Способ определения механических напряжений в объектах из ферромагнетика и устройство для его осуществления Советский патент 1983 года по МПК G01B7/24 

измерительной обмоткой, и источника двух уровней сигнала с двумя выходами, соединенного каждьвч выходом с вторым входом соответствующего компаратора вычислительную схему, состоящую из управляемого двухчастотного генератора импульсов, с отношением частот,численно равным отношению всей площади потса магнитопровода к площади той части полюса, которая свободна от управляющей (эбмотки, логического элемента И с тремя входами, соединенного одним входом с выходом генератора импульсов и каждым из двух других входов с выходом соответствующего компаратора, управляемого коммутатора с двумя выходами, соединенного входом с выходом логического элемента И и реверсивного счетчика, соединенного каждым из двух входов с выходами коммутатора, и схему управ;ления, состоящую из двух управляемых Iключей, соединенных каждый с управляю щей обмоткой, управляющего элемента с двумя входами и двумя выходами, из которых первый вход соединение выходом компаратора верхнего уровня, первый выход соединен с управляющим входом ждущего генератора, второй выход - с управляющими входами ключей и одновременно двухчастотного генератора и коммутатора, и из пускового элемента, соединенного с управляющим входом реверсивного счетчика и с вторым входом управляющего элемента.

I

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к измерению механических напряжений электрическими средствами, основанными на изменении магнитных свойств объектов от измеряемых механических напряжений.

Известен способ определения механических напряжений в объектах из ферромагнетика, заключающийся в том, что устанавливают на объекте магнитоупругий датчик, возбуждают в объекте периодическое синусоидальнйе магнитное поле, измеряют напряжение выходного сигнала датчика, изменяют магнитное сопротивление воздушного зазора между объектом и датчиком на определенную величину, вторично измеряют напряжение выходного сигнала, находят разность между результатами измерений, по найденной разности и известной функциональной зависимости находят поправку, получают расчетный показатель, внося поправку в первый результат измерения, и по значению расчетного пбказателя с помощью градуировочной зависимости определяют величину механических напряжений 1J Устройство для осуществления способа содержит два П-образных магнитопровода, налс «енных друг на друга обоими полюсными стержнями, полюса которых смещены относительно друг друга, возбуждающую обмотку, обхватывающую одну из пар наложенных друг

на друга полюсных стержней, и две измерительные обмотки, обхватывающие каждая свой магнитопровод fl J. При такой реализации способа и устройства влияние неизвестного по величине воздушного зазора на результаты измерения удается значительно

уменьшить. Однако дальнейшее уменьшение влияния воздушного за.зора, а следовательно, повышение точности, результатов измерений оказывается невозможным, так как вносимые согласно способу поправки на воздушный зазор зависят не только от его величины,

но и от некоторых неизвестных свойств и параметров объекта - электрической проводимости материала объекта, величины действующих механических напряжений в объекте, подлежащих измерению.. К этому выводу можно прийти на основе анализа годографа выходного сигнала.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является

