Патент на изобретение №2189020

(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

(57) Реферат:

Изобретение относится к неразрушающим методам контроля и предназначено для определения механических напряжений в изделиях из ферромагнитных материалов. В металле контролируемого изделия возбуждают направленный магнитный поток определенной величины и, поворачивая крестообразный магнитопровод 7 вокруг оси, перпендикулярной плоскости его полюсов, находят и фиксируют положение магнитопровода, соответствующее максимальному значению ЭДС U_х1, наводимой в измерительной обмотке 8. Значение U_х1 отбирают для расчета. Учитывают неоднозначность зависимости ЭДС в измерительной обмотке 8 от величины механической нагрузки в металле. Для этого, изменяя ток намагничивания с помощью усилителя 3, устанавливают другую определенную величину магнитного потока и снимают новое значение ЭДС U_х2. Искомое механическое напряжение определяют, используя ЭДС, снятые в процессе измерений при указанных величинах магнитного потока. Возможность проведения измерений в одной точке контроля при двух различных режимах намагничивания обеспечена введением в устройство генератора 1 тактового, триггера 2 выбора петли, усилителя 3 тока намагничивания, ключей 12 и 13, аналого-цифрового преобразователя 21, формирователя 22 импульсов пуска, их взаимосвязями и соединениями с другими блоками устройства. Благодаря наличию оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) 17, триггера 23 управления обработкой, функциональных преобразователей 25, 26, 27, 28, генератора 29 смещения, блока 30 логического сравнения предлагаемое устройство осуществляет запоминание интерпретации результатов для каждой петли гистерезиса и автоматический логический анализ выбора наиболее вероятного результата измерений. Выходной код блока 30 при отображении на дисплее индикатора 24 соответствует показаниям в единицах измерения механических напряжений. Технический результат: повышение точности измерений. 2 с. п. ф-лы, 2 ил.

Изобретения относятся к области неразрушающих методов контроля, а именно к измерительной технике для определения механических напряжений в изделиях из ферромагнитных материалов. Способ и устройство могут быть использованы для контроля за качеством производства сварочных работ, при проведении технического надзора за инженерными сооружениями и трубопроводами, в расследованиях причин различных техногенных аварий, связанных с разрушением металлических конструкций.

Известен способ измерения механических напряжений магнитоупругими датчиками. Определение механических напряжений осуществляют по величине ЭДС, наводимой во вторичной обмотке магнитным потоком, создаваемым намагничивающей обмоткой, питаемой переменным током.

Предварительно для данной марки стали снимают градуировочные кривые зависимости ЭДС измерительной обмотки датчика от величины создаваемого в ней механического напряжения. Пользуясь градуировочными кривыми, определяют величину механического напряжения [1]. Недостатком способа является низкая точность определения механических напряжений.

Известен выбранный в качестве ближайшего аналога способ определения механических напряжений при помощи крестообразного магнитопровода с обмоткой возбуждения и измерительной обмоткой. Определение механических напряжений начинают с установки магнитопровода на контролируемое изделие. Затем, подавая переменный ток на обмотку возбуждения, возбуждают в металле контролируемого изделия направленный магнитный поток определенной величины. Поворачивая магнитопровод вокруг оси, перпендикулярной плоскости его полюсов, наблюдают за величиной ЭДС, наводимой в измерительной обмотке. При нахождении максимального значения ЭДС U_x1 отбирают его для расчета и фиксируют ориентацию магнитопровода. Расчет производят с применением предварительно снятых в процессе механического нагружения градуировочных зависимостей ЭДС [2].

Известно используемое для осуществления описанного способа устройство, выбранное в качестве ближайшего аналога. Устройство содержит генератор переменного тока, преобразователь, состоящий из крестообразного магнитопровода с обмоткой возбуждения и измерительной обмоткой, последовательно соединенные смеситель, первый вход которого подключен к выходу измерительной обмотки, усилитель сигнала, полосовой фильтр, детектор и аттенюатор, а также индикатор, два фазовращателя, подключенных к выходу генератора, и два усилителя, каждый их которых подключен к выходу соответствующего ему фазовращателя [2].

