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

/83, 1967.ьство СССР12, 1969,(Ь 4 бретен я прео роднос Цель изости измерениличения однопотока.На чертетромагнитнороляфизико-мехамагнитных мЭлектросодержит Пполненный очнот уве- тного- повышение азователя за си рабочего маг леон ро, вы- разГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ОПИСА ИЕ ИЗО К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬС(71) Запорожский центрго творчества молодеж(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,(я)5 0 01 й 27/90, 6 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 П- образный 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 Ьс= Ь+ (1+ 2 а)/ л 1 и 1+2 а)/ х х Т 2 (1+2 а)/1-1)/( О+2 а)/1-1), где а - ширина полюса средней части и крайних частей в направлении плоскости П-образных частей, Ь - ширина полюсов крайних частей в направлении, перпендикулярном плоскости П-образных чэстей, - расстояние между полюсами, а число витков на возбуждающей обмотке нэ средней части и число витков к возбуждающих обмоток И/к на крайних частях связаны соотношением В/с/И/= Ьк/Ьс 1 ил. же показана конструкция эго преобразователя для кэлектромагнитныхнических параметров феатериалов.магнитный преобраэоваобразный магнитопровод 1иэ трех параллельных П-обных 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 мэгнитопровода 1. Возбуждающие обмотки 5, 6, 7 подключены к источнику 8 переменного тока через переменные сопротивления В 5, В 5, В 7, а измерительные обмотки 9, 10, 11 через коммутатор 12 связаны с измерительным блоком 13 и измерительным прибором 14. Ширина Ьс полюсов средней части 3 в направлении, перпендикулярном плоскости П-образных частей 2, 3, 4, определяется соотношениемььт Гтаео Е Ч Е5,.Ь, -СпЬ 2 ц- -сгде а - ширина полюсов средней части и крайних частей в плоскости П-образных частей;Ь - ширина полюсов крайних частей в направлении, перпендикулярном плоскости П-образных частей;- расстояние между полюсами, число 9/5 витков возбуждающей обмотки и число Ю 5, Мт витков обмоток возбуждения 5, 7 определяются формулойЮб Ьк Ч/б Ьк- иУУ 5 Ьс И/7 ЬсЭлектромагнитный преобразователь предварительно тарируется.В 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 010, Затем коммутатором 12 к прибору 14 подключают поочередно измерительные обмотки 9, 11 и сравнивают напряжения 09 и 011 на выходах с напряжением 010, Если напряжения с обмоток 9 и 11 отличаются от напряжения с обмотки 10, то с помощью сопротивлений В 5, Ва, В 7 устанавливают равенство 09=010 и 011=010, что соответствует равенству потоков Ф и Фк . Затем преобразователь устанавливают на эталонные образцы с различным значением контролируемого параметра и снимают на 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 пряжения с обмотки 10, Строится тарировочный график зависимости напряжения 010 от эначвний интересующего параметра, например магнитной проницаемости. Устанавливают преобразователь на исследуемый материал 15, С обмотки 10 через коммутатор 12 подается напряжение 010 в блок 13 измерения, где на основе тэрировочной зависимости или по расчетной формуле вычисляется контролируемый параметр,При тарировке для контроля анизотропного материала возникает проблема сохранения однородного магнитного поля в контролируемом материале при любом значении измеряемого параметра (например, магнитной проницаемости), так как свойства материала по П-образным частям 2, 4 и 3 могут значительно отличаться в зависимости от ориентации магнитопровода. Тарировку преобразователя в этом случае проводят следующим образом.Подключают возбуждающие обмотки 5, 6, 7 к источнику 8 переменного тока, устанавливают преобразователь на эталонный образец с минимальным значением контролируемого параметра, Величина сопротивления В 5 соответствует величине при тарировке для контроля изотропного материала, С помощью коммугатора 12 поочередно измеряют напряжения 010 и Ою, 011 и сравнивают их между собой, Если их величины отличаются, то, изменяя величины сопротивлений В;, В 7, добиваются равенства 010=09 и 010=011, Устанавливают поочередно преобразователь на эталонные образцы с различным значением контролируемого параметра в требуемом направлении относительно оси анизотропии.