способ определения механических напряжений в объектах из ферромагнетика, заключающийся в том, что устанавливают на объекте магнитоупруГий датчик, возбуждают в объекте перйодическое синусоидальное магнитное поле, измеряют напряжение выходного сигнала магнитоупругого. датчик а, изменяют магнитное сопротивление воздушного зазора между объектом и 310T9 датчиком до получения заданного от ношения к исходному, вторично измеряют напряжение выходного сигнала, затем вычисляют по полученным результатам измерений расчетный показатель как разность между величиной, обратной измеренному напряжению при измененном сопротивлений воздушного зазора, и величиной, обратной измеренному на|пряжению при исходном сопротивлении воздушного зазора, умноженной на отношение измененного сопротивления воздушного зазора к исходномуjпо вычисленному значению расчетного показателя с помощью градуировочной зависиности определяют величину механических напряженийД2 2. Устройство для осуществления способа содержит П-образный магнитопро вод с четырьмя пазами по два на поверхности каждого погюса, размещенны. ми параллельно так, что площади частей поверхности полюса, Лежащих по обе стороны от двух пазов, равным между собой, возбуждающую и измерительн1«) обмотки, обхватывающие магнитопровод, две управляющие обмотки, размещенные .каждая в пазах полюса и обхватывающие лежащую между пазами часть его площади, два ключа, соединенные каждый с управляющей обмоткой С ЗХотя при такой реализации способа и устройства для измерения механических напряжений в объектах из Ферромагнетика удается исключить влияние воздушного зазора, однако результат определения механических напряг жений зависит от неконтролируемых свойств объекта, например, электропроводности его материала. Целью изобретения является повышение точности результатов измерений путем уменьшения влияния некрнтролируемых свойств объекта. Указанная цель достигается тем, что согласно способу определения механических напр1яжений в объектах из ферромагнетика, заключающемуся в том, что устанавливают на объекте магнитоупругий датчик, возбуждают в объекте периодическое магнитное поле измеряют параметр выходного сигнала датчика изменяют магнитное сопротивление воздушного зазора между объектом и датчикрм до получения заданного отноше. ния к исходному, вторично измеряют тот же параметр выходного сигнала, вычисляют по полученным результатам измерений р асчетный показатель и по вычисленному его значению спомощью t4 градуировочнойзависимости определяют величину механических напряжений, периодическое магнитное поле измеияют за период по квадратичному закону, ;в качестве параметра выходного сигнала выбирают длительность интервала вре,мени изменения выходного сигнала между двумя фиксированными уровнями, из которых длительность интервала времени изменения сигнала между нижним уровнем и начальным значением сигнала больше утроенного значения постоянной времени затухания вихревых токов в объекте, а расчетный показатель вычисляют как разность между длительностью интервала времени, измеренной при исходном сопротивлении воздушного зазора, умноженной на отношение , измененного сопротивления воздушного зазора к исходному, и длительностью интервала времени, измеренной при измененном сопротивлении воздушного зазора Кроме того, устройство для осуществления способа содержит П-образный магнитопровод с двумя пазами по одному на поверхности каждого из погвосов, размещенными параллельно на расстоянии, равном расстоянию между центрами полюсов, и направленными перпендикулярно к линии, соединяющей эти центры, возбуждающую и измерительную обмотки, обхватывающие магнитопровод, две управляющие обмотки, размещенные каждая в пазу полюса и обхватывающие одинаковую масть его площади, ждущий генератор квадратичных импульсов тока,, соединенный с возбуждающей обмоткой, схему формирования импульсов длительности измеряемых интервалов времени, состоящую из компаратора нижнего и компаратора верхнего уровня сигнала, соединенных каждый первьм входом с измерительной обмоткой, и источника двух уровней сигнала с двумя выхода соединенного каждым выходом с , вторым входом соответствующего компаратора, вычислительную схему, состоящую из управляющего даухчастотного генератора импульсов, с отношением частот, численно равным отношению всей площади полюса магнитопроврда к площади той части полюса которая свободна от управляю1Цей обмотки, логического элемента И с тремя входами, соединенного одним входом с выходом генеоатора импульсов и каждым из двух других входов с выходе соответствующего компаратора, управляемого ком;Мутатбра с двумя выходами, соединенного входом с выходом логического элемента И и реверсивного счетчика, соединенного каждым из двух входов с выходами коммутатора, и схему управления, состоящую из двух управляемых ключей, соединенных каждый с управляющей обмоткой, управляющего элемента с двумя входами и двумя выходами, из которых первый вход соединен с выходом компаратора верхнего уровня, первый выход соединен с управляющим входом ждущего генератора, второй выход с управляющими входами ключей и одновременно двухчастотного генератора и коммутатора, и из пускового элемента, соединенного с управляющим входом реверсивного счетчика и с вторым входом управляющего элемента. При такой реализации способа и устройства для определения механических напряжений, когда периодическое магнитное поле изменяют за период по квадратичному закону, т.