СПОСОБ ЛОКАЛЬНОГО ИЗМЕРЕНИЯ КОЭРЦИТИВНОЙ СИЛЫ ФЕРРОМАГНИТНЫХ ОБЪЕКТОВ
METHOD FOR LOCAL MEASUREMENT OF COERCITIVE FORCE OF FERROMAGNETIC OBJECTS

Изобретение относится к области измерений магнитных свойств ферромагнитных объектов для неразрушающего контроля их прочностных, пластических или иных эксплуатационных характеристик.
e
i
Магнитные свойства ферромагнетиков принято разделять на свойства тела и свойства вещества. Свойства тела зависят от формы и размеров ферромагнетиков и определяются в разомкнутой магнитной цепи по измеряемым значениям намагниченности М и внешнего магнитного поля H. Свойства вещества не зависят от формы и размеров ферромагнетика и определяются по измеряемым значениям намагниченности и внутреннего магнитного поля H.
Коэрцитивная сила, измеряемая в разомкнутой магнитной цепи, практически не зависит от формы и размеров ферромагнетиков и усредняется по всему объему ферромагнетика, что не позволяет оценивать возможные неоднородности, в частности упрочненные слои [Щербинин В.Е., Горкунов Э.С. Магнитный контроль качества металлов. - Екатеринбург: УрО РАН, 1996, - 264 с.]
Наиболее часто измерения коэрцитивной силы ферромагнитных объектов проводят при помощи приставных преобразователей. Общепринятой мерой коэрцитивной силы служит величина размагничивающего тока в обмотках электромагнита при нулевом потоке в цепи "преобразователь - изделие" [Бида Г.В., Ничипурук А.П. Коэрцитиметрия в неразрушающем контроле. - Дефектоскопия, 2000, №10, с.3-28]. В некоторых случаях коэрцитивную силу оценивают по показаниям измерительного преобразователя магнитного поля, располагаемого в нейтральной плоскости П-образного электромагнита [Ульянов А.И., Захаров В.А., Мерзляков Э.Ф., Воронов С.А. Приставное устройство коэрцитиметра [Патент РФ №2035745].
Наличие и непостоянство зазора в составной магнитной цепи "измерительный преобразователь - изделие" оказывает существенное влияние на результаты локального измерения коэрцитивной силы контролируемых объектов [Бида Г.В. Влияние зазора между полюсами приставного электромагнита и контролируемой деталью на показания коэрцитиметра и способы его уменьшения. - Дефектоскопия, 2010, №11, с.62-81]. Кроме того, на результаты измерения коэрцитивной силы с помощью приставных преобразователей оказывают влияние также форма и размеры контролируемых объектов [Бида Г.В., Ничипурук А.П. Коэрцитиметрия в неразрушающем контроле. - Дефектоскопия, 2000, №10, с.3-28]. Таким образом, требуются меры для снижения соответствующих погрешностей и повышения достоверности измерений.
Уровень техники в данной области может быть охарактеризован следующими известными способами измерения коэрцитивной силы ферромагнитных объектов.
Известен способ измерения коэрцитивной силы феррозондовым коэрцитиметром [Патент РФ №2139550], включающий размещение на контролируемом участке объекта П-образного магнитопровода (содержащего намагничивающую и размагничивающую обмотки) с образованием составной магнитной цепи с зазором, намагничивание образца намагничивающей обмоткой до состояния технического насыщения, размагничивание объекта размагничивающей обмоткой и включенной встречно ей компенсационной обмоткой, установленной на феррозонде, до момента размагничивания объекта, определяемого феррозондом и измерение в этот момент величины тока размагничивания, по которому судят о величине коэрцитивной силы.
Влияние величины зазора между полюсами магнитопровода и изделием компенсируется подбором величины напряжения смещения и параметрами компенсирующей обмотки, создающей магнитный поток, противоположный размагничивающему.
Недостаток указанного способа заключается в том, что он может быть использован только для компенсации влияния постоянного зазора. Изменение зазора требует нового определения необходимого напряжения смещения и параметров компенсирующей обмотки. Для компенсации влияния изменяющегося неконтролируемого зазора этот способ не может быть использован.
