Устройство для магнитной стуктуроскопии Советский патент 1993 года по МПК G01N27/80 

скольких последовательных полуциклах квазистатического перемагничивания и прямой цифровой индикации значения контролируемого параметра, что реализуется специальной электронной схемой. Схема результатов накапливается в десятичном счетчике. Использование первого десятичного счетчика в режиме деления частоты эквивалентно отбрасыванию последних значащих цифр в этой сумме, т. е. производится усреднение результатов измерений по отдельным полуциклам перемагничивания. 1 з. п, ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к дефектоскопии и может быть использовано в металлургии и машиностроении для неразрушающего контроля физико-механических свойств ферромагнитных материалов и сплавов по результату измерения их динамической коэрцитивной силы. Целью изобретения является повышение точности контроля. Это достигается путем автоматического усреднения результатов измерений динамической коэрцитивной силы в не

Изобретение относится к средствам неразрушающего контроля физико-механических параметров изделий и может быть использовано в машиностроении и металлургии.

Известно устройство для магнитной структуроскопии, содержащее электромагнитный преобразователь с возбуждающей и измерительной обмотками и опорным резистором, включённым последовательно с выходом генератора и обмоткой возбуждения, генератор стробирующих импульсов, ключевую схему, управляющий вход которой подключен к выходу генератора стробирую- щих импульсов, пиковый детектор, вход которого подключен к выходу ключевой схемы, и регистрирующий прибор, подключенный к выходу пикового детектора, причем . устройствоснабжено дифференцирующим элементом, П-образ- ным ферромагнитным сердечником из маг- нитомягкого материала и формирователем импульсов, который выполнен из ксгмпара- тора, триггера, выпрямителя, ограничителя и порогового детектора, причем выпрямитель , ограничитель и пороговый детектор соединены последовательно, вход выпрямителя соединен с выходом дифференцирующего элемента, выход порогового детектора подключен к установочному входу триггера, вход компаратора соединен с резистором, выход компаратора подключен к счетному входу триггера, выход триггера соединен с входом генератора стробирую- щих импульсов, вход дифференцирующего элемента соединен с измерительной обмоткой, а намагничивающая и измерительная обмотки размещены на П-образном ферромагнитном сердечнике из магнитомягкого материала.

Известно более простое и точное устройство для магнитной структуроскопии, содержащее электромагнитный преобразователь с возбуждающей и измерительной обмотками и опорным резистором, включенным последовательно с выходом генератора и обмоткой возбуждения, интегратор,

вход которого соединен с измерительной

обмоткой, а выход через компаратор соединен с первым входом блока выборки-хранения, второй вход которого соединен с опорным резистором, а выход - с резистором.

Недостатком известного устройства является низкая точность контроля, обусловленнаяизмерением свойств предварительно намагниченного контролируемого изделия в одном полуцикле перемагничивания. При этом точность (воспроизводимость и вариация результатов измерений) определяются стабильностью режима предварительного намагничивания. В прототипе (авт. св. № 1527562) эти обстоятельства - где и как предварительно намагничивают контролируемое изделие - вообще не отражены. По- грешность от вариации величины напряженности намагничивающего поля минимальна лишь в том случае, если обеспечивается намагничивание изделия до насыщения, что для многих конструкционных материалов (например, для закаленных сталей мартенситного класса) осуществить практически достаточно трудно. Поэтому в большинстве случаев результат измерения

зависит от режима предварительного намагничивания, т. е. от того, по какому из частных циклов осуществляется размагничивание. Следует также отметить, что однократное измерение на одном полуцикле

перемагничивания не учитывает случайного

характера величины коэрцитивной силы, обусловленного динамикой перестройки доменной структуры, отличающегося от пол- уцйкла к полуциклу при последовательном

многократном перемагнкчивании вследствие случайного характера распределения скачков доменных границ по величине напряженности перемагничивающего поля. Кроме того, на результат такого однократного измерения оказывают влияния и помехи в виде внешних магнитных полей, подмагпочивающих контролируемое изделие и до иг чала измерений, и в момент срабатывания компаратора, и случайные перекосы кснтролируемого изделия/и другие случайные мешающие факторы и помехи.

