Устройство для измерения коэрцитивной силы магнитных материалов

 

Изобретение относится к области неразрушающего контроля материалов, а именно к технике магнитных измерений, и может найти применение при контроле качества металлоконструкций и их частей, деталей машин, параметров постоянных магнитов. Сущность изобретения: устройство содержит последовательно соединенные источник намагничивающего тока, первый коммутатор и электромагнит с датчиком поля, последовательно включенные второй коммутатор и аналого-цифровой преобразователь, первый и второй компараторы, источник опорных напряжений, генератор тока, управляемый усилитель мощности, блок управления и индикатор, соединенные соответствующим образом. В устройство введены последовательно соединенные третий коммутатор, преобразователь ток-напряжение и первый усилитель, последовательно включенные второй усилитель, цепочка с управляемой постоянной времени τ и третий усилитель, а также последовательно соединенные четвертый усилитель, третий компаратор и линия задержки. Эти три группы блоков включены соответствующим образом в схему устройства. Технический результат: повышение точности и достоверности результатов измерений, быстродействия, а также снижение энергопотребления, что позволяет существенно уменьшить его габариты и массу. 1 ил.

Изобретение относится к области неразрушающего контроля физико-механических свойств материалов, а именно технике магнитных измерений и магнитной структуроскопии, и может найти широкое применение в машиностроении, металлургии, техническом надзоре и других областях техники для контроля качества изделий из ферромагнитных материалов и постоянных магнитов, физико-механические свойства которых имеют связь с коэрцитивной силой или намагниченностью материала контролируемого объекта.

Преимущественное направление применения устройств для измерения коэрцитивной силы - контроль напряженно-деформированного состояния и остаточного ресурса металлоконструкций грузоподъемных механизмов, трубопроводов, котлов, сосудов под давлением и т.д., а также традиционный неразрушающий контроль механических свойств металлопродукции.

Известно устройство для измерения коэрцитивной силы листовых ферромагнитных материалов (а. с. СССР 1226260, кл. G 01 N 27/72, 23.04.86, бюл. 15), содержащее генератор намагничивающего тока, выход которого подключен к последовательно соединенным намагничивающей обмотке и резистору, измерительную обмотку, П-образный ферромагнитный сердечник с нанесенными на него намагничивающей и измерительной обмотками, который в процессе измерений устанавливается на контролируемое изделие, дифференцирующий элемент, вход которого соединен с измерительной обмоткой, формирователь импульсов, один вход которого соединен с выходом дифференцирующего элемента, другой - к резистору, генератор стробирующих импульсов, вход которого подключен к выходу формирователя импульсов, ключевую схему, сигнальный вход которой соединен с резистором, а управляющий вход - с выходом генератора стробирующих импульсов, последовательно соединенные пиковый детектор и регистрирующий прибор. Вход пикового детектора подключен к выходу ключевой схемы. Формирователь импульсов содержит компаратор, триггер и последовательно соединенные выпрямитель, ограничитель и пороговый детектор. Вход выпрямителя соединен с выходом дифференцирующего элемента, а выход порогового детектора - с установочным входом триггера. Вход компаратора соединен с резистором, а выход - со счетным входом триггера, выход которого соединен с входом генератора стробирующих импульсов.

Недостатками описанного устройства являются сравнительно низкая точность и недостаточная надежность измерений, что обусловлено отсутствием цикла магнитной подготовки, а также фиксацией пиковым детектором напряжения, соответствующего максимальному значению линейно-изменяющегося тока намагничивания за время длительности стробирующего импульса, которое при компенсационном методе измерения на данном участке времени не точно соответствует фактическому значению коэрцитивной силы (максимуму тока измерительной обмотки). К недостаткам устройства следует отнести также отсутствие возможности измерений непосредственно в единицах коэрцитивной силы и повышенное энергопотребление вследствие необходимости использования блока питания для генератора намагничивающего тока.

Известно также устройство для измерения коэрцитивной силы магнитных материалов (а.с. СССР 1439513, кл. G 01 R 33/12, 23.11.88, бюл. 43), содержащее намагничивающий блок, в который помещается контролируемый образец, блок съема сигнала, измерительный элемент, тиристор, управляемый резистор, диод, измерительный блок, токосъемный элемент, блок задержки, аналоговый ключ и пиковый детектор. Выход блока съема сигнала подключен к последовательно соединенным токосъемному элементу, управляющему резистору и управляющему электроду тиристора, подключенного параллельно измерительному элементу, включенному последовательно с намагничивающим блоком. Выход токосъемного элемента через последовательно соединенные блок задержки, аналоговый ключ и детектор подключен к управляющему входу управляемого резистора. Выход измерительного элемента через диод подключен к измерительному блоку, а управляющий вход аналогового ключа соединен с выходом токосъемного элемента.

