RU2073234C1

RU2073234C1 - Indestructible electromagnetic method for ferromagnetic materials parameters testing

Info

Publication number: RU2073234C1
Application number: RU9393003648A
Authority: RU
Inventors: В.И. Чаплыгин; С.А. Сергеев; В.И. Осокин; Н.Ф. Потапова
Original assignee: Акционерное общество открытого типа "Оргстекло"
Priority date: 1993-01-22
Filing date: 1993-01-22
Publication date: 1997-02-10

Abstract

FIELD: instrumentation engineering, measurement technology. SUBSTANCE: to provide ferromagnetic materials parameters testing electromagnetic converter is using which has tree U-shaped magnetic circuits with exiting windings fixed at every pole of magnetic circuits cores and connected to alternative current generator of variable frequency operation mode. Main measuring winding is placed at middle part of magnetic circuit core. Medium-placed U-shaped circuit core has two additional metering windings connected contrary in series. Each additional winding has two sections connected accordingly in series. Eddy currents balance frequency is measuring when magnetic resistance of investigating material under middle U-shaped magnetic circuit core poles is found equal to air one. Then exiting windings current value is changing until zero level signal of metering windings will be obtained. Second value of eddy currents balance frequency is determining too for some materials essential parameter measuring like internal mechanical tension. EFFECT: more simpler measuring device network. 2 dwg

Description

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники, а именно к неразрушающим электромагнитным методам контроля параметров ферромагнитных материалов, например, магнитной проницаемости или связанных с ней физико-механическими параметрами, такими как механические напряжения, твердость и другие. The invention relates to the field of instrumentation, in particular to non-destructive electromagnetic methods for controlling the parameters of ferromagnetic materials, for example, magnetic permeability or related physical and mechanical parameters such as mechanical stresses, hardness and others.

Известен способ контроля параметров ферромагнитных материалов, заключающийся в том, что контролируемый материал вводят в взаимодействие с электромагнитным полем электромагнитного преобразователя, выполненного из трех параллельно расположенных П-образных магнитопроводов, частей, разделенных между собой электропроводящими пластинами, содержащих обмотку возбуждения, охватывающую все полюса магнитопровода и измерительную обмотку, размещенную на среднем П-образном магнитопроводе, выполненную выше крайних П-образных магнитопроводов. Устанавливают преобразователь на поверхность контролируемого материала, измеряют с выхода измерительной обмотки величину электрического сигнала, например напряжение, по величине которого, пользуясь предварительно построенным тарировочным графиком, определяют величину интересующего параметра, например механические напряжения. A known method of controlling the parameters of ferromagnetic materials, which consists in the fact that the controlled material is introduced into interaction with the electromagnetic field of an electromagnetic transducer made of three parallel arranged U-shaped magnetic circuits, parts separated by electrically conductive plates containing an excitation winding, covering all the poles of the magnetic circuit and a measuring winding located on the middle U-shaped magnetic circuit, made above the extreme U-shaped magnetic circuits. The transducer is mounted on the surface of the material being monitored, the magnitude of the electrical signal is measured from the output of the measuring winding, for example, the voltage, the magnitude of which, using a previously constructed calibration schedule, determines the value of the parameter of interest, for example, mechanical stresses.

Известный способ имеет достоинство, он использует однородный электромагнитный поток, формируемый в области контролируемого материала. Однако способ имеет и существенный недостаток, а именно невысокую точность контроля, так как на выходной сигнал неизбежно оказывают влияние и корректирующие электромагнитные потоки, формируемые крайники П-образными магнитопроводами, что связано с перераспределением величин магнитных потоков в этих частях из-за разной величины магнитных сопротивлений участков материала под полюсами П-образных магнитопроводов, как из-за разных их размеров, так и из-за неизбежного различия в электромагнитных свойствах этих участков. The known method has the advantage, it uses a uniform electromagnetic flux generated in the area of the controlled material. However, the method has a significant drawback, namely, the low accuracy of control, since the output signal is inevitably influenced by the correcting electromagnetic fluxes formed by the edges of the U-shaped magnetic circuits, which is associated with a redistribution of the magnitude of the magnetic flux in these parts due to different magnitudes of the magnetic resistances sections of material under the poles of the U-shaped magnetic cores, both because of their different sizes, and because of the inevitable difference in the electromagnetic properties of these sections.

