Способ определения механических напряжений в объектах из ферромагнетика и устройство для его осуществления

 

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛ ИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТ и АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3396416/25-28 (22) 1 2.02.82 (46) 23.05.83. Бюл. 1t 19 (72) Н.Ф. Зарипов, В.В. Иванов и А.В ° Капцов (71.) Куйбышевский ордена Трудового

Красного Знамени авиационный институт им. акад,С.П. Королева (53) 531.781.2(088.8) (56) l. Авторское свидетельство СССР

»" 252699,.кл. 6 01 L 1/12, 1970.

2. Авторское свидетельство СССР

И 896386, кл. 0 01 В /24, 1980

:(прототип).

:(54 ) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ

НАПРЯЖЕНИЙ В ОВЬЕКТАХ ИЗ ФЕРРОИАГНЕ"

;TNKA H ÓÑTPÎÉÑTÂ0 ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ..

Я (57J 1. Способ определения механичес. ких напряжений в объектах из Ферро-.

1--магнетика, заключающийся в том, что устанавливают на объекте магнитоупругий датчик, возбуждают в объекте периодическое магнитное поле, измеряют параметр выходного сигнала датчика,.изменяют магнитное сопротивление воздушного зазора между объектом и датчиком до получения заданного отношения к исходному, вторично измеряют тот же параметр выходного сигнала,. вычисляют по полученным результатам измерений расчетный показатель и по вычисленному его значению с помощью градуировочной зависимости определяют величину механических напряжений, отличающийся тем, .что, с .целью повышения точности резуль татов измерений путем уменьшения влияния неконтролируемых свойств объекта, периодическое магнитное поле изменяют за период по квадратичному закону, в

„„Я0„„1019231 качестве параметра выходного сигнала выбирают длительность интервала времени изменения выходного сигнала между двумя Фиксированными уровнями, из которых длительность интервала времени изменения сигнала между нижним уровнем и начальным значением сигнала больше утроенного значения постоянной времени затухания вихревых токов в объекте, а расчетный показатель вы;числяют как разность между делительностью интервала времени, измеренной при исходном сопротивлении воздушного зазора, умноженной на отношение изме" ненного сопротивления воздушного зазора к исходному, и длительностью интервала времени, измеренной при из- Е мененном сопротивлении воздушного зазора.

2. Устройство для определения механических напряжений в объектах из

Ферромагнетика,содержащее П-образный магнитопровод с двумя пазами по одному на поверхности каждого мз полюсов, размещенными параллельно на расстоя" нии, равном расстоянию между геометрическими центрами полюсов, и направленными перпендикулярно к линии, соединяющей зти центры, возбуждающую и измерительную обмотки, охватывающие магнитопровод, две управляющие обмотки, размещенные каждая в пазу полоса и обхватывающие одинаковую часть его площади, ждущий генератор квадратичных импульсов. тока, соединенный с возбуждающей обмоткой, схему формирования. импульсов длительности измеряемых интервалов времени, состоящую из компаратора нижнего и компаратора верхнего уровня сигнала, . соединенных каждый первый входом с

10197.31 измерительной обмоткой, и источника двух уровней сигнала с двумя выходами, соединенного каждым выходом с вторым входом соответствующего компаратора, вычислительную схему, состоящую из управляемого двухчастотного генератора импульсов, с отношением частот, численно равным отношению всей площади полюса магнитопровода к площади той части полюса, которая свободна от управляющей обмотки, логического элемента И с тремя входами, соединенного одним входом с выходом генератора импульсов и каждым из двух других входов с выходом. соответствующего компаратора, управляемого коммутатора с двумя выходами, соединенного входом с выходом логического эле1

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к измерению механических напряжений электрическими средствами, основанными на изменении магнитных свойств объектов от измеряемых механических напряжений.

