ИНДИКАТОР МАГНИТНОГО ПОЛЯ Российский патент 2016 года по МПК G01N27/84 

Изобретение относится к области индикации магнитных полей электромагнитов, постоянных магнитов, соленоидов, а также магнитных полей дефектов.

В магнитопорошковой дефектоскопии известны индикаторы магнитных полей дефектов, состоящие из сосуда с ферромагнитной суспензией, в котором о качестве изделия судят по индикаторному рисунку ферромагнитной суспензии. В процессе контроля такой индикатор помещается на поверхность изделия, изделие намагничивается, ферромагнитная суспензия перемещается в зону дефекта, образуя валик отложения ферромагнитного порошка, и таким образом осуществляется индикация дефекта.

Так, в известном устройстве [А.И. Пашагин, В.Е Щербинин. Магнитопорошковый контроль изделий с использованием магнитных индикаторных пакетов. Дефектоскопия, 2000 г., №9, с. 27-39] в качестве индикатора используют пластиковый индикаторный пакет с ферромагнитной суспензией, где в качестве ферромагнитного порошка использовалась окись-закись железа (Fe₃О₄), и диспергирующей средой являлся водный раствор глицерина. Верхняя часть пакета была изготовлена из прозрачного пластика, а нижняя, прилегающая к поверхности контролируемого изделия, для повышения контрастности изображения имела белый цвет. В процессе контроля индикаторный пакет помещался на поверхности, изделие намагничивалось, и по анализу индикаторного рисунка ферромагнитного порошка в пакете можно было сделать выводы о дефектности изделия. Исследования на стандартных образцах показали, что такой контроль удовлетворяет требованиям чувствительности по уровням А, Б и В в соответствии с ГОСТом 21105-87. Показано, что ширина валика отложения магнитного порошка в пакете может служить параметром для оценки величины поля дефекта.

Так как известное устройство предназначено для визуального определения наличия дефектности, то количественная оценка результатов контроля затруднена, и измерение ширины отложения порошка в пакете дает большие ошибки при определении параметров дефекта.

Известен также магнитный индикаторный пакет, заполненный ферромагнитной жидкостью, снабженный двумя электрическими контактами, измеряющими электрическое сопротивление ферромагнитной жидкости в двух областях: вне зоны дефекта, на изделии и в дефектной зоне путем перемещения индикаторного пакета из одной зоны в другую, используемый в способе магнитопорошкового контроля [Патент РФ 2356042].

Частицы ферромагнитной жидкости в зоне дефекта заполняют межконтактную зону, притягиваются между собой, образующийся при этом валик индикации частиц магнитной жидкости имеет большее поперечное сечение, чем аналогичный слой в бездефектной зоне, что приводит к уменьшению электрического сопротивления магнитной жидкости в зоне дефекта.

Известен магнитный индикаторный пакет с двумя контактами, используемый в способе магнитопорошкового контроля [Патент РФ 2474815], в котором для повышения точности измерений используется измерение гальванических токов магнитной жидкости, при этом жидкая фаза магнитной жидкости индикаторного пакета содержит 1-5% соляной кислоты концентрацией 10-30%, а электрические контакты в индикаторном пакете выполнены в виде двух плоских медных пластин размером 10×10×0,3 м, установленных перпендикулярно горизонтальной оси индикаторного пакета на расстоянии 1-3 мм относительно друг друга, и выполняют функцию электродов.

Использование в качестве жидкой фазы магнитной жидкости индикаторного пакета 1-5% соляной кислоты концентрацией 10-30%, а электрических контактов в индикаторном пакете в виде двух плоских медных пластин размером 10×10×0,3 м, установленных перпендикулярно горизонтальной оси индикаторного пакета на расстоянии 1-3 мм относительно друг друга, позволило осуществлять измерение в качестве электрического параметра магнитной жидкости величину гальванического тока, что обеспечило повышение точности результатов количественной оценки параметров дефекта за счет отсутствия гальванических токов на бездефектных участках контролируемого изделия и их появлении при наличии дефекта.

