Способ измерения параметров сплошных цилиндрических электропроводящих объектов

 

Использование: относится к неразрушающему контролю и предназначено для бесконтактного измерения магнитной проницаемости, удельной электрической проводимости и радиуса цилиндрических проводящих изделий. Сущность: способ заключается в возбуждении однородного переменного осесимметричного магнитного поля, изменении его частоты до достижения максимального значения фазового угла суммарного магнитного потока, измерении значения нормированного суммарного магнитного потока, максимального фазового угла суммарного магнитного потока и частоты зондирующего магнитного поля и определении по установленным зависимостям указанных параметров цилиндрических сплошных проводящих объектов. 3 ил.

Изобретение относится к неразрушающему контролю и может быть использовано для измерения параметров ферромагнитных цилиндрических электропроводящих объектов.

Известен способ бесконтактного измерения удельной электрической проводимости и магнитной проницаемости цилиндрических электропроводящих объектов, заключающийся в том, что контролируемый объект помещают в однородное переменное осесимметричное магнитное поле, измеряют амплитуду и фазу нормированной суммарной ЭДС измерительной обмотки, по которым, пользуясь установленными зависимостями, определяют указанные два параметра (Голоцван С. Б. , Горкунов Б. М. , Себко В. П. Исследование электромагнитного проходного преобразователя с цилиндрическим изделием//Известия ВУЗов. Приборостроение, 1988, т. XXXI, N 7, с. 53-59). В этих измерениях полагается известным радиус цилиндрического объекта.

Недостатком известного способа является низкое число измеряемых параметров.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ измерения параметров цилиндрических проводящих изделий, заключающийся в том, что на контролируемый объект воздействуют однородным переменным осесимметричным магнитным полем, изменением частоты зондирующего магнитного поля добиваются максимального значения мнимой части вносимого магнитного потока, измеряют амплитуду и фазу нормированного вносимого магнитного потока и по установленным соотношениям определяют магнитную проницаемость, удельную электрическую проводимость и радиус контролируемого изделия (авт. св. N 1672340, кл. G 01 N 27/72, 1987).

Недостатком способа является сложность его реализации и низкая точность измерений, связанная с влиянием погрешности компенсации магнитного потока преобразователя без изделия на измеряемую величину вносимого магнитного потока.

Цель изобретения - повышение точности измерения магнитной проницаемости, удельной электрической проводимости и радиуса сплошных цилиндрических электропроводящих объектов.

Цель достигается тем, что известный способ, включающий воздействие однородного переменного осесимметричного магнитного поля на контролируемый объект, изменение частоты воздействующего магнитного поля, дополнен тем, что фиксируют максимальный фазовый угол суммарного магнитного потока, измеряют значение суммарного нормированного магнитного потока на частоте, соответствующей максимальному значению фазового угла суммарного магнитного потока, и по установленным зависимостям определяют магнитную проницаемость, удельную электрическую проводимость и радиус сплошных цилиндрических электропроводящих объектов.

Новизна предлагаемого способа состоит в том, что изменение частоты воздействующего магнитного поля до достижения максимального значения фазового угла суммарного магнитного потока, измерение значения суммарного нормированного магнитного потока на частоте, соответствующей максимальному значению фазового угла суммарного магнитного потока, и измерение этого максимального фазового угла, использование установленных зависимостей позволяет повысить точность измерения магнитной проницаемости, удельной электрической проводимости и радиуса сплошных цилиндрических электропроводящих объектов. Так как в известных аналогах не обнаружены отличительные признаки заявляемого устройства, авторы и заявитель считают, что предлагаемое изобретение соответствует критерию "существенное отличие".

На фиг. 1 представлена электрическая схема установки, реализующей заявляемый способ; на фиг. 2 - векторная диаграмма магнитных потоков; на фиг. 3 - график зависимости значения максимального фазового угла суммарного магнитного потока и обобщенного параметра контроля.

Установка, реализующая заявляемый способ, состоит из последовательности соединенных генератора 1 напряжения переменной частоты, амперметра 2, вихретокового преобразователя 3 трансформаторного типа с помещенным в него контролируемым объектом 4 и катушки 5 взаимоиндуктивности. Измерительная цепь установки состоит из подключенных к измерительной обмотке преобразователя 3 вольтметра 6 и фазометра 7, опорный вход которого подключен к выходу вторичной обмотки катушки 5.