Известен способ определения механических напряжений в объектах из ферромагнетика, заключающийся в том, что устанавливают на объекте магнитоупругий датчик, воэоуждают в объекте периодическое синусоидальное магнитное поле, измеряют напряжение выходного сигнала датчика, изменяют магнитное сопротивление воздушного зазора между объектом и датчиком на определенную величину, вторично измеряют напряжение выходного сигнала, находят разность между результатами измерений, по найденной разности и известной функциональной зависимости находят поправку, получают расчетный показатель, внося поправку в первйй результат измерения, и по значению расчетного показателя с помощью градуировочной зависимости определяют величину механических напряжений 1 1, Устройство для осуществления способа содержит два П-образных магнитопровода, наложенных друг на друга обоими полюсными стержнями, полюса которых смещены относительно друг друга, возбуждающую обмотку, обхватывающую одну из пар наложенных друг мента И и реверсивного счетчика, соединенного каждым из двух входов с выходами коммутатора, и схему управ ления, состоящую из двух управляемых ,ключей, соединенных каждый с управляю-! щей обмоткой, управляющего элемента с двумя входами и двумя выходами, из которых первый вход соединен,с выходом компаратора верхнего уровня, первый выход соединен с управляющим входом ждущего генератора, второй выход - с управляющими входами ключей и одновременно двухчастотного генератора и коммутатора, и из пускового элемента, соединенного с управляющим входом реверсивного счетчика и с вторым входом управляющего элемента.

2 на друга полосных стержней, и две измерительные обмотки, обхватывающие каждая свой магнитопровод (1 ).

При такой реализации способа и устройства влияние неизвестного по величине воздушного зазора на резуль" таты измерения удается значительно уменьшить. Однако дальнейшее уменьшение влияния воздушного зазора, а слеЗ5 довательно, повышение точности, ре" зультатов измерений оказывается невозможным, так как вносимые согласно способу поправки на воздушный зазор зависят не только от его величины, 40 но и от некоторых неизвестных свойств и параметров объекта - электрической проводимости материала объекта, величины действующих механических напряжений в объекте, подлежащих измере45 нию.. К этому выводу можно прийти на основе анализа годографа выходного с игнала.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является

s0 способ определения механических напряжений в объектах из ферромагнети" ка, заключающийся в том, что устанавливают на объекте магнитоупругий датчик, возбуждают в объекте neg5 риодическое синусоидальное магнитное поле, измеряют напряжение выходного сигнала магнитоупругого, датчика, изменяют магнитное сопротивление воздушного зазора между объектом и

3 1019231 ф датчиком до получения заданного от- градуировочной зависимости определяют ношения к исходному, вторично измеря- величину механических напряжений, ют напряжение выходйого сигнала, эа- периодическое магнитное поле изменятем вычисляют по полученным результа- ют за период по квадратичному закону, там измерений расчетный показатель как в качестве параметра выходного сигнала .разность между величиной, обратной выбирают длительность интервала вреизмеренному напряжению при измененном,мени изменения выходного сигнала меж" сопротивлении воздушного зазора, и . ду двумя фиксированными уровнями, из величиной, обратной измеренному на- которых длительность интервала врепряжению при исходйом сопротивлении мени изменения сигнала между нижним

16 воздушного зазора, умноженной на от- уровнем и начальным значением сигнаношение измененного сопротивления воз- ла больше утроенного значения постояндушного зазора к йсходному,по вычис- ной времени затухания вихревых токов ленному значению расчетного показате" в объекте, а расчетный показатель выля с помощью градуировочной зависи- числяют как разность между длитель1S ч мости определяют.величину механичвс- ностью интервала времени, измереннои ких напряжений 2 J. при исходном сопротивлении воздушноУстройство для осуществления спо- го зазора, умноженной на отношение соба содержит П-образный магнитопро- измененного сопротивления воздушновод с четырьмя пазами по два на no- ro зазора к исходному, и длительнос26 ч верхности каждого полюса, размещенны- тью интервала времени, измереннои при . ми параллельно так, что площади час- измененном сопротивлении воздушного тей поверхности полюса, лежащих пообе зазора стороны от двух пазов, равным между Кроме того, устройство для осущестсобой, возбуждающую и измерительную вления способа содержит П-образный обмотки, обхватывающие магнитопровод, магнитопровод с двумя пазами по одно" две управляющие обмотки, размещенные му на поверхности каждого из полюсов, . каждая.в пазах полюса и обхватывающие размещенными параллельно на расстоялежащую между пазами часть его площа- нии. равном расстоянию между центди, два ключа, соединенные каждый c рами полосов, и направленными перпенуправляющей обмоткой 2 3. З6 дикулярно к линии, соединяющей эти .Хотя при такой реализации способа центры, возбуждающую и измерительную . и устройства для измерения механи- обмотки, обхватывающйе магнитопровод, ческих напряжений в объектах из две управляющие обмотки, размещенные

