Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Локальное измерение магнитных свойств ферромагнитных объектов 14
1.1 Магнитные параметры структурно-фазового анализа ферромагнитных материалов 14
1.1.1 Магнитная структуроскопия 15
1.1.2 Магнитные параметры неразрушающего контроля 16
1.1.3 Структурная чувствительность магнитных свойств 19
1.2 Способы и средства локального измерения магнитных свойств массивных ферромагнитных объектов 22
1.2.1 Коэрцитиметры и магнитные структуроскопы 22
1.2.2 Влияние зазора, формы и размеров объектов на результаты измерения магнитных свойств вещества 28
1.3 Методы исследования и оптимизации составных магнитных цепей и преобразователей 31
1.4 Заключение 34
ГЛАВА 2 Объекты и методики исследований 36
2.1 Моделирование 36
2.1.1 Методики модельных исследований 36
2.1.1 Объекты модельных исследований 38
2.2 Экспериментальные исследования 39
2.2.1 Методики экспериментальных исследований 39
2.2.2 Объекты экспериментальных исследований 44
2.3 Обработка экспериментальных данных 49
ГЛАВА 3 Топография полей и потоков в локально намагничиваемых объектах 51
3.1 Моделирование пространственного распределения магнитных поля и потока внутри ферромагнетиков 51
3.2 Способы концентрации магнитного потока в зоне контроля 61
3.3 Пространственное распределение магнитных поля и потока вблизи поверхности локально намагничиваемых ферромагнетиков . 65
3.4 Выводы к главе 67
ГЛАВА 4 STRONG Контактное и бесконтактное намагничивание массивных ферромагнитных объектов 69
STRONG 4.1 Теоретическое исследование влияния немагнитного зазора на характер намагничивания объектов 69
4.2 Способы снижения влияния зазора на результаты измерения параметров петли гистерезиса 75
4.3 Теоретическое исследования влияние формы и размеров объекта на характер намагничивания 79
4.4 Экспериментальное исследование влияния магнитной неоднородности на результаты измерений коэрцитивной силы при контактном и бесконтактном намагничивании 82
4.5 Выводы к главе 86
ГЛАВА 5 Измерение свойств вещества в замкнутых и разомкнутых составных магнитных цепях 88
5.1 Измерение индукции коэрцитивного возврата 88
5.1.1 Теоретические соотношения 88
5.1.2 Измерение индукции коэрцитивного возврата в составной замкнутой магнитной цепи 92
5.1.3 Измерение индукции коэрцитивного возврата при наличии зазора в составной магнитной цепи 96
5.2 Измерение коэрцитивной силы 101
5.2.1 Уменьшение влияния зазора 101
5.2.2 Уменьшение влияния формы и размеров контролируемых объектов 105
5.3 Выводы к главе 108
Заключение 110
Список литературы 112
- Способы и средства локального измерения магнитных свойств массивных ферромагнитных объектов
- Экспериментальные исследования
- Пространственное распределение магнитных поля и потока вблизи поверхности локально намагничиваемых ферромагнетиков
- Экспериментальное исследование влияния магнитной неоднородности на результаты измерений коэрцитивной силы при контактном и бесконтактном намагничивании
Введение к работе
Актуальность темы исследования. В настоящее время магнитные измерения применяются как для определения непосредственно магнитных свойств материалов, так и для суждения по величине этих свойств о структурно-фазовом состоянии, внутренних и приложенных напряжениях, наличии различного рода дефектов и других важных технологических характеристиках изделий.
Магнитные методы структурно-фазового анализа достаточно давно и широко применяются в промышленности. Дальнейшее их развитие, очевидно, может идти в двух направлениях. Первое – поиск новых параметров контроля, разработка новых методик и измерительных преобразователей, позволяющих измерять физические характеристики, являющиеся параметрами контроля. Второе направление, значительно расширяющее диапазон применения физических методов неразрушающего контроля, - использование одновременно нескольких физических характеристик в качестве параметров контроля. Многопараметровые методы контроля обеспечивают высокую информативность и достоверность оценки состояния материалов [1-3]. Однако для их реализации требуются устройства, позволяющие с достаточной для практики точностью определять необходимый комплекс параметров контроля и, по возможности, обладающие мобильностью, простотой и удобством измерений, возможностью оцифровки, компьютерной обработки и сохранения результатов измерений.
