Электромагнитный преобразователь для неразрушающего контроля Советский патент 1993 года по МПК G01N27/90 

| Изобретение относится к неразрушающему контролю и может быть ис- прльзованодля измерения

электромагнитных и физико-механических параметров ферромагнитных материалов объектов.

Цель изобретения повышение точности измерения преобразователем.

Это достигается тем, что преобразователь содержит два дополнительных П-об- разных магнитопропода, имеющих скосы на наружных боковых поверхностях, а также тем, что все магнитопроводы преобразователя разделены электропроводящими сетчатыми экранами, их полюса охвачены тангенциальными обмотками возбуждения, полюса средних магнитопроводов охвачены тангенциальными измерительными обмог- кзми, входы обмоток возбуждения через коммутатор соединены с источником переменного тока, а выходы измерительных обмоток через второй коммутатор подключены к блоку измерения,

На фиг, 1 показана схема распределения MHJ п.ггного потока в контролируемом материале; на фиг. 2 - конструкция электромагнитного преобразователя; на фиг, 3 - конструкция .;р ;днего магнитопрооода преобразователя: и-; фиг. 4-электрическая схема соединен ия обмоток возбуждения и измерительных; на фиг. 5- конструкция тан- гонцизльной петлеобразной обмотки; на Фиг. G - характер распределения магнитного потока г,о поверхности контролируемого ,-/ 1териалп; на фиг. 7 - схема взанмодейст- УГНОГО потока тангенциальной об- i6y:-;. uiuiH с материалом. IT, 1 фИЕеден экспериментальный распределения магнитных сило- . между полюсами среднего П-об- M;J гнитопроводадля 1;ит;-(1,1х преобразователей, со- p ;:,:: |;их три параллельно расположенных, (ТГм;ровода.

/;з фиг. 1 следует, что часть магнитных силовых линий (область 1) замыкается по внутреннему объему ма гнитопровода, ад ругал часть - по внешнему объему части мзг- нитспрооодч (область 2), причем эта часть магнитного потока проходит и через уча;.тки материала, расположенные не между полюсами. Поэтому выходные напряжения, снимаемые с измерительной обмотки, размещенной на среднем магнитопроводе, не могут быть и достаточной точностью получены с использованием известных формул, так как они получены с учетом только магнитного сопротивления контролируемого материала, находящегося между полюсами среднего магнитопровода.

Электромагнитный преобразователь для контроля электромагнитных и физико- механических параметров (фиг. 2)-содержит пять магнитоп-роводов Mj. Wfe, Мз. M/i. MS П-образкой формы, расположенных параллельно относительно друг друга. Каждый из

0

5

0

5

магнитопроводов состоит соответственно из внутренней и внешней П-образных частей 5,10; 4,9;3,8; 2.7; 1,6. На всех магни- топроводах размещена общая обмотка возбуждения 11, подключенная через коммутатор 17 к источнику 18 переменного тока, на внутренней П-образной части 3 размещена концентрическая измерительная обмотка 13, охватывающая ярмо внутренней П-образной части 3, например, через паз 22.

Выход измерительной обмотки 13 через коммутатор 19 подключен к устройству обработки выходных сигналов 20.

Все П-образные части 1-5 и 6-10 магни- топроводов M-М по поверхностям соприкосновения отделены по всей длине друг от друга сетчатым экраном 11.

Полюса дополнительных магнитопрово- дов М и М с наружных сторон имеют скосы, высота которых определяется соотношением hc S 0,11м, где Im - средняя длина магни- топровода, he - высота скоса, а угол а между поверхностью скоса и плоскостью П-образных частей определяется из соотношения

a arctg( In

+ TF

у

0)

5

0

5

0

5

где а - ширина полюса внутренних П-образных частей с плоскости П-образных частей, I - расстояние между полюсами магнито- проводов.

На полюсах П-образных магнитопрово- доп, размещены общие тангенциальные обмотки возбуждения 12 и измерительная 14, выполненная каждая из двух последовательно-согласно включенных секций фиг. 5. Каждая секция обмоток возбуждения 12 и измерительной 14 размещены на диэлектрических шайбах 15, 16, имеющих отверстия, в которые вставляются полюса общего машитопровода М-М.

