Устройство для измерения коэрцитивной силы магнитных материалов
Настоящая полезная модель 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 полезной модели: устройство содержит последовательно соединенные источник намагничивающего тока, первый коммутатор и электромагнит с датчиком поля, аналого-цифровой преобразователь, генератор тока, управляемый усилитель мощности, блок управления и индикатор, последовательно соединенные второй коммутатор, преобразователь ток-напряжение и первый усилитель, последовательно включенные второй усилитель, цепочка с управляемой постоянной времени 
и третий усилитель, а также последовательно соединенные четвертый усилитель, компаратор и линия задержки, соединенные соответствующим образом. В устройство введены последовательно соединенные блок обработки и блок размагничивания. Эти два блока включены соответствующим образом в схему устройства. Технический результат: повышение точности и достоверности результатов измерений, расширение диапазона измеряемой коэрцитивной силы материала при сохранении той же точности, а также автоматическое размагничивание объекта после проведения контроля.
Настоящая полезная модель 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 магнитных материалов (а.с. СССР 
1439513, кл.О01К. 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.
Известно также устройство - магнитный структуроскоп (а.с. СССР 1128154, кл.С01N 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.
Наиболее близким устройством того же назначения к заявленной полезной модели по совокупности признаков и принятым за прототип является устройство для измерения коэрцитивной силы магнитных материалов (РФ 2186381, кл. С1, 27.07.2002, бюл. 21), содержащее последовательно соединенные источник намагничивающего тока, первый коммутатор и электромагнит (ЭМ) с датчиком поля, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), индикатор, 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, а также последовательно соединенные третий коммутатор, преобразователь «ток-напряжение» и первый усилитель, последовательно включенные второй усилитель, цепочка с управляемой постоянной времени и третий усилитель, последовательно соединенные четвертый усилитель, компаратор и линия задержки. При этом выход первого усилителя подключен к сигнальному входу АЦП, выход преобразователя "ток -напряжение" - к управляющему входу цепочки с управляемой постоянной времени , 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, вход четвертого усилителя подключен к выходу второго усилителя, а выход линии задержки соединен с третьим входом индикатора и с управляющим входом АЦП.
Недостатками этого устройства для измерения коэрцитивной силы магнитных материалов являются большая погрешность измерения, недостаточный диапазон измерения коэрцитивной силы и отсутствие размагничивания после измерения коэрцитивной силы материала.
Заявляемым м решается задача по обеспечению высокой точности и достоверности результатов измерений, расширение диапазона измеряемой коэрцитивной силы материала при сохранении той же точности, а также задача по автоматическому размагничиванию объекта в конце измерения.
Указанный технический результат при осуществлении полезной модели 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, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), индикатор, 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, последовательно соединенные второй коммутатор, преобразователь "ток - напряжение" и первый усилитель, последовательно включенные второй усилитель, цепочка с управляемой постоянной времени и третий усилитель, последовательно соединенные четвертый усилитель, компаратор и линия задержки, введены последовательно соединенные блок обработки сигнала и блок размагничивания. При этом вход блока обработки сигнала подключен к выходу АЦП, второй выход блока обработки сигнала соединен входом индикатора, а выход блока размагничивания подключен ко второму управляющему входу источника намагничивающего тока.
В предложенном устройстве высокая точность и расширение диапазона достигается введением блока обработки сигнала, в котором происходит обработка полученного от АЦП значения коэрцитивной силы и вывод обработанного значения на индикатор.
Введение блока размагничивания позволяет свести к минимуму остаточную намагниченность материала после измерения коэрцитивной силы.
Сущность полезной модели поясняется чертежом на фиг.1, на которой изображена функциональная схема предлагаемого устройства для измерения коэрцитивной силы магнитных материалов; фиг.2, на которой изображена зависимость коэрцитивной силы материала от тока компенсации; фиг.3, на которой изображено изменение тока размагничивания при размагничивании материала; фиг.4, на которой изображена зависимость начальной амплитуды импульса размагничивания от измеренной коэрцитивной силы материала.
