Способ электромагнитного контроля распределения величины удельной электропроводности в изделии из известного электропроводящего материала, а также его толщины и параметров дефектов в нем

(51) МПК (2009) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО КОНТРОЛЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ВЕЛИЧИНЫ УДЕЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ В ИЗДЕЛИИ ИЗ ИЗВЕСТНОГО ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩЕГО МАТЕРИАЛА,А ТАКЖЕ ЕГО ТОЛЩИНЫ И ПАРАМЕТРОВ ДЕФЕКТОВ В НЕМ(71) Заявитель Белорусский национальный технический университет(72) Авторы Дорошевич Елена Сергеевна Павлюченко Владимир Васильевич(73) Патентообладатель Белорусский национальный технический университет(57) 1. Способ электромагнитного контроля распределения величины удельной электропроводности в изделии из известного электропроводящего материала, а также его толщины и параметров дефектов в нем, в котором воздействуют на изделие сериями одиночных импульсов магнитного поля первичного источника в виде полусинусоиды с максимальной величиной напряженности в зоне контроля от 1102 до 1105 А/м, время нарастаниякоторых устанавливают в пределах от 110-8 до 110-2 с таким образом, чтобы в результате воздействия импульсами с одним и тем же временем нарастания разрешить контролируемые свойства изделия в слое материала глубинойраз в соответствии с выражением 2 раз , гдеи- коэффициенты, экспериментально полученные для данного материала, вплоть до полной толщины изделия, для которой задают время нарастанияв соответствии с выражением 14145 1 2011.04.30 гдепред - экспериментально найденная предельная толщина изделия, при которой выполняется линейная зависимость максимальной тангенциальной составляющей напряженностимагнитного поля, созданного индукционными токами в материале изделия, от его толщины , измеряют по точкам на поверхности изделия величины максимальных тангенциальных составляющихнапряженности магнитного поля, по которым путем вычитания из них величин максимальных тангенциальных составляющих 0 напряженности магнитного поля первичного источника находят величиныв каждой точке,строят зависимости величиныот координатив плоскости поверхности изделия,затем сравнивают их с аналогичными эталонными зависимостями величины, полученными заранее при воздействии таких же импульсов на эталонные изделия из того же материала с известной толщиной, распределением удельной электропроводности и с известными параметрами дефектов, и определяют путем указанного сравнения искомые свойства изделия в каждой контролируемой его точке. 2. Способ электромагнитного контроля по п. 1, отличающийся тем, что искомые свойства изделия дополнительно определяют по измеренной ширине намагниченных участков поверхности изделия для разных времен нарастания импульсов и по тем временам нарастания импульсов поля, при которых на поверхности изделия начинают появляться магнитные поля участков и дефектов, расположенных на разной глубине, путем сравнения результатов измерения с аналогичными эталонными зависимостями. Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для контроля качества изделий из электропроводящих материалов. Известен способ электромагнитного контроля 1, заключающийся в том, что на объект воздействуют электромагнитным импульсным полем в виде последовательности пилообразных импульсов с равными амплитудами и регистрируют параметры взаимодействия,по которым определяют состояние объекта. Однако этот способ обладает недостаточной надежностью. Прототипом предлагаемого изобретения является магнитоимпульсный способ контроля материалов 2, заключающийся в том, что на контролируемое изделие воздействуют импульсными магнитными полями и по величине напряженности магнитного поля на его поверхности определяют свойства изделия. Однако этот способ не обладает достаточной надежностью. Задачей изобретения является повышение надежности контроля изделий из электропроводящих материалов на наличие в них внутренних дефектов и определение электрических свойств материала изделия. Поставленная задача достигается тем, что в способе электромагнитного контроля распределения величины удельной электропроводности в изделии из известного электропроводящего материала, а также его толщины и параметров дефектов в нем воздействуют на изделие сериями одиночных импульсов магнитного поля первичного источника в виде полусинусоиды с максимальной величиной напряженности в зоне контроля от 1102 до 1105 А/м, время нарастаниякоторых устанавливают в пределах от 110-8 до 110-2 с таким образом, чтобы в результате воздействия импульсами с одним и тем же временем нарастания разрешить контролируемые свойства изделия в слое материала глубинойраз в соответствии с выражением 2 раз , гдеи- коэффициенты, экспериментально полученные для данного материала, вплоть до полной толщины изделия, для которой задают время нарастанияв соответствии с выражением, гдепред - экспериментально найденная предельная толщина изделия, при которой выполняется линейная зависимость максимальной тангенциальной