Система для измерения толщины науглероженного слоя и магнитостатический преобразователь Российский патент 2025 года по МПК G01B7/06 G01N27/72 

Группа изобретений относится к системам для металлургических исследований и может быть применена в химической, нефтеперерабатывающей и других отраслях промышленности.

В радиантных камерах печей пиролиза змеевики, изготовленные из хромоникелевых труб, подвергаются агрессивному воздействию среды пирогаза и высоких температур (от 800°С). В результате такого воздействия происходит науглероживание, при котором металл труб насыщается углеродом из пирогазовой среды под воздействием высоких температур. С увеличением степени науглероженности металла труб изменяются его структура и физико-механические свойства. Также насыщение металла углеродом сопровождается увеличением его объема и массы. Совокупно это приводит к возникновению напряжений на границе науглероженного слоя и приводит к разрушениям труб. Для снижения рисков, связанных с разрушениями труб вследствие их насыщения углеродом, необходим контроль процессов науглероживания.

В настоящее время активно развиваются системы контроля науглероженности труб, основанные на изменении магнитных свойств хромоникелевых труб вследствие их науглероживания. В нормальных условиях хромоникелевые трубы немагнитны, однако при проникновении в них заметного количества углерода происходит образование карбида, в результате чего матрица сплава обедняется хромом и остается железоникелевый сплав, обладающий ферромагнитными свойствами.

Среди таких систем известна выбранная в качестве прототипа система для измерения толщины науглероженного слоя, содержащая электронное вычислительное устройство и подключенное к нему устройство для получения данных, содержащее магнитостатический преобразователь, выполненный с возможностью перемещения вдоль поверхности исследуемого материала, и включающий в себя стержневой магнит и датчик нормальной составляющей вектора напряженности магнитного поля, выполненный в виде датчика Холла, при этом стержневой магнит установлен таким образом, что его центральная ось проходит под углом 45° по отношению к чувствительной оси датчика Холла, что обеспечивает создание магнитного поля, линии которого расположены по нормали к поверхности исследуемого материала [ЕА008014В1, дата публикации: 27.02.2007 г. ].

Недостатком прототипа является низкая точность производимых измерений, обусловленная тем, что данная система приспособлена для определения только нормальной составляющей вектора напряженности магнитного поля, в то время как науглероженный слой распределен неравномерно по сечению и поверхности трубы и в случае измерения только нормальной составляющей на результаты измерения могут повлиять краевые эффекты, качество поверхности объекта контроля и анизотропия свойств исследуемого материала, а в случае измерения только тангенциальной составляющей будут оказывать влияние несплошности и дефекты исследуемого объекта при их наличии. Данные обстоятельства не позволяют провести достоверную оценку толщины науглероженного слоя.

Техническая проблема, на решение которой направлена группа изобретений, заключается в необходимости разработки устройства и системы для измерения толщины науглероженного слоя, позволяющих устранить имеющиеся недостатки.

Технический результат, на достижение которого направлена группа изобретений, заключается в разработке устройства и системы для измерения толщины науглероженного слоя, обеспечивающих повышение точности измерений толщины науглероженного слоя.

Сущность первого изобретения из группы изобретений заключается в следующем.

Система для измерения толщины науглероженного слоя, содержащая электронное вычислительное устройство и подключенное к нему устройство для получения данных, содержащее магнитостатический преобразователь, выполненный с возможностью перемещения вдоль поверхности исследуемого материала, и включающий:

- П-образный постоянный магнит;

- датчик нормальной составляющей вектора напряженности магнитного поля,

установленный у полюса магнита;

- датчик тангенциальной составляющей вектора напряженности магнитного поля, установленный между полюсами магнита.

Сущность второго изобретения из группы изобретений заключается в следующем.

Магнитостатический преобразователь, выполненный с возможностью перемещения вдоль поверхности исследуемого материала, и включающий:

- П-образный постоянный магнит;

- датчик нормальной составляющей вектора напряженности магнитного поля,

установленный у полюса магнита;

- датчик тангенциальной составляющей вектора напряженности магнитного поля, установленный между полюсами магнита.

