Электромагнитный преобразователь для контроля электромагнитных и физико-механических параметров ферромагнитных материалов

 

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<SB POS="POST">с</SB> полюсы средней части в направлении, перпендикулярном плоскости Р-образных частей, определяется соотношением B<SB POS="POST">с</SB> = B<SB POS="POST">к</SB> + (L + 2 A)/φ <SP POS="POST">.</SP> L<SB POS="POST">N</SB> {(L + 2A)/L <SP POS="POST">.</SP> √ 2 <SP POS="POST">.</SP> (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<SB POS="POST">к</SB> - 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<SB POS="POST">к</SB> на крайних частях связаны соотношением W<SB POS="POST">с</SB>/ W<SB POS="POST">к</SB> = в<SB POS="POST">к</SB> / в<SB POS="POST">с</SB>. 1 ил.

СО103 СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ (с

О (л

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4724533/28 (22) 26.07.89 (46) 15.08,91. Бюл. М 30 (71) Запорожский центр научно-технического творчества молодежи (72) В.И. Чаплыгин, В.А. Калика, В.Н. Крищук, Н,Ф, Потапова, В.И, Чаплыгин и Я.В, Мальцева (53) 620.179.14(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

М 223433, кл, G 01 N 27/83, 1967.

Авторское свидетельство СССР

М 263245, кл. G 01 1 1/12, 1969. (54) ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДЛЯ КОНТРОЛЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ И ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ

ПАРАМЕТРОВ ФЕРРОМАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВВ (57) 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 измереИзобретение относится к электромагнитному неразрушающему контролю параметров материалов и изделий и может быть использовано для контроля магнитной проницаемости ферромагнитных материалов, а также для контроля физико-механических параметров, связанных с проницаемостью и электропроводностью, например механических напряжений, твердости, фазового состава, процентного содержания углерода, качества упрочнения и др, АЛ»,1670578 Al (я)я G Ol N 27/90, G 01 В 7/10 ния зэ счет увеличения однородности рабочего магнитного потока — достигается благодаря тому, что электромагнитный преобразователь для контроля электромагнитных и физико-механических параметров ферромагнитных материалов содержит Побразный магнитопровод, выполненный из трех параллельных частей, намагничивэющие и измерительные обмотки, намотанные на полюса каждой части магнитопровода, ширина Ь, полюса средней части в направлении, перпендикулярном плоскости П-образных частей, определяется соотношением bc= bI+ (I+ 2а)/ л In((l+2a)/I х х /2 (I+2a)/I-1)/((I+2a)/1-1), где а — ширина полюса средней части и крайних частей в направлении плоскости

П-образных частей, Ь вЂ” ширина полюсов крайних частей в направлении, перпендикулярном плоскости П-образных частей, I — расстояние между полюсами, а число витков на возбуждающей обмотке на средней части и число витков к возбуждающих обмоток И/» на крайних частях связаны соотношением

Wc/Wk= Ьк/bc 1 ил.

Цель изобретения — повышение точности измерения преобразователя за счет увеличения однородности рабочего магнитного потока.

Ха чертеже показана конструкция электромагнитного преобразователя для контроля электромагнитных и физико-механических параметров ферромагнитных материалов.

Электромагнитный преобразователь содержит П-образный магнитопровод 1, выполненный иэ трех параллельных П-образ1670578 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 магнитопровода 1. Возбуждающие обмотки 5, 6, 7 подключены к источнику 8 переменного тока через переменные сопротивления Rs, Re, В7, а измерительные обмотки 9, 10, 11 через коммутатор 12 связаны с измерительным блоком 13 и измерительным прибором 14.

Ширина bc полюсов средней части 3 в направлении, перпендикулярном плоскости

П-образных частей 2, 3, 4, определяется соотношением t 2a (Г7а е, е т е

4, Ь, ° (и

6 ° 2ц

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

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

I — расстояние между полюсами, число We витков возбуждающей обмотки и число We, Мт витков обмоток возбуждения

5, 7 определяются формулой

We Ьк We Ьк — и

УУ5 Ьс У 7 bc

Электромагнитный преобразователь предварительно тарируется.

B зависимости от решаемой задачи контроля возможны два основных случая тарировки электромагнитного преобразователя: тарировка для контроля изотропного материала (или изделия с иэотропной 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 и ро ни цае мости), Коммутатором

12 к измерительному прибору 14 сначала подключают измерительную обмотку 10 и фиксируют на ее выходе значение напряжения 0>о. Затем коммутатором 12 к прибору

14 подключают поочередно измерительные обмотки 9, 11 и сравнивают напряжения Оя и U» на выходах с напряжением U!o, Если напряжения с обмоток 9 и 11 отличаются от напряжения с обмотки 10, то с помощью сопротивлений Re, Re, Ют устанэвливают равенство Оц=01о и 0»=Ufo, что соответствует равенству потоков Фс и Фк . Затем преобразователь устанавливают на эталонные образцы с различным значением контролируемого параметра и снимают на5

55 пряжения с обмотки 10. Строится тарировочный график зависимости напряжения

U

Подключают возбуждающие обмотки 5, 6, 7 к исто нику 8 переменного тока, устанавливают преобразователь на эталонный образец с минимальным значением контролируемого параметра. Величина сопротивления Re соответствует величине при тарировке для контроля изотропного материала. С помощью коммугатора 12 поочередно измеряют напряжения U!o и Оя, 0» и сравнивают их между собой, Если их величины отличаются, то, изменяя величины сопротивлений R;, Вт, добиваются равенства

01ю=Оэ и Ufo=0«. Устанавливают поочередно преобразователь на эталонные образцы с различным значением контролируемого параметра в требуемом направлении относительно оси анизотропии.