При каждом значении параметра эталонных образцов сравнивают напряжения 00, 09 и 011, Если они отличаются, то, изменяя величины сопротивлений В 5 и В 7, доби 4 ваются равенства 010= 09 и 010= 011, Фиксируют значение 010. Строят тарировочный график зависимости 010 от контролируемого параметра. Устанавливают преобразователь на исследуемый материал. Сравнивают напряжения 010 с Оэ и 011, Сопротивлениями В 5 и В 7 добиваются равенства 010=09 и 011=010 КОммутатарсм 12 подают напряжение 010 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 Фс и Фк при выполнении основного условия; равенства магнитных сопротив(3) где 1 - частота то ро - прони)б - электро С учетом вы примет вид, (4) и (6) для провоериала,намагничи й схеме частями 2 и ли лений намагниченных участков под П-образными частями 2, 3, 4 магнитопровода, т,е. Вм 2 = ВМ 4 = Вмз . Это равенство обеспечивается за счет оптимизации геометрических размеров полюсов П-образных частей 2, 4 и 3, соотношение между которыми может быть найдено из равенстваВм 4 - Вмэ или Вм 2, 4 = ВМЗ(1)Для Вм можем записать1+2 а 1+2 аРЗ/о 3 РЗ/1 о Ьс (где,иЗ - относительная магнитная проницаемость материала;,ио - магнитная проницаемость вакууЯЗ - площадь поперечного сечения, равная произведению шины полюса Ь, на глубину проникновения поля ка возбуждения цаемость вакуума; тельная магнитная прони проводность материала.эжения (3) выражение (2) Вез )/оСЗ Ьс Магнитное сопротивление материала под крайними частями Вм 2 4, 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 димостей участков ма ваемых по параллельн 4, можно записатьУМ 2,4 + 42,4 = ПМЗ и, ц 1 р,гг.ю62 оттрн,Вяжет 7 1 ъГ,рюш(г+йтвг 1 г) Принимают, что для эталонного матери ала усЗ =р 2,4, р =р,4, тогда равенство(7)упрощается;Ь, 1 пА Ьс1+2 а л +2 аОткуда15 1+2 пЬс = Ь + тт - 1 и А (8) Из выражения (8) следует, что при полученном соотношении размеров Ьс и Ь обеспечивается равенство магнитного со противления Вм 2 4 и Вмз материалакак 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 Ь Ь + - (1+2 а)1 пА1то для равенства потоков ФсФс = Ф 4 НЕОбХОдИМО И дОПОЛН ное условие: оптимальное соотн витков Юб, В/5 и В/7 возбуждающих о Для магнитных потоков Ф 2 и Ф 4 записатьГгРкг =ф+ -(11)гя,4 + 1 мг,4.Далее индекс 24 опускается, так как П-образные части 2 и 4 идентичны, т.е.Ф 2.4- Ф: ВМ 2 4 ВМ; Вг 2,4=Вг г 2,4=Г,где Вгз - магнитное сопротивление средней части 3Вг - магнитное сопротивление крайних частей 2, 4;В полученной формуле значение Вбопределяется согласно выражению (4)3Ф с , с . т с са(27) Т.е. значение магнитной проницаемости по формуле (23) легко может быть рассчитано в устройстве измерения 13,выполненном, например, на основе микроЭ ВМ.П р и м е р 2, Контроль тонких изделийна основе вихретокового способа, когда ихтолщина меньше глубины проникновенияполя,В этом случае с достаточной точностьюможно зависать Яз=Ьс Л, где Л - толщинаконтролируемого изделия, например листа,так как Л меньше глубины проникновенияэлектромагнитного поля д,Для этого случая равенство (21) принимает виде е,(26)Здесь В определяется формулой (24), Расчет,из по формуле(26) не вызывает затруднений.П р и м е р 3. Контроль магнитной проницаемости вихретоковым частотно-балансным способом (3).Условием баланса, положенного в основу способа, является равенство при определенной частоте тока возбуждениямагнитного сопротивления Ймз контролируемого материала под полюсами среднейП-образной части 3, магнитному сопротивлению воздушной среды под полюсами Побразной средней части 3, т.е.Ймз Вб С учетом левой части равенства (22) и формулы (23) получают"(" Гр р, Ь Ь(Елд 1 Откуда для рз получают(28)где Ю - частота баланса,Значение рз по формуле(28) легко рассчитывается, так как значение частоты Ю известно.15 Формула изобретенияЭлектромагнитный преобразовательдля контроля электромагнитных и физико-механических параметров ферромагнитных материалов, содержащий20 П-образный магнитопровод, выполненный из трех параллельных частей, возбуждающие обмотки и измерительныеобмотки, намотанные на каждой частимагнитопровода, о т л и ч а ю щ и й с я25 тем, что, с целью повышения точностиизмерения за счет увеличения однородности рабочего магнитного потока, ширина Ь, полюсов средней части внаправлении, перпендикулярном к пло 30 скостям П-образных частей, определяется соотношением;сФа Гт.то- в .е.с с сь, ь - слВс с-т - сгде а - ширина полюсов средней части и35 крайних частей в плоскости П-образных частей,Ьк - ширина полюсов крайнихчастей в направлении, перпендикулярном к плоскостям П-образных40 частей;1 - расстояние между полюсами,а число Юс витков возбуждающей обмоткина средней части и число Юй витков возбуждающих обмоток на крайних частях связаны45 ЧЧс ЬсоотношениемЮ Ьс1670578Составитель М, КесоянРедактор Г. Мозжечкова Техред М.Моргентал Корректор Т. Малец Заказ 2747 Тираж 386 Подписное ВНИИПИ Государственноо комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101