Магнитошумовой преобразователь для контроля слабошумящих ферромагнитных материалов

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МАГНИТОШУМОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДЛЯ КОНТРОЛЯ СЛАБОШУМЯЩИХ ФЕРРОМАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт прикладной физики Национальной академии наук Беларуси(72) Автор Бусько Валерий Николаевич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт прикладной физики Национальной академии наук Беларуси(57) Магнитошумовой преобразователь для контроля слабошумящих ферромагнитных материалов, содержащий магнитопровод с расположенной на нем намагничивающей катушкой,питаемой от генератора, а также расположенную между полюсами указанного магнитопровода и соединенную с электронным измерительным блоком измерительную катушку,отличающийся тем, что магнитопровод выполнен П-образной формы, а обмотка измерительной катушки выполнена из ферромагнитного провода с изолирующим покрытием на поверхности, исходя из условия близости к единице отношения 2/1, где 1 и 2 - диаметры указанного провода без изолирующего покрытия и с изолирующим покрытием соответственно. Изобретение относится к области неразрушающего контроля (НК) ферромагнитных материалов и изделий и может быть использовано для испытаний, контроля и диагностики их структурно-напряженного и физико-механического состояния на основе использования магнитного метода эффекта Баркгаузена (МЭБ). Известны различные конструкции преобразователей для исследования физикомеханических свойств и структуроскопии ферромагнитных образцов, основанные на использовании МЭБ. Конструкция типовой классической схемы магнитошумового преобразователя (преобразователя Баркгаузена), предназначенного для структуроскопии и контроля физико-механического состояния ферромагнитных материалов и изделий, осно 16135 1 2012.08.30 вана на том, что он содержит П-образный массивный магнитопровод для создания в исследуемом образце магнитного поля, обхватывающую его намагничивающую обмотку и индикаторную катушку накладного типа, которая расположена симметрично между полюсами магнитного провода и плотно прилегает к поверхности изделия, плоскость расположения витков которой параллельна плоскости расположения полюсов магнитопровода,источник переменного тока. К выходу индикаторной катушки подключен измерительный блок, состоящий из широкополосного усилителя, селективного вольтметра, квадратичного детектора, интегратора и индикатора 1 или усилителя, фильтра и индикатора 2. Основным недостатком преобразователя является то, что он не обладает достаточной чувствительностью при исследовании образцов с низкими магнитными свойствами, обусловленными применением специальных поверхностных упрочняющих или термических обработок, или имеющих незначительный весовой объем ферромагнитной матрицы. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является устройство контроля усталости металлического изделия 3, которое содержит -образный магнитопровод с намотанной на него обмоткой возбуждения, генератор переменного тока, измерительную катушку, установленную в межполюсном пространстве электромагнита, усилитель, блок обработки сигнала, индикатор, фильтры низких и высоких частот,многопозиционный переключатель. Однако обеспечиваемый уровень полезного сигнала с выхода измерительной катушки не всегда является достаточным при испытаниях образцов из слабошумящих ферромагнитных материалов, имеющих низкое значение магнитного шума, в результате значительно сужается диапазон исследуемых ферромагнитных материалов, снижается достоверность контроля, возникают сложности при минимизации и снижении габаритов, что ограничивает использование магнитошумовых преобразователей при контроле ферромагнитных изделий из-за неудовлетворительной чувствительности и недостаточной функциональности. В предлагаемом изобретении решается основная техническая задача - повышается чувствительность магнитошумовых преобразователей к состоянию слабошумящих ферромагнитных материалов и изделий при исследовании их физико-механических характеристик, при этом повышается достоверность и производительность контроля, расширяются функциональные возможности магнитошумовых преобразователей, упрощается их конструкция и снижаются габариты. Сущность предлагаемого магнитошумового преобразователя для контроля слабошумящих ферромагнитных материалов заключается в том, что он содержит магнитопровод П-образной формы с расположенной на нем намагничивающей катушкой, питаемой от генератора переменного