Устройство для определения коэрцитивной силы изделия

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭРЦИТИВНОЙ СИЛЫ 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 определения коэрцитивной силы изделия, содержащее замыкаемый контролируемым изделием магнитопровод П-образной формы, подключенную к генератору тока обмотку перемагничивания и магниточувствительный преобразователь напряженности магнитного поля в электрический сигнал, установленный в нейтральной плоскости магнитопровода, ориентированный осью чувствительности перпендикулярно указанной плоскости и подключенный к блоку преобразования сигнала, связанному с индикатором коэрцитивной силы, отличающееся тем, что магниточувствительный преобразователь выполнен в виде датчика Холла, установленного на тонкой немагнитной планке, Фиг. 1 17791 1 2013.12.30 выполненной с возможностью осевого перемещения в нейтральной плоскости магнитопровода между обмоткой перемагничивания и контролируемым изделием и механически связанной с датчиком перемещения, связанным выходом с блоком преобразования сигнала, содержащим аналого-цифровой преобразователь и процессор, а магнитопровод с обращаемой к изделию стороны снабжен двумя симметрично скошенными навстречу друг к другу башмаками из армко-железа, на которых закреплена соединяющая их немагнитная прокладка заданной толщины с отверстием в ее средней части. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что указанная прокладка выполнена толщиной, лежащей в диапазоне от 0,25 до 2,5 мм. Заявляемое изобретение относится к контрольно-измерительной технике для неразрушающего контроля качества ферромагнитных изделий, а именно к приборам, предназначенным для локального измерения коэрцитивной силы по индукции, например в стальных листах. Из уровня техники известно устройство для измерения коэрцитивной силы 1, а именно приставное устройство коэрцитиметра, содержащее разомкнутый магнитопровод, замыкаемый контролируемым изделием, обмотку перемагничивания и нуль-индикатор магнитного поля в виде двух преобразователей, расположенных между полюсами магнитопровода у рабочей поверхности магнитопровода. Ток от источника коэрцитиметра подают на катушку П-образного магнитопровода и плавно уменьшают его значение до нуля. Большая часть магнитного потока остаточного намагничивания проходит по контролируемому участку изделия и замыкается по магнитопроводу. Затем подают ток противоположного направления, плавно увеличивающийся во времени. По показаниям нульиндикатора, установленного с внутренней стороны полюсов магнитопровода непосредственно у их рабочей поверхности с возможностью поворота в продольной плоскости симметрии магнитопровода, в момент равенства токов нулю фиксируют значение размагничивающего тока и по нем судят о коэрцитивной силе контролируемого участка изделия. В качестве магниточувствительных элементов используются феррозонды, которые сложным образом юстируются выборами угла поворота из диапазона 45-135. Недостатком этого устройства является сложность, обусловленная необходимостью симметричного расположения преобразователей магнитного поля относительно нейтральной плоскости магнитопровода и поворота их вокруг оси при настройке аппаратуры на контроль изделий различных типоразмеров. Кроме того, это устройство имеет низкую точность определения коэрцитивной силы из-за влияния на показания аппаратуры (ток размагничивания) толщины контролируемых изделий, магнитной восприимчивости на спинке петли гистерезиса материала изделий и величины коэрцитивной силы материала магнитопровода. Наиболее близким к заявляемому устройству является приведенное в 2 устройство для измерения коэрцитивной силы (прототип), а именно приставное устройство коэрцитиметра, выполненное в двух вариантах и содержащее разомкнутый магнитопровод Побразной формы, замыкаемый контролируемым изделием, обмотку перемагничивания и два магниточувствительных преобразователя (феррозонда), центры которых расположены между полюсами магнитопровода и обмоткой перемагничивания. По одному из вариантов магниточувствительные преобразователи выполнены в виде измерителей напряженности магнитного поля, центр одного из измерителей установлен в нейтральной плоскости магнитопровода, а оси чувствительности обоих магниточувствительных преобразователей перпендикулярны указанной плоскости. Предпочтительным является расположение центров обоих измерителей напряженности магнитного поля в нейтральной плоскости магнитопровода. 