Ферритометр

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(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) Ферритометр, содержащий вторичный прибор, содержащий генератор импульсов и цифровой индикатор содержания ферритной фазы в контролируемом образце, а также связанный со вторичным прибором выносной датчик, содержащий немагнитный корпус со связанной с генератором импульсов магнитной катушкой снаружи и с железным кольцом, в которое соосно вставлен постоянный стержневой магнит, внутри, и соединенный со вторичным прибором магниточувствительный элемент, находящийся в магнитной связи с указанными магнитом и катушкой, отличающийся тем, что магниточувствительный элемент выполнен в виде датчика Холла, установленного на тонкой немагнитной планке, выполненной с возможностью радиального перемещения между осью стержневого магнита и катушкой и механически связанной с датчиком перемещения, соединенным выходом со вторичным прибором, содержащим генератор тока датчика Холла и операционный 17238 1 2013.06.30 усилитель выходных сигналов этого датчика, соединенный с блоком микропроцессора,содержащим аналого-цифровой преобразователь и ЖК-дисплей и соединенным с генератором импульсов и цифровым индикатором содержания ферритной фазы, при этом указанные кольцо и магнит с тыльного торца замкнуты дисковым магнитопроводом, а в лицевом торце кольца выполнена радиальная проточка. Заявляемое изобретение относится к контрольно-измерительной технике для неразрушающего контроля качества материалов, т.е. к приборам, предназначенным для контроля состава сплавов на основе железа, а именно локального измерения ферромагнитной фазы аустенитных сталей при литье, содержания ферритной фазы в различных марках стали, прежде всего в образцах сварных швов. Из уровня техники известно устройство для локального измерения ферромагнитной фазы аустенитных сталей 1, которое выполнено в виде датчика и содержит ручку, защитный немагнитный корпус, в котором установлен постоянный магнит. В плоскости нейтрального сечения магнита на его противоположных сторонах ортогонально оси намагничивания магнита, соосно друг другу установлена первая пара магниточувствительных элементов. Вторая пара элементов установлена под углом к оси намагничивания магнита. Магниточувствительные элементы подключены к электроизмерительному прибору через переключатели по схемам градиентометра и полемера. В качестве магниточувствительных элементов используются феррозонды. При сканировании поверхности материала постоянный магнит взаимодействует с материалом, промагничивая его на определенную глубину. При этом по обмоткам возбуждения двух пар магниточувствительных элементов пропускается переменный ток с определенной частотой, который периодически доводит сердечники магниточувствительных элементов до насыщения. В отсутствие в материале участка с ферромагнитными свойствами (-фазы) ЭДС, наводимые в измерительных обмотках пар магниточувствительных элементов от неоднородности магнитного поля, будут отсутствовать, поэтому и выходные сигналы, фиксируемые стрелочными индикаторами, также будут отсутствовать. При обнаружении участка, обладающего ферромагнитными свойствами, силовые линии магнитного поля неоднородности материала воздействуют на сердечники двух пар магниточувствительных элементов в направлении ортогонально магнитным осям сердечников(измеряются тангенциальные составляющие магнитного поля рассеяния неоднородности материала в разных точках участка). В результате изменения магнитных потоков сердечников ЭДС, наводимые в измерительных обмотках двух пар магниточувствительных элементов, соединенных по градиентометрической схеме, в этом случае будут складываться. Сумма величин ЭДС,передаваемая в виде сигнала на стрелочный индикатор, является мерой продольного градиента тангенциальной составляющей магнитного поля неоднородности материала в направлении магниточувствительных элементов одной из пар. В направлении магниточувствительных элементов другой пары величина сигнала является мерой продольнопоперечного градиента тангенциальной составляющей магнитного поля, создаваемого фазой в материале. Если хотя бы на один из магниточувствительных элементов будут воздействовать разнополярные силовые линии магнитного поля неоднородности