Устройство для контроля дефектности ферромагнитного изделия

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ ДЕФЕКТНОСТИ ФЕРРОМАГНИТНОГО ИЗДЕЛИЯ(71) Заявитель Государственное научнопроизводственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(72) Автор Ярмолович Вячеслав Алексеевич(73) Патентообладатель Государственное научно-производственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(57) 1. Устройство для контроля дефектности ферромагнитного изделия, содержащее электромагнитный преобразователь, включающий П-образный магнит и индикатор остаточной намагниченности, выполненный в виде датчика Холла, смещенного от П-образного магнита в сторону, противоположную направлению рабочего движения преобразователя вдоль контролируемого изделия, на расстояние, исключающее магнитное взаимодействие указанных датчика и магнита, а также соединенную с указанным датчиком схему обработки информации, которая подключена к регистратору, выполненному, например, в виде монитора, причем рабочая поверхность датчика Холла параллельна торцам полюсов магнита, обращаемым при работе устройства к поверхности контролируемого изделия и ориентируемым параллельно ей, отличающееся тем, что магнит выполнен постоянным,датчик Холла помещен в упругую износостойкую ласту-держатель, прижимаемую пружиной к поверхности изделия и прикрепленную к немагнитной трубке, выполненной 17807 1 2013.12.30 возможностью поворота в вертикальной плоскости, над датчиком Холла размещен концентратор магнитного потока, выполненный в виде усеченного конуса, посередине между полюсами магнита установлен индикатор намагниченности, выполненный в виде второго датчика Холла с рабочей поверхностью, нормальной к рабочей поверхности первого датчика, и помещенный во вторую упругую износостойкую ласту-держатель, прижимаемую пружиной к поверхности изделия и прикрепленную ко второй немагнитной трубке, выполненной с возможностью поворота в вертикальной плоскости, а на торцах полюсов магнита закреплены плоские магнитопроводы, выполненные в виде щеток с упругими магнитомягкими проволоками с возможностью их механического контакта с поверхностью изделия для ее намагничивания до насыщения. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что концентратор магнитного потока выполнен из магнитотвердого материала с низким значением удельной магнитной энергии,например из сплава альнико. 3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что коэффициент заполнения каждой щетки проволоками превышает 0,8. 4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что магнит выполнен со вставками из магнитомягкого материала и высокоэнергетичного магнитного материала, например из сплава ниодим-железо-бор. Заявляемое изобретение относится к области контрольно-измерительной техники, в частности к анализу ферромагнитных материалов по магнитным показателям, и может быть использовано при оценке дефектного состояния ферромагнитных материалов и изделий типа листов, железнодорожных рельсов, труб и др. в динамике в таких областях как машиностроение, энергетика, железнодорожный транспорт. Из уровня техники известно техническое решение определения дефектов в ферромагнитном материале по остаточной намагниченности, описанное в 1. Оно содержит источник возбуждения намагничивающего поля в материале случайной величины, индикатор остаточной намагниченности и регистратор измеренного результата остаточной намагниченности. В этом устройстве намагничивающее поле - случайной величины, хаотичное. Устройство позволяет обнаруживать напряженное состояние материала в направлении, совпадающим с заданным направлением остаточных напряжений, и по градиенту магнитного поля определяют зону концентрации максимальной величины остаточной намагниченности, по которой возможно судить об одном максимальном дефекте, но ни о его размерах, а малые дефекты в дельта окрестности зоны остаточной намагниченности также остаются незамеченными. Наиболее близким к заявляемому является устройство определения дефектов в ферромагнитном материале по остаточной намагниченности 2 (прототип). Оно содержит электромагнитный преобразователь, выполненный в виде П-образного магнита с обмоткой индуктивности, уложенной между полюсами магнита, индикатор остаточной намагниченности, схему обработки