составляющей напряженностимагнитного поля, созданного индукционными токами в материале изделия, от его толщины , измеряют по точкам на поверхности изделия величины максимальных тангенциальных составляющихнапряженности магнитного поля, по которым путем вычитания из них величин максимальных тангенциальных составляющих 0 напряженности магнитного поля первичного источника находят величиныв каждой точке,строят зависимости величиныот координатыив плоскости поверхности изделия,затем сравнивают их с аналогичными эталонными зависимостями величины, полученными заранее при воздействии таких же импульсов на эталонные изделия из того же материала с известной толщиной, распределением удельной электропроводности и с известными параметрами дефектов, и определяют путем указанного сравнения искомые свойства изделия в каждой контролируемой его точке. Искомые свойства изделия дополнительно определяют по измеренной ширине намагниченных участков поверхности изделия для разных времен нарастания импульсов и по тем временам нарастания импульсов поля, при которых на поверхности изделия начинают появляться магнитные поля участков и дефектов, расположенных на разной глубине, путем сравнения результатов измерения с аналогичными эталонными зависимостями. Сущность изобретения поясняется фиг. 1 и фиг. 2. На фиг. 1 показаны зависимости величины максимальной тангенциальной составляющей напряженности магнитного поля вблизи поверхности материалаот его толщины . На фиг. 2 показана пластина из алюминия с участками свинца и распределения напряженности магнитного поля над ней. Изобретение осуществляют следующим образом. Воздействуют на изделие серией одиночных импульсов магнитного поля первичного источника в виде полусинусоиды и в каждой точке на поверхности изделия измеряют максимальную величину тангенциальной составляющей напряженности магнитного поля. Предварительно находят распределение тангенциальной составляющей напряженности магнитного поля первичного источникапо соответствующим поверхности изделия точкам пространства в отсутствие изделия. Вычитают извеличину напряженности первичного источникаи получают распределения максимальной тангенциальной составляющей напряженности магнитного поля вторичного источника , т.е. поля, созданного индукционными токами в изделии, по всем точкам контролируемой поверхности изделия. Пользуясь предварительно полученными экспериментальными данными о корреляционных зависимостяхи параметров дефектов с величинойи ее распределением,находят величиныи параметры дефектов под каждой контролируемой точкой поверхности изделия. Согласно экспериментальным исследованиям авторов, зависимость величиныполя индукционных токов на поверхности материала(1),где- коэффициент, зависящий оти оти являющийся характеристикой материала. Предельная толщина материалад, при которой выполняется соотношение (1) равна(2)д,где- коэффициент, зависящий отматериала. Величина максимальной тангенциальной составляющей напряженности магнитного поля на поверхности материалапри величине напряженности воздействующего магнитного поля 0 равна 14145 1 2011.04.30 Из (3) находим величину максимальной тангенциальной составляющей напряженностимагнитного поля вторичного источника(4)-0. Длительность импульса поля первичного источника, вторичное поле которого несет информацию о свойствах изделия по всей его толщинепред, определяют из формулыпред гдепред , - предельная толщина изделия, при которой выполняется линейная зависимостьот толщины изделия . Определив экспериментально величиныдля разных материалов находятматериалов контролируемых изделий. Формула (5) получена также эмпирически. Несмотря на то, что импульс поля с, рассчитанным по формуле (5), позволяет разрешать свойства изделия по всей его толщине, он несет информацию о слое изделия гораздо большем, чем толщина изделия, так как величина указанногопред значительно меньше эффективной глубины проникновения магнитного поля в изделие . Поэтому для разрешения свойств изделия по глубине задают толщины раз разрешаемых по свойствам слоев изделия, представляя глубину слоя, разрешающего свойства материала изделия, равной эффективной глубине проникновения магнитного поля в материал . Анализ полученных данных показал, чтопред исвязаны следующим соотношениемпред,в где- коэффициент, зависящий отматериала изделия. Согласно (6) находят величину новой предельной толщины для разрешения свойств изделия по всей толщине, принимая во внимание то, что заследует принять толщину изделия . Тогда в формуле (6) следует положить толщину изделия , равной эффективной глубине проникновения , по которой найти новую предельную толщинупред(7)пред 22. Подставляя значениепред из (7) в (2) получают время нарастания импульса для разрешения свойств изделия по всей его толщине а по слоям толщиной раз Воздействуя на изделие импульсами поля с указанными временами нарастания, получают разрешение свойств материала, т.