Специфика магнитного вида неразрушающего контроля заключается в сложности измерений и интерпретации результатов [1, 4-6]. Необходимо, как правило, определять магнитные характеристики не тела, а вещества контролируемых изделий. В открытой цепи это возможно только для тел малых размеров и простой формы. Для крупногабаритных изделий и изделий сложной формы определение магнитных свойств вещества возможно только с использованием приставных преобразователей, т.е. составных магнитных цепей, что требует решения весьма специфических задач по определению истинных значений поля и намагниченности в контролируемом участке изделия.
Для правильного выбора конструкции и размеров намагничивающих устройств, а также для определения оптимальных мест расположения первичных измерительных преобразователей необходимы детальные сведения о пространственном распределении поля и потока внутри контролируемых объектов различных типоразмеров, а также над поверхностью таких объектов в зоне контроля.
Обычно проведение магнитных измерений затруднено из-за загрязнения поверхности изделий, значительной шероховатости поверхности, а также наличия немагнитных покрытий на объектах контроля. Появление зазора в
составной замкнутой магнитной цепи в связи с указанными причинами вносит существенные погрешности в результаты измерений магнитных свойств вещества. Таким образом, особенно актуально получение в результате работы новых методик и средств локального и бесконтактного определения магнитных свойств вещества, по которым можно будет судить о физико-механических характеристиках контролируемых объектов.
Степень разработанности темы исследования. До проведения диссертационных исследований было недостаточно сведений о распределении магнитных полей и потоков внутри и над поверхностью намагничиваемых приставными электромагнитами массивных ферромагнитных объектов. В рамках настоящего исследования такие сведения были получены путем численного моделирования и сопоставления их результатов с экспериментальными данными. Эти сведения послужили основой для конструирования приставного преобразователя, обеспечивающего необходимое намагничивание зоны контроля, а также разработки новых многопараметровых способов и аппаратно-программных средств локального измерения магнитных свойств вещества при наличии зазора в магнитной цепи и с учетом влияния формы и размеров объектов контроля на результаты измерений.
Цели и задачи. Целью настоящей работы является разработка новых способов и средств локального и бесконтактного измерения двух наиболее информативных параметров магнитной структуроскопии - коэрцитивной силы и индукции коэрцитивного возврата.
Для достижения поставленной цели в работе решались задачи:
-
Теоретическое и экспериментальное исследование пространственного распределения поля и потока внутри и над поверхностью имеющих различные геометрические размеры и магнитные свойства ферромагнитных объектов, которые контактно или бесконтактно намагничиваются приставными электромагнитами различных типоразмеров.
-
Усовершенствование конструкции приставных электромагнитов для обеспечения необходимого для измерения магнитных свойств вещества намагничивания ферромагнитных объектов.
-
Разработка способов и аппаратно-программных средств локального и бесконтактного измерения комплекса магнитных параметров, характеризующих функциональные свойства изделий и объектов.
Научная новизна полученных в диссертации результатов может быть сформулирована в виде следующих положений:
1. Показано, что применяемые в настоящее время П-образные электромагниты с межполюсным расстоянием, значительно превышающим толщину их полюсов, намагничивают межполюсную зону массивных испытуемых объектов недостаточно эффективно, при этом измеряемая по размагничива-
ющему току коэрцитивная сила в основном определяется свойствами тех объемов контролируемого объекта, которые находятся под полюсами и в непосредственной близости от них.
-
Появление и рост зазора в составной магнитной цепи, образуемой П-образным электромагнитом и объектом, приводит к существенному изменению информативных объемов и дополнительному снижению чувствительности к магнитным неоднородностям в середине межполюсной зоны.
-
Определено, что необходимая для измерения магнитных свойств вещества плотность тангенциальной составляющей магнитного потока в межполюсной зоне объекта наиболее эффективно может быть достигнута путем уменьшения межполюсного расстояния используемых электромагнитов с помощью встречно направленных наконечников.
-
Установлено, что для различных типов приставных электромагнитов уменьшение влияния зазора в составной магнитной цепи «преобразователь-объект» на результаты локального измерения коэрцитивной силы и индукции коэрцитивного возврата может быть достигнуто путем дополнительного измерения максимального магнитного потока.
-
Установлено, что для уменьшение влияния формы массивных контролируемых объектов на результаты локального измерения коэрцитивной силы и индукции коэрцитивного возврата может быть достигнуто путем дополнительного измерения остающейся после выключения намагничивающего тока тангенциальной составляющей магнитного поля вблизи поверхности объекта в составной цепи электромагнит-объект.
Теоретическая и практическая значимость работы. Полученные в работе результаты моделирования пространственного распределения магнитных поля и потока в массивных объектах, намагничиваемых приставными электромагнитами, расширяют представления о характере локального намагничивания ферромагнетиков различных форм и размеров.