2 17791 1 2013.12.30 По второму варианту приставное устройство коэрцитиметра дополнительно снабжено третьим измерителем напряженности магнитного поля (тоже феррозондом), а преобразователи магнитного поля выполнены в виде магнитного компаратора. Центр одного из магниточувствительных преобразователей (полуэлементов) компаратора установлен в нейтральной плоскости магнитопровода, а центр измерителя напряженности магнитного поля расположен в пространстве между полюсами магнитопровода и обмоткой перемагничивания, причем оси чувствительности измерителя напряженности и обоих полуэлементов магнитного компаратора перпендикулярны нейтральной плоскости магнитопровода. Предпочтительным является расположение центров измерителя напряженности магнитного поля и обоих полуэлементов магнитного компаратора в нейтральной плоскости магнитопровода. Обмотка перемагничивания соединена с источником питания для намагничивания и размагничивания изделия. Магниточувствительные преобразователи, которыми являются феррозонды, соединены соответственно с блоками преобразования сигналов и в конечном итоге с входом индикатора. Устройство работает следующим образом. Приставное устройство (ПУ) коэрцитиметра устанавливают на контролируемый участок изделия. Затем в обмотку перемагничивания ПУ подают ток намагничивания от источника питания после намагничивания изделия до технического насыщения ток намагничивания плавно выключают и в обмотку перемагничивания подают от источника питания ток противоположного по отношению к намагничивающему направления (размагничивающий ток), увеличивающийся во времени. В процессе размагничивания изделия измеряют магнитное поле в пространстве между полюсами магнитопровода ПУ и обмоткой с помощью преобразователей по одному из двух вариантов. По мере увеличения размагничивающего тока и размагничивания изделия магнитное поле во внутреннем пространстве магнитопровода становится более однородным и при определенном значении тока размагничивания становится практически квазиоднородным по всему межполюсному пространству. В этот момент времени намагниченность контролируемого участка изделия становится равной нулю, а напряженность магнитного поля в исследуемой зоне (она же внутреннее поле в изделии) равна коэрцитивной силе материала изделияпо намагниченности. Недостатком этого устройства является низкая точность измерения, обусловленная интегральностью измерений по объему межполюсного пространства, вследствие относительно больших размеров магниточувствительных преобразователей (феррозондов), размеры которых, например, более чем на порядок превосходят размеры сенсоров Холла, и зависимостью результатов измерений от геометрического расположения феррозондов (координат установки). Недостаточно определенной величиной является однородность магнитного поля по всему межполюсному пространству и, следовательно, момент срабатывания компаратора по второму варианту исполнения устройства. Задачей, решаемой в настоящем изобретении, является повышение точности измерений. Для решения поставленной задачи устройство для определения коэрцитивной силы изделия содержит замыкаемый контролируемым изделием магнитопровод П-образной формы, подключенную к генератору тока обмотку перемагничивания и магниточувствительный преобразователь напряженности магнитного поля в электрический сигнал, установленный в нейтральной плоскости магнитопровода, ориентированный осью чувствительности перпендикулярно указанной плоскости и подключенный к блоку преобразования сигнала, связанному с индикатором коэрцитивной силы. Оно отличается тем, что магниточувствительный преобразователь выполнен в виде датчика Холла, установленного на тонкой немагнитной планке, выполненной с возможностью осевого перемещения в нейтральной плоскости магнитопровода между обмоткой перемагничивания и контролируемым изделием и механически связанной с датчиком 3 17791 1 2013.12.30 перемещения, связанным выходом с блоком преобразования сигнала, содержащим аналого-цифровой преобразователь и процессор, а магнитопровод с обращаемой к изделию стороны снабжен двумя симметрично скошенными навстречу друг к другу башмаками из армко-железа, на которых закреплена соединяющая их немагнитная прокладка заданной толщины с отверстием в ее средней части. Устройство отличается также тем, что указанная прокладка выполнена толщиной, лежащей в диапазоне от 0,25 до 2,5 мм. По мнению авторов, устройство содержит вышеприведенный ряд новых элементов,позволяющих реализовать выполнение поставленной задачи по повышению точности измерений. Коэрцитивная сила определяется по результатам обработки микропроцессором зависимости распределения нормальной составляющей напряженности магнитного поля(по линии апроксимации), измеряемого датчиком Холла, от величины его осевого перемещения, которое соответственно измеряется датчиком перемещений. Причем измерение проводится в отсутствие тока в обмотке намагничивания. 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 приставное устройство для определения коэрцитивной силы изделия в разрезе вдоль магнитопровода. Геометрические размеры магнитопровода 10 мм 45 мм 5 мм 40 мм- толщина немагнитной прокладки. Геометрические размеры контролируемых изделий из стали 45 с известными величинами коэрцитивной силы 150 мм 265 мм. На фиг. 2 - функциональная схема подключения электронных блоков устройства. На фиг. 3 приведена зависимость напряженности магнитного поляот величины перемещения датчика Холладля следующих калиброванных образцов стали марки 45 с 1000 А/м - линия 800 А/м - линия 600 А/м - линия , при 0,5 мм. На фиг. 4 приведена зависимость напряженности магнитного поляот величины перемещения датчика Холладля следующих калиброванных образцов стали марки 45 с 1000 А/м - линия 800 А/м - линия 600 А/м - линия , при 1,0 мм. Устройство для определения коэрцитивной силы изделия функционально