Устройство определения степени неоднородности структурного состояния магнитных металлов вихретоковым методом

Изобретение относится к методам неразрушающего контроля и может быть использовано для оценки степени неоднородности поверхностных слоев магнитных металлов, возникающей при закалке, отпуске и воздействии жидких или газообразных агрессивных сред. Предлагаемое устройство содержит генератор гармонических колебаний, ток которого циркулирует по двум возбуждающим катушкам, одна из которых располагается над объектом контроля, другая - в удалении от объекта контроля. С помощью цепи обратной связи устанавливается такая частота генератора, на которой имеет место максимальная чувствительность к изменению структурных свойств. Напряжение на измерительной катушке, радиус которой выбирается заведомо большим, чем ориентировочная глубина слоя, в пределах которого имеет место изменение структурного состояния, при измерении для объекта с постоянным структурным состоянием сохраняется в блоке памяти и управления. Изобретение позволяет количественно определить значение относительной магнитной проницаемости и степень неоднородности структурного состояния объекта. 8 ил.

 

Изобретение относится к методам неразрушающего контроля и может быть использовано для оценки степени неоднородности поверхностных слоев магнитных металлов, возникающей при закалке, отпуске и воздействии жидких или газообразных агрессивных сред.

Техническая целесообразность данного изобретения заключается в том, что оно позволяет произвести количественную оценку как глубины слоя, подвергшегося воздействию так и ориентировочного закона изменения свойств объекта (влияющих на его относительную магнитную проницаемость μ и электропроводимость σ) по глубине. Данная информация может быть полезна эксплуатационникам и технологам.

В [1, с. 509-510, 2, с. 305-309] приведено описание способов и приборов контроля структурного состояния (по значениям электрической проводимости σ или магнитным характеристикам). Отмечено, что такой контроль возможен при наличии однозначных корреляционных зависимостей между параметрами структурного состояния объекта и его электромагнитными характеристиками.

Наиболее близкими к предлагаемому устройству являются приборы для оценки структурного состояния поверхностных слоев объектов (твердость, прочность и т.п.), например, вихретоковый структуроскоп ВС-17П, в котором используются гармоники вносимого напряжения измерительной катушки (метод высших гармоник) [2, с. 226] (Фиг. 1) К генератору гармонических колебаний 1 подключен блок накладных вихретоковых преобразователей 2, вызывающих вихревые токи в объекте контроля, суммарное магнитное поле блока преобразователей и вихревых токов формирует сигнал, усиливаемый усилителем 3 и поступающий на фазовый детектор 4. Опорное напряжение поступает от генератора 1 через фазорегулятор 5. Количество усилителей и фазовых детекторов определяется количеством используемых гармоник (первая и третья; первая, третья и пятая и т.п.).. Недостатком стандартных структуроскопов является то, что их индикаторы фиксируют усредненные в пределах глубины проникновения значения μ_r и σ, коррелирующее неявным образом со степенью неоднородности.

Предлагаемое устройство позволяет количественно определить степень неоднородности изменения свойств по глубине, т.е. более точно оценить структурное состояние поверхностных слоев объекта контроля. Судя по оценкам металловедов [3], состояние неоднородности (т.е. изменение по глубине zμ_r и σ) можно аппроксимировать функциями вида

где σ₀, - электропроводимость и магнитная проницаемость верхнего слоя объекта, Z_в - глубина слоя, интересующего технологов, в пределах которого имеет место изменение структурного состояния (Фиг. 2), α_σ, α_μ - параметры, характеризующие интенсивность (скорость) изменения структурного состояния, определяющего значение σ и μ по глубине.

На Фиг. 2 для общности отмечены пунктиром кривые для α_σ, α_μ<0 (вариант не имеющий место на практике, если не рассматривать случай специального создания технологами таких объектов).

Основой предлагаемого устройства является устройство, предложенное в [2, с. 318], структурная схема которого представлена на Фиг. 1

Технический эффект получаемый при решении данной задачи и заключающийся в количественной оценке степени неоднородности структурного состояния по глубине достигается тем, что в известном устройстве, содержащем генератор гармонических колебаний, блок вихретоковых преобразователей, сигналы которых через усилители поступают на фазовые детекторы, опорное напряжение на которых поступает от генератора через фазорегуляторы, частота генератора ω выбирается соответствующей максимальной чувствительности к электромагнитным параметрам объекта и схема обработки формирует сигнал, зависящий от степени неоднородности распределения электромагнитных свойств поверхностных слоев объекта контроля.

