Спосіб визначення механічних напруг у виробах з феромагнітних матеріалів та пристрій для його реалізації

Изобретение относится к приборостроению, а именно к определению механических напряжений в изделиях из ферромагнитных материалов путем измерения изменения магнитных свойств последних, и может быть использовано в машиностроении, газовой промышленности других отраслях для неразрушающего контроля механических (например, остаточных сварочных) напряжений. Известен способ определения механических напряжений, который заключается в том, что устанавливают преобразователь, состоящий из накладных электромагнитов, расположенных на одной прямой вдоль базы измерения на контролируемое изделие, подают на намагничивающий электромагнит синусоидальный сигнал, снимают с измерительного электромагнита сигнал, по величине которого судят о механических напряжениях (А.с. СССР №249721, кл. МКИ G01 11/12, 1969). Недостатками данного способа является низкая точность измерений вследствие сильного влияния неконтролируемых параметров (изменения структуры материала, химического состава, термической обработки, немагнитного зазора между полюсами и поверхностью контролируемого изделия и др.). Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ, в котором на контролируемое изделие устанавливают преобразователь, содержащий два взаимоперпендикулярных накладных электромагнита, один из которых намагничивающий, а другой - измерительный, подают на намагничивающий электромагнит намагничивающий сигнал, снимают с измерительного электромагнита преобразованный сигнал, определяют измеряемую величину путем фазочувствительного измерения преобразованного сигнала и по значению измеряемой величины судят о механических напряжениях (А.с. СССР №111331, кл. G01n27/86, G01r33/02, 1957). Способ-прототип реализуется датчиком магнитной анизотропии (А.с. СССР №111331, кл. G01n27/86, G01r33/02, 1957), который содержит генератор синусоидального сигнала, преобразователь, устанавливаемый на контролируемое изделие и выполненный в виде двух накладных взаимоперпендикулярных электромагнитов, один из которых намагничивающий, а другой - измерительный, и фазочувствительный вольтметр, причем намагничивающий электромагнит подключен к генератору синусоидального сигнала, генератор синусоидального сигнала подключен к одному из входов фазочувстви тельного, вольтметра, а измерительный электромагнит подключен к другому входу фазочувствительного вольтметра. Изобретение по указанному авторскому свидетельству может быть выбрано в качестве прототипа как для способа, так и для устройства, так как содержит следующие признаки, общие с заявляемым изобретением. Для способа: операцию установки на контролируемое изделие преобразователя, содержащего два взаимоперпендикулярных накладных электромагнита, один из которых намагничивающий, а другой - измерительный, подачу на намагничивающий электромагнит намагничивающего сигнала, снятие с измерительного электромагнита преобразованного сигнала, определение измеряемой величины путем фазочувствительного измерения преобразованного сигнала и определение по значению измеряемой величины механических напряжений. Для устройства: наличие генератора синусоидального сигнала, преобразователя, устанавливаемого на контролируемое изделие и выполненного в виде двух накладных взаимоперпендикулярных электромагнитов, один из которых намагничивающий, а другой измерительный и фазочувствительного вольтметра; при этом намагничивающий электромагнит подключен к генератору синусоидального сигнала, генератор синусоидального сигнала подключен к одному из входов фазочувстви тельного вольтметра, а измерительный электромагнит подключен к другому входу фазочувствительного вольтметра. Недостатком прототипа по способу и по устройству является низкая точность измерения механических напряжений в изделиях из ферромагнитных материалов. Реализация определения механических напряжений по способу - прототипу с помощью устройства прототипа осуществляется следующим образом. На намагничивающий электромагнит подают намагничивающий сигнал. С измерительного электромагнита снимают преобразованный сигнал. Преобразованный сигнал может совпадать по фазе с намагничивающим сигналом или иметь произвольный сдвиг по фазе, не кратный 0 и 180°. При сдвиге фазы преобразованного и намагничивающего сигналов на величину, кратную 0 и 180°, происходит смена знака измеряемой величины. Сдвиг по фазе связан со значительной неравномерностью распределения магнитных свойств по поверхности контролируемого изделия, например, в сварных соединениях в результате действия остаточных сварочных напряжений. Далее производят фазочунстви тельное измерение преобразованного сигнала и получение, таким образом, измеряемой величины. В случае совпадения фаз намагничивающего и