Устройство для контроля структуры изделий из ферромагнитных материалов, связанной с их магнитными свойствами

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ СТРУКТУРЫ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ФЕРРОМАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ,СВЯЗАННОЙ С ИХ МАГНИТНЫМИ СВОЙСТВАМИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Объединенный институт машиностроения Национальной академии наук Беларуси(72) Автор Сандомирский Сергей Григорьевич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Объединенный институт машиностроения Национальной академии наук Беларуси(56) Сандомирский С.Г. Универсальный магнитный сортировщик и его применение для решения задач неразрушающего контроля // Контроль. Диагностика. - 2004. -8. - С. 27-31.2207530 1, 2003.1504586 1, 1989.4641093 , 1987.(57) Устройство для контроля структуры изделий из ферромагнитных материалов, связанной с их магнитными свойствами, содержащее корпус, верхняя часть которого выполнена из магнитомягкого, а нижняя - из немагнитного материалов, соединенный с корпусом при помощи пружины шток с постоянным магнитом, выполненным с возможностью перемещения из одной указанной части корпуса в другую, закрепленный на рычаге в нижней части корпуса и связанный с генератором феррозонд-градиентометр, а также блок обработки сигналов феррозонда-градиентометра и дисплей, отличающееся тем, что содержит 9735 1 2007.10.30 закрепленный на торце нижней части корпуса плоский магниточувствительный преобразователь, например датчик Холла, а также последовательно включенные блок памяти, соединенный входами с выходами указанных преобразователя и блока обработки сигналов,и блок вычисления, подключенный ко входу дисплея, при этом указанный блок вычисления выполнен с возможностью вычисления градиента поля остаточной намагниченности при нулевом зазоре между поверхностью контролируемого изделия и нижним торцом корпуса. Изобретение относится к области исследования материалов с помощью магнитных средств. Известно устройство для магнитного контроля структуры изделий из ферромагнитных материалов, связанной с их магнитными свойствами 1, содержащее корпус из немагнитного материала, шток с постоянным магнитом, соединенный с корпусом при помощи пружины, феррозонд-градиентометр, расположенный в нижней части корпуса, генератор,подключенный к феррозонду-градиентометру, дисплей и блок обработки сигнала феррозонда-градиентометра. Работа устройства заключается в кратковременном контакте одного из полюсов постоянного магнита с контролируемой поверхностью и последующем измерении тангенциальной к контролируемой поверхности составляющей градиента поля остаточной намагниченности над намагниченным изделием. Коэрцитиметрический эффект устройства обусловлен большим размагничивающим фактором намагниченного участка изделия. Недостаток устройства в низкой достоверности контроля, связанной с влиянием на его результаты непостоянства зазора между постоянным магнитом и изделием в процессе намагничивания и феррозондом-градиентометром и намагниченным изделием при измерении градиента поля остаточной намагниченности над намагниченным изделием. Кроме того, на текстурованном материале показания устройства зависят от его ориентации при установке на изделие. Известно устройство для магнитного контроля структуры изделий из ферромагнитных материалов, связанной с их магнитными свойствами 2, содержащее располагаемый над контролируемым участком изделия, включенный в цепь источника импульсного тока соленоид без магнитопровода, ось которого перпендикулярна поверхности контролируемого участка изделия, и феррозонд-градиентометр, расположенный внутри этого соленоида в зоне действия нормальной составляющей поля остаточной намагниченности контролируемого изделия. Изделие намагничивается соленоидом, а нормальная составляющая градиента поля остаточной намагниченности преобразовывается в электрический сигнал посредством феррозонда-градиентометра. Недостаток известного устройства в низкой достоверности контроля физико-механических свойств ферромагнитных изделий, связанной с тем, что информационный параметр контроля подвержен сильному влиянию непостоянства зазора между преобразователем и изделием при контроле. Снижение влияния непостоянства зазора между намагничивающим соленоидом, феррозондом и контролируемым изделием на результаты контроля свойств изделия обеспечивается выбором оптимальной амплитуды намагничивающего поля 3. Отстройка от этого влияния основана на эффекте уменьшения остаточной намагниченности материала при возрастании амплитуды намагничивающего импульса сверх определенного порогового значения, связанного с размагничивающим действием поля индуцируемых в изделии вихревых токов. Такая отстройка возможна лишь в узком интервале изменения зазора и не надежна из-за сильного влияния на результаты контроля изменений амплитуды и длительности заднего фронта