Рекомендованные требования к приставным электромагнитам могут быть использованы при конструировании новых измерительных преобразователей для коэрцитиметров и магнитных структуроскопов.
Разработанные способы локального и бесконтактного измерения коэрцитивной силы и индукции коэрцитивного возврата, характеризующих функциональные свойства объектов, являются основой нового метода многопарамет-ровой магнитной структуроскопии изделий.
Получен патент на способ локального измерения коэрцитивной силы ферромагнитных объектов.
Методология и методы исследования. При выборе необходимых параметров контроля использовалась методология магнитного структурно-фазового анализа с ориентацией на преимущественное использование маг-
нитных свойств веществ. При исследовании особенностей локального намагничивания массивных объектов и разработке методов и средств измерений была использована методология цифрового моделирования пространственного распределения магнитных полей и потоков внутри и вблизи поверхности намагничиваемых объектов. Экспериментальные исследования выполнялись с использованием цифровых технологий управления измерениями, сбора и анализа экспериментальных данных.
Основные результаты и положения, выносимые на защиту:
-
Количественные данные о пространственном распределении магнитных полей и потоков внутри и вблизи поверхности локально намагничиваемых приставными электромагнитами массивных ферромагнитных объектов различных размеров и формы.
-
Результаты исследований влияния немагнитного зазора в составной магнитной цепи и формы контролируемых массивных объектов на результаты измерений магнитных параметров контроля.
-
Рекомендации по созданию намагничивающих устройств, обладающих пониженным пространственным рассеянием потока и обеспечивающих уровень намагничивания зоны контроля, достаточный для измерения магнитных свойств вещества.
-
Способы уменьшения влияния зазора в составной магнитной цепи и типоразмеров контролируемых объектов путем учета дополнительно измеряемых магнитных параметров.
-
Аппаратно-программные средства локального и бесконтактного измерения коэрцитивной силы и магнитной индукции коэрцитивного возврата.
Личный вклад автора. Постановка задач проводилась автором совместно с научным руководителем. Автором проведено компьютерное моделирование пространственного распределения магнитных полей и магнитного потока внутри и около поверхности массивных ферромагнитных объектов различных типоразмеров, намагничиваемых приставными электромагнитами. Василенко О.Н. проведены экспериментальные исследования влияния неоднородности намагничивания пластин приставным электромагнитом на результаты измерения магнитных параметров контроля. Автором получены экспериментальные данные, выполнена статистическая обработка, проведн анализ полученных данных с целью разработки нового способа локального измерения магнитных свойств при наличии зазора в магнитной цепи. Результаты исследований неоднократно докладывались диссертантом на всероссийских и международных конференциях. Вместе с руководителем автор принимала участие в обсуждении результатов исследований, написании статей по выполненной работе и написании заявки на патент РФ на изобретение.
Степень достоверности. Достоверность полученных в работе результатов обеспечивается их устойчивой воспроизводимостью, использованием аттестованных измерительных приборов и экспериментальных установок, аттестованных методик измерений и методов обработки экспериментальных данных. Достоверность также подтверждается согласованностью промежуточных результатов с результатами других авторов. Выводы, сделанные в диссертации, логически следуют из результатов модельных и экспериментальных исследований и не противоречат современным научным представлениям.
Апробация результатов. Материалы диссертации были представлены на следующих конференциях и семинарах: V Всероссийской конференции «Механика микронеоднородных материалов и разрушение» (г. Екатеринбург,
-
г.), IX, X, XII и XIV Всероссийских школах-семинарах по проблемам физики конденсированного состояния вещества (г. Екатеринбург, 2008 г.,
-
г., 2011 г., 2013 г.), XXIV, ХXV Уральской конференции «Физические методы неразрушающего контроля» (г. Екатеринбург, 2009 г., 2011 г.), пятнадцатой Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых (г. Кемерово-Томск, 2009 г.), XIX Всероссийской конференции по неразрушающему контролю и технической диагностике (г. Самара, 2011 г.), XXVII Международная конференция „Дефектоскопия 2012 (г. Созополь, Болгария, 2012 г.), V Байкальской международной конференции "Магнитные материалы. Новые технологии" (г. Иркутск, 2012 г.), 4-й международной научно-технической конференции Современные методы и приборы контроля качества и диагностики состояния объектов (г. Могилев, Республика Беларусь, 2012 г ), 7-й национальной научно-технической конференции Не-разрушающий контроль и техническая диагностика - UkrNDT-2012 (г. Киев, Украина, 2012 г.), XXVIII Международная конференция „Дефектоскопия 2013 (г. Созополь, Болгария, 2013 г.).
