Способ определения механических напряжений в ферромагнитных конструкциях и устройство для его осуществления

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советсвик

Социалистические

Республик п>922501 (6l ) Дополнительное к авт. свид-ву(»)» »«o 130380 (21) 2885609/25-28 (5t)M. Кл.

G 01 В 7/24 с присоединением заявки М(23) Приоритет .—

3Ъоудорстиииыб комитет

СССР лв делам изоеретений н отерытк»

Опубликовано 230482. Бюллетень М 15

Дата опубликования описания 230402 (53) УДК 531.781.

-.2(088.8) (7I ) Заявитель (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ

В ФЕРРОМАГНИТНЫХ КОНСТРУКЦИЯХ И УСТРОЙСТВО

ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к измерениям механических напряжений в стальных конструкциях, по изменению магнитных свойств материала конструкции. Оно может быть использовано для контроS ля напряженного состояния различных конструкций, а в частности для оценки опасности перегрузок корпусов судов при ударном нагружении

10 морскими волнами.

Известен способ определения механических напряжений, заключающийся в том, что возбуждают в месте измерения переменное магнитное поле, измеряют изменение магнитного потока и по этим изменениям определяют механические напряжения;

Известно устройство определения механических напряжений. Оно содержит незамкнутый магнитогровод П-образной формы, возбуждающую и измерительную обмотки, охватывающие магнитопровод, и измерительный- прибор, соединенный с измерительной обмоткой (1j.

Известный способ и устройство обладают следующими недостатками. Их чувствительность ограничена, поскольку она определяется магнитными свойствами материала конструкции и ее можно считать пропорциональной некоторой части величины намагниченности, найденной на основной кривой намагничения материала по заданной напряженности возбуждающего поля. Кроме того, использование переменного магнитного поля вызывает появление ви"„ хревых токов и поверхностного эффекта в материале конструкции, что снижает точность результатов измерений из-за изменения магнитных свойств материала от его нагрева и неполного учета распределения механических напряжений по сечению конструкции в месте измерения, Известен другой способ определения механических нагрузок, заклю3 92250 чающийся в том, что в месте измерения возбуждают постоянное магнитное поле, измеряют изменение магнитного потока и по этим изменениям определяют механические нагрузки. 5

Известно устройство для определения механических нагрузок. Оно содержит замкнутый магнитопровод с четырьмя сквозными отверстиями, возбуждающую и измерительные обмотки, 1о охватывающие общую среднюю часть магнитопровода через отверстия накрест, блок преобразования, соединенный входом с измерительной обмоткой, и счетчик импульсов, соединен- 15 ный входом с выходом блока преобразования E 2 3.

Данный способ и устройство для его осуществления позволяют определить скорость изменения нагрузки и .количество импульсов нагрузки со .скоростью, превышающей заданную. Однако они не позволяют определять величину механических напряжений.

Использование возбуждающего постоянного магнитного поля исключило неконтролируемый разогрев материала магнитопровода и поверхностный эффект, но чувствительность техничеCêoão решения уменьшается дополнительно по сравнению с определяемой по свойствам материала магнитопровода как величина, пропорциональная некоторой части его намагниченности.

Это происходит за счет невозможности полного перемагничивания материала нагрузкой из-эа мешающего действия постоянного магнитного поля.

Наиболее близким к изобретению техническим решением является способ определения механических напряQQ жений в ферромагнитных конструкциях.

Он заключается в том,,что в месте измерения возбуждают постоянное магнитное поле и импульсное синусоидальное затухающее магнитное поле с на4з чальной напряженностью, обеспечивающей магнитное насыщение места измерения. После уменьшения .импульсного поля до нуля измеряют изменение постоянного магнитного потока, вызван- @ ного изменением напряженного состояния материала конструкции. Затем по этим изменениям потока определяют механические напряжения. .Устройство для определения механи- ческих напряжений в ферромагнитных конструкциях содержит магнитоупругий датчик. с незамкнутым магнитопро1 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 (3).

Однако достигнутая чувствительность определения механических напря жений 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 механические 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 0,7-1,4 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 магнито922501 проводе, источник питания постоянного тока и интегратор, соединенный входом с измерительной обмоткой, снабжено сглаживающим фильтром, соединен" ным 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 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 парой контактов контактной группы блока реле времени, замыкаемыми на время переключения входа сглаживающего фильтра, а своим сигнальным выходом соединенным .с входом запуска 2в 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- зв ной петли гистерезиса. Наложение постоянного поля обратного направления ,сместит эту точку по определенной петле гистерезиса на ее крутой участок. При воздействии механических напряжений намагниченность материала будет меняться в пределах от точки на предельной петле гистерезиса почти до точки на основной кривой намагничивания для заданного значения напряженности постоянного поля на величину, пропорциональную величине механических напряжений. Указанные изменения намагниченности, значительно превышают соответствующие изменения намагниченности в других известных способах при прочих равных условиях, что и обеспечивает повышение чувствительности в предлагаемом способе.

Повышению чувствительности способствует правильный выбор длительности импульсного магнитного поля, обеспечивающий полноту насыщения места измерения, напряженности постоянного магнитного поля в определенном интервале, где изменение намагниченности от изменения напряженного состояния будет наибольшим, крутизны заднего фронта импульса магнитного поля, исключающего обратное аномальное перемагничивание материала, что обеспечивает наибольшее значение остаточной намагниченности материала.

