СПОСОБ И УСТРОЙСТВА ДЛЯ НАБЛЮДЕНИЯ ЗА МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ В ОБЪЕМЕ МАТЕРИАЛА, А ТАКЖЕ ПРИМЕНЕНИЕ ЭТОГО УСТРОЙСТВА
METHOD AND DEVICES FOR MONITORING MAGNETIC FIELD IN MATERIAL VOLUME, AS WELL AS APPLICATION OF THIS DEVICE

Область изобретения
Изобретение касается способа и устройства для наблюдения за магнитным полем в объеме материала, а также применения этого устройства согласно ограничительной части п.1, 10 или, соответственно, 13 формулы изобретения.
Обоснование изобретения
Для наблюдения за магнитным полем в объеме материала с целью определения свойств заготовки применяются индуктивности, или датчики Холла, или тому подобное. При этом изменение во времени магнитного поля регистрируется при реакции на магнитное возбуждение. По изменению во времени результирующего магнитного поля могут делаться заключения о свойствах заготовки.
При этом известные из уровня техники способы и устройства ориентированы на макромагнитные эффекты как функцию времени.
Например, из US 4634976 A известно распознавание дефектов материала путем магнитного возбуждения заготовки при аналитической оценке баркгаузеновского шума. Сравнимый уровень техники известен из US 4977373 A и US 20130276546 A1.
В известных способах макромагнитные эффекты регистрируют и аналитически обрабатывают только в поле амплитуда-время.
Всем известным способам и устройствам свойственен тот недостаток, что возможна лишь недостаточная оценка заготовки.
Краткое содержание изобретения
Исходя из этого, в основе изобретения лежит задача, создать более высокоточные способ и устройство для наблюдения за магнитным полем в объеме материала, а также применение устройства согласно ограничительной части п.1, 10 или, соответственно, 13 формулы изобретения.
Эта задача решается соответственно признакам п.1, 10 или, соответственно, 13 формулы изобретения.
Соответственно этому создается способ наблюдения за магнитным полем в объеме материала, в частности для определения свойств заготовки при магнитном, механическом, тепловом и/или электрическом возбуждении или тому подобном объема материала заготовки, при котором магнитное поле этого объема материала регистрируется как функция времени и частоты с высокой разрешающей способностью по частоте. Благодаря высокой разрешающей способностью по частоте по оси времени и/или частоты возможна высокоточная регистрация микромагнитных эффектов, которые позволяют делать более точные заключения о свойствах магнитного поля.
Предпочтительно регистрируется микромагнитная реакция на возбуждение.
Также может регистрироваться скорость реакции на возбуждение.
Частотное и/или временное разрешение возбуждения и/или регистрации предпочтительно выбирается соответственно микромагнитным эффектам в данном объеме материала.
Возбуждение может осуществляться с помощью магнитного и/или электрического переменного поля и/или статического поля и/или посредством индукции вихревого тока и/или путем обработки материала, такой как, например, индукционная закалка, и/или путем подачи переменного или постоянного тока и/или подачи переменного и/или постоянного напряжения.
Материал при возбуждении и/или регистрации может быть неподвижен относительно сенсора и/или возбуждающего устройства или передвигаться относительно сенсора и/или возбуждающего устройства.
Частота возбуждающего источника может меняться, в частности возможно прохождение некоторого частотного диапазона.
Могут применяться несколько возбуждающих устройств и/или несколько сенсоров магнитного поля.
Изобретение предоставляет также устройство для наблюдения за магнитным полем объема материала, в частности для определения свойств заготовки при магнитном и/или электрическом возбуждении объема материала заготовки, при этом предусмотрен сенсор для регистрирования магнитного поля для этого объема материала как функции времени и частоты с высокой разрешающей способностью по частоте.
Предпочтительно, предусмотрено устройство возбуждения для электрического и/или магнитного возбуждения объема материала заготовки.