Недостатком известных способа и устройства является низкая точность определения механических напряжений. Кроме того, значительно ограничен их рабочий диапазон. Ограничение диапазона измерений обусловлено недопустимостью использования более 30% градуировочной кривой, где нелинейность превышает возможности используемого алгоритма вычислений.

Задачей изобретений является увеличение точности определения механических напряжений и расширение рабочего диапазона.

Поставленная задача решается за счет принятия во внимание неоднозначности зависимости ЭДС, наводимой в измерительной обмотке, от величины механической нагрузки в металле – неоднозначности, которая обусловлена существованием предыстории процесса нагружения контролируемой зоны металла.

Учет указанной неоднозначности достигается тем, что в способе определения механических напряжений, согласно которому на контролируемое изделие устанавливают крестообразный магнитопровод с обмоткой возбуждения и измерительной обмоткой, возбуждают в металле контролируемого изделия направленный магнитный поток определенной величины и, поворачивая магнитопровод вокруг оси, перпендикулярной плоскости его полюсов, наблюдают за величиной ЭДС, наводимой в измерительной обмотке, при нахождения максимального значения ЭДС U_x1 отбирают его для расчета, производимого с помощью предварительно снятых в процессе механического нагружения градуировочных зависимостей ЭДС, и фиксируют ориентацию магнитопровода, согласно изобретению дополнительно, не изменяя положения магнитопровода и установив другую определенную величину магнитного потока, снимают новое значение ЭДС U_x2, а искомое механическое напряжение определяют, используя предварительно полученные при указанных величинах магнитного потока петли гистерезиса в качестве градуировочных зависимостей, по формуле:

где ₁ = [tg(K₁U_x1)-tg(K₂U_x2)+^–];
₂ = [tg(K₁U_x1)-tg(K₂U_x2)-^–];
^– = ₁–₂;
⁺ = ₁+₂;
K₁ и К₂ – градуировочные коэффициенты, первый из которых соответствует U_x1, второй – U_x2;
_{1 1} и _{2 2} – градуировочные поправки, первая из которых соответствует _x1, вторая – U_x2;
или по формуле
= [tg(K₁U_x1)+tg(K₂U_x2)-⁺]/2,
если неравенство не выполняется.

Учет указанной неоднозначности также достигается тем, что устройство для определения механических напряжений, содержащее генератор переменного тока, преобразователь, состоящий из крестообразного магнитопровода с обмоткой возбуждения и измерительной обмоткой, последовательно соединенные смеситель, первый вход которого подключен к выходу измерительной обмотки, усилитель сигнала, полосовой фильтр, детектор и аттенюатор, а также индикатор, два фазовращателя, подключенных к выходу генератора, и два усилителя, каждый из которых подключен к выходу соответствующего ему фазовращателя, согласно изобретению снабжено усилителем тока намагничивания, включенным между выходом генератора переменного тока и входом обмотки возбуждения, двумя ключами, каждый из которых включен между выходом соответствующего ему усилителя и, соответственно, вторым или третьим входом смесителя, причем ко вторым входам первого и второго ключей подключены соответственно первый и второй выходы триггера выбора петли, вход которого подключен к выходу генератора тактового и синхронизующему входу генератора переменного тока, последовательно соединенными аналого-цифровым преобразователем, информационный вход которого соединен с выходом аттенюатора, а управляющий вход подключен к выходу генератора тактового через формирователь импульсов пуска, и оперативным запоминающим устройством (ОЗУ), управляющий вход которого подключен к первому выходу триггера выбора петли и к управляющему входу усилителя тока намагничивания, четырьмя функциональными преобразователями, попарно подключенными по первым информационным входам соответственно к первому и второму выходам ОЗУ, вторыми информационными входами – соответственно к первому и второму выходам генератора смещения, а управляющими входами – к первому выходу триггера управления обработкой, вход которого подключен ко второму выходу триггера выбора петли, а второй выход – к управляющему входу индикатора, информационный вход которого соединен с выходами функциональных преобразователей через блок логического сравнения.