Недостатками этого устройства являются низкая точность и нестабильность измерений вследствие отсутствия цикла магнитной подготовки, предусмотренного ГОСТ 8.377-80 и 8.268-77, повышенное энергопотребление, отсутствие индикации результатов измерений в единицах коэрцитивной силы. Индикация результатов измерений в единицах тока размагничивания не позволяет сделать сопоставимыми результаты измерений на разных приборах или одних приборах, но на разных объектах, т. к. этот параметр не является стандартизуемым для магнитных характеристик. Он сильно различается для разных приборов при работе с одним и тем же контрольным образцом и сильно зависит от шероховатости поверхности контролируемого металла при измерении одним прибором при неизменных свойствах объекта контроля. Величина отношения чувствительности к шероховатости не постоянна для различных исполнений прибора. Собственный коэффициент чувствительности, индивидуальный для каждого прибора, затрудняет сравнение данных контроля, выполненных разными приборами на одном и том же металле. Параметры прибора во времени нестабильны, поэтому непостоянны и эти коэффициенты.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков и принятым за прототип является магнитный структуроскоп (а. с. СССР 1128154, кл. G 01 N 27/72, 07.12.84, бюл. 45), содержащий последовательно соединенные источник намагничивающего тока, первый коммутатор (реле), электромагнит с датчиком поля (феррозондом), последовательно соединенные второй коммутатор и аналого-цифровой преобразователь (цифровой измеритель тока), два компаратора, сигнальные входы которых соединены попарно между собой, источник опорных напряжений, выходы которого подключены к управляющим входам обоих компараторов, индикатор, первый и второй входы которого подключены (через одновибраторы и детекторы среднего значения) соответственно к выходам первого и второго компараторов, генератор тока, усилитель постоянного тока, включающий в себя формирователь сигнала управления током размагничивания и преобразователь "напряжение - ток", блок управления, первый выход которого соединен с управляющим входом источника намагничивающего тока, второй выход - с первым управляющим входом первого коммутатора, а третий выход подключен к управляющему входу усилителя постоянного тока и одному из входов формирователя сигнала запуска цифрового измерителя тока (АЦП), амплитудный детектор компенсационного типа, связанный своим входом с измерительной обмоткой феррозонда и первыми входами обоих компараторов, а выходом - со вторыми входами этих компараторов.

Недостатками магнитного структуроскопа являются пониженная точность и недостаточное быстродействие, что обусловлено отсутствием контура автоматического регулирования тока компенсации остаточного намагничивания, а также отсутствие индикации результатов измерений в единицах коэрцитивной силы.

Заявляемым изобретением решается задача по обеспечению высокой точности и достоверности результатов измерений, быстродействия, индикации результатов измерений в единицах коэрцитивной силы, а также снижения энергопотребления, габаритов и массы.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в устройство для измерения коэрцитивной силы магнитных материалов, содержащее последовательно соединенные источник намагничивающего тока, первый коммутатор и электромагнит (ЭМ) с датчиком поля, последовательно включенные второй коммутатор и аналого-цифровой преобразователь (АЦП), первый и второй компараторы, индикатор, источник опорных напряжений, управляющий вход которого подключен ко второму выходу второго коммутатора, а выходы соединены с управляющими входами обоих компараторов, выходы которых подключены соответственно к первому и второму входам индикатора, генератор тока, управляемый усилитель мощности и блок управления, первый выход которого соединен с управляющим входом источника намагничивающего тока, а второй выход - с первым управляющим входом первого коммутатора, второй управляющий вход которого соединен с выходом генератора тока, а третий вход - с выходом управляемого усилителя мощности, управляющий вход которого подключен к третьему выходу блока управления, введены последовательно соединенные третий коммутатор, преобразователь "ток- напряжение" и первый усилитель, последовательно включенные второй усилитель, цепочка с управляемой постоянной времени τ и третий усилитель, последовательно соединенные четвертый усилитель, третий компаратор и линия задержки. При этом выход первого усилителя подключен к сигнальным входам второго коммутатора и первого и второго компараторов, выход преобразователя "ток - напряжение" - к управляющему входу цепочки с управляемой постоянной времени τ, вход второго усилителя соединен с выходом датчика поля электромагнита, а выход третьего усилителя подключен к сигнальному входу управляемого усилителя мощности, сигнальный вход третьего коммутатора подключен к концу обмотки электромагнита, а первый и второй управляющие входы этого коммутатора соединены соответственно с управляющим выходом источника намагничивающего тока и четвертым выходом блока управления, пятый выход которого соединен с управляющим входом установки уровней "min - max" второго коммутатора, вход четвертого усилителя подключен к выходу второго усилителя, а выход линии задержки соединен с третьим входом индикатора и с управляющим входом АЦП, выход которого подключен к четвертому входу индикатора.

