Датчик для дефектоскопии стальных стержней

Полезная модель относится к магнитометрическим методам неразрушающего контроля изделий из ферромагнитных материалов, испытывающих в процессе эксплуатации статические и динамические механические напряжения. Датчик для дефектоскопии стальных стержней может быть использован для оперативной дистанционной диагностики механических напряжений и нарушений структуры в ферромагнитных стержнях, канатах, балках, трубах и других длинномерных конструкциях.

Сущность полезной модели: датчик для дефектоскопии стальных стержней, содержащий однокомпонентные магнитные преобразователи, расположенные в вершинах правильного многоугольника, и взвешивающий сумматор, к входам которого подключены выходы преобразователей. Причем с целью увеличения точности регистрации дефектов при слабом намагничивании введен дифференциатор, вход которого подключен к выходу сумматора, оси чувствительности преобразователей направлены к центру многоугольника, а весовые коэффициенты взвешивающего сумматора выбраны таким образом, что напряжение на выходе сумматора равно нулю, когда датчик находится в однородном магнитном поле.

1 с.п. ф-лы.

Полезная модель относится к неразрушающему контролю и может использоваться при дефектоскопии изделий из ферромагнитных материалов.

Известен градиометрический датчик для контроля внутренних дефектов в прутках при циркулярном намагничивании [1], содержащий два близко расположенных однокомпонентных магнитных преобразователя, например, феррозондовых. О наличии дефекта судят по разнице сигналов с преобразователей. Для исключения сигнала градиометра в отсутствии дефекта преобразователи размещают по радиусу прутка.

Однако сигнал отсутствует только в случае, когда нормальная составляющая поля на поверхности прутка равна нулю. В слабом однородном поле Земли нормальная составляющая на поверхности прутка может быть отлична от нуля, поэтому контроль производят при циркулярном намагничивании объекта до технического насыщения, при этом обследование необходимо производить по спиральной траектории, вращая либо датчик, либо сам объект [1].

Наиболее близким техническим решением является канатный дефектоскоп [2], в котором канат предварительно намагничивается с помощью электромагнита до технического насыщения, а датчик содержит однокомпонентные магнитные преобразователи Холла, помещенные на соосной к канату окружности в разрыв магнитопровода электромагнита так, что их оси чувствительности направлены вдоль оси каната, а о наличии дефекта судят по изменению напряжения на выходе сумматора, к входам которого подключены выходы преобразователей.

Однако регистрация дефектов осложняется тем, что в отсутствие дефекта на выходе сумматора присутствует постоянное напряжение. Нарушение структуры металла проявляется как изменение напряжения на выходесумматора, малое при слабом намагничивании в сравнении с постоянным уровнем.

Действительно, намагниченность длинномерного ферромагнитного объекта в однородном внешнем магнитном поле, например геомагнитном, вдали от краев практически однородна, почти однородно и магнитное поле вблизи поверхности объекта. Поскольку оси чувствительности всех магнитных преобразователей в канатном дефектоскопе [2] параллельны, напряжения на их выходах почти одинаковы, и напряжение на выходе сумматора велико. При этом изменение напряжения на выходе сумматора, связанные с малым изменением положения ферромагнитного объекта относительно датчика или с малым наклоном датчика в однородном поле из-за вибраций, может оказаться значительно больше, чем связанный с дефектом полезный сигнал, как для датчика [1], так и для датчика [2].

Целью полезной модели является увеличение точности регистрации дефектов при слабом намагничивании, например, при естественном намагничивании магнитным полем Земли. Технический результат достигается путем уменьшения воздействия на датчик однородных внешних магнитный полей.

Сущность технического решения поясняется чертежом на фиг.1. Датчик для дефектоскопии стальных стержней содержит, однокомпонентные магнитные преобразователи 1, например, холловские, расположенные на цилиндрической обойме 2 в вершинах правильного многоугольника так, что их оси чувствительности направлены к центру обоймы, взвешивающий сумматор 3, к входам которого подключены выходы преобразователей 1, и дифференциатор 4, вход которого соединен с выходом взвешивающего сумматора 3, а выходное напряжение является индикатором наличия дефекта в стальном стержне 5.

Устройство работает следующим образом. Исследуемый стальной стержень 5, протягивается соосно через обойму 2 датчика. Однокомпонентныемагнитные преобразователи 1 измеряют нормальную к поверхности стержня 5 составляющую индукции магнитного поля,

Весовые коэффициенты сумматора 3 выбирают таким образом, чтобы в однородном поле напряжение на выходе сумматора 3 равнялось нулю.