Ферромагнетика удается исключить вли- каждая в пазу полюса и обхватывающие яние воздушного зазора, однако резуль-gS одинаковую часть его площади, ждущий тат определения механических напря". генератор квадратичных импульсов тока, жений зависит от неконтролируемых соединенный с возбуждающей обмоткой, свойств объекта, например, электро- схему формирования импульсов длительпроводности его материала. Мости измеряемых интервалов времени, Целью изобретения является повы- : состоящую из компаратора нижнего и шение точности результатов измерений компаратора верхнего уровня сигнала, путем уменьшения влияния неконтроли- соединенных каждый первым"входом с руемых свойств объекта. измерительной обмоткой, и.источника

Указанная цель достигается тем, двух уровней сигнала с двумя выходачто согласно способу определения ме- ми, соединенного каждым выходом с, ханических напряжений в объектах из вторым входом соответствующего компаферромагнетика, заключающемуся в том, ратора, вычислительную схему, состочто устанавливают на объекте магнито- ящую из управляющего двухчастотного упругий датчик, возбуждают в объекте генератора импульсов, с отношением периодическое магнитное поле, измеря- частот, численно равным отношению ют параметр выходного:сигнала датчика, всей площади полюса магнитопровода к изменяют магнитное сопротивление воз- площади той части полюса, которая сводушного зазора между объектом и дат- бодна от управляецей обмотки, логичиком до получения заданного отноше.- ческого элемента И с тремя входами, ния к исходному, вторично измеряют соединенного одним входом с выходом тот же параметр выходного сигнала, генератора импульсов и каждым из двух вычисляют по полученным результатам других входов с выходом соответствуюиэмерений расчетный показатель и по щего компвратора, управляемого ком: вычисленному его значению с помощью,мутатора с двумя выходами, соедимен101/237. г

5 ного входом с выходом логического элемента И и реверсивного счетчика, t соединенного каждым иэ двух входов с выходами коммутатора, и схему управления, состоящую из двух управляемых ключей, соединенных каждый с управляющей обмоткой, управляющего элемента с двумя входами и двумя выходами, из которых первый вход соединен с выходом компаратора верхнего уровня, первый выход соединен с управляющим входом ждущего генератора, второй выходс управляющими входами ключей и одновременно двухчастотного генератора и коммутатора, и из пускового элемента, соединенного с управляющим входом реверсивного счетчика и с вторым входом управляющего элемента.

При такой реализации способа и устройства для определения механических напряжений, когда периодическое магнитное поле изменяют эа период по квадратичному закону, т.е. возбуждающая обмотка питается квадратичными импульсами тока напряжение выходного сигнала на измерительной обмотке при отсутствии элект рической г роводимости у материала объекта изменяется по линейному закону

gW % о 1 (34» 2 (2) у Д»- y + где Ф - магнитный ноток и магнитопроводе датчика и объектв;

1 2

Ю и%f - число витков возбуждающей и измерительной обмоток дат" чика;

R — магнитное сопротивление объекта; — магнитное сопротивление магнитопровода датчика;

1 магнитное сопротивление воздушного зазора между полюсом магнитопровода датчика .и объектом.