Диссертационная работа выполнена в лаборатории комплексных методов контроля ИФМ УрО РАН в рамках: плановой темы РАН (шифр «ДИАГНОСТИКА», номер государственной регистрации 01201064334), Программ фундаментальных исследований Президиума РАН «Анализ, моделирование и экспериментальное исследование топологии магнитных и акустических полей в ферромагнитных объектах» (проект № 09-П-2-1001) и «Математическое и физическое моделирование неоднородных электромагнитных полей и разработка многоцелевых программно-аппаратных систем контроля с использованием бесконтактных методов измерений» (проект № 12-П-2-1031), Программы Президента РФ государственной поддержки молодых российских ученых – кандидатов наук «Разработка метода контроля стадии предразруше-ния стальных конструкций по магнитным и акустическим параметрам» (про-
ект № МК-27162010.8), Проекта РФФИ № 12-08-33098 мол_а_вед «Моделирование и экспериментальное исследование взаимосвязи инициированных деформацией изменений структуры, прочностных, магнитных и акустических свойств стальных объектов», Программы ориентированных фундаментальных исследований УрО РАН «Влияние упругих и пластических деформаций на электромагнитные свойства трубных сталей, методика и аппаратура для обнаружения опасных напряжений и дефектов в трубах» (проект № 11-2-02-СГ), Региональной целевой программы развития вычислительных, телекоммуникационных и информационных ресурсов УрО РАН «Моделирование в среде ANSYS намагничивающих и измерительных систем локальной диагностики ферромагнитных объектов» (проект № РЦП-13-П2).
Публикации. Результаты диссертации опубликованы в 4 научных статьях в журналах из перечня ВАК РФ и WoS, 1 статье в монографии, 1 патенте на изобретение, 7 статьях в сборниках трудов конференций, 10 тезисах докладов.
Соответствие диссертации Паспорту научной специальности. Содержание диссертации соответствует пункту 5 «Разработка различных магнитных материалов, технологических приемов, направленных на улучшение их характеристик, приборов и устройств, основанных на использовании магнитных явлений и материалов» паспорта специальности 01.04.11 – физика магнитных явлений.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка цитируемой литературы, состоящего из 159 наименований, и трех приложений. Общий объем диссертации составляет 131 страницу, в том числе 54 рисунка и 5 таблиц.
Способы и средства локального измерения магнитных свойств массивных ферромагнитных объектов
Магнитные методы определения структурно-фазового и напряженно деформированного состояния основаны на измерении магнитных параметров контроля (коэрцитивная сила, остаточная намагниченность, начальная проницаемость и т.д.) и последующем суждении по ним о контролируемых параметрах (твердость, предел прочности, уровень внутренних напряжений и т.д.) ответственных объектов. Магнитные методы контроля структуры и механических свойств материалов и изделий нашли широкое применение в различных отраслях промышленности. Для решения задач структуроскопии в основном применяют следующие методы: коэрцитиметрические, измерения остаточной магнитной индукции, магнитной проницаемости с использованием магнитоупругих эффектов. По каждому из методов ведутся разработки средств неразрушающего контроля, решающих ряд зада неразрушающего контроля. Основным недостатком разрабатываемых средств является отсутствие метрологической аттестации, что исключает их массовое использование и серийный выпуск. Как известно, коэффициентом размагничивания равным нулю, обладает тело, имеющее форму тора с небольшим отношением ширины сечения к среднему радиусу, поскольку при такой форме линии магнитной индукции замкнуты внутри вещества и не создают на поверхности магнитных зарядов, вызывающих появления размагничивающего поля. С некоторыми оговорками это же справедливо в отношении составных замкнутых магнитных цепей. Примером такой цепи может служить П-образный сердечник приставного электромагнита с замыканием магнитного потока через тело изделия. Данная конструкция нашла широкое применение в коэрцитиметрах и измерителях релаксационных магнитных характеристик ферромагнетиков [24]. 