ДАТЧИК ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ФЕРРОМАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 1999 года по МПК G01R33/12 G01N27/72 

Датчик для измерения механических характеристик ферромагнитных материалов относится к средствам магнитного неразрушающего контроля. Может быть использован для экспресс-контроля различных механических характеристик ферромагнетиков, в частности, возможно его применение для измерения одноосных механических напряжений в сталях.

Известны магнитоанизотропные датчики, предназначенные для неразрушающего контроля различных механических параметров ферромагнитных материалов (см., например, а.с. N 397834, МКИ G 01 N 27/72; патент США N 4070614, МКИ G 01 R 33/12), состоящие из двух взаимно перпендикулярно расположенных сердечников с возбуждающими и индикаторными обмотками. В возбуждающие обмотки подается переменный ток, а полезный сигнал индикаторных обмоток выделяется дифференциальной схемой.

Недостатком подобных преобразователей является то, что глубина проникновения переменного электромагнитного поля не превышает долей миллиметра (даже при f_{пермагн.} = 50 Гц), поэтому результат контроля оказывается существенно зависим от таких внешних факторов как: чистота обработки поверхности контроля, неоднородность химсостава в приповерхностном слое материала, местный наклеп, скопления влаги. Кроме того, разная высота сердечников приводит к различной чувствительности каналов к воздушному зазору между датчиком и ферромагнетиком, что затрудняет коррекцию результата измерений.

Частично устраняет указанные недостатки миниатюрное приставное устройство коэрцитиметра, (см. Захаров В. А. , Шкарпеткин В.В. Миниатюрное приставное устройство коэрцитиметра // Современные методы неразрушающего контроля и их метрологическое обеспечение: Тез. докл. 2-ой Уральской конф. - Свердловск, 1981 г. - с. 32 - 33 - копия прилагается). Его работа основана на промагничивании контролируемого участка квазипостоянным магнитным полем, что позволяет избавиться от влияния поверхностных эффектов.

К недостаткам миниатюрного коэрцитиметрического преобразователя стоит отнести место крепления феррозондов - измерителей магнитного поля (ноль-индикатор). Феррозонды (высота = 1,5 мм, диаметр = 1,5 мм) располагаются симметрично с внутренней стороны магнитопровода. Такое крепление нетехнологично, а, с другой стороны, возможно механическое повреждение элементов в процессе работы. Если же вклеивать феррозонды в пластину, соединяющую межполюсное пространство, тогда невозможен контроль изделий с криволинейной поверхностью. Кроме того, с помощью подобного коэрцитиметрического датчика измеряется коэрцитивная сила только в одном направлении, а в практике неразрушающего контроля иногда (например, для измерения механических одноосных напряжений по анизотропии коэрцитивной силы, см. Мусихин С.А., Новиков В.Ф., Борсенко В. Н. Об использовании коэрцитивной силы в качестве индикаторного параметра при неразрушающем контроле механических напряжений. - Дефектоскопия, 1987, N 9, стр. 57 - 60, копия прилагается) необходимо получать информацию в двух взаимо перпендикулярных направлениях, что требует переориентации датчика.

Устраняет операцию переориентации магнитный датчик (см. а.с. N 587385, G 01 N 27/86, 1976), являющийся наиболее близким аналогом патентуемого устройства и имеющий два П-образных сердечника, расположенных перпендикулярно один внутри другого с размещенными на них независимыми обмотками намагничивания, а также феррозонд, установленный в плоскости полюсов магнитопроводов симметрично оси их пересечения с возможностью поворота вокруг данной оси.

Подобным преобразователем возможно работать только на чисто горизонтальной поверхности, что в практике неразрушающего контроля встречается крайне редко. Сердечники имеют разную высоту полюсов, а следовательно, и различную чувствительность к немагнитному нерегламентированному зазору между датчиком и поверхностью контроля, поэтому при измерении механических характеристик контролируемого материала по корреляционной связи с анизотропией магнитного параметра ферромагнетика (например, уровня и знака одноосных напряжений первого рода) выходной сигнал датчика, пропорциональной анизотропии магнитного параметра, в основном, определятся различием чувствительности к зазору. Кроме того, недостатки относительно крепления феррозонда, присущие предыдущему аналогу, также не устранены.

Цель изобретения - повышение точности измерений.

Поставленная цель достигается тем, что датчик для измерения механических характеристик ферромагнитных материалов, например, действующих одноосных напряжений содержит два П-образных магнитопровода, расположенных один внутри другого под углом в 90^o, независимые обмотки намагничивания и феррозонды, и в отличие от прототипа, сердечники изготавливаются с равновысокими полюсами один с выгнутой перемычкой, второй - с вогнутой с одинаковым радиусом кривизны, обмотки намагничивания скреплены друг с другом и зафиксированы на одном из сердечников, второй сердечник свободно перемещается в вертикальной плоскости, а феррозонды крепятся по продольной оси полюсов заподлицо с их торцами. Данные конструктивные особенности способствуют повышению точности при работе с преобразователем на криволинейных поверхностях (например, для контроля нагружения цилиндрических деталей), с другой - обеспечивают одинаковую чувствительность обеих каналов датчика к немагнитному зазору, что снижает погрешность измерений. Кроме того, предлагаемое крепление феррозонда упрощает технологию сборки датчика, расширяет сферу его возможного применения (нет ограничений по кривизне контролируемых деталей).