Тогда длительность интервала speмени д Ь изменения выходного сигнала

0 между уровнями Е 1 и Е2 равна

F- -,)(+ .>5) 7с Ф Ъ/

1 Z

Длительность интервала времени

Д1 изменения выходного сигнала (2 ) между теми же уровнями при измененном сопротивлении воздушного зазора (Е -Е (й+г+2пу) ф» 9

2с 5/ 9l

1 Я

10 !

35 где и - отношение измененного сопро" тивления воздушного зазора к исходному, численно равное отношению пло-, щади полюса магнитопровода к площади той ее части, которая свободна от управляющей обмотки.

В результате расчетный показатель

Т, определяемый как разность между длительностью интервала времени ф„, измеренной при исходном сопротивЛении р воздушного зазора, умноженной на отношение и измененного магнитного сопротйвления воздушного зазора к исходному, и длительностью интервала д, измеренной при измененном сопротивлении воздушного зазора, не зависит от величины магнитного сопротивления воздушного Зазора (Š— Е.,)(R+r)

Т=пм -М вЂ” (v-1), (е)

1 2 а пропорционален лишь магнитному сопротивлению объекта, зависящему от измеряемых механических напряжений в соответствии с градуировочной зависимостью.

Если электрическая проводимость материала объекта отлична от нуля, то за счет появления вихревых токов в материале объекта напряжение 0 выходного сигнала изменяется в начальной части периода нелинейно. После затухания вихревых токов изменение напряжения U вновь подчиняется зависимости (2 ). Поэтому выбор длительности времени 11 изменения выходного сигнала О между нижним уровнем Е „ и начальным значением выходного сигна- ла U,,большим утроенного значения постоянной времени Г затухания вихревых токов в объекте

1 0 (E -0 ) (й+т"+2 р

>з (ü)

ot Ч/„19 обеспечивает независимость результатов измерений (3 ) и 4 ), а следовательно,и результатов расчета (5 ), от элект" рической проводимости материала контролируемого объекта.

Выполнение пазов на поверхности полюсов параллельными на расстоянии, равном расстоянию между к еометрическими центрами полюсов, и перпендикулярными линии, соединяющий эти центры, обхват управляющими обмотками одинаковьх частей площади полюсов позволя" ет при изменении магнитного сопротивления воздушных "зазоров сохранить неизменной среднюю длину и среднюю ширину магнитной силовой трубки в матери!

7 1019231 8 але объекта, т.е. его магнитное со- верхнего уровня, первый выход соедипротивление. нен с управляющим входом ждущего генеНа фиг. 1 показана блок-схема уст- Ратора, второй выход соединен с упройства для измерения механических на- Равляющими входами ключей и одноврепряжений в объектах из ферромагне- 5 менно двухчастотного генератора и тика; на фиг. 2 - эпюры напряжений и коммутатора, и иэ пускового элемента токов в цепях блок-схемы. (не показан 1, соединенного с управляюУстройство для определения меха- щим входом реверсивного счетчика и нических напряжений в объектах иэ с вторым входом управляющего элеменферромагнетика содержит П-образный 1е та магнитопровод с двумя пазами 2 на Способ определения механических наповерхности каждого иэ полюсов, раэ" пряжений в объектах из ферромагнетика . мещенными параллельна на расстоянии, Реализуется следующим образом. равном расстоянию между центрами по- Иагнитоупругий датчик устанавлива 1юсов, возбуждающую 3 и измеритель- 35 ют полосами магнитопровода 1 на объную 4 обмотки, обхватывающие магнито- ект иа ФеРРомагнетика 18 и включают провод,. две управляющие обмотки 5, питание устройства для измерения мехаразмещенные каждая в пазу 2 полюса нических напРЯжений. В этом исходном и обхватывающие часть 6 его площади, ждущий генератор 7 квадратич- соответствует логическоных импульсов тока, соединенный с му ну"ю (ф"г 4 возбуждающей обмоткой 3, а также схе- паРатоРа 9 - логической единице му формирования импульсов длитель- ф 1 °,9 . (фи -. 2 ж1 генератор 11 импульсов гене и ет и ямоугольные импульсы с ности измеряемых интервалов времени, вычислительную схему и схему управ- частотой " -о =" частотой пр (фиг. 2 з), т.е. сигнал на его выходе тоже соответствует в ления. течение длительности импульсов логи"

