Способ определения механических напряжений и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к области неразрушающих методов контроля и предназначено для определения механических напряжений в изделиях из ферромагнитных материалов. В металле контролируемого изделия в заданных направлениях с шагом β не более 45^o в пределах от 0^o до (±180^o-β), поочередно переключая обмотки возбуждения, размещенные на плечах крестообразного магнитопровода преобразователя, возбуждают направленный магнитный поток определенной величины и частоты. Каждый раз измеряют значения ЭДС U_x1, наводимой в измерительных обмотках, размещенных на плечах магнитопровода, перпендикулярных плечам магнитопровода с обмотками возбуждения. Повторяют аналогичные изменения при другой величине магнитного потока. Аппроксимируют угловую зависимость ЭДС U_x1 по каждому из заданных направлений намагничивания и для каждого уровня магнитного потока, значения для дальнейшей обработки снимают по аппроксимированным зависимостям. Механическое напряжение σ определяют, используя ЭДС аппроксимированные функциями вида σ = A•tg(KU_x)±Δ, где А, К и Δ - градуировочные константы. Напряжения в заданном слое оценивают, выполняя аналогичные измерения на других частотах. Возможность проведения измерений в каждой точке контроля при различных режимах намагничивания обеспечена введением в устройство усилителя мощности, двух цифроаналоговых преобразователей, коммутатора, аналого-цифрового преобразователя, микропроцессора, оперативного запоминающего устройства, их взаимосвязями и соединениями с другими блоками устройства. Технический результат: повышение точности определения механических напряжений и расширение рабочего диапазона. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретения относятся к области неразрушающих методов контроля, а именно к измерительной технике для определения механических напряжений в изделиях из ферромагнитных материалов. Способ и устройство могут быть использованы для контроля за качеством производства сварочных работ, при проведении технического надзора за инженерными сооружениями и трубопроводами, в расследованиях причин различных техногенных аварий, связанных с разрушением металлических конструкций.

Известны способ определения интенсивности напряжения в изделиях из ферромагнитных материалов и устройство для его осуществления, где в способе преобразователь трансформаторного типа устанавливают на эталонный образец, изготовленный из того же материала, что и контролируемое изделие, ориентируют его на образце, ступенчато нагружают его в продольном направлении, намагничивают материал образца в зоне действия преобразователя в направлениях 0^o и 45^o, фиксируют его выходной сигнал, пропорциональный изменению намагниченности в направлениях, перпендикулярных направлениям намагничивания после каждой ступени нагружения, определяют градуировочный коэффициент, устанавливают преобразователь на контролируемое изделие, ориентируют намагничивание материала изделия в зоне действия преобразователя в направлениях 0^o и 45^o, причем намагничивание по направлениям осуществляют одновременно двумя переменными магнитными полями, различающимися по частоте и равными по напряженности, фиксируют его выходной сигнал, пропорциональный изменению намагниченности в направлениях, перпендикулярных направлениям намагничивания, по которому судят о величине интенсивности напряжения; а устройство содержит магнитоупругий преобразователь, выполненный в виде восьмилучевой центрально-симметричной крестовины, состоящей из П-образных магнитопроводов, расположенных под углами 0^o, 45^o, 90^o, 135^o, на полюсах которых расположены обмотки возбуждения и измерения, причем обмотки возбуждения расположены на магнитопроводах, находящихся под углом 0^o и 45^o, и подключены к блоку питания, выполненного в виде двух переменных напряжений, различающихся по частоте, а каждая из обмоток измерения подключена через свой полосовой фильтр к соответствующему фазовому детектору, которые в свою очередь подключены к блоку обработки и измерения сигналов, кроме того, вход каждого из полосовых фильтров подключен к измерительной обмотке соответствующего магнитопровода, расположенного под углом 90^o к П-образному магнитопроводу с обмоткой возбуждения, подключенной к источнику переменного напряжения, частота которого соответствует частоте данного полосового фильтра, при этом вторые входы фазовых детекторов подключены к соответствующему источнику питания [1].

Недостатком способа и устройства является низкая точность определения механических напряжений.

Известен выбранный в качестве ближайшего аналога способ определения интенсивности напряжения в изделиях из ферромагнитных материалов, заключается в том, что преобразователь трансформаторного типа устанавливают на эталонный образец, изготовленный из того же материала, что и контролируемое изделие, ориентируют его на образце, ступенчато нагружают его в продольном направлении, намагничивают материал образца в зоне действия преобразователя в направлениях 0^o, 45^o и 135^o, фиксируют его выходной сигнал, пропорциональный изменению намагниченности в направлениях, перпендикулярных направлениям намагничивания после каждой ступени нагружения, определяют градуировочный коэффициент, устанавливают преобразователь на контролируемое изделие, ориентируют намагничивание материала изделия в зоне действия преобразователя в тех же направлениях 0^o и 45^o, причем намагничивание по направлениям осуществляют одновременно тремя переменными магнитными полями, различающимися по частоте и равными по напряженности, фиксируют его выходной сигнал, пропорциональный изменению намагниченности в направлениях, перпендикулярных направлениям намагничивания, а интенсивность напряжения определяют по формуле с учетом градуировочного коэффициента [2].

Известное, используемое для осуществления описанного способа устройство, выбранное в качестве ближайшего аналога для реализации этого способа, включает в себя магнитоупругий преобразователь, выполненный в виде восьмилучевой центрально-симметричной крестовины, состоящей из П-образных магнитопроводов, расположенных под углами 0^o, 45^o, 90^o, 135^o, на полюсах которых расположены обмотки возбуждения и измерения, причем обмотки возбуждения расположены на магнитопроводах, находящихся под указанными углами, и подключены к блоку питания, выполненному в виде трех источников переменных напряжений, различающихся по частоте, а каждая из обмоток измерения подключена через свой полосовой фильтр к соответствующему фазовому детектору, которые, в свою очередь, подключены к блоку обработки и измерения сигналов, кроме того, вход каждого из полосовых фильтров подключен к измерительной обмотке соответствующего магнитопровода, расположенного под углом 90^o к П-образному магнитопроводу с обмоткой возбуждения, подключенной к источнику переменного напряжения, частота которого соответствует частоте данного полосового фильтра, при этом вторые входы фазовых детекторов подключены к соответствующему источнику питания [2].