е. возбуждаю щая обмотка питается квадратичными импульсами тока J напряжение выходного сигнала на изме рительной обмотке при отсутствии элек рической проводимости у материала объ екта изменяется по линейному закону dJt R+r-f 2 где Ф магнитный гюток в магнитопро воде датчика и объекте; W и Wn- число витков возбуждающ-ей и измерительной обмоток дат чика; R - магнитное сопротивление объ екта ; - магнитное сопротивление ма1- нитопровода дaтчvtкa; Я - магнитное сопротивление воз душного зазора между полюсо магнитопровода датчика И объектом. Тогда длительность интервала времени й-Ь изменения выходного сигнала и между уровнями Е. и 2, равна (g-EJ( S 2c(fJ Длительность интервала времени изменения выходного сигнала (2 ) между теми же уровнями при измененном, сопротивлении воздушного зазора (Е2-,)(2.Я - (4) 1 П отношение измененного сопротивления зоздушного зазора к исходному, численно равное отношению плоади полюса магнитопровода к площади той ее части,которая свободна от управляющей обмотки. в результате расчетный показатель , определяемый как разность между лительностью интервала времени , измеренной при исходном coпpoтивJ1eнии р воздушного зазора, умноженной на отношение п измененного магнитного сопротивления воздушного зазора к исходному, и длительностью интервала &Ьп, измеренной при измененном сопротивлении воздушного зазора, не зависит от величины магнитного сопротивления воздушного Зазора (.)(R+r) , Lv./v.,- п-г;, (s; а пропорционален лишь магнитному сопротивлению объекта, зависящему от измеряемых механических напряжений в соответствии с градуировочной зависимостью. Если электрическая проводимость материала объекта отлична от нуля, то за счет появления вихревых токов в материале объекта напряжение U выходного сигнала изменяется в начальной части периода нелинейно. После затухания вихревых токов изменение напряжения U вновь подчиняется зависимости (,2 ), Поэтому выбор длительности времени t изменения выходного сигнала (J между нижним уровнем Е и начальным значением выходного сигнала UQ, большим утроенного значения постоянной времени f затухания вихревых токов в объекте i ЗТ (Ь) 1 2о(Ш обеспечивает независимость результатов измерений (3 )и {kj, а следовательно, и результатов расчета (51 от электрической проводимости материала контролируемого объекта. Выполнение пазов на поверхности полюсов параллельными на расстоянии, равном расстоянию между еометрическими центрами полюсов, и перпендикулярными линии, соединяющий эти центры, обхват управляющими обмотками одинаковьсх мастей площади полюсов позволяет при изменении магнитного сопротивления воздушных Зазоров сохранить неизменной среднюю длину и среднюю ширину магнитной силовой трубки в материале объекта, т.е. его магнитное сопротивление. На фиг. 1 показана блок-схема устройства для измерения механических на пряжений в объектах из°ферромагнетика; на фиг. 2 - эпюры напряжений и токов в цепях блок-схемы. Устройство для определения механических напряжений в объектах из ферромагнетика содержит П-образный магнитопровод 1 с двумя пазами 2 на поверхности каждого из полюсов, размещенными параллельно на расстоянии, равном расстоянию между центрами п6/иосов, возбуждающую 3 и измерительную Ц обмотки, обхватывающие магнитопровод,. две управляющие обмотки 5 размещенные каждая в пазу 2 полюса и обхватывакмцие чарть 6 его площади, ждущий генератор 7 квадратичных импульсов тока, соединенный с возбуждающей обмоткой 3 а также схему формирования импульсов длительности измеряемых интервалов бремени, вычислительную схему и схему управления. Схема формирования импульсов длительности измеряемых интервалов времени состоит из компаратора нижнего 8 и верхнего 9 уровней сигнала, соединенных каждый первым входом с измерительной обмоткой 4, и источника 10 двух уровней и 2 сигнала с двумя выходами, соединенного каждым выходом с вторым входом соответствующего 9. Вычислйтёльная сх компаратора 8 и ма состоит из управляемого двухчастотного генератора 11 импульсов с от ношением частот, численно равным отношению всей площади 6 и 12 nojBOca магнитопровода к площади 12 той части полюса, которая свободна от управ ляющей обмотки, логического элемента 13 И с тремя входами, соединенного одним входом с выходом генератора 11 импульсов и каждым из двух дру гих входов с выходом соответствующего компаратора 8 и 9 а также управляемого коммутатора 1 И с двумя выходами, соединенного входом с выходо логического элемента И 13 и реверсив ного счетчика 15, соединенного кажды из двух входов с выходами коммутатора 14, Схема -управления состоит из двух управляемых ключей 16, соединенных каждый с управляющей обмоткой 5 управляюо1егоэлемента 17 с двумя входа ми и двумя выходами, из которых перв вход соединен с выходом компаратора верхнего уровня, первый выход соединен с управляющим входом ждущего гене-, ратора, второй выход соеди ен с управляющими входами ключей и одновременно двухчастотного генератора и коммутатора, и из пускового элемента (не показан ), соединенного с управляюо(им входом реверсивного счетчика и с вторым входом управляющего элеменСпособ определения механических напряжений в объектах из ферромагнетика реализуется следующим образом. Магнитоупругий датчик устанавливают магнитопровода 1 на объект иа ферромагнетика 18 и. включают питание устройства для измерения механических напряжений. В этом исходном : состоянии напряжение на выходе компаратора 8 соответствует логическому нулю (фиг. «2 е ), а на выходе компаратора 9 - логической единице (фиг. 2 ж ), генератор 11 импульсов генерирует прямоугольные импульсы с частотой (фиг. 2 з ), т.