1.2.1 Коэрцитиметры и магнитные структуроскопы Для решения задач структуроскопии разработано большое количество приборов, но все они предназначены либо для регистрации лишь одной величины, либо, в силу своих конструктивных особенностей, для узкого диапазона изменений измеряемых величин. Для большинства крупногабаритных контролируемых объектов измерения магнитных свойств производятся с помощью приставных преобразователей. Широко применяется локальное измерение магнитных параметров с помощью приставных электромагнитов. Примерами таких средств контроля являются коэрцитиметры [22, 66, 81-83] и магнитные структуроскопы [10, 84, 85]. Измерительным преобразователем в указанных приборах является, как правило, П-образный электромагнит [48, 54, 86-90] со встроенным в его магнитопровод датчиком магнитного потока. Все известные приставные электромагниты имеют межполюсное расстояние больше ширины полюсов, и показания коэрцитиметра в основном определяются свойствами тех объемов контролируемого объекта, которые находятся под полюсами и в непосредственной близости от них. В качестве датчика магнитного потока может использоваться рамочный феррозонд [66, 81] или датчик Холла, помещаемый в разрез магнитопровода (например, коэрцитиметры КИФМ -1Х и КИМ-2М) [22, 66, 81], или расположенный вблизи от магнитопровода и фиксирующий поток рассеяния [72, 82]. В случае рамочного феррозонда или датчика Холла вблизи магнитопровода составная цепь преобразователь-объект остается замкнутой, однако вследствие нелинейной и неоднозначной зависимости показаний таких датчиков от величины потока они могут использоваться только как нуль-индикаторы. Поперечный разрез магнитопровода приводит к размыканию составной цепи преобразователь-объект и, как следствие, измеряемые магнитные параметры будут магнитными свойствами тела, а не вещества [10, 14, 36, 61, 83, 85]. Так измеряемая в разомкнутой цепи остаточная магнитная индукция становится мерой коэрцитивности материала объекта [10]. О величине магнитного поля в объекте во всех указанных случаях судили по току в намагничивающих обмотках электромагнита.
Из главы 1.1 следует, что коэрцитивная сила во многих случаях однозначно связана с контролируемыми механическими параметрами, что обусловило наиболее широкое распространение метода коэрцитиметрии в магнитном контроле.
Коэрцитиметрические методы контроля получили наиболее широкое распространение среди магнитных методов благодаря высокой чувствительности к структурным изменениям и фазовым превращениям, относительной простоте, значительной точности и возможности проведения локальных измерений.
Как известно [13, 24, 66, 76, 83], измерение коэрцитивной силы ферромагнетиков конечных размеров проводят либо в открытой магнитной цепи (намагничивание в соленоиде), либо в составной замкнутой (намагничивание в пермеаметре или с помощью приставных намагничивающих устройств).
Измеряемая в открытой магнитной цепи коэрцитивная сила не зависит от формы и размеров ферромагнетиков [13, 24, 66, 76, 83] и усредняется по всему объему ферромагнетика, что не позволяет оценивать возможные неоднородности свойств объекта, в частности – параметры упрочненных слоев.
В целях неразрушающего контроля и диагностики наиболее распространены локальные измерения коэрцитивной силы ферромагнитных объектов при помощи приставных преобразователей [13, 24, 64, 66, 69, 70, 71, 76, 83, 91-93]. Впервые коэрцитиметр с приставным электромагнитом для контроля качества подшипниковых колец был предложен А.В. Нифонтовым, индикатором размагниченности в данном приборе служила магнитная стрелка. Со второй половины 30-х годов в ИФМ УрО РАН под руководством М.Н. Михеева велись работы по дальнейшему совершенствованию коэрцитиметрических методов контроля. В вышеупомянутых случаях общепринятой мерой коэрцитивной силы служит величина размагничивающего тока в обмотках электромагнита [13, 66, 83] при нулевом магнитном потоке в цепи преобразователь-объект. Также предложено коэрцитивную силу оценивать по показаниям измерительного преобразователя магнитного поля, располагаемого в нейтральной плоскости П-образного электромагнита, в момент равенства показаний двух других датчиков поля, помещенных на различном расстоянии от поверхности контролируемого объекта [91] или в момент равенства нулю магнитного потока в цепи преобразователь-объект [64].
В настоящее время во многих приборах используются преобразователи, аналогичные преобразователю коэрцитиметра КИФМ-1, в котором измерительным преобразователем является рамочный феррозонд. Внешний вид прибора КИФМ-1 представлен на рисунке 1.2 слева. На этом же рисунке приведен внешний вид мультитестера ММТ-2, о котором речь пойдет ниже.