На фиг. 1 а), б), в) приведена конструкция двухканального коэрцитиметрического преобразователя.

Датчик состоит из двух П-образных магнитопроводов 1 и 2, на внешние боковые стороны которых накладываются однослойные контрактные пластины из фольгированного текстолита. На полюсах размещаются намагничивающие катушка 4,5 (по две на каждый сердечник). В торцевые отверстия сердечников вставляются миниатюрные феррозонды 6, концы которых припаиваются к контактным пластинам 3. Намагничивающие катушки скрепляются друг с другом и надежно фиксируются на одном из сердечников (например, 2), при этом второй сердечник свободно перемещается в вертикальной плоскости и отслеживает кривизну контролируемой детали 7. За счет изменения радиуса кривизны перемычки сердечников можно сужать или расширить диапазон использования конкретного преобразователя относительно кривизны контролируемых деталей (при равной высоте полюсов за счет изменения радиуса кривизны перемычки изменяется предел перемещения одного сердечника относительно другого).

Заявляемый датчик работает следующим образом. Датчик размещается на контролируемой детали, в намагничивающие обмотки одновременно подают однополярные импульсы намагничивающего тока (два - три импульса) амплитудой достаточной для доведения межполюсного пространства контролируемого материала до технического насыщения. Затем в те же обмотки подают возрастающий от нуля ток, по направлению противоположный намагничивающему. Размагничивание в каждом канале продолжают до тех пор пока феррозонды соответствующего канала не зафиксируют точку нулевого поля в магнитной системе "сердечник - участок контролируемого материала". В этот момент величина тока соответствующего канала фиксируется и принимается за меру коэрцитивной силы материала. Таким образом заявляемый датчик может измерять три параметра одновременно: абсолютные значения коэрцитивной силы в двух взаимно перпендикулярных направлениях и разницу этих величин (анизотропию коэрцитивной силы). Данный преобразователь может работать с коэрцитиметром по а.с. N 1377789, МКИ G 01 R 33/12. После измерения анизотропии коэрцитивной силы ее значение вводится в корреляционную зависимость (тарировочный график, формула), полученную для данного материала в лабораторных условиях и определяется искомый механический параметр.

Предлагаемый датчик обладает существенными отличиями. Ни в патентной, ни в научно-технической литературе не обнаружено примеров подобного размещения феррозондов в сердечнике датчика, а также формы П-образных магнитопроводов с криволинейной перемычкой и равной высотой полюсов. Крестообразное же размещение сердечников в заявляемом преобразователе дает выигрыш только в случае точной юстировки каналов по чувствительности к контролируемому параметру и немагнитному зазору, а это могут обеспечить лишь равновысокие сердечники.

В отличие от аналогов в заявляемом датчике отъюстированны каналы по чувствительности к немагнитному зазору, феррозонды размещены более технологично и выгодно, как с точки зрения монтажа, так и эксплуатации.

Использование: для экспресс-контроля различных механических характеристик ферромагнетиков при магнитном неразрушающем контроле. Сущность изобретения: датчик содержит магнитную систему из двух взаимно перпендикулярных равновысоких не соприкасающихся друг с другом П-образных сердечников с размещенными в торцах полюсов феррозондами и обмотки намагничивания. Один из сердечников имеет выгнутую перемычку, а другой - вогнутую с одинаковым радиусом кривизны. Намагничивающие катушки скреплены друг с другом и зафиксированы на одном из сердечников. Второй сердечник свободно перемещается в вертикальной плоскости, отслеживая кривизну измеряемой детали. Феррозонды расположены по продольной оси полюсов заподлицо с их торцами. Технический результат заключается в повышении точности измерений. 3 ил.

Датчик для измерения механических характеристик ферромагнитных материалов, содержащий магнитную систему в виде двух взаимно перпендикулярных П-образных сердечников, не касающихся друг друга, на полюсах которых размещены намагничивающие катушки и феррозонды, отличающийся тем, что сердечники выполнены с равной высотой полюсов, один из сердечников имеет выгнутую перемычку, а второй - вогнутую с одинаковым радиусом кривизны, намагничивающие катушки скреплены друг с другом и зафиксированы на одном из сердечников, а второй сердечник свободно перемещается в вертикальной плоскости, при этом феррозонды расположены по продольной оси полюсов заподлицо с их торцами.