материала, то в этом случае ЭДС, наводимые в измерительных обмотках одной из пар, будут вычитаться, следовательно, эти магниточувствительные элементы становятся практически малочувствительными к обнаружению ферромагнитной фазы материала. Поэтому для контроля материала предусмотрено переключение магниточувствительных элементов одной из пар в режим работы по схеме полемера. Тогда ЭДС, наводимые в измерительных обмотках магнито 2 17238 1 2013.06.30 чувствительных элементов этой пары, будут складываться. Сумма величин ЭДС, передаваемая в виде сигнала на стрелочный индикатор, и является мерой тангенциальной составляющей магнитного поля неоднородности материала, создаваемой -фазой в материале. Основным недостатком 1 является низкая точность измерений, обусловленная интегральностью измерений по объему, вследствие относительно больших размеров магниточувствительных элементов (феррозондов), размеры которых, например, более чем на порядок превосходят размеры сенсоров Холла. Погрешность измерения возрастает, когда материал имеет небольшую толщину, а флуктуации магнитных неоднородностей являются мелкодисперсными. Одним из недостатков является снижение точности измерений изза использования магнитной системы открытого типа (магнит без магнитопровода), которая подвержена влиянию воздействия полей магнитных помех. Наиболее близким к заявляемому устройству является приведенный в 2 ферритометр(прототип). Ферритометр содержит датчик и связанный с ним вторичный прибор. Вторичный прибор состоит из соединенных между собой генератора импульсов, счетчика импульсов, цифроаналогового преобразователя и цифрового индикатора содержания ферритной фазы. Датчик состоит из поплавка, в который вставлен магнит в виде стержня,на периферии магнита расположено железное кольцо, при этом поплавок расположен в герметичном корпусе из немагнитного материала. Снаружи герметичного корпуса расположена катушка, которая, взаимодействуя с железным кольцом, создает силу, отрывающую магнит от образца. Она управляется вторичным прибором путем подачи увеличивающегося тока. Оторвавшийся от образца магнит через корпус из немагнитного материала замыкает контакт магниточувствительного элемента (геркона), соединенного со вторичным прибором. Вторичный прибор фиксирует ток отрыва магнита от образца, по которому и судят о концентрации ферромагнитной примеси, например -фазы. Недостатком этого устройства является низкая точность измерения, поскольку сила притяжения зависит от магнитных свойств, таких как намагниченность, магнитная анизотропия, текстурированность, доменная структура ферромагнетика, и механических свойств, например чистоты обработки поверхности, т.е. ее шероховатости. Кроме того,открытая магнитная система (магнит без магнитопровода) подвержена влиянию воздействия полей магнитных помех. Задачей, решаемой в настоящем изобретении, является повышение точности измерений. Для решения поставленной задачи ферритометр содержит генератор импульсов и цифровой индикатор содержания ферритной фазы в контролируемом образце, а также связанный со вторичным прибором выносной датчик, содержащий немагнитный корпус со связанной с генератором импульсов магнитной катушкой снаружи и с железным кольцом, в которое соосно вставлен постоянный стержневой магнит, внутри, и соединенный со вторичным прибором магниточувствительный элемент, находящийся в магнитной связи с указанными магнитом и катушкой. Он отличается тем, что магнточувствительный элемент выполнен в виде датчика Холла, установленного на тонкой немагнитной планке, выполненной с возможностью радиального перемещения между осью стержневого магнита и катушкой и механически связанной с датчиком перемещения, соединенным выходом со вторичным прибором, содержащим генератор тока датчика Холла и операционный усилитель выходных сигналов этого датчика, соединенный с блоком микропроцессора, содержащим аналого-цифровой преобразователь и ЖК-дисплей и соединенным с генератором импульсов и цифровым индикатором содержания ферритной фазы, при этом указанные кольцо и магнит с тыльного торца замкнуты дисковым магнитопроводом, а в лицевом торце кольца выполнена радиальная проточка. По мнению авторов, устройство содержит вышеприведенный ряд новых элементов,позволяющих реализовать