Известен способ измерения коэрцитивной силы объекта коэрцитиметром [Патент РФ №2035745], включающий размещение на контролируемом участке объекта П-образного магнитопровода с перемагничивающей обмоткой, для образования составной магнитной цепи с зазором. Намагничивание образца до состояния технического насыщения и размагничивание его путем плавного увеличения, снижения и изменения полярности тока, и последующего измерения напряженности магнитного поля двумя преобразователями магнитного поля, расположенными в нейтральной плоскости магнитопровода так, что их оси чувствительности перпендикулярны указанной плоскости, по величине напряженности магнитного поля судят о величины коэрцитивной силы.
Недостаток этого способа заключается в том, что он может быть реализован только при использовании П-образных электромагнитов. Однако при контроле изделий с большой площадью поперечного сечения вследствие рассеяния магнитного потока объект вблизи нейтральной плоскости будет намагничиваться очень слабо [Михеев М.Н. Топография магнитной индукции в изделиях при локальном намагничивании их приставным электромагнитом. - Известия АН СССР, 1948, №3-4, с.68-77]. Таким образом, показания будут зависеть от размеров контролируемых объектов. Наличие зазора дополнительно ослабляет намагничивание и существенные изменения зазора оказывают влияние на результат измерения. Таким образом, указанный способ не может полностью решить задачу компенсации влияния зазора, а также формы и размеров объектов контроля на результат измерения. Дополнительным недостатком этого способа является сложность конструкции приставного преобразователя.
Наиболее близким к заявляемому способу по последовательности осуществляемых операций является способ измерения коэрцитивной силы ферромагнитных объектов [Патент РФ №2024889], включающий намагничивание образца до насыщения однородным магнитным полем одной полярности, последующее размагничивание образца однородным магнитным полем другой полярности с помощью соленоида, измерение тангенциальной составляющей напряженности магнитного поля вблизи центрального сечения образца и фиксацию напряженности магнитного поля при нулевом значении тангенциальной составляющей напряженности магнитного поля, по которой судят о величине коэрцитивной силы.
Указанный способ реализуется в открытой магнитной цепи. Этим способом определяется коэрцитивная сила, усредненная по всему объему объекта, что не позволяет обнаруживать возможную неоднородность его свойств (изменение структуры по объему, наличие и свойства упрочненных слоев и т.д.). Еще один существенный недостаток этого способа заключается в ограничении форм и размеров контролируемых объектов размерами используемого соленоида. Кроме того, указанному способу присущи такие недостатки магнитных измерений в открытой цепи, как трудность создания однородного магнитного поля в достаточном объеме, трудность намагничивания до насыщения объектов с большим коэффициентом размагничивания, неоднородное намагничивание объектов конечных размеров и влияние на результат измерений внешних магнитных полей [Чечерников В.И. Магнитные измерения. - М.: Изд-во МГУ, 1969. - 387 с.]. Таким образом, указанный способ не позволяет проводить локальные измерения коэрцитивной силы массивных ферромагнитных объектов и определять неоднородность их свойств.
В основу изобретения положена задача повышения достоверности локального измерения коэрцитивной силы контролируемых объектов путем снижения погрешности, обусловленной наличием и непостоянством зазора в составной магнитной цепи "преобразователь - объект", и расширения функциональных возможностей способа за счет уменьшения влияния формы и размеров объектов.
Поставленная задача решается тем, что в способе локального измерения коэрцитивной силы ферромагнитных объектов, включающем намагничивание объекта, последующее его размагничивание, измерение напряженности магнитного поля и тангенциальной составляющей магнитного поля согласно изобретению на контролируемый локальный участок объекта размещают электромагнит, с образованием составной магнитной цепи "преобразователь - объект" с зазором, в момент намагничивания измеряют максимальную величину магнитного потока, отключают внешнее магнитное поле и измеряют величину тангенциальной составляющей магнитного поля на поверхности контролируемого участка, затем участок размагничивают до достижения нулевого магнитного потока в цепи и измеряют величину размагничивающего тока и тангенциальной составляющей магнитного поля, по результатам измерений которых судят о величине коэрцитивной силы.
При этом магнитный поток в цепи измеряют датчиком Холла, расположенным в отверстии, выполненном в магнитопроводе и представляющем собой щель с плоскопараллельными стенками, перпендикулярными направлению магнитного потока.
