Устройство для магнитного контроля толщины поверхностно-упрочненного слоя ферромагнитного изделия с большим размагничивающим фактором

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ДЛЯ МАГНИТНОГО КОНТРОЛЯ ТОЛЩИНЫ ПОВЕРХНОСТНО-УПРОЧНЕННОГО СЛОЯ ФЕРРОМАГНИТНОГО ИЗДЕЛИЯ С БОЛЬШИМ РАЗМАГНИЧИВАЮЩИМ ФАКТОРОМ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт прикладной физики Национальной академии наук Беларуси(72) Автор Матюк Владимир Федорович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт прикладной физики Национальной академии наук Беларуси(57) Устройство для магнитного контроля толщины поверхностно-упрочненного слоя ферромагнитного изделия с большим размагничивающим фактором, содержащее намагничивающую катушку, подсоединенную к источнику постоянного тока и соосную с направляющей, через которую пропускается контролируемое изделие, последовательно соединенные измерительную обмотку, расположенную соосно с намагничивающей катушкой вне зоны ее влияния, и измерительный блок, последовательно соединенные дополнительную измерительную обмотку, расположенную в центральном сечении намагничивающей катушки, и дополнительный измерительный блок, блок управления, блок памяти, первый вход которого подсоединен к выходу блока управления, второй вход подсоединен к выходу измерительного блока, а третий вход подсоединен к выходу дополнительного измерительного блока, два блока вычитания, первые входы которых подсоединены соответственно к выходу измерительного блока и к выходу дополнительного измерительного блока, а вторые входы подсоединены к первому и второму выходам блока памяти соответственно, два блока деления, первые входы которых подсоединены соответственно к выходу первого и к выходу 78552011.12.30 второго блоков вычитания, а вторые входы подсоединены соответственно к выходу измерительного блока и к выходу дополнительного измерительного блока, сумматор, входы которого подсоединены соответственно к выходу первого и к выходу второго блоков деления, и блок индикации, вход которого подсоединен к выходу сумматора, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено двумя экранами из магнитомягкого ферромагнитного материала, прилегающими к наружной поверхности соответственно намагничивающей катушки и измерительной обмотки.(56) 1. Патент РБ 3215, МПК 01 27/80. Способ контроля толщины поверхностноупрочненных слоев ферромагнитных изделий / В.Ф.Матюк, А.А.Осипов, В.Б.Кратиров.970060 заявлено 11.02.1997 // Бюл.4. - 30.12.1999. 2. Патент РБ 5712 на полезную модель, МПК 01 5/00. Устройство для сортировки тел качения / С.Г.Сандомирский. -и 20090229 заявлено 20.03.2009 // Бюл.6. 30.12.2009. 3. Патент РБ 7129 на полезную модель, МПК 01 27/72. Устройство для магнитного контроля толщины поверхностно-упрочненного слоя ферромагнитного изделия / В.Ф.Матюк. -и 20100630 заявлено 13.07.2010 // Бюл.2. - 30.04.2011. Полезная модель относится к исследованиям физических свойств материалов и сплавов с использованием электрических и магнитных измерений и может быть использована для неразрушающего контроля толщины упрочненного слоя ферромагнитного изделия с большим размагничивающим фактором на машиностроительных предприятиях, осуществляющих поверхностное упрочнение изделий из ферромагнитных материалов. Известно устройство для реализации способа контроля толщины поверхностноупрочненных слоев ферромагнитных изделий 1, содержащее источник изменяющегося тока, преобразователь, в который помещается контролируемое изделие, измерительный резистор, интегратор, блок выборки-хранения, блок вычитания, усилитель, формирователь поля, блок определения среднего значения, блок деления и индикатор. Недостатком данного устройства является невысокая достоверность контроля толщины поверхностноупрочненного слоя ферромагнитного изделия, движущегося в технологическом потоке,связанная с сильным влиянием нестабильности положения контролируемого изделия в измерительной катушке преобразователя на погрешность определения моментов времени достижения перемагничивающим полем заданного значения на восходящей и нисходящей ветвях петли магнитного гистерезиса и на точность определения отношения разности двух близких по величине значений намагниченности на восходящем и нисходящем участках этой петли к их среднему значению. Известно также устройство для сортировки тел качения 2, содержащее направляющую, вдоль которой по ходу движения размещены намагничивающая система с двумя разноименными магнитными полюсами, расположенными один напротив другого по разные стороны направляющей, и измерительный преобразователь, состоящий из индукционных обмоток, охватывающих направляющую и расположенных под углом к ее продольной оси, подключенный к последовательно соединенным измерительному каналу и блоку сортировки, расположенному за измерительным преобразователем по ходу движения изделий, причем коаксиально направляющей в области расположения измерительного преобразователя установлен охватывающий его экран из магнитомягкого ферромагнитного материала. Недостатком данного устройства является невысокая достоверность контроля толщины поверхностно-упрочненного слоя ферромагнитного изделия,движущегося в технологическом потоке, связанная с измерением только одного информативного параметра - остаточного магнитного потока. 