МАГНИТНЫЙ СТРУКТУРОСКОП

]Полезная модель относится к области определения структуры ферромагнитных материалов путем исследования их магнитных характеристик и может быть использована для определения механических свойств и напряженно-деформированного состояния изделий из ферромагнитных материалов.
Известен магнитный структуроскоп на основе приставного устройства коэрцитиметра (Авт. свид. СССР №1205089, 1986). Он содержит двухполюсное намагничивающее устройство в виде разомкнутого магнитопровода с обмоткой перемагничивания и датчик магнитного поля, расположенный между полюсами магнитопровода у рабочей поверхности структуроскопа.
Наиболее близким к предлагаемому устройству техническим решением является приставное устройство коэрцитиметра (патент РФ №2035745, 1995 - прототип). Оно содержит двухполюсное намагничивающее устройство в виде разомкнутого магнитопровода с обмоткой перемагничивания и датчик магнитного поля, расположенный между полюсами магнитопровода у рабочей поверхности структуроскопа, причем центр датчика расположен в нейтральной плоскости намагничивающего устройства, а его ось чувствительности перпендикулярна указанной плоскости.
Недостаток известных устройств - высокое энергопотребление за счет применения электромагнитов для намагничивания контролируемого изделия. Кроме того, известные устройства обладают ограниченными функциональными возможностями, поскольку не позволяют вести непрерывный контроль структурного состояния ферромагнитных изделий в процессе их эксплуатации, например, непрерывное измерение магнитного параметра, коррелирующего с механическими напряжениями и усталостным состоянием изделий.
Техническим результатом предлагаемого технического решения является снижение энергопотребления устройства за счет исключения электромагнита и расширение функциональных возможностей структуроскопа за счет непрерывного определения параметра контроля в условиях стабильного намагничивающего поля постоянных магнитов.
Указанный технический результат достигается тем, что в магнитном структуроскопе, содержащем двухполюсное намагничивающее устройство и датчик магнитного поля, расположенный между его полюсами, с осью чувствительности, перпендикулярной нейтральной плоскости намагничивающего устройства, и центром, расположенным в указанной плоскости, согласно предложению, намагничивающее устройство выполнено на основе постоянного магнита.
Устройство может быть дополнительно снабжено немагнитными накладками на полюса намагничивающего устройства, а датчик магнитного поля выполнен подпружиненным по отношению к поверхности контролируемого изделия.
Выполнение намагничивающего устройства на основе постоянного магнита позволяет снизить энергопотребление устройства за счет исключения элементов (обмоток, катушек и т.п.), требующих больших токов намагничивания. Это, в свою очередь, дает возможность непрерывно определять параметр контроля (напряженность магнитного поля или магнитная индукция у поверхности контролируемого изделия в межполюсном пространстве намагничивающего устройства), что существенно расширяет функциональные возможности структуроскопа.
Введение немагнитных накладок на полюса намагничивающего устройства обеспечивает возможность выбора необходимого диапазона измерения напряженности магнитного поля в межполюсном пространстве намагничивающего устройства, а также выбора необходимого усилия притяжения структуроскопа к контролируемому объекту.
Выполнение датчика магнитного поля подпружиненным по отношению к поверхности контролируемого изделия дает возможность повысить точность определения параметра контроля за счет снижения влияния непостоянства зазора между датчиком и поверхностью контролируемого изделия в случае жесткого закреплении датчика у рабочей поверхности структуроскопа.
τ
и
τ
Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг. 1 показан общий вид структуроскопа, на фиг. 2 - структуроскоп с подпружиненным датчиком магнитного поля, на фиг. 3 - эквивалентная схема магнитной цепи структуроскопа и контролируемого изделия, на фиг. 4 - вебер-амперная характеристика магнитной цепи, на фиг. 5 - зависимость напряженности магнитного поля Н от магнитной проницаемости µ образцов, на фиг. 6 - зависимость параметра Н от расстояния t между датчиком магнитного поля и образцом.
Магнитный структуроскоп (фиг. 1, 2) содержит корпус 1 из немагнитного материала, на котором закреплены двухполюсное намагничивающее устройство на основе постоянных магнитов 2 и датчик 3 магнитного поля, расположенный между полюсами магнитов у рабочей поверхности структуроскопа (поверхности, взаимодействующей с поверхностью контролируемого ферромагнитного изделия 4). Со стороны, противоположной рабочей поверхности, магниты 2 соединены магнитопроводом 5 из ферромагнитного материала. Центр датчика 3 магнитного поля расположен в нейтральной плоскости намагничивающего устройства (показана пунктиром на фиг. 1, 2) с осью чувствительности, перпендикулярной указанной плоскости. Устройство может быть дополнительно снабжено немагнитными накладками 6 (фиг. 2) на полюса постоянных магнитов 2.