При каждом значении параметра этаiloHHb!x образцов сравнивают напряжения

U!o, Up и 0», Если они отличаются, то, изменяя величины сопротивлений Re и 87, добиI ваются равенства UIo= Ug и 0>p= 0», Фиксируют значение 0>о. Строят тарировочный график зависимости U!o от контролируемого параметра. Устанавливают преобразователь на исследуемый материал.

Сравнивают напряжения 010 с Оэ и О». Сопротивлениями Re и Вт добиваются равенства 0>o=Uo и 0»=Ою, Коммутатором 12 подают напряжение 0>о в блок 13 измерения, где на основе тарировочного графика или по расчетной формуле вычисляется интересующий параметр.

Максимальная точность измерения контролируемого параметра преобразователем обеспечивается за счет равенства потоков Ф и Фк при выполнении основного условия; равенства магнитных сопротив1670578

6 ма; (3) ° с с 20 т с с ° (° со .I с

Здесь с (5) 50

I+2a о

М2,4 йо Р2 4 Ьк (6) или лений намагниченных участков под П-образными частями 2, 3, 4 магнитопровода, т.е. RM2 = ВМ4 = RM3 . Это равенство обеспечивается за счет оптимизации геометрических размеров полюсов П-образных частей 2, 4 и 3, соотношение между которыми может быть найдено из равенства

RM4 ссМ3 r r + RM2,4 = RM3 (1)

Для RM можем записать

1+2а 1+2 а

p3/Со S3 /с3/to bcCC где,из — относительная магнитная проницаемость материала; ,ио — магнитная проницаемость вакууS3 — площадь поперечного сечения, равная произведению шины полюса Ь, нэ глубину проникновения поля где f — частота тока возбуждения;

po — проницаемость вакуума; 3 — относительная магнитная проницаемость;

) 3 — электропроводность материала.

С учетом выражения (3) выражение (2) примет вид

* Ж

Ро Р3 Ьс

Магнитное сопротивление материала под крайними частями RM 24, 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

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

4, можно записать

<М2,4 + с-см2,4 =

Принимают, что для эталонного матери10 ала р3 =@2 4, 13 = р 4, тогда равенство (7) упрощается;

In A

I+2a л +2а

Откуда

15 I+2n

Ь =Ь+ л InA (8)

Из выражения (8) следует, что при полученном соотношении размеров bc u bk обеспечивается равенство магнитного со20 противления RM 2 4 и Вмз материала как под крайними частями, так и под средней частью магнитопровода. а следовательно, в области материала под средней частью магнитоп ровода формируется однородное магнитное поле (при условии, что потоки Фс,, Ф,, Ф, также равны) с магнитными силовыми линиями, направленными параллельно друг другу в направлении активной базы 1, поэтому точность измерения повышается,, ак кэк 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 магнитные сопротивления намагниченных участков материала под средней частью и крайней частью магнитопровода равны при условии, что

40 Ьс =Ьк+ г(! +2а)1пА

1 (9) то для равенства потоков Фс - Ф2» и

Ф = Ф4» необходимо и дополнительное условие: оптимальное соотношение витков М/5, W5 и W7 возбуждающих обмоток.

45 Для магнитных потоков Ф2к и Ф4»можем записать з г + "м 5 (10) Далее индекс 2 4 опускается. так как П-образные части 2 и 4 идентичны, т.е.Ф2.4 Ф;

RM 2, 4 ВМ Rr2,4=Rr, F2,4=F гДе Rr3 — магнитное сопРотивление сРеДней части 3;

Rr — магнитное сопротивление крайних частей 2, 4;

1670578

: (((е ее. («ee«p е, ".. еc(» «е.ьб

>,.;, c c. l«l. e . I h. « ° 7» (е»» ) тогда (e.ecl(((е.т е, Ь, О»«е е (15) е„е, c», (««c (»

Гз,F — намагничивающие силы;

Гз=! Ф/5-F=-Ю5 здесь — ток возбуждения;

W5 — число витков возбуждающих обмоток.

Из равенства (10) и (11) следует, что потоки Ф = Фс при условии

F3 F ге23 + RÌ3 R2 + RÌ (12)

Значения Вм и RM определяются формулал1и (2), а магнитные сопротивления частей 3 и 2 магнитопровода равны

<23 („(— (13); Re (, (14)

l3 (е

/(о/(2 а (.к где 13,12 — длина П-образных частей; ((/(2, /(3 — магнитная проницаемость материала частей 2, 3.

