RU166304U1

RU166304U1 - Магнитный структуроскоп

Info

Publication number: RU166304U1
Application number: RU2016125677/28U
Authority: RU
Inventors: Владимир Анатольевич Захаров; Сергей Михайлович Молин; Сергей Викторович Леньков
Priority date: 2016-06-27
Filing date: 2016-06-27
Publication date: 2016-11-20

Abstract

1. Магнитный структуроскоп, содержащий корпус с установленными на нем двухполюсным намагничивающим устройством и датчиком магнитного поля, расположенным между его полюсами, с осью чувствительности, перпендикулярной нейтральной плоскости намагничивающего устройства, отличающийся тем, что намагничивающее устройство выполнено в виде двух намагничивающих элементов без ферромагнитного магнитопровода с антипараллельными направлениями магнитных потоков, перпендикулярными рабочей поверхности структуроскопа.2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что намагничивающие элементы выполнены в виде постоянных магнитов в форме прямоугольного параллелепипеда.3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что датчик магнитного поля выполнен с возможностью перемещения и фиксации относительно намагничивающих элементов вдоль линии, перпендикулярной рабочей поверхности структуроскопа.4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что намагничивающее устройство с датчиком магнитного поля выполнены с возможностью поворота относительно корпуса вокруг оси, лежащей в нейтральной плоскости намагничивающего устройства и перпендикулярной рабочей поверхности структуроскопа.

Description

Полезная модель относится к области определения структуры ферромагнитных материалов путем исследования их магнитных характеристик и может быть использована для определения механических свойств и напряженно-деформированного состояния изделий из ферромагнитных материалов.

Известно приставное устройство структуроскопа-коэрцитиметра (патент РФ на изобретение №2035745, 1995), содержащее двухполюсное намагничивающее устройство в виде разомкнутого магнитопровода с обмоткой перемагничивания и датчик магнитного поля, расположенный между полюсами магнитопровода у рабочей поверхности структуроскопа, причем центр датчика расположен в нейтральной плоскости намагничивающего устройства, а его ось чувствительности перпендикулярна указанной плоскости. Недостаток устройства - высокое энергопотребление за счет применения электромагнитов для намагничивания контролируемого изделия. Кроме того, оно обладает ограниченными функциональными возможностями, поскольку не позволяет вести непрерывный контроль структурного состояния ферромагнитных изделий в процессе их эксплуатации, например, непрерывное измерение магнитного параметра, коррелирующего с механическими напряжениями и усталостным состоянием изделий.

Наиболее близким к предлагаемому устройству техническим решением является магнитный структуроскоп (патент РФ на полезную модель №162212, 2016 - прототип). Он содержит двухполюсное намагничивающее устройство, выполненное на основе постоянного магнита, и датчик магнитного поля, расположенный между его полюсами, с осью чувствительности, перпендикулярной нейтральной плоскости намагничивающего устройства.

Недостатком известного устройства является сложность конструкции, а также низкая достоверность контроля, обусловленные наличием в магнитной цепи устройства ферромагнитного элемента (магнитопровода) с нелинейными магнитными характеристиками.

Техническим результатом предлагаемого устройства является упрощение конструкции и повышение достоверности контроля за счет исключения ферромагнитного элемента с нелинейными магнитными характеристиками.

Указанный технический результат достигается тем, что в магнитном структуроскопе, содержащем корпус с установленными на нем двухполюсным намагничивающим устройством и датчиком магнитного поля, расположенным между его полюсами, с осью чувствительности, перпендикулярной нейтральной плоскости намагничивающего устройства, согласно предложению, намагничивающее устройство выполнено в виде двух намагничивающих элементов без ферромагнитного магнитопровода с антипараллельными направлениями магнитных потоков, перпендикулярными рабочей поверхности структуроскопа.

Намагничивающие элементы структуроскопа могут быть выполнены в виде постоянных магнитов в форме прямоугольного параллелепипеда.

Датчик магнитного поля может быть выполнен с возможностью перемещения и фиксации относительно намагничивающих элементов вдоль линии, перпендикулярной рабочей поверхности структуроскопа.