Изобретение создает, касается и/или также делает возможным:
- распознавание трещин в ферритных материалах;
- распознавание усадочных раковин или включений других материалов в ферритных материалах;
- оценку образования кристаллов при охлаждении ферритных материалов;
- составление карты намагничивания детали;
- сравнение карты намагничивания образцовой детали с другими деталями для оценки качества;
- распознавание дефектов закалки или изменений при закалке в материалах;
- распознавание глубины закалки и градиента закалки ферритных материалов;
- распознавание зернистой или кристаллической структуры в черных металлах и других ферритных материалах;
- создание намагничивания ферритных материалов с помощью магнитного переменного поля, которое в своем изменении во времени оптимизировано с учетом равномерного результата переориентации отдельных вейсовых областей;
- создание намагничивания путем пропускания заготовки  в статическом магнитном поле, так чтобы все кристаллиты испытывали один и тот же градиент внешнего магнитного поля;
- калибровку быстрого измерения намагничивания ферритных материалов более медленным с высоким разрешением во времени измерением для регистрации;
- описание параметров намагничивания объема материала после одного единственного намагничивания;
- описание механических свойств объема материала после одного единственного намагничивания;
- описание параметров намагничивания объема материала без достижения магнитного насыщения во всем объеме;
- определение легирующих элементов ферритных материалов по свойствам намагничивания отдельных кристаллов;
- применение комбинации из кратковременных БПФ (быстрых преобразований Фурье) и их аналитической оценки во времени для анализа свойств намагничивания всех находящихся в объеме материала вейсовых областей;
- применение комбинации из кратковременных БПФ и их аналитической оценки во времени для анализа свойств намагничивания всех находящихся в некотором объеме материала вейсовых областей, которые, упорядоченные по размеру и положению во внешнем магнитном поле, объединяются в определенные группы;
- применение комбинации из кратковременных БПФ и их аналитической оценки во времени для создания карты намагничивания области материала или детали.
Описание чертежей
Фиг.1 иллюстрирует регистрацию изменения во времени магнитного поля после магнитного возбуждения по уровню техники.
Фиг.2 иллюстрирует предлагаемую изобретением многомерную регистрацию изменения магнитного поля на графике частота-время.
Фиг.3 показывает основные эмиссии с фиг.2 с зависимостью частоты, времени и амплитуды.
Фиг.4 показывает основные эмиссии с фиг.2 с проекцией на ось времени.
Фиг.5 показывает основные эмиссии с фиг.3 с проекцией на ось частоты.
Фиг.6-9 показывают другие варианты осуществления.
Описание вариантов осуществления
Анализ магнитных полей
Анализируются колебания магнитных полей.
Поля измеряются с помощью надлежащих сенсоров, индуктивностей, датчика Холла и пр. Ширина полосы частот сенсоров должна быть как можно большей. Предпочитается частота до 1 МГц, 3 МГц, 50 МГц, 100 МГц, 1 ГГц, 10 ГГц. Верхняя предельная частота коррелирует с количественным  разрешением, т.е. чем выше предельная частота, тем меньшие магнитные структуры могут регистрироваться. В ГГц-диапазоне может регистрироваться изменение магнитного поля отдельных диполей. Поэтому существует корреляция между верхней предельной частотой и кристаллической структурой материала.
Сигналы измерения предпочтительно подвергаются многим кратковременным БПФ, так что широкополосная частотная зависимость может описываться в каждый момент времени, а также в ее временной последовательности.
Возможны другие трансформации, которые описывают временные и количественные изменения магнитного поля. Алгоритм импульсного анализа создает нужную информацию.
Целесообразным образом для измерения аналитически оцениваются округленно 64 миллиона результатов измерения. Но может быть также интересно в 10 раз большее количество данных.
Анализ микроструктуры черных металлов
Железо как ферромагнитный материал образует магнитные диполи в каждой вейсовой области.
Эти диполи при наведении внешнего магнитного поля могут переориентироваться в его направлении. При повороте микродиполей в направлении внешнего магнитного поля его напряженность повышается, пока, наконец, все микродиполи не будут располагаться в направлении внешнего поля.