Вместе с тем, тангенциальную составляющую магнитного поля измеряют в межполюсном пространстве электромагнита вблизи поверхности контролируемого объекта, где сигнал пропорционален внутреннему магнитному полю в объекте.
Кроме того, составную магнитную цепь "преобразователь - объект" с зазором образуют с использованием П-образного или цилиндрического электромагнита.
Анализ результатов измерений и суждение о величине коэрцитивной силы объекта производится различными методами, которые позволяют учесть особенности измеряемого объекта и особенности измерительной цепи.
В частности, используются суждения с учетом взаимозависимостей физических свойств, когда:
- по результатам измерений размагничивающего тока судят о величине коэрцитивной силы усредненной по промагничиваемому объему;
- по результатам измерений тангенциальной составляющей магнитного поля судят о величине коэрцитивной силы приповерхностного слоя объекта.
Также используются суждения с применением математических методов коррекции, когда:
- о величине коэрцитивной силы с учетом влияния величины зазора судят по формуле:
c
0
1
Hc
2
Фmax
H=А+А·E+А·E, где
c
H - истинное значение коэрцитивной силы;
Hc
E - значение сигнала, соответствующего коэрцитивной силе;
Фmax
E - значение сигнала, соответствующего максимальному потоку в магнитной цепи;
0
1
2
А, A и А - коэффициенты, которые зависят от конфигурации магнитной цепи "преобразователь - объект" и их точные значения устанавливаются при градуировке коэрцитиметра;
- о величине коэрцитивной силы с учетом влияния размеров и формы объекта судят по формуле:
где
c
H - истинное значение коэрцитивной силы;
Hc
E - значение сигнала, соответствующего коэрцитивной силе;
- значение сигнала, соответствующего тангенциальной составляющей магнитного поля на поверхности контролируемого участка объекта, измеряемое после отключения намагничивающего поля;
0
1
2
B, B и В - коэффициенты, которые зависят от конфигурации магнитной цепи "преобразователь - объект" и их точные значения устанавливаются при градуировке коэрцитиметра.
Работоспособность предлагаемого способа основывается на следующих физических принципах.
При локальном намагничивании ферромагнитных объектов электромагнитом (П-образным, двухполюсным цилиндрическим или иным), который составляет с контролируемым участком объекта составную замкнутую магнитную цепь, магнитные измерения аналогичны измерениям при помощи пермеаметра [Чечерников В.И. Магнитные измерения. - М.: Изд-во МГУ, 1969. - 387 с.]. Если в такой цепи отсутствует рассеивание магнитного потока или оно мало, то оказывается возможным локальное определение целого комплекса магнитных свойств вещества, в том числе коэрцитивной силы [Костин В.Н., Царькова Т.П., Сажина Е.Ю. Измерение относительных значений магнитных свойств вещества контролируемых изделий в составных замкнутых цепях. - Дефектоскопия, 2001, №1, с.15-26]. Зазор в составной цепи приводит к появлению магнитных полюсов на разомкнутых гранях, которые оказывают действие, подобное действию магнитных полюсов на торцах ферромагнетика конечных размеров в открытой магнитной цепи. Влияние зазора на результат измерений можно скомпенсировать, если определить величину имеющегося зазора по дополнительно измеряемому параметру.
max
max
max
По мере увеличения зазора магнитное сопротивление цепи "преобразователь - объект" растет, а величина магнитного потока падает. В целом магнитный поток в составной цепи зависит от конфигурации приставного электромагнита, формы и размеров намагничиваемого объекта, приложенной магнитодвижущей силы (тока), магнитных свойств объекта и величины немагнитного зазора. Для селективной оценки зазора необходимо выбрать такое магнитное состояние, когда магнитный поток в наименьшей степени зависит от магнитных свойств контролируемого объекта. Такое состояние достигается при включении максимального намагничивающего тока. При неизменных геометрических параметрах магнитной цепи и фиксированной величине намагничивающего тока получающаяся величина магнитного потока будет зависеть от намагниченности насыщения контролируемого объекта и величины зазора. Поскольку намагниченность насыщения является структурно не чувствительной магнитной характеристикой, которая остается неизменной при многих видах воздействия на ферромагнетик [Щербинин В.Е., Горкунов Э.С. Магнитный контроль качества металлов. Екатеринбург: УрО РАН, 1996, - 264 с.], то величина магнитного потока при максимальном намагничивающем токе будет главным образом зависеть от наличия и величины зазора в составной магнитной цепи. Таким образом, максимальная величина магнитного потока Ф может быть мерой величины немагнитного зазора в магнитной цепи "преобразователь - изделие". Кроме того, измерение величины Ф необходимо также для определения степени намагничивания контролируемого объекта, поскольку при малых значениях Ф контролируемый участок объекта не намагнитится до необходимого технического насыщения и результаты измерений будут недостоверны.