намагничивающего импульса, а также изменений электропроводности материала контролируемых изделий. Из известных аналогов наиболее близким по технической сущности является устройство для магнитного контроля структуры изделий из ферромагнитных материалов, свя 2 9735 1 2007.10.30 занной с их магнитными свойствами 4, содержащее корпус, верхняя часть которого выполнена из магнитомягкого, а нижняя - из немагнитного материалов, соединенный с корпусом при помощи пружины шток с постоянным магнитом, выполненный с возможностью перемещения из одной указанной части в другую, закрепленный на рычаге в нижней части корпуса и связанный с генератором феррозонд-градиентометр, а также фиксатор магнита, концентратор из магнитомягкого материала, примыкающий к нижнему торцу постоянного магнита, блок обработки сигнала феррозонда-градиентометра и дисплей. Работает известное устройство следующим образом. В исходном состоянии магнит находится в верхней части корпуса. Поле магнита экранируется магнитомягким материалом, из которого выполнена верхняя часть корпуса. Перед измерением магнит взводится в нижнюю позицию в немагнитную часть корпуса и удерживается в ней при помощи фиксатора. При этом рычаг с закрепленным на нем феррозондом перемещается в сторону. Корпус устанавливается нижним торцом на контролируемый объект вертикально к его поверхности. Удерживая корпус на контролируемом объекте, нажимают на фиксатор, освобождая магнит. Под действием силы, создаваемой растянутой пружиной, магнит перемещается в верхнюю часть корпуса (в исходное состояние), а рычаг с феррозондом перемещаются на центральную позицию, и феррозонд располагается над местом контакта магнита и контролируемого изделия. Феррозонд преобразует нормальную составляющую градиентаполя остаточной намагниченности контролируемого объекта в электрический сигнал второй гармоники частоты питающего генератора. Его сигнал обрабатывается блоком обработки сигнала и результаты поступают на дисплей. Недостаток известного устройства в низкой достоверности контроля, связанной с сильным влиянием непостоянства зазора между постоянным магнитом, феррозондомградиентометром и изделием при намагничивании и измерении на результаты контроля свойств изделия. Задачей изобретения является снижение влияния непостоянства зазора между постоянным магнитом, феррозондом-градиентометром и изделием при намагничивании и измерении на результаты контроля свойств изделия. Решение поставленной задачи обеспечит повышение достоверности контроля физико-механических свойств ферромагнитных изделий. Задача решена в устройстве, содержащем корпус, верхняя часть которого выполнена из магнитомягкого, а нижняя - из немагнитного материалов, соединенный с корпусом при помощи пружины шток с постоянным магнитом, выполненным с возможностью перемещения из одной указанной части корпуса в другую, закрепленный на рычаге в нижней части корпуса и связанный с генератором феррозонд-градиентометр, а также блок обработки сигналов феррозонда-градиентометра и дисплей, отличающемся тем, что содержит закрепленный на торце нижней части корпуса плоский магниточувствительный преобразователь, например, датчик Холла, а также последовательно включенные блок памяти, соединенный входами с выходами указанных преобразователя и блока обработки сигналов, и блок вычисления, подключенный ко входу дисплея, при этом указанный блок вычисления выполнен с возможностью вычисления градиента поля остаточной намагниченности при нулевом зазоре между поверхностью контролируемого изделия и нижним торцом корпуса. Снижение влияния непостоянства зазора между постоянным магнитом, феррозондомградиентометром и изделием при намагничивании и измерении на результаты контроля обеспечивается благодаря реализации возможности учета функциональной зависимости изменения градиента поля остаточной намагниченности от расстояния до контролируемого изделия. Предложенное изобретение поясняется чертежами. На фиг. 1 приведена функциональная кинематическая схема устройства (фронтальное сечение). 3 9735 1 2007.10.30 На фиг. 2 - функциональная электрическая схема устройства. На фиг. 3 - результаты измерения остаточной намагниченности трех стальных листов известным (кривые 1, 2, 3) и предложенным (кривые 1, 2, 3) устройствами при изменении зазора между преобразователем и контролируемым изделием от 0 до 1.6 мм. Устройство состоит (фиг. 1) из корпуса 1, верхняя часть которого выполнена из магнитомягкого, а нижняя - из немагнитного материалов, пружины 2, штока 3, выполненного с возможностью перемещения из одной указанной части корпуса в другую, соединенного с корпусом 1 при помощи пружины 2, постоянного магнита 4, закрепленного на штоке 3,феррозонда-градиентометра 5, закрепленного на рычаге 6 и расположенного в нижней части корпуса 1, генератора 7 (фиг. 2) и блока 8 обработки сигнала феррозондаградиентометра 5, подключенных к феррозонду-градиентометру 5, плоского