Для преодоления имеющегося в микродиполе магнитного момента необходима определенная противоположно направленная напряженность магнитного поля. Диполи, лежащие ближе всего к источнику поля, испытывают воздействие большей силы. Чем больше микродиполей переориентированы, тем больше становится результирующая напряженность поля в направлении внешнего поля.
При этом могут также переориентироваться более удаленные микродиполи.
Изменение магнитного поля создает электрический ток, изменение которого создает встречное магнитное поле. Чем больше скорость изменения внешнего магнитного поля, тем больше также индуцированная противодействующая сила, что замедляет переориентацию микродиполей на большем расстоянии.
С помощью очень чувствительного измерения изменений магнитного поля могут выявляться эти эффекты переориентации микродиполей.
Тогда путем ограничения внешнего магнитного поля до определенного объема материала могут делаться выводы о структуре и свойствах этого объема материала. Эффектами, которые вызываются более удаленными структурами, можно пренебречь вследствие их малого количества. Так как вейсовы области, т.е. объемы материала, которые имеют соответственно единую ориентацию спина электрона ферроэлектрика и вместе с тем представляют собой магнитные микродиполи, одновременно обладают также механически интересными свойствами, по некоторым магнитным свойствам можно делать заключение о механических свойствах.
Распределения размером микрокристаллов в черном металле описывают также прочности на растяжение и сжатие.
Если точный размер и пространственная протяженность кристаллов железа известны, могут делаться точные суждения о механических свойствах материала.
Намеренно или случайно введенные в железо элементы изменяют механические, электрические, а также магнитные свойства материала.
Углеродосодержащие стали находят широкое применение, когда должны использоваться закаленные черные металлы. Конкретное распределение углерода в железе, распределения размеров кристаллов, полное и неполное внедрение всех имеющихся атомов углерода в решетки железа, наличие элементарного углерода в материале и т. д. сказываются на свойствах материала.
То же самое относится к другим важным легирующим элементам или примесным элементам, которые случайно попадают в материал.
Для анализа применяются много разных методов.
Испытание на сжатие и растяжение определенных поперечных сечений или поверхностей, а также испытания под нагрузкой готовых деталей.
Микроскопия образцов материала для описания кристаллических структур и внедрений разных легирующих элементов.
Рентгеновские измерения, измерения вихревого тока как примеры неразрушающих исследований.
Известно наведение магнитных переменных полей и определение отдельных магнитных показателей при повторном прохождении кривых магнитного гистерезиса, то есть при повторной переполюсовке внешнего магнитного поля. Эти показатели определяются как средние значения установившихся состояний.
В противоположность этому предлагаемая изобретением аналитическая оценка базируется предпочтительно на распределении амплитуды, времени и частоты одного единственного намагничивания. Уже прохождение половины кривой гистерезиса при предлагаемом изобретением анализе частоты-времени дает информацию об исследуемом материале. Когда кривая гистерезиса проходится полностью, см. фиг.2 на примере синусоидального магнитного возбуждения, или регистрируются несколько проходов, степень достоверности результатов измерений возрастает.
Возбуждение может оптимизироваться таким образом, чтобы кривая гистерезиса была как можно более пологой. При этом процесс намагничивания продолжается дольше и является более репрезентативным. Поэтому изобретение предпочтительно предусматривает оптимизацию кривых возбуждения, в частности, адаптированную к материалу.
Степень достоверности результатов измерений может повышаться с помощью повторов, но при этом речь идет об уменьшении погрешности измерения.
В соответствии с изобретением может анализироваться распределение частоты изменения магнитного поля и соответствующих частотам скачков амплитуды, и отсюда определяться распределение размеров вейсовых областей.
Когда скорость считывания изменений магнитного поля больше средней скорости переориентации отдельных вейсовых областей, может производиться привязка отдельных областей и их размера к месту напряженности магнитного поля, так как эти области сначала переориентируются в области более высоких напряженностей поля.
Напряженность магнитного поля или, соответственно, скорость изменения напряженности поля может меняться, чтобы постепенно добавлять информацию о более глубоких слоях материала и таким образом получать профиль глубины средних размеров вейсовых областей.
