Электромагнитный преобразователь для неразрушающего контроля

) 27/90 ЮЕ ПАТЕНТНОССРССР) Я 21) 4893892/28 22) 25.12.90 4 р) 30,08.93, Бю7) В. И, Чаплы 7 ) НПО "НОТЕ л, Мг 32гин и В. В. КоновалеК ., Лтд Ко".видетельство СССР011/12, 1970.видетельство СССР6 01 В 7/10, 1989.видетельство СССР011/12, 1967,(56) Авторское263245, кл,Авторскоей 1670578, клАвторскоеИ 223433, кл. ТНЫИ ПРЕОБРА УШАЮЩЕГО КО сится к электр щему контролю и изделий,ние точности за го потока в зон благодаря том+2 а У ектромагнитный преобразователь для незрушающего контроля электромагнит 1 х,физико-механических и ометрических параметров материалов, держащий источник переменного тока, и П-образных магнитопровода, обмотку збуждения, измерительную обмотку, разщенную на среднем магнитопроводе и ок измерения, снабжен двумя дополнильными П-образными магнитопроводами, тановленными симметрично с двух сторон основных, тангенциальной обмоткой еозждения и измерительной обмоткой, кажи в м выполнена в виде двух я из кот бретениему контрвано электр парам объек носится к неразрую и может быть ис ля измерения аю рл(5) ЭЛ Е КТРОМАГ Н И В ТЕЛЬ ДЛЯ НЕРАЗР Р ЛЯ (5 ) Изобретение атно н)тному неразрушаю м тров материалов и обретения - повыше л кализации магнитно рля, Это достигается Е ИЗОБРЕ последовательно-согласна 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 магнитопроводов выполнены со скосами на наружную боковых поверхностях, высота Ь, скосов выбрана из соотношения с0,10,11 где 1 н - средняя длина магнитопровода, а угол а между поверхностью скоса и боковой поверхностью магнитопровода выбран из соотношения а = аГС 19( - , - 1 Пх 1+2 ал 1 Г 1+2 а1 где а - ширина боковой поверхности стержня внутренней части магнитопровода;- 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,гнитных и физико-механическихов ферромагнитных материалов1838781 Составитель В. ЧаплыгинРедактор С, Кулакова Техред М.Моргентал Корректор Е. Па ательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарин Производственн Заказ 2924 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035. Москва, Ж, Раушская наб 4/5Цель иэобретени повышение точности дзмерения преобразователем,Это достигается тем, что преобразователь содержит два дополнительных П-образных магнитопровода, имеющих скосы нанаружных боковых поверхностях, а такжетем, чта все магнитопроводы преобразователя разделены электропроводящими сетчатыми экранами, их полюса охваченытангенциальными обмотками возбуждения, 10полюса средних магнлтопроводов охваченытангенциальными измерительными обмоткам 1, входы обмоток возбуждения черезкоммутатор соединены с источником переменаОго тока, а выходы измерительных абмоток через второй коммутатор10 дклОеы к блоку измерения,11 а фиг,Нскаэана схема распределеия.;.; иОго потока в контролируемом. ОмеоиОл,ых; на фиг, 5 - конструкция тана,:,:.,льО и леобразной обмотки; на1,г, : - ха 1 глкгео асг 1 ределени 5 Глагнитнага по Ока 1:О 51 оверхности контролируемого;,утраему Объему магнитоправода, а друзя часть -. по вегшему объему части магитапровпд Оаласть 2), п 1 иОм эта астьМа 1;ИОГ. 1;Отаа ПРОХОДИТ и ГЕРЕЗУЧ=:,тКИматериала, расположеные не между полосами, Поэтому выходные апряжеия, снимаемье с измерительной обмотки,раэмещеной а среднем магнитопроводе,е могут быть и достаточной тоНостьо полу ены с испальзавзнем известных формул, 50так как они получены с учетом только магнитного сопротивления кон 1 ролируемагагатериала, находящегося между полюсамисаедегоагнитаг 1 ровадз.Электромагнитный преобразовательдля контроля .электромагнитных и физикомеханическлх параметров(фиг. 2) содержитпять магнитопроводов М 1, М 2, Мз, М;. М 5П-образной формы, расположенных парал.