Недостатком способа и устройства является низкая точность определения механических напряжений, обусловленная одновременным намагничиванием материала по нескольким направлениям на разных частотах, что приводит к смешиванию информации о напряженном состоянии разных слоев материала из-за скин-эффекта и ее искажению из-за влияния магнитомеханического гистерезиса (предыстории нагружения). Кроме того, значительно ограничен их рабочий диапазон. Ограничение диапазона измерений этого способа обусловлено недопустимостью использования более 30% градуировочной кривой, где нелинейность превышает возможности используемого алгоритма вычислений.

Задачей изобретений является увеличение точности определения механических напряжений и расширение рабочего диапазона.

Поставленная задача решается, прежде всего, за счет принятия во внимание неоднозначности зависимости ЭДС, наводимой в измерительной обмотке, от величины механической нагрузки в металле: неоднозначности, которая обусловлена существованием предыстории процесса нагружения контролируемой зоны металла.

Учет указанной неоднозначности достигается тем, что в способе определения механических напряжений, согласно которому на контролируемое изделие устанавливают крестообразный (в виде центрально-симметричной крестовины) магнитопровод с обмотками возбуждения и измерительными обмотками, возбуждают в металле контролируемого изделия направленный магнитный поток определенной величины по заданным направлениям, наблюдают за величиной ЭДС U_x, наводимой в каждой измерительной обмотке, расположенной на магнитопроводе, перпендикулярном магнитопроводу с обмоткой намагничивания, согласно изобретению намагничивание участка контроля изделия по направлениям осуществляют поочередно с шагом по углу β между направлениями не более 45^o в интервале от 0^o до не менее (±180^o-β) при постоянных величинах магнитного потока и на фиксированной частоте, а затем по тем же направлениям на той же частоте, но при другой величине магнитного потока, аппроксимируют угловые зависимости измеренных ЭДС U_x[i,n], где n - порядковый номер направления намагничивания, а i= 1,2 - порядковый номер величины магнитного потока, находят первые экстремумы U_x1 и U_x2, а искомое механическое напряжение определяют, используя в качестве градуировочных зависимостей отдельно восходящие и нисходящие участки петель гистерезиса, предварительно полученных при различных ориентациях направления по-очередного намагничивания металла при указанных величинах магнитного потока и на фиксированной частоте, причем за результат измерения принимают среднее по значениям тех оценок механических напряжений, полученных отдельно по восходящим и нисходящим участкам петли гистерезиса, для которых наблюдается минимальный разброс.

Кроме того, в способе согласно изобретению с целью повышения точности аппроксимацию угловой зависимости результатов измерений, полученных при намагничивании по каждому направлению, выполняют путем вычисления комплексного спектра, отсчеты U_x1 и U_x2 снимают как амплитуды вторых гармоник по амплитудно-угловой характеристике, а направление главного механического напряжения - по их фазам.

Дополнительно в способе согласно изобретению с целью повышения точности и облегчения автоматизации обработки данных градуировочные зависимости аппроксимируют функциями вида σ = A•tg(KU_x)±Δ, а оценку искомого механического напряжения по каждой паре результатов измерений выполняют по средним арифметическим, используя формулу: σ = {A•[tg(K₁•U_x1)+tg(K₂•U_x2)]+Δ⁺}/2, если δ₁<δ₂, где U_x1 - результат измерения при намагничивании при первой величине поля намагничивания, U_x2 - результат измерения при намагничивании при второй величине поля намагничивания, δ₁ = A•[tg(K₁•U_x1)-tg(K₂•U_x2)]+Δ^-; δ₂ = A•[tg(K₁•U_x1)-tg(K₂•U_x2)]-Δ^-; Δ^- = Δ₁-Δ₂; Δ⁺ = Δ₁+Δ₂; К₁ и К₂ - градуировочные коэффициенты, первый из которых соответствует U_x1, второй - U_x2;
А - второй градуировочный коэффициент;
Δ₁ и Δ₂ - градуировочные поправки, первая из которых соответствует _x1, вторая - U_x2;
или по формуле
σ = {A•[tg(K₁•U_x1)+tg(K₂•U_x2)]-Δ⁺}/2,
если неравенство не выполняется.

Наконец, в способе согласно изобретению для оценки напряженного состоянии среды в заданном слое изделия намагничивание осуществляют по-очередно на разных частотах, величины и количество которых назначают из требований по разрешению информации.

Учет указанной неоднозначности также достигается тем, что устройство для определения механических напряжений, содержащее магнитоупругий преобразователь, выполненный в виде центрально-симметричной крестовины, состоящей из П-образных магнитопроводов, на которых расположенны обмотки возбуждения и измерения, согласно изобретению снабжено дополнительными обмотками возбуждения и измерения, причем угол между П-образными плечами магнитопровода преобразователя выбирают не больше 45^o, коммутатором, соединенным с обмотками возбуждения и измерения, аналого-цифровым преобразователем (АЦП), двумя цифроаналоговыми преобразователями (ЦАП), внешним оперативным запоминающим устройством (ОЗУ), микропроцессором, контроллером внешних устройств, клавиатурой и дисплеем, соединенным между собой параллельно по адресным, информационным и синхронизирующим шинам, причем вход коммутатора соединен через усилитель с выходом первого ЦАП, а выход коммутатора подключен через усилитель сигнала с АЦП, управляющий вход усилителя сигнала соединен с выходом второго ЦАП, причем коммутатор осуществляет переключение полюсов таким образом, чтобы обмотки возбуждения и измерения, используемые в цикле, располагались на взаимноперпендикулярных плечах магнитопровода.