Дополнительным источником погрешности контроля является отсутствие прямой цифровой индикации величины контролируемого физико-математического параметра, тЈ к как в условиях промышленного исполь- зсвания устройства оператору-контролеру необходимо либо вручную переводить полученный результат измерения в соответ- ствующую величину контролируемого пара- м этра .по градуировочной кривой или Те блице, либо вести контроль по альтерна- п вномупринципу соответствует-несоответствует на предварительно отградуированном (опять же вручную с большой субъективной погрешностью) устройстве.

Цель изобретения - повышение точно- с и контроля за счет автоматического усред- нзния результатов измерений динамической коэрцитивной силы в не- ct ольких последовательных полуциклах пе- р гмагничивания с последующим округлением результата и прямой цифровой и 1дикации контролируемого параметра.

Эта цель достигается тем, что устройство для магнитной структуроскопии, содержащее последовательно соединенные источник перемагничивающего тока и электромагнитный преобразователь с возбуж- дшщей и измерительной обмотками, опорный резистор, одним выводом соединенный с возбуждающей обмоткой, последовательно соединенные интегратор, входом соединенный с измерительной об- мэткой, и первый компаратор, а также регистрирующий узел, снабжено первым фррмирователем импульсов, входом соединённым с выходом первого компаратора, последовательно соединенными вторым компаратором, первый вход которого соединен с выходом интегратора, вторым фор- м ирователем импульсов, первой дзухвходовой схемой И, второй вход которой соединен с выходом первого формиро- вэтеля импульсов, триггером, второй, третьей и четвертой двухвходовыми схема- м|и И, первым двоичным счетчиком, десятичным счетчиком и дешифратором, выход которого соединен с входом регистрирующего узла, последовательно соединенными третьим компаратором, третьим формиро- в телем импульсов, пятой двухвходовой схемой И, выход которой соединен с вторым входом триггера, и одновибратором, выход которого соединен с вторым входом второй

двухвходовой схемы И, последовательно соединенными четвертым компаратором и четвертым формирователем импульсов, выход которого соединен с вторым входом пятой двухвходовойсхемы И, последовательно соединенными пятым формирователем импульсов и вторым двоичным счетчиком, выход которого соединен со своим вторым входом и вторым входом

четвертой двухвходовой схемы И, и регулируемым по частоте генератором, выход которого соединен с вторым входом третьей двухвходовой схемы И, точка соединения возбуждающей обмотки и опорного резистора соединена с инвертирующим входом третьего компаратора, прямым входом четвертого компаратора и входом пятого формирователя импульсов, вторые входы всех компараторов являются.опорными, первый

вход первого компаратора - инвертирующим, а входы Сброс всех счетчиков соединены с входом подачи импульса начала цикла измерения.

При этом частота fr регулируемого по

частоте генератора и длительность то импульсов одновибратора выбраны из соотношений

T-n.Hk2 Hk1

То

T02 - Toi Hk2 Тот - Hk1 TQ2 Hk2 Hkl

где Нм, Нк2 - наименьшее и наибольшее

значения контролируемого параметра соответственно;

TOL То2 - временной сдвиг между точками перехода через ноль напряженности перемагничивающего поля и индукции для

изделий с наименьшим и наибольшим значениями контролируемого параметра соответственно;

m, n -числа разрядов первого и второго двоичных счетчиков соответственно.

на фиг. 1 приведена блок-схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - эпюры напряжений в различных точках схемы.