Принимают аз=ал=а, тогда из выражения (12) с учетом вы раже н ий (13), (14), (4) за п исывают

Принимают, что ,Р3 Р(2 Р Р3 с 2 с "/,/ Э ./ 2 Р

В формуле (15) в числителе и знаменателе вторым слагаемым ввиду его малости по сравнению с первым можно пренебречь.

Например, при а= Ь(=2 10, I= 4 ° 10

/(=100, /(=500, /(о =410 Г/м,f=1010 Гц, у =15 мсм/м, I= l2= 34 10, отношение слагаемых составляет 307:2,7:10 .

В формуле (15) согласно выражению (9) значение Ьс=2+8/3,14 In 3,73=5,4 10 м, поэтому из выражения (15) получают

W5 (3,((о а як

W5,7 l2 а Ьс/(/(p откуда при (3=(2; ((/б (5,7 (1 6)

Ьс

Таким образом, преобразователь с параметрами, рассчитанными по формулам (16), (18), имеет высокие метрологические характеристики, так как в области контролируемого материала измерительный поток Фс1и корректирующие Ф 2, Фкл одинаковы при измерении контролируемого парал(етра с различными значениями, чеел обеспечиваетсА однородность л(агнитных силовых линий в материале между полюсами магнитопровода с измерительной обмоткой, как при контроле магнитоизотропных материалов так и магнитоаниэотропн(, х.

Пример 1, Контргль магнитной проницаемости сплошных м;«териалов на осно5 ве вихретокового способа.

В соответствии со схемой распределения магнитного потока Ф,з в средней Побразной части 3 магнитопровода преобразователя и в исследуемом материа"0 ле записывают

Ф сз R . и (17)

73 ((э а при нахождении преобразователя в воздухе магнитный поток Фс,равен

15 Э сз ц - ((18) сЭ в формулах (17, 18), где Rg- магнитное сопротивление воздушной среды между полюсами П-образной средней части 3, R,3 магнитное сопротивление средней П-образной части 3 магнитопровода 1; F — намагничивающая сила. равная произведению тока в обмотке возбуждения 6 на число ее витков Р/5; RM — магнитное сопротивление кон25 тролируемого материала под средней частью, Так как Эс (/, (19)

30 то с учетом выражений (17) и (18) получают .

23 " 3 (20)

Откуда для RM>nony a(ox

35 (Вмэ=Rã3 (K — 1)+KR5, (21)

Так как з р /((.,г и

5 = 0,8=1

40 3 - -„,/„ где f — частота тока возбуждения;

/(, у — относительная магнитйая проницае;лость и электропроводность материала, то равенство (21) принимает вид 4 — (Й,,(к — <(«кRе ( . р, Ъ, 50 или (К 1+ККВ . (22)

Р,Р5 Ъ Р,(((„Ь,а

Откуда для магнитной проницаемости дета55 ли получают ;"И p. p,b. a P,Ь,(Е,(1-).К .I1(,,Ü,а К j

1670578

В полученной формуле значение Rhonределяется согласно выражению (4) t

C 2» — --> с а,, Ь, а . т (2Л

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

Пример 2. Контроль тонких изделий на основе вихретокового способа, когда их толщина меньше глубины проникновения поля, B этом случае с достаточной точностью можно записать Sg=bc: Л, где Л вЂ” толщина контролируемого изделия, например листа, так как Л меньше глубины проникновения электромагнитного поля д .

Для этого случая равенство (21) принимает вид е е, (К-I) i KR g р р,Ь,д р.(и,Ъ,а

Откуда (25) е. („ ь(е,(k-1+к .p„,b,a Rgj (26)

Здесь R определяется формулой (24), Расчет,из 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 определенной частоте тока возбуждения магнитного сопротивления Вмз контролируемого материала под полюсами средней

П-образной части 3, магнитному сопротивлению воздушной среды под полюсами Побразной средней части 3, т.е.

RM3 = R)) .

С учетом левой части равенства (22) и формулы (23) получают - ).

5 )"") о )-) 5 Ь с ))а о с (ЕЛ > >1

Откуда для рз получают

; Е Х ). )г (Е. Ч <

)),—, — е, 4P. (En ), )1 II (28) где f — частота баланса.

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

15 Формула изобретения

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

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

25 тем, что, с целью повышения точности измерения за счет увеличения однородности рабочего магнитного потока, ширина b полюсов средней части в направлении, перпендикулярном к пло30 скостям П-образных частей, определяется соотношением;

C ° 2а ГТ 2а

2 .!

2.2» Е С

I>, Ь ° — t» >

C ° 2 °

-т — а! где а — ширина полюсов средней части и

35 крайних частей в плоскости П-образных частей;

Ьк — ширина полюсов крайних частей в направлении, перпендикулярном к fIëоскостям П-образных

40 частей;

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

45 Wc Ьк соотношением

WIc Ьс

1670578

Составитель М. Кесоян

Редактор Г. Мозжечкова Техред М.Моргентал Корректор Т. Малец

Заказ 2747 Тираж 386 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101