Электромагнитный преобразователь для контроля электромагнитных и физико-механических параметров ферромагнитных материалов Советский патент 1991 года по МПК G01N27/90 G01B7/06 

ных частей 2, 3, 4, возбуждающие обмотки 5, 6, 7, намотанные на каждой части, и измерительные обмотки 9, 10, 11, размещенные на каждой П-образной части 2, 3, 4 магнито- провода 1. Возбуждающие обмотки 5, 6, 7 подключены к источнику 8 переменного тока через переменные сопротивления Rs, Re, Ry, а измерительные обмотки 9,10, 11 через коммутатор 12 связаны с измерительным блоком 13 и измерительным прибором 14. Ширина be полюсов средней части 3 в направлении, перпендикулярном плоскости П-образных частей 2, 3, 4, определяется соотношениемf.Jo I t.to

n nё и

М ,

.,

где а - ширина полюсов средней части и крайних частей в плоскости П-образных частей;

bk - ширина полюсов крайних частей в направлении, перпендикулярном плоскости П-образных частей;

I - расстояние между полюсами, число We витков возбуждающей обмотки и число Ws, W витков обмоток возбуждения 5, 7 определяются формулой Л/е Ьк

W5 bc И W7 be

Электромаснитный преобразователь предварительно тарируется.

В зависимости от решаемой задачи контроля возможны два основных случая тарировки электромагнитного преобразователя: тарировка для контроля изотропного материала (или изделия с изотропной подложкой) и тарировка для контроля анизотропного материала.

При тарировке для контроля изотропного материала возбуждающие обмотки 5, 6, 7 подключают к источнику 8 переменного тока. Преобразователь размещают на эталонном образце с минимальным значением контролируемого параметра (например, магнитной проницаемости), Коммутатором 12 к измерительному прибору 14 сначала подключают измерительную обмотку 10 и фиксируют на ее выходе значение напряжения Uio. Затем коммутатором 12 к прибору 14 подключают поочередно измерительные обмотки 9, 11 и сравнивают напряжения Ug и Un на выходах с напряжением Ую. Если напряжения с обмоток 9 и 11 отличаются от напряжения с обмотки 10, то с помощью сопротивлений RS, Re, R устанавливают равенство , что соответствует равенству потоков Фс и Фк . Затем преобразователь устанавливают на эталонные образцы с различным значением контролируемого параметра и снимают напряжения с обмотки 10. Строится тариро- вочный график зависимости напряжения Uio от значений интересующего параметра, например магнитной проницаемости. Устанавливают преобразователь на исследуемый материал 15. С обмотки 10 через коммутатор 12 подается напряжение Uio в блок 13 измерения, где на основе тариро- вочной зависимости или по расчетной фор0 муле вычисляется контролируемый параметр.

При тарировке для контроля анизотропного материала возникает проблема сохранения однородного магнитного поля в

5 контролируемом материале при любом значении измеряемого параметра (например, магнитной проницаемости), так как свойства материала по П-образным частям 2, 4 и 3 могут значительно отличаться в зависимо0 сти от ориентации магнитопровода. Тарировку преобразователя в этом случае проводят следующим образом.

Подключают возбуждающие обмотки 5, б, 7 к источнику 8 переменного тока, уста5 навливают преобразователь на эталонный образец с минимальным значением контролируемого параметра. Величина сопротивления Re соответствует величине при тарировке для контроля изотропного мате0 риала. С помощью коммутатора 12 поочередно измеряют напряжения Uio и Ug, Un и сравнивают их между собой. Если их величины отличаются, то, изменяя величины сопротивлений Rs, R, добиваются равенства

5 UicrUg и . Устанавливают поочередно преобразователь на эталонные образцы с различным значением контролируемого параметра в требуемом направлении относительно оси анизотропии.

0 При каждом значении параметра эталонных образцов сравнивают напряжения Uio, Уди Un. Если они отличаются, то, изменяя величины сопротивлений RS и R, добиваются равенства Lj(o Ug и Uio Un.