Введение в устройство генератора тактового триггера выбора петли, усилителя тока намагничивания, включенного между выходом генератора переменного тока и входом обмотки возбуждения, двух ключей, аналого-цифрового преобразователя, формирователя импульсов пуска, их взаимосвязи и соединения с другими блоками устройства обеспечивают проведение измерений в одной точке контроля при двух различных режимах намагничивания.

В свою очередь, использование в новом способе дополнительного значения ЭДС U_x2, помимо значения ЭДС U_x1, а также предварительно снятых в процессе механического нагружения градуировочных зависимостей в виде петель гистерезиса позволяет при расчетах механического напряжения производить сравнительный анализ значений механических напряжений, получаемых сразу по двум петлям магнитомеханического гистерезиса.

Благодаря наличию в устройстве ОЗУ, триггера управления обработкой, четырех функциональных преобразователей, генератора смещения, блока логического сравнения становятся возможными запоминание интерпретаций результатов для каждой петли гистерезиса и автоматический логический анализ выбора наиболее вероятного результата измерений.

Принятый в новом способе алгоритм вычислений предполагает усреднение получаемых результатов, исключает вероятность ошибки из-за неправильной информации о предыстории процесса нагружения контролируемой зоны металла и, следовательно, увеличивает точность определения механического напряжения. Кроме того, он идентифицирует собственно предысторию процесса и обеспечивает получение однозначного результата в пределах всей длины градуировочных зависимостей, что свидетельствует о расширении рабочего диапазона способа и устройства по сравнению с известным.

Сущность предлагаемых изобретений поясняется графическими материалами, на которых представлены:
фиг.1 – блок-схема устройства для определения механического напряжения;
фиг.2 – графическая иллюстрация разрешения неоднозначности интерпретации результата измерения с применением петель магнитомеханического гистерезиса, полученных при градуировочных испытаниях образца заданной марки металла.

Устройство содержит генератор 4 переменного тока, преобразователь 5, состоящий из крестообразного магнитопровода 7 с обмоткой 6 возбуждения и измерительной обмоткой 8, последовательно соединенные смеситель 9, первый вход которого подключен к выходу измерительной обмотки 8, усилитель 18 сигнала, полосовой фильтр 19, детектор 20 и аттенюатор 16, а также индикатор 24, два фазовращателя 10 и 14, подключенных к выходу генератора 4, и два усилителя 11 и 15, подключенных к выходам фазовращателей 10 и 14 соответственно. Также оно снабжено усилителем 3 тока намагничивания, включенным между выходом генератора 4 переменного тока и входом обмотки 6 возбуждения, двумя ключами 12 и 13, каждый из которых включен между выходом соответствующего ему усилителя 11 или 15 и вторым или третьим входом смесителя 9, причем ко вторым входам ключей 12 и 13 подключены соответственно первый и второй выходы триггера 2 выбора петли, вход которого подключен к выходу генератора 1 тактового и синхронизующему входу генератора 4 переменного тока, последовательно соединенными аналого-цифровым преобразователем 21, информационный вход которого соединен с выходом аттенюатора 16, а управляющий вход подключен к выходу генератора 1 тактового через формирователь 22 импульсов пуска, и оперативным запоминающим устройством (ОЗУ) 17, управляющий вход которого подключен к первому выходу триггера 2 выбора петли и к управляющему входу усилителя 3 тока намагничивания, четырьмя функциональными преобразователями 25, 26, 27 и 28, попарно подключенными по первым информационным входам соответственно к первому и второму выходам ОЗУ 17, вторыми информационными входами – соответственно к первому и второму выходам генератора 29 смещения, а управляющими входами – к первому выходу триггера 23 управления обработкой, вход которого подключен ко второму выходу триггера 2 выбора петли, а второй выход – к управляющему входу индикатора 24, информационный вход которого соединен с выходами функциональных преобразователей 25, 26, 27 и 28 через блок 30 логического сравнения.

Все блоки устройства могут быть разработаны на основе типовых схем и реализованы с помощью однокристальной ЭВМ (встроенного процессора).

Устройство работает следующим образом.

При включении устройства все блоки устанавливаются в исходное состояние. Триггер 2 режима в исходном положении находится в состоянии “1”.