информации, подключенной к регистратору, в качестве которого может быть монитор. Электромагнитный преобразователь установлен над поверхностью контролируемого материала на заданном зазоре и нормально к ней с возможностью перемещения/движения вдоль поверхности материала, а индикатор остаточной намагниченности выполнен в виде датчика Холла и размещен со стороны П-образного магнита с обмоткой, противоположной направлению движения преобразователя и на расстоянии, исключающим электромагнитное взаимовлияние индикатора и П-образного магнита с обмоткой и магнитом, при этом рабочая поверхность индикатора и торцы полюсов П-образного магнита размещены в единой плоскости преобразователя, обращенной к контролируемой поверхности. Значение остаточной намагниченности, а значит и величина 2 17807 1 2013.12.30 нормальной составляющей индукции магнитного поля над дефектом зависит от частоты тока возбуждения обмотки, величины зазора, от механических свойств и химического состава материала и его структурного состояния. Если в материале имеет место дефект, например трещина, то в данной точке контролируемого участка будет концентрироваться остаточная намагниченность, по которой и судят о дефектности ферромагнитного материала. Основным недостатком прототипа является низкая чувствительность к глубинным дефектам, залегающим на отдаленном расстоянии от поверхности, поскольку только приповерхностные дефекты можно регистрировать непосредственно датчиком Холла и то только обладающие большим коэффициентом раскрытия, поскольку датчик Холла находится не у самой поверхности, а имеет фиксированный зазор. Кроме того, устройство не может использоваться в районах с искривленной поверхностью, например на стыках труб. Задачей, решаемой в настоящем изобретении, является увеличение достоверности распознавания размеров дефектов и области их пространственного размещения. Устройство содержит электромагнитный преобразователь, включающий П-образный магнит и индикатор остаточной намагниченности, выполненный в виде датчика Холла,смещенного от П-образного магнита в сторону, противоположную направлению рабочего движения преобразователя вдоль контролируемого изделия, на расстояние, исключающее магнитное взаимовлияние указанных датчика и магнита, а также соединенную с указанным датчиком схему обработки информации, которая подключена к регистратору, выполненному, например, в виде монитора, причем рабочая поверхность датчика Холла параллельна торцам полюсов магнита, обращаемым при работе устройства к поверхности контролируемого изделия и ориентируемым параллельно ей. Оно отличается тем, что магнит выполнен постоянным, датчик Холла помещен в упругую износостойкую ласту-держатель, прижимаемую пружиной к поверхности изделия и прикрепленную к немагнитной трубке, выполненной с возможностью поворота в вертикальной плоскости, над датчиком Холла размещен концентратор магнитного потока, выполненный в виде усеченного конуса, посредине между полюсами магнита установлен индикатор намагниченности, выполненный в виде второго датчика Холла с рабочей поверхностью, нормальной к рабочей поверхности первого датчика, и помещенный во вторую упругую износостойкую ласту-держатель, прижимаемую пружиной к поверхности изделия и прикрепленную ко второй немагнитной трубке, выполненной с возможностью поворота в вертикальной плоскости, а на торцах полюсов магнита закреплены плоские магнитопроводы, выполненные в виде щеток с упругими магнитомягкими проволоками с возможностью их механического контакта с поверхностью изделия для ее намагничивания до насыщения. Устройство отличается тем, что концентратор магнитного потока выполнен из магнитотвердого материала с низким значением удельной магнитной энергии, например из сплава альнико. Устройство отличается тем, что коэффициент заполнения каждой щетки проволоками превышает 0,8. Устройство отличается тем, что магнит выполнен со вставками из магнитомягкого материала и высокоэнергетичного магнитного материала, например из сплава ниодимжелезо-бор. По мнению авторов, устройство содержит вышеприведенный ряд новых элементов,позволяющих реализовать выполнение поставленной задачи по повышению достоверности распознавания размеров дефектов и области их пространственного размещения относительно