Высокотемпературный электромагнитный преобразователь для контроля ферритной фазы Российский патент 2025 года по МПК G01N27/72 G01R33/12 

Изобретение относится к неразрушающему контролю металлов и сплавов, а именно к устройствам, предназначенным для автоматизированного экспресс-контроля содержания ферритной фазы в различных сталях при литье, и, прежде всего, в стальных пробах.

Известен ферритометр (RU 2150121 C1, G01R 33/12, G01N 27/72, опубл. 27.05.2000), состоящий из датчика для определения ферритной фазы и вторичного устройства. Датчик включает поплавок с магнитом в форме стержня и железное кольцо на его периферии. Поплавок находится в герметичном корпусе из немагнитного материала. Снаружи этого корпуса расположена катушка, которая, взаимодействуя с железным кольцом, создает силу, отделяющую магнит от образца. Отсоединенный от образца магнит проходит через корпус из немагнитного материала и замыкает контакт, подключенный к вторичному устройству. Вторичный прибор фиксирует ток отрыва магнита от образца.

Устройство работает следующим образом. Постоянный магнит датчика прикладывается к поверхности металла измеряемого образца. Нажатием кнопки на вторичном приборе запускается счетчик, считающий поступающие от генератора импульсы. Результат счета отображается на индикаторе вторичного прибора и поступает на цифроаналоговый преобразователь (ЦАП). Показания счетчика плавно возрастают во времени. В соответствии с этим плавно возрастает напряжение на входе преобразователя и соответственно ток на выходе усилителя. Этот плавно возрастающий ток увеличивает крутящий момент на рамке, связанной с постоянным магнитом датчика. Так продолжается до тех пор, пока магнит не оторвется от поверхности измеряемого образца. При этом срабатывает геркон и останавливает счетчик. На индикаторе прекращается нарастание цифровых показаний на уровне процентного содержания ферритной фазы в образце. Установление соответствий показаний устройства (тарировка) шкале процентного содержания феррита в данном классе сталей осуществляется путем подбора соответствующего коэффициента усиления усилителя. При этом ручка регулировки коэффициента усиления может иметь градуировку позиций, соответствующих классам сталей, измеряемым устройством. При последующем нажатии кнопки счетчик сбрасывается на ноль и начинает снова считать импульсы от генератора.

Существенным недостатком известного технического решения является неоднородность и ограниченность в пространстве магнитного поля, создаваемого датчиком, подведенным к исследуемому образцу, при этом погрешность измерения определяется местоположением датчика на поверхности образца.

Известен датчик измерения напряженности магнитного поля, применяемый в приборе для локального измерения ферромагнитной фазы в аустенитных сталях (RU 179753 U1, G01N 27/72, G027/87, опубл. 28.05.2018). Датчик включает постоянный магнит цилиндрической формы, выполненный из сплава неодим-железо-бор, и магниточувствительный элемент, выполненный в виде датчика Холла и закрепленный своей плоской стороной на боковой поверхности постоянного магнита таким образом, чтобы горизонтальная ось симметрии постоянного магнита проходила сквозь центр датчика Холла. Магнит с закрепленным на нем датчиком Холла располагается в защитном корпусе датчика, выполненном из парамагнитного металла или сплава (медь, алюминий и сплавы на их основе).

Недостаток технического решения заключается в измерении относительной магнитной проницаемости только в сталях с содержанием ферромагнитных фаз менее 1%.

Наиболее близким аналогом является электромагнитный первичный преобразователь, используемый в устройстве контроля фазового состава стали и представляющий собой обмотку возбуждения и измерительную обмотку, расположенные коаксиально, причем выход измерительной обмотки подключен к предварительному усилителю (RU 2629920 C1, G01N 27/72, G01R 33/12, опубл. 04.09.2017).

Недостатком встроенного в прибор датчика-прототипа является невозможность контроля образцов, нагреваемых до температуры свыше 100°С. Тепло, которое выделяется образцом, температура которого свыше 100°С, может привести к чрезмерному нагреву обмоток датчика и внутренней электроники прибора, что повлияет на погрешность измерений.

Технической задачей настоящего изобретения является разработка преобразователя для контроля ферритной фазы образцов с расширенными эксплуатационными характеристиками.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является возможность контроля ферритной фазы образцов, нагретых до высоких температур (свыше 100°С).

