КОНСТРУКТИВНЫЕ РЕШЕНИЯ УНИВЕРСАЛЬНОГО НАКЛАДНОГО ДАТЧИКА

Как отмечалось выше, основными преимуществами накладных преобразователей с магнитопроводами являются высокая чувствительность за счет концентрации магнитного потока в зазоре магнитопровода и локализация зоны контроля. К недостаткам же таких датчиков следует отнести узкий диапазон контроля, заключающийся в том, что каждый из них предназначен, в основном, для исследования изделия с конкретной конфигурацией. Применение таких преобразователей для широкого сортамента изделий приводит к появлению больших погрешностей, связанных с влиянием усиливающихся негативных факторов (воздушный зазор, неустойчивость его положения на изделии).

С целью расширения сортамента контролируемых изделий можно использовать первичные накладные электромагнитные преобразователи с магнитопроводами, имеющими полюса с переменной геометрией. Ниже описывается ряд конструкций таких датчиков [14].

Для определения толщин и удельных электрических проводимостей цилиндрических и плоских изделий магнитопровод преобразователя выполняют в виде пакета ферромагнитных пластин, которые могут свободно перемещаться до соприкосновения с поверхностью исследуемого изделия. На рис.3.1 приведен электромагнитный преобразователь с Ш-образным магнитопроводом, расположенный на изделии с цилиндрической поверхностью. В этом случае чувствительность преобразователя будет в два раза выше по отношению к чувствительности датчика с П-образным магнитопроводом.

Датчик состоит из магнитопровода 1, выполненного в виде пакета ферромагнитных пластин, обмотки возбуждения 2, измерительной обмотки 3, металлических немагнитных щек 4, стяжных болтов с гайками 5. Преобразователь устанавливается на исследуемое изделие, и пластины магнитопровода регулируются таким образом, чтобы его полоса приняли форму поверхности изделия, после чего пластины магнитопровода фиксируются стяжными болтами с гайками.

Рисунок 3.1 – Электромагнитный преобразователь с Ш-образным магнитопроводом

Преобразователь может работать в двух режимах. Первый режим работы заключается в том, что обмотка возбуждения питается от источника постоянного тока. Этот ток создает постоянный магнитный поток в магнитной цепи, состоящей из магнитопровода и исследуемого изделия. По величине этого магнитного потока судят о толщине и магнитных характеристиках слабомагнитного и ферромагнитного изделия. Измерения в первом режиме проводятся при изменении направления тока возбуждения либо при перемещении датчика относительно изделия.

При работе во втором режиме обмотка возбуждения питается от источника синусоидальных сигналов. Ток возбуждения создает переменный магнитный поток в магнитопроводе и изделии. Последний наводит в изделии вихревую ЭДС, под действием которой протекают вихревые токи, создающие свой переменный магнитный поток. Геометрическая сумма этого потока и потока, вызванного током возбуждения, дает результирующий магнитный поток, который наводит ЭДС в измерительной обмотке. По величине амплитуды последней можно судить о толщине, магнитных и электрических характеристиках исследуемого изделия, выполненного из магнитного либо немагнитного материала. Применение датчиков двух типов (с П-образным и Ш-образным магнитопроводами) диктуется протяженностью изделия и чувствительностью преобразователя. Оба типа датчиков создают магнитный поток, направленный вдоль образующей цилиндрической поверхности. Отсюда следует, что таким преобразователем осуществляют неразрушающий контроль и измерение продольных магнитных и геометрических характеристик цилиндрических, плоских изделий.

Так как полюса магнитопровода плотно соприкасаются с исследуемой поверхностью изделия за счет контакта каждой пластины магнитопровода, то при этом резко снижается влияние воздушного зазора между изделием и полюсами магнитопровода на результаты измерений, а следовательно, увеличивается точность измерений. Перемещение ферромагнитных пластин дает возможность исследования большого сортамента изделий с цилиндрическими поверхностями различных радиусов кривизны одним и тем же датчиком.

