накладной электромагнитный преобразователь

Формула изобретения

НАКЛАДНОЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, содержащий цилиндрический магнитопровод с размещенными на нем обмоткой возбуждения, подмагничивающей обмоткой и измерительной обмоткой, отличающийся тем, что магнитопровод выполнен в виде стержня с площадью поперечного сечения S_м, имеющего перешеек высотой l_n, площадь S_n поперечного сечения которого выбрана из условия S_п= где l, l - высоты частей магнитопровода большего сечения, обмотка возбуждения и измерительная обмотка размещены на перешейке, а подмагничивающая обмотка выполнена из двух последовательно согласно соединенных секций, которые установлены на частях магнитопровода большего сечения.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для неразрушающего контроля электромагнитных, физико-механических и геометрических параметров ферромагнитных материалов, например магнитной проницаемости, механических напряжений, толщин проводящих в диэлектрических покрытий на ферромагнитных изделиях.

Известен накладной магнитный преобразователь, содержащий П-образный магнит, имеющий перешеек с зазором, в котором смонтирована подвижная магнитная стрелка, жестко связанная с уравновешивающей пружиной [1] . При использовании преобразователь устанавливается на поверхность изделия, например, с покрытием магнитное сопротивление в межполюсном зазоре уменьшается, магнитный поток в основой и параллельной магнитных цепях перераспределяется и стрелка поворачивается на угол, пропорциональный толщине покрытия.

Известный преобразователь имеет низкую точность контроля, так как практически невозможно обеспечить одинаковый контакт преобразователя с контролируемой поверхности. Кроме того, преобразователь чувствителен к анизотропии ферромагнитного основания, а использование небольшой по размерам шкалы дополнительно снижает точность контроля. Использование двухполюсной системы не позволяет обеспечить также локальный контроль, поэтому преобразователь не может быть использован для контроля малогабаритных изделий. Указанные недостатки ограничивают возможности преобразователя и он используется, главным образом, для ориентировочной оценки толщин покрытий.

Наиболее близок по технической сущности к изобретению накладной электромагнитный преобразователь, содержащий цилиндрический магнитопровод с размещенными на нем обмоткой возбуждения, подмагничивающей обмоткой и измерительной обмотки, подключаемой к измерительному прибору или измерительному устройству [2] .

При использовании преобразователь устанавливают на поверхность изделия и одновременно намагничивают изделие переменным и постоянным магнитным полем, по величине напряжения, снимаемого с измерительной обмотки, судят о контролируемом параметре, например, толщине диэлектрического покрытия, пользуясь предварительно построенным тарировочным графиком зависимости выходного напряжения от величины контролируемого параметра, например толщины диэлектрического покрытия.

Достоинством преобразователя является сравнительно высокая локализация области контроля и частичная отстройка от влияния разброса электромагнитных свойств ферромагнитной основы из-за насыщения. Однако известный преобразователь имеет сравнительно узкую область применения, он может быть использован только для контроля толщин проводящих покрытий, не превышающих глубину проникновения в него переменного электромагнитного поля. Значения этих толщин не превышают нескольких миллиметров, между тем частот возникает задача контроля толщин проводящих покрытий в несколько сантиметров, такая задача возникает, например, при контроле свинцовых покрытий, наносимых на ферромагнитные стенки реакторов. Кроме того, при использовании преобразователя не контролируется степень промагничивания материала постоянным магнитным полем, поэтому полностью исключить влияние разброса магнитной проницаемости ферромагнитной основы на результаты контроля не удается, т. е. точность преобразователя невысокая.

Цель изобретения - повышение точности контроля и расширение области использования.

Это достигается тем, что в накладном электромагнитном преобразователе, содержащем цилиндрический магнитопровод с размещенными на нем обмоткой возбуждения, подмагничивающей обмоткой и измерительной обмоткой, магнитопровод выполнен в виде стержня с площадью поперечного сечения S_м, имеющего перешеек высотой l_п, площадь S_п поперечного сечения которого выбрана из условия:

S_п= , где l_l^l, l₁^II - высота частей магнитопровода большего сечения, обмотка возбуждения и измерительная обмотка размещены на перешейке, а подмагничивающая обмотка выполнена из двух последовательно согласно соединенных секций, которые установлены на частях магнитопровода большого сечения.

На чертеже показана конструкция накладного электромагнитного преобразователя.

Преобразователь содержит цилиндрический стержневой магнитопровод 1, на котором размещена подмагничивающая обмотка 2, подключенная к источнику 3 постоянного тока. В стержневом магнитопроводе 1 выполнен перешеек 4 высотой l_п и с площадью поперечного сечения S_п, на котором размещены обмотка 5 возбуждения, подключенная к источнику 6 переменного тока, и измерительная обмотка 7, подключенная к измерительному прибору 8.

Площадь S_п поперечного сечения стержня выбрана из условия

S_п= , где l_l^l, l₁^II - высоты частей магнитопровода большего сечения.

Подмагничивающая обмотка 2 выполнена из двух последовательно согласно соединенных секций и размещена на этих частях магнитопровода.

Накладной электромагнитный преобразователь работает следующим образом.