Использование в новом способе не одного, а n значений ЭДС U_x, измеренных при одной частоте и двух уровнях намагничивания в пределах каждого цикла, а также предварительно снятых в аналогичных условиях намагничивания в процессе механического нагружения градуировочных зависимостей в виде восходящих и нисходящих участков петель гистерезиса, позволяет при расчетах механического напряжения производить сравнительный анализ значений механических напряжений, получаемых сразу не менее чем по двум петлям магнитомеханического гистерезиса. Это устраняет отрицательное влияние предыстории нагружения конструкции на точность измерений и, как следствие, расширяет рабочий диапазон.

Применение в новом способе в пределах каждого цикла измерения одной частоты намагничивания исключает отрицательное влияние скин-эффекта на точность оценок, получаемых при обработке информации, снятых при разных направлениях намагничивания контролируемого участка изделия, поскольку информация снимается со слоя одной толщины. Выбор шага (угол β) изменения направления намагничивания не более 45^o и определение области изменения направлений намагничивания в пределах (±180^o-β) устраняет ситуации отсутствия выходного сигнала измерительной обмотки, что присуще прототипу, и повышает точность аппроксимации. Введение операции нахождения спектра обеспечивает оптимальную аппроксимацию указанной зависимости от направления намагничивания и повышает достоверность контроля. Введение другой операции - аппроксимации участков петли гистерезиса функциями вида σ = A•tg(KU_x)±Δ - позволяет получить градуировочные зависимости, удобные для программирования в микропроцессорах, что облегчает автоматизацию процесса измерения.

В свою очередь, благодаря наличию в устройстве микропроцессора, ОЗУ, ЦАП и АЦП становятся возможными запоминание интерпретаций результатов для каждого восходящего и нисходящего участков петли гистерезиса с учетом n направлений намагничивания и автоматический логический анализ выбора наиболее вероятного результата измерений с последующим усреднением оценки.

Принятая в новом способе последовательность операций обработки результатов измерений предполагает усреднение получаемых результатов, исключает вероятность ошибки из-за неправильной информации о предыстории процесса нагружения контролируемой зоны металла и, следовательно, увеличивает точность определения механического напряжения. Кроме того, она (последовательность операций) идентифицирует собственно предысторию процесса и обеспечивает получение однозначного результата в пределах всей длины градуировочных зависимостей, что свидетельствует о расширении рабочего диапазона способа и устройства по сравнению с известным.

Сущность предлагаемых изобретений поясняется чертежами, на которых представлены:
фиг.1 - блок-схема устройства для определения механического напряжения;
фиг.2 - графическая иллюстрация разрешения неоднозначности интерпретации результата измерения с применением петель магнитного и магнито-механического гистерезиса, полученных при градуировочных испытаниях образца заданной марки металла;
фиг.3 - графическая иллюстрация формы сигнала намагничивания;
фиг.4 - магнитопровод преобразователя (вид сверху).

Устройство содержит магнитоупругий преобразователь 10, выполненный в виде центрально-симметричной крестовины, состоящей из П-образных магнитопроводов, расположенных под углами друг к другу 0^o, 45^o, 90^o, 135^o, на полюсах которых расположены обмотки возбуждения и измерения, согласно изобретению снабжено дополнительными обмотками возбуждения и измерения, причем угол между П-образными плечами магнитопровода преобразователя 10 выбирают не больше 45^o, коммутатором 6, соединенным с обмотками возбуждения и измерения преобразователя 10, аналого-цифровым преобразователем (АЦП) 8, двумя цифроаналоговыми преобразователями (ЦАП) 9 и 11, внешним оперативным запоминающим устройством (ОЗУ) 1, микропроцессором 4, контроллером 3 внешних устройств и дисплеем 2, соединенным между собой параллельно по адресным, информационным и синхронизирующим шинам, причем вход коммутатора 6 соединен через усилитель 5 мощности с выходом первого ЦАП 9, а выход коммутатора 6 подключен через усилитель 7 сигнала с АЦП 8, управляющий вход усилителя 7 сигнала соединен с выходом второго ЦАП 11, причем коммутатор 6 осуществляет переключение обмоток преобразователя 10 таким образом, чтобы обмотки возбуждения и измерения, используемые в цикле, располагались на взаимноперпендикулярных плечах магнитопровода.

Устройство работает следующим образом.

При включении устройства все блоки устанавливаются в исходное состояние (фиг.1). Микропроцессор 4 в соответствии с программой выдает коды в адресную и информационные шины, а по синхронизирующей шине выдает непрерывную последовательность синхроимпульсов. Благодаря этому в заданные моменты времени к микропроцессору 4 оказывается подключенным только требуемый блок, а остальные не воспринимают и не передают информацию (сигналы, потенциалы) в информационную шину. При этом микропроцессор 4 по информационным и адресным шинам выдает на управляющий вход коммутатора 6 код, в соответствии с которым при поступлении синхронизующего импульса по шине синхронизации коммутатор 6 подключает к выходу усилителя 5 мощности обмотку возбуждения, размещенную на первом П-образном магнитопроводе преобразователя 10, ко входу усилителя 7 сигнала - выход измерительной обмотки, размещенной на другом П-образном магнитопроводе, перпендикулярном первому. В соответствии со следующим кодом, передаваемым по информационной и адресной шинам от микропроцессора 4, второй цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 11 устанавливает начальное значение коэффициента усиления усилителя 7 сигнала.

Микропроцессор 4 вырабатывает квазисинусоидальное ступенчатое напряжение (фиг. 3) фиксированной частоты, которое преобразуется в первом ЦАП 9 в аналоговый сигнал и через усилитель 5 мощности и коммутатор 6 поступает на первую обмотку возбуждения преобразователя 10. В результате магнитный поток, возбужденный в названной П-образной части магнитопровода преобразователя 10, замыкается контролируемым участком металла изделия.