В предложенном устройстве быстродействие обеспечивается за счет введения цепи автоматического регулирования тока обмотки электромагнита, состоящей из последовательного соединения датчика поля, второго усилителя, цепочки с управляемой величиной постоянной времени τ, третьего усилителя, усилителя мощности и первого коммутатора путем существенного уменьшения длительности переходных процессов при изменении тока электромагнита автоматическим подбором постоянной времени τ. Введение процедуры предварительной магнитной подготовки образца, заключающейся в снятии так называемой "предыстории" его намагниченности, обеспечиваемой введением третьего коммутатора, позволяет повысить точность и достоверность измерений. Дополнительно точность измерений коэрцитивной силы повышается за счет разрыва цепи обратной связи автоматического регулирования после цикла измерений, что исключает температурный дрейф элементов схемы. При этом характеристики цепи регулирования остаются неизменными для всех последующих циклов измерений.

Введение последовательно включенных четвертого усилителя, третьего компаратора и линии задержки исключает индикацию результатов измерений на цифровом табло индикатора во время измерительных переходных процессов, что также повышает точность и достоверность измерений.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображена функциональная схема предлагаемого устройства для измерения коэрцитивной силы магнитных материалов, где 1 - источник намагничивающего тока; 2 - коммутатор; 3 - электромагнит; 4 - датчик поля; 5 - коммутатор; 6 - преобразователь "ток-напряжение"; 7 - усилитель; 8 - коммутатор; 9 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП); 10 - первый компаратор; 11 - второй компаратор; 12 - индикатор; 13 - источник опорных напряжений; 14 - усилитель; 15 - цепочка с управляемой постоянной времени τ; 16 - усилитель; 17 - усилитель; 18 - третий компаратор; 19 - линия задержки; 20 - генератор тока; 21 - управляемый усилитель мощности; 22 - блок управления.

Предлагаемое устройство для измерения коэрцитивной силы материалов содержит последовательно соединенные источник 1 намагничивающего тока, коммутатор 2, электромагнит 3 с датчиком 4 поля, коммутатор 5, преобразователь 6 "ток-напряжение", усилитель 7, коммутатор 8 и аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 9. Устройство содержит также первый и второй компараторы 10, 11, сигнальные входы которых подключены к выходу усилителя 7, индикатор 12, источник 13 опорных напряжений, управляющий вход которого подключен ко второму выходу коммутатора 8, а выходы соединены с управляющими входами обоих компараторов 10, 11, выходы которых подключены соответственно к первому и второму сигнальным входам индикатора 12. В схему устройства входят последовательно соединенные усилитель 14, цепочка 15 с управляемой постоянной времени τ и усилитель 16, последовательно включенные усилитель 17, третий компаратор 18 и линия 19 задержки, а также генератор 20 тока, управляемый усилитель 21 мощности и блок 22 управления. При этом вход усилителя 17 подключен к выходу усилителя 14, а выход линии 19 задержки (ЛЗ) соединен с третьим входом индикатора 12 и с управляющим входом АЦП 9, выход которого подключен к четвертому входу индикатора 12. Вход усилителя 14 подключен к выходу датчика 4 поля электромагнита 3, а выход усилителя 16 соединен с входом управляемого усилителя 21 мощности. Первый выход блока 22 управления подключен к управляющему входу источника 1 намагничивающего тока, второй выход соединен с первым управляющим входом коммутатора 2, второй управляющий вход которого подключен к выходу генератора 20 тока, а третий вход соединен с выходом управляемого усилителя 21 мощности, управляющий вход которого подключен к третьему выходу блока 22 управления. Управляющий выход источника 1 намагничивающего тока подключен к первому управляющему входу коммутатора 5, второй управляющий вход которого соединен с четвертым входом блока 22 управления, пятый выход которого подключен к входу установки уровней "min-max" коммутатора 8.

Цепочка 15 с управляемой постоянной времени τ представляет собой времязадающую RC-цепочку на входе операционного усилителя 16 с изменяющимися R или/и С элементами.

Блок управления 22 представляет собой обычный тактовый генератор, соединенный с двоичным счетчиком, дешифратором и другими логическими элементами, синхронизирующими работу устройства.