Предлагаемое устройство на фиг.1 содержит последовательно соединенные источник 1 намагничивающего тока, коммутатор 2, электромагнит 3 с датчиком 4 поля, коммутатор 5, преобразователь 6 «ток-напряжение», усилитель 7, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 8. В схему устройства входят последовательно соединенные усилитель 9, цепочка 10 с управляемой постоянной времени и усилитель 11, последовательно включенные усилитель 12, компаратор 13 и линия 14 задержки, последовательно включенные блок 15 обработки сигнала, блок 16 размагничивания, а также индикатор 17, генератор 18 тока, управляемый усилитель 19 мощности и блок 20 управления. При этом вход усилителя 12 подключен к выходу усилителя 9, а выход линии 14 задержки (ЛЗ) соединен с третьим входом индикатора 12 и с управляющим входом АЦП 8. Вход усилителя 9 подключен к выходу датчика 4 поля электромагнита 3, а выход усилителя 11 соединен с входом управляемого усилителя 19 мощности. Первый выход блока 20 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 18 тока, а третий вход соединен с выходом управляемого усилителя 19 мощности, управляющий вход которого подключен к третьему выходу блока 20 управления. Управляющий выход источника 1 намагничивающего тока подключен к первому управляющему входу коммутатора 5, второй управляющий вход которого соединен с четвертым входом блока 20 управления. Вход блока 15 обработки сигнала подключен к выходу АЦП 8, выход блока 15 обработки сигнала подключен к сигнальному входу индикатора 17, а выход блока 16 размагничивания соединен с управляющим входом источника 1 намагничивающего тока.
Цепочка 10 с управляемой постоянной времени представляет собой времязадающую RC-цепочку на входе операционного усилителя 11 с изменяющимися R или/и С элементами.
Блок управления 20 представляет собой обычный тактовый генератор, соединенный с двоичным счетчиком, дешифратором и другими логическими элементами, синхронизирующими работу устройства.
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.
Блок 15 обработки сигнала представляет собой микропроцессор, содержащий таблицу соответствия тока компенсации коэрцитивной силе материала. Таблица создается при настройке схемы, размер таблицы зависит от числа отрезков кусочно-ломанной функции, которая наиболее точно представляет собой зависимость коэрцитивной силы материала от импульсного тока размагничивания.
Блок 16 размагничивания представляет собой тактовый генератор, соединенный с двоичным счетчиком и дешифратором, управляющими размагничиванием. Длительность размагничивания, а также сигнал на его начало задаются блоком 15 обработки сигнала.
Предложенное устройство для измерения коэрцитивной силы магнитных материалов с автоматическим размагничиванием работает следующим образом. После нажатия кнопки "измерение", блок 20 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 20 управления, формируется цепь компенсации, состоящая из последовательно соединенных датчика 4 поля, усилителя 9, цепочки 10 с управляемой постоянной времени , усилителя 11, управляемого усилителя 19 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 9, цепочку 10 с управляемой постоянной времени , усилитель 11, управляемый усилитель мощности 19 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 17 в единицах измерения коэрцитивной силы с высокой точностью 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, АЦП 8 и блок 15 обработки сигнала - на индикатор 17. В процессе компенсации происходит управление постоянной времени цепочки 10 так, чтобы оптимизировать время компенсации. Процесс оптимизации заключается в выборе параметров R и С цепочки 10 с управляемой постоянной времени таким образом, чтобы время компенсации было минимальным при требуемой чувствительности компенсационной цепи.
Параметр R в цепочке 10 с управляемой постоянной времени определяется током компенсации, протекающим по обмотке ЭМ 3 и поступающим на один из входов управления цепочки 10 с управляемой постоянной времени 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 9 на второй вход цепочки 10 с управляемой постоянной времени .
Высокая точность измерения при этом достигается за счет введенного блока 15 обработки сигнала. Т.к. зависимость коэрцитивной силы от тока протекающего через обмотку ЭМ 3 нелинейная, а преобразователь 6 «ток-напряжение» линейно преобразует входное значение тока - это вносит погрешность в измерение коэрцитивной силы (фиг.2). Блок 15 обработки сигнала содержит алгоритм, который на основании напряжения, полученного после преобразователя 6 «ток-напряжение», корректирует сигнал АЦП 8 для снижения погрешности.