В каждой шайбе в вертикальном направлении выполнены разрезы, через которые уложено по секции обмоток 12 и 14. Выходы тангенциальной 12 и концентрической 11 обмоток возбуждения подключены к входам коммутатора 17, выход которого соединен с входом источника 18 переменного тока, а выходы тангенциальной 14 и концентрической измерительной обмотки 13 подключены к входам второго коммутатора 19, выходом соединенного с входом устройства обработки выходных сигналов 20, вход i коммутаторов 17, 19 и источника переменного тока 18 подключены к шине управления устройства обработки выходных 1гналов 20. Материал мзгнитопроводов IV i-Ms может быть выбран с электромагнит- 1ми параметрами, близкими к параметрам нтролируемого материала, что позволяет «спечить примерно одинаковую напря- жзнность магнитного поля в материале мэгн

лтопровода

и

в материале 10

контролируемого объекта, при которой нальная проницаемость /г const и принять м )гнитную систему преобразователь - материал линейной.

Перед использованием преобразова- тель настраивается. Подключают тангенци-

ьную обмотку возбуждения 12 через к( ммутатор 17 к источнику переменного то- к 18 и устанавливают рабочую частоту f 30-40 Гц, измерительную тангенциаль-

ю обмотку 14 подключают через коммута- T(J р 19 к блоку обработки выходных сигналов 20. Устанавливают преобразователь на образец, выполненный из контрофуемого материала 23, и имитируют

менения воздушного зазора под полюса- 1 магнитопроводов Mi-Ms диэлектриче- ими прокладками различной толщины.

Снимают зависимость выходного напряжея Увых- р (А) с обмотки 14 для различных значений толщины прокладок.

С учетом ожидаемого изменения зазора полюсами магнитопроводов и повер- хюстью материала, покрытого или непокрытого защитными покрытиями, выбирают эталонное значение напряжения Ui-ы с выхода обмотки 14, соответствующее магнитному потоку . которое фиксируется и одновременно фиксируется величина тока In э 1 в обмотке возбуждения 12. Отключают обмотку возбуждения 12 коммутатором 17 от источника 18 и измерительную 14 коммутатором 19 от блока 20 и подключают к исто мику 17 обмотку возбуждения 11, а к блоку 20 - измерительную 13. Затем в ос- новной обмотке возбуждения 11, например, переменным резистором (входит в состав 18) устанавливается значение тока возбуждения In при котором обеспечивается напряженность магнитного поля в образ- це, не превышающая значений, при которых начальная магнитная проницае- мрсть / H const. Значение тока ад устанав- ли зается до ближайшего значения тока .112э1 т.е. li4 K/vli23i где, например, ,2,3,...,п.

Принятое значение коэффициента К реализуется блоком масштабирования (усиле- ни|э, ослабление), входящего в состав блока 18, возникающий поток Фзэ, в цепи П-об5

10

15

20

5

0

0

5 5 0 5

разной части 3 принимается в качестве эталонного. В результате при использовании преобразователя, когда имеет место отклонение зазоров под полюсами от эталонного значения, сигнал изменится, например, до значения 1)14э2 изменением тока Н2э1. например, до значения 112э2, восстанавливается сигнал т.е. петлеобразная обмотка 12 (обе секции) создают в полюсах потоки Ф|2эНФиг- 5), эквивалентные потокам притоке Ii2si, поскольку коэффициент масштабирования К постоянен, то основной обмоткой возбуждения 11 будет сформирован снова потока , как и при эталонном зазоре. Сигнал Ui4 зависит от свойств материала 23 под полюсами магнитопроводов M-j-Ms, поэтому возможные их значения изменения также будут скомпенсированы при установлении сигнала 1)14э1.

Процесс настройки аналогичен и при выборе другой частоты тока возбуждения, например, f2 40-50 Гц, в этом случае выбирается значение 1)14э2, коэффициент масштабирования К и ток возбуждения И2э2 из условий, рассмотренных выше.

В работе преобразователь устанавливается на поверхность контролируемого материала 23, устройство управления, входящее в состав блока обработки 20 выдает команду на коммутатор 17 и в тангенциальные петлеобразные обмотки возбуждения 12 подается ток с частотой, например f4, одновременно напряжение Ui4 с выхода петлеобразных обмоток 14 по команде с устройства управления блока 20 посредством коммутатора 19 поступает в блок 20 обработки выходного сигнала, где сравнивается с принятым эталонным значением напряжения Ui43i (установленным при настройке преобразователя), при отличии Ui4 от эталонного значения 1Н4э1 устройство управления блока обработки 20 воздействует на блок 18 источник переменного тока, например изменяет величину сопротивления переменного резистора в цепи тангенциальных обмоток возбуждения 12, пока не выполнится равенство Ui4 Ui43l, тем самым будет скомпенсировано созмож- ное изменение зазоров под полюсами относительно эталонного значения Д, а также возможное суммарное изменение электромагнитных свойств под полюсами магнитопроводов .