Устройство для магнитной структуроскопии содержит последовательно соединенные источник 1 перемагничивающего тока и электромагнитный преобразователь 2 с возбуждающей 3 и измерительной 4 обмотками, опорный резистор 5, одним выводом соединенный с возбуждающей

обмоткой 3, последовательно соединенные интегратор 6, входом соединенный с измерительной обмоткой 4, и первый компаратор 7, а также регистрирующий узел 8. Устройство снабжено первым формирователем импульсов 9, входом соединенным с выходом первого компаратора, последовательно соединенными вторым компаратором 10, первый вход которого соединен с выходом интегратора 6, вторым формирователем импульсов 11. первой двухвходовой схемой И 12, второй вход которой соединен с выходом формирователя импульсов 9, триггером 13, второй 14. третий 15 и четвертой 16 двухвходовыми схемами И, первым двоичным счетчиком 17, десятичным счетчиком 18 и дешифратором 19, выход которого соединен с входом регистрирующего узла 8, последовательно соединенными третьим компаратором 20, третьим формирователем импульсов 21, пятой двухвходовой схемой И 22, выход которой соединен с вторым входом триггера 13, и одновибратором 23, выход которого соединен с вторым входом двухвходовой схемы И 14, последовательно соединенными четвертым компаратором 24 и четвертым формирователем импульсов 25, выход которого соединен с вторым входом пятой двухвходовой схемы И 22, последовательно соединенными пятым формирователем импульсов 26 и вторым двоичным счетчиком 27, выход которого соединен со своим вторым входом и вторым входом четвертой двухвходовой схемы И 16, и регулируемым по частоте генератором 28, выход которого соединен с вторым входом третьей двухвходовой схемы И 15. Точка соединения возбуждающей обмотки 8 и опорного резистора 5 соединена с инвертирующим входом третьего компаратора 20, прямым входом четвертого компаратора 24 и входом пятого формирователя импульсов 26. Вторые входы всех компараторов 7, 10, 20 и 24 являются опорными, первый вход первого компаратора 7 -.инвертирующим, а входы Сброс всех счетчиков 17, 18 и 28 соединены с входом подачи импульса начала цикла измерения.

Устройство работает следующим образом..

Генератор 1 создает переменный синусоидальный ток в обмотке возбуждения 3 электромагнитного преобразователя 2, магнитное поле которого циклически перёмаг- ничивает контролируемое изделие по предельной петле гистерезиса. При этом напряжение на опорном резисторе 5 (фиг. 2,а) синфазно с магнитным полем, перемагничи- вающим контролируемое изделие. Это напряжение поступает на инвертирующий вход третьего компаратора 20 и на неинвертирующий вход четвертого компаратора 24, а на опорные входы обоих компараторов 20 и 24 подаются опорные напряжения искусственного нуля. При этом выходные напряжения компараторов 20 и 24 имеют вид дву- полярных прямоугольных импульсов (фиг. 2,6 и в соответственно), моменты переключения которых соответствуют во времени

моментам перехода через ноль напряжения на резисторе 5 (фиг. Т.а). Далее эти импульсы поступают на входы третьего 21 и четвертого 25 формирователей импульсов, выходные напряжения которых имеют вид

0 однополярных коротких отрицательных импульсов (фиг. 2,г и д соответственно), отрицательные передние фронты которых соответствуют во времени отрицательным фронтам входных прямоугольных импуль5 сов. Эти импульсы поступают на входы пятой двухвходовой схемы И 22, выходное напряжение которой имеет вид коротких прямоугольных однополярных импульсов (фиг, 2,е), следующих с удвоенной частотой

0 перемагничивания, .передние отрицательные фронты которых соответствуют во времени моментам перехода через ноль напряженности перемагничивающего поля (фиг. 2,а).