выполнение поставленной задачи по повышению точности из 3 17238 1 2013.06.30 мерений. Концентрация ферритовой фазы определяется не по индукции в одной точке, а по результатам обработки микропроцессором зависимости распределения нормальной составляющей индукции магнитного поля, измеряемого датчиком Холла, от величины его радиального перемещения, которое соответственно измеряется датчиком перемещений. Причем измерение проводится два раза с магнитным полем катушки и без него. Дополнительное магнитное поле катушки используется для того, чтобы ввести область образца под выносным датчиком в состояние, наиболее близкое к магнитному насыщению. В состоянии магнитного насыщения величина индукции насыщения является структурно нечувствительным фактором и определяется только количеством ферромагнитной фазы, что и обеспечивает повышение точности локальных измерений. 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 фигурами. На фиг. 1 изображено устройство выносного датчика в разрезе вдоль оси симметрии постоянного магнита. Здесь 0 - радиус магнита 1 и 2 - внутренний и внешний радиусы железного кольца соответственно, а- их высота- высота магнитопровода- расстояние между магнитом и исследуемым образцом толщины- глубина проточки кольца (32) - толщина катушки. На фиг. 2 - функциональная схема подключения электронных блоков устройства вторичного прибора. На фиг. 3 приведена зависимость индукции магнитного поля В от величины перемещения датчика Холладля следующих калиброванных образцов стали марки 430, содержащих известные концентрации -фазы при 0,0(ферромагнитная фаза отсутствует) - линия 5,0- линия 10,0- линия 20,0- линия 40,0- линия 100,0- линия , импульсный ток через катушку отсутствует. На фиг. 4 приведена зависимость индукции магнитного поляот величины перемещения датчика Холладля 0,0(ферромагнитная фаза отсутствует) - линия 5,0- линия 10,0 линия 40,0- линия 100,0- линия ,при одиночных прямоугольных импульсах тока с плотностью 500 МАм/м 2. Геометрические размеры выносного датчика, изображенного на фиг. 1, были 03 мм 15 мм 28 мм 321 мм 6 мм 3 мм 0,3 мм 2,0 мм магнит изс удельной энергией 40 пленочный датчик Холла из с размерами магниточувствительной области 1001006 мкм производства ГО НПЦ НАН Беларуси по материаловедению, толщина исследуемого образца 10 мм из стали 430. Ферритометр содержит вторичный прибор и связанный с прибором выносной датчик. Вторичный прибор состоит из соединенных между собой блоков генератора одиночных прямоугольных импульсов 1, генератора постоянного тока 2 магниточувствительного элемента, операционного усилителя 3, микропроцессора 4 с аналого-цифровым преобразователем 5 и ЖК-дисплеем 6, цифрового индикатора содержания ферритной фазы 7, подключенного к микропроцессору. Выносной датчик состоит из немагнитного корпуса 8, в 4 17238 1 2013.06.30 котором размещены железное кольцо 9 (предпочтительно из армко-железа), внутри которого вставлен постоянный стержневой магнит 10 изс удельной энергией 40,а снаружи расположена катушка 11 с витками (количество витков - менее 10), связанная с вторичным прибором (подключена к 1), магниточувствительный элемент 12, находящийся в связи с магнитом 10 и катушкой 11 по магнитному полю, соединен с вторичным прибором и выполнен в виде датчика Холла (из с размерами магниточувствительной области 1001006 мкм), установленного на П-образной тонкой немагнитной планке 13, которая выполнена с возможностью радиального перемещения между осью стержневого магнита 10 и катушкой 11, причем планка 13 механически связана с датчиком перемещения 14, выход которого подключен к вторичному прибору. Катушка 11 с внешней стороны может содержать немагнитный теплоотводящий элемент - радиатор (не показан) - для эффективного рассеяния джоулевого тепла катушки. Стержневой магнит 10 и железное кольцо 9 с тыльной стороны замкнуты магнитопроводом 15, выполненным в виде диска, причем в лицевой стороне торца кольцо 9 выполнено с радиальной проточкой 16. Пружина 17 размещена на немагнитном стержне 18 и служит для быстрого перемещения датчика Холла 12 в радиальном направлении, вблизи поверхности исследуемого образца, который в общем случае содержит две фазы парамагнитную 19 и ферромагнитную (-фазу) 20. В качестве датчика перемещения 14 может