контролируемой поверхности. Решение поставленной задачи достигается тем,что в устройстве используется не только определение дефектов (приповерхностных) по остаточной намагниченности, но и глубинных, когда они находятся между полюсами магнитов, а исследуемый материал между полюсами находится в условиях магнитного насы 3 17807 1 2013.12.30 щения. Кроме того, датчики Холла находятся на минимально возможном расстоянии от контролируемой поверхности, значит, тем самым повышается пространственное разрешение. Использование концентратора магнитного потока также в значительной мере способствует повышению чувствительности к распознаванию дефектов. Наличие щеток, выполненных из проволоки, позволяет использовать устройство на криволинейных поверхностях типа труб или поверхностях с неровностями, например на стыках сварных швов. Проведенный анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научнотехническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявляемого устройства, показал, что заявляемое устройство соответствует критерию новизна по действующему законодательству. Таким образом, комплексный анализ изложенных отличительных признаков конструкции устройства показывает, что они являются существенными и находятся в прямой причинно-следственной связи с достигаемым техническим результатом. Из уровня техники не выявлено технических решений, отличительные признаки которых в совокупности обеспечивают решение поставленной в заявляемом изобретении задачи, следовательно,можно сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию патентоспособности изобретательский уровень. Заявляемое изобретение поясняется фиг. 1, 2. На фиг. 1 изображено предложенное устройство в разрезе, вид сбоку. На фиг. 2 приведена зависимость величины тангенциальной составляющей индукции магнитногополя тестового дефекта от координаты перемещения датчика Холла, расположенного между полюсами магнитов. Расстояние от датчика Холла до поверхности 1 мм, дефект в виде полусферы диаметром 6 мм и глубиной 2 мм на пластине из стали М 45. Устройство содержит электромагнитный преобразователь, выполненный в виде П-образного постоянного магнита, причем магнит может быть сплошным или для уменьшения массы магнитного материала со вставками магниторовода из магнитомягкого материала 1 и высокоэнергетичных магнитов 2, например из ниодим-железо-бор (именно этот вариант изображен на фиг. 1), индикатор остаточной намагниченности, выполненный в виде датчика Холла 3, размещенный со стороны П-образного магнита, противоположной направлению движения преобразователя со скоростьюи на расстоянии , исключающим магнитное взаимовлияние индикатора и П-образного магнита, при этом рабочая поверхность индикатора и торцы полюсов П-образного магнита размещены в плоскостях, параллельных контролируемой поверхности 4, и обращены к ней, схему обработки информации,которая подключена к регистратору, в качестве которого может использоваться монитор(схема обработки информации и регистратор не изображены). Индикатор остаточной намагниченности на датчике Холла 3 установлен в упругую износостойкую ласту-держатель 5, подпружиненную пружиной 6 к контролируемой поверхности 4 и прикрепленную к немагнитной трубке 7, выполненной с возможностью поворота в вертикальной области, а сверху датчика Холла 3 размещен концентратор магнитного потока 8, выполненный в виде усеченного конуса. Посредине между полюсами П-образного магнита размещен другой индикатор намагниченности, установленный также в упругую износостойкую ластудержатель 9 с размещенным в ней вторым датчиком Холла 10, подпружиненную пружиной 11 к контролируемой поверхности 4 толщинойи прикрепленную к немагнитной трубке 12, выполненной с возможностью поворота в вертикальной плоскости. Второй датчик Холла 10 ориентирован своей нормалью к пластине Холла параллельно контролируемой поверхности 4, т.