На векторной диаграмме представлены вектор Ф_о потока зондирующего магнитного поля через измерительную обмотку преобразователя 3 без контролируемого объекта, вектор Ф_Σ суммарного магнитного потока, который является векторной суммой потока Ф₁ зондирующего магнитного поля в зазоре между контролируемым объектом 4 и измерительной обмоткой преобразователя 3 и потока Ф₂ магнитного поля в контролируемом объекте. На векторной диаграмме представлен максимальный фазовый угол ϕ_omaxмежду потоками Ф_о и Ф_Σ . Кроме того, приведен годограф векторов Ф_Σ и Ф₂, получающийся при изменении частоты зондирующего магнитного поля от нуля до бесконечности.

Сущность способа бесконтактного измерения параметров цилиндрических сплошных электропроводящих объектов состоит в следующем.

В вихретоковом преобразователе возбуждают переменное во времени магнитное поле. Контролируемый объект помещают в рабочую полость преобразователя. При этом измерительную обмотку вихретокового преобразователя пронизывает суммарный поток переменного магнитного поля Ф_Σ , связанный с потоком Ф_о соотношением: = (1-η)+ (1) где η - коэффициент заполнения измерительной обмотки преобразователя η = a² / a_c² , (2) а - радиус контролируемого объекта; а_с - радиус измерительной обмотки преобразователя; μ_r - относительная магнитная проницаемость контролируемого объекта; - комплексная эффективная магнитная проницаемость, которая для случая сплошного цилиндрического объекта в продольном осесимметричном магнитном зондирующем поле может быть записана как (Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий. Справ. : В 2-х кн. /Под ред. В. В. Клюева. М. : Машиностроение, 1986, с. 352): = , (3) где I_o, I₁ - модифицированные функции Бесселя первого рода нулевого и первого порядков соответственно; х - обобщенный параметр контроля, x = ; (4) σ - удельная электрическая проводимость контролируемого объекта; ω - круговая частота зондирующего магнитного поля; μ_o - магнитная постоянная; i - мнимая единица.

Фазовый сдвиг между магнитными потоками Ф_о и Ф_Σ обусловлен вторым слагаемым правой части уравнения (1), которое представляет собой поток магнитного поля в изделии - Ф₂. Следовательно, годограф вектора Ф_Σ и годограф вектора Ф₂ совпадают и равны годографу μ_эфф (с точностью до постоянного множителя), который табулирован в (Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий. Справ. : В 2-х кн. /Под ред. В. В. Клюева. М. : Машиностроение, 1986, с. 352).

При изменении частоты зондирующего магнитного поля ω от нуля до бесконечно больших значений вектор Ф_Σ пробегает по годографу и в некоторой точке фазовый угол ϕ_o между потоками Ф_о и Ф_Σ становится максимальным. Видно, что в этой точке вектор Ф_Σ касателен к годографу. Последнее позволяет записать соотношение φ_omax= arctg. (5) Так как каждая точка годографа соответствует строго определенному значению обобщенного параметра контроля х, то выражение (5) позволяет, воспользовавшись аппаратом специальных функций, определить зависимость ϕ_оmax = f(x), что было сделано авторами. График этой зависимости приведен на фиг. 3. Аналитически эту зависимость можно записать как: ϕ_omax= arctg , (6) где A = ber₁(x) . ber_o(x) + bei₁(x) . bei_o(x); B = ber_o(x) . bei₁(x) - bei_o(x) . ber₁(x); C = ber_o²(x) + bei_o²(x); ber_n, bei_n - функции Бесселя первого рода n-го порядка, "штрих" обозначает производную по х.

Таким образом, изменяя частоту зондирующего магнитного поля, добиваются максимального значения фазового угла ϕ_o, измеряют значения частоты зондирующего магнитного поля I и ϕ_оmax , а также величины потоков Ф_Σ и Ф_о. После этого по зависимости, обратной зависимости (6) (графически, по таблице или численными способами), определяют значение обобщенного параметра контроля х, соответствующего данному значению ϕ_оmax , а по нему с помощью известной зависимости (3) - значения Re() и Im(). По зависимости
a = a (7) определяют радиус контролируемого объекта а. По зависимости
μ_r= (8) определяют относительную магнитную проницаемость объекта и из соотношения
σ = (9) определяют удельную электрическую проводимость контролируемого объекта.

Повышение точности измерения трех параметров сплошных цилиндрических электропроводящих объектов достигается за счет отсутствия влияния на результаты измерений погрешностей компенсации магнитного потока зондирующего поля без изделия, неизбежно присутствующих при измерении вносимых потоков. Кроме того, повышение точности достигается за счет прямого измерения параметра, принимающего максимальное значение, а не косвенного измерения, характерного для способа-прототипа (в прототипе определяется максимум произведения амплитуды вносимого потока на синус его фазового угла).