е. распределение по глубинеи дефектов, по соответствующим этим временамслоям изделия толщиной раз. Кроме того, воздействуют импульсом, определяемым соотношением (5) и с наибольшей точностью определяют разнотолщинность изделия по величине напряженности магнитного поляв разных точках поверхности изделия в соответствии с зависимостью (1). Так, если толщина материала данного участка изделия меньше, чем толщина остального изделия, то и величина , соответствующая величинепред, также будет меньше. Принцип действия предложенного изобретения поясним следующим примером его осуществления. Для образцов из алюминия авторами найдены следующие значения коэффициентов 5 м/с,200 1/м. Предельная толщина слоя 1 пред, при которой выполняется линейная зависимость величины максимальной тангенциальной составляющей напряженности магнитного поля 14145 1 2011.04.30 вторичного источникаот толщины изделияиз алюминия, в соответствии с результатами авторов при времени нарастания импульса 1410-6 с равна 1 пред 210-5 м. Материал изделия - алюминий. Толщина изделия неизвестна. Воздействуют на изделие серией импульсов с временами нарастания 14,210-6 с, 1810-6 с, 5010-6 с, 10510-6 с и получают зависимости 1-4 (фиг. 1) величины максимальной тангенциальной составляющей напряженности магнитного поля на поверхности материалаот его толщины . Находят величину. Она оказывается равной соответственно 3900 А/м, 2500 А/м,1300 А/м, 500 А/м. На основании зависимостей 1-4 фиг. 1 находят толщину изделия 110-4 м, а еслинеизвестна, то и величину . Зависимости 1-4 извлекают из банка данных, в котором записаны зависимости величиныдля эталонных материалов с разными величинамии , полученные при воздействии на эти материалы заданными импульсами магнитного поля. Наличие таких данных позволяет однозначно и одновременно определить ии . Например, указанные кривые 1-4 характеризуют только изделия из алюминия, а для материалов с большей величинойзависимости будут сдвинуты в сторону меньших значений , с меньшей- в сторону больших . Задают толщину слояраз для разрешения свойств изделия по глубине. Пусть толщив на первого слоя будет равной 1 раз 110-5 м. Тогда по формуле 2 раз находят время нарастания первого импульса для разрешения свойств указанного поверхностного слоя. в 200 Так как для алюминия 5 м/с,200 1/м, то 12 раз 1 10104 109 (с). 2-5 Задают толщину второго слоя 2 раз 110 м. Тогда получают 21,610-8 с. Для импульса, разрешающего свойства изделия по всей его толщине, получают 410-7 с. Если известна величина удельной электропроводности материала изделия , то время нарастания импульсовдля разрешения свойств изделия по слоям толщиной 1 раз можно также найти по формуле 0,25 02 ,где- магнитная проницаемость среды, 0410-7 Гн/м - магнитная постоянная,- эффективная глубина проникновения магнитного поля. Это выражение получено из известной формулы для определения величины эффективной глубины проникновения магнитного поля путем выражения циклической частоты через период колебания ,причем 0,25 Т. Для того чтобы разрешить свойства изделия по всей его толщине , надо принятьраз, где индексозначает максимальные значения толщины разрешаемого слоя и эффективной глубины проникновения магнитного поля. Поскольку найденная толщина изделия равна 110-4 м, то при 1 (вакуум, воздух) для изделия из алюминия получаем максимальную длительность импульса 410-7 с. Таким образом, получена такая же величина. Для определения дефектов изделия и участков с отличными от остального материала величинойдействуют следующим образом. Воздействуют на изделие импульсом магнитного поля, разрешающим свойства в поверхностном слое. Если материал изделия в этом слое однороден и величина удельной электропроводностиво всех его участках одна и та же, то величина максимальной тангенциальной составляющей напряженности магнитного поля вторичного источникаво всех точках поверхности изделия будет одинаковой и может быть определена указанным выше способом. Если в некотором участке этого слоя удельная электропроводностьменьше, чем в остальных участках слоя и это отличие начинается не от самой поверхности изделия, а ниже первого разрешаемого поверхностного слоя, то и величинанад 5 14145 1 2011.04.30 этим участком будет меньше, чем над остальными участками и может быть определена из линейной зависимостиот толщины изделия при данном времени нарастания импульса 2 с поправкой на то, что над этим участком с отличными свойствами находится слой материалараз с величиной , как для всего остального материала. Для разрешения свойств изделия по всей толщине задают толщину разрешаемого слояпред, равную толщине всего изделия и находят время нарастания импульса. Способ осуществляют путем построения зависимостей величины максимальной тангенциальной составляющей напряженности магнитного поля вторичного источникаот координатыи от координатыв плоскости поверхности изделия. Осуществление способа поясняется чертежом на фиг. 2, где показаны 1 - пластина из алюминия, в которой имеются участки 2 и 3 из свинца с обозначениями толщины слоев 0, 1, 2, 3, 4. Здесь же показаны зависимости 4-8 величиныот расстоянияна поверхности пластины, полученные при воздействии на пластину импульсными магнитными полями