Экспериментальные исследования
При определении магнитных свойств вещества именно коэрцитивной силы и магнитной индукции коэрцитивного возврата) измерения проводились баллистическим методом (ГОСТ 8.377-80) при помощи пермеаметра в замкнутой магнитной цепи. На рисунке 2.2 приведена схема экспериментальной установки, предназначенной для измерения магнитных свойств ферромагнетиков. В состав установки входят: регулируемые источники намагничивающего (1) и размагничивающего (2) токов; пермеаметр (3); микровеберметр Ф191 (4), цифровой вольтметр В7-34А (5) для измерения намагничивающего тока по падению напряжения на образцовом сопротивлении R; переключатель К1 для подключения источников намагничивающего 1 или размагничивающего 2 тока к обмоткам пермеаметра; ключ К2 для изменения полярности тока в обмотках пермеаметра.
Определение относительных значений магнитных свойств вещества проводили в составной замкнутой магнитной цепи с помощью ранее разработанной аппаратуры (СИМТЕСТ и КИФМ-1М).
Мобильная малогабаритная программно-аппаратная система СИМТЕСТ предназначена для реализации одно- и многопараметровых методов контроля физико механических свойств и напряженно-деформированного состояния изделий по их магнитным свойствам вещества [64, 65]. Система позволяет в автоматическом и ручном режимах проводить измерение комплекса магнитных свойств, выполнять предварительную обработку и визуализацию измеренных данных, запоминание и накопление результатов, проводить комплексный анализ и сопоставлять измерительную информацию с электронной базой данных. Комплектация системы: накладной преобразователь с электрическим намагничиванием, управляемый источник тока, плата АЦП/ЦАП, ноутбук, специализированное программное обеспечение. Общий вид прибора СИМТЕСТ приведен на рисунке 2.3, а технические характеристики – в приложении А. В разработанной малогабаритной, мобильной программно-аппаратной системе СИМТЕСТ, блок-схема которой представлена на рисунке 2.4, объединены новые измерительные средства и оригинальное программное обеспечение для получения, предварительной обработки, запоминания и последующего анализа и обобщения измеренных данных как в производственных, так и в полевых условиях.
ПК – персональный компьютер типа ноутбук; БП – блок питания; УИТ – управляемый источник тока; ПЭ – приставной электромагнит со щелью-преобразователем в магнитопроводе; ДХ1 и ДХ2 – датчики Холла для измерения поля в щели и на поверхности изделия; У – блок усиления; АЦП, ЦАП – аналого-цифровой преобразователь L-Card E-440 с каналом цифро-аналогового преобразования
Рисунок 2.4 - Блок-схема программно-аппаратной системы СИМТЕСТ Намагничивание контролируемых изделий может осуществляться приставным электромагнитом, питающимся от программно управляемого источника тока, либо неэлектрическим намагничивающим устройством. Измерение магнитного потока в контролируемом изделии производится с помощью отверстия-преобразователя, а величина внутреннего магнитного поля измеряется датчиком Холла на поверхности изделия. В программное обеспечение системы входят пакет управляющих программ, а также имеются оригинальные программы для математической, статистической и графической обработки результатов измерений и контроля.
В приборе реализован способ измерения магнитного потока в изделии при помощи отверстия-преобразователя, выполненного в перемычке магнитопровода [64, 150]. Для уменьшения погрешности измерений, связанных с наличием потока рассеяния между полюсами электромагнита, необходимо размещать отверстие по возможности ближе к контролируемому изделию. На рисунке 2.5 представлено схематическое изображение приставного электромагнита, помещенного на контролируемое изделие. Электромагнит состоит из сплошного магнитопровода (а) и намагничивающих обмоток (в). В полюсе магнитопровода имеется отверстие (б) в форме узкой щели с плоскопараллельными стенками, перпендикулярными направлению магнитного потока.
Поскольку магнитный поток в магнитопроводе практически равен магнитному потоку в изделии (рассеянием потока, обусловленным зазором между полюсами электромагнита и поверхностью изделия, можно пренебречь при хорошей подгонке соприкасающихся поверхностей), то по величине магнитного потока в магнитопроводе можно судить о величине магнитного потока в изделии. Пропорциональность между напряженностью магнитного поля в отверстии и величиной магнитного потока в магнитопроводе электромагнита обеспечивается специальным выбором формы отверстия [150].
Пространственное распределение магнитных поля и потока вблизи поверхности локально намагничиваемых ферромагнетиков
Для измерения магнитных свойств вещества, помимо определения магнитного потока, необходимы способ и средства достоверного определения внутреннего магнитного поля в контролируемой зоне ферромагнитного объекта. Возможность измерения внутреннего поля внешним преобразователем основывается на непрерывности тангенциальной составляющей магнитного поля на границе ферромагнетик-воздух [14, 26, 36, 61, 64]. Измерение внутреннего поля возможно, если силовые линии поля параллельны поверхности намагничиваемого объекта в зоне контроля (область тангенциального намагничивания) и внешнее поле измеряется непосредственно на поверхности объекта.
