ДАТЧИК КОЭРЦИТИМЕТРА

Полезная модель относится к области измерения магнитных параметров ферромагнитных материалов и может быть применена, например, для определения коэрцитивной силы материалов, а также свойств и напряженно-деформированного состояния различных ферромагнитных изделий.
Известны приставные (накладные) магнитные устройства для определения коэрцитивной силы ферромагнитных материалов на образцах и изделиях разнообразной формы и размеров [1]. Они содержат разомкнутый П- или С-образный магнитопровод, замыкаемый контролируемым изделием, с установленными на нем одной или двумя катушками (обмотками), соединенными с источником питания, и преобразователь магнитного поля, соединенный с источником возбуждения и преобразования сигнала. При определении коэрцитивной силы устройство устанавливается на контролируемое изделие, в катушку магнитопровода подается намагничивающий ток от источника питания, после выключения которого в катушку подается ток размагничивания (компенсации) и в момент равенства нулю или заданному значению показаний преобразователей магнитного поля производится отсчет тока, пропорционального коэрцитивной силе контролируемого изделия.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели техническим решением является устройство для определения коэрцитивной силы ферромагнитных изделий, предварительно намагниченных с поверхности двухполюсным магнитом или электромагнитом [2], содержащее двухполюсный источник магнитного поля с полюсами, примыкающими к рабочей поверхности устройства, и два преобразователя магнитного поля, каждый из которых установлен у соответствующего полюса источника, с осью чувствительности, перпендикулярной рабочей поверхности устройства. Преобразователи включены последовательно-встречно по отношению к однородным магнитным полям (последовательно-согласно по отношению к магнитному полю намагниченного изделия). Коэрцитивная сила изделия в известном устройстве определяется по величине тока компенсации, подаваемого в источник магнитного поля и соответствующего показаниям преобразователей магнитного поля, равным нулю или заданному значению.
Недостатком устройства-прототипа является сложность, обусловленная наличием источника магнитного поля в виде катушки (катушек), соединенного с соответствующим блоком питания, и устройства регулирования тока компенсации. Кроме того, известное устройство обладает низким быстродействием из-за необходимости компенсации магнитного поля в местах расположения преобразователей, а также низкой точностью, обусловленной влиянием на показания прибора внешних однородных магнитных полей, например, поля Земли.
Предлагаемая полезная модель направлена на упрощение устройства, повышение его быстродействия и точности определения коэрцитивной силы.
Указанный технический результат достигается тем, что в датчике коэрцитиметра, содержащем два преобразователя магнитного поля, расположенные на рабочей поверхности устройства на заданном расстоянии друг от друга и соединенные последовательно-согласно по отношению к магнитному полю контролируемого изделия, намагниченного двухполюсным магнитом или электромагнитом, согласно полезной модели, оси чувствительности преобразователей наклонены симметрично к рабочей поверхности с пересечением между собой со стороны, противоположной поверхности изделия, причем выходы преобразователей подключены к измерительному блоку и индикатору, проградуированному в единицах измерения коэрцитивной силы.
Оси чувствительности преобразователей наклонены к рабочей поверхности под углом α, выбранным из интервала 30°<α<90°.
Кроме того, датчик может быть дополнительно снабжен измерителем пройденного пути в направлении, перпендикулярном плоскости, проходящей через оси чувствительности преобразователей магнитного поля.
Подключение преобразователей магнитного поля к измерительному блоку и индикатору, проградуированному в единицах измерения коэрцитивной силы, позволяет упростить устройство и повысить его быстродействие за счет исключения специального источника магнитного поля с блоком питания и системы компенсации магнитного поля.
Установка осей чувствительности преобразователей магнитного поля под углом α к рабочей поверхности датчика, выбранным преимущественно из интервала 30°<α<90°, позволяет повысить точность определения коэрцитивной силы контролируемого изделия за счет снижения влияния на показания прибора однородных внешних магнитных полей, в частности поля Земли. Кроме того, это дает возможность повысить чувствительность измерительной части аппаратуры за счет увеличения полезного сигнала преобразователей при неизменной величине магнитного поля намагниченного изделия.
Применение в датчике измерителя пройденного пути в направлении, перпендикулярном плоскости, проходящей через оси чувствительности преобразователей магнитного поля, дает возможность расширить функциональные возможности прибора, автоматизировать процесс измерения, упростить обработку данных и документирование результатов измерений.
1
Датчик коэрцитиметра поясняется чертежами, где на фиг.1 показаны точки О и O расположения преобразователей магнитного поля по отношению к остаточному магнитному полю контролируемого изделия после намагничивания его двухполюсным магнитом и соответствующие векторы магнитной индукции; на фиг.2 - расположение векторов магнитной индукции намагниченного изделия и однородного внешнего магнитного поля в точке О над намагниченным изделием; на фиг.3 - то же при противоположном направлении внешнего магнитного поля.
1
Датчик состоит из двух преобразователей 1 и 2 магнитного поля, например, преобразователей Холла, (фиг.1), установленных в точках О и O на рабочей поверхности устройства (плоскости, прилегающей к поверхности контролируемого изделия) на расстояниях b друг от друга и t от поверхности контролируемого изделия 3, намагниченного двухполюсным магнитом или электромагнитом (на фигуре не показан). Преобразователи включены последовательно-согласно по отношению к магнитному полю намагниченного изделия, а их оси чувствительности наклонены симметрично в сторону нейтральной плоскости датчика (на фиг.1 показана пунктиром) со стороны, противоположной поверхности изделия, под углом α к рабочей поверхности.
