УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОЭРЦИТИВНОЙ СИЛЫ МАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Полезная модель относится к области неразрушающего контроля физико-механических свойств материалов, а именно к магнитной структуроскопии изделий из ферромагнитных материалов путем измерения их коэрцитивной силы, и может найти широкое применение в машиностроении, металлургии, техническом надзоре и других областях техники.
Преимущественное направление применения устройств для измерения коэрцитивной силы магнитных материалов (магнитных структуроскопов) - это контроль напряженно-деформированного состояния и остаточного ресурса металлоконструкций грузоподъемных механизмов, трубопроводов, котлов, сосудов под давлением и т.д., а также традиционный неразрушающий контроль механических свойств металлопродукции.
Известно устройство для измерения коэрцитивной силы магнитных материалов (авторское свидетельство СССР №1439513, кл. G01R 33/12, опубл. 23.11.88), содержащее намагничивающий блок, в который помещается контролируемый образец, блок съема сигнала, измерительный элемент, тиристор, управляемый резистор, диод, измерительный блок, токосъемный элемент, блок задержки, аналоговый ключ и пиковый детектор. Выход блока съема сигнала подключен к последовательно соединенным токосъемному элементу, управляющему резистору и управляющему электроду тиристора, подключенного параллельно измерительному элементу, включенному последовательно с намагничивающим блоком. Выход токосъемного элемента через последовательно соединенные блок задержки, аналоговый ключ и детектор подключен к управляющему входу управляемого резистора. Выход измерительного элемента через диод подключен к измерительному блоку, а управляющий вход аналогового ключа соединен с выходом токосъемного элемента.
Недостатками этого устройства являются низкая точность и нестабильность измерений вследствие отсутствия цикла магнитной подготовки, предусмотренного ГОСТ 8.377-80 и 8.268-77, повышенное энергопотребление, отсутствие индикации результатов измерений в единицах коэрцитивной силы. Индикация результатов измерений в единицах тока размагничивания не позволяет сделать сопоставимыми результаты измерений на приборах различного типа или однотипных приборах, но на разных объектах, т.к. этот параметр не является стандартизуемым для магнитных характеристик. Он сильно различается для приборов разного типа при работе с одним и тем же контрольным образцом и сильно зависит от шероховатости поверхности контролируемого материала при измерении однотипным прибором при неизменных свойствах объекта контроля. Величина отношения чувствительности к шероховатости не постоянна для различных исполнений прибора. Собственный коэффициент чувствительности, индивидуальный для каждого прибора, затрудняет сравнение данных контроля, выполненных приборами различного типа на одном и том же материале. Кроме того, результаты измерений в значительной степени зависят от колебаний немагнитного зазора между полюсами электромагнита и поверхностью ферромагнитного объекта контроля.
Известно также устройство - магнитный структуроскоп (авторское свидетельство СССР №1128154, кл. C01N 27/72, опубл. 07.12.84), содержащий последовательно соединенные источник намагничивающего тока, первый коммутатор (реле), электромагнит с датчиком поля (феррозондом), последовательно соединенные второй коммутатор и аналого-цифровой преобразователь (цифровой измеритель тока), два компаратора, сигнальные входы которых соединены попарно между собой, источник опорных напряжений, выходы которого подключены к управляющим входам обоих компараторов, индикатор, первый и второй входы которого подключены (через одновибраторы и детекторы среднего значения) соответственно к выходам первого и второго компараторов, генератор тока, усилитель постоянного тока, включающий в себя формирователь сигнала управления током размагничивания и преобразователь «напряжение - ток», блок управления, первый выход которого соединен с управляющим входом источника намагничивающего тока, второй выход - с первым управляющим входом первого коммутатора, а третий выход подключен к управляющему входу усилителя постоянного тока и одному из входов формирователя сигнала запуска цифрового измерителя тока (АЦП), амплитудный детектор компенсационного типа, связанный своим входом с измерительной обмоткой феррозонда и первыми входами обоих компараторов, а выходом - со вторыми входами этих компараторов.
Недостатками этого магнитного структуроскопа являются пониженная точность и недостаточное быстродействие, что обусловлено отсутствием контура автоматического регулирования тока компенсации остаточного намагничивания, а также отсутствие индикации результатов измерений в единицах коэрцитивной силы. У него также результаты измерений в значительной степени зависят от колебаний немагнитного зазора между полюсами электромагнита и поверхностью ферромагнитного объекта контроля.
Наиболее близким устройством того же назначения к заявленной полезной модели по совокупности признаков и принятым за прототип является устройство (патент РФ 108639, кл. G01R 33/12, опубл. 20.09.2011) для измерения коэрцитивной силы магнитных материалов, намагниченных с поверхности двухполюсным электромагнитом, содержащее два датчика магнитного поля с параллельными друг другу осями чувствительности, расположенные на рабочей поверхности устройства, датчики магнитного поля подключены к измерительному преобразователю и индикатору, проградуированному в единицах измерения коэрцитивной силы
Основным недостатком этого устройства является наличие большой погрешности измерений, обусловленной значительными колебаниями немагнитного зазора между полюсами электромагнита и контролируемой поверхностью ферромагнитного объекта контроля.