Вектор В индукции магнитного поля, возбужденного в металле преобразователем 10, по величине и направлению зависит от напряженного (механического) состояния среды. Плоское напряженное состояние металла контролируемого участка изделия описывается величинами и ориентацией двух главных механических напряжений. При отсутствии механических напряжений в металле контролируемого участка конструкции вектор В ориентирован в плоскости П-образного участка крестового магнитопровода преобразователя 10 с обмоткой возбуждения. Так как плоскость второго П-образного участка крестового магнитопровода с измерительной обмоткой, подключенной коммутатором 6, ортогональна первому, то в измерительной обмотке не возбуждается ЭДС (при идеальной взаимной ортогональности плоскостей П-образных участков магнитопроводов преобразователя 10 и изотропности материала).

По мере роста нагрузки на участок изделия происходит рост главных механических напряжений и, как следствие, изменение ориентации вектора В из-за механической деформации доменной структуры. Поскольку ток возбуждения не изменяется, то длина вектора В остается постоянной, но если направления вектора В и вектора силы, действующей на объект, не совпадают, то его проекции на направления главных механических напряжений σ₁ и σ₂ изменяются. В плоскости второго П-образного участка крестового магнитопровода с обмоткой измерительной появляются проекции b₁ и В₂ вектора В магнитной индукции, отличающиеся от нуля, а как следствие, в измерительной обмотке возникает комплексная ЭДС U, зависящая от напряженного состояния материала в соответствии с выражением (1):
U = (σ₁-σ₂)kBcos2α, (1)
где k - коэффициент, зависящий от природы материала и некоторых постоянных характеристик устройства, учитываемый при производстве прибора;
α - угол между вектором В и плоскостью плеча магнитопровода с обмоткой возбуждения преобразователя 10.

Из (1) видно, что если в исходном состоянии угол α=0 и выходной сигнал достигает своего максимального значения, то при ориентации плеча магнитопровода под углом α=45^o или 135^o выходной сигнал станет равным нулю. По этой причине ближайший аналог становится неработоспособным.

С другой стороны, комплексная амплитуда U, являясь выходным сигналом измерительной обмотки, соответствует выражению (2):
U = U_xsin(ωt-ϕ₁-Ф_x), (2)
где ω - частота входного сигнала;
ϕ₁ - начальная фаза выходного сигнала;
Ф_х - дополнительная фаза, обусловленная напряженным состоянием металла;
U_x - амплитуда выходного сигнала преобразователя 10.

На практике из-за отклонений плоскостей П-образных участков магнитопровода от взаимно ортогонального положения и из-за других технологических причин компоненты В₁ и В₂ всегда присутствуют, поэтому в выходном сигнале измерительной обмотки всегда имеется паразитная ЭДС, которая суммируется с истинным сигналом (аддитивная помеха):
U₁=U+U_п (3)
где U₁ - комплексная амплитуда выходного сигнала преобразователя 10,
U_п - комплексная амплитуда аддитивной помехи.

По этой причине и из-за отсутствия в ближайшем аналоге специальных блоков и операций, устраняющих влияние аддитивной помехи, точность измерений у него оказывается низкой.

В предлагаемом устройстве предусмотрена операция подавления аддитивной помехи. Для этого рассмотренный информационный сигнал U в смеси с помехой U_п с выхода измерительной обмотки через последовательно соединенные коммутатор 6, усилитель 7 и АЦП 8 поступает на вход микропроцессора 4 и далее запоминается в ячейке памяти ОЗУ 1. Номер ячейки назначает микропроцессор 4 с учетом номера такта генерируемой им ступеньки выходного напряжения, подаваемого через первый ЦАП 9 на вход усилителя 5 мощности, и позиции коммутатора 6, а следовательно, и номера направления намагничивания контролируемого участка изделия или П-образного плеча магнитопровода преобразователя 10, что в данной ситуации одно и то же.

В моменты появления в адресной шине соответствующего кода АЦП 8 управляется тактовыми импульсами, поступающими по синхронизующей шине от микропроцессора 4, поэтому каждый акт генерации очередной ступеньки выходного напряжения, а следовательно, и изменений уровня намагничивания и уровня выходного сигнала измерительной обмотки преобразователя 10, оказываются строго синхронизированными во времени. Кроме того, запись отсчета принятого сигнала осуществляется одновременно с записью кода заданного вторым ЦАП 11 коэффициента усиления. Это осуществляется программно. Поэтому отсчеты уровня измеренного сигнала, принятые от АЦП 8 микропроцессором 4 и записанные в ОЗУ 1 при фиксированном состоянии коммутатора 6 и коде коэффициента усиления усилителя 7 сигнала, могут однозначно интерпретироваться с направлением намагничивания в разных циклах измерений.

В предлагаемом устройстве реализовано несколько стадий устранения аддитивной помехи. Первая стадия заключается в следующем. Перед началом измерений на контролируемом изделии выполняют аналогичное измерение U_всп[n], где n - порядковый номер направления намагничивания, устанавливая преобразователь 10 на "компенсационный" образец из магнитоизотропного ненапряженного материала (например, специальный феррит). Результат измерений по всем направлениям намагничивания с соответствующими кодами коэффициента усиления усилителя 7 сигнала записывают в начальную строку данных в ОЗУ 1.

Из каждого результата измерения U_x[n], выполненного на контролируемом изделии, перед записью в ОЗУ 1 микропроцессор 4 вычитает соответствующий результат измерения U_всп[n], выполненного на компенсационном образце, с учетом соответствующих кодов коэффициентов усиления. В результате в ОЗУ 1 записывается сигнал с подавленной аддитивной помехой, что в дальнейшем, естественно, способствует повышению достоверности контроля по сравнению с ближайшим аналогом.

Из (1) и (2) видно, что

При наличии результатов аппроксимации зависимости выходных сигналов преобразователя 10 от угла намагничивания (эта операция описана ниже) не сложно обеспечить выполнение равенства
cos2α=1. (5)
(В ближайшем и других аналогах условие (5) может быть выполнено только эмпирическим путем, усложняющим операцию контроля и снижающим оперативность контроля, - вращением преобразователя 10 вокруг оси до момента обнаружения максимума выходного сигнала).