преобразованного сигналов фазочувствительное измерение преобразованного сигнала дает значение измеряемой величины, равное эффективному значению преобразованного сигнала. В случае несовпадения фаз намагничивающего и преобразованного сигналов фазочувствительное измерение преобразованного сигнала дает уменьшенное значение измеряемой величины вследствие уменьшения эффективного значению преобразованного сигнала по двум причинам, Во-первых при интегрировании преобразованного сигнала в измеряемом полу периоде присутствует как положительная, так и отрицательная части полуволн, которые взаимокомпенсируются. Во-вторых каждая из полуволн является неполной. Указанное уменьшение сигнала при формировании измеряемой величины обусловливает снижение точности определения механических напряжений по способу - прототипу с использованием устройства - прототипа. В основу заявляемого изобретения поставлена задача усовершенствования способа измерения механических напряжений в изделиях из ферромагнитных материалов и устройства для его реализации путем введения новых операций в способ и новых элементов и связей в устройство, благодаря чему повышается точность определения механических напряжений для случаев несовпадения фаз намагничивающего и преобразованного сигналов на величину не кратную 0 и 180°. Поставленная задача решается за счет того, что в известном способе, заключающемся в том, что определяют измеряемую величину сигнала путем фазочувствительного измерения сигнала, поданного на намагничивающий электромагнит преобразователя, установленного на контролируемое изделие, и снятого с измерительного электромагнита преобразователя преобразованного сигнала, и определяют по значению измеряемой величины сигнала механических напряжений, согласно предлагаемому, изобретению, одновременно с фазочувствительным измерением производят измерение эффективного значения преобразованного сигнала, а измеряемую величину сигнала определяют из соотношений: при при где - величина преобразованного сигнала, определенная фазочувствительным измерением; - эффективное значение преобразованного сигнала; - измеряемая величина. Для реализации этого способа предложено устройство, включающее генератор синусоидального сигнала, преобразователь, устанавливаемый на контролируемое изделие и выполненный в виде двух накладных взаимоперпендикулярных электромагнитов, один из которых намагничивающий, а другой измерительный, и фазочувствительный вольтметр, причем намагничивающий электромагнит подключен к генератору синусоидального сигнала, генератор синусоидального сигнала подключен к одному из входов фазочувствительного вольтметра, а измерительный электромагнит подключен к другому входу фазочувствительного вольтметра. Согласно предлагаемому изобретению устройство дополнительно снабжено вольтметром переменного тока и счетно-решающим блоком, причем вход вольтметра переменного тока подключен к измерительному электромагниту, а выходы обоих вольтметров подключены к счетнорешающему блоку. Одновременное применение с фазочувствительным измерением дополнительного измерения эффективного значения преобразованного сигнала позволяет определять измеряемую величину по всему преобразованному сигналу без его потери в отличие от способа-прототипа, в котором измеряемая величина определяется с потерей части преобразованного сигнала при фазочувствительном измерении, для случаев несовпадения фаз преобразованного и намагничивающего сигналов на величину, не кратную 0 и 180°. Применение вольтметра переменного тока подключенного входом к измерительному электромагниту позволяет определить эффективное значение всего преобразованного сигнала. Применение счетнорешающего блока позволяет по предложенному соотношению определить измеряемую величину. На чертеже (фиг.) изображена функциональная схема устройства для реализации способа определения механических напряжений в изделиях из ферромагнитных материалов. Устройство для определения механических напряжений в изделиях из ферромагнитных материалов содержит генератор синусоидального сигнала 1, преобразователь 2, устанавливаемый на контролируемое изделие и выполненный в виде двух накладных взаимоперпендикулярных электромагнитов, один из которых намагничивающий 3, а другой - измерительный 4, и фазочувствительный вольтметр 5, причем намагничивающий электромагнит подключен к генератору синусоидального сигнала 1, генератор синусоидального сигнала 1 подключен к одному из входов фазочувствительного вольтметра 5, а измерительный электромагнит подключен к другому входу фазочувствительного вольтметра 5, вольтметр переменного тока 6 и счетно-решающий блок 7. Причем вход вольтметра переменного тока 6 подключен к измерительному электромагниту 4, а выходы обоих вольтметров 5 и 6 подключены к счетно-решающему блоку 7. Сущность