Индикатор 12 состоит из АЦП, сопряженного со светодиодной матрицей, и набора светодиодов, индицирующих сигналы "больше", "меньше" и "норма".

Источник 1 намагничивающего тока представляет собой обычный синхронизируемый генератор униполярных импульсов, выполненный, с целью снижения веса, габаритов и потребляемой мощности, по бестрансформаторной тиристорной схеме, питаемой непосредственно от электросети.

Предложенное устройство для измерения коэрцитивной силы магнитных материалов работает следующим образом. После нажатия кнопки "измерение", блок 22 управления вырабатывает управляющие сигналы согласно алгоритму работы всего устройства.

Вначале источник 1 намагничивающего тока подключается через коммутаторы 2, 5 к обмотке электромагнита (ЭМ) 3.

Далее источник 1 намагничивающего тока начинает формировать намагничивающие импульсы, поступающие в обмотку ЭМ 3 таким образом, что исследуемый образец намагничивается до насыщения в одном направлении (полярности магнитного поля).

Затем источник 1 намагничивающего тока присоединяется через коммутаторы 2, 5 к обмотке ЭМ 3 таким образом, что намагничивание исследуемого образца до насыщения происходит в противоположном направлении. При этом происходит магнитная подготовка образца, при которой снимается "магнитная предыстория" металла в зоне контроля, что позволяет уменьшить погрешность показаний прибора, связанную со случайной остаточной намагниченностью образца.

После цикла намагничивания источник 1 намагничивающего тока отключается от обмотки ЭМ 3 и, с помощью блока 22 управления, формируется цепь компенсации, состоящая из последовательно соединенных датчика 4 поля, усилителя 14, цепочки 15 с управляемой постоянной времени τ, усилителя 16, управляемого усилителя 21 мощности, коммутатора 2 и ЭМ 3, связанного с датчиком 4 поля магнитной связью. По завершении последнего намагничивания исследуемого образца до насыщения, в нем формируется остаточное магнитное поле, величина которого преобразуется датчиком 4 поля в пропорциональное этому полю напряжение. Далее это напряжение поступает через усилитель 14, цепочку 15 с управляемой постоянной времени τ, усилитель 16, управляемый усилитель мощности 21 и коммутатор 2 на обмотку ЭМ 3. В обмотке ЭМ 3 под действием этого напряжения возникает ток, создающий магнитное поле, противоположное по знаку остаточному магнитному полю в образце. Процесс компенсации остаточного магнитного поля в образце будет происходить до тех пор, пока напряжение на датчике 4 поля не станет равным нулю или близким этому значению. Но, как известно из теории автоматического регулирования, замкнутая цепь компенсации будет находиться в динамическом равновесии при некотором напряжении рассогласования. Величина этого напряжения рассогласования определяется параметрами блоков, входящих в цепь компенсации, а также значением остаточного магнитного поля в образце. Следовательно, через обмотку ЭМ 3 будет протекать ток компенсации, пропорциональный значению остаточного магнитного поля в образце. Величина этого тока пропорциональна значению коэрцитивной силы исследуемого образца.

Для получения показаний индикатора 12 в единицах измерения коэрцитивной силы ток компенсации, протекающий через обмотку ЭМ 3, подается через коммутатор 5 на преобразователь 6 "ток-напряжение", где преобразуется в соответствующее напряжение, и далее, через последовательно соединенные усилитель 7, коммутатор 8 и АЦП 9 - на индикатор 12. В процессе компенсации происходит управление постоянной времени цепочки 15 так, чтобы оптимизировать время компенсации. Процесс оптимизации заключается в выборе параметров R и С цепочки 15 с управляемой постоянной времени τ таким образом, чтобы время компенсации было минимальным при требуемой чувствительности компенсационной цепи.

Параметр R в цепочке 15 с управляемой постоянной времени τ определяется током компенсации, протекающим по обмотке ЭМ 3 и поступающим на один из входов управления цепочки 15 с управляемой постоянной времени τ через последовательно соединенные коммутатор 5 и преобразователь 6 "ток-напряжение". Значение параметра С определяется величиной магнитного поля, которое преобразуется в соответствующее напряжение датчика 4 поля. Это напряжение подается через усилитель 14 на второй вход цепочки 15 с управляемой постоянной времени τ. Для блокировки работы АЦП 9 и индикатора 12 на время переходных процессов, в цепь компенсации введены усилитель 17, компаратор 18 и ЛЗ 19. После компенсации, напряжения на выходе датчика 4 поля и усилителя 14 близки к нулю. При этом срабатывает компаратор 18, вырабатывающий импульс, который, проходя ЛЗ 19, задерживается на время, равное быстродействию АЦП 9, и включает индикатор 12.