5 Фиксируют значение-Uio. Строят тариро- вочный график зависимости Uio от контролируемого параметра. Устанавливают преобразователь на исследуемый материал. Сравнивают напряжения Uio с Ug и Un. Co0 противлениями Rs и R добиваются равенства и , Коммутатором 12 подают напряжение Uio в блок 13 измерения, где на основе тарировочного графика или по расчетной формуле вычисляется ин5 тересующий параметр.

Максимальная точность измерения контролируемого параметра преобразователем обеспечивается за счет равенства потоков Фс и Фк при выполнении основного условия: равенства магнитных сопротивлений намагниченных участков под П-об- разными частями 2, 3, 4 магнитопровода, т.е. Рма RM/J Рмз . Это равенство обеспечивается за счет оптимизации геометрических размеров полюсов П-образных частей 2, 4 и 3, соотношение между которыми может быть найдено из равенства

RVM RMS илиRM2 4 - RMS

(D

Для RM можем записать о - I +2а I +2а,,

Ктз /лз/ь5з /o obTT1(2)

где - относительная магнитная проницаемость материала;

fio - магнитная проницаемость вакуума;

5з площадь поперечного сечения, равная произведению шины полюса be на глубину проникновения поля

«- If

Т

(3)

где f - частота тока возбуждения; //о проницаемость вакуума; ,из - относительная магнитная проницаемость;

уз - электропроводность материала. С учетом выражения (3) выражение (2)

примет вид,

I 4- 2 а Утгт о/гзХз

Rm3

(4)

Ьс

Магнитное сопротивление материала под крайними частями RM г 4 ГДе магнитные силовые распределены по эллипсам, согласно (4) определяется выражением

Для магнитного сопротивления материала под крайними сердечниками намагниченного однородным потоком шириной по аналогии с (2) и (3) получают

I +2 a Vjrf/ o/ 2.4)S.4 RM2.4 /го//2.4Ьк

С учетом выражений (1), (4) и (6) для проводимостей участков материала,намагничиваемых по параллельной схеме частями 2 и 4, можно записать

ОМ2.4 + .4 ОМЗ ИЛИ

p.f . i Л.

(.tl|u.(i.,f

Ii

(7)

Принимают, что для эталонного матери- ала .4 , уз }1.л , тогда равенство (7) упрощается;

Ьк , In A Ьс

, In A 1+ 2 а я I+ 2 а

15

Откуда

uu i I +2 П . .

Ьс Ьк НдIn A

(8)

Из выражения (8) следует, что при полученном соотношении размеров Ьс и bk обеспечивается равенство магнитного со20 противления RM г 4 и Рмз материала как под крайними частями, так и под средней частью магнитопровода, а следовательно, в области материала под средней частью мэгнитопровода формируется однородное

25 магнитное поле (при условии, что потоки Фс., Фкг Фк также равны) с магнитными силовыми линиями, направленными параллельно друг другу в направлении активной базы I, поэтому точность измерения повышается,

30 ,ак как процесс деформации силовых линий в области материала под средней частью сведен к минимуму за счет формирования в материале в исходном его состоянии однородного магнитного поля. Так как магнит35 ные сопротивления намагниченных участков материала под средней частью и крайней частью мэгнитопровода равны при условии,что

40Ьс Ьк + 1 ( I + 2 а ) In A(9)

то для равенства потоков Фс Ф2к и Фс Ф4к необходимо и дополнительное условие: оптимальное соотношение витков We, Ws и W возбуждающих обмоток. 45 Для магнитных потоков Фзк и Фзкможем

j

Рс,

(Ю)

50

РК,0Г+

-2А

2.2Л

4-R

2Л

(11)

Далее индекс 2 4 опускается, так как П-об- разные части 2 и 4 идентичны, т.е.Ф2.4 Ф : RM 2,4 RM; Rrt. F2,,

где Rr3 - магнитное сопротивление средней части 3;

Rr - магнитное сопротивление крайних частей 2, 4;

Рз,Р - намагничивающие силы;контроле магнитоизотропных материалов

Рз 1 Л/б-Р--1 Л/б здесь - ток возбуждения;так и магнитоанизотропнух.

