Способ электромагнитного контроля физико-механических свойств ферромагнитного изделия, связанных с его магнитными свойствами

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО КОНТРОЛЯ ФИЗИКОМЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ФЕРРОМАГНИТНОГО ИЗДЕЛИЯ,СВЯЗАННЫХ С ЕГО 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(57) Способ электромагнитного контроля физико-механических свойств ферромагнитного изделия, связанных с его магнитными свойствами, включающий намагничивание участка контролируемого изделия переменным полем накладного преобразователя, последовательное определение амплитуды 0 суммарного сигнала ЭДС преобразователя, установленного на поверхность образцового изделия из числа контролируемых без зазора между ними, а также амплитуд суммарного сигналаи сигнала высшей гармоникиЭДС преобразователя, установленного на поверхность контролируемого изделия с произвольным указанным зазором, и расчет искомых свойств на основании заранее найденной зависимости, связывающей эти свойства с указанными определенными амплитудами, отличающийся тем, что для образцового изделия дополнительно измеряют амплитуду сигнала 0 9626 1 2007.08.30 высшей гармоники ЭДС преобразователя без указанного зазора, амплитуды суммарного сигнала 1 и сигнала высшей гармоники 1 ЭДС преобразователя при заданной величине указанного зазора 1 и амплитуды суммарного сигнала 2 и сигнала высшей гармоники 2 ЭДС преобразователя при заданной величине указанного зазора х 2, где 21, а в качестве указанной зависимости используют зависимость искомых свойств от амплитуды высшей гармоники преобразователя, соответствующей измерению без зазора, в которую вместо амплитуды, соответствующей измерению без зазора, подставляют величину результирующей амплитуды рез, рассчитанной согласно выражению Изобретение относится к области исследования материалов с помощью электрических или магнитных средств. Известен способ электромагнитного контроля физико-механических свойств ферромагнитных изделий, связанных с его магнитными свойствами (А.с. СССР 238856, 1968),заключающийся в том, что в изделии возбуждают вихревые токи неизменным по форме в процессе измерения импульсом напряженности поля определенного вида, преобразуют их поток индукции в электрический сигнал и о величине контролируемого параметра судят по промежутку времени от начала импульса до момента достижения определенного уровня сигнала. Недостаток способа в низкой достоверности контроля, связанной с отсутствием надежных связей между измеряемым параметром и физико-механическими свойствами изделий, а также в нестабильности измеряемого временного интервала на изделиях с одинаковыми механическими свойствами, связанной с сильным влиянием непостоянства зазора между источником намагничивающего поля и изделием в процессе намагничивания и измерительным преобразователем при измерении. Известен способ электромагнитного контроля физико-механических свойств ферромагнитных изделий, связанных с его магнитными свойствами (А.с. СССР 258687, 1970), заключающийся в том, что в контролируемом изделии с помощью электромагнитного датчика возбуждают вихревые токи, одновременно с возбуждением вихревых токов изделие подмагничивают линейно нарастающим полем, полученный с датчика выходной сигнал скалярно умножают на вспомогательный сигнал, описываемый функцией ортогональной составляющей помехи выходного сигнала датчика, и о контролируемых параметрах судят по результату умножения. Недостаток способа в низкой достоверности контроля, связанной с отсутствием надежных связей между измеряемым параметром поля вихревых токов и физико-механическими свойствами изделий, а также в нестабильности измеряемого сиг 2 9626 1 2007.08.30 нала на изделиях с одинаковыми механическими свойствами, связанной с сильным влиянием непостоянства зазора между источником намагничивающего поля и изделием в процессе намагничивания и измерительным преобразователем при измерении. Известен способ электромагнитного контроля физико-механических свойств ферромагнитных изделий, связанных с его магнитными свойствами (А.