состоит из двух пространственно разнесенных частей, а именно приставного устройства коэрцитиметра, устанавливаемого на контролируемое изделие, и электронного измерителя - в соответствии с фиг. 2 Устройство для измерения коэрцитивной силы содержит разомкнутый магнитопровод П-образной формы 1, замыкаемый контролируемым изделием 2, обмотку перемагничивания 3, подключенную к генератору тока 4, и магниточувствительный преобразователь напряженности магнитного поля в электрический сигнал 5, установленный в нейтральной плоскости магнитопровода 1, расположенный своей осью чувствительности перпендикулярно указанной плоскости и подключенный к блоку преобразования сигнала 6, связанному с индикатором коэрцитивной силы 7. Магниточувствительный преобразователь напряженности магнитного поля в электрический сигнал 5 выполнен в виде датчика Холла (из с размерами магниточувствительной области 1001006 мкм, а 4 17791 1 2013.12.30 размеры кристалла - 500500350 мкм производства ГО НПЦ НАН Беларуси по материаловедению), установленного на тонкой немагнитной планке 8, которая выполнена с возможностью осевого перемещения в нейтральной плоскости магнитопровода между обмоткой перемагничивания 3 и контролируемым изделием 2 посредством направляющих салазок 9 (как вариант конструкция механизма перемещения может быть и другой, что не является существенным). Планка 8 механически связана с датчиком перемещения 10, выход которого подключен к блоку преобразования сигнала 6. В качестве датчика перемещения 10 может использоваться любой из известных электронных датчиков, например оптический, емкостной, резистивный и др. Магнитопровод 1 со стороны, обращенной к ферромагнитному изделию 2, снабжен симметричными башмаками 11 из армко-железа(или пермаллоя), обращенными скошенными концами друг к другу. На башмаках 11 закреплена тонкая немагнитная прокладка 12 известной толщины с отверстием 13 в средней части. Элементы 1, 3, 11, 12 залиты эпоксидным слоем и вставлены в немагнитный корпус 15. Обмотка 3 может содержать немагнитный теплоотводящий элемент - радиатор (не показан) для эффективного рассеяния джоулевого тепла обмотки. В блок преобразования сигнала 6 введен процессор 16 с аналого-цифровым преобразователем 17. Устройство работает следующим образом. Вначале точность определения коэрцитивной силы устройством проверяется на эталонных образцах, например, сталей с известной величиной коэрцитивной силы по индукции , величина которой высвечивается на индикаторе 7. При самих измерениях в обмотку перемагничивания 3 подают ток намагничивания от генератора тока обмотки 4, после намагничивания изделия 2 практически до технического насыщения ток намагничивания плавно выключают. При этом остаточное распределение нормальной составляющей напряженности магнитного полякак функция осевого перемещения датчика Холла 5 записывается в память процессора 16. Информация о координате перемещенияпоступает в процессор от электронного датчика перемещения 10. Такие функцииприведены на фиг. 3 и 4. Несплошные линии линии экстраполяции. Последнее измерение соответствует расположению датчика Холла 5 в зазоре 13 пластины 12, т.е. когда магниточувствительная область расположена на расстоянииот поверхности изделия 2 и координатак. Далее, используя стандартную программу, можно аппроксимировать полученные зависимости, например,полиномами 5 степени и получить линии аппроксимации, как функции , которые в точке с координатойкдадут истинное значение коэрцитивной силы, напримердля каждого изделия. Как видно из фиг. 3 и фиг. 4, значения(к) соответствуют эталонным значениям . Последнее объясняется тем, что после отключения тока катушки намагниченный участок между башмаками можно представить миниатюрным магнитом с коэрцитивной силойи силовые линии магнитного поля замыкаются через башмаки магнитопроводом. Магнитное поле по линии нейтрали магнитопровода является неоднородным. Поскольку датчиком Холла нельзя измерить напряженность магнитного поля в контролируемом изделии, то необходимо проводить экстраполяцию функциипри значении аргумента (к). Затем через обмотку 3 пропускают ток противоположной полярности, который перемагничивает контролируемое изделие 2 в противоположном направлении. После намагничивания изделия 2 практически до технического насыщения ток намагничивания плавно выключают и проводят измерения, как описано выше. С использованием линий тренда получают значение - для каждого изделия отдельно. Результаты вычислений величин коэрцитивной силы по индукциии - высвечиваются на индикаторе 7. Таким образом, точность определения коэрцитивной силы повышается за счет того,что коэрцитивная сила определяется по результатам обработки процессором зависимости распределения нормальной составляющей напряженности магнитного поля (по линии аппроксимации функциипри координатек), измеряемого датчиком Холла, 5 17791 1 2013.12.30 от величины его осевого перемещения, которое соответственно измеряется датчиком перемещений. 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. А. с. СССР 1205089, МПК 01 33/12, 1986. 2. Патент 2035745, МПК 01 33/12, 1995 (прототип). Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 7