Датчик 3 магнитного поля (фиг. 2) может быть выполнен подпружиненным по отношению к поверхности контролируемого изделия 4, например, с помощью упругого элемента 7 между датчиком (держателем датчика) и магнитопроводом 5.
τ
τ
о
τ
Структуроскоп работает следующим образом. При установке структуроскопа на контролируемое изделие 4 (фиг. 1, 2) происходит его намагничивание под действием двухполюсного устройства на постоянных магнитах 2 с магнитопроводом 5, закрепленного на корпусе 1. С помощью датчика 3 магнитного поля осуществляется измерение касательной составляющей напряженности магнитного поля Η либо магнитной индукции Β=µН в межполюсном пространстве устройства. По величине этих параметров определяют структуру ферромагнитного материала контролируемого изделия и связанные (коррелирующие) с ней механические свойства или напряженно-деформированное состояние изделия. Благодаря отсутствию элементов с большим энергопотреблением, устройство позволяет производить непрерывный длительный контроль (мониторинг) состояния ферромагнитных изделий. При этом не требуется специальных механизмов удержания структуроскопа на поверхности объекта.
С помощью немагнитных прокладок 6 (фиг. 2) может быть подобран диапазон измерения магнитного параметра, а также, при необходимости, усилие притяжения и удержания устройства на поверхности контролируемого объекта.
Датчик 3 (фиг. 2) может быть подпружинен по отношению к поверхности контролируемого изделия 4 с помощью упругого элемента 7 для повышения точности измерения магнитного параметра за счет исключения влияния неконтролируемого расстояния (зазора) между датчиком и поверхностью объекта контроля.
В основе метода контроля с помощью предлагаемого структуроскопа лежат следующие предпосылки. Магнитная цепь структуроскопа (фиг. 3) без учета бокового рассеяния магнитного поля у постоянных магнитов, магнитопровода и у изделия может быть представлена элементами:
c
с
пм
с
пм
F=Нl - магнитодвижущая сила (м.д.с.) постоянных магнитов как источников магнитного потока Φ в цепи, где Н - коэрцитивная сила магнита, l - длина магнита в направлении его намагниченности (на фиг. 1 и 2 показана стрелками);
пм
пм
о
пм
пм
ο
пм
пм
R=l/µµS - внутреннее сопротивление магнита, где µ - магнитная постоянная; µ - относительная магнитная проницаемость магнита на спинке петли гистерезиса; S - площадь поперечного сечения магнита;
м
м
о
м
м
м
м
R=l/µµS - магнитное сопротивление магнитопровода, где µ - относительная магнитная проницаемость материала магнитопровода; S - площадь поперечного сечения магнитопровода;
п
ο
пм
R=δ/µS - немагнитный (например, воздушный) промежуток (зазор) δ между полюсами магнитов и поверхностью контролируемого изделия;
и
и
о
и
и
и
и
и
R=l/µµS - магнитное сопротивление изделия, где l - средняя длина магнитной силовой линии в изделии; µ - относительная магнитная проницаемость материала изделия на кривой намагничивания; S - площадь поперечного сечения изделия.
1
2
1
1
и
2
2
и
c
1
1
и1
1
c
1
1
м
пм
п
2
2
и2
2
c
2
2
м
пм
п
1
2
и1
и2
Σ
м
пм
п
Σ
пм
м
пм
п
На фиг. 4 показано распределение падений магнитных потенциалов U на указанных выше магнитных сопротивлениях для двух случаев, соответствующих различным магнитным характеристикам материала изделий - вебер-амперная характеристика 1 как зависимость Ф(U) и вебер-амперная характеристика 2 как зависимость Φ(U), где Φ=BS и Ф=BS - магнитные потоки в изделии, соответствующие кривым намагничивания двух материалов. В первом случае суммарная м.д.с. 2F постоянных магнитов распределяется между падением магнитного потенциала на изделии U=ФR и падением потенциала на других последовательно соединенных магнитных сопротивлениях - ΔU=2F-U=Φ(R+2R+2R). Во втором случае имеем: падение магнитного потенциала на изделии U=ΦR; падение потенциала на других магнитных сопротивлениях - ΔU=2F-U=Φ(R+2R+2R). На фиг. 4 тангенсы углов α, α и β соответствуют магнитным сопротивлениям R, R и R=(R+2R+2R). Полагаем, что сопротивление R=tgβ остается постоянным при изменении магнитной проницаемости изделия, поскольку сопротивления R близки к сопротивлению воздуха (магнитная проницаемость постоянных магнитов на спинке петли гистерезиса близка к 1), а сопротивление магнитопровода R значительно меньше (практически в сотни-тысячи раз) сопротивления (2R+2R) из-за высокой проницаемости материала магнитопровода. В связи с этим зависимость Ф(ΔU) на фиг. 4 представлена прямой, проведенной под углом β к оси Ф.