При измерении гальванических токов на бездефектных участках, где на контакты действует однородное поле, оба контакта находятся в одинаковых условиях (оба контакта выполнены из одного и того же материала - меди, на них действуют одни и те же поля, одна и та же магнитная жидкость). В этом случае контакты будут иметь один и тот же электрический потенциал, разность потенциалов будет близка нулю, что обуславливает отсутствие гальванических токов между контактами.

Поскольку магнитное поле дефекта имеет локальную структуру, то оно не может одновременно воздействовать на оба контакта, а только на один из них. При этом потенциальное равновесие между электродами нарушается, поскольку на одном из них накапливается магнитный порошок, входящий в состав магнитной жидкости, что приводит к появлению в цепи гальванических токов.

Однако, поскольку нижняя часть пакета представляет собой мягкую пластиковую пленку для лучшей повторяемости рельефа контролируемой поверхности, отсутствует жесткая фиксация ферромагнитной суспензии относительно электрических контактов в индикаторном пакете, что приводит к колебаниям расположения частиц между контактами и, следовательно, к снижению точности измерений.

Кроме того, такой индикаторный пакет позволит проверить измерения только неоднородных магнитных полей, каким является поле дефекта. Измерение полей соленоидов и вообще однородных полей в таком пакете, как уже говорилось, не может быть осуществлено, поскольку оба контакта находятся в одинаковых условиях.

Наиболее близким по физической сущности к заявляемому у изобретению является индикатор магнитного поля [А.И. Пашагин, В.Е. Щербинин «Индикация магнитных полей с помощью гальванических токов в магнитопорошковой дефектоскопии», Дефектоскопия, 2012 г., №9, с. 31-35], который состоит из цилиндрического сосуда с ферромагнитной суспензией, содержащей дисперсионную среду из мыльного раствора вязкостью 50 сП с добавкой соляной кислоты концентрацией 30% в объеме 2-10% от объема дисперсионной среды и 50-400 мг/мл ферромагнитного порошка, и двух электродов, установленных перпендикулярно горизонтальной оси сосуда в виде медных вертикальных пластин, помещенных внутрь сосуда, жестко закрепленных на его внутренней боковой поверхности, установленных с зазором между днищем сосуда и нижними концами пластин, для обеспечения возможности перемещения ферромагнитной суспензии во время контроля и накапливания ее в зоне дефекта.

В отличие от индикаторных пакетов жесткое крепление электродов внутри емкости обеспечивает более точное измерение величины и напряжения гальванических токов. В качестве дисперсионной среды использовался мыльный раствор вязкостью 50 сП с добавками электролита, например соляной кислоты с концентрацией 30% в объеме 2-10% от объема дисперсионной среды.

Исследовалась выявляемость поверхностного дефекта типа щели глубиной 2,0 и шириной 0,1 мм. Намагничивающее поле составляло 40^А/см. При сканировании индикатором магнитного поля поверхности образца при прохождении его через полость дефекта милливольтметр, соединенный с электродами, показывает импульсы напряжения различного знака по обеим сторонам от центральной плоскости дефекта. Эти экстремумы соответствуют пересечению валика магнитной индикации сначала одним, а затем вторым электродом. При этом избыток ферромагнитной суспензии под электродом при прохождении его над дефектом действует как железный электрод. Таким образом, вместо контактной пары медь-медь образуется пара медь-железо, что приводит к образованию гальванического тока в цепи. Поскольку в процессе контроля при перемещении индикатора магнитного поля вдоль изделия избыток ферромагнитной суспензии попадает на другой электрод, направление тока меняется на противоположное, в результате прохождения индикатора над дефектом на выходе индикатора образуется двуполярный импульс, что свидетельствует о наличии дефекта.