2 78552011.12.30 Наиболее близким по технической сущности к настоящей полезной модели является устройство для магнитного контроля толщины поверхностно-упрочненного слоя ферромагнитного изделия 3, содержащее намагничивающую катушку, подсоединенную к источнику постоянного тока и соосную с направляющей, через которую пропускается контролируемое изделие, последовательно соединенные измерительную обмотку, расположенную соосно с намагничивающей катушкой вне зоны ее влияния, и измерительный блок, последовательно соединенные дополнительную измерительную обмотку, расположенную в центральном сечении намагничивающей катушки, и дополнительный измерительный блок, блок управления, блок памяти, первый вход которого подсоединен к выходу блока управления, второй вход подсоединен к выходу измерительного блока, а третий вход подсоединен к выходу дополнительного измерительного блока, два блока вычитания, первые входы которых подсоединены соответственно к выходу измерительного блока и к выходу дополнительного измерительного блока, а вторые входы подсоединены к первому и второму выходам блока памяти соответственно, два блока деления, первые входы которых подсоединены соответственно к выходу первого и к выходу второго блоков вычитания, а вторые входы подсоединены соответственно к выходу измерительного блока и к выходу дополнительного измерительного блока, сумматор, входы которого подсоединены соответственно к выходу первого и к выходу второго блоков деления, и блок индикации, вход которого подсоединен к выходу сумматора. Недостатком данного устройства является невысокая достоверность контроля толщины поверхностноупрочненного слоя ферромагнитного изделия с большим размагничивающим фактором,движущегося в технологическом потоке, связанная с влиянием намагничивающей катушки на величину остаточного магнитного потока контролируемого изделия и с влиянием внешних электромагнитных помех на величины сигналов, снимаемых с измерительной обмотки и с дополнительной измерительной обмотки из-за относительно низкого уровня этих сигналов для изделий с большим размагничивающим фактором. Технической задачей заявляемой полезной модели является повышение достоверности контроля толщины поверхностно-упрочненного слоя ферромагнитного изделия с большим размагничивающим фактором за счет уменьшения влияния намагничивающей катушки на величину остаточного магнитного потока контролируемого изделия и влияния внешних электромагнитных помех на величины сигналов, снимаемых с измерительной обмотки и с дополнительной измерительной обмотки. Сущность полезной модели заключается в том, что она содержит намагничивающую катушку, подсоединенную к источнику постоянного тока и соосную с направляющей, через которую пропускается контролируемое изделие, последовательно соединенные измерительную обмотку, расположенную соосно с намагничивающей катушкой вне зоны ее влияния, и измерительный блок, последовательно соединенные дополнительную измерительную обмотку, расположенную в центральном сечении намагничивающей катушки, и дополнительный измерительный блок, блок управления, блок памяти, первый вход которого подсоединен к выходу блока управления, второй вход подсоединен к выходу измерительного блока, а третий вход подсоединен к выходу дополнительного измерительного блока, два блока вычитания, первые входы которых подсоединены соответственно к выходу измерительного блока и к выходу дополнительного измерительного блока, а вторые входы подсоединены к первому и второму выходам блока памяти соответственно, два блока деления, первые входы которых подсоединены соответственно к выходу первого и к выходу второго блоков вычитания, а вторые входы подсоединены соответственно к выходу измерительного блока и к выходу дополнительного измерительного блока, сумматор,входы которого подсоединены соответственно к выходу первого и к выходу второго блоков деления, и блок индикации, вход которого подсоединен к выходу сумматора, причем намагничивающая катушка и измерительная обмотка помещены в экраны из магнитомягкого ферромагнитного материала, прилегающие к их наружной поверхности. В отличие от 3 78552011.12.30 прототипа в предлагаемую полезную модель дополнительно введены два экрана из магнитомягкого ферромагнитного материала, прилегающие соответственно к наружной поверхности намагничивающей катушки и к наружной поверхности измерительной обмотки. Это позволяет повысить достоверность контроля толщины поверхностно-упрочненного слоя ферромагнитного изделия с большим размагничивающим фактором за счет того, что значительная часть