с. СССР 673904, 1979),заключающийся в том, что на контролируемый материал одновременно воздействуют двумя синусоидальными противофазными магнитными полями одной частоты, а вихревые токи возбуждают в момент достижения максимальной напряженности синусоидальных магнитных полей. Способ позволяет проводить послойное определение параметров изделий. Недостаток способа в низкой достоверности контроля, связанной с отсутствием надежных связей между измеряемым параметром поля вихревых токов и физико-механическими свойствами изделий, а также в нестабильности измеряемого сигнала на изделиях с одинаковыми механическими свойствами, связанной с сильным влиянием непостоянства зазора между источником намагничивающего поля и изделием в процессе намагничивания и измерительным преобразователем при измерении. Из известных наиболее близким по технической сущности является способ электромагнитного контроля физико-механических свойств ферромагнитных изделий, связанных с его магнитными свойствами (А.с. СССР 1379716, 1988), заключающийся в том, что контролируемый участок изделия намагничивают переменным магнитным полем накладного преобразователя, ток возбуждения преобразователя изменяют в процессе контроля и измеряют амплитуду суммарного сигнала и высших гармоник ЭДС измерительной катушки преобразователя, предварительно фиксируют величину тока возбуждения преобразователя, измеряют амплитуду суммарного сигнала при фиксированном токе возбуждения при размещении преобразователя на образцовом изделии без зазора, размещают преобразователь на контролируемом изделии, измеряют амплитуду суммарного сигнала при этом же токе возбуждения, изменяют ток возбуждения до значения, при котором амплитуда суммарного сигнала достигает величины, равной среднему арифметическому значению амплитуд суммарного сигнала на образцовом и контролируемом изделиях, и регистрируют при этом значении тока возбуждения амплитуду высшей гармоники, по которой судят о физико-механических свойствах изделия. Целью изобретения являлось повышение достоверности контроля за счет выбора оптимальной величины тока возбуждения. Функционирование способа основано на том, что амплитуда суммарного сигнала накладного преобразователя практически не зависит от физико-механических свойств изделия, а зависит от амплитуды тока возбуждения преобразователя и зазора между преобразователем и изделием. Амплитуда высшей (например,третьей) гармонической составляющей сигнала накладного преобразователя, кроме зависимости от амплитуды тока возбуждения преобразователя и зазора между преобразователем и изделием, зависит и от физико-механических свойств изделия. Выбор оптимальной для каждого зазора между преобразователем и изделием амплитуды тока возбуждения,основанный на сравнении суммарного сигнала преобразователя на контролируемом изделии с суммарным сигналом преобразователя, полученном на эталонном изделии без зазора, позволяет скомпенсировать влияние на результаты контроля неконтролируемого изменения зазора между преобразователем и контролируемым изделием. Недостаток известного способа - в низкой достоверности контроля, связанной с сильным влиянием на его результаты непостоянства зазора между преобразователем и изделием в процессе контроля. Компенсация этого влияния, основанная на изменении амплитуды тока возбуждения преобразователя, возможна лишь в узких пределах изменения зазора,так как для определенной конструкции преобразователя ток возбуждения может изменяться в достаточно узких пределах. Его уменьшение приводит к недостаточному промагничиванию изделий при контроле и изменению характера зависимости между высшей гармонической составляющей сигнала преобразователя и контролируемыми физико 3 9626 1 2007.08.30 механическими свойствами, а увеличение сверх определенного предела приводит к недопустимому перегреву преобразователя при контроле и его разрушению. Задачей настоящего изобретения является снижение влияния непостоянства зазора между преобразователем и контролируемым изделием на результаты контроля свойств изделия. Решение поставленной задачи обеспечит повышение достоверности контроля физико-механических свойств ферромагнитных изделий. Задача решена в способе, включающем намагничивание участка контролируемого изделия