е. сигнал на его выходе тоже соответствует в течение длительности импульсов логической единице. Поэтому сигнал выходе логического элемента И 13 (фиг. 1 ) равен нулю. При этом коммутатор 14 соединяет выход эгюмента 13 с суммирующим входом реверсивного счетчика 15, а ключи 16 в это время разомкнуты. С помощью пускового элемента (не показан ), например кнопки, на управляимций вход реверсивного счетчика 15 и на вход управляющего элемента 17 подается сигнал Пуск (фиг. 1 и 2 aji. Положительный фронтом сигнала Пуск сбрасывается на нуль реверсивный .счетчик 15, а отрицательным фронтом запускается управля1Ющий элемент 17, который вырабатывает на первом выходе запускающий импульс для ждущего генератора 7 квадратичных импульсов тока (фиг. 1 и 2.6). С приходом импульса от управляющего элемента 17 генератор 7 начинает генерировать ток по квадратичному закону (фиг. 1 поступающий в возбуждающую обмотку 3 (фиг. 1). Этим возбуждают магнитное поле в магнитопроводе 1 и объекте из ферромагнетика 18 и изменяют его по квадратичному закону, Из-за появления вихоевых токов в материале объекта, обусловленных наличием, у него электрической проводимости в начальный момент времени напряжение на измерительной обмотке 4 нарастает нелинейно 1фиг. 2ц), Пс окончании переходного процесса затухания вихревых токов за время t-, такое, что t Зс- (ч) где Т - постоянная времени затухания, напряжение U на измерительной обмотке k изменяется по линейному закону (фиг. 2 д в соответствии с выражением (2 ), По достижении приложенного к первому входу компаратора 8 напряжения и фиксированного уробня f: (фиг.2 д), заданного на втором из входов компаратора 8 (фиг. if источником 10,напряжение на выходе компаратора 8 становится равным значению логической единице (фиг. 2 е/. Поскольку в этот момент на выходе компаратора 9 напряжение соответствует логической единице (фиг. 2 -ж), то импульсы генератора 11 частотой n-fg (фиг. 2 з). также соответствующие логической един це, проходят через логический элемент И 13, коммутатор 1 и далее на суммирущий вход реверсивного счетчика 15. По достижении напряжения измеритель ной обмотки 4 фиксированного уровня (фиг. - д) напряжение на выходе компа ратора 9 становится равным значению логического нуля (фиг. 2 ж) . Тем са МММ прекращается прохождение импульсо с генератора 11 через логический элемент И 13 на реверсивный счетчик 15 Таким образом, длительностью пакета прошедших к счетчику импульсов измеря ют интервал времени At-, изменения выходного сигнала и между двумя фиксированными уровнями Е-, и Ej. Общее чис ло импульсов N,| в пакете, зарегистрированное сметчиком 15 равно N 4t По окончании запускающего импульса на первом выходе управляющего элемента 1 7 (Фиг. 26) прекращается генерация квадратичных импульсов генератором 7 от чего сигналы компараторов 8 и 9возвращаются в исходное состояние (фиг. 2 д,е, ж), В этот момент времени отрицательный фронт выходного импульса компаратора 3 (фиг. 2 ж) оказывает воздействие на первый вход управляющего эле мента 17 (фиг. 1), и на первом и втором выходах появляются импульсы (фиг. 2 б, в)-.Запускающий импульс с первого выхода вновь поступает на управляющий вход генератора 7 (фигЛ) и запускает его (фиг. 2 г ) Импульс с второго- выхода элемента 17 поступает на управлящий вход генератора 11 и уменьшает его частоту до значения jj. Этот же импульс поступает на коммутатор 11 и переключает си)- нзл, поступающий на его вход, на вычитающий вход реверсивного счетчика 15 (фиг. 1). Кроме того, этотже импульс поступает на управляющие входы управляемых ключей 16 и вызывает замыкание накоротко ключами 16 управляющих обмоток 5 вследствие чего магнитный поток в объект 18 протекает через уменьшенную в п раз площадь 12 воздушного зазора. При этом магнитное сопротивление контролируемого объекта остается неизменным, так как сохраняется неизменной длина, ширина и толщина силовой магнитной трубки в материале объекта Поскольку сопротивление воздушного зазора увеличивается, величина выходного сигнала U во втором импульсе уменьшается (фиг. 2 д, но весь процесс, с помощью которого измеряют интервал времени utn изменения выходного сигнала U , повторяется, как описано вьмие, с той лишь разницей, что частота импульсов генератора 11 инач, и число импульсов в пакете равно . Поскольку это число импульсовпостуna(iT на вычитающий вход реверсивного сметчикаJ5, то общее число импульсов N , зарегистрированное счетчиком.равно,, , ) Как видно, зависимость (10), описывающая число импульсов, зарегистрированное счетчиком, соСТветствует завис1лмости (5) по которой вычисляют расчетный показатель Т с точностью до п-остоянного множителя, Пользуясь градуировочной зависимостью числа импульсов N от механических напряжений в объекте 18 из ферромагнетика, определяют по полученному в измерениях Nj величину действующих механических напряжений. Предлагеемые способ определения механических напряжений в объектах и-з ферромагнетика и устройство для осуществления способа псвзоляют исключить влияние воздушного зазора в диапазоне0-1,2 wt и елияние. электрогфоводности материала объекта в широких пределах.