Таким образом мы генерируем описание профилей твердости и прочности материала, а также описание распределения дефектов материала, если они сказываются на проявлении микродиполей.
Пример:
3
3
6
Пусть средний размер кристалла составляет 10 мкм. Релевантный размер поля пусть будет 4×8 х 2 мм, то есть 64 мм. Тогда в целом влиянию подвергаются прибл. 64*10 микродиполей.
При скорости считывания 100 МГц и времени до намагничивания насыщения одна секунда могут описываться приращения магнитного поля отдельных диполей.
Изменение ориентации оси спина электрона одного отдельного электрона может осуществляться только определенными квантованиями.
Соседние электроны в одной вейсовой области находятся друг с другом в магнитной ориентации, то есть имеют скоординированные направления осей спина. Когда начинается скачкообразное вращение оси спина некоторых электронов, то это приводит к ускоренному перевороту всех соседних, которые и так уже испытывают подобную напряженность внешнего магнитного поля. При этом, когда скорость этого процесса изменения направления максимальна, происходит как бы импульсное возрастание магнитного поля на порядок величины магнитного поля выравниваемой вейсовой области применительно к направлению внешнего магнитного поля. Именно эти быстрые изменения вейсовой области, которые накладываются на все магнитное поле, регистрируются при нашей аналитической оценке.
С возрастающим количеством выровненных или, соответственно, практически выровненных микродиполей все сильнее нарастает результирующее общее магнитное поле.
Путем умелого изменения внешнего магнитного поля может компенсироваться этот лавинообразный эффект, который затем отражается в прохождении кривой гистерезиса общего магнитного поля, так что мы достигаем по возможности линейного прохождения прироста напряженности поля.
За этим стоит предпочтительное намерение, достичь при заданной максимальной скорости считывания для наилучшего возможного выявления поведения всех содержащихся в рассматриваемом объеме кристаллов при изменении направления.
Кристаллы, которые имеют идентичную разность пространственного угла между ориентацией их внутреннего магнитного поля и внешнего магнитного поля, и лежат в областях идентичной напряженности внешнего поля, могут не отличаться по своему поведению вращения. Дополнительно они подвергаются также воздействиям окружающих их кристаллитов, которые, конечно, тоже изменяют магнитное поле в целом, а также в микродиапазоне. Тем не менее, возможно наличие кристаллов, поведение которых выделить невозможно. Поэтому кажется также целесообразным использовать результаты измерений, которые описывают не полное выявление, а скорее суммарные эффекты изменений магнитного поля.
Это подход изобретение может использовать, чтобы проводить измерение за гораздо более короткое время. Достигается компромисс между полной регистрацией всех влияний кристаллов и одним очень быстрым измерением.
Возможно также, чтобы это высокоразрешающее измерение проводилось с новыми материалами, и эти результаты затем использовались для калибровки заметно более быстрых, но с более низким разрешением измерений.
Для этого способа необходимо изменяющееся в данном объеме материала магнитное поле. Это может достигаться, напр., путем наведения магнитного поля, напряженность которого изменяется в течение желаемого периода времени, и/или когда материал продвигается через статическое магнитное поле.
Если кристаллическая структура (напр., вследствие других состояний твердости) материала изменяется, то это отражается в измененном распределении приростов магнитного поля. При этом изобретение создает возможность проводить измерения также на движущихся материалах, напр., во время производственных процессов.
Измерительные зонды могут размещаться в установке для волочения проволоки или другой установке для непрерывной деформации, чтобы анализировать материал на всей его длине во время деформации на отклонения и получать информацию о фактических прочностях и других механических свойствах.
Благодаря применению повторных измерений могут анализироваться разные элементы объема материала, также могут исследоваться изменения во времени, напр., при охлаждении в процессе закалки.
При этом может наблюдаться опускание температуры ниже температуры Кюри и протекание эффектов кристаллизации.
Измерительные зонды могут вставляться непосредственно в штамп для горячей деформации и закалки стальных листов, и процесс кристаллизации и вместе с тем закалка может наблюдаться на месте.