Кроме того, намагничивающее устройство с датчиком магнитного поля могут быть выполнены с возможностью поворота относительно корпуса вокруг оси, лежащей в нейтральной плоскости намагничивающего устройства и перпендикулярной рабочей поверхности структуроскопа.

Выполнение намагничивающего устройства в виде двух намагничивающих элементов без ферромагнитного магнитопровода с антипараллельными направлениями магнитных потоков, перпендикулярными рабочей поверхности структуроскопа, обеспечивает:

- упрощение (за счет устранения элемента конструкции);

- повышение достоверности определения структуры магнитного материала (за счет устранения из магнитной цепи структуроскопа ферромагнитного магнитопровода);

- возможность снижения влияния на показания аппаратуры непостоянства зазора между полюсами намагничивающего устройства и контролируемым изделием (за счет выбора геометрических параметров устройства в условиях отсутствия в цепи структуроскопа элемента с высокой магнитной проницаемостью - ферромагнитного магнитопровода).

Выполнение намагничивающих элементов структуроскопа в виде постоянных магнитов позволяет упростить устройство и снизить энергопотребление аппаратуры за счет исключения из нее соответствующих источников тока, а также использовать структуроскоп в режимах сканирования поверхности протяженных изделий или длительного мониторинга состояния объектов из ферромагнитных материалов. Форма прямоугольного параллелепипеда обеспечивает повышение однородности магнитного поля в межполюсном пространстве намагничивающего устройства и достоверности измерений.

Выполнение датчика магнитного поля с возможностью перемещения и фиксации относительно намагничивающих элементов вдоль линии, перпендикулярной рабочей поверхности структуроскопа, позволяет минимизировать влияние на показания аппаратуры непостоянства зазора между полюсами намагничивающего устройства и образцом.

Выполнение намагничивающего устройства с датчиком магнитного поля с возможностью поворота относительно корпуса вокруг оси, лежащей в нейтральной плоскости намагничивающего устройства и перпендикулярной рабочей поверхности структуроскопа, позволяет:

- определять структуру магнитного материала по различным направлениям (магнитную анизотропию) в месте расположения структуроскопа;

- учитывать (снижать) влияние внешнего магнитного поля на показания аппаратуры;

- производить вращательную магнитную подготовку (тренировку) магнитного материала для приведения его в исходное состояние (повышения достоверности определения структуры материала).

Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг. 1 показан общий вид структуроскопа, на фиг. 2 - топография магнитного поля системы из намагничивающих элементов (например, постоянных магнитов) и контролируемого изделия, на фиг. 3 - зависимость показаний Н структуроскопа от коэрцитивной силы Н_с образцов различных ферромагнитных материалов, на фиг. 4 - зависимость напряженности H_м магнитного поля, создаваемого намагничивающими элементами в месте расположения датчика магнитного поля, и показаний Н структуроскопа от координаты У, на фиг. 5 - зависимость параметра Н от расстояния d между центрами намагничивающих элементов и поверхностью изделия.

Магнитный структуроскоп (фиг. 1) содержит корпус 1 из немагнитного материала, на котором установлены двухполюсное намагничивающее устройство в виде двух намагничивающих элементов 2 без ферромагнитного магнитопровода и датчик 3 магнитного поля, расположенный между полюсами магнитов со стороны рабочей поверхности структуроскопа (поверхности, взаимодействующей с поверхностью контролируемого ферромагнитного изделия 4). Намагничивающие элементы 2 могут быть выполнены в виде электрических катушек или постоянных магнитов в форме прямоугольного параллелепипеда с антипараллельными направлениями магнитных потоков, перпендикулярными рабочей поверхности структуроскопа (как показано стрелками на фиг. 2).

Центр датчика 3 магнитного поля (например, преобразователя Холла) расположен в нейтральной плоскости (плоскости симметрии на фиг. 1) намагничивающего устройства с осью чувствительности, перпендикулярной указанной плоскости. Датчик 3 может быть закреплен на корпусе 1 неподвижно либо установлен на оправке 5 с возможностью ее перемещения относительно намагничивающих элементов 2 вдоль линии, перпендикулярной рабочей поверхности структуроскопа, и фиксации относительно корпуса 1 с помощью винта 6. Намагничивающее устройство с датчиком магнитного поля могут быть выполнены с возможностью поворота относительно неподвижного корпуса вокруг оси, лежащей в нейтральной плоскости намагничивающего устройства и перпендикулярной рабочей поверхности структуроскопа (оси У на фиг. 2).

