Устройство для локального измерения ферромагнитной фазы материалов

Область применения: устройство для локального измерения ферромагнитной фазы материалов относится к измерительной технике для неразрушающего контроля при структурно-фазовом анализе магнитных материалов. Устройство включает в себя магнитную систему, первичный преобразователь для измерения магнитного поля и измерительный прибор, связанный с первичным преобразователем. Магнитная система выполнена в виде концентратора из материала с высокой намагниченностью насыщения, на каждой нерабочей поверхности которого установлен высокоэнергетичный магнит, например, NdFeB или SmCo, при этом одноименные полюса магнитов направлены внутрь концентратора. В качестве магнитного материала концентратора может использоваться пермендюр или любой другой материал с намагниченностью насыщения большей, чем предполагаемый измеряемый динамический диапазон намагниченности насыщения измеряемого материала, а в качестве первичного преобразователя могут применяться датчик Холла, магниторезистор и другие датчики для измерения магнитного поля. Устройство позволяет определить магнитную индукцию, соответствующую намагниченности насыщения в локальной области массивного изделия. Верхний предел динамического диапазона устройства для локального измерения ферромагнитной фазы материалов определяется намагниченностью насыщения материала концентратора. 4 з.п. ф-лы, 2 илл.

Полезная модель относится к измерительной технике для неразрушающего контроля при структурно-фазовом анализе и может быть использована для определения намагниченности насыщения магнитных массивных материалов, по которой можно судить о содержании магнитной фазы.

На сегодняшний день в промышленности широко применяются материалы и сплавы, к магнитным свойствам которых предъявляются высокие требования.

Определение фазового состава материалов необходимо при оценке изменений, происходящих в этом составе в результате термических и деформационных воздействий при определении концентрации магнитной фазы в неферромагнитных материалах, объема пор и неферромагнитных включений в ферромагнитной матрице.

Одним из методов фазового анализа является метод, основанный на определении намагниченности насыщения.

Известна установка для измерения намагниченности насыщения дифференциальным методом [Щербинин В.Е., Горкунов Э.С. Магнитный контроль качества металлов. Изд-во: УрО РАН ИФМ, 1996. - с.221-222]. Эта установка содержит электромагнит, баллистический гальванометр и накладные катушки. Два образца - стандартный и исследуемый - закрепляются между полюсами электромагнита. Измерительные обмотки этих образцов включают встречно. Внутренние поля стандартного и исследуемого образцов измеряются с помощью накладных катушек. Намагниченность насыщения определяют по формуле:

где - намагниченность насыщения исследуемого образца;

- намагниченность насыщения стандартного образца;

c_б - постоянная баллистического гальванометра;

- показания гальванометра;

µ₀ - магнитная постоянная;

- число витков в измерительных обмотках стандартного и исследуемого образцов;

S_cm - площадь сечения стандартного образца.

Основными недостатками этой установки являются необходимость использования двух образцов - стандартного и исследуемого, недостаточная точность в случае неоднородности поля в плоскости, перпендикулярной оси полюсов электромагнита, а также потребность в баллистическом гальванометре с большим периодом колебаний и громоздкость.

Известна также установка для измерения намагниченности насыщения по методу Штеблейна [Щербинин В.Е., Горкунов Э.С. Магнитный контроль качества металлов. Изд-во: УрО РАН ИФМ, 1996. - с.223-224], включающая в себя электромагнит, гальванометр, неферромагнитный держатель и две измерительные катушки. Стандартный и исследуемый образцы закрепляют встык в неферромагнитном держателе, который перемещают при изменении в канале электромагнита. Между полюсами электромагнита размещают две измерительные катушки с разным числом витков, которые включают так, чтобы индуцируемые в них ЭДС были противоположного направления. Разность намагниченностей насыщения стандартного и исследуемого образцов определяется по отклонению указателя гальванометра при перемещении их в зазоре электромагнита. Намагниченность насыщения вычисляют по формуле:

где - намагниченность насыщения исследуемого образца;

- намагниченность насыщения стандартного образца;

c_б - постоянная баллистического гальванометра;

- показания гальванометра;

µ₀ - магнитная постоянная;

(₁-₂) - разность витков двух катушек.