В момент выполнения равенства устройство управления блока 20 подает команду на коммутатор 19 и подключает к источнику переменного тока 18 основную обмотку возбуждения 11, а коммутатором 17 подключает основную измерительную обмотку i i к входу блока обработки 20, где на основе расчетных соотно- шений одновременно рассчитывается магнитная проницаемость, электропроводность, толщина диэлектрического покрытия или только один из указанных параметров, которые воспроизводятся на устройстве отображения информации, входящим в состав блока 20.

В разработанной конструкции преобразователя для сведения к минимуму воздействия потоков Фт - Фю(фиг. 6) друг на друга посредством П-образных внутренних частей А.2 формируются корректирующие потоки Фз - Ф2 с таким же направлением магнитных силовых линий, как и основной измерительный поток Фз. Для уменьшения взаимного влияния потоков Фз, Фг, Фц П- обрззные части разделены проводящим сетчатым экраном 21, например из металлизированной ткани.

Металлизированная ткань представляет собой множество короткозамкнутых областей для полей рассеяния,, поэтому такой экран эффективен и в области низких частот. На потоки, проходящие в П-образных частях, экран влияния не скажет, так как он не охватывает сечения этих частей.

Для стабилизации характера распределения в материале корректирующих пото- кои :Ф2, Ф использованы внутренние П-образные части 1. 5, б, 10, локализующие потоками Фт. , Фб. Ф потоки ф и ФА. Чтобы взаимодействие между потоками Фз и Ф/i. а также между Фт и Фл было минимально, их величина выбирается примерно равной, что достигается выполнением скосов высотой he с внешней .стороны полюсов П-образных частей 1, 6, 5, 10, а площадь поперечного сечения частей 1,6,5, 10 кроме участка скоса выбирается равной площади сечения частей 4,9,3,8,2,7. В этом случае магнитным сопротивлением.трапецеидальных участков Р, образованных скосами, можно пренебречь по сравнению с магнитным сопротивлением Р остальных участков П-образных частей 1, 6, 5, 10, т.е. RT « RM или

hc. IM - hc

/ 0/ масЬс где hc - высота скосов, образующих трапецеидальные полюса: 1М - длина П-образных частей; а, б - средняя площадь поперечного сечения П-образных частей, кроме участков со скосом; - магнитная проницаемость материала П-образных частей; ft0 проницаемость вакуума; ас, be - средняя площадь поперечного сечение участков П-образных частей со скосом.

(2)

Приняв, что среднее значение ас bc «ab, получим пт«1м-пс или 2г1С«1м. Например, для среднего значения hc 4 мм и 1М 80 мм. значение hc меньше 1М на порядок, т.е.

hc 0,11м, следовательно можно считать, что магнитное сопротивление П-образных частей 5, 1, 6, 10 будет равно магнитному сопротивлению 2, 3, 4, 7, 8, 9 П-образных частей, а для того, чтобы потоки

0 ФоФ4 и Фа Ф были равны, в материале должны быть равны и магнитные сопротивления участков материала, через которые они проходят, что может быть обеспечено при значении ширины Ьк полюсов П-образ5 ныхчастейб, 1, 6,10 в направлении, перпендикулярном плоскости П-образных частей, получаемой из условия равенства магнит ных сопротивлений материала только между полюсами внутренних П-образных частей

0 5,1 Рм5,4 и между полюсами внутренних П- образных частей 4,2 т.е.

(3)

С учетом приведенного в 2 соотношения I +2а

5

Ьс ЬК + I +2а

л

In

+

1-i-

I +2a

1

(4)

Значение угла а между поверхностью скоса и плоскостью П-образных частей согласно фиг, 2 определится из соотношения

а-4ЈИп

35

-±Э + Л

„Г+2а.

г -i- .