Заявляемым устройством решается задача существенного повышения точности измерений при больших изменениях немагнитного зазора между полюсами электромагнита и контролируемой поверхностью ферромагнитного объекта контроля.
Указанный технический результат при осуществлении полезной модели достигается тем, что устройство для измерения коэрцитивной силы магнитных материалов, содержащее два датчика магнитного поля с параллельными друг другу осями чувствительности, расположенные на рабочей поверхности устройства, которые подключены к измерительному преобразователю и индикатор, проградуированный в единицах измерения коэрцитивной силы, дополнительно содержит цилиндрический электромагнит, расположенный под полюсом электромагнита, третий датчик магнитного поля с осью чувствительности параллельной оси электромагнита, логарифмический усилитель и блок коррекции, вход логарифмического усилителя соединен с выходом третьего датчика магнитного поля, а выход блока коррекции подключен к одному из входов блока коррекции, другой вход которого соединен с выходом измерительного преобразователя, а выход - с индикатором.
В устройстве оба электромагнита могут быть объединены в единый блок, при этом цилиндрический электромагнит располагается в центре между полюсами двухполюсного электромагнита.
В предложенном устройстве высокая точность достигается введением цилиндрического электромагнита с третьим датчиком магнитного поля и специальным алгоритмом обработки его сигнала, который будет пояснен ниже.
Сущность полезной модели поясняется чертежом на котором представлена функциональная схема устройства для измерения коэрцитивной силы магнитных материалов.
Устройство состоит из двухполюсного электромагнита 1, цилиндрического электромагнита 2, трех датчиков 3, 4, 5 магнитного поля, измерительного преобразователя 6, логарифмического усилителя 7, блока 8 коррекции и индикатора 9. Датчики 3 и 4 магнитного поля расположены под полюсами двухполюсного электромагнита 1, а датчик 5 магнитного поля закреплен под полюсом цилиндрического электромагнита 2. Выходы датчиков 3 и 4 магнитного поля подключены непосредственно к входам измерительного преобразователя 6, выход датчика 5 магнитного поля соединен с одним из входов блока 8 коррекции через логарифмический усилитель 7. Другой вход блока 8 коррекции подключен к выходу измерительного преобразователя 6, а выход - соединен с индикатором 9.
С
Работает устройство следующим образом. Сначала объект контроля намагничивается с помощью цилиндрического электромагнита 2. При этом значение индукции магнитного поля в зазоре между полюсом элетромагнита 2 и ферромагнитной поверхностью контролируемого объекта определяется величиной этого зазора и с его ростом убывает по экспоненциальному закону. Значение индукции измеряется датчиком 5 магнитного поля, и сигнал с его выхода через логарифмический усилитель 7 поступает на вход блока 8 коррекции, где его величина запоминается. Затем объект контроля намагничивается с помощью двухполюсного электромагнита 1. Сигналы с выходов датчиков 3 и 4 магнитного поля передаются в измерительный преобразователь 6, где происходит их преобразование в сигнал пропорциональный коэрцитивной силе. Сигнал на выходе преобразователя 6 зависит от величины немагнитного зазора между полюсами электромагнита 1 и ферромагнитной поверхностью объекта контроля. Для устранения этой зависимости сигнал с выхода измерительного преобразователя 6 поступает в блок 8 коррекции, где производится его преобразование в значение коэрцитивной силы H по формуле:
,
И
где H - значение коэрцитивной силы, полученное в измерительном преобразователе 6;
k - константа, значение которой получена при настройке устройства;
- величина выходного напряжения, хранящаяся в памяти блока 8 коррекции логарифмического усилителя 7 при отсутствии зазора;
- выходное напряжение логарифмического усилителя 7 в процессе измерений.
Значения k и  определяются и записываются в память блока 8 коррекции один раз при настройке устройства с использованием ферромагнитной пластины с ровной чистой поверхностью и диэлектрической пластины толщиной, соответствующей максимально допустимому зазору.
C
И
Коэффициент k рассчитывается следующим образом. Измерительный преобразователь 6 устанавливается на настроечный образец, представляющий собой ферромагнитную пластину с чистой ровной поверхностью. Далее производится измерение H и . После этого между настроечной пластиной и измерительным преобразователем 6 устанавливается диэлектрическая пластина, толщина которой соответствует максимальному рабочему зазору. Производится измерение H и
Константа к после этого вычисляется по формуле:
.
Оба электромагнита могут быть изготовлены как отдельными блоками и при измерениях поочередно устанавливаться на контролируемый объект, так и могут быть объединены в единый блок, причем цилиндрический магнит располагается в центре между полюсами двухполюсного электромагнита.
Таким образом для заявленного устройства в том виде, как оно охарактеризовано и изложено в формуле полезной модели, подтверждена возможность его осуществления.
Преимущество полезной модели состоит в том, что возможность реализации предлагаемого устройства для измерения коэрцитивной силы магнитных материалов существенно повышает точность и достоверность результатов измерений за счет существенного расширения диапазона допустимых значений зазора между электромагнитом и контролируемой поверхностью. Это позволяет осуществлять магнитную структуроскопию различных объектов, таких, например, как трубопроводы, без снятия защитного покрытия.