5 При перемагничивании контролируемого изделия по предельной петле гистерезиса в измерительной обмотке 4 наводится ЭДС, имеющая форму колоколообразных импульсов (фиг. 2,ж). Это напряжение про0 порционально производной от индукции магнитного потока в контролируемом изделии по времени. Эта ЭДС поступает на вход интегратора 6. который осуществляет интегрирование входного напряжения по време5 ни. Выходное напряжение интегратора, пропорциональное магнитной индукции в контролируемом изделии, имеет вид сглаженной синусоиды (фиг. 2,а). При этом моменты перехода этого напряжения через

0 ноль соответствуют достижению напряженностью перемагничивающего поля значения, равного динамической коэрцитивной силе материала контролируемого изделия. Выходное напряжение интегратора б

5 поступает на инвертирующий вход первого компаратора 7 и на неинвертирующий вход второго компаратора 10, а на опорные входы обоих компараторов 7 и 10 подаются опорные напряжения искусственного ну0 ля. При этом выходные напряжения компараторов 7 и 10 имеют вид двуполярных прямоугольных импульсов (фиг. 2,и и к соответственно), моменты переключения которых соответствуют во времени моментам

5 перехода через ноль напряжения на выходе интегратора 6. т. е. моментам достижения перемагничиваюЩим полем значения коэрцитивной силы.

Далее эти импульсь поступают на вхо- ды первого 9 и второго 11 формирователей

имп/льсов, выходные напряжения которых име от вид однополярных коротких отрицательных импульсов (фиг. 2,л и м соответственно), отрицательные передние фронты коте рых соответствуют во времени отрицатель ным фронтам входных прямоугольных имп /льсов. Эти импульсы поступают на входы г ервой двухвходовой схемы И 12, выход- ное напряжение которой имеет вид коротких прямоугольных однополярных отрицательных импульсов (фиг. 2,н), следующих с удвоенной частотой пер гмагничивания, передние отрицательные фронты которых соответствуют во времени моментам перехода через ноль магнитной индукции в контролируемом изделии. При этом временной сдвиг этих им- пул( сов (фиг. 2,н) относительно импульсов на выходе пятой двухвходовой схемы И 22 (фиг. 2,е) пропорционален коэрцитивной силе материала контролируемого изделия, по- скотьку зависимость индукции от нал эяженности перемагничивающего поля вблизи перехода индукции через ноль (на спинке петли гистерезиса) близка к линейной,

Выходные импульсы первой 12 и пятой 22 схем И поступают на входы триггера 13, длительность Т0 выходных импульсов (фиг. 2,о) которого равна временному сдвигу им- пул1 сов на его входах, т. е. пропорциональна коэрцитивной силе контролируемого изделия.

Одновременно выходные импульсы схемы (фиг. 2,е) поступают на вход одновиб- ратэра 23, длительность То выходных импульсов (фиг. 2,п) которого.регулируется регулятором калибровка 1 при калибровке устройства по стандартным образцам. .

Далее выходные импульсы триггера 13 и одновибратора 23 поступают на входы втор ой двухвходовой схемы И 14, выходные импульсы которой (фиг. 2,р) длительностью Ти умеют передний фронт, смещаемый во времени при | алибровке устройства, и за- дни фронт, смещающийся во времени при изменении коэрцитивной силы контролируемого изделия. Эти измерительные импульсы поступают на первый вход третьей двухвходовой схемы И 15, на второй вход которой поступают прямоугольные импульсы (фиг. 2,е) с выхода генератора 28, регули- pyetforb по частоте вручную регулятором калибровка 2 при калибровке устройства по стандартным образцам. На выходе схемы И 15 при этом действуют пачки прямо- угоНьных импульсов (фиг. 2,т), причем количество импульсов в каждой пачке пропорционально длительности импульсов Ти

на выходе второй двухвходовой схемы И 14, т. е. коэрцитивной силе контролируемого изделия для каждого полуцикла перемагнй- чивания.

Напряжение на опорном резисторе 5, синфазное с перемагничивающим полем, поступает также на вход пятого формирователя импульсов 26, выходное напряжение которого имеет вид прямоугольных импуль0 сов, синфазных с входным напряжением (не показано). Это напряжение поступает на счетный вход второго двоичного счетчика 27 (на IK-триггерах), имеющего п разрядов. При поступлении импульса измерение на вхо5 ды сброса R всех разрядов счетчика 27 напряжение на выходе последнего разряда, подаваемое на К-вход первого разряда, изменяется от 0 до 1 и счетчик начинает работать. После поступления на вход счетчика (п

0 - 1) импульсов счетчик заполняется, напряжение на его выходе и К-входе первого разряда становится равным нулю и счетчик останавливается. При этом на его выходе формируется прямоугольный импульс (фиг.

