Устройство для контроля толщины слабомагнитного слоя под немагнитным

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ ТОЛЩИНЫ СЛАБОМАГНИТНОГО СЛОЯ ПОД НЕМАГНИТНЫМ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт прикладной физики Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Лухвич Александр Александрович Лукьянов Андрей Леонтьевич Булатов Олег Владимирович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт прикладной физики Национальной академии наук Беларуси(57) Устройство для контроля толщины слабомагнитного слоя под немагнитным, состоящее из преобразователя в виде магнитомягкого экрана, в котором жестко закреплен стержневой магнит, сопряженный с магнитомягким полюсным наконечником, на котором неподвижно закреплена измерительная катушка, и связанного с ней электронного блока с индикатором, отличающееся тем, что диаметр стержневого магнита увеличен относительно его высоты в 2-4 раза, отношение высоты стержневого магнита к высоте магнитомягкого полюсного наконечника составляет 11, а нижняя часть полюсного наконечника выполнена в виде усеченного конуса, угол между образующей которого и геометрической осью полюсного наконечника равен 45, и снабжена стальным шариком, предотвращающим износ названного наконечника.(56) 1. Самозагружающийся транспортер -25. Проспект. 2. Самозагрузочная тележка для перевозки рулонов /Аннотационный прайслист Канадские широкозахватные технологии ЛБР-ГРУПП. Полезная модель относится к магнитным средствам измерений и может использоваться для контроля толщины слабомагнитного слоя под немагнитным без учета толщины последнего. Известно устройство для неразрушающего контроля с посадочными магнитами 1,основным элементом которого является преобразователь в виде магнитомягкого экрана, в котором размещена подвижная магнитная система. В состав последней входят стержневой(П-образный) постоянный магнит с магнитомягким полюсным наконечником (двумя магнитомягкими полюсными наконечниками) и жестко закрепленная на наконечнике (одном из наконечников) измерительная катушка, подключенная к инструментальному усилителю. Помимо названной системы, в верхней части магнитомягкого экрана неподвижно закреплена синхронизирующая катушка, соединенная с блоком формирования синхроимпульса. Последний вместе с инструментальным усилителем связан с блоком измерения, который соединен с блоком индикации. Однако такая конструкция первичного преобразователя не позволяет контролировать толщину слабомагнитного слоя под слоем немагнитного материала без учета толщины последнего. Наиболее близким к полезной модели является магнитный толщиномер МТЦ 2, состоящий из преобразователя и электронного блока с индикатором. Преобразователь представляет собой магнитомягкий экран, в котором жестко закреплен стержневой магнит,сопряженный с магнитомягким полюсным наконечником со сферическим окончанием. На наконечнике неподвижно размещена измерительная катушка, которая подключена к электронному блоку с индикатором. Однако преобразователь магнитного толщиномера МТЦ не создает намагничивающее поле, величины и концентрации которого достаточно для магнитного насыщения нижнего слоя в пределах заданного участка, что не позволяет контролировать толщину этого слоя без учета толщины верхнего. Техническая задача, на решение которой направлена полезная модель - расширение функциональных возможностей. Сущность полезной модели заключается в том, что она содержит преобразователь в виде магнитомягкого экрана, в котором неподвижно закреплен стержневой магнит, сопряженный с магнитомягким полюсным наконечником. На нижней части последнего, выполненной в виде усеченного конуса с запрессованным в него стальным шариком, жестко закреплена измерительная катушка, подключенная к электронному блоку с индикатором. Контроль толщины слабомагнитного слоя под немагнитным без учета толщины последнего обеспечивается за счет магнитного насыщения первого в пределах заданного участка и максимально возможной величины информативного сигнала при заданных параметрах измерительной катушки. Стержневой магнит, диаметр которого увеличен относительно его высоты в 2-4 раза, отношение этой высоты к высоте магнитомягкого полюсного наконечника 11, коническая нижняя часть последнего с углом между его геометрической осью и образующей конуса, равным 45, и стальным шариком на конце позволяют контролировать нижний слабомагнитный слой без учета верхнего немагнитного с высокими точностью и чувствительностью. Так, магнитное насыщение нижнего слоя практически устраняет влияние на результаты контроля внутренних напряжений и неоднородностей структуры. Нижняя часть полюсного наконечника, выполненная в виде усеченного конуса, усиливает концентрацию намагничивающего поля и повышает чувствительность. Запрессованный в эту часть стальной шарик предотвращает износ полюсного наконечника. 2 47522008.10.30 На фиг. 1 схематически изображено устройство для контроля толщины слабомагнитного слоя под немагнитным. На фиг. 2 показаны результаты измерений полезной моделью а) и прототипом б) никелевых и хромоникелевых образцов. В состав полезной модели (фиг. 1) входит магнитомягкий экран 1, в котором жестко закреплен стержневой магнит 2, изготовленный из неодим-железо-бора и сопряженный с магнитомягким полюсным наконечником 3, оканчивающимся усеченным конусом со стальным шариком 4. На полюсном наконечнике 3 находится неподвижная измерительная катушка 5, подключенная к электронному блоку 6 со встроенным в него индикатором 7. Преобразователь полезной модели состоит из позиций 1-5. Стрелкой указано направление намагниченности стержневого магнита 2. Работа полезной модели состоит в следующем. Преобразователь (фиг. 1), состоящий из позиций 1-5, устанавливают на заданный участок