тока, предназначенный для создания магнитного поля в исследуемом образце, измерительную катушку, расположенную между полюсами П-образного магнитопровода и предназначенную для регистрации магнитного шума (скачков Баркгаузена), электронный измерительный блок, подключенный к выходу измерительной катушки. Главной отличительной особенностью заявляемого изобретения является то, что в измерительной катушке, представляющей собой пассивный преобразователь индукционного типа, вместо практически всегда применяемого намоточного медного провода 4, 5 используется намоточный ферромагнитный провод малого диаметра 1 с изолирующим покрытием толщинойс общим диаметром 212 при условии близости к единице. Благодаря этому появляется возможность преобразовывать пассивный индукционный магнитошумовой преобразователь в активный. Использование в таком магнитошумовом преобразователе в качестве намоточной обмотки измерительной катушки материала из ферромагнитного провода с изолирующим покрытием позволяет за счет возникновения в нем импульсов ЭДС от потока скачков намагниченности (магнитного шума) резко увеличить полезный сигнал от исследуемого образца. Это позволяет значительно повысить чувствительность магнитошумового преобразователя, расширить его функциональные возможности благодаря возможности осуществления контроля слабошумящих ферромагнитных материалов. При этом упрощается и минимизируется конструкция магнитошумового пре 2 16135 1 2012.08.30 образователя вследствие отсутствия необходимости увеличивать в катушке количество виткови слоев обмотки , рост которых может привести к искажению сигнала и снижению отношения полезный сигнал/шум. Положительный эффект достигается за счет аддитивного сложения сигнала от магнитного шума непосредственно от материала провода обмотки измерительной катушки и сигнала от магнитного шума от исследуемого участка слабошумящего ферромагнитного образца, что в итоге приводит к повышению чувствительности, достоверности и производительности контроля, снижению размеров магнитошумового преобразователя. На фигуре представлена схема магнитошумового преобразователя для контроля слабошумящих ферромагнитных материалов. Магнитошумовой преобразователь для контроля слабошумящих ферромагнитных материалов содержит магнитопровод 1 П-образной формы, расположенную на нем питаемую от генератора (на фигуре отсутствует) намагничивающую катушку 2, предназначенные для создания магнитного поля в исследуемом слабошумящем образце 3 из ферромагнитного материала, измерительную катушку 4 индукционного типа с размещенной в ней обмоткой 5,расположенную между полюсами П-образного магнитопровода 1 и предназначенную для регистрации магнитных шумов Баркгаузена, электронный измерительный блок 6. Магнитошумовой преобразователь для контроля слабошумящих ферромагнитных материалов работает следующим образом. Для создания в поверхностном слое испытуемого слабошумящего ферромагнитного образца 3 переменного магнитного поля используется магнитопровод 1 с расположенной на нем намагничивающей катушкой 2. Материалом магнитопровода 1 может быть магнитомягкий феррит с высоким значением магнитной проницаемости или мягкая сталь с высокими магнитными свойствами, например армкожелезо, перминдюр и т.д. Конструкция и габариты П-образного магнитопровода 1 зависят от формы и размера исследуемого слабошумящего образца 3 из ферромагнитного материала. Количество витков намагничивающей катушки 2 и диаметр ее провода также зависят от размеров и формы образца 3, его магнитных характеристик и требуемого значения поля перемагничивания для возникновения в измерительной катушке 4 магнитного шума. В результате перемагничивания участка поверхности образца 3 при оптимальных значениях частоты и амплитуды тока перемагничивания с помощью перестраиваемого генератора в межполюсном пространстве магнитопровода 1, ограниченном симметрично расположенных относительно друг друга обоих полюсов магнитопровода 1, в обмотке 5 измерительной катушки 4 возникает магнитный шум, измеряемый и анализируемый электронным блоком 6. Измерительная катушка 4 представляет собой узел, состоящий из обмотки 5,намотанной на каркас (обмотка может быть и бескаркасной) из изолирующего материала,и сердечника, например, броневого типа, выполненного из феррита или другого ферромагнитного материала (фигура), выполняющего роль концентратора магнитного потока. Обмотка 5 измерительной катушки 4 представляет собой многослойную катушку, состоящую из намотанных внавал или виток к витку витков , плоскость