Схема формирования импульсов длической единице. Поэтому сигнал н тельности измеряемых интервалов вревыходе логического элемента И 13 мени состоит иэ компаратора нижнего 8 (фиг. 1 ) равен нулю. При этом коммун верхнего 9 уровней сигнала, соедиЗв татор 14 соединяет выход элемента 13 ненных каждый первым Входом с измери.тельной обмоткои, и источника

- 4 источника 10 с сУммиРУющим входом РевеРсивного двух уровней Е.1 и Е д у уро " сигнала с двумя счетчика 15 а ключи 16 в это вРемЯ выходами, соединенного каждым выхо- Р дом с вторым входом соответствующего соответствующего С помощью пускового элемента (не . компа атора и 9. ычислительная схе. компа р 8 9. Ц ч с ительная схе-35 показан ), напРимеР кнопки, на УпРавма состоит из управляемого двухчас- ляющий вход реверсивного счетчика. 15 и вляюще-о элемента !7 тотного генератора l 1 импульсов с от-," H вход УпРавлЯюще подается сигнал "Пуск" (фиг. и 2 а ). ношением частот, численно равным отt! 11 ношению всей площади и полоса Положительным фронтом сигнала Пуск магнитопровода к площади той час12 т и „àñ 4в сбРасываетсЯ на нУль РевеРсивный ти полюса, которая свободна от управ- .счетчик 15, а отрицательным фронтом ляющей обмотки, логического элемен- запускается управляющий элемент 17, та 13 И с тремя входами, соединенно-. котоРый выРабатывает на первом выхого одним входом с выходом генерато- де запускающий импульс для ждущего ра 11 импульсов и каждым из двух дру- 45 е ератoРа 7 квадРатичных импУльсрв гих входов с выходом соответствующе- тока (Фиг. 1 и 2 б ). С приходом имго компаратора 8 и 9, а также управ- пульса от управляющего элемента 17 ляемого коммутатора с двумя вы" ого коммутатора 14 И с двумя вы- генератор 7 начинает генерировать иг 1 ходами соединенного входом с выходом ток по квадратичному закону (фиг. х да логического элемента И 13 и реверсив- 5В и 2 г поступающим в возбужда щую ного счетчика 15, соединенного каждым обмотку 3 (фиг. 1). Этим возбуждают из двух входов с выходами коммутато-- магнитное поле в магнитопроводе 1 ра !4. и объекте из ферромагнетика 18 и изСхема управления состоит из двух меняют его по квадратичному закону. управляемых ключей 16, соединенных . Из-за появления вихоевых токов

55 каждый с управляющей обмоткой 5, уп- в материале объекта, обусловленных равляющего элемента 17 с двумя входе- наличием, у него электрической провоми и двумя выходами, из которых первый димости в начальнйй момент времени вход соединен с выходом компаратора напряжение на измерительной обмотке 4

1 I 0 с второго выхода элемента t 7 поступает на управляющий вход генератора 11 и уменьшает его частоту до значения „ . Этот же импульс поступает на коммутатор 11 и переключает сигнал, поступающий на его вход, на вычитающий вход реверсивного счетчика 15 (фиг. 1). Кроме того, этот же импульс поступает на управляющие входы управляемых ключей !б и вызывает замыкание накоротко ключами 16 управляющих обмоток 5, вследствие чего магнитный поилок в объект t3 протекает через уменьшенную в и раз площадь 12 воздушного зазора, При этом магнитное сопротивление контролируемого объекта остается неизменным, так как сохраняется неизменной длина, ширина и толщина силовой магнитной трубки в материале объекта.