поверхности контролируемого покрытия, затем отрывают и удаляют от нее на некоторое расстояние. Характеристики преобразователя (в частности, высококоэрцитивный неодим-железо-бор, из которого изготовлен стержневой магнит 2, его увеличенный в несколько раз диаметр и др.) обеспечивают при его установке намагничивание нижнего слоя покрытия в пределах заданного участка до состояния магнитного насыщения. В момент отрыва от поверхности в измерительной катушке 4 возникает информативный сигнал, поступающий в электронный блок 6, который производит его обработку. Благодаря магнитному насыщению интегральная величина сигнала практически не зависит от толщины верхнего слоя (при условии, что последняя не выходит за верхний допустимый предел ее изменения), в связи с чем по ней можно непосредственно судить о толщине нижнего. Значение измеренной толщины отображается на индикаторе 7. Обоснованием выбора диаметра стержневого магнита служат расчетные данные, полученные методом конечных элементов на моделях преобразователей со стержневыми магнитами в виде цилиндров из неодим-железо-бора высотой 5 мм и диаметром 5, 10 и 12 мм. Информативный сигнал вычислялся как изменениемагнитного потока, проходящего через центральный виток измерительной катушки, при значительном удалении преобразователя от контролируемой поверхности. Объектом контроля были модели двух никелевых дисков, на один из которых нанесено хромовое покрытие. Во избежание влияния краевого эффекта диаметр дисков был примерно в пять раз больше внешнего диаметра магнитомягкого экрана. При расчетах толщина никеля изменялась в диапазоне от 200 до 600 мкм, толщина хрома - от 0 до 200 мкм (этими диапазонами охватываются сочетания толщин, в подавляющем большинстве случаев встречающиеся у промышленных изделий). Основные результаты представлены в табл. 1. Таблица 1 Изменениеинформативного сигнала преобразователя при переходе с непокрытого никеля на никель под хромом толщиной 200 мкм в зависимости от диаметра стержневого магнита Диаметр стержневого магнита, мм 5 10 12 Информативный сигнал, мкВб на непокрытом никеле на покрытом хромом толщиной, мкм никеле толщиной, мкм 200 400 600 200 400 600 1,20 2,11 2,73 1,04 1,76 2,08 2,35 4,48 6,40 2,18 4,14 5,89 2,93 5,64 8,13 2,74 5,26 7,56 47522008.10.30 Табл. 1 показывает, что прототип даже при небольшой толщине покрытого хромом никеля не может обеспечить приемлемую точность ее контроля без учета толщины хрома,тогда как полезная модель со стержневым магнитом диаметром 10 мм позволяет сделать это при любой толщине никеля. Дальнейшее возрастание диаметра снижает чувствительность к хрому, однако при этом возрастают усилия, необходимые для отрыва преобразователя от контролируемой поверхности, и сильнее сказывается краевой эффект. Работоспособность полезной модели подтверждается экспериментальными данными,полученными путем измерения полезной моделью и прототипом образцов никелевого и хромоникелевого покрытий (фиг. 2), а также аттестованных мер толщины хромоникелевого покрытия на немагнитном основании (табл. 2). Преобразователь полезной модели содержал стержневой магнит диаметром 10 мм, прототипа - 5 мм. На фиг. 2- информативный сигнал,- толщина слоя никеля точка 1 соответствует образцу с никелевым покрытием толщиной 15 мкм, 2-42 мкм, 3-84 мкм, 4 - образцу со слоем никеля толщиной 190 мкм и слоем хрома толщиной 90 мкм, 5-335 мкм и 135 мкм, 6 - 385 мкм и 50 мкм, 7 - 425 мкм и 90 мкм, 8 - 430 мкм и 130 мкм соответственно, 9 - образцу со слоем никеля толщиной 515 мкм, 10-730 мкм, 11-820 мкм а) - полезная модель, б) - прототип. Таблица 2 Результаты измерений полезной моделью мер толщины хромоникелевого покрытия Номер меры 8203468 8203354 8203341 8203405 Материал Толщина, мкм Материал первого второго первого второго слоя слоя слоя основания слоя покры- покры- покры- покрытия тия тия тия 202,9 42,8 203,1 108,8 БРХ-08 Никель Хром 202,9 207,9 208,4 352,3 Результат из- Погрешность мерения тол- измерения щины первого толщины перслоя покры- вого слоя потия, мкм крытия,210 3,5 199 2,0 193 4,9 180 13,6 Фиг. 2 показывает, что в случае использования полезной модели в диапазоне толщин до 820 мкм имеет место линейная зависимость ее показаний от толщины никеля независимо от того, находится он под хромом толщиной до 135 мкм или является непокрытым. В случае прототипа наблюдаются нелинейная зависимость, снижение разрешающей способности в области средних и больших толщин наличие хрома на никеле (точки 5, 7, 8 на фиг. 2 б) приводит к невозможности контроля толщины последнего с приемлемой погрешностью. Функциональные возможности полезной модели подтверждаются данными табл. 2,полученными на мерах толщины двухслойного хромоникелевого покрытия, прошедших метрологическую аттестацию. Видно, что при толщине никеля порядка 200 мкм под хромом той же толщины погрешность контроля толщины никеля не превышает 5 , что соответствует нормированной основной погрешности измерений современных толщиномеров, и только при толщине хрома, превышающей толщину никеля в 1,7 раза, погрешность составляет примерно 14 . Технический результат при использовании полезной модели достигается за счет стержневого магнита увеличенного диаметра, равенства его высоты высоте магнитомягкого полюсного наконечника, а также нижней части последнего, выполненной в виде усеченного конуса с углом между его образующей и геометрической осью наконечника,равным 45, и запрессованного в эту часть стального шарика. Полезная модель может использоваться для контроля толщины слабомагнитного слоя под немагнитным без учета толщины последнего, а также для контроля толщины толстослойных немагнитных покрытий на ферромагнитных и слабомагнитных основаниях. 4 Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5