5 2,у), подаваемый на вход четвертой двухвходовой схемы И 16, на выходе которой при этом действует последовательность пачек прямоугольных импульсов (фиг. 2,ф). Общее количество импульсов, в последовательно0 сти зависит от емкости счетчика 27, частоты генератора 28, настройки одновибратора 23 и коэрцитивной силы контролируемого изделия. :

Эта последовательность импульсов че5 рез первый двоичный счетчик 17 с числом разрядов т, работающий в режиме деления частоты, и через десятичный счетчик 18 с дешифратором 19 поступает на регистрирующий узел (цифровое индикаторное табло)

0 8, где индицируется результат измерения, значение которого определяется настройкой прибора регуляторами калибровка 1 и калибровка 2 и величиной динамической коэрцитивной силы контролируемого изде5 лия, зависящей от структурного состояния

ферромагнитного материала контролируемого изделия. - „.,-,,-..,, .................

При поступлении импульса Измерение осуществляется сброс результата из- 0 мерения на табло 8 при сбросе счетчика 18, сброс счетчика 17, триггеров и новый запуск счетчика 27 и начинается процесс формирования нового результата измерения, заканчивающийся при заполнении и остановке 5 счетчика 27.

При осуществлении линейной взаимосвязи контролируемого параметра Hki конт- . ролируемого изделия, например твердости, и динамической коэрцитивной силы НС|, т. е. при Hki KHci (К - постоянный коэффициент), можно определить условия для осуществления прямой цифровой индикации контролируемого параметра Hki..

Число импульсов mi в каждой пачке из последовательности, подаваемой на вход первого двоичного счетчика 17 (фиг. 2,ф), можно определить как

mi fr (Toi - TO),

(1)

где fr - частота второго генератора, Гц;

Toi - длительность импульсов на выходе триггера, с;

TO-длительность импульсов на выходе одновибратора, с.

Число пачек в последовательности импульсов (фиг. 2,ф) зависит от длительности импульса на выходе второго двоичного счетчика (на IK-триггерах) и определяется его емкостью. С учетом обратной связи в счет- чикё его емкость равна 2 , где п-число его разрядов, При этом счетчик за один цикл контроля работает до тех пор, пока число импульсов на его входе не достигнет значения . С учетом работы измерительной схемы на удвоенной частоте перемагничи- вания (частота следования пачек импульсов фиг. 2,ф вдвое больше частоты перемагни- чивания фиг. 2,а), общее число пачек импульсов равно -2 2. Тогда общее число импульсов Ni1 в последовательности

Ni1 fr(T0i-To) 2.

(2)

Поскольку первый двоичный счетчик 17, имеющий m разрядов, работает в режиме деления частоты, общее число импульсов, подаваемых на десятичный счетчик 18 за цикл измерения, равно , ...... .

N| fr(To.-Jo)-2n

fr(T0i-r0) 2n m (3)

Для осуществления прямой цифровой индикации величины контролируемого параметра число NI должно быть равно численному значению этого контролируемого параметра Hki. Условия для этого определи- ют, решая систему уравнений

Hki fr(Toi-r0) 2n m

Hk2 fr(To2-To) 2n m,

(4)

Формула изобретения 1. Устройство для магнитной структуро- скопии, содержащее последовательно соединенные источник перемагничивающего

описывающих процесс контроля двух изделий с контролируемыми параметрами Ни и , причем Hk2 Hki.