We - число витков возбуждающих обмо-Пример 1, Контрть магнитной проток,ницаемосги сплошных зтериалов на осноИз равенства (10) и (11) следует, что по-5 ве вихретокового способа.

токи Ф условииВ соответствии со схемой распределеРз F /,„,ния магнитного потока Фсз в средней ПR23 + Кмз R2 + RMобразной части 3 магнитопровода

Значения Пмз и RM определяются фор-преобразователя и в исследуемом материамулами (2), а магнитные сопротивления час-Ю ле записывают Р

тей 3 и 2 Мсзгнитопровода равныФс - , /«-л

R23 13 (13). („)УЧ

/ о/ зэЬ,- v //o/ 2ab а при нахождении преобразователя в воздугде 1з,12 - длина П-образных частей;. хе магнитный поток Фс, равен F

|i1Ь ФгМЯЛ

/12 ,/мз - магнитная проницаемость ма-з ц R$

териала частей 2, 3.в формулах (17, 18), где Rj- магнитное соПринимают , тогда из выраженияпротивление воздушной среды между полю(12)сучетомвыражений(13),(14),(4)записы-сами П-образной средней части 3, RC3 вяютon

(, . 3/.тт мг7магнитное сопротивление средней П-образ t pj;v 1- .w ной части 3 магнитопровода 1; F - намагниIw r. N- IЈ/°bV.io i oчиоающая сила равная произведению тока

в обмотке возбуждения 6 на число ее We, RMT магнитное сопротивление конПринимают, что9е;

к тролируемого материала под средней

/3 JUl- JUi -J0 частью.

Так как 0,, (J,n

тогда .. -.к ,i

е, (t.wjrn rlИ // ( У)

L . Ul°

У -0тгпйтьЬ 30 то с учетом выражений (17) и (18) получают ,

R23

В формуле (15) в числителе и знаменателец2 ч- с (20)

вторым слагаемым ввиду его малости поОткуда для Рм.получают

сравнению с первым можно пренебречь35 о -о tv 140.1/0 соя

II u n 1 , /, - гз ( 1ч. - I ) т |ч. Кб (. А

Например, при а , l 4-10 ., J v 9

-7 ч эк как D

100,/г 500. /Г/мЛ 10-10J Гц,3 0Я vT

у 15 мсм/м, l 12 34-10 3, отношение ела-и 3 3

гаемых составляет 307 2,7:10 .« - R Ј-k I 1

В формуле (15) согласно выражению (9) зна-40, Зз - с / f j/ o/1

чение Ьс 2ь8/3,14 In 3,73-5,4-10 м,где f-частота тока возбуждения;

поэтому из выражения (15) получают у- относительная магнитная прониWe j3,o Л кцаемость и электропроводность материала,

Ws,7 123 bc/ / ото равенство (21) принимает вид

откуда при4Ь „г. г v

Vl2; ,

(16) o|U5bc Ос

Таким образом, преобразователь с пара-или .

/- и J

%...-.,..UVV)..-.---j СГ|

метрами, рассчитанными по формулам (16), ои

(18), имеет высокие метрологические харак-РО э Ь

е

LjU0 uribc

1-- (.1

..b,QJ

(22)

теристики, так как в области контролируемого материала измерительный поток Фс$и

корректирующие Фк2 Фм одинаковы при Откуда для магнитной проницаемости дета- измерении контролируемого параметра с ли получают различными значениями чем обеспечивает-.г

ся однородность магнитных силовых линийЕ- ijfs ( а

в материале между полюсами магнитопро-1 э fl , р„ , , К r R 1

вода с измерительной обмоткой как при| о с L sv(UofUt с «J

е

LjU0 uribc

1-- (.1

..b,QJ

(22)