Магнитостатический преобразователь обеспечивает создание магнитного поля и получение данных о величинах нормальной и тангенциальной составляющих вектора его напряженности. Для этого магнитостатический преобразователь включает в себя П-образный постоянный магнит, датчик нормальной составляющей вектора напряженности магнитного поля, установленный у полюса магнита, и датчик тангенциальной составляющей вектора напряженности магнитного поля, установленный между полюсами магнита.

П-образный постоянный магнит обеспечивает создание магнитного поля и может быть представлен магнитом, полюсы которого ориентированы в одном направлении. Для создания магнитного поля вблизи исследуемого материала оба полюса П-образного постоянного магнита могут быть направлены в сторону поверхности исследуемого материала.

Для определения нормальной составляющей вектора напряженности магнитного поля соответствующий датчик может быть установлен у любого из полюсов П-образного постоянного магнита, что позволяет ему находиться в области, где линии магнитного поля расположены по нормали к поверхности исследуемого материала, и за счет этого производить соответствующие измерения.

Для определения тангенциальной составляющей вектора напряженности магнитного поля соответствующий датчик установлен между полюсами магнита, что позволяет ему находиться в области, где линии магнитного поля расположены перпендикулярно нормали к поверхности исследуемого материала, и производить за счет этого соответствующие измерения, что обеспечивает повышение точности определения толщины науглероженного слоя.

Датчики нормальной и тангенциальной составляющих вектора напряженности магнитного поля могут быть представлены индукционными датчиками, магниторезистивными датчиками, датчиками Холла и иными видами датчиков, обеспечивающих возможность детектирования величины напряженности магнитного поля.

Магнитостатический преобразователь может иметь корпус, внутри которого могут быть установлены все входящие в его состав элементы. Для обеспечения возможности перемещения магнитостатического преобразователя вдоль поверхности исследуемого материала корпус магнитостатического преобразователя может содержать закрепленные на нем элементы качения по поверхности исследуемого материала, например, такие как шарики, ролики или валки, что также позволяет создать зазор между установленным в корпус магнитостатическим преобразователем и исследуемой поверхностью, необходимый для снижения трения между поверхностью исследуемого объекта и поверхностью магнитостатического преобразователя.

Дополнительно устройство для получения данных может содержать скобу для закрепления на ней магнитостатического преобразователя. Закрепление магнитостатического преобразователя на скобе может обеспечиваться неподвижно относительно скобы, либо оно может обеспечиваться посредством подпружиненных толкателей, что повышает плотность прижатия элементов качения к поверхности исследуемого материала и обеспечивает поддержание постоянной величины зазора между преобразователем и поверхностью на протяжении всего времени измерений. Это исключает искажение показаний датчиков вследствие отдаления или приближения постоянного магнита к поверхности исследуемого материала.

Также, для повышения точности производимых измерений толщины науглероженного слоя, устройство для получения данных может содержать дополнительные магнитостатические преобразователи, установленные на скобе радиально относительно поверхности исследуемого материала и на одинаковом расстоянии друг от друга по окружности, что позволяет производить измерения в разных точках трубы в радиальном направлении и увеличивает объем исследуемого материала, благодаря чему повышается достоверность производимых измерений.

Электронное вычислительное устройство (ЭВУ) обеспечивает обработку данных, получаемых датчиками нормальной и тангенциальной составляющих вектора напряженности магнитного поля, и определение толщины науглероженного слоя исследуемого материала. В состав ЭВУ может входить персональный компьютер или иное электронное устройство, способное провести требуемые измерения. При этом для повышения точности производимых измерений толщины науглероженного слоя система также может включать в себя устройство предварительной обработки сигналов, получаемых от датчиков нормальной и тангенциальной составляющих вектора напряженности магнитного поля. Данное устройство может быть представлено последовательно подключенными друг к другу: усилителем сигнала, аналогово-цифровым преобразователем (АЦП) и контроллером. В случае, если количество магнитостатических преобразователей, используемых в системе, больше одного, то количество усилителей сигнала и АЦП может соответствовать количеству входящих в состав устройства для получения данных магнитостатических преобразователей. Входы усилителя сигнала могут быть подключены к датчикам нормальной и тангенциальной составляющих вектора напряженности магнитного поля, а выходы - к АЦП. Выходы одного и более АЦП могут быть подключены к контроллеру, а его выход может быть подключен к ЭВУ.

