входов фазочувствительного вольтметра, а измерительный электромагнит - к другому входу фазочувствительного вольтметра, отличающееся тем, что устройство дополнительно снабжено вольтметром переменного тока и счетно-решающим блоком, причем вход вольтметра переменного тока подключен к измерительному электромагниту, а выходы обоих вольтметров подключены к счетно-решающему блоку.