Наиболее близок электромагнитный способ неразрушающего контроля параметров ферромагнитных материалов, заключающийся в том, что используют электромагнитный преобразователь, содержащий П-образный магнитопровод, выполненный из трех параллельных частей, возбуждающие и измерительные обмотки, намотанные на каждой части магнитопровода, вводят в взаимодействие с электромагнитным полем преобразователя контролируемый материал, снимают с измерительной обмотки выходной сигнал, например частоту тока, по величине зафиксированного сигнала, пользуясь предварительно построенным тарировочным графиком определяют интересующий параметр, например величину механических напряжений. The closest electromagnetic method of non-destructive testing of the parameters of ferromagnetic materials, which consists in using an electromagnetic transducer containing a U-shaped magnetic circuit made of three parallel parts, exciting and measuring windings wound on each part of the magnetic circuit are introduced into the interaction with the electromagnetic field of the converter controlled material, the output signal is taken from the measuring winding, for example, the frequency of the current, according to the value of the recorded signal, zuyas previously constructed calibration curve determined parameter of interest such as the magnitude of the mechanical stresses.

Способ имеет достоинство: он позволяет повысить точность контроля за счет увеличения однородности магнитного потока в области участка материала, находящегося под полюсами среднего П-образного магнитопровода, за счет выбора размеров полюсов среднего П-образного магнитопровода, однако точность контроля таким преобразователем остается невысокой, так как на выходной сигнал влияют не только электромагнитные свойства участка материала, находящегося под полюсами среднего П-образного магнитопровода, но и под полюсами крайних П-образных магнитопроводов, в результате магнитные потоки всех трех магнитопроводов из-за разницы в своей величине перераспределяются в П-образных магнитопроводах, и по существу выходной сигнал определяется электромагнитными свойствами всего намагниченного материала, так как в способе не осуществляется контроль перераспределения магнитных потоков, проходящих в П-образных магнитопроводах, то и точность контроля остается невысокой. Использование в известном способе в качестве информационного параметра частоты баланса, когда при определенной частоте тока возбуждения магнитное сопротивление контролируемого материала под полюсами среднего П-образного магнитопровода равно магнитному сопротивлению воздушной среды под полюсами этой же части, не позволяет также избежать указанного недостатка. The method has the advantage: it improves the accuracy of control by increasing the uniformity of the magnetic flux in the region of the section of material located under the poles of the middle U-shaped magnetic circuit, by choosing the sizes of the poles of the middle U-shaped magnetic circuit, however, the accuracy of control by such a converter remains low, since the output signal is affected not only by the electromagnetic properties of the material located under the poles of the middle U-shaped magnetic circuit, but also under the poles of the extreme U-shaped mag nitrides, as a result, the magnetic fluxes of all three magnetic circuits are redistributed in the U-shaped magnetic circuits due to the difference in their magnitude, and essentially the output signal is determined by the electromagnetic properties of the entire magnetized material, since the method does not control the redistribution of magnetic fluxes passing in П- shaped magnetic cores, then the accuracy of control remains low. The use in the known method as an information parameter of the balance frequency, when at a certain frequency of the excitation current, the magnetic resistance of the material under control under the poles of the middle U-shaped magnetic circuit is equal to the magnetic resistance of the air under the poles of the same part, this also does not avoid this drawback.