Благодаря этому, получаем выражение, обосновывающее возможность использования устройства для измерения разности главных механических напряжений в плоском напряженном состоянии объекта или собственно напряжения для одноосного напряженного состояния объекта:
σ₁-σ₂ = K₁U_xsin(ωt-ϕ₁-Ф_x) (6)
где К₁=(кВ)^-1.

Если измерить амплитуду этого сигнала (то есть снять отсчеты в момент равенства единицы функции синус), то она будет связана с величиной разности главных механических напряжений:
σ₁-σ₂ = K₁U_x. (7)
(Следует заметить, что в одноосном напряженном состоянии вместо разности главных механических напряжений в вышеприведенных зависимостях должно фигурировать только одно главное механическое напряжение, т.к. σ₂ = 0. Чтобы не усложнять описание, везде по тексту принято, что в одноосном напряженном состоянии способ и устройство обеспечивают измерение механического напряжения - первого главного механического напряжения, а в плоском - разности главных механических напряжений).

Если бы эффект магнитомеханического гистерезиса не существовал, то вышеописанной последовательности операций было бы достаточно для оценки разности главных механических напряжений в соответствии с формулой (7). В известных способах и устройствах, в том числе и в ближайшем аналоге, по умолчанию используется именно эта зависимость, причем считается, что K₁=const, значение которого принимается в качестве градуировочного коэффициента. В ближайшем аналоге отрицательное влияние эффекта магнитомеханического гистерезиса не учитывается, в расчетных зависимостях используются результаты измерений без учета предыстории нагружения. С приемлемой для инженерной практики точностью это выполняется примерно в 30% диапазона изменения градуировочной зависимости, что существенно ограничивает рабочий диапазон известных способов и устройств.

Однако связь между напряженностью Н магнитного поля и индукцией В в металле нелинейна и описывается сложной функцией - петлей магнитного гистерезиса (фиг.2а). Нелинейной является и связь между магнитной индукцией, непосредственно связанной с уровнем выходного сигнала, и искомой разностью главных механических напряжений (фиг.2б). С достаточно высокой точностью петля гистерезиса может моделироваться как две взаимно смещенные функции
(σ₁-σ₂) = A•tg(KU_x)±Δ, (8)
где Δ - величина смещения функций по оси механических напряжений,
знак плюс соответствует верхней (нисходящей) ветви, а минус - нижней (восходящей) ветви петли магнитомеханического гистерезиса,
А, К - градуировочные константы (фиг.2б).

Заметим (это хорошо видно из фиг. 2б), что в области малых значений (σ₁-σ₂) и U_x она совпадает с формулой (7) отдельно для восходящей и нисходящей петель.

Учет магнитомеханического гистерезиса в предлагаемом изобретении выполняется следующим образом.

В памяти микропроцессора 4 программно выделяются область 16 памяти с ячейками В1, ..., B10, область 17 памяти с ячейками R1, ... , R6, а также два стека 12 и 13. Каждый стек 12 и 13 содержит нечетное число ячеек N=(2k+1), где k=1, 2, 3.... Для упрощения описания положим k=1, то есть будем рассматривать стеки 12 и 13, состоящими из 3-х ячеек каждый.

В исходном состоянии (при включении устройства) в них записаны нули, а в ячейку В6 области 16 памяти - начальное значение коэффициента усиления усилителя 7 сигнала, задаваемое микропроцессором 4. Шкала коэффициента усиления задается на стадии конструирования исходя из текущих возможностей элементной базы. Для упрощения данного описания будем считать, что шкала коэффициентов усиления содержит всего три значения: 1, 2 и 3, а в качестве начального значения программно задается коэффициент усиления 2, который записывается в ячейку В6 области 16 памяти.

После приема выходного сигнала от АЦП 8 микропроцессор 4 отключает его и осуществляет проверку возможности проведения измерений при данном направлении намагничивания в текущей точке контролируемого изделия. С этой целью принятый микропроцессором 4 код выходного сигнала АЦП 8 предварительно записывается в ячейку В8 области 16 памяти, а затем это значение сравнивается с предельно-допустимыми (максимальным и минимальным) уровнями выходного сигнала, постоянно записанными соответственно в ячейках В9 и В10 области 16 памяти микропроцессора 4.

Если выполняется неравенство abs(B8)>B9 и B6=1, то есть измеренный сигнал превысил максимально допустимое значение, а коэффициент усиления имеет минимальное значение, то микропроцессор 4 прекращает цикл измерения по данному направлению, в ячейки В1, ..., В6 области 16 памяти заносится условный код (например, максимально допустимое для записи число), а затем содержимое этих ячеек переносится в соответствующее место ОЗУ 1. После чего микропроцессор 4 по адресной шине выбирает коммутатор 6, а по синхронизующей шине выдает на его управляющий вход код включения возбуждающей и измерительной обмоток преобразователя 10 очередного направления намагничивания и вышеизложенные операции выполняются заново, но при новом направлении намагничивания контролируемого участка изделия.

Аналогичные операции выполняются в случае, когда выполняется неравенство abs(B8)<B10 и В6=3, то есть измеренный сигнал снизился ниже минимально допустимого значения, а коэффициент усиления уже имеет максимальное значение.

Если выполняется неравенство abs(B8)<=B10 и В6<3, то есть измеренный сигнал достиг или снизился ниже минимально допустимого значения, а коэффициент усиления не достиг максимального значения, то микропроцессор 4 увеличивает значение в ячейке В6 области 16 памяти согласно алгоритму перебора коэффициентов усиления (например, просто увеличивает это число на 1), по адресной шине выбирает второй ЦАП 11, по информационной шине передает на него код нового значения коэффициента усиления и по синхронизующей шине дает команду на изменение прежнего значения на новое значение коэффициента усиления усилителя 7 сигнала и повторяет вышеописанные операции заново при том же направлении намагничивания.