Наряду с анализом кристаллитной структуры материала, могут также обнаруживаться макроскопические дефекты, такие как трещины или усадочные раковины, когда они находятся в области анализа магнитного поля.
Благодаря быстрым измерениям изобретение делает возможным полное считывание поверхностей деталей или, соответственно, слоев деталей.
В частности, для поверхностно закаленных сталей полезен анализ до глубины закалки. Именно эти области материала особенно нагружаются как в процессе закалки, так и позднее при использовании детали.
Для деталей серийного изготовления может соответственно составляться карта изменения магнитного поля, которая получается во время сканирования релевантных слоев материала. Тогда поведение каждой следующей детали может сравниваться с этой картой и непосредственно протоколироваться отклонения.
Предлагаемый изобретением способ пригоден, напр., для обнаружения новых зон закалки в шлифованных поверхностях, которые возникают при изготовлении подшипников или зубчатых колес.
Примеры
Фиг.1 иллюстрирует зависимость от времени магнитного поля H после магнитного возбуждения путем наведения синусоидально модулированного внешнего магнитного поля на образце ферромагнитного материала. Изображены доли фазовых превращений изменений результирующего магнитного поля. (фильтр верхних частот с предельной частотой прибл. 1000 Гц, скорость считывания 50 МГц, понижение разрешения до 6 МГц). Период синуса составляет, как можно видеть, 50 Гц. Изображено полное прохождение характеристики гистерезиса. Способы уровня техники ограничиваются этой аналитической оценкой.
Фиг.2 представляет собой изображение в предлагаемой изобретением системе время-частота с высокой разрешающей способностью по частоте в области частоты, так что различимы микромагнитные эффекты. Наряду с двумя полями основной эмиссии, каждое из которых здесь привязано к одному, здесь магнитному, импульсу возбуждения, видны много характерных вторичных эмиссий. График частота-время представляет собой уникальную признак, из которого могут выводиться заключения о микромагнитных процессах.
На фиг.3 показаны основные эмиссии с фиг.2 с изменением частоты, времени и амплитуды.
На фиг.4A показаны основные эмиссии с проекцией на ось времени. На фиг.4B-4D показаны альтернативные формы сигнала. Так при любом, также не магнитном возбуждении, по форме сигнала может делаться заключение о свойстве материала. Возрастает ли форма сигнала более круто, чем падает, фиг.4B, или возрастает более полого, чем падает, фиг.4C, или содержит двойное (фиг.4D, 4E) или многократное колебание, является важным для характеристики свойств материала, инструмента или процесса. В частности, по форме сигнала, проецированной ли, как на фиг.4, или в сечении фиг.2, или многомерно аналитически оцененной, как на фиг.2, 3, может получаться информация касательно твердости материала, собственного напряжения, микроструктуры, легирующих элементов и т.д.
На фиг.5 показаны основные эмиссии с проекцией на ось частоты.
Целесообразным образом частота возбуждения меняется или выбирается различной в зависимости от цели аналитической оценки. При высокой частоте глубина проникновения в материал меньше, чем при низкой частоте. Поэтому может быть целесообразно при возбуждении пересекать некоторый частотный диапазон, чтобы регистрировать свойства материала в зависимости от глубины материала.
Например, в показанном на фиг.6 примере осуществления посредством сенсора 1 магнитного поля может считываться поверхность вращающегося колеса 2, напр., бандажа колеса поезда, или плоского материала 3, напр., плиты, с составлением профиля свойств материала, в частности профиля твердости или прочности, данной поверхности, при этом предпочтительно может иметься возможность регистрации свойства материала как функции расстояния до поверхности.
Предлагаемый изобретением способ может также использоваться при оценке сварных швов. Так, при считывании сварного шва может получаться, в частности, дифференцированное по глубине заключение о качестве сварного шва, прочности и пр., и могут распознаваться дефекты, такие как, например, трещины.
Особенно предпочтительно предлагаемые изобретением способы, устройства и применения могут использоваться при мониторинге процессов.