Намагниченность насыщения стандартного образца определяется абсолютным методом при перемещении его в поле электромагнита и вычисляется по формуле:

где S_cm - площадь сечения стандартного образца.

Недостатками данной установки является громоздкость, невозможность измерения массивных образцов материалов в виду того, что такие образцы на этой установке не удастся намагнитить до насыщения. С помощью установки для измерения намагниченности насыщения по методу Штеблейна можно измерять только образцы, схожие по форме со стандартным образцом.

Наиболее близким аналогом заявляемого устройства является измеритель содержания ферритной фазы - ферритометр ФМ-3 [Ригмант М.Б., Горкунов Э.С., Пономарев B.C., Чернова Г.С. Измеритель содержания ферритной фазы ферритометр ФМ-3. Изд-во: УрО РАН "Дефектоскопия", 5, 1996, с.78-83], включающий магнитную систему состоящую из постоянного магнита, первичный преобразователь для измерения магнитного поля, в качестве которого используется феррозондовый датчик, помещенный в немагнитный защитный корпус, в котором магниточувствительные элементы датчика расположены в плоскости нейтрального сечения магнита на его противоположных сторонах ортогонально его продольной оси, соосно друг другу. Устройство содержит также измерительный прибор, к электроизмерительному блоку которого магниточувствительные элементы датчика подключены по градиентометрической схеме, что позволяет исключить влияние внешнего постоянного магнитного поля, например, геомагнитного поля, поля цеха и др.

При установке устройства на поверхность ферромагнитного материала, участок материала под датчиком локально намагничивается и создает дополнительное магнитное поле, воздействующее на этот датчик. Величина измеренного магнитного поля пропорциональна количеству -фазы в локально намагниченном участке.

Недостатком данного устройства является невозможность намагнитить локальный участок до насыщения, так как магнитная система, состоящая из постоянного магнита, создает недостаточную величину магнитного поля. В случае намагниченности самого локального участка до насыщения области, прилегающие к этому локальному участку, до насыщения не намагничены. На показания датчика влияют как локальный участок, намагниченный до насыщения, так и области, прилегающие к нему. Это в свою очередь влияет на точность измерения.

Кроме того, измеряется тангенциальная составляющая магнитного поля рассеяния неоднородности материала, по значению которой устанавливается ферромагнитная фаза аустенитных сталей.

В основу полезной модели положена задача повышения точности определения содержания ферромагнитной фазы за счет измерения нормальной составляющей магнитной индукции, соответствующей намагниченности насыщения.

Поставленная задача решается тем, что в устройстве для локального измерения ферромагнитной фазы материалов, включающем магнитную систему, первичный преобразователь для измерения магнитного поля и измерительный прибор, связанный с первичным преобразователем, согласно полезной модели магнитная система выполнена в виде концентратора из материала с высокой намагниченностью насыщения, на каждой нерабочей поверхности которого установлен высокоэнергетичный магнит, так, что одноименные полюса магнитов направлены внутрь концентратора, первичный преобразователь выполнен в виде датчика для измерения магнитного поля и расположен на рабочей поверхности концентратора.

При этом

- концентратор может быть выполнен из материала с высокой намагниченностью насыщения, например, пермендюра, причем этот материал должен иметь намагниченность насыщения большую, чем предполагаемый измеряемый динамический диапазон намагниченности насыщения измеряемого материала;

- в качестве высокоэнергетичного магнита может быть взят магнит NdFeB или SmCo;

- в качестве датчика для измерения магнитного поля используют датчик Холла или магниторезистор;

- в качестве концентратора при измерении материалов с малым содержанием ферромагнитной фазы может быть использован постоянный магнит с высокой величиной остаточной намагниченности и коэрцитивной силы.

Заявляемое устройство за счет выполнения магнитной системы в виде концентратора из материала с высокой намагниченностью насыщения, на каждой нерабочей поверхности которого установлен высокоэнергетичный магнит, так, что одноименные полюса магнитов направлены внутрь концентратора, позволяет создать большую амплитуду нормальной составляющей магнитного поля на поверхности намагничиваемого материала и тем самым намагнитить эту поверхность до индукции, соответствующей намагниченности насыщения, и позволяет измерять нормальную составляющую магнитной индукции на намагниченной поверхности материала.