лельно относительно друг друга, Каждый из магнитапроводов М 1-М 2 состоит соответственно из внутренней и внешней П-образных частей 5,10; 4,9;3,8; 2.7; 1,6, На всех магнитопроводах размещена общая обмотка возбуждения 11, подключенная через коммутатор 17 к источнику 18 переменного тока, на внутренней П-образной части 3 размещена концентрическая измерительная обмока 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 магнитапроводов М-М по поверхностям соприкосновения отделены по всей длине друг ат друга сетчатым экраном 11.Гол оса до пол нительн ых магнитопроводав М и М с наружных сторон имеют скосы, высота которых определяется соотношением 1 с0,11 ь гдеи - средняя длина магнитоправода, Ьс - высота скоса, а угол а между поверхностью скоса и плоскостью П-образных частей определяетсл из соотношенияа =- агсСс 1 ( - Г 1 п х 3+2 а+ Г-ГР:7 э- -Т+2 а ) 1 1 где а - ширлна полюса внутренних П-образных частей в плоскости П-образных частей, 1 - расстояние между полюсами магнитопроводав,На полюсах П-образных магнитопроводов, раэмещень общие тангенциальные обмотки возбукдения 12 и измерительная 14, выполненная каждая из двух последовательно-согласно включенных секций фиг. 5. Каждая секция обмоток воэбукдения 12 и измерительной 14 размещены на диэлектрических шайбах 15, 16, имеющих отверстия, в которые вставляются полюса общего магнитопровода М - М,В каждой шайбе в вертикальном направленил выполнены разрезы, через которые уложено па секции обмоток 12 и 14. Выходы тангенциальной 12 и концентрической 11 обмоток возбукдения подключены к входам коммутатора 17, выход которого соединен с входам 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 вьходных сигналов 20, вха 1838781абирощего в фзэ,д коммутаторов 17, 19 и источника переменного тока 18 подключены к шине управл ния устройства обработки выходных с гналов 20. Материал магнитопроводов1 - М 5 может быть выбран с электромагнитн 1 ми параметрами, близкими к параметрам к нтролируемого материала. что позволяет о еспечить примерно одинаковую напряж нность магнитного поля в материале магн топ ровода и в материале к нтролируемого обьекта, при которой нач льная проницаемость и =сопз 1 и принять м гнитную систему преобразователь - мат риал линейной.Перед использованием преобразоват ль настраивается, Подключают тангенциа ьную обмотку возбуждения 12 через к ммутатор 17 к источнику переменного ток 18 и устанавливают рабочую частоту 1 30 - 40 Гц, измерительную тангенциальн ю обмотку 14 подключают через коммутат р 19 к блоку обработки выходных с гналов 20. Устанавливают преобразоват ль на образец, выполненный из контрол руемого материала 23, и имитируют и менения воздушного зазора под полюсам магнитопроводов М 1-М 5 диэлектричес ими прокладками различной толщины. С имают зависимость выходного напряжен я Овых= (Ь) собмотки 14 для различных з эчений толщины прокладок.С учетом ожидаемого изменения зазора м жду полюсами магнитопроводов и поверх остью материала, покрытого или непокр того защитными покрытиями, выбирают эт лонное значение напряжения 014 э 1 с выхо а обмотки 14, соответствующее магнит- Н МУ ПОТОКУ Ф 12 э 1, КОТОРОЕ фИКСИРУЕтСЯ И о новременно фиксируется величина тока 1 э 1 в обмотке возбуждения 12. Отключают о мотку возбуждения 12 коммутатором 17 от источника 18 и измерительную 14 коммута ором 19 от блока 20 и подключают к исто нику 17 обмотку возбуждения 11. а к блоку 20 - измерительную 13. Затем в осн вной обмотке возбуждения 11, например, перременным резистором (входит в состав бл, ка 18) устанавливается значение тока во буждения 11 при котором обеспечивается напряженность магнитного поля в образц, не превышающая значений, при тторых начальная магнитная проницаесть рн=сопи. Значение тока 44 устанавли аетсЯ До ближайшего значениЯ тока 12 э 1 т., 14=Ка 12 э 1 где, например, К=1,2,3,.,п.