Магнитный структуроскоп работает следующим образом. При установке структуроскопа на контролируемое изделие 4 (фиг. 1) происходит его намагничивание под действием двухполюсного устройства в виде намагничивающих элементов, например, постоянных магнитов, 2, закрепленных на корпусе 1. С помощью датчика 3 магнитного поля осуществляется измерение напряженности магнитного поля Н=Н_и-Н_м (фиг. 2), где Н_м и Н_и - напряженности магнитного поля магнитов и изделия, соответственно. По величине Н определяют структуру ферромагнитного материала контролируемого изделия и связанные (коррелирующие) с ней механические свойства или напряженно-деформированное состояние изделия.

Благодаря отсутствию в магнитной цепи устройства ферромагнитных элементов с высокой магнитной проницаемостью и нелинейной характеристикой намагничивания, а также большой «разомкнутостью» магнитной системы показания структуроскопа пропорциональны магнитной проницаемости контролируемых изделий, близкой к начальной. Это объясняется тем, что величина вектора Н напряженности магнитного поля, измеряемого датчиком структуроскопа (фиг. 2), пропорциональна величине вектора H_и напряженности поля, создаваемого намагниченным изделием, поскольку напряженность поля магнитов в точке расположения датчика структуроскопа (вектор Н_м на фиг. 2) слабо зависит от свойств изделия, то есть является практически постоянной.

В качестве примера на фиг. 3 показана зависимость напряженности Н магнитного поля, измеряемого датчиком структуроскопа (преобразователь Холла), от коэрцитивной силы Н_с следующих образцов ферромагнитных материалов (на фиг. 3 обозначены точками, соответствующими Н_с): сталь 5, без термообработки, H_с=2,2 А/см; сталь Ст3, без термообработки, Н_с=4,4 А/см; сталь ШХ15, закалка-отпуск, Н_c=17,1 А/см; сталь ШХ15, закалка-отпуск, H_c=39,8 А/см. Образцы имеют размеры 58×28×8 мм, намагничивание со стороны грани 58×28 мм. Намагничивающее устройство: два постоянных магнита 20×10×5 мм с намагниченностью, перпендикулярной граням 20×10 мм и рабочей поверхности устройства; расстояние между гранями 20×5 мм магнитов равно 20 мм. Измерения производились при расстоянии d центров магнитов 2 (фиг. 1) от поверхности образцов, равном 5,06 мм, и расстоянии t датчика 3 от центров магнитов, равном 3,3 мм.

Из фиг. 3 видно, что при данных условиях намагничивания показания структуроскопа обратно пропорциональны коэрцитивной силе H_с образцов (снижаются по мере увеличения H_с практически по линейному закону), благодаря чему структуроскоп может выполнять функции коэрцитиметра. При этом вычитая показания аппаратуры из постоянного значения H₀, полученного путем экстраполяции показаний на ось Н (прямая H(Н_с) на фиг. 3), можно получить зависимость параметра A=H₀-Н от H_с, выходящую из начала координат, т.е. проградуировать аппаратуру непосредственно в единицах H_с.

Таким образом, удаление из магнитной цепи структуроскопа ферромагнитного элемента с высокой магнитной проницаемостью, нелинейно и неоднозначно зависящей от намагничивающего поля, позволяет не только упростить устройство, но и повысить достоверность контроля за счет линеаризации зависимости показаний аппаратуры от контролируемого параметра.

Кроме того, благодаря независимости намагничивающей силы постоянных магнитов или катушек с током от магнитных свойств контролируемых изделий, а также специфическому распределению напряженности магнитного поля в нейтральной плоскости двухполюсного намагничивающего устройства на базе двух элементов без магнитопровода удается существенно снизить зависимость показаний аппаратуры от непостоянства зазора между полюсами намагничивающего устройства и поверхностью изделия. В основе такой возможности лежат следующие закономерности.