С целью проведения контроля и измерения как продольных, так и поперечных электромагнитных характеристик изделий широкого сортамента, а также деталей сложной геометрической конфигурации можно использовать накладной преобразователь с составным магнитопроводом (рис.3.2, 3.3). Магнитопровод состоит из одного горизонтального и двух вертикальных пакетов, причем последние и пластины в них могут свободно перемещаться до соприкосновения с поверхностью изделия и фиксироваться в требуемом положении при минимальном зазоре между соприкасающимися поверхностями горизонтального и вертикальных пакетов. Описываемый преобразователь используется для определения как продольных, так и поперечных геометрических и электромагнитных характеристик. С этой целью для исследования изделий с цилиндрической поверхностью вертикальные пакеты выполнены с возможностью поворота вокруг своих продольных осей на 90°.

Рисунок 3.2 – Накладной преобразователь с составным магнитопроводом
на цилиндрическом изделии ступенчатой конфигурации

На рис.3.2 показано расположение датчика на изделии сложной формы (например, ступенчатый вал). На рис.3.3 показано расположение преобразователя при исследовании характеристик цилиндрических изделий в направлении, перпендикулярном к образующей.

Принятые на рис.3.2, 3.3 обозначения: 1 – горизонтальный пакет ферромагнитных пластин; 2 – вертикальные пакеты; 3 – обмотка возбуждения; 4 – измерительная обмотка; 5 – фиксаторы; 6 – исследуемое изделие.

Режимы работы такого преобразователя аналогичны режимам работы описанного выше датчика.

Для оценки анизотропных свойств цилиндрических объектов можно применить устройство, показанное на рис.3.4 [15].

Рисунок 3.3 – Расположение преобразователя с составным магнитопроводом на цилиндрическом изделии перпендикулярно образующей

Устройство состоит из двух идентичных шихтованных П-образных магнитопроводов 1, возбуждающей обмотки 2, измерительных обмоток 3 и 4, пластин для фиксации набора магнитопроводов в заданном положении 5, стяжек 6, направляющей 7,стяжных 8 и фиксирующих 9 болтов с гайками.

Магнитопроводы устройства соединены через винты с барашковыми гайками, относительно которых они могут разворачиваться. Магнитопроводы могут также перемещаться вдоль паза направляющей для регулировки расстояния между смежными полюсами магнитопроводов, которое устанавливается в пределах от 0,25 до 0,5 расстояния между полосами одного магнитопровода [15].

Рисунок 3.4 – Устройство для исследования анизотропных свойств изделий

Устройство работает следующим образом. Намагничивающая обмотка питается от источника синусоидальных сигналов. Ток, протекающий по намагничивающей обмотке, создает в магнитопроводе магнитный поток Ф_м (рис.3.5), который расщепляется на два потока в изделии Ф₁и Ф₂. Поток Ф₁замыкается через изделие в направлении воздушного зазора магнитопровода с намагничивающей обмоткой, а Ф₂ – в направлении, перпендикулярном потоку Ф₁. ПотокФ₁характеризует усредненные электромагнитные характеристики, a Ф₂ – поперечные магнитные (μ_r) и продольные электрические (σ) характеристики изделия. Таким образом, устройство с двумя идентичными магнитопроводами, одной намагничивающей и двумя измерительными обмотками, позволяет определять как величины средних значений электромагнитных характеристик, так и величины этих характеристик в одном из направлений, т.е. исследовать анизотропные свойства изделий.

Рисунок 3.5 – Магнитные потоки в магнитопроводах устройства и изделии

Помимо стационарного контроля цилиндрических и плоских изделий, рассмотренные накладные преобразователи могут быть использованы и при непрерывном, поточном контроле. В этом случае необходимо предусматривать равномерный воздушный зазор, причем формы поверхности полюсов должны соответствовать форме поверхности исследуемого изделия.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Каким образом уменьшается влияние воздушного зазора при контроле плоских и цилиндрических изделий одним и тем же датчиком?

2. Опишите конструкцию магнитопровода датчика для контроля деталей сложной геометрической конфигурации.

3. Каков принцип действия первичного преобразователя для определения анизотропных свойств изделий?

4. Как осуществить непрерывный поточный контроль датчиками с магнитопроводами?

4. МЕТОДИКА ПРОВЕРКИ ОПТИМАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ
РАБОТЫ ДАТЧИКА

С целью определения характеристик накладных преобразователей с магнитопроводами были проведены эксперименты на листовых и трубчатых образцах. В экспериментах использовались Ш-образные датчики, показанные на рис.3.1. Электрическая схема включения таких преобразователей показана на рис.1.1.