силовых линий магнитного поля намагничивающей катушки вне ее рабочей области замыкается через окружающий ее экран, а внешние электромагнитные поля ослабляются обоими экранами, что уменьшает влияние намагничивающей катушки на величину остаточного магнитного потока контролируемого изделия и внешних электромагнитных помех на величины сигналов, снимаемых с измерительной обмотки и с дополнительной измерительной обмотки. На фиг. 1 представлена функциональная схема полезной модели по заявке. На фиг. 2 представлены зависимости напряженностимагнитного поля, создаваемого намагничивающей катушкой с внутренним радиусом 25 мм, внешним радиусом 50 мм,длиной 100 мм при числе витков 700 и токе через катушку 10 , от расстоянияот ее торца по прототипу 1 и по данной полезной модели 2 при толщине стенки экрана 3 мм. На фиг. 3 представлены зависимости информативного сигнала от амплитуды вш однородного переменного магнитного поля частотой 50 Гц, направленного под углом 45 к оси измерительной обмотки 6 диаметром 50 мм, при толщине экрана, охватывающего эту обмотку, равной 3 мм (экран изготовлен из армко-железа) по прототипу 1 и по данной полезной модели 2. Полезная модель для магнитного контроля толщины поверхностно-упрочненного слоя ферромагнитного изделия с большим размагничивающим фактором содержит (фиг. 1) намагничивающую катушку 1, подсоединенную к источнику 2 постоянного тока и соосную с направляющей 3, через которую пропускается контролируемое изделие 4, последовательно соединенные дополнительную измерительную обмотку 5, расположенную в центральном сечении намагничивающей катушки 1, и дополнительный измерительный блок 7, последовательно соединенные измерительную обмотку 6, расположенную соосно с направляющей 3 вне зоны влияния намагничивающей катушки 1, и измерительный блок 8,блок 9 управления, блок 10 памяти, первый вход которого подсоединен к выходу блока 9 управления, второй вход подсоединен к выходу измерительного блока 8, а третий вход подсоединен к выходу дополнительного измерительного блока 7, два блока 11 и 12 вычитания, первые входы которых подсоединены соответственно к выходу дополнительного измерительного блока 7 и к выходу измерительного блока 8, а вторые входы подсоединены к первому и второму выходам блока 10 памяти соответственно, два блока 13 и 14 деления, первые входы которых подсоединены соответственно к выходу первого 11 и к выходу второго 12 блоков вычитания, а вторые входы подсоединены соответственно к выходу дополнительного измерительного блока 7 и к выходу измерительного блока 8,сумматор 15, входы которого подсоединены соответственно к выходу первого 13 и к выходу второго 14 блоков деления, и блок 16 индикации, вход которого подсоединен к выходу сумматора 15, причем намагничивающая катушка 1 и измерительная обмотка 6 помещены в экраны 17 к 18 соответственно из магнитомягкого ферромагнитного материала, прилегающие к их наружной поверхности. Работает полезная модель следующим образом. При включении блока 9 управления он формирует управляющий импульс, по которому блок 10 памяти запоминает поступившие на его второй и третий входы сигналы. Первым по направляющей 3 пропускается эталонное изделие из числа контролируемых изделий без упрочненного слоя. Постоянный ток источника 2 постоянного тока, проходя через намагничивающую катушку 1, создает внутри нее постоянное магнитное поле. Вне рабочей области намагничивающей катушки 1 силовые линии этого поля замыкаются через экран 17, охватывающий намагничивающую катушку 1. Одновременно экран 17 ос 4 78552011.12.30 лабляет внешние электромагнитные поля, воздействующие на дополнительную измерительную обмотку 5. Эталонное изделие 4 в процессе движения по направляющей 3 сквозь намагничивающую катушку 1 намагничивается этим полем до состояния технического насыщения. При движении сквозь область с намагничивающим полем эталонное изделие 4 пересекает сечение дополнительной измерительной обмотки 5, вызывая изменение во времени сцепленного с ней магнитного потока, индуцируя в ней сигнал, пропорциональную скорости изменения магнитного потока. Этот сигнал поступает на дополнительный измерительный блок 7, где из него выделяется и интегрируется однополярный импульс напряжения. Величина проинтегрированного сигнала будет пропорциональна величине максимального магнитного потока Ф 0 эталонного изделия. Выходя из зоны действия магнитного поля намагничивающей катушки 1, контролируемое изделие 4 пересекает сечение измерительной обмотки 6 и вызывает изменение сцепленного с ней магнитного потока, индуцируя в ней сигнал, пропорциональный скорости изменения магнитного потока. Экран 18 ослабляет внешние электромагнитные поля, воздействующие на измерительную обмотку 6. Сигнал с измерительной обмотки 6 поступает на измерительный блок 8, где из него выделяется и интегрируется однополярный импульс напряжения. Величина проинтегрированного сигнала будет пропорциональна