После завершения процесса компенсации и выведения па цифровое табло индикатора 12 значения измеряемой коэрцитивной силы управляемый усилитель 21 мощности блокируется сигналом, поступающим из блока 22 управления. При этом прекращается подача тока компенсации в обмотку ЭМ 3. Такая блокировка усилителя 21 мощности позволяет повысить точность и достоверность измерений за счет снижения температурного дрейфа параметров выходных устройств усилителя 21 мощности, которые могут влиять на величину тока компенсации. С помощью генератора 20 тока, подключенного через коммутатор 2 к обмотке ЭМ 3, создается постоянный ток смещения, компенсирующий собственную коэрцитивную силу магнитопровода ЭМ 3.

В устройстве предусмотрен режим выбраковки изделий. Диапазон выбраковки устанавливается оператором. Значения коэрцитивной силы Н_Cmax и H_Cmin устанавливаются соответствующими переменными резисторами, находящимися в составе блока 22 управления, который через коммутатор 8 связан с источником 13 опорных напряжений и АЦП 9. Напряжения, пропорциональные значениям Н_Cmax и H_Cmin, из источника 13 опорных напряжений подаются на управляющие входы компараторов 10, 11 соответственно и, при нажатии кнопок "mах" или "min" коммутатора 8, попадают через АЦП 9 на индикатор 12.

Компараторы 10, 11 сравнивают опорные напряжения с измеряемой величиной коэрцитивной силы исследуемого образца и формируют сигналы, которые далее поступают на индикатор 12, где индицируются на цветовом табло. Кроме того, в зависимости от величины измеренного значения Н_C и установленных границ "mах" и "min" диапазона выбраковки, включается сигнал ">", "<" или "норма", который далее поступает на индикатор 12, где индицируется на цветовом табло. Кроме того, при попадании измеренного значения Н_C в диапазон значений выбраковки включается звуковой сигнал.

Для заявленного устройства в том виде, как оно охарактеризовано и изложено в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления.

Преимущество изобретения состоит в том, что возможность реализации предлагаемого устройства для измерения коэрцитивной силы магнитных материалов существенно повышает точность и достоверность результатов измерений, обеспечивает высокое быстродействие, пониженное энергопотребление при уменьшенных габаритах и массе. Из уровня техники не известен механизм достижения результата, раскрытый в материалах заявки.

Формула изобретения

Устройство для измерения коэрцитивной силы магнитных материалов, содержащее последовательно соединенные источник намагничивающего тока, первый коммутатор и электромагнит с датчиком поля, последовательно включенные второй коммутатор и аналого-цифровой преобразователь, первый и второй компараторы, индикатор, источник опорных напряжений, управляющий вход которого подключен к второму выходу второго коммутатора, а выходы соединены с управляющими входами обоих компараторов, выходы которых подключены соответственно к первому и второму входам индикатора, генератор тока, управляемый усилитель мощности и блок управления, первый выход которого соединен с управляющим входом источника намагничивающего тока, а второй выход - с первым управляющим входом первого коммутатора, второй управляющий вход которого соединен с выходом генератора тока, а третий вход - с выходом управляемого усилителя мощности, управляющий вход которого подключен к третьему выходу блока управления, отличающееся тем, что в него введены последовательно соединенные третий коммутатор, преобразователь ток-напряжение и первый усилитель, последовательно включенные второй усилитель, цепочка с управляемой постоянной времени τ и третий усилитель, последовательно соединенные четвертый усилитель, третий компаратор и линия задержки, при этом выход первого усилителя подключен к сигнальным входам второго коммутатора и первого и второго компараторов, выход преобразователя ток-напряжение подключен к управляющему входу цепочки с управляемой постоянной времени τ, вход второго усилителя соединен с выходом датчика поля электромагнита, а выход третьего усилителя подключен к сигнальному входу управляемого усилителя мощности, сигнальный вход третьего коммутатора подключен к концу обмотки электромагнита, а первый и второй управляющие входы этого коммутатора соединены соответственно с управляющим выходом источника намагничивающего тока и четвертым выходом блока управления, пятый выход которого соединен с управляющим входом установки уровней min-max второго коммутатора, вход четвертого усилителя подключен к выходу второго усилителя, а выход линии задержки соединен с третьим входом индикатора и с управляющим входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого подключен к четвертому входу индикатора.

РИСУНКИ

Рисунок 1