Группа изобретений может быть выполнена из известных материалов с помощью известных средств, что свидетельствует о ее соответствии критерию патентоспособности «промышленная применимость».

Группа изобретений характеризуется ранее неизвестной из уровня техники совокупностью существенных признаков, отличающейся тем, что магнитостатический преобразователь дополнительно содержит датчик тангенциальной составляющей вектора напряженности магнитного поля, установленный между полюсами магнита, что позволяет производить измерения в так называемой двухкоординатной системе и учитывать не только краевые эффекты исследуемого материала, наличие шероховатостей поверхности исследуемого материала и анизотропию свойств исследуемого материала, учитываемые при измерении только лишь нормальной составляющей, но и также учитывать несплошности и дефекты в толще исследуемого материала, что совокупно повышает точность и достоверность производимых измерений.

Благодаря этому обеспечивается достижение технического результата, заключающегося в разработке устройства и системы для измерения толщины науглероженного слоя, обеспечивающих повышение точности измерений толщины науглероженного слоя.

Группа изобретений обладает ранее неизвестной из уровня техники совокупностью существенных признаков, что свидетельствует о ее соответствии критерию патентоспособности «новизна».

Из уровня техники не известны существенные признаки группы изобретений, ввиду чего она соответствует критерию патентоспособности «изобретательский уровень».

Изобретения из группы изобретений связаны между собой и образуют единый изобретательский замысел, что свидетельствует о соответствии группы изобретений критерию патентоспособности «единство изобретения».

Группа изобретений поясняется следующими фигурами.

Фиг. 1 - Устройство для получения данных, содержащее четыре магнитостатических преобразователя установленных на скобе, вид сбоку.

Фиг. 2 - Устройство для получения данных, содержащее четыре магнитостатических преобразователя установленных на скобе, вид сверху.

Фиг. 3 - Магнитостатический преобразователь, установленный в корпус, вид сбоку.

Фиг. 4 - Магнитостатический преобразователь, установленный в корпус, изометрия.

Фиг. 5 - Магнитостатический преобразователь, вид спереди.

Фиг. 6 - Картина распределения линий магнитной индукции магнитного поля, возникающего в присутствии П-образного постоянного магнита.

Для иллюстрации возможности реализации и более полного понимания сути группы изобретений ниже представлен вариант ее осуществления, который может быть любым образом изменен или дополнен, при этом настоящая группа изобретений ни в коем случае не ограничивается представленным вариантом.

Система для измерения толщины науглероженного слоя включает в себя устройство для получения данных и электронное вычислительное устройство, подключенные друг к другу.

Устройство для получения данных содержит четыре магнитостатических преобразователя, установленных на скобе 100 радиально относительно поверхности исследуемого материала трубы 200 и на одинаковом расстоянии друг от друга по окружности. Каждый магнитостатический преобразователь содержит корпус 300, внутри которого установлены: П-образный постоянный магнит 302, датчик 304 нормальной составляющей вектора напряженности магнитного поля, установленный у полюса магнита 302, и датчик 306 тангенциальной составляющей магнитного поля, установленный между полюсами магнита 302 (Фиг. 5). На Фиг. 5 позицией 202 отмечен немагнитный слой исследуемого материала трубы 200, а позицией 204 отмечен магнитный, науглероженный, слой материала трубы 200. Датчики 304 и 306 представлены датчиками Холла. Каждый корпус 300 содержит ролики 308, выступающие в качестве элементов качения по поверхности исследуемого материала трубы 200. Оси роликов 308 расположены перпендикулярно нормали, проходящей через их центры. Крепление корпусов 300 магнитостатических преобразователей к скобе 100 обеспечивается посредством линейных блоков 310 и штоков 312 с подпружиненными толкателями 314. Также на скобе 100 установлен датчик 400 расстояния, закрепленный на ней посредством линейных блоков 402 и штоков 404 с подпружиненными толкателями 406.