Помимо зазора на результаты измерения коэрцитивной силы оказывает влияние конфигурация составной цепи "преобразователь - объект", которая определяется формой и размерами контролируемых объектов. Компенсация влияния формы и размеров объектов на результат измерения основана на следующем физическом принципе.
Для ферромагнетика конечных размеров при его намагничивании в разомкнутой магнитной цепи соотношение между внешним и внутренним магнитными полями имеет вид:
e
где N - коэффициент размагничивания [Боровик Е.С., Еременко В.В., Мильнер А.С. Лекции по магнетизму. - М.: Физматлит, 2005. - 510 с.]. Согласно выражению (1) у ферромагнетика конечных размеров, намагничиваемого в разомкнутой магнитной цепи, на нисходящей ветви предельной петли гистерезиса при нулевом значении внешнего магнитного поля (H=0) намагниченность равна остаточной намагниченности тела (
), а соответствующее этому магнитному состоянию значение внутреннего магнитного поля равно
i
r
При нулевом значении внутреннего магнитного поля (H=0) намагниченность образца равна остаточной намагниченности вещества (М=M), а соответствующее значение внешнего магнитного поля равно
Для остаточной намагниченности вещества из (2) и (3) следует
Таким образом, выражение (4) позволяет определять остаточную намагниченность вещества по остаточной намагниченности тела. При этом первое слагаемое в (4) определяет влияние размеров и формы объектов на результат магнитных измерений.
Параметры
и
должны характеризовать конфигурацию как открытой, так и составной магнитной цепи "преобразователь - объект". Предпочтительным является измерение параметра
. Экспериментальные исследования показали, что учет этого параметра позволяет существенно снизить погрешность измерения коэрцитивной силы, связанную с различием формы и размеров испытуемых объектов. При этом значение
определяется по величине тангенциальной составляющей магнитного поля на поверхности контролируемого участка объекта
, измеряемой после отключения намагничивающего тока в обмотках электромагнита и до подачи размагничивающего тока.
Способ поясняется чертежами.
На фиг.1 схематически представлена составная магнитной цепь "преобразователь - объект" с зазором с использованием П-образного электромагнита.
Hc
Фmax
На фиг.2 приведены зависимости измеренных с помощью приставного преобразователя характеристик E и E для образцов из стали 7Х3.
Hc
На фиг.3 приведены зависимости измеренной с помощью приставного преобразователя характеристики E от коэрцитивной силы объектов различных размеров и формы.
На фиг.4 схематически представлена составная магнитной цепь "преобразователь - объект" с зазором с использованием цилиндрического электромагнита.
Способ осуществляется следующим образом.
Для измерений используют приставной преобразователь 1, представляющий собой П-образный электромагнит, состоящий из магнитопровода 2 и обмоток 3 (Фиг.1). В магнитопроводе 2 электромагнита выполнено отверстие-преобразователь 4, представляющее собой щель с плоскопараллельными стенками, перпендикулярными направлению магнитного потока, специальная форма которого обеспечивает пропорциональность между напряженностью магнитного поля в отверстии 4 и величиной магнитного потока в магнитопроводе 2 [Костин В.П., Царькова Т.П., Сажина Е.Ю. Измерение относительных значений магнитных свойств вещества контролируемых изделий в составных замкнутых цепях. - Дефектоскопия, 2001, №1, с.15-26]. Магнитное поле в отверстии 4 измеряют с помощью малогабаритного датчика 5 поля (датчик Холла). Поскольку магнитный поток из магнитопровода 2 практически полностью переходит в объект 6, то по величине магнитного потока в магнитопроводе 2 судят о величине магнитного потока в объекте 6.