Принятое значение коэффициента К реал зуется блоком масшт вания (усиление, ослабление), входя состав блока18 возникающий поток в цепи П-об 10 разной части 3 принимается в качестве эталонного. В результате при использовании преобразователя, когда имеет место о 1 клонение зазоров под полюсами от эталонного значения, сигнал 014 э 1 изменится, наприМЕр, дО ЗНаЧЕНИя 014 э 2 ИЗМЕНЕНИЕМ тОКа 12 э 1. НаПрИМЕр, дО ЗНаЧЕНИя 12 э 2, ВОССтанавливается сигнал т.е, петлеобразнэя обмотка 12 (обе секции) создают в полюсах потоки Ф 12 э 1(фиг. 5), эквивалентные потоКаМ Р 12 э 2 ПРИ ТОКЕ12 э 1, ПОСКОЛЬКУ КОЭффИциент масштабирования К постоянен, тоосновной обмоткой возбуждения 11 будетсформирован снова потока Фзэ, как и приэталонном зазоре, Сигнал 014 зависит отсвойств материала 23 под полюсами магнитопроводов М 4 - М 5, поэтому возможные ихзначения изменения также будут скомпенсированы при установлении сигнала 014 э20 Процесс настройки аналогичен и привыборе другой частоты тока возбуждения,например, 12=40 - 50 Гц, в этом случае выбирается значение 01 аэ 2, коэффициент масштабирования К и ток возбуждения 12 э 2 изусловий, рассмотренных выше,В работе преобразователь устанавливается на поверхность контролируемого материала 23, устройство управления, входящеев состав блока обработки 20 выдает команду30 на коммутатор 17 и в тангенциальные петлеобраэные обмотки вОзбуждения 12 подается ток с частотой, например 14,одновременно напряжение 014 с выходапетлеобразных обмоток 14 по команде с ус 35 тройства управления блока 20 посредствомкоммутатора 19 поступает в блок 20 обработки выходного сигнала, где сравниваетсяс принятым эталонным значением напряжеНИЯ 014 э 1 (УСтаНОВЛЕННЫМ ПРИ НаотРОйКЕ40 преобразователя), при отличии 014 от эталонного значениЯ 014 э 1 УстРойство Уп Равления блока обработки 20 воздействует наблок 18 источник переменного тока, например изменяет величину сопротивления переменного резистора в цепитангенциальных обмоток возбуждения 12,пока не выполнится равенство 014=014 э 1,тем самым будет скомпенсированы возможное изменение зазоров пор полюсами отно 50 сительно эталонного значения гЬ, а такжевозможное суммарное изменение электромагнитных свойств под полюсами магнитопрОвОдОв М 1 М 5.В момент выполнения равенстваОП=01 аэ УстРойство УпРавлениЯ блока 20подает команду на коммутатор 19 и подключает к источнику переменного тока 18 основную обмотку возбуждения 11, акоммутатором 17 подключает основную из 1838781мерительную обмоткук входу блока обработки 20, где на основе расчетных соотношений одновременно рассчитывается магнитная проницаемость, электропровод- ность, толщина диэлектрического покрытия или только один из указанных параметров, которые воспроизводятся на устройстве отображения информации, входящим в со-. став блока 20,В разработанной конструкции преобразователя для сведения к минимуму воздействия потоков Ф 1 - Ф 1 о(фиг, б)друг надруга посредством П-образных внутренних частей 4,2 формируются корректирующие потоки 14 - 1 с таким же направлением магнитных силовых линий, как и основной измерительный поток Фз, Для уменьшения взаимного влияния потокОВ Фз, Ф 2, Ф 4 П- образные 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 ох в а гы воет сечения эт их частей.