Если выполняется неравенство abs(B8)>=B9 и В6>1, то есть измеренный сигнал достиг или превысил максимально допустимое значение, а коэффициент усиления не достиг минимального значения, то микропроцессор 4 уменьшает значение в ячейке В6 области 16 памяти согласно алгоритму перебора коэффициентов усиления (например, просто уменьшает это число на 1), с помощью второго ЦАП 11 переключает коэффициент усиления усилителя 7 сигнала и повторяет вышеописанные операции заново при том же направлении намагничивания.

Вышеперечисленные последовательности операций позволяют привести устройство в режим оптимальной точности измерения и отметить ситуации, когда результаты измерения выходят за пределы динамического диапазона входных цепей и не могут быть оценены с заданной точностью.

В остальных ситуациях микропроцессор 4 приступает к выполнению следующей последовательности операций.

Каждый раз, когда на выходе микропроцессора 4, подключенном ко входу первого ЦАП 9, а следовательно, и на выходе усилителя 5 мощности оказывается нулевой потенциал (момент перехода функции синус через ноль), выходной сигнал АЦП 8 в виде кода U_x записывается в ячейку В1 области 16 памяти. При этом сначала в ячейке R1 области 17 памяти вычисляется порядковый номер этого акта записи по правилу: R1=R1+1. Затем в ячейке выполняется суммирование по правилу:
B1=B1+{abs(U_x/B6)-B1}/(R1). (9)
В результате в процессе нескольких периодов измерения (нескольких периодов синусоиды) в ячейке В1 области 16 памяти будет накоплено среднее значение выходного сигнала АЦП 8, измеренное в моменты, когда на выходе микропроцессора 4 потенциал был равен нулю, а следовательно, в моменты, когда напряженность магнитного поля, создаваемая обмоткой возбуждения преобразователя 10, также равна нулю. Следовательно, значение, накопленное в ячейке В1 области 16 памяти микропроцессора 4 является характеристикой остаточной индукции В_r материала в текущем напряженно-деформированном состоянии.

Одновременно выполняются следующие операции. Каждый раз, когда на выходе микропроцессора 4, подключенном ко входу первого ЦАП 9, а следовательно, и на выходе усилителя 5 мощности оказывается единичный потенциал (момент достижения функцией синус максимального значения), выходной сигнал АЦП 8 в виде кода U_x записывается в ячейку В2 области 16 памяти. При этом сначала в ячейке R2 области 17 памяти вычисляется порядковый номер этого акта записи по правилу: R2=R2+1. Затем в ячейке выполняется суммирование по правилу:
В2=В2+{abs(U_x/B6)-B1}/(R2). (10)
В результате в процессе нескольких периодов измерения (нескольких периодов синусоиды) в ячейке В2 области 16 памяти будет накоплено среднее значение выходного сигнала АЦП 8, измеренное в моменты, когда на выходе микропроцессора 4 потенциал был максимальным, а следовательно, в моменты, когда напряженность магнитного поля, создаваемая обмоткой возбуждения преобразователя 10, также достигала максимального значения. Следовательно, значение, накопленное в ячейке В2 области 16 памяти микропроцессора 4 является характеристикой максимальной индукции В_m материала в текущем напряженно-деформированном состоянии.

Каждый раз, когда на выходе АЦП 8 оказывается нулевой потенциал (что наблюдается при нулевой остаточной индукции материала), выходной сигнал, генерируемый в этот момент на выходе микропроцессора 4, подключенном через первый ЦАП 9 ко входу усилителя 5 мощности, в виде кода U_г записывается в ячейку В3 области 16 памяти. При этом сначала в ячейке R3 области 17 памяти вычисляется порядковый номер этого акта записи по правилу: R3=R3+1. Затем в ячейке выполняется суммирование по правилу:
В3=В3+{abs(kU_г)-В3}/(R3), (11)
где k - коэффициент, учитывающий конструктивные характеристики устройства, связывающий выходное напряжение, генерируемое микропроцессором 4, и напряженность магнитного поля, создаваемую обмоткой возбуждения преобразователя 10 при указанном напряжении.

В результате в процессе нескольких периодов измерения (нескольких периодов синусоиды) в ячейке В3 области 16 памяти будет накоплено среднее значение выходного сигнала микропроцессора 4, измеренное в моменты, когда на выходе АЦП 8 код амплитуды измеренного сигнала был равен нулю, а следовательно, в моменты, когда напряженность магнитного поля, создаваемая обмоткой возбуждения преобразователя 10, полностью компенсировала (до нуля) остаточную индукцию материала. Следовательно, значение, накопленное в ячейке В3 области 16 памяти микропроцессора 4, является характеристикой коэрцитивной силы Н_с материала в текущем напряженно-деформированном состоянии.

Кроме того, коды измеренного сигнала U_x, принимаемые при каждом генерировании ступеньки выходного напряжения, микропроцессором 4 записываются в первую ячейку стека 12, а порядковый номер ступеньки каждого вновь генерируемого полупериода квазисинусоидального сигнала - в первую ячейку стека 13. При этом ранее записанные значения автоматически переписываются в следующие ячейки. Начиная с N-го цикла, где N - объем стеков 12 и 13 (в рассматриваемом варианте N=3), блок 21 сравнения микропроцессора 4 проверяет выполнение условия:
Abs[U_x(1)]<Abs[U(2)]>Abs[U_x(3)], (12)
где в скобках указан порядковый номер ячейки стека 12.

Если условие (12) выполняется, то это значит во второй ячейке стека 12 записано максимальное значение выходного кода АЦП 8, то есть установлен максимум амплитуды измеренного сигнала. В этом случае микропроцессор 4 переписывает найденное максимальное значение из стека 12 в ячейку В4 области 16 памяти в виде кода U_x. При этом сначала в ячейке R4 области 17 памяти вычисляется порядковый номер этого акта записи по правилу: R4=R4+1. Затем в ячейке R6 области 17 памяти выполняется суммирование по правилу:
R6=abs(U_x/B6)-R6, (13)
в ячейке В4 области 16 памяти выполняется суммирование по правилу:
В4=В4+R6/(R4). (14)
Аналогично, используя данные из ячеек стека 13, с помощью ячеек R5 области 17 памяти и В5 области 16 памяти для каждого полупериода вычисляется средний номер ступеньки генерируемого микропроцессором 4 квазисинусоидального сигнала, при котором был зафиксирован максимум принятого сигнала.