величине остаточного магнитного потока Ф 0 эталонного изделия. Сигнал, пропорциональный величине максимального магнитного потока Ф 0 эталонного изделия, поступает на вход блока 11 вычитания, второй вход блока 10 памяти и второй вход блока 13 деления. Сигнал, пропорциональный величине остаточного магнитного потока Ф 0 эталонного изделия, поступает на вход блока 12 вычитания,третий вход блока 10 памяти и второй вход блока 14 деления. Сигналы, пропорциональные величине максимального магнитного потока Ф 0 и величине остаточного магнитного потока Ф 0 эталонного изделия, хранящиеся в блоке 10 памяти до прихода следующего управляющего импульса с блока 9 управления, поступают на вторые входы соответственно блока 11 и блока 12 вычитания. Так как на всех входах блока 11 вычитания будет сигнал, пропорциональный Ф 0, а на всех входах блока 12 вычитания сигнал, пропорциональный Ф 0, то на выходе каждого из них и на блоке 16 индикации будет нулевой сигнал. Затем по направляющей 3 пропускается контролируемое изделие 4 с неизвестной величиной упрочненного слоя. Контролируемое изделие 4 в процессе движения по направляющей 3 сквозь намагничивающую катушку 1 намагничивается этим полем до состояния технического насыщения. Вне рабочей области силовые линии магнитного поля намагничивающей катушки 1 замыкаются через экран 17, охватывающий намагничивающую катушку 1. Одновременно экран 17 ослабляет внешние электромагнитные поля, воздействующие на дополнительную измерительную обмотку 5. При движении сквозь область с намагничивающим полем контролируемое изделие пересекает сечение дополнительной измерительной обмотки 5, вызывая изменение во времени сцепленного с ней магнитного потока, индуцируя в ней сигнал, пропорциональную скорости изменения магнитного потока. Этот сигнал поступает на дополнительный измерительный блок 7, где из него выделяется и интегрируется однополярный импульс напряжения. Величина проинтегрированного сигнала будет пропорциональна величине максимального магнитного потока Ф контролируемого изделия. Выходя из зоны действия магнитного поля намагничивающей катушки 1, контролируемое изделие 4 пересекает сечение измерительной обмотки 6 и вызывает изменение сцепленного с ней магнитного потока, индуцируя в ней сигнал, пропорциональный скорости изменения магнитного потока. Экран 18 ослабляет внешние электромагнитные поля, воздействующие на измерительную обмотку 6. Сигнал с измерительной обмотки 6 поступает на измерительный канал 8, где из него выделяется и интегрируется однополярный импульс напряжения. Величина проинтегрированного сигнала будет пропорциональна величине остаточного магнитного потока Ф контролируемого изделия. Сигнал, пропорциональный величине максимального магнитного потока Ф 5 78552011.12.30 контролируемого изделия, поступает на вход блока 11 вычитания, второй вход блока 10 памяти и второй вход блока 13 деления. Сигнал, пропорциональный величине остаточного магнитного потока Ф контролируемого изделия, поступает на вход блока 12 вычитания,третий вход блока 10 памяти и второй вход блока 14 деления. Сигналы, поступившие на второй и третий входы блока 10 памяти от контролируемого изделия, не воспринимаются этим блоком, так как он установлен в режим хранения информации о результатах измерения на эталонном изделии до поступления следующего управляющего импульса с блока 9 управления, который включают при смене типа контролируемого изделия. Тогда на выходе блока 11 вычитания будет сигнал Ф 0-Ф, а на выходе блока 12 вычитания будет сигнал Ф-Ф 0. После деления этих сигналов блоками 13 и 14 соответственно на величину Ф и Ф и суммирования полученных величин сумматором 15 на блоке 16 индикации регистрируется величина (Ф 0-Ф)/Ф(Ф-Ф 0)/Ф, пропорциональная толщине упрочненного слоя контролируемого изделия. Вклад в эту величину внешнего магнитного поля намагничивающей катушки 1 и внешних электромагнитных полей ослабляется экранами 17 и 18. Из фиг. 2 видно, что напряженностьмагнитного поля, создаваемого намагничивающей катушкой 1 на расстоянииот ее торца по прототипу, примерно в 2 раза больше,чем по данной полезной моделью, то есть поле намагничивающей катушки 1 в зоне расположения измерительной обмотки 6 ослабляется при параметрах используемой намагничивающей катушки примерно в 2 раза, что повышает достоверность измерения остаточного магнитного потока контролируемого изделия. Из фиг. 3 видно, что погрешность из-за зависимости информативного сигнала от амплитуды вш однородного переменного магнитного поля частотой 50 Гц при использовании экрана толщиной 3 мм из армко-железа по данной полезной модели 2 более чем в 5 раз меньше, чем по прототипу 1. Эффективность предлагаемой полезной модели заключается в том, что она повышает достоверность контроля за счет экранирования магнитного поля намагничивающей катушки и поля внешних электромагнитных помех. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6