Предлагаемый способ бесконтактного измерения параметров цилиндрических сплошных электропроводящих объектов был реализован следующим образом.

Проводят измерение параметров цилиндрического сплошного изделия радиусом 6,563 мм, выполненного из парамагнитного чугуна.

Измерения осуществляют, используя вихретоковый преобразователь со следующими параметрами: число витков измерительной обмотки - 800; радиус измерительной обмотки - 9,27 мм; число витков намагничивающей обмотки - 190; радиус намагничивающей обмотки - 10,56 мм. В качестве измерительной аппаратуры используют генератор ГЗ-112, фазометр Ф2-34, вольтметр В7-16 и прецизионный шунт номиналом 1 Ом.

Контролируемое изделие помещают в рабочую полость вихретокового преобразователя, его намагничивающую цепь запитывают током 9 мА и изменяют частоту зондирующего поля до достижения фазовым углом максимального значения. В данном случае величина ϕ_omax составила - 17,34^о при частоте зондирующего поля 14,9462 кГц. Находят величину обобщенного параметра контроля х = 3,02957 и значения Re() = 0,493068 и Im() = -0,358122. Воспользовавшись соотношением
Ф = (10) где Е - ЭДС, наводимая магнитным потоком в соленоиде; W_изм - количество витков измерительной обмотки, можно записать
= (11) и поэтому можно измерять непосредственно значения ЭДС, которые составили E_Σ= 451,201 мВ, Е_о = 493,829 мВ.

Из соотношения (7) определяют величину радиуса объекта контроля а = 6,57303 мм, из соотношения (8) - относительной магнитной проницаемости μ_r = 1,51240 и из соотношения (9) - удельной электрической проводимости σ = 0,119027 ˙10⁷ См/м.

Сравнение результатов с результатами измерений контрольными методами, в качестве которых использовались дифференциально-баллистический (погрешность не более 1% ), контрактно-мостовой (погрешность не более 0,3% ) и микрометрический (погрешность не более 0,1% ), показало, что погрешности измерений составили: радиуса - 0,16% , магнитной проницаемости - 0,637% , удельной электрической проницаемости - 0,927% .

По сравнению со способом-прототипом, реализованным на установке, использовавшей преобразователь с погрешностью компенсации, не превосходящей 0,5% , предлагаемый способ позволил повысить точность измерения радиуса на 1,25% , магнитной проницаемости - на 0,45% и удельной электрической проводимости - на 2,5% .

Использование предложенного способа позволит получить достоверные величины магнитной проницаемости, удельной электрической проводимости и радиуса сплошных проводящих цилиндрических объектов, что важно в таких областях, как входной контроль металлических прутков, выбор оптимальных материалов для таких конструкций, как валы погружных электродвигателей, детали полеобразующих физических установок и т. д.

Формула изобретения

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ СПЛОШНЫХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩИХ ОБЪЕКТОВ, включающий воздействие на измеряемый объект однородным переменным осесимметричным магнитным полем, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, измеряют значения нормированного магнитного потока через измерительную обмотку с измеряемым объектом, фазовый угол между измеряемым и воздействующим магнитными потоками и частоту воздействующего магнитного поля, изменяют частоту магнитного поля до достижения фазовым углом между измеряемым и воздействующим магнитными потоками максимального значения, фиксируют максимальное значение этого фазового угла ϕ_{0 max}, соответствующие этому углу нормируемый магнитный поток Φ_Σ ^* через измерительную обмотку с измеряемым объектом и частоту ω воздействующего магнитного поля, а относительную магнитную проницаемость, удельную электрическую проводимость и радиус объекта определяют из следующей системы уравнений
ϕ_omax= arctg,
a = a ,
μ = Φ^*_Σ ,
где = ;
x = a ;
j₀, j₁ - модифицированные функции Бесселя первого рода нулевого и первого порядков;
Φ^*_Σ , ϕ_omax - амплитуда и фаза нормированного магнитного потока переменного магнитного поля через измерительную обмотку с объектом Φ^*_Σ = Φ_Σ/Φ_o;
Φ_o - магнитный поток в измерительной обмотке без объекта;
μ_c - относительная магнитная проницаемость объекта;
σ - удельная электрическая проводимость объекта;
a, a_c - радиусы объекта и измерительной обмотки;
ω - частота воздействующего магнитного поля;
μ_o - магнитная постоянная.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3