Генератор 1 тактовый вырабатывает периодически следующие управляющие импульсы достаточно большой скважности для проведения полного цикла нижеизложенной последовательности операций измерения по одной из петель магнитомеханического гистерезиса. Каждый такой импульс осуществляет переключение триггера 2 выбора петли из состояния “1” в состояние “0” и обратно.

Для определенности будем считать, что состояние “0” триггера 2 отвечает работе устройства по максимальной петле магнитомеханического гистерезиса, а состояние “1” – по минимальной петле (фиг.2). Каждый переход триггера 2 выбора петли из состояния “0” в состояние “1” приводит к соответствующему изменению коэффициента усиления усилителя 3 тока намагничивания. Для этого выход триггера 2 выбора петли соединен с управляющим входом усилителя 3 тока намагничивания.

Первый выходной импульс генератора 1 тактового переводит триггер 2 выбора петли из состояния “1” в состояние “0”. В результате потенциалом с выхода 1 триггера 2 выбора петли ключ 12 переходит в открытое состояние, а потенциалом с выхода 2 триггера 2 выбора петли ключ 13 закрывается. Потенциалом с выхода 1 триггера 2 выбора петли коэффициент усиления усилителя 3 намагничивания принимает максимальное значение, аттенюатор 16 переключает свой коэффициент деления на значение, соответствующее результатам градуировки устройства при работе на максимальной петле гистерезиса, а в оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ) 17 открывается вход ячейки 1 для записи результата первого измерения. Этот же первый выходной импульс генератора 1 тактового производит запуск формирователя 22 импульсов пуска. Он начинает формирование импульса, задерживаемого от фронта импульса генератора 1 тактового на время, требуемое для завершения переходных процессов в детекторе 20. Триггер 23 управления обработкой в момент изменения потенциала на выходе 2 триггера 2 выбора петли устанавливается в состояние “0”, соответствующее запрету обработки данных в блоках, использующих информацию, записанную в ОЗУ 17.

С помощью генератора 4 переменного тока формируется синусоидальный переменный ток опорной фазы, синхронизуемой импульсами генератора 1 тактового. Этот сигнал поступает через фазовращатели 10 и 14 на усилители 11 и 15 и далее – на входы соответствующих ключей 12 и 13. Кроме того, сформированный однофазный ток усиливается в усилителе 3 тока намагничивания с коэффициентом усиления, соответствующим состоянию триггера 2 выбора петли. Выходной сигнал усилителя 3 тока намагничивания используется для питания обмотки 6 возбуждения преобразователя 5, размещенной на одной из П-образных частей крестового магнитопровода 7. Магнитный поток, возбужденный в названной П-образной части магнитопровода 7, замыкается контролируемым участком металла изделия.

Вектор В индукции магнитного поля, возбужденного в металле преобразователем 5, по величине и направлению зависит от напряженного (механического) состояния среды. Плоское напряженное состояние металла контролируемого участка изделия описывается величинами и ориентацией двух главных механических напряжений. При отсутствии механических напряжений в металле контролируемого участка конструкции вектор В ориентирован в плоскости П-образного участка крестового магнитопровода 7 с обмоткой 6 возбуждения. Так как плоскость второго П-образного участка крестового магнитопровода 7 с измерительной обмоткой 8 ортогональна первому, то в измерительной обмотке 8 не возбуждается ЭДС (при идеальной взаимной ортогональности плоскостей П-образных участков магнитопровода 7 и изотропности материала).

По мере роста нагрузки на участок изделия происходит рост главных механических напряжений и, как следствие, изменение ориентации вектора В из-за механической деформации доменной структуры. Поскольку ток возбуждения не изменяется, то длина вектора В остается постоянной, но, если направления вектора В и вектора силы, действующей на объект, не совпадают, то его проекции на направления главных механических напряжений ₁ и ₂ изменяются. В плоскости второго П-образного участка крестового магнитопровода 7 с обмоткой 8 измерительной появляются проекции В₁ и В₂ вектора В магнитной индукции, отличающиеся от нуля, а как следствие, в измерительной обмотке 8 возникает комплексная ЭДС U, зависящая от напряженного состояния материала в соответствии с выражением (1):
U = (₁–₂)kBcos2 (1)
где k – коэффициент, зависящий от природы материала и некоторых постоянных характеристик устройства, учитываемый при производстве прибора;
– угол между вектором В и плоскостью плеча магнитопровода 7 с обмоткой 6 возбуждения преобразователя 5.

