Способ определения механических напряжений в ферромагнитных конструкциях и устройство для его осуществления Советский патент 1982 года по МПК G01B7/24 

чающийся в том, что в месте измерения возбуждают постоянное магнитное поле, измеряют изменение магнитного потока и по этим изменениям определяют механические нагрузки. Известно устройство для определения механических нагрузок. Оно содер жит замкнутый магнитопровод с четырьмя сквозными отверстиями, возбуждающую и измерительные обмотки, охватывающие общую среднюю часть магнитопровода через отверстия накрест, блок преобразования, соединенный входом с измерительной обмоткой, и счетчик импульсов, соединенный входом с выходом блока преобразования 2 . Данный способ и устройство для его осуществления позволяют определить скорость изменения нагрузки и количество импульсов нагрузки со Гскоростью,превышающей заданную. Однако они не позволяют определять величину механических напряжений. Использование возбуждающего постоян ного магнитного поля исключило неконтролируемый разогрев материала магнитопровода и поверхностный эффект, но чувствительность технического решения уменьшается дополнительно по сравнению с определяемой по свойствам материала магнитопровода как величина, пропорциональная некоторой части его намагниченности Это происходит за счет невозможност полного перемагничивания материала нагрузкой из-за мешающего действия постоянного магнитного поля. Наиболее близким к изобретению техническим решением является способ определения механических напряжений в ферромагнитных конструкциях Он заключается в том, что в месте измерения возбуждают постоянное маг нитное поле и импульсное синусоидал ное затухающее магнитное поле с начальной напряженностью, обеспечивающей магнитное насыщение места изме рения. После уменьшения импульсног поля до нуля измеряют изменение постоянного магнитного потока, вызван ного изменением напряженного состоя ния материала конструкции. Затем по этим изменениям потока определяют механические напряжения. .Устройство для определения механ ческих напряжений в ферромагнитных конструкциях содержит магнитоупругий датчик с незамкнутым магнитопро 9 4 , водом, возбуждающей и измерительной обмотками на магнитопроводе, а также источник питания постоянного тока и интегратор, соединенный входом с измерительной обмоткой. Известный способ и устройство позволяют достигнуть удовлетворительного повышения чувствительности определения механических напряжений за счет возвращения намагниченности материала импульсным синусоидальным затухающим полем в исходное состояние. Этим устраняется невозможность полного перемагничивания материала под влиянием измеряемых напряжений из-за мешающего действия постоянного магнитного поля З. Однако достигнутая чувствительность определения механических напряжений описанных способа и устройства все же остается недостаточной. Цель изобретения - повышение чувствительности определения механических напряжений. Указанная цель достигается тем, что в известном способе определения механических напряжений в ферромагнитных конструкциях, заключающемся в том, что возбуждают в месте измерения постоянное магнитное поле и импульсное магнитное поле с напряженностью, обеспечивающей насыщение места измерения, измеряют после уменьшения импульсного поля до нуля изменение постоянного магнитного потока и по этим изменениям определяют (еханические напряжения, возбуждение осуществляют импульсным магнитным полем трапецеидальной формы и постоянным магнитным полем, обратным импульсному по направлению, которое прикладывают после уменьшения импульсного поля до нуля. Длительность импульса магнитного поля выбирают большей времени насыщения места измерения, крутизну заднего фронта импульса выбирают меньшей крутизны, вызывающей обратное аномальное перемагничивание, а напряженность постоянного магнитного поля выбирают в интервале 0,, значения коэрцитивной силы материала конструкции в месте измерения. Известное устройство для определения механических напряжений в ферромагнитных конструкциях, содержащее магнитоупругий датчик с незамкнутым магнитопроводом, возбуждающей и измерительной обмотками на магнитопроводе, источник питания постоянного тока и интегратор, соединенный входом с измерительной обмоткой, снабжено сглаживающим фильтром, соединенным выходом с возбуждающей обмоткой, s реле- времени с контактной группой и двумя регулировочными цепями, предназначенным для поочередного подключения входа сглаживающего фильтра к источнику питания через две регу- 0 лировочные цепи с изменением полярности питания по сигналу на входе запуска реле времени, блоком изме-. рения и сигнализации, соединенным входом с выходом интегратора и с 15 парой контактов контактной группы блока реле времени, замыкаемыми на время переключения входа сглаживающего фильтра, а своим сигнальным выходом соединенным с входом запуска 20 реле времени.