Действительно, для преобразователей 1, расположенных в вершинах правильного многоугольника так, что их оси чувствительности направлены к центру датчика, выполняется условие , где n_k - единичный вектор, направленный вдоль оси чувствительности k-го преобразователя 1, К - число преобразователей 1. В однородном магнитном поле с индукцией В напряжение на выходе k-го преобразователя 1 равно u_k=S_kBn _k, где S_k - крутизна преобразования k-го преобразователя 1. Если весовые коэффициенты р_k сумматора 3 выбраны обратно пропорциональными крутизне соответствующего преобразователя 1, то есть p_k=S/S_k, где S - коэффициент пропорциональности, то напряжение на выходе сумматора 3 будет равно нулю независимо от величины и ориентации вектора индукции магнитного поля В относительно обоймы 2 датчика:

Технической реализацией полезной модели является разработанный и изготовленный макет датчика для магнитного дефектоскопа. Три преобразователя Холла располагаются в латунной гильзе по окружности прутка под углом 120° друг относительно друга, а в качестве индикатора наличия дефекта используется производная по длине прутка взвешенной суммы сигналов с преобразователей. В гильзе выфрезерованы канавки, в которые вклеиваются преобразователи так, что их чувствительные зоны максимально приближены к стержню, и закреплена оправка с отверстием под диаметр стержня, защищающая преобразователи от повреждения.

Сигнал от каждого преобразователя, пропорциональный нормальной к поверхности стержня компоненте индукции магнитного поля, обрабатывается измерительным модулем, построенном по схеме прецизионного магнитометра[3]. Данные от модулей в цифровом виде поступают в блок цифровой обработки, который осуществляет синхронную работу модулей и передачу данных в персональный компьютер для дальнейшей обработки. Суммирование сигналов с преобразователей и дифференцирование суммы производится программно.

Весовые коэффициенты сумматора подбираются при калибровке датчика так, чтобы при всех поворотах пустого датчика в однородном, например геомагнитном поле, взвешенная сумма оставалась равной нулю. При равномерном протягивании прутка через обойму вычисляемая программно производная по времени суммарного напряжения преобразователей пропорциональна производной по длине стержня и позволяет выделить слабый, но быстро меняющийся сигнал от создаваемых дефектом полей рассеяния из большого, но медленно меняющегося сигнала, обусловленного неравномерной намагниченностью стержня.

С помощью разработанного датчика проводилась магнитная дефектоскопия четырех прутков диаметром 3 мм и длиной 2 м из стали марки 65С2ВА. Гильза с датчиками закреплялась неподвижно, прутки равномерно протягивались через него со скоростью примерно 7,2 мм/с. Для обеспечения равномерного движения прутка его поверхность смазывалась машинным маслом. На фиг.2 приведена полученная магнитограмма для одного из прутков, из которой отчетливо видно присутствие дефектов на расстояниях 80 мм, 980 мм, 1000 мм и серии дефектов на расстоянии 1460 мм от начала прутка. Металлографическая экспертиза, проведенная на предприятии ОАО «Северсталь-Метиз», показала наличие серии раковин с характерным размером до 0,04 мм на указанных расстояниях. В остальных прутках обнаружены раковины размером от 0,015 мм до 0,03 мм.

Проведенные натурные исследования магнитного поля рассеяния скрытых естественных дефектов подтвердили высокую чувствительность разработанного датчика, который способен разрешать дефекты с характернымразмером менее 0,015 мм в стальных деталях без дополнительного намагничивания.

Источники информации:

1. Щербинин В.Е., Говорухин Э.С. Магнитный контроль качества металлов. Екатеринбург: УРО РАН, 1996. с.87.

2. Баштанов М.Е., Курбатов Н.В., Немцов М.В., Петровский А.Н. Канатный дефектоскоп // Научная сессия МИФИ-99. Т.9. М.: МИФИ, 1999. С.41-44. (прототип)

3. Голубев А.А., Игнатьев В.К., Никитин А.В. Прецизионный магнитометр. Приборы и техника эксперимента. - 2008. - 5. С.123-128.

Датчик для дефектоскопии стальных стержней, содержащий однокомпонентные магнитные преобразователи, расположенные в вершинах правильного многоугольника, и взвешивающий сумматор, к входам которого подключены выходы преобразователей, отличающийся тем, что, с целью увеличения точности регистрации дефектов при слабом намагничивании, введен дифференциатор, вход которого подключен к выходу сумматора, а оси чувствительности преобразователей направлены к центру многоугольника, причем весовые коэффициенты взвешивающего сумматора выбраны так, что напряжение на его выходе равно нулю, когда датчик находится в однородном магнитном поле.