С другой стороны, комплексная амплитуда U, являясь выходным сигналом измерительной обмотки 8, соответствует выражению (2):
U = U_xsin(wt-₁–_x) (2)
где w – частота входного сигнала;
₁ – начальная фаза выходного сигнала;
_x – дополнительная фаза, обусловленная напряженным состоянием металла;
U_x – амплитуда выходного сигнала преобразователя 5.

На практике из-за отклонений плоскостей П-образных участков магнитопровода от взаимно ортогонального положения и из-за других технологических причин компоненты В₁и В₂ всегда присутствуют, поэтому в выходном сигнале измерительной обмотки 8 всегда имеется паразитная ЭДС, которая суммируется с истинным сигналом (аддитивная помеха)
U₁=U+U_n (3)
где U₁ – комплексная амплитуда выходного сигнала преобразователя 5,
U_n – комплексная амплитуда аддитивной помехи.

В предлагаемом устройстве рассмотренный информационный сигнал U в смеси с помехой U_n с выхода измерительной обмотки 8 поступает на первый вход смесителя 9. В отличие от ближайшего аналога напряжение вспомогательного сигнала U_вcn=-U_n подается на второй вход смесителя 9 с выхода генератора 4 переменного тока через фазовращатель 10, усилитель 11 и ключ 12 или через фазовращатель 14, усилитель 15 и ключ 13. Смеситель 9 может быть выполнен, например, в виде обычного сумматора (стандартный микшер на операционном усилителе) или блоком программы. В результате на выходе смесителя 9 формируется суммарный сигнал {U_S,Ф_S} двух гармонических сигналов. При соответствующем выборе фазы (с помощью фазовращателей 12 и 14) и амплитуды (регулировкой коэффициента усиления усилителей 11 и 15) вспомогательного сигнала аддитивная помеха U_n может быть подавлена полностью.

Для этого преобразователь 5 устанавливают на поверхность среды без внутренних напряжений (отожженный образец или специальный изотропный ферритовый образец) и регулируют сначала параметры блоков 10 и 11, а затем 14 и 15 до полного подавления выходного сигнала смесителя 9. Поскольку в рассматриваемой ситуации параметры помехи зависят только от конструктивных (и технологических) параметров преобразователя 5 и не зависят от напряженного состояния контролируемой среды, то данная операция для режимов работы усилителей 11 и 15 может выполняться один раз при смене преобразователя 5. В результате на выходе сумматора 9 остается только информационный сигнал U, подлежащий дальнейшей обработке.

Из (1) и (2) видно, что

поэтому при соответствующей ориентации магнитопровода 7 преобразователя 5 не сложно обеспечить выполнение равенства
cos2 = 1 (5)
Благодаря этому получаем выражение, обосновывающее возможность использования устройства для измерения разности главных механических напряжений в плоском напряженном состоянии объекта или собственно напряжения для одноосного напряженного состояния объекта:
₁–₂ = K₁U_xsin(wt-₁–_x) (6)
где К₁=(кВ)^-1.

Если этот сигнал подвергнуть операции амплитудного детектирования, то выходной сигнал амплитудного детектора будет связан с величиной разности главных механических напряжений:

Из уравнения (7) следует, что в результате измерения может быть получена искомая разность главных механических напряжений по правилу:
₁–₂ = K₁U_x (8)
Следует заметить, что в одноосном напряженном состоянии вместо разности главных механических напряжений в вышеприведенных зависимостях должно фигурировать только одно главное механическое напряжение, т.к. ₂=0. Чтобы не усложнять описание, везде по тексту принято, что в одноосном напряженном состоянии способ и устройство обеспечивают измерение механического напряжения – первого главного механического напряжения, а в плоском – разности главных механических напряжений.