Технический результат достигается за счет того, что предлагаемый электромагнитный преобразователь для контроля ферритной фазы содержит расположенные коаксиально обмотку возбуждения и измерительную обмотку, при этом он состоит из системы коаксиально расположенных четырех обмоток, намотанных на каркас из диэлектрического термостойкого материала, из которых две обмотки возбуждения включены согласно, две обмотки измерения включены встречно, расстояние между обмотками возбуждения при этом не превышает треть длины данной обмотки, расстояние между обмотками измерения выбрано таким образом, чтобы при размещении образца стали в преобразователе изменялся поток лишь одной обмотки, обмотки возбуждения и измерения расположены на каркасе симметрично, преобразователь также содержит оснастку для удержания испытуемого образца в зоне чувствительности одной из измерительных обмоток, оснастка состоит из пластины с отверстием, в которое помещается образец, из термостойкого немагнитного материала с малым коэффициентом температурного расширения и силовой конструкции, обеспечивающей надежную фиксацию этой пластины относительно обмоток.

Между обмотками возбуждения в каркасе может быть выполнена прорезь для оценки температуры визуально или с помощью пирометра.

Предлагаемое техническое решение представлено на фиг. 1-2. На фиг. 1 изображен электромагнитный преобразователь для контроля ферритной фазы (вид слева). На фиг. 2 изображено расположение обмоток возбуждения и измерения в первичном преобразователе. На фигурах обозначены следующие элементы:

1 - каркас преобразователя,

2 - каркас оснастки,

3 - верхнее основание оснастки,

4 - нижнее основание оснастки,

5 - корпус для РЭА (радиоэлектронной аппаратуры),

6 - полиимидный скотч,

W1, W3 - обмотки возбуждения,

W2, W4 - обмотки измерения,

L (L₁, L₂) - длина обмотки возбуждения,

М - расстояние между обмотками возбуждения (М≤1/3 L).

Высокотемпературный электромагнитный преобразователь состоит из системы коаксиально расположенных четырех обмоток (W1-W4), намотанных на каркас (1) из диэлектрического термостойкого материала, из которых две обмотки возбуждения (W1, W3) включены согласно, две обмотки измерения (W2, W4) включены встречно, расстояние между обмотками возбуждения при этом не превышает треть длины обмотки, что позволяет обеспечить однородное поле в зоне измерения.

Расстояние между обмотками измерения подбирается экспериментальным путем таким образом, чтобы при размещении образца стали в преобразователе изменялся поток лишь одной обмотки, а при наличии и отсутствии образца поток, замыкающийся через обмотки измерения, не различался, что обеспечивается симметричным их расположением на каркасе (L₁=L2).

Обмотка возбуждения обеспечивает намагничивание объекта контроля до необходимых значений и содержит 300-350 витков медного провода диметром не менее 1 мм. Обмотка измерения служит для измерения магнитного потока, проходящего через объект контроля. Обмотки свиты между собой и для защиты от внешних повреждений помещены в термоусадочный кембрик, в специальном корпусе (5), подключаются к четырехжильному кабелю, каждая жила которого диаметром не менее 0,75 мм. Таким образом, через кабель подается заданный ток на обмотки возбуждения, а также снимается напряжение с измерительных обмоток.

Каркас оснастки (3) выполнен из скрепленных между собой профилей из термостойкого немагнитного материала и служит для закрепления верхнего (3) и нижнего (4) оснований оснастки.

Верхнее основание оснастки (3) изготавливается из термостойкого немагнитного материала с малым коэффициентом температурного расширения и служит для удержания образцов в зоне чувствительности одной из обмоток измерения.

Нижнее основание оснастки (4) изготавливается из термостойкого немагнитного материала с малым коэффициентом температурного расширения и служит для закрепления преобразователя внутри каркаса оснастки.

В корпусе для РЭА (5) обмотки преобразователя подключаются к четырехжильному кабелю, каждая жила которого диаметром не менее 0,75 мм. Таким образом, через кабель подается заданный ток на обмотки возбуждения, а также снимается напряжение с измерительных обмоток.

Для надежной фиксации обмоток и кабеля, а также для их защиты, они вводятся в корпус для РЭА (5) через кабельные вводы.