.Такое осуществление способа и выполнение устройства позволяют значительно повысить чувствительность при определении механических напряжений. 25 Намагничивание импульсным полем до насыщения после его окончания приведет материал в состояние остаточной намагниченности, соответствующей точке на плоской части предель- зо ной петли гистерезиса. Наложение постоянного поля обратного направления сместит эту точку по определенной петле гистерезиса на ее крутой участок. При воздействии механических 35 напряжений намагниченность материала будет меняться в пределах от точки на предельной петле гистерезиса почти до точки на основной кривой намагничивания для заданного значе- 40 ния напряженности постоянного поля на величину, пропорциональную величине механических напряжений. Указанные изменения намагниченности значительно превышают соответствующие45 изменения намагниченности в других известных способах при прочих рав- , ных условиях, что и обеспечивает повышение чувствительности в предлагамом способе. .5Q

Повышению .чувствительности способтвует правильный выбор длительности мпульсного магнитного поля обеспеивающий полноту насыщения места из1ерения, напряженности постоянного агнитного поля а определенном инервале, где изменение намагничености от изменения напряженного сотояния будет наибольшим, крутизны

заднего фронта импульса магнитного поля, исключающего обратное аномальное перемагничивание материала, что обеспечивает наибольшее значение остаточной намагниченности материал

На чертеже показана структурная схема устройства для.определения механических напряжений в ферромагнитных конструкциях.

Устройство содержит устанавливаемый на конструкции 1 в месте измерения магнитоупругий датчик 2 с незамкнутым магнитопроводом 3 возбуждающей и измерительной обмотками и 5 на .магнитопроводе. С возбуждающей обмоткой k соединен выходом сглаживающий фильтр 6. В устройстве .имеется реле 7 времени с контактной группой и двумя регулировочными цепями (не показан). Оно своей контакной группой связано с входом фильтра 6 и предназначено для подключения этого входа к источнику 8 питания поочередно через две регулировочные цепи с изменением полярности питания. Поочередное подключение.осуществляется по сигнулу, поступающему на вход запуска реле 7 времени. К измерительной обмотке 5 присоединен своим входом интегратор 9В предлагаемое устройство входит .блок 10 измерения и сигнализации. Он состоит из измерительного и регистрирующего приборов, .которые работают в режиме однократного измерения т.е. измеряют амплитуду лишь первого наибольшего импульса во входном сигнале. Блок 10 имеет тумблер запуска измерений, задатчик предельно допустимой амплитуды входного импульса и счетчик числа импульсов, превышающих предельно допустимую амплитуду, связанный с задатчиком и регистрирующим прибором. Кроме того, счетчик имеет задатчик допустимого числа импульсов, приходящихся на заданный интервал времени. В блоке 10 предусмотрена сигнализация, оповещающая персонал о превышении допустимых параметров напряженного состояния конструкции под воздей ствием нагрузок. Все перечисленные узлы блока 10 на чертеже отдельно не показаны.