переменным полем накладного преобразователя, последовательное определение амплитуды 0 суммарного сигнала ЭДС преобразователя, установленного на поверхность образцового изделия из числа контролируемых без зазора между ними, а также амплитуд суммарного сигналаи сигнала высшей гармоникиЭДС преобразователя, установленного на поверхность контролируемого изделия с произвольным указанным зазором, расчет искомых свойств на основании заранее найденной зависимости, связывающей эти свойства с указанными определенными амплитудами, дополнительное измерение для образцового изделия амплитуды сигнала 0 высшей гармоники ЭДС преобразователя без указанного зазора, амплитуды суммарного сигнала 1 и сигнала высшей гармоники 1 ЭДС преобразователя при заданной величине указанного зазора х 1 и амплитуды суммарного сигнала 2 и сигнала высшей гармоники 2 ЭДС преобразователя при заданной величине указанного зазора х 2, где х 2 х 1, а в качестве указанной зависимости используют зависимость искомых свойств от амплитуды высшей гармоники преобразователя, соответствующей измерению без зазора, в которую вместо амплитуды, соответствующей измерению без зазора, подставляют величину результирующей амплитуды рез, рассчитанной согласно выражению 0 1 1 Повышение достоверности контроля достигается за счет снижения влияния непостоянства зазора между преобразователем и контролируемым изделием на результаты контроля свойств изделия в более широкой области неконтролируемого изменения зазора. Предложенное изобретение поясняется чертежами. На фиг. 1 приведены функциональные зависимости амплитудысуммарного сигнала ЭДС преобразователя (кривая 1), амплитудысигнала высшей гармоники ЭДС преобразователя (кривая 2) и результирующей амплитуды рез сигнала высшей гармоники ЭДС преобразователя в соответствии с предложенным способом (кривая 3) от расстояния х между преобразователем и поверхностью контролируемого изделия. На фиг. 2 а приведена функциональная схема (фронтальное сечение) преобразователя,а на фиг. 2 б - функциональная электрическая схема устройства для реализации способа. 4 9626 1 2007.08.30 На фиг. 3 сопоставлены результаты измерения амплитудысигнала высшей гармоники ЭДС преобразователя (кривые 1, 2), амплитудысуммарного сигнала ЭДС преобразователя (кривая 3) и результирующей амплитуды рез сигнала высшей гармоники ЭДС преобразователя в соответствии с предложенным способом (кривые 1, 2) для контроля свойств двух образцов из немагнитной стали с тонким ферромагнитным поверхностным слоем при изменении зазора х между изделием и преобразователем. Кривая (3) на фиг. 3 иллюстрирует степень изменения суммарного сигнала преобразователя для двух исследованных образцов (результаты практически совпадают) при изменении зазора х между изделием и преобразователем. Сущность предложенного способа в следующем. Амплитудасигнала высшей (например, третьей) гармоники ЭДС измерительной катушки преобразователя на контролируемом участке изделия пропорциональна магнитной проницаемостиматериала изделия и, следовательно, его физико-механическим свойствам и структуре. В зависимости от расстояния х, на которое сближаются преобразователь и изделие при контроле, параметрмонотонно изменяется (фиг. 1, кривая 2) от максимального значения(при х 0) до нуля (при х). Характер этой зависимости индивидуален для каждого контролируемого изделия и зависит от параметров изделия и преобразователя. В общем случае для каждого изделия и преобразователя зависимость с достаточной для практики точностью может быть аппроксимирована аналитическим выражением,(2) 1 где- значение сигнала высшей гармоники ЭДС измерительной катушки преобразователя на поверхности контролируемого изделия (при х 0), и- постоянные коэффициенты. Амплитудасуммарного сигнала ЭДС измерительной катушки преобразователя на контролируемом участке изделия при значениях 1 практически не зависит оти,следовательно, физико-механических свойств и структуры изделий. В зависимости от расстояния х, на которое сближаются преобразователь и изделие при контроле, параметрмонотонно изменяется (фиг. 1, кривая 1) от максимального значения(при х 0) до нуля (при х). Характер этой зависимости