Для исключения указанного недостатка вводят во взаимодействие с контролируемым материалом электромагнитный преобразователь, выполненный из трех параллельных П-образных магнитопроводов, содержащих на полюсах по обмотке возбуждения, подключенных к генератору тока с изменяемой частотой и измерительной обмотке, размещенной на средней части П-образного магнитопровода, в котором с двух сторон среднего П-образного магнитопровода размещено по дополнительной плоской измерительной обмотке с витками, лежащими в плоскости П-образного магнитопровода и включенными между собой последовательно-встречно, каждая дополнительная обмотка состоит из последовательно согласно включенных секций, подключают выход основной измерительной обмотки к измерительному прибору и определяют частоту вихретокового баланса, затем устанавливают преобразователь на поверхность контролируемого материала, подключают к измерительному прибору выход дополнительных измерительных обмоток и изменяют в обмотках возбуждения величину тока, пока на их выходе не будет нулевой сигнал, снова подключают выход основной измерительной обмотки к измерительному прибору и определяют второе значение частоты баланса, по которой, пользуясь предварительно построенными тарировочными графиками или расчетными соотношениями, определяют интересующий параметр, например величину механических напряжений. To eliminate this drawback, an electromagnetic transducer made of three parallel U-shaped magnetic circuits containing at the poles along the field winding connected to a current generator with a variable frequency and a measuring winding located on the middle part of the U-shaped magnetic circuit is introduced into the interaction with the controlled material in which on both sides of the middle U-shaped magnetic circuit is placed along an additional flat measuring winding with turns lying in the plane of the U-shaped magnet wires and connected to each other in series, each additional winding consists of successively connected sections, connect the output of the main measuring winding to the measuring device and determine the frequency of the eddy current balance, then install the converter on the surface of the material being monitored, connect the output of the additional measuring windings to the measuring device and change the magnitude of the current in the field windings until there is a zero signal at their output, reconnect the output the main measuring winding to the measuring device and determine the second value of the balance frequency, according to which, using pre-built calibration graphs or design ratios, determine the parameter of interest, for example, the value of mechanical stresses.

На фиг.1 показана конструкция электромагнитного преобразователя, используемого в способе; на фиг.2 схема электрического соединения обмоток преобразователя. Figure 1 shows the design of the electromagnetic transducer used in the method; figure 2 diagram of the electrical connection of the transformer windings.

Разработанный способ реализуется следующим образом. Вводят во взаимодействие с контролируемым материалом 1 электромагнитный преобразователь, выполненный из трех П-образных магнитопроводов 2,3,4, содержащих соответственно по обмотке возбуждения 5,6,7, подключенных через переменные сопротивления Р, 6,7 к источнику переменного тока 8 с регулируемой частотой, на среднем П-образном магнитопроводе 3 размещена основная измерительная обмотка 9, через коммутатор 10 подключенная к измерительному прибору 11, между П-образными магнитопроводами размещены плоские дополнительные измерительные обмотки 12 и 13, соединенные последовательно-встречно, каждая из дополнительных обмоток состоит из последовательно-согласно включенных секций 12₁, 12₂ ^oC12, 13₁, 13₂ ^oC13, подключают основную измерительную обмотку 9 к измерительному прибору 11, изменяют частоту тока возбуждения, пока на выходе измерительной обмотки не будет сигнал, например напряжение, равное напряжению с этой же обмотки, когда преобразователь находится в воздухе, фиксируют на генераторе это значение частоты, подключают к измерительному прибору выход дополнительных измерительных обмоток 12 и 13 и изменяют величину тока, пока на выходе этих обмоток напряжение не станет равным нулю, отключают дополнительные обмотки от измерительного прибора 11 и снова подключают основную измерительную обмотку 11 к измерительному прибору 11, изменяют частоту тока возбуждения в цепи возбуждающих обмоток 5,6,7 и фиксируют значение частоты баланса, по найденной величине частоты баланса, пользуясь тарировочным графиком или расчетным соотношением, определяют величину контролируемого параметра, например величину механического напряжения.The developed method is implemented as follows. Introduce into interaction with the controlled material 1 an electromagnetic transducer made of three U-shaped magnetic circuits 2,3,4, containing respectively 5,6,7 in the field winding connected through variable resistance P, 6,7 to an alternating current source 8 with adjustable frequency, on the middle U-shaped magnetic circuit 3 the main measuring winding 9 is placed, through the switch 10 connected to the measuring device 11, between the U-shaped magnetic circuits are placed additional flat measuring windings 12 and 13, connected in series-counter, each of the additional windings consists of sections 12 ₁ , 12 ₂ ^o C12, 13 ₁ , 13 ₂ ^o C13 serially-sequentially connected, the main measuring winding 9 is connected to the measuring device 11, the frequency of the excitation current is changed, while the output there will be no signal in the measuring winding, for example, a voltage equal to the voltage from the same winding when the converter is in air, fix this frequency value on the generator, connect the output of additional measuring windings 12 and 13 to the measuring device and change the current value until the output voltage of these windings becomes zero, disconnect the additional windings from the measuring device 11 and reconnect the main measuring winding 11 to the measuring device 11, change the frequency of the excitation current in the circuit of the exciting windings 5,6,7 and fix the value of the balance frequency, based on the found value of the balance frequency, using the calibration graph or the calculated ratio, determine the value of the controlled parameter, for example, the value of mechanical stress.