Для получения разности главных механических напряжений в соответствии с уравнением (8) выходной сигнал смесителя 9 подвергают усилению в усилителе 18, полосовой фильтрации в фильтре 19 и подают на вход детектора 20. Результат детектирования через аттенюатор 16 подают на вход аналого-цифрового преобразователя 21. Пуск аналого-цифрового преобразователя 21 осуществляется с помощью выходных сигналов формирователя 22 импульсов пуска, запускаемого каждым импульсом генератора 1 тактового и вырабатывающего стробы, задержанные на время, необходимое для установления выходного сигнала детектора 20. Код, вырабатываемый аналого-цифровым преобразователем 21, пропорциональный сигналу, описанному формулой (7), поступает на вход ОЗУ 17. Поскольку при осуществлении первого измерения по максимальной петле магнитомеханического гистерезиса для приема кода открыта только ячейка 1 ОЗУ 17, то полученный код запоминается именно в ней.

Очередной импульс генератора 1 тактового изменяет состояние триггера 2 выбора петли из состояния “0” в состояние “1”. В результате ключ 12 переходит в закрытое состояние, ключ 13 – открывается, коэффициент усиления усилителя 3 намагничивания принимает минимальное значение, аттенюатор 16 переключает коэффициент деления на значение, соответствующее результатам градуировки устройства при работе на минимальной петле гистерезиса, а в ОЗУ 17 открывается вход ячейки 2 для записи результата второго измерения. Вновь происходит запуск формирователя 22 импульсов пуска. Он начинает формирование импульса, задерживаемого от фронта импульса генератора 1 тактового на заданное время.

Далее вышеописанные процессы повторяются, но на этот раз в ячейку 2 ОЗУ 17 записывается значение U_x, измеренное при работе по минимальной петле гистерезиса.

Если бы эффект магнитомеханического гистерезиса не существовал, то вышеописанной последовательности операций было бы достаточно для оценки разности главных механических напряжений в соответствии с формулой (6). Именно так работают известные устройства. Однако связь между напряженностью Н магнитного поля и индукцией В в металле нелинейна и описывается сложной функцией – петлей магнитного гистерезиса. С достаточно высокой точностью петля гистерезиса может моделироваться как две взаимносмещенных функции (₁–₂) = tg(KU_x), где – величина смещения функций по оси механических напряжений, знак “+” соответствует верхней (нисходящей) ветви, а “-” – нижней (восходящей) ветви петли магнитомеханического гистерезиса, К – градуировочная константа (фиг.2).

Обработка данных с учетом магнитомеханического гистерезиса выполняется следующим образом.

С приходом третьего импульса генератора 1 тактового перепадом потенциала на выходе триггера 2 выбора петли триггер 23 управления обработкой устанавливается в состояние “1” соответствующее разрешению обработки данных. При этом его выходным потенциалом блокируется сброс показаний на дисплее индикатора 24 – на нем сохраняется индикация результата предыдущего измерения.

С разрешением обработки данных входы функциональных преобразователей 25, 26, 27 и 28 подключаются к соответствующим выходам ОЗУ 17 и генератора 29 смещения, постоянно поддерживающего на первом выходе потенциал, пропорциональный величине (+), а на втором – (-). В результате на их выходах, а, следовательно, и на входах блока 30 логического сравнения, появляются результаты преобразования U_ik, где i= 1, 2 – номер измерения (номер петли гистерезиса), k= l, 2 – номер ветви петли, для которой выполнено преобразование. U_ik описываются функциями вида:
U₁₁=tg(K₁U_x1)+₁,
U₁₂=tg(K₁U_x1)-₁,
U₂₁=tg(K₂U_x2)+₂,
U₂₂=tg(K₂U_x2)-₂.

В блоке 30 логического сравнения выполняются операции, проиллюстрированные на фиг.2. Если (U₁₁-U₂₁)<(U_n-U₂₂), то на выходе блока 30 появляется код (U₁₁+U₂₁)/2, в противном случае – (U₁₂+U₂₂)/2.