Электронное вычислительное устройство представлено персональным компьютером, при этом магнитостатические преобразователи подключены к нему посредством устройства предварительной обработки данных, включающего в себя последовательно подключенные друг к другу: усилители сигнала, аналогово-цифровые преобразователи, шину данных контроллера и контроллер. Усилители сигнала подключены к каждому магнитостатическому преобразователю, в частности к датчикам 304 и 306. Датчик 400 расстояния при этом подключен к персональному компьютеру напрямую.

Группа изобретений работает следующим образом.

Устройство для получения данных устанавливают на трубу 200 путем установки на нее скобы 100 и регулировки положения корпусов 300 магнитостатических преобразователей и положения датчика 400 расстояния. Положение корпусов 300 регулируют при помощи штоков 312 таким образом, чтобы обеспечивался контакт между роликами 308 и поверхностью исследуемого материала трубы 200, а между корпусами 300 и поверхностью трубы 200 был выполнен зазор величиной h. Плотность прилегания роликов 308 к поверхности обеспечивается за счет работы пружин толкателей 314. Регулировку положения датчика 400 расстояния производят аналогичным образом посредством штоков 404 и подпружиненных толкателей 406.

По окончании установки устройства для получения данных на трубу 200 начинают его линейное перемещение вдоль оси трубы, при этом ролики 308 скользят по поверхности исследуемого материала. По мере перемещения устройства посредством датчиков 304 и 306 осуществляют измерение нормальной H_n и тангенциальной H_t составляющих вектора напряженности магнитного поля, возникающего в зазоре величиной h между постоянным магнитом 302 каждого магнитостатического преобразователя и поверхностью исследуемого материала трубы 200.

Картина распределения линий магнитной индукции магнитного поля, возникающего в присутствии П-образного постоянного магнита 302, приведена на Фиг. 6. На Фиг. 6 позицией 202 отмечен немагнитный слой исследуемого материала трубы 200, а позицией 204 отмечен магнитный, науглероженный, слой материала трубы 200. Также по мере перемещения устройства посредством датчика 400 осуществляют измерение координаты устройства вдоль продольной оси трубы 200. Сигналы с датчиков 304 и 306 через подключенные к ним усилители поступают в аналогово-цифровой преобразователь, где сигналы оцифровываются и через шину данных поступают на контроллер, которым выполняется первичная обработка полученных данных и передача преобразованных данных на персональный компьютер. Сигнал с датчика 400 поступает напрямую на персональный компьютер.

На основании данных, полученных от контроллера, персональный компьютер определяет результирующую величину напряженности магнитного поля H_p по формуле Затем персональный компьютер, на основании заранее полученных калибровочных кривых, производит пересчет полученной величины напряженности магнитного поля H_p в расстояние от поверхности исследуемого материала до науглероженного слоя и в толщину науглероженного слоя при известной толщине стенки трубы 200. При использовании данных от датчика 400 возможно построение графика изменения толщины науглероженного слоя по длине трубы 200.

Измерение тангенциальной составляющей вектора напряженности магнитного поля наряду с измерением нормальной составляющей вектора напряженности магнитного поля позволяет производить измерения в так называемой двухкоординатной системе и учитывать не только краевые эффекты исследуемого материала, наличие шероховатостей поверхности исследуемого материала и анизотропию свойств исследуемого материала, учитываемые при измерении только лишь нормальной составляющей, но и также учитывать несплошности и дефекты в толще исследуемого материала, что совокупно повышает стабильность, точность и достоверность производимых измерений.