Для фиксации обмоток, а также для защиты обмоток от внешних повреждений, внешний слой обмотки заклеен полиимидным скотчем (6).

Каркас оснастки может быть дополнительно оборудован ручками для перемещения датчика и опорами для регулировки высоты датчика (на чертеже не указаны).

В каркасе преобразователя между обмотками возбуждения может быть сделана прорезь для оценки температуры визуально или с помощью пирометра (на чертеже не показана).

Удобство использования разработанного выносного преобразователя связано с возможностью устройства контроля фазового состава стали переключения между разработанным выносным и встроенным преобразователем.

Электромагнитный преобразователь работает следующим образом.

В штатном режиме подготовка устройства к работе не требуется.

Измерения проходят в автоматическом режиме. Оператор помещает цилиндрический исследуемый стальной образец через специальное отверстие в верхнем основании оснастки (3) в преобразователь. Через кабель подается заданный ток на обмотки возбуждения (W1, W3), а также снимается напряжение с измерительных обмоток (W2, W4), полученное значение напряжения сравнивается со значением содержания ферритной фазы.

Задачами калибровки являются значения тока в обмотке возбуждения, соответствующей напряженности поля в области измерения 25 кА/м, и внесение поправок в градуировочную кривую, связывающую напряжения на обмотке с количеством ферритной фазы в объекте контроля.

Для контроля стальных образцов мощность генератора прибора должно быть достаточна для создания напряженности магнитного поля не менее 25 кА/м в зоне измерения подключаемого преобразователя, а приемный усилительный тракт прибора должен позволять принимать и обрабатывать сигнал с подключаемого преобразователя.

Диаметр каркаса преобразователя должен быть выбран таким образом, чтобы, с одной стороны, стенки образца не касались внутренних стенок каркаса, с другой стороны, чтобы напряженность электромагнитного поля в области измерения составляла не менее 25 кА/м.

Таким образом, применение выносного электромагнитного преобразователя исключает воздействие горячих стальных образцов на внутреннюю электронику устройства контроля фазового состава стали, в связи с чем преобразователь обеспечивает контроль фазового состава как горячих, так и охлажденных образцов стали.

Изобретение относится к неразрушающему контролю металлов и сплавов. Высокотемпературный электромагнитный преобразователь для контроля ферритной фазы состоит из системы коаксиально расположенных четырех обмоток, намотанных на каркас из диэлектрического термостойкого материала, из которых две обмотки возбуждения включены согласно, две обмотки измерения включены встречно, расстояние между обмотками возбуждения при этом не превышает треть длины данной обмотки, расстояние между обмотками измерения выбрано таким образом, чтобы при размещении образца стали в преобразователе изменялся поток лишь одной обмотки, обмотки возбуждения и измерения расположены на каркасе симметрично, преобразователь также содержит оснастку для удержания испытуемого образца в зоне чувствительности одной из измерительных обмоток, оснастка состоит из пластины с отверстием, в которое помещается образец, из термостойкого немагнитного материала с малым коэффициентом температурного расширения и силовой конструкции, обеспечивающей надежную фиксацию этой пластины относительно обмоток. Технический результат - возможность контроля ферритной фазы образцов, нагретых до высоких температур (свыше 100°С). 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Высокотемпературный электромагнитный преобразователь для контроля ферритной фазы, содержащий расположенные коаксиально обмотку возбуждения и измерительную обмотку, отличающийся тем, что он состоит из системы коаксиально расположенных четырех обмоток, намотанных на каркас из диэлектрического термостойкого материала, из которых две обмотки возбуждения включены согласно, две обмотки измерения включены встречно, расстояние между обмотками возбуждения при этом не превышает треть длины данной обмотки, расстояние между обмотками измерения выбрано таким образом, чтобы при размещении образца стали в преобразователе изменялся поток лишь одной обмотки, обмотки возбуждения и измерения расположены на каркасе симметрично, преобразователь также содержит оснастку для удержания испытуемого образца в зоне чувствительности одной из измерительных обмоток, оснастка состоит из пластины с отверстием, в которое помещается образец, из термостойкого немагнитного материала с малым коэффициентом температурного расширения и силовой конструкции, обеспечивающей надежную фиксацию этой пластины относительно обмоток.

2. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что между обмотками возбуждения в каркасе выполнена прорезь для оценки температуры визуально или с помощью пирометра.