Градуировочные константы K₁ и К₂ настраиваются таким образом, чтобы выходной код блока 30 при отображении на дисплее индикатора 24 соответствовал показаниям в единицах измерения механических напряжений. В силу (8) показания индикатора 24 при соответствующей ориентации магнитопровода 7 преобразователя 5 (для соблюдения условия (5)) будут однозначно отображать искомое значение разности главных механических напряжений в точке измерения. При этом риска на корпусе преобразователя 5 указывает на направление одного из главных напряжений в металле. Направление другого главного напряжения очевидно – оно составляет 90^o относительно первого.

В соответствии с предлагаемым способом определения механических напряжений для каждого материала, совпадающего по марке с материалами изделий, подлежащих дальнейшему контролю, значения градуировочных констант K₁ и К₂, градуировочных поправок ₁ и ₂ определяют и записывают на стадии градуировочных испытаний.

Для построения градуировочной зависимости используют образец из стали в форме, для которой заведомо известна ориентация главных механических напряжений при различных уровнях нагружения. Наиболее удобным является образец в виде тонкой узкой полосы металла, где напряженное состояние полностью характеризуется одним главным механическим напряжением, направленным вдоль продольной оси образца при осевом растяжении или чистом изгибе.

Далее образец стали устанавливают на испытательном стенде и подвергают операции формирования исходного магнитомеханического состояния (с учетом технических характеристик устройства) петли гистерезиса. Для этого выполняют непрерывное изменение напряженного состояния стали образца по циклу: от исходного состояния до напряжения, составляющего 90% от напряжения текучести, затем изменяют напряженное состояние от достигнутого уровня до уровня -90% от напряжения текучести, после чего полностью снимают нагрузку. Данная операция может быть выполнена различными способами, например путем изгиба образца в виде узкой полосы металла. В результате этой операции напряженное состояние и предыстория напряженного состояния металла образца становятся известными: окончательному напряженному состоянию металла образца на петле магнитомеханического гистерезиса будет отвечать точка пересечения нижней ветви петли гистерезиса с осью абсцисс (ось значений ЭДС измерительной обмотки преобразователя на фиг.2).

По завершении этой операции на образец устанавливают, ориентируют и фиксируют преобразователь 5 таким образом, чтобы его риска соответствовала характерной геометрической оси образца, а следовательно, и главному механическому напряжению 1. При этом ЭДС измерительной обмотки 8 преобразователя 5 покажет значение U_x1(0) для первого тока намагничивания (а следовательно, для первого значения тестового магнитного потока) и значение U_x2(0) для второго тока намагничивания (а следовательно, для второго значения тестового магнитного потока), соответствующие нулевому уровню механических напряжений, то есть состоянию, при котором на входах блока 30 логического сравнения будут наблюдаться уровни U₁₁=0 и U₂₁=0. Затем выполняют нагружение образца аналогично вышеописанной операции нагружения при формировании исходного магнитомеханического состояния с тем отличием, что на этот раз по достижении ЭДС измерительной обмотки преобразователя нулевого значения при каждом уровне возбуждаемого тестового магнитного потока, то есть U_x1=0 и U_x2= 0, регистрируют величину соответствующего механического напряжения в образце. На входах блока 30 логического сравнения будут наблюдаться потенциалы:
U₁₂ = tg(K₁U_x1)-₁ = 0-₁
и
U₂₂ = tg(K₂U_x2)-₂ = 0-₂, т.к. tg(K₁0) = 0
Откуда следует, что
₁=-U₁₂
и
2=-U₂₂,
следовательно,
K₁=arctg(-₁)/[U_x1(0)] (т.к. U₁₁=0)
K₂=arctg(-₂)/[U_x2(0)] (т.к. U₂₁=0)
Значения K₁ и К₂ записывают в запоминающее устройство аттенюатора 16, а значения ₁ и ₂ – в запоминающее устройство генератора смещения 29. На этом градуировочные операции завершаются.

В процессе работы преобразователь 5 устройства устанавливают на металл в зоне контроля, подбирают коэффициент деления аттенюатора 16 в соответствии с маркой стали обследуемого изделия, находят положение преобразователя 5, соответствующее экстремальным показаниям индикатора 24. О величине механического напряжения (разности механических напряжений) судят непосредственно по этим показателям.