е. пластины датчиков Холла 3 и 10 взаимно перпендикулярны. Такая установка датчиков Холла позволяет измерять компоненты вектора индукции магнитного поля в местах расположения датчиков Холла 3 и 10. Датчик Холла 3 измеряет компоненту , а датчик Холла 10 измеряет компоненту . На поверхностях полюсовиП-образного магнита закреплены плоские магнитопроводы 13 и 14, выполненные в виде 4 17807 1 2013.12.30 щетки с упругими магнитомягкими проволоками 15 и 16 с возможностью их механического контакта с контролируемой поверхностью 4. Контролируемая ферромагнитная поверхностью 4 может содержать дефекты 17 и 18, которые по отношению к размещению устройства 19 в целом можно условно разделить на приповерхностные дефекты 17 и глубинные дефекты 18. Концентратор магнитного потока 8 может быть выполнен из магнитомягкого материала, например из армко-железа, либо из магнитотвердого материала с низким значением удельной магнитной энергии, например из сплава типа альнико (чтобы не перемагничивал локальный участок под ним контролируемой поверхности 4). Для эффективного намагничивания поверхности 4 коэффициент заполнения щетки проволокой(т.е. отношение площади поперечного сечения проволок щетки к площади поперечного сечения полюса магнита) должен превышать величину 0,8. При этом контролируемая поверхность 4 между полюсами магнита, расположенными по вертикали на расстоянии ,намагничивается практически до насыщения, а на расстоянии(по горизонтали) намагниченность является остаточной. Расстояние(как и в прототипе) выбирается из условия,при котором исключается магнитное влияние П-образного магнита на индикатор на датчике Холла 3. Связующим звеном между указанным индикатором и П-образным магнитом является немагнитная штанга 20, на которой установлены пружины 6 и 11, а также трубки 7 и 12, выполненные с возможностью поворота в вертикальной плоскости. Внутри указанных трубок целесообразно разместить провода от датчиков Холла. Устройство работает следующим образом. Вначале на тестовой ферромагнитной пластине, содержащей заранее нанесенные дефекты, которые наиболее часто встречаются в практике, например поперечные трещины(углубления), наплывы, непровары, задиры, включения другого металла, участки пластической деформации и т.д., устройство калибруется и характер зависимостей ,записывается в память блока обработки информации. При контроле дефектности искомой ферромагнитной поверхности устройство устанавливается над поверхностью контролируемого материала с возможностью перемещения/движения вдоль поверхности материала. Возможен вариант, когда устройство неподвижно, а контролируема поверхность движется в противоположном направлении. При этом контролируемая поверхность 4 между полюсами магнита намагничивается практически до насыщения, а на расстоянии(по горизонтали) намагниченность является остаточной. Если на контролируемом участке нет дефектов, то поля ,равномерные по площади участка и колеблются относительно своих средних значений. Если на участке имеется дефект, то его характер, размеры и координаты определяют по изменениям функций,с учетом калибровки. При этом приповерхностные дефекты вызывают изменения , а глубинные практически на нее не влияют. Изменениявызывают практически все дефекты, попадающие в область намагничивания и изменяющие магнитные характеристики контролируемого материала. По сравнению с прототипом в устройстве используется не только определение дефектов (приповерхностных) по остаточной намагниченности, но и глубинных, когда они находятся между полюсами магнитов, а исследуемый материал между полюсами находится в условиях магнитного насыщения. Кроме того, решению поставленной задачи способствует то, что датчики Холла находятся на минимально возможном расстоянии от контролируемой поверхности, значит, тем самым повышается пространственное разрешение. Использование концентратора магнитного потока также в значительной мере повышает чувствительности к распознаванию дефектов. Дополнительно наличие щеток из проволоки позволяет использовать устройство на криволинейных поверхностях типа труб или поверхностях с неровностями, например на стыках сварных швов. Исходя из вышеизложенного, для заявленного устройства в том виде, как оно охарактеризовано в приведенной формуле, подтверждена возможность его осуществления с по 5 17807 1 2013.12.30 мощью вышеописанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов,поэтому заявляемое устройство соответствует требованию промышленная применимость по действующему законодательству. Источники информации 1. Патент 2029263, МПК 601 1/12, 1995. 2. Патентна полезную модель 63062, МПК 01 1/12, 2007. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6