Для стабилизации характера распределен; я В материале корректирующих потоков 22, Ф 4 использованы внутренние П-Образные части 1, 5, б, 10, локализующие погокдми Ф Ф 5, Фц, 1 т потоки Ф 2 и Ф 4, сТобы в.:аимодействие между потоками Фз и Ф 4. а гакже между 11 и 12 было минимально, их величина выбирается примерно равнОЙ, что достигается выполнением скосов высотой Ьс 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. трапецеидал ьн ых участков Р, обраэованньк скосами, можно пренебречь по сравнению с магнитным сопротивлением Р остальных участков П-образных частей 1, б, 5, 10, т.е. йт йм илим ", (2)ррм ас Ьс р,рм а ЬГДЕ 1 с - ВЫСОта СКОСОВ, ОбРазУЮЩИХ тРаПЕ- цеидальные полюса; м - длина П-образных частей; а, б - средняя площадь поперечного сечения П-образных частей, кроме участков со скосом; рм - магнитная проницаемость материала П-образных частей; ро - проницаемость вакуума; ас, Ьс - средняя площадь поперечного сечение участков П-образных частей со скосом.Приняв, что среднее значение ас Ьс =аЬ, получим Ьм-Ьс или 2 Ьсм. Например. дЛя СрЕдНЕГО ЗНаЧЕНИя 1 с= 4 ММ И м = 80 ММ, ЗНВЧЕНИЕ 1 с МЕНЬШЕ м На ПОРЯДОК, т.Е. 5 Ьс 0,1 м, следовательно можно считать, что магнитное сопротивление П-образных частей 5, 1, б, 10 будет равно магнитному сопротивлению 2, 3, 4, 7, 8, 9 П образных частей, а для того, чтобы потоки 10 Ф 5 Ф 4 и % Ф 4 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-образ ных частей 5, 1, 6, 10 в направлении, перпендикулярном плоскости П-образных частей, получаемой иэ условия равенства магни 1 ных сопротивлений материала только между полюсами внутренних П-образных частей 20 5,1 йм 5,4 и между полюсами внутренних П- образных частей 4,2 т,е.йм 5=йм 4=йм 2=йм 1 (3) С учетом приведенного в 2 соотношения+2 а Ь,=Ь,+ иЛ +"2 1 Х+ 2 а 1 (4)30 Значение угла а между поверхностью скоса и плоскостью П-образных частей согласно фиг, 2 определится из соотношения 19 а= +2 аПкЛ 1 35 +2 а + ГТ-+-2 а2 - 1 +2 аОткуда 40 +2 аа = агсгц ( - - - Ь" 1 +2 а+2 а 1 2+2 а 45 - 1 (5)фиг, 7 поясняет принцип действия тангенциальной обмотки возбуждения 12. Проходящий по ней ток в по всему периметру полюсов П-образных частей 1 - 10 формируют магнитные потоки 1 Ъ и ФЬ Поток Фо сцеплен только с материалом П-образных частей, а Ф Ли с контролируемым материалом 23 и проходит через воздушный зазор Л. При изменении зазоров или электромагнитных свойств контролируемого материала в области полюсов магнитопроводов М-М изменятся потоки Фп Ь, изменяется и суммарное напряжение с тангенциальной измерительной обмотки14, Поток Фл позволяет локализовать поток Фь Л непосредственно в области перехода: полюса магнитопроводов М 4-Мб - материал 23;Пример использования преобразователя для измерения магнитной проницаемости сплошных материалов.Общие допущения: величина тока возбуждения постоянная; частота нэмагничивающего тока й=30 - 40 Гц, в этом случае естественным изменением электропровод- ности можно пренебречь.Значение магнитной проницаемостиматериала им магнитопровода и контролируемого материала,и, соответствует начальному участку кривой намагничивания, т.е.,им =сопэт, и;-соп,з и примерно равны,Полями рассеяния между П-образнымичастями пренебрегаегл (обмотка возбужде), ния 11 размещена по всей длине магнитопроводов М 1 - М 5)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 Чк=(+2 а)Ьсд, где д, - глубина проникновения электромагнитного поля; +2 а - длина намагниченного участка материала, Ьс - ширина средней части в направлении, перпендикулярном пло, скости П-образных частей, значение ) д =, у к; где гк круговая к)астота,дно,ик укв =2 л 1, ио - проницаемость вакуу-ма,ик; ук - магнитная проницаемость иэлектропроводность материала.