Перед использованием преобразователь калибруют. Для этого его устанавливают на эталонный образец, подключают обмотки 2 и 5 соответственно к источнику 3 постоянного тока и источнику 6 переменного, а измерительную обмотку 7 подключают к измерительному прибору 8. Изменяют значения контролируемого параметра, например толщину проводящих покрытий. При различной величине постоянного и переменного тока снимают зависимости выходного сигнала с измерительной обмотки от толщины проводящих покрытий. Выбирают зависимость, соответствующую максимальной линейности и чувствительности, и принимают значения постоянного и переменного токов, соответствующих этой зависимости в качестве рабочих.

Устанавливают преобразователь на контролируемое изделий 9, например, покрытие проводящим покрытием, подключают обмотки 2 и 5 соответственно к источникам постоянного и переменного тока, а измерительную обмотку 7 - к измерительному прибору 8. Снимают с измерительной обмотки 7 выходное напряжение и по тарировочной зависимости, полученной при калибровке, по величине напряжения определяют толщину проводящего покрытия.

Разработанная конструкция преобразователя использует одновременно два фактических эффекта: эффект подмагничивания перешейка 4 постоянным магнитным потоком Ф, от величины которого зависит магнитная проницаемость материала перешейка и эффект перераспределения постоянного магнитного поля Ф в зависимости от толщины покрытия (зазора) в параллельной цепи - перешеек - воздушная среда, окружающая его.

Для уменьшения величины полей рассеяния постоянного магнитного потока и создания однородного постоянного магнитного потока по всему сечению магнитопровода выбраны геометрические размеры перешейка. Обозначим магнитное сопротивление участков магнитопровода, образуемых перешейком и R_м¹¹ и R_м1^II магнитное сопротивление перешейка R_п, магнитное сопротивление воздушной среды у перешейка R _п. Примем, что стержневой магнитопровод преобразователя 1 выполнен плоской формы толщиной в, т. е. с конфигурацией, соответствующей чертежу. Однородный постоянный магнитный поток будет в магнитопроводе до установки преобразователя на поверхность контролируемого изделия при условии R_м1¹+ R_м^II = R_эп, где R_эп - эквивалентное сопротивление перешейка. Для принятого варианта магнитопровода

R_эп= ;

R_пэ= , (1) где R ₁ ; R ₂ - соответственно магнитное сопротивление симметричных участков (воздушных), образованных перешейком.

Условие однородности магнитного потока в магнитопроводе примет вид

R_м1^I + R_м1^II = ; (2)

Для магнитного сопротивления участков магнитопровода, перешейка и участков (воздушных), образуемого перешейком, запишем:

R= ; R= ; R_п = ;

R₁= ; R₂= (3-7) где _o - магнитная проницаемость вакуума;

S_м, S_п, S ₁, S ₂ - площадь поперечного сечения участков магнитопровода, перешейка и участков (воздушных);

_м - относительная магнитная проницаемость материала участков магнитопровода и перешейка;

l₁^I; l₁^II; l_п, l ₁, l ₂ - высота участков магнитопровода перешейка и воздушных участков.

Так как R ₁ и R ₂ >> R_п. то согласно (1, 2) R_{п э} >> R_п, поэтому (2) примет вид

R_м1^I + R_м1^II = R_п (8)

С учетом формул (3, 4, 5) из выражения (8) получим

+ + или S_п= (9)

Полученное значение площади поперечного сечения перешейка 4 соответствует созданию в магнитопроводе однородного постоянного магнитного потока, а следовательно, и минимальному значению полей рассеяния постоянного магнитного потока. Следует отметить, что полученная формула будет справедлива для всех конфигураций геометрии магнитопровода плоской, цилиндрической, а также для различного размещения перешейка по высоте магнитопровода, а также для случаев различного выполнения перешейка симметрично. Во всех этих случаях изменяются только значения параметров, входящих в формулу (9).

Для практической апробации преобразователя был изготовлен опытный образец с параметрами: диаметр магнитопровода 5 мм, высота участков магнитопровода 1 и 1 8 мм, высота перешейка 4 мм, диаметр перешейка 1 мм, число витков обмотки возбуждения - 150 витков, измерительной - 150 витков, подмагничивающей обмотки 2 х 200 витков, частота переменного тока 30 кГц и величина 40 мА, величина постоянного тока 90 мА. Сигнал с измерительной обмотки детектировался и фиксировался микроамперметром типа М 2003. Начальный сигнал с измерительной обмотки компенсировался от дополнительного гальванического элемента типа А 332. Преобразователь использовался для контроля толщины свинцовых покрытий, нанесенных на углеродистую сталь Ст. 45, Ст. 10,

Результаты эксперимента показали, что погрешность (относительно) измерения толщины свинцовых покрытий в диапазоне от 0 до 25 мм не превышает 10% , при этом практически полностью отсутствует прохождение переменного магнитного потока, формируемого обмоткой 5 в основание ферромагнитного материала, т. е. возможные колебания электропроводности основания не сказываются на точности измерения. Разброс в показаниях прибора для оснований Ст. 45 и Ст. 10 не превышал 1% . (56) 1. Справочник под ред. Елюева В. В. Пpиборы для неразгружающего контроля материалов и изделий. М. : Машиностроение, 19850 с. 60.135.

2. Авторское свидетельство СССР N 932385, кл. G 01 N 27/90, 1980.