Недостатком данного индикатора является невозможность измерения однородных магнитных полей. При измерении однородных электрических полей (например, поля соленоида) электроды находятся в одном и том же магнитном поле по величине и по направлению. Перемещение индикатора магнитного поля в зоне действия этого поля не приводит к последовательному перемещению и накоплению избыточной суспензии под электродами, поскольку ферромагнитная суспензия перемещается только под действием неоднородного магнитного поля. Таким образом, оба электрода находятся в одинаковых условиях, они обладают одинаковым электрохимическим потенциалом (одинаковая напряженность магнитного поля, один и тот же материал электродов, один и тот же состав и распределение ферромагнитной суспензии в зоне электродов). В результате напряжение на выходе такого индикатора при помещении его в однородное магнитное поле будет равно нулю.

В основу изобретения положена задача расширения функциональных возможностей индикатора магнитного поля за счет индикации не только неоднородных, но и однородных магнитных полей.

Поставленная задача решается тем, что в индикаторе магнитного поля, включающем емкость с ферромагнитной суспензией, содержащей дисперсионную среду из мыльного раствора вязкостью 50 сП с добавкой электролита - соляной кислоты концентрацией 30% в объеме 2-10% от объема дисперсионной среды, и 50-400 мг/мл ферромагнитного порошка, и два электрода, установленных перпендикулярно горизонтальной оси емкости в виде медных вертикальных пластин, помещенных в емкость и жестко закрепленных на ее внутренней боковой поверхности, согласно изобретению медные вертикальные пластины делят емкость на центральную и две боковые части, не сообщающиеся между собой, при этом одна из боковых частей заполнена ферромагнитной суспензией, а остальные - дисперсионной средой.

При этом в качестве ферромагнитного порошка могут быть использованы порошки восстановленного железа (ПЖВ-60) или магнетита (Fe₃O₄), или гамма-железа (Fe₂O₃), кобальта, армко-железа и другие порошки, обладающие ферромагнитными свойствами.

В результате раздела емкости электродами на три несообщающиеся между собой части, так, что в одной из боковых частей находится ферромагнитная суспензия, а в двух других - дисперсионная среда, один из электродов находится в двух разных растворах - ферромагнитной суспензии с одной его стороны и в дисперсионной среде - с другой, а второй только в дисперсионной среде с обеих сторон, то потенциал первого электрода определяется не только дисперсионной средой но и ферромагнитной суспензией (U_дис.с.+U_ферр), где U_дис.с - потенциал дисперсной среды, а U_ферр _ потенциал ферромагнитной суспензии. Потенциал второго электрода определяется только дисперсионной средой U_дис.с., поскольку он погружен только в дисперсионную среду. Ввиду этого разность потенциалов электродов будет определяться только значением потенциала ферромагнитной суспензии U_дис.с.+U_ферр.-U_дис.с..

При помещении индикатора в однородное магнитное поле, оно действует только на один электрод, который находится в ферромагнитной суспензии, на второй электрод это поле не действует ввиду отсутствия ферромагнитной компоненты. Под действием магнитного поля потенциал электрода, находящегося в ферромагнитной суспензии, будет изменяться, в то время как потенциал электрода, находящегося в дисперсионной среде, будет оставаться неизменным. Таким образом, появляется возможность индикации с помощью заявляемого индикатора индикации не только неоднородных, но и однородных магнитных полей.

Технический результат, обеспечиваемый заявляемым индикатором магнитного поля, заключается в расширении его функциональных возможностей за счет индикации не только неоднородных, но и однородных магнитных полей.

На чертеже показан индикатор магнитного поля.

Индикатор магнитного поля содержит емкость 1 с помещенными в нее медными электродами 2, боковые грани которых приклеены к внутренней боковой поверхности емкости 1. Электроды 2 делят емкость 1 на центральную 3 и две боковые части 4 и 5. В днище 6 выполнены пазы (на чертеже не показаны) под установку электродов 2. При этом одна из боковых частей 4 заполнена ферромагнитной суспензией из мыльного раствора вязкостью 50 сП с добавкой соляной кислоты с концентрацией 30% в объеме 6% от объема дисперсионной среды и 200 мг/мл ферромагнитного порошка, а остальные части 3 и 5 заполнены дисперсионной средой из мыльного раствора вязкостью 50 сП с добавками соляной кислоты с концентрацией 30% в объеме 6% от объема дисперсионной среды. К электродам 2 подключен милливольтметр 7.