Нормальная составляющая индукции на поверхности материала и в воздухе непрерывна, поэтому измерение магнитной индукции в воздухе на поверхности материала соответствует индукции в поверхностном слое материала.

Предлагаемое устройство благодаря своей портативности позволяет легко и оперативно определить намагниченность насыщения на основе измеренных значений нормальной составляющей индукции магнитного поля массивных материалов. По значению намагниченности насыщения можно судить о ферромагнитной фазе.

При измерении намагниченности насыщения в материалах с малым содержанием ферромагнитной фазы концентратор может быть заменен на постоянный магнит с высокой величиной остаточной намагниченности. В таком случае намагничивающее поля вблизи рабочей поверхности больше, чем с концентратором с высокой намагниченностью насыщения. Это позволяет с большей точностью измерять намагниченность насыщения в материалах с малым содержанием ферромагнитной фазы.

Таким образом, новый технический результат, достигаемый заявленной моделью, заключается в локальном намагничивании поверхности массивного материала в нормальном направлении до магнитной индукции, соответствующей намагниченности насыщения, и измерении нормальной составляющей этой индукции портативным устройством, не требующим больших энергозатрат.

На фиг.1 показана схема заявляемого устройства.

На фиг.2 представлен вид магнитной системы сбоку.

Устройство для локального измерения ферромагнитной фазы материалов (фиг.1) представляет собой портативное устройство, которое содержит магнитную систему 1 (фиг.2) и первичный преобразователь 2 для измерения магнитного поля, помещенные в защитный корпус 3, и измерительный прибор 4 для регистрации показаний первичного преобразователя 2. Магнитная система 1 включает в себя концентратор 5 из магнитного материала с высокой намагниченностью насыщения, на каждой нерабочей поверхности которого установлен высокоэнергетичный магнит 6, например, NdFeB или SmCo. В качестве магнитного материала концентратора 5 может использоваться пермендюр или любой другой материал материала с намагниченностью насыщения большей, чем предполагаемый измеряемый динамический диапазон намагниченности насыщения измеряемого материала, а в качестве первичного преобразователя 2 могут применяться датчик Холла, магниторезистор или другие датчики для измерения магнитного поля.

Устройство работает следующим образом.

При помещении устройства на поверхность материала магнитная система 1 взаимодействует с материалом, промагничивая локальный участок материала полем, перпендикулярным поверхности самого материала. Под воздействием этого поля материал намагничивается до намагниченности насыщения

Первичный преобразователь 2 фиксирует значение нормальной составляющей магнитной индукции, соответствующей намагниченности насыщения при намагничивании локального участка материала 500 А/см, и передает это значение на цифровой экран измерительного прибора 4.

Устройство позволяет определить магнитную индукцию, соответствующую намагниченности насыщения в локальной области массивного изделия в интервале от 0 до 2,3 Тл. Верхний предел динамического диапазона устройства для локального измерения ферромагнитной фазы материалов определяется намагниченностью насыщения материала концентратора.

1. Устройство для локального измерения ферромагнитной фазы материалов, включающее в себя магнитную систему, первичный преобразователь для измерения магнитного поля и измерительный прибор, связанный с первичным преобразователем, отличающееся тем, что магнитная система выполнена в виде концентратора из материала с высокой намагниченностью насыщения, на каждой нерабочей поверхности которого установлен высокоэнергетичный магнит так, что одноименные полюса магнитов направлены внутрь концентратора, первичный преобразователь выполнен в виде датчика для измерения магнитного поля и расположен на рабочей поверхности концентратора.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что концентратор может быть выполнен из пермендюра или любого другого материала с намагниченностью насыщения большей, чем измеряемый динамический диапазон намагниченности насыщения исследуемых материалов.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве высокоэнергетичного магнита может быть взят магнит NdFeB или SmCo.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве датчика для измерения магнитного поля может применяться датчик Холла или магниторезистор.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве концентратора при измерении материалов с малым содержанием ферромагнитной фазы может быть использован постоянный магнит с высокой величиной остаточной намагниченности и большой коэрцитивной силой.