Решая систему уравнений (4) относительно частоты второго генератора fr и длительности импульса одновибратора То, находим условия для осуществления прямой цифровой индикации контролируемого параметра Hki

Hk2 Hk1 1 То2 Toi 2n

2m-n Hk2 - Hki . To2 - Toi

ro

Hk2 Тр1 - Hk1 T02 Hk2 - Hki

(5)

0 5 0

5 0

5

0

где Hki, Hk2 - значения контролируемого параметра;

Toi, To2 - временной сдвиг момента перехода через ноль индукции относительно напряженности поля для изделий с параметрами Hki и Hk2 соответственно;

m, n -числа разрядов первого и второго двоичных счетчиков соответственно.

Изменяя параметры Т0 и fr регуляторами калибровка 1 и калибровка 2 соответственно при калибровке устройства по стандартным образцам контролируемых изделий с известными значениями НК1 и НК2, можно реализовать режим прямой цифровой индикации контролируемого параметра.

Следует особо подчеркнуть, что в предложенном устройстве за один цикл измерения осуществляется несколько измерений динамической коэрцитивной силы в 2П по- следовательных полуциклах перемагничи- вания и сумма результатов накапливается в десятичном счетчике 18. При этом использование первого двоичного счетчика 17 в режиме деления частоты эквивалентно отбрасыванию последних значащих цифр в этой сумме, т. е. производится усреднение результатов измерений по отдельным полуциклам перемагничивания.

Такой прием позволяет повысить точность контроля свойств контролируемого изделия по сравнению с известными устройствами, работающими в одноцикловом режиме, а также подавить действие случайных помех, которые в пределах одного полуцикла приводят к существенным погрешностям измерения.

тока и электромагнитный преобразователь с возбуждающей и измерительной обмотками, опорный резистор, одним выводом соединенный с возбуждающей обмоткой,

последовательно соединенные интегратор, входом соединенный с измерительной обмоткой, и перпый компаратор, и регистриру- юофй узел, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с цел(эЮ повышения точности контроля, оно снабжено первым формирователем импульсов, входом соединенными с выходом пер- вогЬ компаратора, последовательно соединенными вторым компаратором, первый вход которого соединен с выходом ин- тег затора, вторым формирователем импульсов, первой двухвходовой схемой И, второй вход которой соединен с выходом перзого формирователя импульсов, триггером, второй, третьей и четвертой двухвходо- выми схемами И, первым двоичным счетчиком; десятичным счетчиком и дешифратором, выход которого соединен с входом регистрирующего узла, последовательно соединенными третьим компаратором, тре ъим формирователем импульсов, пятой двухвходовой схемой И, выход которой соединен с вторым входом триггера, и одновиб- ратором, выход которого соединен с вторым входом второй двухвходовой схемы И, последовательно соединенными четвертым компаратором и четвертым формирователем импульсов, выход которого соединен с вторым входом пятой двухвходовой схемы И, последовательно соединенными пятым формирователем импульсов и вторым дво- ,IM счетчиком, выход которого соединен воим вторым входом и вторым входом

ичн

СО (

чет руе тор

ертой двухвходовой схемы И, и регули- лым по частоте генератором, выход ко- эго соединен с вторым входом третьей

двухвходовой схемы И, точка соединения возбуждающей обмотки и опорного резистора соединена с инвертирующим входом третьего компаратора, прямым входом четвертого компаратора и входом пятого формирователя импульсов, вторые входы всех компараторов являются опорными, первый вход первого компаратора инвертирующий, а входы Сброс всех счетчиков соединены с входом подачи импульса начала цикла измерения.

fr 2

m-n

Hk2 Hk1

Tfj2 - ТОТ

I TO Hk2 T01 - Hk1 T02

Hk2 - HH

где HK1, Нк2 - наименьшее и наибольшее значения контролируемого параметра соответственно;

TOI. To2 - временной сдвиг между точками перехода через ноль напряженности пе- ремагничивающего поля и индукции для изделий с наименьшим и наибольшим зна- чениями контролируемого параметра соот- ветственно;

m, n - числа разрядов первого и второго двоичных счетчиков соответственно.