Напряжение с выхода измерительной , ,обмотки 13 может быть рассчитано по изве стному соотношению0 13 4,44 1 йм У/в в + В , (6)1Вм + Вк + Вбэ , где .в - величина тока возбуждения, необхо, димая для формирования магнитного пото, ка Ф, О/в, М/4 - число витков обмоткивозбуждения, В, - магнитное сопротивле ние контролируемого участка материала, , 1 - частота тока возбуждения, 4, 44 - коэф, фициент фоРмы кРивой тока, Вбэ - магнит) ное сопротивление воздушных зазоров подполюсами П-образной части 3, установлен, ,ных при настройке преобразователя.ЗНаЧЕНИЯ Ям, В, Вбэ ОПРЕДЕЛЯЮТСЯ фОР- мулами,и,Ь 1 игде +2 а; м, Л - соответственно длина контролируемого участка, магнитопровода ивысота эталонного зазора;,и.; им:,иомагнитная проницаемость контролируемого материала, магнитопровсда, вакуума; укс- среднее значение электропроводностиконтролируемого материала, 1 - рабочая.частота; В/в, В/и - число витков основных. обмоток возбуждения и измерительной,Можно показать, что в формулу (6) вкачестве постоянной величины входит сопротивление Вбэ,Для преобразователя, установленногона контролируемый материал с эталоннымзазором в ЧЧв(9) При изменении Вбэ, например, на Л Вбдля выполнения равенства 9, необходимо 25 изменить токнавеличину Л, т.е,О) Так к.ак левые части (9) и (10) равны,0 5 Откуда для магнитной проницаемости контролируемого материала пол чим фк 0+2 а лоУоРм 14) Кч 1 е01 1 м + 4 м Для практической проверки был изготовлен опытный образец преобразователя с параметрами:1=23 мм, 2 а=б,б мм, Ьк" 1,5 мм, высота магнитопровода Им=25 мм, число витков обмоток И/ви, Ям 1 з 150, Юв 12=2 х 150, ЧЧи 14=2 х 150, токи возбуждения 18 и=10 мА, и=20 мА, материал магнитопровода сталь Э 46, сначальной магнитной проницаемостью рнм =400. Электропрвод-ность контролируемого материала (образцов) у бх 10 . Ьс=5 мм.ОмВ таблице приведены результаты экспериментальных исследований, Формула изобретения Электромагнитный пре.образователь: 2 для неразрушающего контроля электромагнитных, физико-механических и, геометри-. ческих параметров материалов, содержащий источник переменного тока,при П-образных магнитопровода, обмотку 2 возбуждения, измерительную обмотку, размещенную на среднем магнитопроводе,. и блок измерения,отл ича ющи й сятем, что, с целью повышения точности за счет локализации магнитного потока в зоне кон-. троля, снабжен двумя дополнительными П- образными магнитопроводами, установленными симметрично с двух сторон от основных, тангенциальными обмоткой возбуждения и измерительнойобмоткой, каждая из которых выполнена в виде двух последовательно согласно включенных петлеобразных секций, и двумя коммутаторами, каждый магнитопровод состоит из внутренней и наружной П-образ. ных частей, все мэгнитоп,роводы и их части разделены сетчатыми электропроводящими экранами, боковые стержни дополнительных магнитопроводов выполнены со скосами .на наружных боковых поверхностях, высота пс скосов выбрана из соотношения ЬЫ 0,11 м, где 1 м - средняя длина магнитопровода, а угол а между поверхностью скоса и боковой поверхностью магнитопровода выбран из.соотношения а = агсд ( - - и "где а - ширина боковой поверхности стержня внутренней части магнитопровода;1 - расстояние между стержнями, обмотка возбуждения охватывает все.магнитопроводы, измерительная обмотка охватывает внутреннюю часть среднего стержня, секции тэнгенциальных обмоток охватывают соответственно стержни всех магнитопроводов в зонах скосов, входы обмоток возбуждения через первый коммутатор соединены с источником переменного тока, в выходы измерительных обмоток через второй коммутатор подключены к блоку измерения,