магниточувствительного преобразователя 9, например датчика Холла или магниторезистора, расположенного на торце нижней части корпуса 1, блока 10 памяти, входы которого подключены к выходам блока 8 обработки сигнала феррозонда-градиентометра 5 и плоского магниточувствительного преобразователя 9, и последовательно соединенных блока 11 вычисления, подключенного к выходу блока 10 памяти, и дисплея 12. Концентратор 13 из магнитомягкого материала, примыкающий к нижнему торцу постоянного магнита 4,служит для увеличения напряженности намагничивающего поля у поверхности изделия при намагничивании. Позициями 5 и 6 (фиг. 1) обозначены соответственно феррозондградиентометр и рычаг в положении, которое они занимают при намагничивании изделия постоянным магнитом 4. Позицией 14 обозначено контролируемое изделие, на расстояниедо которого может приближаться в процессе контроля корпус 1 устройства торцом своей немагнитной части. Блок 11 вычисления выполнен с возможностью вычисления градиента поля остаточной намагниченности при нулевом зазоре между поверхностью контролируемого изделия 14 и нижним торцом корпуса 1. Работает устройство следующим образом. Корпус 1 нижней немагнитной частью устанавливают вертикально на поверхность ненамагниченного контролируемого изделия 14 с произвольным зазором . В исходном положении постоянный магнит 4 находится в магнитомягкой части корпуса 1 на удалении от поверхности контролируемого изделия 14,феррозонда-градиентометра 5, расположенного на рычаге 6 на оси корпуса 1 в его немагнитной части у нижнего торца, и плоского магниточувствительного преобразователя 9 и практически не оказывает влияния на них. Нажатием на шток 3 постоянный магнит 4 приводится в соприкосновение с внутренней поверхностью немагнитной части корпуса 1 в ее торце и локально намагничивает контролируемое изделие 14. При этом рычаг 6 с закрепленным на нем феррозондом-градиентометром 5 отодвигаются в сторону и занимают положение, обозначенное на фиг. 1 позициями 6 и 5. Максимальная индукция В от контролируемого изделия 14 при намагничивании измеряется плоским магниточувствительным преобразователем 9. Результат измерения В запоминается блоком 10 памяти. После этого нагрузка со штока 3 снимается и постоянный магнит 4 под действием пружины 2 возвращается в исходное положение в магнитомягкую часть корпуса 1, а рычаг 6 с закрепленным на нем феррозондом-градиентометром 5 возвращаются в исходное положение на оси корпуса 1. Феррозонд-градиентометр 5 оказывается под действием только поля остаточной намагниченности намагниченного участка контролируемого изделия 14. Результат измеренияградиента поля остаточной намагниченности от контролируемого изделия 14 запоминается блоком 10 памяти, после чего блок 11 вычисления, выполненный, например, на основе микропроцессора, по измеренным параметрам В иосуществляет вычисление градиента НП поля остаточной намагниченности от контролируемого изделия 14 при зазоре , равном нулю. Результат вычисления НП индицируется на дисплее 12 и используется для сортировки контролируемых изделий 14 по физикомеханическим свойствам и структуре. Сущность предложенного изобретения в следующем. 4 9735 1 2007.10.30 Результат измеренияградиента поля остаточной намагниченности от контролируемого изделия 14 феррозондом-градиентометром 5 (использование для этой цели магнитоизмерительных преобразователей других типов снижает чувствительность контроля из-за небольшой величины поля от остаточной намагниченности контролируемых изделий) зависит от физико-механических свойств и структуры контролируемого изделия 14, а также от расстояния , на которое сближаются постоянный магнит 4 и феррозондградиентометр 5 с поверхностью контролируемого изделия 14 в процессе контроля. Результат измерения В максимальной индукции от контролируемого изделия 14 плоским магниточувствительным преобразователем 9 (использование для этой цели феррозондовых преобразователей невозможно из-за больших величин индукции от контролируемых изделий при намагничивании постоянным магнитом 4) практически не зависит от физикомеханических свойств и структуры контролируемого изделия 14, а зависит только от расстояния , на которое сближаются постоянный магнит 4 и феррозонд-градиентометр 5 с поверхностью контролируемого изделия 14 в процессе контроля. Использование при обработке полученных результатов В иблоком 11 обработки информации предварительно полученных данных о характере зависимостей результатов В иот расстояниядо контролируемого изделия 14 позволяет вычислить, отобразить на дисплее 12 и использовать для сортировки изделий 14 на годные и брак градиент НП поля остаточной намагниченности от контролируемого изделия 14 при зазоре , равном нулю. Вышеописанным операциям измерения параметров В ина контролируемом изделии 14 предшествует выполнение этих операций на эталонном изделии (в качестве которого может быть использовано любое, например, годное