Вход блока 10 соединен с выходом интегратора 9. Одновременно этот вход соединен с парой контактов контактной группы реле 7, которая служит для замыкания входа блока 10 79 на время переключения входа сглаживающего фильтра 6. Блок 10 имеет сигнальный выход, который соединен с входом запуска реле 7 времени. Способ определения механических напряжений в ферромагнитных конструк циях осуществляется следующим образом . Вначале выбирают место измерения в конструкции, где могут возникать опасные напряжения. Например, в корпусах судов такими местами являются сечения, отстоящие от носового перпендикуляра на 0,12 - 0,18 общей длины судна. В выбранных местах измерения конструкции устанавливают датчики 2 так, чтобы вектора импульс ного и постоянного магнитных полей были параллельны продольной оси судна. С помощью тумблера запуска измерений на панели управления блока 10 запускают реле 7 времени, которое своей контактной группой подключает возбуждающую обмотку i через сглаживающий фильтр 6 и через первую регулировочную цепь к источнику 8 питания постоянного тока. Затем реле 7 отключает вход фильтра 6 от источ ника 8 и через небольшой промежуток времени вновь подключает его к исто нику 8 через вторую регулировочную цепь с изменением полярности питани Именно так осуществляют возбужде ние магнитного поля в месте измерения: вначале импульсным магнитным полем трапецеидальной формы, а зате постоянным магнитным полем обратног импульсному направлению, которое прикладывается после уменьшения импульсного поля до нуля. Амплитуда напряженности импульсного поля регулируется первой регул ровочной цепью до обеспечения таких же значений, которые насыщают матер ал в месте измерения. Длительность импульса поля задается реле 7 време в таких пределах, чтобы она превыша время, необходимое для насыщения места измерения. Обычно она лежит в пределах 1 - 3 сек. Крутизна заднег фронта импульса поля определяется параметрами сглаживающего фильтра. За счет этих параметров она выбирается меньшей крутизны, вызывающей обратное аномальное перемагничивание места измерения. Напряженность постоянного магнитного поля регулируется параметрами второй регулиро.8 вочной цепи. Этим может обеспечиваться ее нахождение в инtepвaлe 0,7-1,+ значения коэрционной силы материала конструкции в месте измерения. Под влиянием импульсного магнитного поля материал в месте измерения переходит в состояние насыщения, а. после его окончания оказывается в состоянии остаточной намагниченности. Благодаря правильно выбранной крутизне заднего фронта и отсутствию из-за этого явления обратного аномального перемагничивания {явление Вальтенхофена) величина остаточной ниченности оказывается наибольшей. Под влиянием постоянного мап итного поля магнитное состояние материала места измерения будет соответствовать точке на нисходящей ветви предельной петли гистерезиса, положение которой определяется напряженностью поля. в момент ударной нагрузки конструкции, например удара встречной волны о корпус судна, изменяется напряженное состояние материала в месте измерения. Это приведет к изменению его намагниченности в диапазоне от упоминавшейся выше точки на предельной петле гистерезиса до точки на основной кривой намагничивания, соответствующей напряженности поля, на величину, пропорциональную действующим- механическим напряжениям. Этот диапазон изменения намагниченности значительно превышает соответствующие диапазоны в известных способах, а импульсное намагничивание до насыщения, исключающее при окончании импульса явление аномального обратного перемагничивания, обеспечивает, наибольшее значение этому диапазону. Поэтому предлагаемый способ позволяет повысить чувствительность определения механических напряжений по сравнению с известным примерно в 1,5 - 2 раза. При изменении намагниченности материала конструкции в месте измере- . ния под нагрузкой в магнитопроводе 3 датчика 2 возникает магнитный поток. Изменение этого магнитного потока измеряют путем измерения сигнала, наводящегося при изменении потока на измерительной обмотке 5. Величина сигнала пропорциональна производной от величины потока и пропорциональна производной от величины механических напряжений. После прохождения интегратора 9 этот сигнал оказывается .пропорциональным механическим напря жениям и в таком виде поступает на измерительные и регистрирующие приборы блока 10. Входной сигнал обычн имеет форму ударных затухающих сину соидэпьных колебаний. Но приборы осуществляют однократное измерение лишь первого наибольшего импульса. Тем самым по изменениям постоянного магнитного поля определяют механиче ские напряжения в месте измерения. После прохождения первого наибол шего импульса по измерительному тра ту блока 10 на сигнальном выходе блока 10 появляется электрический импульс, который поступает на вход запуска реле 7 времени. Запущенное реле вновь осуществляет операции возбуждения магнитных полей в месте измерения и готовит устройство к следующему измерению. Если ударные нагрузки на констру цию оказываются в опасных пределах, выходящих за значения, заданные задатчиками блока 10, то срабатывает сигнализация блока 10, оповещающая персонал о необходимости принятия срочных мер безопасности. В случае, если контролируемой конструкцией является судно, для его персонала это означает изменение курса судна. Предлагаемое изобретение позволя ет повысить точность результатов из мерений, благодаря исключению влияни магнитоупругого гистерезиса, путем воспроизведения перед каждым измерением исходного магнитного состояния Кроме того, использование изобретения позволяет с большой вероятностью прогнозировать опасное состояние конструкций и своевременно принимать меры к обеспечению лучшей их сохранности. Формула изобретения 1. Способ определения механических напряжений а ферромагнитных конструкциях, заключающийся в том, что возбуждают в месте измерения постоянное магнитное поле и импульсное магнитное поле с напряженностью обеспеч1 вающей насыщение места измерения, измеряют после уменьшения ит- пульсного поля до нуля изменение пост.оянного магнитного потока и поэтим изменениям определяют механические напряжения, о т л и ч а ю щ И И С Я тем, что, с целью повышения чувствительности, возбуждение осуществляют импульсным магнитным полем трапецеидальной формы и постоянным магнитным полем, обратным импульсному по направлению, которое прикладывают после уменьшения импульсного поля до нуля. 2.Способ по п. 1, отличающийся тем, что длительность импульса магнитного поля выбирают большей времени насыщения места измерения, крутизну заднего фронта импульса выбирают меньшей крутизны, вызывающей обратное аномальное перемагничивание, а напряженность постоянного магнитного поля выбирают в .интервале 0,7 - I, значения коэрцитивной силы материала конструкции в месте измерения. 3.Устройство по п. 1, содержащее магнитоупругий датчик с незамкнутым магнитопроводом, возбуждающей и измерительной обмотками на магнитопроводе, источник питания постоянного тока и интегратор, соединенный входом с измерительной обмоткой, отличающееся тем, что оно снабжено сглаживающим фильтром, соединенным выходом с возбуждающей обмоткой, реле времени с контактной группой и двумя регулировочными цепями , предназначенным для поочередного подключения входа сглаживающего фильтра к источнику питания через две регулировочные цепи с изменением полярности питания по сигналу на входе запуска реле времени, блоком.измерения и сигнализации, соединенным входом с выходом интегратора и с парой контактов контактной группы реле времени, замыкаемыми на время переключения входа сглаживающего фильтра, а своим сигнальным выходом соединенным с входом запуска реле времени. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР f-f , кл. G 01 В 7/2, 1968. 2.Твердин Л. М., Панченко В. М., Всеволодов Б. В., Закорюкин В. Б. Автоматические устройства с магнитоупругими преобразователями. М., Энергия, 197, с. 61, рис. 26, г. ,3. Патент Великобритании № 2036329, кл. Q 01 В 7/2, 1977 (прототип).

0

njuvj

JT