Датчик может быть снабжен измерителем пройденного пути в направлении, перпендикулярном плоскости, проходящей через оси чувствительности преобразователей магнитного поля (на фиг.1 не показан).
Датчик коэрцитиметра работает следующим образом. После намагничивания контролируемого изделия 3 (фиг.1) двухполюсным магнитом (электромагнитом или на основе постоянного магнита) и удаления последнего на изделие устанавливается датчик, нейтральная плоскость которого совпадает с нейтральной плоскостью магнитного поля изделия. Благодаря высокому коэффициенту размагничивания участков изделия, намагниченных с поверхности двухполюсным магнитом, магнитное поле (магнитная индукция, измеряемая преобразователями 1 и 2 магнитного поля) над намагниченным участком изделия однозначно и линейно связано с коэрцитивной силой материала данного участка. При фиксированном расположении преобразователей магнитного поля на рабочей поверхности датчика и неизменном зазоре между датчиком и поверхностью изделия прибор может быть непосредственно проградуирован в единицах измерения коэрцитивной силы, например, в А/см.
При отсутствии внешних (сторонних, паразитных) однородных магнитных полей в указанном датчике могут быть использованы любые составляющие векторов магнитной индукции, например, касательная или нормальная к поверхности изделия составляющие. Однако при наличии таких полей появляется погрешность измерения, которую не удается устранить даже встречным включением преобразователей по отношению к однородным магнитным полям, как это сделано в устройстве-прототипе [2]. Объясняется это следующим образом.
На фиг.2 показано распределение векторов магнитной индукции в точке О (фиг.1) над намагниченным изделием при наличии внешнего однородного магнитного поля, направленного против остаточной намагниченности изделия. Здесь вектор ОА представляет собой магнитную индукцию намагниченного изделия в отсутствие внешнего поля, вектор OВ - магнитную индукцию внешнего поля, вектор ОС - магнитную индукцию изделия, обусловленную воздействием на него внешнего поля (направлен встречно по отношению к исходному вектору магнитной индукции поля изделия), вектор OD - суммарную магнитную индукцию изделия, вектор ОЕ - суммарную магнитную индукцию изделия и внешнего поля. Как видно из фиг.2, воздействие на изделие внешнего магнитного поля указанного направления приводит к увеличению касательной составляющей магнитного поля изделия (отрезок Ok вместо Of) и уменьшению нормальной составляющей этого поля (отрезок Оl вместо Оm). В то же время видно, что если ось чувствительности преобразователя установить под углом α к рабочей поверхности датчика, то составляющая магнитного поля изделия на эту ось остается неизменной (отрезок On).
Аналогичное соотношение векторов магнитной индукции имеет место и при противоположном направлении внешнего магнитного поля (фиг.3). Здесь благодаря воздействию внешнего поля на намагниченное изделие суммарный вектор магнитной индукции изделия увеличивается по сравнению с исходным значением (отрезок OD больше ОА). Несмотря на это составляющая векторов магнитной индукции изделия на ось чувствительности, установленную под углом α к рабочей поверхности датчика, также остается неизменной (отрезок On). Из построений на фигурах 2 и 3 можно видеть, что независимость показаний преобразователя от внешнего магнитного поля имеет место при любом значении остаточного магнитного поля изделия. Сохраняется она и при изменении величины внешнего магнитного поля, поскольку остается неизменным соотношение векторов OВ и ОС.
Из фигур 2-3 видно также, что составляющая вектора магнитной индукции изделия благодаря наклону оси чувствительности преобразователя в сторону основного вектора оказывается больше, чем нормальная составляющая этого вектора. Таким образом, наклон оси чувствительности преобразователя магнитного поля на угол α способствует повышению чувствительности измерительной части прибора.
Экспериментальные исследования показывают, что в зависимости от расстояния t преобразователей магнитного поля от поверхности изделия (фиг.1) и расстояния (базы) b между преобразователями углы наклона α преобразователей, при которых имеет место независимость показаний датчика от внешних однородных магнитных полей, лежат преимущественно в интервале от 30° до 90°. При заданных параметрах t и b величина а подбирается эмпирически и после установки преобразователей магнитного поля остается неизменной.
При применении передвижных намагничивающих устройств, когда в контролируемом изделии образуется остаточная намагниченность в направлении, перпендикулярном направлению перемещения устройства, датчик коэрцитиметра может использоваться как для локальных измерений коэрцитивной силы материала в заданном месте намагниченной полосы, так и для измерений в сканирующем режиме. В этом случае датчик может быть снабжен измерителем расстояния для получения зависимости коэрцитивной силы от пройденного пути.
Отсутствие в датчике коэрцитиметра источников магнитного поля, используемых для размагничивания намагниченных участков изделия (например, катушек компенсации, как в устройстве-прототипе), дает возможность многократного измерения коэрцитивной силы материала намагниченного участка изделия без разрушения его остаточной намагниченности. Кроме того, появляется возможность мониторинга остаточного магнитного поля намагниченного изделия при воздействии на него различных факторов, например, изменения напряженно-деформированного состояния.
Источники информации
1. Горкунов Э.С., Захаров В.А. Коэрцитиметры с приставными магнитными устройствами (обзор). - Дефектоскопия, 1995, №8, с.69-88.
2. Приставное магнитное устройство. Описание изобретения по патенту на полезную модель РФ №99188, G01R 33/12.