м
пм
п
и
i
1
i1
и
2
i2
и
и
i
Как видно из фиг. 4, благодаря наличию в магнитной цепи структуроскопа магнитных сопротивлений R, R и R изменение магнитного сопротивления изделия, обусловленного изменением его магнитной проницаемости µ, приводит к изменению магнитного потенциала на нем. С другой стороны, как известно, падения магнитных потенциалов на изделии пропорциональны напряженности поля внутри него («внутреннему полю» H), т.е. для двух сравниваемых случаев имеем: U=Нl и U=Hl. Соответственно, изменения магнитной проницаемости изделия µ, при неизменных параметрах намагничивающего устройства и геометрических размеров изделия, приводят к изменению «внутреннего поля» H.
τ
τ
i
τ
i
Это открывает возможность контролировать изменение магнитной проницаемости изделия, измеряя «внутреннее поле» в нем. Последнее может быть определено путем измерения касательной составляющей напряженности магнитного поля Η у поверхности изделия в нейтральной плоскости намагничивающего устройства, основываясь на равенстве Η на поверхности и H под поверхностью изделия. Более того, как показывают экспериментальные исследования, для контроля за изменением магнитной проницаемости изделия может быть использована напряженность Η, измеренная на некотором удалении от его поверхности, поскольку она оказывается пропорциональной H. При этом за счет подбора зазора δ между полюсами магнитов и поверхностью контролируемого изделия можно задавать необходимый диапазон изменений показаний датчика магнитного поля.
τ
и
1
2
3
В качестве примера на фиг. 5 показаны зависимости напряженности Η магнитного поля, измеренные датчиком структуроскопа (датчик Холла с минимальным расстоянием t оси чувствительности до поверхности контролируемого изделия 0,8 мм), от магнитной проницаемости µ трех образцов с одинаковыми габаритными размерами (58×28×8 мм), изготовленных из различных материалов: Ο - армко-железо (отжиг); Ο - сталь 45 (состояние поставки); О - сталь ШХ15 (состояние поставки). Образцы намагничивались со стороны поверхности 58×28 мм двухполюсным намагничивающим устройством (фиг. 1) на базе постоянных магнитов из сплава Nd-Fe-B с шириной полюсов 12 мм и расстоянием между внутренними кромками полюсов 30 мм. Полюсы снабжены немагнитными накладками толщиной 1,6 мм.
и
1
2
3
i
i
τ
i
Магнитные проницаемости µ образцов Ο, О и О были определены по кривым намагничивания материалов В(H) с использованием экспериментальных значений H. Для этого вначале для всех образцов были сняты зависимости напряженности магнитного поля Η от расстояния t между датчиком и поверхностью образца (фиг. 6), а затем путем экстраполяции показаний на поверхность образца (t=0) получены значения напряженности магнитного поля на поверхности образца («внутреннее поле» H).
i
τ
i
τ
i
и
Как видно из фиг. 5, 6, для контроля за изменением магнитной проницаемости изделия может быть использовано не только «внутреннее поле» H, но и напряженность поля Η, измеряемая на значительном удалении от поверхности изделия H, что существенно упрощает устройство. Диапазон изменения измеряемых параметров материала контролируемых изделий (напряженности магнитного поля Η, пропорционального «внутреннему полю» Η и, соответственно, магнитной проницаемости µ) может быть задан путем выбора толщины накладок на полюсы намагничивающего устройства, а также параметрами его постоянных магнитов.
Таким образом, благодаря однозначной связи параметра магнитного поля, измеряемого в межполюсном пространстве намагничивающего устройства структуроскопа, с магнитной проницаемостью контролируемого изделия, появляется возможность непрерывного, с небольшими энергозатратами, определения структурного состояния изделий, в частности, напряженно-деформированного или усталостного состояния объектов, находящихся в эксплуатации.