контролируемое изделие 14) при значениях зазора , равных бесконечности (на удалении от эталонного изделия), 2, 1(х 2 х 1) и нулю. После выполнения описанных операций на эталонном изделии в блоке 10 памяти будут сохранены значения параметров В 0, В 1, В 2,(соответственно максимальные индукции при намагничивании эталонного изделия без зазора, с зазором х 1, х 2 и на значительном удалении от ферромагнитных изделий) и 0, 1, 2 (соответственно градиенты поля остаточной намагниченности от эталонного изделия после намагничивания без зазора и с зазором 1, 2). После выполнения описанных операций на контролируемом изделии 14 в блоке 10 памяти будут сохранены также параметры В и , после чего блок 11 вычисления, выполненный, например, на основе микропроцессора, осуществит вычисление градиента поля остаточной намагниченности контролируемого изделия НП при зазоре , равном нулю, например, по аналитическом выражению(01 ) ( 2) 1 1 НП - градиент поля остаточной намагниченности от контролируемого изделия при зазоре , равном нулю- градиент поля остаточной намагниченности от контролируемого изделия В - максимальная индукция от контролируемого изделия при намагничивании В 0, В 1, В 2,- соответственно максимальные индукции при намагничивании эталонного изделия без зазора, с зазором 1, 2 и на значительном удалении от ферромагнитных изделий 0, 1, 2 - соответственно градиенты поля остаточной намагниченности от эталонного изделия после намагничивания без зазора и с зазором 1, 2. 5 9735 1 2007.10.30 НП не зависит от неизвестного расстояниямежду корпусом 1 и поверхностью изделия 14 при контроле, определяется только физико-механическими свойствами материала изделия 14 и после индицирования на дисплее 12 используется для сортировки контролируемых изделий по физико-механическим свойствам и структуре. Расстояние 2 при измерении параметров В 2, 2 на эталонном изделии целесообразно выбрать близким к максимально возможному неконтролируемому зазору между корпусом 1 и изделием 14 при контроле, а расстояние 1 при измерении параметров В 1,1 на эталонном изделии - равным 2/2. Такой выбор расстояний х 1, х 2 при проведении операций измерения на эталонном изделии обеспечит при прочих равных условиях(одинаковой погрешности каждого измерения параметров В и ) минимальную погрешность вычисления П. Перед проведением повторных измерений эталонное и контролируемое изделие следует размагничивать. Результаты измерения параметров В ина контролируемом изделии с произвольным зазороммежду преобразователем и изделием позволяют по выражению (1) вычислить величину П градиента поля остаточной намагниченности от контролируемого изделия при контроле без зазора. Таким образом,произвольные изменения зазорамежду корпусом 1 и контролируемым изделием 14,обусловленные наличием окалины, краски, защитного покрытия на контролируемом изделии 14, не сказываются на результатах контроля его физико-механических свойств и структуры. Результаты использования известного (кривые без штриха) и предложенного (кривые со штрихом) устройств для контроля свойств стальных листов из стали 65 Г (кривые 1 и 1), стали 40 Х (кривые 2 и 2) и стали 3 (кривые 3 и 3) при изменении зазора между изделием и преобразователем при контроле от 0 до 1.6 мм сопоставлены на фиг. 3. Для намагничивания использован постоянный магнит из феррита стронция размером 141416 мм,намагниченный вдоль большей стороны. Для измерения максимальной индукции от изделий при намагничивании использован датчик Холла с толщиной щупа 1 мм. При измерении градиента поля остаточной намагниченности изделий использован феррозондградиентометр длиной 12 мм. Представленные на фиг. 3 данные показывают, что предложенное устройство по сравнению с известным обеспечивает 20-50-кратное снижение влияния непостоянства зазора между корпусом 1 и изделием 14 при контроле на его результаты. Таким образом, задача изобретения - повышение достоверности контроля физикомеханических свойств изделий, достигается за счет устранения влияния на результаты контроля неконтролируемого непостоянства зазора между постоянным магнитом, феррозондом-градиентометром и изделием при намагничивании и измерении на результаты контроля свойств изделия. Источники информации 1...979544 . 21.37/10 (1958), Неразрушающий контроль металлов и изделий Справочник / Под ред. В.В. Клюева. - М. Машиностроение, 1995. - С. 195. 2. А.с. СССР 331303, 1972. 3. Матюк В.Ф. Использование аномальной зависимости градиента нормальной составляющей поля остаточной намагниченности для контроля механических свойств изделий с защитными неметаллическими покрытиями // Дефектоскопия. - 1996. -3. - С. 30-36. 4. Сандомирский С.Г., Цукерман В.Л., Линник И.И., Сандомирская Е.Г. Универсальный магнитный сортировщик и его применение для решения задач неразрушающего контроля // Контроль. Диагностика. - 2004. -8. - С. 27-31. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 7