Для измерения приращений толщин изделий применялись датчики с параметрами: W₁ = 810; W₂ = 4000; d = 14∙10^–3 м; с = 14∙10^–3 м; b = 19,8∙10^–3 м. Измерения проводились при величине намагничивающего тока 0,08 А. Для уменьшения влияния тепловых эффектов на характеристики изделий величина напряженности магнитного поля в зазоре датчиков выбиралась из условия j_т < j_доп. Средняя напряженность магнитного поля составляла 4963,0 А/м. В качестве образцов выбирались трубчатые изделия из сплава Д16 с величиной удельной электрической проводимости 1,72∙10⁷ См/м. Трубчатые изделия имели наружный диаметр D = 0,146 м. При уменьшении толщины исследуемого изделия относительно образцового толщина изделия абыла равной 10^–2 м и изменялась на величины ∆а, равные
0,5∙10^–3 м; 10^–3 м; 1,5∙10^–3 м; 2∙10^–3 м ; 2,5∙10^–3 м; 3∙10^–3 м. При увеличении толщины изделия относительно образцового ∆а изменялась на те же величины, а толщина изделия а = 6∙10^–3 м.

Листовые образцы были изготовлены из алюминиевого сплава с величиной удельной электрической проводимости σ = 1,72 См/м. Величины σ для листовых и цилиндрических изделий определялись прибором типа ВЭ-20Н. При уменьшении толщины исследуемого изделия относительно образцового толщина последнего была а = 10^–2 м. Толщина исследуемого изделия изменялась на величины ∆а, равные 10^–3 м; 1,5∙10^–3 м; 2,0∙10^–3 м; 2,3∙10^–3 м; 2,5∙10^–3 м; 3,0∙10^–3 м. При увеличении толщины ИИ исходная толщина а была равна 6∙10^–3 м и изменялась на величины 10^–3 м; 1,5∙10^–3 м; 1,7∙10^–3 м; 2,0∙10^–3 м; 2,5∙10^–3 м; 3∙10^–3 м.

Величина удельной электрической проводимости измерялась датчиками с параметрами: W₁ = 740; W₂ = 3600; d =6,0∙10^–3 м; c = 12,0∙10^–3 м; b = 20,0∙10^–3 м. Измерения проводились на частоте 50 Гц при значении тока в намагничивающей цепи I_н= 0,08 А, при этом напряженность возбуждающего магнитного поля составляла 7133,6 А/м. Величина удельной электрической проводимости определялась как для трубчатых, так и для листовых образцов, выполненных из различных материалов.

В экспериментах использовались: вольтметр Ф5053, вольтмиллиамперметр типа Ф563, частотомер Ч3-34, генератор ГЗ-18.

При измерении приращений толщин преобразователи предварительно балансировались на эталонных изделиях с толщинами а. Точность изготовления образцов составляла 0,5 %.

Балансировка датчиков для определения удельной электрической проводимости σизделий проводилась на воздухе.

С целью улучшения условий балансировки в конструкциях преобразователей предусмотрено наличие регулируемых магнитных шунтов.

На рис.4.1, 4.2 приведены экспериментальные зависимости чувствительности устройства (рис.1.1) от частоты питающего тока f для случая уменьшения (рис.4.1) и увеличения (рис.4.2) толщины исследуемого изделия относительно образцового. Видно, что максимальная чувствительность устройства при уменьшении толщины образцов, выполненных из сплава Д16, в пределах (0,5÷3,0)∙10^–3 м по отношению к а = 10^–2 м наступает при f_опт ≈ (18-28) Гц. При подстановке в формулу (1.14) указанных значений а и σ получим f_опт≈21 Гц. При увеличении же толщины образцов в пределах (0,5÷3,0)∙10^–3 м по отношению к а = 6∙10^–3 м максимальная чувствительность наступает при частотах возбуждающего поля f_опт ≈ (50÷60) Гц. Вычисленное по формуле (1.14) значение f_оптбудет равно 57 Гц. Как следует из рис.4.1, 4.2 относительная чувствительность устройства изменится незначительно по сравнению с максимальной, если использовать промышленную частоту 50 Гц, что позволит упростить электрическую схему преобразователя.