Для блокировки работы АЦП 8 и индикатора 17 на время переходных процессов, в цепь компенсации введены усилитель 12, компаратор 13 и ЛЗ 14. После компенсации, напряжения на выходе датчика 4 поля и усилителя 9 близки к нулю. При этом срабатывает компаратор 13, вырабатывающий импульс, который, проходя ЛЗ 14, задерживается на время, равное быстродействию АЦП 8, и включает индикатор 17.
После завершения процесса компенсации, обработки и выведения на цифровое табло индикатора 17 значения измеряемой коэрцитивной силы управляемый усилитель 19 мощности блокируется сигналом, поступающим из блока 20 управления. При этом прекращается подача тока компенсации в обмотку ЭМ 3. Такая блокировка усилителя 19 мощности позволяет повысить точность и достоверность измерений за счет снижения температурного дрейфа параметров выходных устройств усилителя 19 мощности, которые могут влиять на величину тока компенсации. С помощью генератора 18 тока, подключенного через коммутатор 2 к обмотке ЭМ 3, создается постоянный ток смещения, компенсирующий собственную коэрцитивную силу магнитопровода ЭМ 3.
Объекты контроля должны быть размагничены в случаях, если их намагниченность вызывает погрешности в показаниях приборов, аппаратуры, датчиков, если намагниченность может вызвать накопление продуктов износа в подвижных сочленениях, а также, если остаточная намагниченность оказывает отрицательное влияние на последующие технологические операции. Для этого после завершения измерения коэрцитивной силы материала запускается процесс размагничивания. Основываясь на полученном значении коэрцитивной силы, блок 15 обработки сигнала выдает напряжение определенного уровня на блок 16 размагничивания. Блок 16 размагничивания формирует сигналы, которые поступают на управляющий вход источника 1 намагничивающего тока, который в свою очередь формирует размагничивающие импульсы. Эти импульсы поочередно поступают через коммутаторы 2, 5 в обмотку ЭМ 3 во взаимно противоположных направлениях с постепенно убывающей амплитудой (фиг.3). Начальная амплитуда импульса размагничивания зависит от значения измеренной коэрцитивной силы материала (фиг.4). Процесс размагничивания контролируется блоком 15 обработки сигнала по значениям коэрцитивной силы, поступающим на него с АЦП 8 и завершается, когда эти значения будут близки к нулю.
Для заявленного устройства в том виде, как оно охарактеризовано и изложено в формуле полезной модели, подтверждена возможность его осуществления.
Преимущество настоящей полезной модели состоит в том, что возможность реализации предлагаемого устройства для измерения коэрцитивной силы магнитных материалов существенно повышает точность и достоверность результатов измерений и осуществляет размагничивание объекта контроля после измерения коэрцитивной силы. Из уровня техники не известен механизм достижения результата, раскрытый в материалах заявки.
Устройство для измерения коэрцитивной силы магнитных материалов, содержащее последовательно соединенные источник намагничивающего тока, первый коммутатор и электромагнит с датчиком поля, аналого-цифровой преобразователь, индикатор, 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, последовательно соединенные второй коммутатор, преобразователь ток-напряжение и первый усилитель, последовательно включенные второй усилитель, цепочка с управляемой постоянной времени и третий усилитель, последовательно соединенные четвертый усилитель, компаратор и линия задержки, выход преобразователя ток-напряжение подключен к управляющему входу цепочки с управляемой постоянной времени , вход второго усилителя соединен с выходом датчика поля электромагнита, а выход третьего усилителя подключен к сигнальному входу управляемого усилителя мощности, сигнальный вход второго 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, вход четвертого усилителя подключен к выходу второго усилителя, а выход линии задержки соединен с первым входом индикатора и с управляющим входом аналого-цифрового преобразователя, отличающееся тем, что в него введены последовательно соединенные блок обработки сигнала и блок размагничивания, при этом вход блока обработки сигнала подключен к выходу АЦП, выход блока обработки сигнала подключен ко второму входу индикатора, а выход блока размагничивания подключен к управляющему входу источника намагничивающего тока.