I +2а

I

- 1

Откуда

а arctg (+ 2а

In

I +2 а

+ vCT + 2 а

г-i-

I +2 а

1

-)

(5)

0

5

Фиг, 7 поясняет принцип действия тангенциальной обмотки возбуждения 12. Проходящий по ней ток 1В по всему периметру полюсов П-образных частей 1-10 формируют магнитные потоки Фп и ФпЛ Поток Фп сцеплен только с материалом П-образных частей, а Фп Ди с контролируемым материалом 23 и проходит через воздушный зазор Л. При изменении зазоров или электромагнитных свойств контролируемого материала в области полюсов магнитопроводов M-М изменятся потоки Фп Д , изменяется и суммарное напряжение с тангенциальной измерительной обмотки

14, Поток ФР. позволяет локализовать поток Фп Д непосредственно в области перехода: полюса мэгнитопроводов IVU-Ms материал 23.

Пример использования преобразователя для измерения магнитной проницаемости сплошных материалов.

Общие допущения: величина тока возбуждения постоянная; частота намагничивающего тока f 30-40 Гц, в этом случае естественным изменением электропроводности можно пренебречь.

Значение магнитной проницаемости материала магнитопроводаи контролируемого материала /л соответствует начальному участку кривой намагничивания, т.е. /гм const, и примерно равны.

Полями рассеяния между П-образными частями пренебрегаем (обмотка возбуждения 11 размещена по всей длине магнитопроводов Mi-Ms).

Примем, что магнитный поток Ф формируется сосредоточенной фиктивной обмоткой возбуждения . (позволяющей формировать поток, равный потоку Ф , формируемому обмоткой возбуждения);

С учетом физической модели преобразователя (фиг. 1) объем контролируемого материала Л/к(1+2а)Ьс$ , где д , - глубина проникновения электромагнитного поля; l+2a - длина намагниченного участка материала, be - ширина средней части в направлении, перпендикулярном плоскости П-образных частей, значение

5. vCZZ

(Ufio fiK ук

где ft круговая частота,

О) 2 -Л f, ц0 - проницаемость вакуу- ма/«к; Ук - магнитная проницаемость и электропроводность материала.

Напряжение с выхода измерительной обмотки 13 может быть рассчитано по известному соотношению

1

Ui34,44fWMWBlB

, (6)

RM т RK Т Рбэ

где IB - величина тока возбуждения, необходимая для формирования магнитного потока Ф , WB; Л/4 - число витков обмотки возбуждения, RK - магнитное сопротивление контролируемого участка материала, f - частота тока возбуждения, 4, 44 - коэффициент формы кривой тока, Рбэ магнит- ное сопротивление воздушных зазоров под полюсами П-образной части 3, установлен- ных при настройке преобразователя. Значения RM.RK, Рбэ определяются фор- мулами

RM

2 ab

7ГЬ--М

0

RI

( +2а)

.

к

-«-----/ЖЈГ - (8) где l+2.a; L; А - соответственно длина контролируемого участка, магнитопровода и высота эталонного зазора; ,Мк ; //м ; ;/0- магнитная проницаемость контролируемого материала, магнитолровсда, вакуума; укс

- среднее значение электропроводности

.контролируемого материала, fi - рабочая

частота; WB; WH - число витков основных

обмоток возбуждения и измерительной.

5 Можно показать, что в формулу (6) в качестве постоянной величины входит сопротивление Нбэ.

Для преобразователя, установленного на контролируемый материал с эталонным зазором

(9)

IBWB

RM + RK + R63 При изменении Нбэ. например, на A Re для выполнения равенства 9, необходимо изменить ток I на величину А1,т.е.

(I,4-AI,)W,

1 (Нбэ+ДКб)(Ш) Так как левые части (9) и (10) равны, то

30

WB

(|B+AIB)WB

RM + RK + Rfe RM + RK- + (Тбэ + А Щ

Откуда получим

Al

35ф

(11) . Подставив в формулу (10)значение Al из (II) получим 40 ФРм+Ф Рк+Ф Рбэ+Ф Кб- Откуда

1

Ф

(12)

Км +RK+R63

.45 Из соотношения (12) следует, что при контроле материала поток Ф р (RK), так как RM+R63 const . С учетом (6), (7), (8) выражение (9) примет вид

50 U 4,44 fW. ;r. .|/

, 1м (2 а + Ь) УЯ TO ./гр у0 Аэ

tofiu 2 a b + /t0 b V«K /г0 b 2 a cc K, iBifi T

55 М( + 1м) (I + 2 a) V7T f| Ua Ус ИЛИ Г (K Bf f( - UI(M + АЭ//М)

UI//M (I +2 a) где K( 4,44 WM Wb f2o b 2 (13)

Откуда для магнитной проницаемости контролируемого материала получим

и,(1+2а)Уо7/0 м , KrlB(ft-U,(lM-i-A,) ( } Для практической проверки был изготовлен опытный образец преобразователя с параметрами:1 23 мм, 2аН5,бмм, ,5 мм, высота магнитопррвода мм, число витков обмоток Wen 35,0, А/щзН50, WBi2 2x150, Л/и14 2х150, токи возбуждения мА. мА. материал магнитопровода сталь Э4б, с начальной магнитной проницаемостью 400. Электропрвод- ность контролируемого материала (образцов) уН$ х106 1

. мм.