Расчетные кривые зависимости выходного сигнала от толщины трубчатого и листового изделий при работе устройства на частоте 50 Гц, а также экспериментальные результаты приведены на рис.4.3, 4.4 соответственно. Кривые 1 рассчитаны для случая уменьшения толщины исследуемого изделия относительно образцового, 2 – для случая увеличения. Выбор частоты f = 50 Гц в обоих случаях обусловлен удобством работы с преобразователем, поскольку при измерениях целесообразно поддерживать частоту намагничивающего тока постоянной и близкой к оптимальной.

Из рис.4.3 видно, что небольшие значения погрешностей, получаемых в эксперименте, наступают при сравнительно малых изменениях толщины. В этих случаях данные значения погрешности согласуются с расчетными значениями погрешностей, получаемых из соотношения (1.20). Если принять характерные для применяемых приборов численные значения относительных погрешностей измерения параметров, входящих в формулы (1.19), (1.20), γ_∆Е = 0,5 %;γ_Iн = 0,5 % ; γ_b = γ_с =γ_d = 0,5 %; γ_а = γ_а1 = 0,5 %; γ_ω = 0,1 %; γ_σ = 3,0 %; γ_Ен* = 4,0 %, то для случая уменьшения толщины изделия (а = 10^–2 м) получим γ_∆а = 4,7 %, а при увеличении толщины изделия (а = 6∙10^{-3 м) γ}_∆а = 4,8 %.Экспериментально полученные значения погрешностей при ∆а ≤ 10^–3 мдля трубчатых изделий соответственно составляют 3,3 %и 3,4 %. С ростом величины приращения толщины на результирующую расчетную погрешность оказывает существенное влияние погрешность, связанная с ограничением только линейными членами в разложении формулы (1.16). Поэтому, как видно из рис.4.3, наблюдается увеличение отклонений между результатами экспериментов и расчетными данными.

Рисунок 4.1 – Экспериментальные кривые чувствительности устройства
в случае уменьшения толщины изделия

Рисунок 4.2 – Экспериментальные кривые чувствительности устройства
в случае увеличения толщины изделия

Уменьшение таких отклонений осуществляется градуировкой устройства на образцах с известными величинами ∆а. Следует отметить, что численные значения рассматриваемых погрешностей относятся к измерению приращений толщин.

На рис.4.4 представлены расчетные зависимости ∆Е = f(∆а) и экспериментальные данные, полученные с помощью тех же датчиков с переменной геометрией полюсов для листовых образцов. Как видно из рисунка, характер поведения погрешности аналогичен ее поведению в предыдущем случае. Численные значения экспериментальных погрешностей для случая уменьшения (кривая 1) и увеличения (кривая 2) толщины изделия ∆а ≤ 2∙10^–3 м соответственно составляют 3,2 %и 3,6 %.

В табл. 4.1 приведены результаты измерений удельной электрической проводимости σуказанными выше преобразователями для листовых и цилиндрических изделий, выполненных из различных материалов. Здесь же даны данные контрольного метода (мостового) σ^′, полученные на образцах из тех же материалов.

Расчетное значение погрешности измерения σполучим из выражения (2.28) для численных значений относительных погрешностей γ_∆Еσ = 0,5 %;γ_b = γ_d =γ_c = 0,5 %; γ_ω = 0,1 %; γ_Ен1* = 0,05 %, в этом случае γ_σ = 3,6 %.

Из табл.4.1 видно, что расчетные значения погрешностей γ_σ согласуются с погрешностями эксперимента γ_σ′, обусловленными расхождениями результатов измерений рассматриваемым устройством и контрольным прибором Р-329.

Таблица 4.1 – Результаты измерений

Рисунок 4.3 – Расчетные кривые и экспериментальные данные величины
разностной ЭДС для различных Δа при измерениях трубчатых изделий

(× – уменьшение толщины, ° – увеличение толщины)

Рисунок 4.4 – Расчетные кривые и экспериментальные данные величины
разностной ЭДС для различных Δа при измерениях листовых изделий.

(× – уменьшение толщины, ° – увеличение толщины)

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Как осуществляется балансировка датчиков?

2. Почему с ростом приращений толщины изделия увеличивается погрешность измерений?

3. Каковы значения погрешностей измерителя толщины?

4. Назовите численные значения расчетных и экспериментальных величин погрешности измерителя удельной электрической проводимости?

5. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫе ПРЕОБРАЗОВАТЕЛи
С МАГНИТОПРОВОДАМИ