Индикатор магнитного поля работает следующим образом. При помещении его в однородное магнитное поле, это поле воздействует только на правый электрод 2, который находится в двух разных растворах - ферромагнитной суспензии с одной его стороны и в дисперсионной среде с другой. Отсутствие сообщаемости между боковыми и центральной частью за счет установки нижних концов электродов на дне емкости, без зазора (в пазах днища 6) обеспечивает постоянное местонахождение ферромагнитной суспензии в правой части сосуда. При измерении однородного магнитного поля, например соленоида, индикатор магнитного поля помещают внутрь соленоида и включают измеряемое поле. При этом ферромагнитная суспензия образует цепочки, под воздействием магнитного поля изменяются ее физические, электрические и магнитные свойства (вязкость, электропроводность, намагниченность). Изменение свойств приводит к изменению электрического потенциала первого электрода, а значит и разности потенциалов всей системы пропорционально величине поля соленоида.

При измерении неоднородного магнитного поля, например поля дефекта, контролируемое изделие должно быть намагничено и просканировано вдоль своей поверхности, при этом при прохождении части индикатора магнитного поля с первым электродом через поле дефекта также появится сигнал, пропорциональный величине этого поля.

При измерении участков магнитных полей с постоянным градиентом (например, полей электромагнитов) магнитное поле будет воздействовать в этом случае также только на один (первый) электрод и при перемещении индикатора магнитного поля через данный участок напряжение на выходе индикатора будет иметь постоянную величину.

Таким образом, данный индикатор обеспечит индикацию всех источников магнитных полей: как неоднородных, так и однородных полей.

Использование: для индикации магнитных полей электромагнитов, постоянных магнитов, соленоидов, магнитных полей дефектов. Сущность изобретения заключается в том, что индикатор магнитного поля включает емкость с ферромагнитной суспензией, содержащей дисперсионную среду из мыльного раствора вязкостью 50 сП с добавкой соляной кислоты концентрацией 30% в объеме 2-10% от объема дисперсионной среды, 50-400 мг/мл ферромагнитного порошка, и два электрода, установленных перпендикулярно горизонтальной оси емкости в виде медных вертикальных пластин, помещенных в емкость и жестко закрепленных на ее внутренней боковой поверхности, медные вертикальные пластины делят емкость на центральную и две боковые части, не сообщающиеся между собой, при этом одна из боковых частей заполнена ферромагнитной суспензией, а остальные - дисперсионной средой. Технический результат: обеспечение возможности индикации не только неоднородных, но и однородных магнитных полей. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Индикатор магнитного поля, включающий емкость с ферромагнитной суспензией, содержащей дисперсионную среду из мыльного раствора вязкостью 50 сП с добавкой соляной кислоты концентрацией 30% в объеме 2-10% от объема дисперсионной среды, и 50-400 мг/мл ферромагнитного порошка, и два электрода, установленных перпендикулярно горизонтальной оси емкости в виде медных вертикальных пластин, помещенных в емкость и жестко закрепленных на ее внутренней боковой поверхности, отличающийся тем, что медные вертикальные пластины делят емкость на центральную и две боковые части, не сообщающиеся между собой, при этом одна из боковых частей заполнена ферромагнитной суспензией, а остальные - дисперсионной средой.

2. Индикатор по п. 1, отличающийся тем, что в качестве ферромагнитного порошка могут быть использованы порошки восстановленного железа (ПЖВ-60), или магнетита (Fe₃O₄), или гамма-железа (Fe₂O₃), или кобальта, или армко-железа и другие порошки, обладающие ферромагнитными свойствами.