Далее в микропроцессоре 4 проверяется неравенство:
[abs(R6)]/abs(B4)]>m, (15)
где m - заданная точность измерения, например 5% или 0,05.

Если это условие выполняется, то микропроцессор 4 начинает все вышеописанные операции заново, не изменяя номер направления намагничивания материала и коэффициента усиления. В противном случае цикл измерения при данном направлении намагничивания завершается. Микропроцессор 4 содержимое ячеек B1, ..., B5 области 16 памяти переносит в соответствующее место ОЗУ 1. После чего микропроцессор 4 выдает на управляющий вход коммутатора 6 код включения возбуждающей и измерительной обмоток преобразователя 10 очередного направления намагничивания и вышеизложенные операции выполняются заново, но при новом направлении намагничивания контролируемого участка изделия.

Вышеизложенные операции выполняются до завершения измерений по всем возможным направлениям намагничивания контролируемого участка изделия в текущей точке контроля.

По окончании всех циклов измерения в ОЗУ 1 окажется накопленной информация по каждому направлению намагничивания в виде последовательностей чисел, считанных из ячеек B1, ..., B5 области 16 памяти, которые являются значениями соответственно остаточной индукции В_r, коэрцитивной силы Н_c, максимальной индукции В_m при предельной напряженности магнитного поля Н_m, максимального значения сигнала U_m, величины смещения его положения относительно момента максимального намагничивания среды N_m и коэффициента К_у усиления, при котором указанные значения были определены. Из фиг.2а и фиг.2б видно, что этих данных достаточно для точной аппроксимации петель гистерезиса по каждому направлению в данном напряженно-деформированном состоянии материала: как в координатах "напряженность Н магнитного поля - индукция В", так и в координатах "индукция В - механическое напряжение σ". Аналогичные измерения выполняют при втором значении магнитного потока (или поля намагничивания).

Несмотря на усреднение результатов, выполняемое в процессе обработки данных в микропроцессоре согласно вышеприведенным зависимостям, из-за ограниченного числа полюсов магнитопровода преобразователя 10 намагничивание среды и измерение выполняются с некоторым разбросом. Зависимость каждой из измеренных величин В_r, Н_c, В_m и U_m от ориентации преобразователя на поверхности изделия имеет вид:
Y=Y_max•cos2α, (16)
где Y - любая из вышеперечисленных величин B_r, Н_c, В_m и U_m,
Y_max - максимальное значение соответствующей величины.

Поэтому возможны ситуации, когда взаимные ориентации магнитопроводов преобразователя 10 и направлений главных механических напряжений в металле изделия таковы, что или условие (5) не может быть выполнено, или при каких-либо ориентациях магнитопроводов преобразователя 10 результат измерения будет нулевым (отсутствие сигнала), что приводит к существенным погрешностям измерений у всех известных аналогов. Кроме того, возможны искажения зависимости по непредсказуемым причинам (идентичность обмоток и пр.).

В данном устройстве угол между магнитопроводами преобразователя 10, а следовательно, и между направлениями по-очередного намагничивания металла не больше 45^o. Для определенности (это частный вариант конструкции преобразователя 10) будем считать, что конструктивно был выбран шаг 22,5^o (фиг.3). По этой причине по завершении цикла измерения в устройстве накапливается достаточно данных для поиска точного направления, при котором условие (5) выполняется и вычисления точного максимального значения каждой из названных пяти величин. Для этого накопленные данные аппроксимируют, например, по алгоритму Фурье, выделяют вторую угловую гармонику, амплитуду которой принимают за искомое значение исследуемой величины (в частности, U_x1 и U_x2), а фазу - за искомое направление (азимут) главного механического напряжения относительно ориентации преобразователя 10 на изделии. Свойства преобразования Фурье обеспечивают минимум среднеквадратической погрешности результата обработки, что существенно повышает точность измерения. При этом нулевые отсчеты, получаемые при каких-либо направлениях намагничивания среды, в данном устройстве оказываются дополнительным источником повышения точности, а не причиной неработоспособности устройства, как это имеет место у всех известных аналогов.

На этапе градуировки устройства характеристики B_r, Н_c, В_m и U_m, полученные в результате аппроксимации на разных уровнях нагружения и разгрузки образца металла, с помощью известных методов регрессионного анализа используют для вычисления параметров градуировочных зависимостей вида σ = A•tg(KU_x)±Δ, а на заключительной стадии измерения на изделии с помощью устройства оценку искомого механического напряжения по каждой паре результатов измерений выполняют по формуле:
σ = {A•[tg(K₁•U_x1)+tg(K₂•U_x2)]+Δ⁺}/2, если δ₁<δ₂,
где U_x1 - результат измерения при намагничивании при первой величине поля намагничивания,
U_x2 - результат измерения при намагничивании при второй величине поля намагничивания,

δ₂ = A•[tg(K₁•U_x1)-tg(K₂•U_x2)]-Δ^-;
Δ^- = Δ₁-Δ₂;
Δ⁺ = Δ₁+Δ₂;
K₁ и К₂ - градуировочные коэффициенты, первый из которых соответствует U_x1, второй - U_x2,
Δ₁ и Δ₂ - градуировочные поправки, первая из которых соответствует _x1, вторая - U_х2,
А - второй градуировочный коэффициент;
или по формуле
σ = {A•[tg(K₁•U_x1)+tg(K₂•U_x2)]-Δ⁺}/2,
если неравенство не выполняется.

В результате выполнения описанного цикла операций в устройстве накапливается информация о напряжениях в слое металла, толщина h которого непосредственно связана со скин-эффектом:

где μ - магнитная проницаемость,
σ - электропроводность металла,
f - частота,
π=3,14...

Заметим, что в отличие от ближайшего аналога зависимость полученной информации от толщины h скин-слоя здесь одинакова для всех полюсов преобразователя 10, что повышает точность оценки.