На фиг. 4 показаны зависимости напряженности Н_м магнитного поля системы магнитов 2 (фиг. 1) и показаний H=H_и-H_м (фиг. 2) датчика магнитного поля от координаты У для двух значений d (d₁ и d₂ на фиг. 4, причем d₁<d₂). В результате моделирования магнитной системы, представленной на фиг. 1, и экспериментальных исследований было установлено, что зависимости H₁(У) и H₂(У), соответствующие двум различным значениям d₁ и d₂, пересекаются в интервале значений У от 0 до d₁. Это означает, что если датчик магнитного поля расположить на расстоянии t от центров магнитов (фиг. 1), соответствующем точке пересечения кривых на фиг. 4, то его показания будут одинаковыми при различных параметрах d₁ и d₂ (другими словами, при различных зазорах между рабочей поверхностью устройства и поверхностью контролируемого изделия): H=H₁=H₂.

Более детальное исследование зависимости H(d) при заданном значении параметра t показывает, что она имеет максимум в интервале значений от d₁ до d₂. На фиг. 5 представлены результаты измерений на образце стали ШХ15 с коэрцитивной силой 17,1 А/см при использовании описанного выше намагничивающего устройства. Здесь приведены зависимости H(d) для трех значений параметра t - 3,1; 3,3 и 3,5 мм. Например, при среднем значении t=3,3 мм кривая имеет максимум напряженности магнитного поля H=H*=133,8 А/см, соответствующий параметру d=d*=5,06 мм. В частности, при изменении параметра d, например, в интервале от d₁=4,96 мм до d₂=5,16 мм (т.е. на 0,2 мм), показания датчика магнитного поля изменяются от H₁=H₂=133,4 А/см до H*=133,8 А/см, т.е. отклоняются не более чем на ±0,2 А/см от среднего значения.

Из фиг. 5 видно также, что при изменении положения датчика магнитного поля на оси У соответственно смещаются (как вдоль оси Н, так и вдоль оси d) максимумы зависимостей H(d): при уменьшении t - вверх и влево, при увеличении t - вниз и вправо от значения d*.

Таким образом, выбирая значение параметра t при заданном значении параметра d₁(например, за счет перемещения оправки 5 с датчиком 3 напряженности магнитного поля и фиксации ее с помощью винта 6, фиг. 1) либо выбирая параметр d₁ при фиксированном значении параметра t, можно минимизировать зависимость показаний аппаратуры от непостоянства зазора между устройством и поверхностью контролируемого изделия в заданном диапазоне изменения указанного зазора.

Намагничивающее устройство с датчиком магнитного поля могут быть выполнены с возможностью поворота относительно неподвижного корпуса вокруг оси, лежащей в нейтральной плоскости намагничивающего устройства и перпендикулярной рабочей поверхности структуроскопа (оси У на фиг. 2). Такая конструкция позволяет проводить процедуру измерения напряженности Н магнитного поля по различным направлениям при неподвижном корпусе, установленном на контролируемое изделие. Это упрощает процесс определения магнитной анизотропии и проведения магнитной тренировки материала изделия в месте расположения структуроскопа. Повышается также достоверность контроля по сравнению со случаем поворота всего структуроскопа за счет исключения смещения или перекоса корпуса устройства при повороте на поверхности изделия.

Claims

1. Магнитный структуроскоп, содержащий корпус с установленными на нем двухполюсным намагничивающим устройством и датчиком магнитного поля, расположенным между его полюсами, с осью чувствительности, перпендикулярной нейтральной плоскости намагничивающего устройства, отличающийся тем, что намагничивающее устройство выполнено в виде двух намагничивающих элементов без ферромагнитного магнитопровода с антипараллельными направлениями магнитных потоков, перпендикулярными рабочей поверхности структуроскопа.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что намагничивающие элементы выполнены в виде постоянных магнитов в форме прямоугольного параллелепипеда.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что датчик магнитного поля выполнен с возможностью перемещения и фиксации относительно намагничивающих элементов вдоль линии, перпендикулярной рабочей поверхности структуроскопа.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что намагничивающее устройство с датчиком магнитного поля выполнены с возможностью поворота относительно корпуса вокруг оси, лежащей в нейтральной плоскости намагничивающего устройства и перпендикулярной рабочей поверхности структуроскопа.