Например, при волочении проволоки проволока 4, которая волочится по стрелке 5 из устройства для волочения проволоки, может двигаться вдоль сенсора 6 магнитного поля или нескольких сенсоров 6' магнитного поля при регистрации магнитного поля объема материала, регистрируемого сенсором магнитного поля. Возбуждение осуществляется целесообразным образом с помощью устройства 7, напр., в виде намагничивания 8. Последующее в направлении 5 волочения устройство 7' может быть предусмотрено для размагничивания 8'
Вместо проволоки 4 мимо сенсора 6 магнитного поля может также проводиться плоский материал, напр., лист 4.
Сыпучий материал 9, например, винты, могут падать через устройство 7 по стрелке 10, следуя силе тяжести, и при этом регистрироваться сенсором 6 магнитного поля, см. фиг.8.
Устройство (устройства) 7, 7'… и сенсор (сенсоры) 6, 6'… магнитного поля могут располагаться вообще вдоль любых путей материала.
Для этих вариантов мониторинга процесса является общим, что при стационарном расположении сенсора магнитного поля непрерывный поток материала делает возможным по существу полный контроль. Могут регистрироваться твердость, колебания плотности материала, волнистости поверхности, диаметр проволоки и тому подобное.
Возбуждение, которое в вышеназванных примерах предпочтительно осуществляется магнитным или электрическим способом, может также выполняться иначе.
Так механическое воздействие на заготовку, в частности пластическая и/или упругая деформация или обработка со снятием стружки и тому подобное, вызывает допускающее регистрацию изменение магнитного поля, в частности у ферро- или парамагнитного или металлического материала. В качестве примера на фиг.9 изображено устройство 11 для волочения проволоки, включающее в себя пластическую и при необходимости упругую деформацию 12 и сенсор 6 магнитного поля. Путем предлагаемой изобретением регистрации и аналитической оценки магнитного поля, возникающего вследствие деформации 12, может регистрироваться качество деформации. Также могут констатироваться изменения толщины, волны поверхности или дефекты, а также обрыв проволоки и другое тому подобное.
Все варианты осуществления изобретения предпочтительно применимы к ферромагнитному материалу, а также к парамагнитному материалу или к немагнитному материалу. Если, например, плита 4 на фиг.7 из полимерного материала, с помощью устройства 7 и сенсора 6 по характеристике гистерезисных потерь плиты 4 могут получаться заключения о плите 4 в отношении толщины, дефектов, таких как перфорации или включения материала либо изменения плотности или трещины или тому подобное, волнистости поверхности и т. д. Изобретение применимо также к современным композитным полимерным материалам или полимерным материалам с примесью частиц. Здесь может контролироваться, например, плотность частиц, равномерность распределения частиц, качество композита, а также распознаваться дефекты, такие как, например, дефектные соединения и отслаивания у плоских композитных материалов или включения, или тому подобное.
Другим применением является мониторинг процесса при закалке, в частности закалке под прессом. При этом возбуждением служит деформация и/или нагрев материала. Магнитное поле изменяется во время охлаждения или, соответственно, во время деформации и после деформации. Путем регистрирования магнитного поля могут наблюдаться и аналитически оцениваться процессы кристаллизации. Возможны заключения о степени кристаллизации и микроструктуре, или может регистрироваться момент времени, в который материал может извлекаться из формы, потому что процесс закалки закончен. Помимо этого, возможно получение уже упомянутой информации, такой как дефекты (образование трещин при охлаждении, также применительно к микротрещинам, разрушениям и пр.) и возможна оптимизация процесса путем регистрации параметров материала во время изменения параметров процесса температуры, давления деформации, скорости нагрева, скорости охлаждения, профиля температуры как функции времени, скорости или профиля деформации и пр.
Применительно к технике аналитической оценки изобретение предпочтительно предусматривает работу с векторами показателей. При этом вектор показателя представляет собой набор из n отдельных значений, таких как распределение частоты, однократные и многократные пики, повышение пика, магнитное поле и пр. Такой вектор показателя может браться за образец для известных свойств и затем сравниваться с векторами показателя, зарегистрированными при контроле, с целью определения свойств материала и/или процесса.