Наличие в составе устройства получения данных нескольких магнитостатических преобразователей, установленных радиально относительно поверхности исследуемого материала трубы 200, позволяет производить измерения в разных точках трубы в радиальном направлении и увеличивает объем исследуемого материала, благодаря чему повышается достоверность производимых измерений. При этом за счет роликов 308, плотно прижатых к поверхности исследуемого материала, обеспечивается поддержание постоянной величины зазора h на протяжении всего времени измерений, что позволяет исключить искажение показаний датчиков 304 и 306 вследствие отдаления или приближения постоянного магнита 302 к поверхности исследуемого материала, что, в свою очередь, повышает стабильность и точность производимых измерений.

Благодаря этому обеспечивается достижение технического результата, заключающегося в разработке устройства и системы для измерения толщины науглероженного слоя, обеспечивающих повышение точности измерений толщины науглероженного слоя.

Группа изобретений относится к системам для металлургических исследований и может быть применена в химической, нефтеперерабатывающей и других отраслях промышленности. Сущность группы изобретений заключается в системе для измерения толщины науглероженного слоя, содержащей электронное вычислительное устройство и подключенное к нему устройство для получения данных, содержащее магнитостатический преобразователь, включающий П-образный постоянный магнит, датчик нормальной составляющей вектора напряженности магнитного поля, установленный у полюса магнита, и датчик тангенциальной составляющей вектора напряженности магнитного поля, установленный между полюсами магнита. Технический результат: обеспечение повышения точности измерений толщины науглероженного слоя. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Система для измерения толщины науглероженного слоя, содержащая электронное вычислительное устройство и подключенное к нему устройство для получения данных, содержащее магнитостатический преобразователь, выполненный с возможностью перемещения вдоль поверхности исследуемого материала и включающий:

– П-образный постоянный магнит;

– датчик нормальной составляющей вектора напряженности магнитного поля, установленный у полюса магнита;

– датчик тангенциальной составляющей вектора напряженности магнитного поля, установленный между полюсами магнита.

2. Система по п.1, в которой магнитостатический преобразователь содержит корпус, внутри которого установлены входящие в его состав элементы.

3. Система по п.2, в которой корпус магнитостатического преобразователя содержит элементы качения по поверхности исследуемого материала.

4. Система по п.1, отличающаяся тем, что устройство для получения данных содержит скобу для закрепления магнитостатического преобразователя.

5. Система по п.4, отличающаяся тем, что закрепление магнитостатического преобразователя на скобе обеспечивается посредством подпружиненного толкателя.

6. Система по п.4, отличающаяся тем, что устройство для получения данных содержит дополнительные магнитостатические преобразователи, установленные на скобе радиально относительно поверхности исследуемого материала на одинаковом расстоянии друг от друга по окружности.

7. Система по п.1, отличающаяся тем, что включает в себя устройство предварительной обработки сигналов, получаемых от датчиков нормальной и тангенциальной составляющих вектора напряженности магнитного поля, подключенное к магнитостатическому преобразователю и электронному вычислительному устройству.

8. Система по п.7, отличающаяся тем, что устройство предварительной обработки сигналов представлено последовательно подключенными друг к другу усилителем сигнала, аналогово-цифровым преобразователем и контроллером.

9. Магнитостатический преобразователь, выполненный с возможностью перемещения вдоль поверхности исследуемого материала и включающий:

– П-образный постоянный магнит;

– датчик нормальной составляющей вектора напряженности магнитного поля, установленный у полюса магнита;

– датчик тангенциальной составляющей вектора напряженности магнитного поля, установленный между полюсами магнита.

10. Магнитостатический преобразователь по п.9, отличающийся тем, что содержит корпус, внутри которого установлены входящие в его состав элементы.

11. Магнитостатический преобразователь по п.10, отличающийся тем, что корпус содержит элементы качения по поверхности исследуемого материала.