Поскольку сопротивление воздушного зазора увеличивается, величина выходного сигнала О во втором импульсе уменьшается (фиг. 2 д ), но весь процесс, с помощью которого измеряют интервал времени а42 изменения выходного сигнала U, повторяется, как описано выше, с той лишь разницей, что частота импульсов генератора 11 иная, и число импульсов в пакете равно

К =д1 Ео (9)

Посксльку эточисло импульсовпоступает на вычитающий вход реверсивного счетчика 15,тообщее числоимпульсов Np

Г зарегистрированное счетчиком, равно, М =N -М =At пЕ -h6 Е

2 1- О 2 О

=Р п М вЂ”,М 1 . (О) о

Как видно, зависимость (1О), описывающая число импульсов, зарегистрированное счетчиком, соответствует зависимости (5). пс которой вычисляют расчетный показатель Т с точностью до постоянного множителя, Пользуясь градуировочной зависимостью числа импульсов N3 от механических напряжений в объекте 18 из ферромагнетика, определяют по полученчому в. измерениях Ng величину действующих механических напряжений.

Предлагаемые способ определения механических напряжений в объектах из ферромагнетика и устройство для осуществления способа гсвзоляют исключить вли яние воздушного зазора в

Э диапазоне 0"1,2 мм и влияние. электро" г роводности материала объекта в широких пределах.

9 101923 нарастает нелинейно (фиг. 2 д ). Пс окончании переходного процесса затухания вихревых токов за время такое, что

t, )3"- () где — постоянная времени затухания, напряжение О на измерительной обмотке 4 изменяется по линейному закону (фиг. 2 д ) в соответствии с выражением (2 ).

3Î

По достижении приложенного к пер- вому входу компаратора 8 напряжения

U фиксированного уровня F. 1 (фиг.2 д), заданного на втором из входов компаратора 8 (фиг. 1) источником 10,на- д пряжение на выходе компаратора 8 становится равным значению логической единице (фиг. 2 et. Поскольку в этот момент на выходе компаратора 9 напряжение соответствует логической единице (фиг. 2 и ), то импульсы генератора 11 частотой nf (фиг. 2 з), также соответствующие логической единице, проходят через логический элемент

И 13, коммутатор 14 и далее на суммирующий вход реверсивного счетчика 1 .

По достижении напряжения () измерительной обмотки 4 фиксированного уровня Е2 (фиг. 2 д) напряжение на выходе компаратора 9 становится равным значению логического нуля (фиг. 2 ж) . Тем самым прекращается прохождение импульсов с генератора 11 через логический элемент И 13 на реверсивный счетчик 1 .

Таким образом, длительностью пакета прошедших к счетчику импульсов измеря-З ют интервал времени gg изменения выходного сигнала- О между двумя фиксированными уровнями Е и Е2. Общее число импульсов N< a пакете, зарегистрированное счетчйком 15, равно

М .,= dt п10 (8)

По окончании запускающего импульса на первом выходе управляющего элемента 17 (фиг. 2 б) прекращается генерация квадратичных импульсов генератором 7, от чего сигналы компараторов 8 и 9,возвращаются в исходное состояние (фиг. 2 д, е, ж).

В этот момент времени отрицательный фронт выходного импульса компаратора 9 (фиг. 2 ж) оказывает воздействие на первый вход управляющего элемента 17 (фиг. 1), и на первом и втором выходах появляются импульсы (фиг. 2 6, в)-.Запускающий импульс с первого выхода вновь поступает на управляющий вход генератора 7 (фиг.1) и запускает его (фиг. 2 r ) Импульс

1Ф 9231

1019231

) ty

Eb/Õ

8j уп

iYf3y

1 генезис

9 аижа 4Ю@

ej Рыхл

ЖУ ФЫ. 1 В ХЫ /ГОЖЕ.

Ю! Ю/ж7г

/ Ю/Щ .

Qkfl7. 1

Фаз 2

Составитель 6. Востриков

Редактор Т. Кугрышева Техов Л;Харитончик

Заказ 3686/33 тираж 602 .)

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делаи изобретений и открытий.

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, ч

Кооректоо, Рошко ю ееа»

Подписное