В разработанном способе используется операция установки на выходе дополнительных плоских измерительных обмоток 12,13 нулевого сигнала, например напряжения, когда преобразователь находится на контролируемом материале, что соответствует случаю, когда между П-образными магнитопроводами 2,3,4 отсутствуют потоки рассеяния, следовательно, магнитные потоки, проходящие через П-образные магнитопроводы 2,3,4 равны, а значит, они равны и в участках контролируемого материала 1, находящихся под полюсами этих частей, поэтому влияние магнитных полей, формируемых П-образными магнитопроводами друг на друга, исключено, а следовательно, второе значение частоты баланса будет определяться только электромагнитными свойствами участка материала, находящегося под полюсами среднего П-образного магнитопровода 3. Это позволяет с большой точностью определять параметры материала, например магнитную проницаемость по расчетным соотношениям, связывающим частоту баланса с контролируемым параметром, например магнитной проницаемостью. Такие соотношения приведены в /2/. The developed method uses the operation of installing at the output of additional flat measuring windings 12.13 a zero signal, for example, a voltage when the transducer is on a controlled material, which corresponds to the case when there are no scattering fluxes between U-shaped magnetic circuits 2,3,4, therefore, magnetic the fluxes passing through the U-shaped magnetic circuits 2,3,4 are equal, which means that they are equal in the sections of the controlled material 1 located under the poles of these parts, therefore, the influence of magnetic fields, shapes which are generated by U-shaped magnetic cores on each other, it is excluded, and therefore, the second value of the balance frequency will be determined only by the electromagnetic properties of the section of material located under the poles of the middle U-shaped magnetic core 3. This allows you to accurately determine material parameters, for example, magnetic permeability relationships linking the balance frequency with a controlled parameter, such as magnetic permeability. Such ratios are given in / 2 /.

Для практической апробации способа использовался преобразователь с параметрами: расстояние между полюсами П-образных магнитопроводов 2,3,4 было 20 мм, число витков основной измерительной обмотки 400, возбуждающих обмоток по 100, число витков дополнительных измерительных обмоток составило соответственно по 200, использовалось в каждой обмотке по четыре секции. В качестве индикатора баланса использовался цифровой мультиметр типа ВР-11А, а в качестве источника переменного тока генератор типа Г3-109. При нахождении баланса преобразователь с изменением частоты последовательно устанавливался на материал и снимался, частота вихретокового баланса фиксировалась в момент, когда напряжение с выхода основной измерительной обмотки не изменялось при установке преобразователя на контролируемый материал и при его снятии с материала. For practical testing of the method, a transducer with parameters was used: the distance between the poles of the U-shaped magnetic circuits 2,3,4 was 20 mm, the number of turns of the main measuring winding 400, exciting windings of 100, the number of turns of additional measuring windings was 200, respectively, was used in each winding in four sections. A digital multimeter of the type VR-11A was used as an indicator of balance, and a generator of the type G3-109 was used as an alternating current source. When balancing, the frequency-changing transducer was sequentially mounted on the material and removed, the eddy-current balance frequency was fixed at the moment when the voltage from the output of the main measuring winding did not change when the transducer was installed on the controlled material and when it was removed from the material.