Использование предлагаемого способа определения механических напряжений и устройства для его осуществления позволяет по сравнению с известным повысить точность получаемых результатов в более широком рабочем диапазоне. Кроме того, новые технические решения обеспечивают воспроизводимость результатов измерений и повышают оперативность их получения при замене преобразователя.

Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР 313101, G 01 L 1/12, oп. 1971.

2. Патент РФ 2079825, G 01 L 1/12, oп. 1997.

Формула изобретения

1. Способ измерения механических напряжений, согласно которому на контролируемое изделие устанавливают крестообразный магнитопровод с обмоткой возбуждения и измерительной обмоткой, возбуждают в металле контролируемого изделия направленный магнитный поток определенной величины и, поворачивая магнитопровод вокруг оси, перпендикулярной плоскости его полюсов, наблюдают за величиной ЭДС, наводимой в измерительной обмотке, при нахождении максимального значения ЭДС U_х1 отбирают его для расчета, производимого с помощью предварительно снятых в процессе механического нагружения градуировочных зависимостей ЭДС, и фиксируют ориентацию магнитопровода, отличающийся тем, что дополнительно, не изменяя положения магнитопровода и установив другую определенную величину магнитного потока, снимают новое значение ЭДС U_х2, а искомое механическое напряжение определяют, используя предварительно полученные при указанных величинах магнитного потока петли гистерезиса в качестве градуировочных зависимостей, по формуле

где ₁ = [tg(K₁U_x1)-tg(K₂U_x2)+^–];
₂ = [tg(K₁U_x1)-tg(K₂U_x2)-^–];
^– = ₁–₂;
⁺ = ₁+₂;
К₁ и К₂ – градуировочные коэффициенты, первый из которых соответствует U_х1, второй – U_х2;
₁ и ₂ – градуировочные поправки, первая из которых соответствует _х1, вторая – U_х2;
или по формуле
= [tg(K₁U_x1)+tg(K₂U_x2)-⁺]/2,
если неравенство не выполняется.

2. Устройство для определения механических напряжений, содержащее генератор переменного тока, преобразователь, состоящий из крестообразного магнитопровода с обмоткой возбуждения и измерительной обмоткой, последовательно соединенные смеситель, первый вход которого подключен к выходу измерительной обмотки, усилитель сигнала, полосовой фильтр, детектор и аттенюатор, а также индикатор, два фазовращателя, подключенных к выходу генератора, и два усилителя, каждый из которых подключен к выходу соответствующего ему фазовращателя, отличающееся тем, что снабжено усилителем тока намагничивания, включенным между выходом генератора переменного тока и входом обмотки возбуждения, двумя ключами, каждый из которых включен между выходом соответствующего ему усилителя и, соответственно, вторым или третьим входом смесителя, причем ко вторым входам первого и второго ключей подключены соответственно первый и второй выходы триггера выбора петли, вход которого подключен к выходу генератора тактового и синхронизирующему входу генератора переменного тока, последовательно соединенными аналого-цифровым преобразователем, информационный вход которого соединен с выходом аттенюатора, а управляющий вход подключен к выходу генератора тактового через формирователь импульсов пуска, и оперативным запоминающим устройством (ОЗУ), управляющий вход которого подключен к первому выходу триггера выбора петли и управляющему входу усилителя тока намагничивания, четырьмя функциональными преобразователями, попарно подключенными по первым информационным входам соответственно к первому и второму выходам ОЗУ, вторыми информационными входами – соответственно к первому и второму выходам генератора смещения, а управляющими входами – к первому выходу триггера управления обработкой, вход которого подключен ко второму триггеру выбора петли, а второй выход – к управляющему входу индикатора, информационный вход которого соединен с выходами функциональных преобразователей через блок логического сравнения.

РИСУНКИ

PC4A Государственная регистрация договора об отчуждении исключительного права

Дата и номер государственной регистрации договора: 25.11.2010 № РД0073051

Лицо(а), передающее(ие) исключительное право:

Общество с ограниченной ответственностью “Институт “ДИМЕНСтест”

(73) Патентообладатель(и):

Общество с ограниченной ответственностью “Феррологика”

Адрес для переписки:

Пантюхиной А.М., а/я 78 / 164, Санкт-Петербург, 198260

Дата публикации: 10.01.2011