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

4 и 5 на магнитопроводе. С возбуждающей обмоткой 4 соединен выходом сглаживающий фильтр б. В устройстве

:имеется реле 7 времени с контактной группой и двумя регулировочными цепями (не показан). Оно своей контактной 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 9.

В 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 1О предусмотрена сигнализация, оповещающая персонал о превышении допустимых параметров напряженного состояния конструкции под воздействием 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

7 92250 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 обра зом °

Вначале выбирают место измерения в конструкции, где могут возникать 30 опасные напряжения. Например, в корйусах судов такими местами являются сечения, отстоящие от носового перпендикуляра на 0,12 - 0,18 общей длины судна. В выбранных местах из- >s мерения конструкции устанавливают датчики 2 так, чтобы вектора импульсного и постоянного магнитных полей были параллельны продольной оси судна. 20

С помощью тумблера запуска измерений на панели управления блока 10 запускают реле 7 времени, которое своей контактной группой подключает возбуждающую обмотку 4 через сгла- 25 живающий фильтр 6 и через первую регулировочную цепь к источнику 8 питания постоянного тока. Затем реле

7 отключает вход фильтра 6 от источника 8 и через небольшой промежуток Э0 времени вновь подключает его к источнику 8 через вторую регулировочную цепь с изменением полярности питания.

Именно так осуществляют возбуждение магнитного поля в месте измерения: вначале импульсным магнитным полем трапецеидальной формы, а затем постоянным магнитным полем обратного импульсному направлению, которое прикладывается после уменьшения импульсного поля до нуля.

Амплитуда напряженности импульсного поля регулируется первой регулировочной цепью до обеспечения таких же значений, которые насыщают матери-, ал в месте измерения. Длительность . импульса поля задается реле 7 времени в таких пределах, чтобы она превышала время, необходимое для насыщения места измерения. Обычно она лежит в пределах 1 - 3 сек. Крутизна заднего 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 регулиротвочной цепи. Этим может обеспечиваться ее нахождение в интервале 0,7-1,4 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 аномаль ного перемагничивания (явление Вальтенхофена) величина остаточной намагниченности оказывается наибольшей.

Под влиянием постоянного магнитного 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 извес ным примерно в 1,5 - 2 раза.

При изменении намагниченности материала конструкции в месте измерения 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 инте10

922501. гратора 9 этот сигнал оказывает я .пропорциональным механическим напряжениям и в таком виде поступает на измерительные и регистрирующие приборы блока 10. Входной сигнал обычно имеет форму ударных затухающих синусоидачьных колебаний, Но приборы осуществляют однократное измерение лишь первого наибольшего импульса.

Тем самым по изменениям постоянного 1о магнитного поля определяют механические напряжения в месте измерения.

После прохождения первого наибольшего импульса по измерительному трак- ту блока 10 на сигнальном выходе 15 блока 10 появляется электрический импульс, который поступает на вход запуска реле 7 времени, Запущенное реле вновь осуществляет операции возбуждения магнитных полей в месте 2о измерения и готовит устройство к следующему измерению.

Если ударные нагрузки на конструкцию оказываются в опасных пределах, выходящих за значения, заданные.за- 25 датчиками блока 10, то срабатывает сигнализация блока 10, оповещающая персонал о необходимости принятия срочных мер безопасности. В случае, если контролируемой конструкцией . зо является судно, для его персонала это означает изменение курса судна.

Предлагаемое изобретение позволяет повысить точность результатов измерений, благодаря исключению влияния з магнитоупругого гистерезиса, путем воспроизведения перед каждым измерением исходного магнитного состояния.

Кроме того, использование изобретения позволяет с большой вероятностью 4о прогнозировать опасное состояние конструкций и своеВременно принимать меры к обеспечению лучшей их сохранности.

4 ным с входом запуска реле времени.

45 формула изобретения

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

Т 223432, кл, G 01 В 7/24, 1968.

2. Твердин Л. М., Панченко В. И., Всеволодов Б. В., Закорюкин В. Б.

Автоматические устройства с магнитоупругими преобразователями. М., "Энергия", 1974, с. 61, рис. 26, r.

3. Патент Великобритании 2036329, кл. 5 01 В 7/24, 1977 (прототип).

1. Способ определения механических напряжений в ферромагнитных конструкциях, заключающийся в том, что возбуждают в месте измерения постоянное магнитное поле и импульсное магнитное поле с напряженностью, обеспечивающей насыщение места изме" рения измеряют после уменьшения имФ

55 пульсного поля до нуля изменение постоянного магнитного потока и по этим изменениям определяют механические напряжения, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности, возбуждение осуществляют импульсным магнитным полем трапецеидальной формы и постьянным магнитным полем, обратным импульсному по направлению, которое прикладывают после уменьшения импульсного поля до нуля.

2. Способ по и. 1, о т л ич а ю щ и й.с я 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 - 1,4 значения коэрцитивной силы материала конструкции в месте измерения.

3. Устройство по и. 1, содержащее магнитоупругий датчик с незамкнутым магнитопроводом, возбуждающей и измерительной обмотками на магнитопроводе, источник питания постоянного тока и интегратор, соединенный входом с измерительной обмоткой, о тл и ч а ю щ е е с я 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 парои контактов контактной группы реле времени, замыкаемыми на время переключения входа сглаживающего фильтра, а своим сигнальным выходом соединен922501

Составитель l0. Востриков

Редактор Л. Гратилло ТехредЕ. Харитончик Корректор А. Гриценко

Закаэ 2555/52 тираж 614 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам иэобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5 филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4