При воздействиях на магнитный материал, изменяющих структурное состояние поверхностных слоев (закалка, отпуск, взаимодействие с агрессивными жидкостями или газами) магнитные свойства (μ) объекта оказываются более чувствительными к этим воздействиям, чем электрические (σ). Поэтому в качестве информативного параметра при контроле поверхностных слоев целесообразно выбрать сигнал от изменения μ. Как следует из [2 стр. 193] область чувствительности к изменению магнитных свойств соответствует малым значениям обобщенного параметра где R_в - радиус возбуждающей катушки L₁, ω - частота генератора (тока возбуждения), μ₀=4π*10^-7 Гн/м. При этом влияние изменений электропроводимости с незначительно (Фиг. 6).

На Фиг. 1 приведена блок-схема стандартного структуроскопа.

На Фиг. 2 показаны функции распределения электропроводимости и магнитных свойств, аппроксимирующие различные степени неоднородности.

На Фиг. 3 изображены годографы относительного вносимого напряжения накладного преобразователя при изменении обобщенного параметра β=0.1÷100 для трех значений - 2.5, 25 и 250 при вариации α_σ и α_μ пределах (-3÷3).

На Фиг. 4 изображен график зависимости величины приращения мнимой составляющей вносимого напряжения от величины μ_r.

На Фиг. 5 изображены годографы для обобщенного параметра для .

На Фиг. 6 показано изменение вносимого напряжения при изменении α_σ и α_μ для трех значенией обобщенного параметра β=0.1, 1, 2.

На Фиг. 7 показана градуировочная кривая для определения степени неоднородности α объекта.

На Фиг. 8 показана структурная схема предлагаемого устройства.

Устройство состоит из генератора гармонических колебаний 1, блока 2 вихретоковых преобразователей, состоящего из идентичных рабочего с объектом контроля (L₁, L₃ - возбуждающая и измерительная катушки) и компенсационного (L₂, L₄ - возбуждающая и измерительная катушки) преобразователей (L₁ и L₂ включены последовательно согласно, L₃ и L₄ - последовательно встречно) усилителя 3, фазового детектора 4, блоков: пямяти и управления 5, сравнения и регулировки частоты 6, вычитания 7, нормировки 8, индикации 9, фазорегулятора 10, определения 11.

Предлагаемое устройство отличается тем, что частота ω_р колебаний генератора 1 выбирается (как отмечалось выше) из условия максимальной чувствительности к электромагнитным параметрам (конкретно к μ) для чего используется канал регулировки частоты, состоящий из фазового детектора 4, фазорегулятора 10, блока сравнения и регулировки частоты 6, на который вносимое напряжение (сигнал) поступает от усилителя 3 через блок 5 памяти (где оно запоминается на весь цикл измерения) и управления и фазовый детектор 4, с выхода блока 5 сигнал поступает также на блок вычитания 7, выходное напряжение фазового детектора сравнивается в блоке 6 с напряжением задатчика, соответствующим фазовому углу (~90°) вносимого напряжения при частоте ω_p [2, с. 193, рис. 4.34 (а)], соответствующей значению параметра (где R_B - радиус возбуждающей катушки L₁, «выбираемый из условия 1, , где Z_B - ориентировочная глубина слоя, в пределах которого имеет место изменение структурного состояния (это условие обеспечивает достаточную величину сигнала)», - σ₀, удельная электрическая проводимость и относительная магнитная проницаемость участка объекта контроля 2, не подвергнутого воздействию факторов, вызывающих изменение структуры поверхностного слоя объекта), для этого перед началом измерений блок преобразователей помещают на такой участок (либо на специально изготовленный образец с такими же свойствами) Зафиксированное блоком 5 напряжение (Фиг. 5) поступает в блок вычитания 7, где оно вычитается из текущего значения сигнала и формируется величина характеризующая влияние неоднородности (Фиг. 5).

Операция, соответствующая формуле (3), реализуется согласно Фиг. 5 в блоке вычитания 7.

Удобнее использовать относительное значение (по отношению к напряжению измерительной катушки без объекта U₀) .