определяется практически параметрами преобразователя. В общем случае для каждого изделия и преобразователя зависимость (х) с достаточной для практики точностью может быть аппроксимирована аналитическим выражением,(3) 11 где- амплитуда суммарного сигнала ЭДС измерительной катушки преобразователя на поверхности контролируемого изделия (при х 0),1 и- постоянные коэффициенты. В общем случае 1 не равно , ане равно(например, для изделий с тонким поверхностным слоем из материала, магнитная проницаемость которого отличается от магнитной проницаемости материала основы). Предварительное измерение параметров 0, 0, 1, 1, 2, 2 на образцовом изделии в соответствии с предложенным способом позволяет определить коэффициенты , , 1,в уравнениях (2) и (3). Расстояние х 2 при измерении параметров 2, 2 на образцовом изделии целесообразно выбрать близким к максимально возможному неконтролируемому зазору между преобразователем и изделием при контроле, а расстояние х 1 при измерении параметров 1, 1 на образцовом изделии - равным х 2/2. Такой выбор расстояний х 1, 2 при проведении операций предложенного способа на образцовом изделии обеспечит при про 5 9626 1 2007.08.30 чих равных условиях (одинаковой погрешности каждого измерения параметрови ) минимальную погрешность вычисления результирующей амплитуды рез сигнала высшей гармоники ЭДС преобразователя. Результаты измерения параметрови , выполненные на контролируемом изделии с произвольным зазором х между преобразователем и изделием, позволяют по аналитическому выражению (1) вычислить результирующую амплитуду рез сигнала высшей гармоники ЭДС преобразователя, практически равную амплитудесигнала высшей гармоники ЭДС измерительной катушки преобразователя на контролируемом участке изделия при контроле без зазора. Результирующая амплитуда з сигнала высшей гармоники ЭДС преобразователя, вычисленная по аналитическому выражению (1) в соответствии с предложенным способом, практически не зависит от расстояния между преобразователем и изделием при контроле и равна(фиг. 1, кривая 3). Таким образом, произвольные изменения зазора х между преобразователем и контролируемым изделием (обусловленные, например, наличием окалины, краски, защитного покрытия на изделии) не сказываются на результатах контроля физико-механических свойств изделия. Устройство для реализации предложенного способа содержит (фиг. 2) намагничивающую катушку 1, первую измерительную катушку 2, вторую измерительную катушку 3,корпус 4, источник 5 переменного тока, измерительный блок 6, полосовой фильтр 7 и блок 8 вычисления и регистрации. Позицией 9 обозначено контролируемое изделие, х расстояние между корпусом 4 и поверхностью контролируемого изделия 9. Точками на фиг. 2 б условно показаны начала измерительных обмоток 2 и 3. Измерительные обмотки 2 и 3 расположены в корпусе 4 из немагнитного неэлектропроводящего материала соосно с намагничивающей катушкой 1 симметрично с ее противоположных сторон и последовательно - встречно друг другу подключены к входам измерительного блока 6 и полосового фильтра 7, выход которого подключен ко второму входу измерительного блока 7. Выход измерительного блока 7 подключен к входу блока 8 измерения и регистрации, который может быть выполнен, например, на основе микропроцессора. Намагничивающая катушка 1 включена в цепь источника 5 переменного тока. Работает устройство следующим образом. Источник 5 переменного тока питает намагничивающую катушку 1 переменным током постоянной амплитуды частотой . На удалении от ферромагнитных и электропроводящих объектов сигналы измерительных катушек 2 и 3 компенсируют друг друга и напряжение на входах измерительного блока 6 и полосового фильтра 7 равно нулю. В процессе контроля преобразователь вертикально устанавливают на поверхность контролируемого (или эталонного) изделия 9 без зазора или с произвольным зазором х. На выходе последовательно - встречно друг другу включенных измерительных катушек 2 и 3 возникает переменный сигнал частотой , содержащий также и высшие гармонические составляющие. Этот сигнал поступает на входы измерительного блока 6 и полосового фильтра 7, настроенного, например, на пропускание третьей