В качестве контролируемого материала использовалась пластина стали из Ст45 размером 30•10 см и толщиной 2 мм. Измерения проводили в 5 точках. Частоты баланса по известному способу соответственно составили 35, 41, 33, 29, 33 кГц, по разработанному способу при введении операции установки нулевого сигнала на выходе дополнительных измерительных обмоток в тех же контрольных точках частоты баланса составили: 31, 33, 30, 30, 31. Из полученных данных следует, что изменения частоты баланса по известному способу относительно средней величины достигают 20% а по разработанному способу порядка 7% Так как контролируемый материал не подвергался никакой технологической обработке, то следует считать, что большой разброс в известном способе связан прежде всего с перераспределением магнитного потока в П-образных магнитопроводах, в известном способе не исключено влияние и изменения магнитного сопротивления контролируемого участка под полюсами среднего П-образного магнитопровода, так как вполне реально изменение формы "однородного" магнитного потока сжатие или раздувание по поверхности боковыми потоками, в разработанном способе все эти явления исключены, поэтому разброс в значениях частоты баланса незначителен и его можно объяснить разбросом электромагнитных параметров и прежде всего остаточных напряжений в различных точках. As a controlled material, a steel plate made of St45 with a size of 30 • 10 cm and a thickness of 2 mm was used. Measurements were carried out at 5 points. The balance frequencies according to the known method, respectively, amounted to 35, 41, 33, 29, 33 kHz, according to the developed method, when the operation of setting the zero signal at the output of additional measuring windings at the same control points of the balance frequency was introduced: 31, 33, 30, 30, 31 . From the data obtained it follows that the changes in the balance frequency according to the known method relative to the average value reach 20% and according to the developed method about 7% Since the controlled material was not subjected to any technological processing, it should be considered that the best dispersion in the known method is primarily associated with the redistribution of the magnetic flux in the U-shaped magnetic cores, in the known method the influence and changes in the magnetic resistance of the controlled area under the poles of the middle U-shaped magnetic circuit are not ruled out, since it is quite possible to change the shape of a “uniform” magnetic flux compression or bloating on the surface by side flows, in the developed method all these phenomena are excluded, therefore, the spread in the values of the balance frequency is insignificant and it can be explained by the spread osom of electromagnetic parameters and, above all, residual stresses at various points.

Таким образом, разработанный способ позволяет повысить точность неразрушающего контроля параметров ферромагнитных материалов. Thus, the developed method allows to increase the accuracy of non-destructive testing of the parameters of ferromagnetic materials.

Claims

Электромагнитный способ неразрушающего контроля параметров ферромагнитных материалов, заключающийся в том, что вводят во взаимодействие с контролируемым материалом электромагнитный преобразователь, выполненный из трех параллельно установленных П-образных магнитопроводов, содержащих на полюсах по обмотке возбуждения, подключенных к генератору тока с регулируемой частотой, и измерительную обмотку, размещенную на средней П-образной части магнитопровода, выходом подключенную к измерительному прибору, измеряют частоту вихретокового баланса, отличающийся тем, что используют электромагнитный преобразователь с дополнительными плоскими измерительными обмотками, размещенными с двух сторон среднего П-образного магнитопровода с витками, лежащими в плоскости П-образных магнитопроводов, и включенными между собой последовательно встречно, каждая дополнительная измерительная обмотка состоит из последовательно согласно включенных секций, подключают выход дополнительных измерительных обмоток к измерительному прибору, устанавливают преобразователь на поверхность контролируемого материала и изменяют величину тока в каждой обмотке возбуждения, пока на выходе дополнительных измерительных обмоток не будет нулевой сигнал, затем обмотки отключают от измерительного прибора и подключают к нему основную измерительную обмотку, измеряют второе значение частоты баланса, по которой, пользуясь тарировочным графиком или расчетным соотношением, определяют величину контролируемого параметра. The electromagnetic method of non-destructive testing of the parameters of ferromagnetic materials, which consists in introducing an electromagnetic transducer made of three parallel-mounted U-shaped magnetic circuits containing at the poles along the field winding connected to a current generator with an adjustable frequency and a measuring winding located on the middle U-shaped part of the magnetic circuit, connected to the measuring device by the output, measure the eddy current frequency Alansa, characterized in that they use an electromagnetic transducer with additional flat measuring windings, located on both sides of the middle U-shaped magnetic circuit with turns lying in the plane of the U-shaped magnetic circuits, and connected in series with each other, each additional measuring winding consists of sequentially according to included sections, connect the output of additional measuring windings to the measuring device, install the converter on the surface of the counter material being measured and the current value in each field winding is changed until there is a zero signal at the output of the additional measuring windings, then the windings are disconnected from the measuring device and the main measuring winding is connected to it, the second value of the balance frequency is measured, according to which, using a calibration graph or calculated ratio, determine the value of the controlled parameter.