которых расположена нормально относительно поверхности исследуемого образца 3. Материалом намоточного провода обмотки 5 измерительной катушки 4 является не медь, практически всегда используемая для таких целей (например, ПЭЛ, ПЭВ и др.), а ферромагнитная проволока диаметром 10,03-0,06 мм. Благодаря закону электромагнитной индукции в обмотке 5 измерительной катушки 4 возникает электродвижущая сила (ЭДС), суммарная величина которой зависит от физико-механических характеристик исследуемого изделия, материала провода обмотки 5 измерительной катушки 4, числа витков , слоеви площади одного витка , а также параметров перемагничивания - амплитудыи частотытока перемагничивания в намагничивающей катушке 2. Перед операцией намотки ферромагнитной обмотки 5 измерительной катушки 4 для исключения влияния межвитковых замыканий ферромагнитный провод покрывают или погружают в электроизолирующий состав,например лак или шеллак, с толщиной слоя, равной , в результате общий диаметр намоточного ферромагнитного провода с изолирующим покрытием будет равен 2(12). 3 16135 1 2012.08.30 Чем меньше будет толщинаизолирующего лакового слоя на ферромагнитном проводе,тем больше витков можно будет разместить в измерительной катушке 4, следовательно,тем больше будет значение ЭДС. Для получения максимального значения полезного сигнала материалом обмотки измерительной катушки должен являться ферромагнитный провод с изолирующим покрытием на поверхности, исходя из условия близости к единице отношения 2/1, где 1 и 2 - диаметры указанного провода без изолирующего покрытия и с изолирующим покрытием соответственно. Обмотка 5 измерительной катушки 4 может быть намотана как на каркас, изготовленный из изолирующего материала, так и может быть бескаркасной. В результате общее значение ЭДС 0 в измерительной катушке 4 будет включать в себя информацию не только о свойствах исследуемого образца 3, но и о свойствах материала обмотки 5, т.е. ЭДС 0 ЭДС 1 ЭДС 2,где ЭДС 0 - результирующее (суммарное) значение сигнала ЭДС 1 - уровень сигнала, характеризующий физико-механическое состояние исследуемого образца 3 из слабошумящего ферромагнитного материала ЭДС 2 - уровень сигнала, характеризующий физико-механическое состояние материала ферромагнитного провода обмотки 5 измерительной катушки 4. Учитывая, что ЭДС 2 всегда будетдля определенного значения внешнего поля перемагничивания, можно утверждать, что оценивать состояние исследуемого слабошумящего ферромагнитного образца 3 можно будет только по величине ЭДС 1, которая может быть даже меньше ЭДС 2. Следовательно, в обмотке 5 измерительной катушки 4 значение результирующей ЭДС 0 будет всегдаЭДС 1, т.к. ЭДС 2 не может быть 0. В этом случае ЭДС 2 можно рассматривать как своего рода усилитель полезного сигнала, а предлагаемый магнитошумовой преобразователь в целом можно рассматривать уже не как пассивный, а как активный, влияющий на результаты контроля. При этом чем больше будет число витковобмотки 5, а также средняя площадьодного витка обмотки, то тем больше будут магнитный поток и суммарное значение ЭДС. Использование данной конструкции магнитошумового преобразователя позволит осуществлять неразрушающий контроль и испытание образцов и изделий из ферромагнитных материалов, обладающих малым уровнем магнитных шумов, например изготовленных из слабомагнитных материалов и сплавов из класса нержавеющих сталей, высокотвердых с высоким значением коэрцитивной силы или ферромагнитных материалов, подвергнутых специальной объемной,поверхностной, упрочняющей или термической обработке, снижающей магнитные свойства изделий с немагнитными покрытиями. В итоге значительно расширяются функциональные возможности магнитошумовых преобразователей, повышаются чувствительность к свойствам материалов и достоверность контроля. Источники информации 1. А.с. СССР 532803, МПК 01 27/86, 1976. 2. А.с. СССР 934353, МПК 01 27/90, 1982. 3.10954, МПК 01 3/32 и 01 27/72, 2008. 4. Добнер Б.А., Лещенко И.Г., Филинов В.В., Колмогоров Т.О. Исследование напряженных состояний в конструкционных сталях методом магнитных шумов. Эффект Баркгаузена и его использование в технике. Тез. докл. Научно-технического совещания. - Ижевск,1977. - С. 140-144. 5. Малышев В.С. Учет влияния факторов на информативные параметры при контроле методом магнитных шумов. Неразрушающие физические методы и средства контроля. Тез. докл. 9-й Всес. Научно-технической конференции . - Минск, 1981. Секция В. - С. 124-126. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4