гармонической составляющей индуцированного сигнала измерительных катушек (частотой 3). Результаты измерения параметров 0 и 0, 1 и 1, 2 и 2,и , полученные при выполнении операций предложенного способа на эталонном и контролируемом изделии с заданным (0, х 1, х 2) или произвольным зазором х между преобразователем и изделием, сохраняются в блоке 8 измерения и регистрации, который вычисляет результирующую амплитуду рез сигнала высшей гармоники ЭДС преобразователя по аналитическому выражению (1). Результирующая амплитуда з сигнала высшей гармоники ЭДС преобразователя, вычисленная по аналитическому выражению (1) в соответствии с предложенным способом, практически не зависит от расстояния между преобразователем и изделием при контроле и равна сигналу высшей гармоники ЭДС измерительной катушки преобразователя на контролируемом участке изделия при контроле без зазора(фиг. 1, кривая 3). Таким образом,6 9626 1 2007.08.30 произвольные изменения зазора х между преобразователем и контролируемым изделием(обусловленные, например, наличием окалины, краски, защитного покрытия на изделии),не сказываются на результатах контроля физико-механических свойств изделия. Результаты измерений амплитудысигнала высшей гармоники ЭДС преобразователя(кривые 1, 2), амплитудысуммарного сигнала ЭДС преобразователя (кривая 3) и вычисления результирующей амплитуды з сигнала высшей гармоники ЭДС преобразователя по формуле (1) в соответствии с предложенным способом (кривые 1, 2) при контроле свойств двух образцов из немагнитной стали 12 Х 18 Н 10 Т с тонким ферромагнитным поверхностным слоем при изменении зазора х между изделием и преобразователем от 0 до 1,6 мм сопоставлены на фиг. 3. Кривая 3 на фиг. 3 иллюстрирует степень изменения суммарного сигнала преобразователя для двух контролируемых образцов (результаты практически совпадают) при изменении зазора х между изделием и преобразователем. Тонкий(15-30 мкм) поверхностный слой на поверхности образцов (параллелепипеды квадратного сечения со стороной 32 мм и высотой 3 мм) нанесен в результате ионного напыления при различных температурах. Преобразователь представляет собой коаксиальные возбуждающую и две индукционные измерительные катушки, выполненные в виде залитого эпоксидным компаундом датчика накладного типа в соответствии с чертежами, представленными на фиг. 2. Перемагничивание исследованных образцов производилось синусоидальным полем частотой 2,5 кгц. Индикация амплитуд ЭДС третьей гармонической составляющей сигнала преобразователя и суммарного сигнала ЭДС преобразователя осуществлялась на четырехразрядном десятичном цифровом табло в мв. Представленные результаты показывают, что при изменении зазора между преобразователем и поверхностью образцов от 0 до 1,6 мм амплитуды ЭДС третьей гармонической составляющей сигнала преобразователя для каждого из исследованных образцов уменьшаются примерно на порядок (кривые 1 и 2 на фиг. 3). В то же время результат рез вычисления амплитуды сигнала высшей гармоники ЭДС преобразователя в соответствии с предложенным способом практически не изменяется (кривые 1 и 2 на фиг. 3). При этом амплитуда суммарного сигнала ЭДС преобразователя изменяется примерно в 3 раза (кривая 3 на фиг. 3). То есть для получения эффекта по отстройке от влияния зазора между преобразователем и изделием, достигаемого при использовании предложенного способа, в известном способе (прототип настоящего изобретения) необходимо было бы в 3 раза увеличить напряженность намагничивающего поля. Это привело бы к 9 кратному увеличению рассеиваемой преобразователем мощности, что недопустимо. Представленные на фиг. 3 результаты показывают, что предложенный способ по сравнению с известным обеспечивает расширение области отстройки от влияния непостоянства зазора между преобразователем и контролируемым изделием на результаты контроля свойств изделия. Таким образом, задача изобретения - повышение достоверности контроля физикомеханических свойств изделий - достигается за счет устранения влияния на результаты контроля неконтролируемого непостоянства зазора между преобразователем и изделием. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 8