Современные малогабаритные датчики измеряют поле на расстоянии от 0,5 мм и более. Для определения допустимого удаления (h ) рабочей области датчика от поверхности объекта было рассчитано распределение поля внутри и над поверхностью ферромагнитных плит и пластин, намагничиваемых приставным П-образным электромагнитом с межполюсным расстоянием 35 мм и МДС, равной 1100 Ампер-витков, ширина и толщина полюса электромагнита составляли 28 и 10 мм соответственно, толщина объекта в три раза превышала соответсвующий размер полюса.
Как видно из рисунка 3.14 рассчитанные для удаления 0,5 мм, 1,5 мм и 4 мм от поверхности значения магнитного поля в межполюсном пространстве над поверхностью намагничиваемых объектов ( He ) хорошо коррелируют с величиной внутреннего поля (Hi ). Изменение величины h оказывает аддитивное влияние на величину измеряемого над поверхностью объектов поля He . Это означает, что при измерении относительной величины внутреннего поля и, следовательно, относительных значений внутреннего магнитного поля, датчик поля может находиться в межполюсном пространстве на достаточно большом удалении от поверхности объекта.
На рисунке 3.15 в относительных единицах приведены петли гистерезиса вещества массивной стальной пластины, локально измеренные с использованием обычного и оптимизированного магнитных преобразователей. Видно, что использование оптимизированного преобразователя дает более достоверную информацию о магнитных свойствах ферромагнитных объектов. X0 широко применяемые для намагничивания П-образные электромагниты недостаточно эффективно намагничивают межполюсное пространство. Плотность магнитного потока в межполюсной зоне таких объектов в 2-5 раз меньше, чем в околополюсной зоне;
пространственное распределение поля и индукции, создаваемое в массивных ферромагнетиках приставным П-образным электромагнитом, слабо зависит от магнитных свойств намагничиваемых объектов и в основном определяется геометрическими размерами и формой приставного электромагнита и намагничиваемого объекта; - боковое рассеяние существенно затрудняет намагничивание массивных объектов вблизи нейтральной плоскости электромагнита;
- уменьшение бокового рассеяния магнитного потока наиболее эффективно достигается путем уменьшения расстояния между полюсами П-образного электромагнита;
- использование встречно направленных фигурных наконечников позволяет увеличивать плотность магнитного потока как вблизи поверхности, так и на достаточно большой глубине массивного объекта;
- снижение бокового рассеяния и концентрация магнитного потока в зоне контроля также достигается путем использования цилиндрического электромагнита с насадками на внешний и внутренний полюса;
- существует принципиальная возможность определения относительной величины внутреннего магнитного поля в намагничиваемых объектах различных типоразмеров по величине тангенциальной составляющей магнитного поля, измеряемой на достаточно большой (единицы миллиметров) высоте над поверхностью таких объектов.
Экспериментальное исследование влияния магнитной неоднородности на результаты измерений коэрцитивной силы при контактном и бесконтактном намагничивании
Полученные в результате моделирования закономерности подтверждаются представленными ниже результатами проведенных экспериментальных исследований.
Для исследования влияния неоднородности намагничивания на результаты локального измерения коэрцитивной силы с помощью стандартного коэрцитиметра КИФМ-1М с П-образным электромагнитом был выполнен цикл измерений размагничивающего тока IHc , являющегося мерой коэрцитивной силы, при изменении местоположения имитирующих упрочненный слой магнитотвердых накладок на магнитомягкую пластину при различных зазорах d между полюсами приставного преобразователя и пластиной (рис. 4.7).
Полюса магнитопровода П-образного электромагнита имели сечение 12x28 мм, расстояние между ближайшими краями полюсов (межполюсное расстояние) было равно 32 мм. Магнитомягкая ( Hc = 4,2 А/см) пластина имела размеры 2x40x90 мм.
Измерения проводили с использованием двух магнитотвердых накладок с коэрцитивной силой 13,6 А/см (накладка 1) и 27,5 А/см (накладка 2) и размерами 5x20x57 мм. Накладки размещали в центре межполюсного пространства (конфигурация 1) или вблизи одного из полюсов (конфигурация 2).