В межполюсном пространстве электромагнита вблизи поверхности контролируемого объекта 6 размещен датчик 7 поля, сигнал которого пропорционален внутреннему магнитному полю в объекте 6.
Преобразователь 1 размещают на контролируемом участке объекта 6, причем между полюсами магнитопровода 2 электромагнита и поверхностью объекта 6 может образоваться зазор 8 (Фиг.1). Контролируемый участок объекта 6 намагничивают, увеличивая ток в обмотках 3 электромагнита.
Фmax
Hc
Hc
При максимальном намагничивающем токе с помощью датчика 5 определяют относительную величину максимального магнитного потока E в цепи "преобразователь - объект". Затем намагничивающий ток выключают, т.е. убирают внешнее магнитное поле и датчиком 7 поля измеряют параллельную направлению намагничивания тангенциальную составляющую магнитного поля на поверхности контролируемого участка 6 объекта
. Затем полем обратной полярности контролируемый участок объекта 6 размагничивают до достижения нулевого магнитного потока в магнитопроводе 2, что соответствует нулевому сигналу датчика 5, и регистрируют величину размагничивающего тока I или величину тангенциальной составляющей магнитного поля E на поверхности контролируемого участка объекта 6, по которым определяют значение коэрцитивной силы.
Учет влияния зазора на результат измерения коэрцитивной силы выполняется с использованием линейной регрессионной модели вида [Четыркин Е.М., Калихман И.Л. Вероятность и статистика. - М.: Финансы и статистика, 1982. - 319 с.]:
c
где H - истинное значение коэрцитивной силы;
Hc
E - значение измеряемого сигнала, соответствующего коэрцитивной силе;
Фmax
E - значение измеряемого сигнала, соответствующего максимальному потоку в магнитной цепи.
0
1
2
Коэффициенты А, А и А зависят от конфигурации магнитной цепи "преобразователь - объект" и их точные значения устанавливаются при градуировке конкретного коэрцитиметра.
Hc
Фmax
Hc
Фmax
На фиг.2 приведены зависимости измеренных с помощью П-образного преобразователя характеристик E и E для закаленных и отпущенных при различных температурах образцов из стали 7Х3, имеющих форму прямоугольных параллелепипедов с размерами 9×9×65 мм. Линии А получены при нулевом зазоре, линии В - при d=0,5 мм. Среднеквадратичная погрешность определения коэрцитивной силы по одному параметру E составляет 1,65 А/см. Для тех же образцов способ определения коэрцитивной силы с учетом параметра E по регрессионному уравнению
имеет погрешность 0,3 А/см, т.е. почти в 5 раз меньше, чем при однопараметровых измерениях.
Hc
Hc
Hc
Компенсация влияния формы и размеров объектов на результат локального измерения их коэрцитивной силы осуществляется аналогичным образом. На фиг.3 приведены зависимости измеренной с помощью приставного преобразователя характеристики E от коэрцитивной силы объектов различных размеров и формы (высота от 4 до 34 мм; ширина от 7,5 до 34 мм). Видно, что при одних и тех же измеренных значениях E разброс значений коэрцитивной силы составляет от 3 до 15 А/см. Обусловленная различием размеров и формы контролируемых объектов среднеквадратичная погрешность определения коэрцитивной силы по одному параметру E составляет 4,2 А/см. Для этой же выборки учет формы и размеров по величине
с помощью регрессионного уравнения
уменьшает среднеквадратичную погрешность определения коэрцитивной силы до 1,5 А/см, т.е. почти в 3 раза.
Аналогичные результаты получены при регистрации коэрцитивной силы по величине размагничивающего тока в обмотке приставного электромагнита при нулевом магнитном потоке в цепи "преобразователь - объект", а также при использовании двухполюсного цилиндрического преобразователя (Фиг.4).
Таким образом, заявляемый способ локального измерения коэрцитивной силы ферромагнитных объектов, предусматривающий дополнительное измерение максимального магнитного потока в цепи "преобразователь - объект" с зазором и получающейся после выключения максимального намагничивающего тока тангенциальной составляющей магнитного поля на поверхности контролируемого участка объекта, позволяет существенно снизить погрешность определения коэрцитивной силы, связанную с вариациями неконтролируемого зазора в магнитной цепи и различием форм и размеров контролируемых объектов.