В полученной формуле значение RЈon- ределяется согласно выражению (4)

равенства (22) и фор

л-2

II

Изобретение касается неразрушающего контроля и может быть использовано для контроля электромагнитных и физико-механических параметров материалов, например магнитной проницаемости или связанных с ней физико-механическими параметрами, такими как механические напряжения, твердость и другие. Цель изобретения - повышение точности измерения за счет увеличения однородности рабочего магнитного потока достигается благодаря тому, что электромагнитный преобразователь для контроля электромагнитных и физико-механических параметров ферромагнитных материалов содержит П-образный магнитопровод, выполненный из трех параллельных частей, намагничивающие и измерительные обмотки, намотанные на полюса каждой части магнитопровода, ширина B_с полюсы средней части в направлении, перпендикулярном плоскости Р-образных частей, определяется соотношением B_с = B_к + (L + 2 A)/φ ^. L_N {(L + 2A)/L ^. √ 2 ^. (L + 2 A)/L - 1}/{L + 2 A)/L - 1}, где A - ширина полюса средней части и крайних частей в направлении плоскости П-образных частей

B_к - ширина полюсов крайних частей в направлении, перпендикулярном плоскости П-образных частей

L - расстояние между полюсами, а число витков на возбуждающей обмотке на средней части и число витков к возбуждающих обмоток W_к на крайних частях связаны соотношением W_с/ W_к = в_к / в_с. 1 ил.

Г ГГ ( .

Ч г f

t-lt t

Т.е. значение магнитной проницаемости по формуле (23) легко может быть рассчитано в устройстве измерения 13, выполненном, например, на основе микро- ЭВМ.

Пример 2. Контроль тонких изделий на основе вихретокового способа, когда их толщина меньше глубины проникновения поля.

В этом случае с достаточной точностью можно записать А , где Д - толщина контролируемого изделия, например листа, так как Д меньше глубины проникновения электромагнитного поля д .

Для этого случая равенство (21) принимает вид

е Г es

Откуда

(U0(U3bcu LfUe(Ur,V

60 fu ,3

fU, -(K-,UKRS1 .aJ

(25)

ALMk-iHkjUonj bcOiRs

(26)

Здесь R определяется формулой (24). Расчет fiz по формуле (26) не вызывает затруднений.

Пример 3. Контроль магнитной проницаемости вихретоковым частотно-балансным способом (3).

Условием баланса, положенного в основу способа, является равенство при опреде- ленной частоте тока возбуждения магнитного сопротивления Ямз контролируемого материала под полюсами средней П-образной части 3, магнитному сопротивлению воздушной среды под полюсами П- образной средней части 3, т.е.

RM3 Re .(27)

0

|uJbcl(enA)

Откуда для получают

{(и 0 у (Сп А)2 1 ,г

и-Ьг-- Ым(п

(28)

где f - частота баланса.

Значение по формуле (28) легко рассчитывается, так как значение частоты f известно.

5 Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я

Электромагнитный преобразователь для контроля электромагнитных и физи- ко-механических параметров ферромагнитных материалов, содержащий

0 П-образный магнитопровод, выполненный из трех параллельных частей, возбуждающие обмотки и измерительные обмотки, намотанные на каждой части магнитопровода, отличающийся

5 тем, что, с целью повышения точности измерения за счет увеличения однородности рабочего магнитного потока, ширина Ьс полюсов средней части в направлении, перпендикулярном к пло0 скостям П-образных частей, определяется соотношением:,

112

L ,,.,

К 1- - « «.,.„

где а - ширина полюсов средней части и 5 крайних частей в плоскости П-образных частей;

bk ширина полюсов крайних частей в направлении, перпендикулярном к плоскостям П-образных 0 частей;

I - расстояние между полюсами, а число Wc витков возбуждающей обмотки на средней части и число Wk витков возбуждающих обмоток на крайних частях связаны

5

соотношением гтг1 Wc „о

WK be