Эта операция реализуется в блоке нормировки 8, куда поступают сигналы из блока вычитания 7 (числитель формулы (4) и сигнал с измерительной катушки L₄ (знаменатель формулы)

На Фиг. 3 показаны годографы относительного вносимого напряжения для объекта при β=0.1, β=1.0 и β=2.0, для На Фиг. 5 показан вектор при α_z=0 и вектор при β=0.1, α_μ=3 для Стрелкой показано направление изменения α_μ в пределах -3÷3. Для значений β=0.1, α_μ=3 изображен вектор для При β=0.1 для всех значений μ влияние σ незначительно и годографы имеют практически только мнимую составляющую, т.е. сигнал можно записать как На Фиг. 6.а показаны кривые при β=0.1, 1, 2, на Фиг. 6.б показаны кривые при β=0.1, 1, 2. Видно, что для β=0.1 влияние изменений электропроводимости практически отсутствует. На Фиг. 7 изображена кривая которая рассчитывается в блоке 5 для значения и поступает в блок индикации Пунктирный участок кривой соответствует отрицательным величинам α_μ.

Таким образом кривую на Фиг. 7 можно рассматривать как градуировочную. Она заложена в блоке индикации 9 и служит для определения численных значений степени неоднородности изменения μ, коррелирующей с изменением структурного состояния.

Для определения значения предусмотрен блок 11, в котором заложена кривая (Фиг. 4) и по этой кривой происходит определение полученное значение поступает в блок индикации 9, где и фиксируется наряду со значением степени неоднородности α_μ.

Все количественные результаты работы (годографы, кривые и т.п.) получены в системе численного моделирования, реализующей метод конечных элементов. Параметры модели при построении годографов относительного вносимого напряжения - радиус возбуждающей катушки R_в=7.75 мм, измерительной - R_и=4.75 мм, катушки расположены в одной плоскости на растоянии h=1.75 мм от поверхности объекта, электропроводимость поверхностного слоя σ₀=10 МСм/м, частота тока генератора ω_р такая что обобщенный параметр β=0.1÷100.

Источники информации:

1. Неразрушающий контроль: Справочник в 7 т: В 2 т. / Под. ред. В.В. Клюева МОСКВА В 2 кн. - М.: МАШИНОСТРОЕНИЕ 2003. - 688 с.

2. Неразрушающий контроль в 5 кн. Кн. 3 Электромагнитный контроль: Практ. пособие / В.Г. Герасимов, А.Д. Покровский, В.В. Сухоруков; Под ред. В.В. Сухорукова. - М.: Высш. шк., 1992. - 312 с.

3. Решение обратной задачи вихретокового контроля: [Электронный ресурс] StudyPort.Ru - помощник в учебе // http://studyport.ru/referaty/tochnyje-nauki/3959-zadacha-vihretokovogo-kontrolja (дата обращения: 14.03.2019).

Устройство определения степени неоднородности структурного состояния магнитных металлов вихретоковым методом, содержащее генератор гармонических колебаний, выход которого соединен с двумя последовательно согласно соединенными возбуждающими катушками идентичных рабочего и компенсационного преобразователей, их измерительные катушки соединены последовательно встречно и присоединены к усилителю, выход которого присоединен к фазовому детектору, и отличающееся тем, что радиус возбуждающей катушки выбирается из условия где Z_В - ориентировочная глубина слоя, в пределах которого имеет место изменение структурного состояния, устройство снабжено блоком определения магнитной проницаемости, один из входов блока присоединен к усилителю, второй к измерительной катушке компенсационного преобразователя, выход блока определения магнитной проницаемости присоединен к блоку индикации и блоку памяти и управления, вход блока памяти и управления присоединен к усилителю, один из выходов блока памяти и управления присоединен к первому входу блока вычитания, второй вход блока вычитания соединен с усилителем, а выход блока вычитания соединен с одним из входов блока нормировки, второй выход блока памяти и управления присоединен к фазовому детектору, к фазовому детектору подключен также фазорегулятор, соединенный с генератором, выход фазового регулятора присоединен к блоку сравнения и регулировки частоты, в котором сравнивается с сигналом задатчика, выход блока сравнения и регулировки частоты соединен с генератором, частота которого поддерживается равной частоте максимальной чувствительности к магнитным свойствам объекта контроля, второй вход блока нормировки подключен к измерительной катушке компенсационного преобразователя, а выход - к блоку индикации.