в виде полусинусоиды с разными временами нарастания,а также координаты проекций краев участков из свинца 2 и 3 и их магнитных полей на ось , и направление вектора напряженности магнитного поляпервичного источника. Воздействуют на пластину 1 мгновенно нарастающим импульсом магнитного поля, в результате чего получают зависимость 4 величинына поверхности пластины. Эта зависимость разрешает свойства пластины в бесконечно тонком поверхностном слое пластины. В случае металлов мгновенно нарастающим можно считать импульс магнитного поля со временем нарастанияменее 110-8 с. Воздействуют на пластину 1 импульсом магнитного поля с большим, чем для первого импульса временем нарастания, с помощью которого разрешают свойства слоя толщиной 1. Распределение величинына поверхности пластины для этого импульса соответствует зависимости 5. Эта зависимость имеет уровнинад участками из алюминия ниже уровней, полученных для мгновенно нарастающего сигнала 4. Над участком из свинца 2 величинабудет значительно меньше, чем над участками из алюминия. При определенных условиях можно добиться того, что ее величина будет в девять раз меньше(удельная электропроводность свинца в девять раз меньше, чем у алюминия). Уровень 1 в пластине находится выше уровня участка свинца 3 и поэтому никакого влияния этот участок свинца 3 на распределение 5 не окажет. Воздействуют на пластину 1 импульсом магнитного поля с еще большим временем нарастания, с помощью которого разрешают свойства слоя толщиной 2. Распределение величинына поверхности пластины для этого импульса соответствует зависимости 6. Эта зависимость имеет уровнинад участками из алюминия и над участком 2 из свинца ниже уровней 5, полученных при воздействии на пластину вторым импульсом. Над участком из свинца 3 величинабудет значительно меньше, чем над участками из алюминия. Уровень 2 в пластине находится на одном уровне с верхней частью участка свинца 3 и поэтому никакого влияния этот участок свинца 3 на распределение 6 не окажет. Воздействуя на пластину импульсами магнитного поля с еще большими временами нарастания , получают зависимости 7 и 8 величиныот , соответствующие разрешению слоев пластины на глубину 3 и 4 (толщина слоя 4 совпадает с толщиной всей пластины). При этом уровни 7 и 8 находятся ниже уровня 6. Кроме того, проявляется участок 3 свинца, над которым величинаменьше аналогичной величины над алюминием. Таким образом, можно разрешать свойства материалов по глубине, пользуясь предложенными в изобретении формулами авторов, полученными с учетом того, что в определенных интервалах времени нарастания импульсов величины соответствующих имна поверхности электропроводящего материала зависят от его толщины. При этом величину удельной электропроводностиучастков определяют по величинамнад этими 6 14145 1 2011.04.30 участками при разных временах нарастания импульса магнитного поля, а также по ширине магнитных полей участков 12 и 34 для разных времен нарастания импульсов и по временам нарастания импульсов поля, при которых начинают проявляться магнитные поля участков. Все эти зависимости предварительно находят для материалов разной толщины с разными величинами . Если удельная электропроводность материала изделия неизвестна, а известна его толщина, то предложенным способом можно найти удельную электропроводность однородного материала или путем усреднения результатов измерений по всей поверхности изделия - для изделия с локальными дефектами сплошности или участками с отличной величиной электропроводности . Для этого воздействуют на изделие импульсом магнитного поля длительностью, найденной ориентировочно в предположении, что величина удельной электропроводности равна такой-то величине, соответствующей, например,электропроводности свинца. В результате воздействия по соответствию измеренной величины максимальной тангенциальной составляющей напряженности магнитного поля вторичного источникавеличинеизвестного материала (в данном случае свинца) определяют абсолютную величину удельной электропроводности материала. Это осуществляют, пользуясь экспериментальными зависимостями величины коэффициентаот времени нарастания импульсадля разных материалов, как это указано в описании изобретения,( ), найденными предварительно, где- коэффициент, входящий в формулу (1). Экспериментальные результаты и проведенные расчеты позволяют установить следующие пределы применения предложенного способа. Нижний предел времени нарастания импульса 110-8 с определяют исходя из параметров датчиков магнитного поля(быстродействие датчиков), верхний предел 110-2 с находят по измерениямдля изделий конечной толщины. Максимальную напряженность магнитного поля первичного источника в интервале 1102105 А/м определяют исходя из свойств применяемых датчиков магнитного поля. Источники информации 1. Мельгуй М.А. Магнитный контроль механических свойств сталей. - Минск Наука и техника, 1980. - С. 157-162. 2. Методы неразрушающих испытаний / Под ред. Шарпа. - . Мир, 1972. - С. 394-412 Фиг. 1 Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 7