использоваться любой из известных электронных датчиков, например оптический, емкостной, резистивный и др. Ферритометр работает следующим образом. Вначале устройство калибруется на гетерогенных эталонных образцах сталей с известным содержанием магнитной -фазы. При этом распределение нормальной составляющей индукции магнитного полякак функция радиального перемещения датчика Холла 12 записывается в память микропроцессора 4. Такие функцииприведены на фиг. 3 и 4, включая функцию распределения в отсутствии -фазы. Для этого сигнал с датчика Холла 12, пропорциональный величине , усиливается операционным усилителем 3 и поступает в аналого-цифровой преобразователь 5 одновременно с сигналом от датчика перемещения 14, по которому вычисляется величина перемещения , и далее в память микропроцессора 4. При этом калибровка производится два раза при наложении дополнительного магнитного поля,создаваемого катушкой 11, питаемой от генератора импульса 1, который управляется микропроцессором 4, и без дополнительного магнитного поля. Импульс - одиночный,прямоугольный, кратковременный. Длительность импульса выбирается из условия его превышения, но не более чем на 20 , над временем, необходимым для движения датчика Холла 12 от оси магнита 10 до края катушки 11, которое происходит под действием упругих сил пружины 17. Кратковременный одиночный импульс прямоугольной формы обеспечивает высокую амплитуду магнитного поля катушки 11 и предотвращает ее перегрев выделяемым джоулевым теплом. Генератор 1 запускается синхроимпульсом процессора 4 с началом движения датчика Холла 12, регистрируемого датчиком перемещения 14. Полярность импульса выбрана такой, чтобы намагниченности магнита 10 и катушки 11 были сонаправлены, что приводит к сложению их магнитных потоков. Суть дополнительного магнитного поля в том, чтобы ввести область образца под выносным датчиком в состояние, наиболее близкое к магнитному насыщению. Известно, что в состоянии магнитного насыщения Геллер Ю.А., Рахштад А.Г. Материаловедение. Методы анализа, лабораторные работы и задачи.- М. Металлургия, 1984. - С. 107-108 намагниченность насыщения определяется только количеством ферромагнитной фазы и не зависит от ее структуры, т.е. дисперсности, уровня макро- и микронапряжений, изменений плотности дислокаций и др.,что и обеспечивает повышение точности локальных измерений. При измерении искомой концентрации ферромагнитной фазы в образце выносной датчик размещается на нем и удерживается за счет сил магнитного притяжения. В отсутствие притяжения - удерживается оператором. При сканировании поверхности материала 5 17238 1 2013.06.30 образца постоянный магнит взаимодействует с материалом, промагничивая его на определенную глубину. Далее, как и при калибровке, распределения нормальной составляющей индукции магнитного полякак функция радиального перемещения датчика Холла 12 записываются в память микропроцессора два раза и сравниваются с аналогичными функциями распределения , полученными при калибровке для ближайших значений концентраций ферромагнитной фазы 1 и 2 из диапазона 12. Полученные распределенияпо определенному алгоритму пересчитываются в процентное содержание , передаваемое для отображения на индикатор 7. Таким образом, точность измерения концентрации ферромагнитной фазы повышается за счет того, что она определяется по индукции не в одной точке, а по результатам обработки микропроцессором зависимости распределения нормальной составляющей индукции магнитного поля, измеряемого датчиком Холла, от величины его радиального перемещения, в том числе в условиях наложения импульсного магнитного поля, обеспечивающего под выносным датчиком условия, близкие к магнитному насыщению, когда индукция насыщения становится структурно нечувствительной. Исходя из вышеизложенного, для заявленного устройства в том виде, как оно охарактеризовано в приведенной формуле, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов,поэтому заявляемое устройство соответствует требованию промышленная применимость по действующему законодательству. Источники информации 1. Патентна изобретение 2130609, МПК 01 27/87,01 27/72, 1999. 2. Патентна изобретение 2150121, МПК 01 33/12,01 27/72, 2000 (прототип). Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 7