Показания коэрцитиметра КИФМ-1М при изменении местоположения имитирующих упрочненный слой накладок и вариации зазора представлены в таблице
Видно, что показания коэрцитиметра IH0c, полученные для пластины без накладок, монотонно падают при увеличении зазора. Помещение магнитотвердых накладок на магнитомягкую пластину в межполюсном пространстве электромагнита приводит к росту показаний коэрцитиметра. Прирост показаний зависит от места положения накладок. Когда накладки находятся в центре межполюсного пространства, то соответствующие показания коэрцитиметра I1Hc при всех значениях зазора меньше, чем
I показания H2c, полученные при нахождении накладок у полюса электромагнита. Таблица 4.1 - Зависимость показаний коэрцитиметра КИФМ-1М от расположения магнитных неоднородностей на пластине толщиной 2 мм при различных зазорах между преобразователем и намагничиваемым объектом
Как видно из таблицы 4.1 и рисунка 4.8, увеличение зазора оказывает неодинаковое влияние на показания коэрцитиметра при различных положениях накладок. При конфигурации 1 увеличение зазора уменьшает не только соответствующие показания коэрцитиметра I 1 Hc, но и прирост показаний АHc=H1Нс-H c, обусловленный помещением на пластину магнитотвердых накладок (рисунок 4.8а). Для накладки 1 прирост показаний при увеличении зазора до 0,5 мм уменьшается от 4 мА до 2,3 мА (на 43 %), а для накладки 2 - от 6,5 мА до 3,8 мА (на 42 %). При конфигурации 2 показания коэрцитиметра значительно слабее зависят от величины зазора. Абсолютные значения показаний 1Нс для накладки 1 уменьшаются от 27,5 мА до 17 мА, а для накладки 2 - от 32 мА до 25,3 мА. Из рисунка 4.8б видно, что 2 0 прирост показаний AI Hc =Ijjc -ГНс при увеличении зазора до 0,5 мм для накладки 1 уменьшается от 7 мА до 5,3 мА (на 24 %), а для накладки 2 - прирост практически не меняется.
Увеличение толщины магнитомягкой пластины 6 уменьшает чувствительность коэрцитиметра к наличию и местоположению высококоэрцитивных накладок. Как видно из рисунка 4.9, при нулевом зазоре величина приращений показаний А1Нс за счет магнитотвердых накладок для пластины толщиной в 4 мм заметно меньше, чем для пластины толщиной в 2 мм. Однако и в этом случае прирост показаний коэрцитиметра при конфигурации 2 существенно выше, чем при конфигурации 1. При толщине пластины 7,5 мм наличие и месторасположение накладок практически не оказывает влияния на показания коэрцитиметра.
Таким образом, магнитная неоднородность, находящаяся в центре межполюсного пространства оказывает значительно меньшее влияние на показания коэрцитиметра, чем такая же неоднородность вблизи полюса электромагнита. Кроме того, зазор между полюсами электромагнита и поверхностью намагничиваемого объекта сильнее снижает чувствительность к магнитной неоднородности в центре межполюсного пространства. Это необходимо учитывать при коэрцитиметрическом контроле изделий с неоднородными свойствами (поверхностно упрочненные зоны, наклепанные участки и т.д.).
Анализ результатов показывает, что:
1. При использовании распространенных в коэрцитиметрии П-образных электромагнитов с межполюсным расстоянием больше ширины полюсов (X0 Y0) показания коэрцитиметра в основном определяются свойствами тех объемов контролируемого объекта, которые находятся под полюсами и в непосредственной близости от них. Магнитные неоднородности в центре межполюсного пространства оказывают слабое влияние на показания коэрцитиметра. В еще большей степени это справедливо при наличии зазора в цепи преобразователь-объект.
2. При применении П-образных электромагнитов с межполюсным расстоянием больше ширины полюсов (Х0 Y0) середина межполюсной зоны объекта намагничивается значительно слабее, чем подполюсные и околополюсные зоны объекта. Появление и рост зазора в составной магнитной цепи в большей степени ослабляет намагничивание середины межполюсной области, чем околополюсных областей, приводя к существенному изменению информативных объемов контролируемого объекта.
3. Наиболее эффективно повысить плотность магнитного потока в середине межполюсной зоны намагничиваемых плит и пластин можно за счет уменьшения межполюсного расстояния, по крайней мере, до значений ширины полюсов (т.е. должно быть X0 Y0). Такое изменение конструкции, реализуемое с помощью встречно направленных наконечников, может быть целесообразно как для измерения магнитных свойств вещества контролируемых объектов, так и для повышения чувствительности методов магнитной дефектоскопии.
4. Мерой зазора в составной цепи преобразователь - объект может служить величина магнитного потока Фmax, определяемого при максимальном фиксированном намагничивающем токе в электромагните.