предложенного способа заключается в следующем. Устанавливают на контролируемое изделие преобразователь 2, содержащий два взаимоперпендикулярных накладных электромагнита, один из которых намагничивающий 3, а другой измерительный 4, подают на намагничивающий электромагнит 3 синусоидальный сигнал, снимают с измерительного электромагнита 4 сигнал, производят его фазочувстви тельное измерение, а также одновременно определяют его эффективную величину, затем определяют измеряемую величину из соотношения указанного выше, по величине которого, например, пользуясь градуировочным графиком, определяют механические напряжения. Устройство для реализации указанного способа работает следующим образом. Генератор синусоидальных сигналов 1 подает намагничивающий сигнал на намагничивающий электромагнит 3 преобразователя 2, который наводит магнитный поток в контролируемом изделии. Магнитный поток из-за наличия магнитной анизотропии изделия, вызванной присутствием механических напряжений, отклоняется от направления полюсов намагничивающего электромагнита в сторону измерительного электромагнита 4, тем самым приводя к появлению в измерительном электромагните 4 преобразованного сигнала. Этот преобразованный сигнал состоит из сигнала основной частоты с фазой кратной 0 и 180° сигнала генератора и не кратных 0 и 180° сигнала генератора, например при измерении сварочных напряжений. В фазочувстви тельном вольтметре 5 происходит фазочувствительное выпрямление и измерение преобразованного сигнала, но при этом происходит потеря части сигнала с фазой кратной 0 и 180° намагничивающему сигналу. Вольтметр переменного тока 6 производит измерение всего преобразованного сигнала и передает его на счетно-решающий блок 7. Счетно-решающий блок 7 производит по предложенному соотношению определение измеряемой величины. По измеряемой величине определяют механические напряжения. В качестве примера, иллюстрирующего реализацию предлагаемого способа определения механических напряжений в изделиях из ферромагнитных материалов и устройства для его реализации ниже приведены результаты измерений продольных остаточных сварочных механических напряжений по предлагаемому способу, способу - прототипу и сравнение их с результатами измерений разрушающим методом, который широко используется для измерения остаточных сварочных механических напряжений. Измерения напряжений проводилось в сварном образце размером 500 ´ 500 ´ 5мм из Стали 20. При изготовлении сварного образца сварку продольного шва проводили под слоем флюса АН-348 проволокой Св 08А диаметром 3мм на режиме Ме ханические напряжения по предлагаемому способу определяли с использованием преобразователя ДМА-1. Преобразователь выполнен в виде двух взаимоперпендикулярных электромагнитов. Преобразователь подключали по схеме намагничивающим электромагнитом к генератору синусоидальных сигналов ГЗ-109, а измерительным к фазочувстви тельному вольтметру (блоку преобразования измерителя механических напряжений ИНИ-1Ц), кроме того второй вход фазочувствительного вольтметра также подключали к ГЗ-109. К измерительному электромагниту преобразователя ДМА-1 подключали также вольтметр переменного тока на базе мультиметра Щ4313. Балансировка исходного фазового смещения преобразователя осуществлялась в блоке преобразования измерителя механических напряжений ИНИ-1Ц. В качестве намагничивающего использовали сигнал напряжением 3В частотой 1000Гц. По показаниям фазочувствительного вольтметра и вольтметра переменного тока согласно предложенного соотношения определяли измеряемую величину. Определение механических напряжений по измеряемой величине проводили по методике, описанной в статье Батюк В.В., Жданов И.М., Фомичев С.К. и др. Оценка напряженного состояния сварных конструкций магнитоупругим методом // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. - 1992. - № 3. - С.80 87. Ме ханические напряжения по способу прототипу определяли с использованием описанной выше схемы подключения аппаратуры. При этом в качестве измеряемой величины принимали показания фазочувствительного вольтметра. Определение механических напряжений по измеряемой величине проводили по указанной выше методике. Ме ханические напряжения разрушающим способом определяли механическим тензометрированием (Экспериментальные методы исследования деформаций и напряжений: Справ. пособие / Под ред. Б.С. Касаткина. - К.: Наук. думка, 1981. - С.583) с использованием механического тензометра ДРГ 15/50. Сравнительные результаты определения измеряемой величины и механических напряжений, полученные предлагаемым способом, способом - прототипом и разрушающим методом приведены в таблице. Таким образом заявляемый способ и устройство позволяют повысить точность определения механических напряжений в изделиях из ферромагнитных материалов.