м Ом

В таблице приведены результаты экспериментальных исследований.

Формула изобретения Электромагнитный преобразователь для неразрушающего контроля электромагнитных, физико-механических и геометрических параметров материалов, содержащий источник переменного тока, при П-образных магнитопровода, обмотку возбуждения, измерительную обмотку, размещенную на среднем магнитопроводе, и блок измерения, отличающийся тем, что, с целью повышения точности за счет локализации магнитного потока в зоне контроля, снабжен двумя дополнительными П- образнымимагнитол роводами, установленными симметрично с двух сторон от основных, тангенциальными обмоткой возбуждения и измерительной

обмоткой, каждая из которых выполнена в виде двух последовательно согласно включенных петлеобразных секций, и двумя коммутаторами, каждый магнитопроврд

состоит из внутренней и наружной П-обрэз- ных частей, все магнитолроводы и их части разделены сетчатыми электропроводящими экранами, боковые стержни дополнительных магнитрпроводов выполнены со скосами на наружных боковых поверхностях, высота hc скосов выбрана из соотношения hcS 0,11Н, где 1М - средняя длина магнито- провода, а угол «между поверхностью скоса и боковой поверхностью магнитолровода

выбран из соотношения

I

где а - ширина боковой поверхности стержня внутренней части магнитопровода; I - расстояние между стержнями, обмоткэ возбуждения охватывает все маг- нитопроводы, измерительная обмотка охва- .тывает внутреннюю часть среднего стержня, секции тангенциальных обмоток охватывают соответственно стержни всех магнитолроводов в зонах скосов, входы обмоток возбуждения через первый коммутатор соединены с источником переменного тока, а выходы измерительных обмоток через второй коммутатор подключены к блоку измерения.

Изобретение относится к электромагнитному неразрушающему контролю пара- м зтров материалов и изделий. Цель изобретения - повышение точности за счет локализации магнитного потока в зон контроля. Это достигается благодаря тому, что электромагнитный преобразователь для не- розрушающего контроля электромагнит- н ix,физико-механических и геометрических параметров материалов, содержащий источник переменного тока, п и П-образных магнитопроводз, обмотку возбуждения, измерительную обмотку, размещенную на среднем магнитопроводе и блок измерения, снабжен двумя дополнительными П-образными магнитопроводами, УС таноаленными симметрично с двух сторон О основных, тангенциальной обмоткой возбуждения и измерительной обмоткой, каж- д(я из которых выполнена в виде двух последовательно-согласно включенных петлеобразных секций, и двумя коммутаторами, каждый магнитопровод состоит из внутренней и наружной П-образных частей. Все магнитопроводы и их части разделены сетчатыми электропроводящими экранами, боковые стержни дополнительных магнито- проводов выполнены со скосами на наружную боковых поверхностях, высота hc скосов выбрана из соотношения hc 0,1 0,1 1Н, где н-средняя длина магни- топровода, а угол а между поверхностью скоса и боковой поверхностью магнито- провода выбран из соотношения a arcig(i±12a I +2a In + V I + 2 аГТ I +2а I - 1 ), ел С где а - ширина боковой поверхности стержня внутренней части магнитопровода; I - расстояние между стержнями. Обмотка возбуждения охватывает все магнитопроводы, измерительная обмотка охватывает внутреннюю часть среднего стержня. Секции тангенциальных обмоток охватывают соответственно стержни всех магнитопроводов в зонах скосов. Входы обмоток возбуждения через первый коммутатор соединены с источником переменного тока, а выходы измерительных обмоток через воторой коммутатор подключены к блоку измерения. 7 ил. 00 со 00 V 00 Сл)

f f во #c 0cV/r

(pue.i

cpVc.2

puf.4

/J

ф(/гЗ

kS SSSSg/

qfrt/a5

Фб

/д/

ч

риа.6

f-/0

ф„12

- т - x/H --- - -

//

/

a/x

7