Следующий цикл измерения в устройстве начинается с того, что микропроцессор 4 изменяет частоту намагничивания среды за счет изменения длительности генерируемых ступенек квазисинусоидального сигнала или их количества в периоде. Все остальные операции остаются без изменений. В результате очередной цикл измерения позволяет накопить информацию о напряженном состоянии в слое другой толщины. Поскольку в обоих циклах напряженное состояние оценивается в слоях, толщины которых отсчитываются от поверхности изделия, полученная информация позволяет оценить напряженное состояние металла в слое на заданной глубине. Количество частот намагничивания (а следовательно, и вышеописанных циклов работы устройства) задают программно исходя из требований к разрешению по толщине слоев, в которых оценивается напряженное состояние металла.

Результаты измерений и обработки отображаются на дисплее 2.

По окончании всех циклов измерений с клавиатуры устройства (условно не показана) или программно по команде микропроцессора 4 подается команда на передачу результатов измерения и обработки через контроллер 3 на внешние устройства (ПЭВМ, принтер и пр.).

Использование предлагаемого способа определения механических напряжений и устройства для его осуществления позволяет по сравнению с известным повысить точность получаемых результатов в более широком рабочем диапазоне. Кроме того, новые технические решения обеспечивают воспроизводимость результатов измерений и повышают оперативность их получения при замене преобразователя.

Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР 1670437, G 01 L 1/12, oпубл. 1991.

2. Патент РФ 2159924, G 01 L 1/12, oпубл. 2000.

Формула изобретения

1. Способ определения механических напряжений, согласно которому на контролируемое изделие устанавливают крестообразный магнитопровод с обмотками возбуждения и измерительными обмотками, возбуждают в металле контролируемого изделия направленный магнитный поток определенной величины по заданным направлениям, наблюдают за величиной ЭДС U_x, наводимой в каждой измерительной обмотке, расположенной на магнитопроводе, перпендикулярном магнитопроводу с обмоткой намагничивания, отличающийся тем, что намагничивание участка контроля изделия по направлениям осуществляют поочередно с шагом по углу β между направлениями не более 45^o в интервале от 0^o до не менее (±180^o-β) при постоянных величинах магнитного потока и на фиксированной частоте, а затем по тем же направлениям на той же частоте, но при другой величине магнитного потока аппроксимируют угловые зависимости измеренных ЭДС U_x[i, n] , где n - порядковый номер направления намагничивания, а i= 1,2, - порядковый номер величины магнитного потока, находят первые экстремумы U_x1 и U_x2, а искомое механическое напряжение определяют, используя в качестве градуировочных зависимостей отдельно восходящие и нисходящие участки петель гистерезиса, предварительно полученных при различных ориентациях направления поочередного намагничивания образца металла при указанных величинах магнитного потока и на фиксированной частоте, причем за результат измерения принимают среднее по значениям тех оценок механических напряжений, полученных отдельно по восходящим и нисходящим участкам петли гистерезиса, для которых наблюдается минимальный разброс.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что аппроксимацию угловой зависимости результатов измерений, полученных при намагничивании по каждому направлению, выполняют путем вычисления комплексного спектра, отсчеты U_x1 и U_x2 снимают как амплитуды вторых гармоник по амплитудно-угловой характеристике, а направление главного механического напряжения - по их фазам.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что градуировочные зависимости аппроксимируют функциями вида σ = A•tg(KU_x)±Δ, а оценку искомого механического напряжения по каждой паре результатов измерений выполняют по средним арифметическим, используя формулу
σ = {A•[tg(K₁•U_x1)+tg(K₂•U_x2)]+Δ⁺}/2, если δ₁<δ₂,
где U_x1 - результат измерения при намагничивании при первой величине поля намагничивания;
U_x2 - результат измерения при намагничивании при второй величине поля намагничивания;
δ₁ = A•[tg(K₁•U_x1)-tg(K₂•U_x2)]+Δ^-;
δ₂ = A•[tg(K₁•U_x1)-tg(K₂•U_x2)]-Δ^-;
Δ^- = Δ₁-Δ₂;
Δ⁺ = Δ₁+Δ₂;
К₁ и К₂ - градуировочные коэффициенты, первый из которых соответствует U_x1, второй - U_x2;
А - второй градуировочный коэффициент;
Δ₁ и Δ₂ - градуировочные поправки, первая из которых соответствует _x1, вторая - U_x2;
или по формуле
σ = {A•[tg(K₁•U_x1)+tg(K₂•U_x2)]-Δ⁺}/2,
если неравенство не выполняется.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что весь цикл намагничивания повторяют на других фиксированных частотах, величины и количество которых назначают из требований по разрешению информации.

5. Устройство для определения механических напряжений, содержащее магнитоупругий преобразователь, выполненный в виде центрально-симметричной крестовины, состоящей из П-образных магнитопроводов, на которых расположены обмотки возбуждения и измерения, отличающееся тем, что оно снабжено дополнительными обмотками возбуждения и измерения, причем угол между П-образными плечами магнитопровода преобразователя выбирают не более 45^o, коммутатором, соединенным с обмотками возбуждения и измерения, аналого-цифровым преобразователем (АЦП), двумя цифроаналоговыми преобразователями (ЦАП), внешним оперативным запоминающим устройством (ОЗУ), микропроцессором, контроллером внешних устройств, клавиатурой и дисплеем, соединенными между собой параллельно по адресным, информационным и синхронизирующим шинам, причем вход коммутатора соединен через усилитель с выходом первого ЦАП, а выход коммутатора подключен через усилитель сигнала с АЦП, управляющий вход усилителя сигнала соединен с выходом второго ЦАП, причем коммутатор осуществляет переключение полюсов таким образом, чтобы обмотки возбуждения и измерения, используемые в цикле, располагались на взаимно перпендикулярных плечах магнитопровода.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4

NF4A Восстановление действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение

Дата, с которой действие патента восстановлено: 10.08.2010

Извещение опубликовано: 10.08.2010        БИ: 22/2010