Магнитные методы
УДК 120.679.14
ИМПУЛЬСНЫЙ МАГНИТНЫЙ АНАЛИЗАТОР ИМА-4М
В. Ф. Матюк, М. А. Мелъгуй, А. А. Осипов, В. Д. Пиунов, В. Н. Кулагин
Рассмотрено влияние нестабильности заднего фронта намагничивающих импульсов на результаты контроля импульсным магнитным методом. Описан новый прибор ИМА-4М для магнитного контроля качества термообработки, механических свойств и микроструктуры изделий из низкоуглеродистых, а также ряда среднеуглеродистых и низколегированных холоднокатаных и горячекатаных сталей толщиной до 4 мм. Приведены структурная схема и технические характеристики прибора.
Импульсный магнитный метод [1—3] контроля качества термообработки, механических свойств и структуры листового проката сталей и изделий из него уже около тридцати лет применяется на промышленных предприятиях стран СНГ и дальнего зарубежья. При реализации метода осуществляется локальное импульсное намагничивание контролируемого изделия соленоидом без сердечника и измерение градиента нормальной составляющей напряженности поля остаточной намагниченности VHrn, по величине которого определяют величину контролируемого параметра. Зависимость между показаниями прибора и контролируемыми свойствами металла устанавливается потребителем путем нахождения корреляционных связей в соответствии с ГОСТ 30415—96.
Так, импульсные магнитные анализаторы ИМА-2А, ИМА-4, ИМА-4А [А—6] применяются для неразрушающего контроля качества термообработки, механических свойств и структуры изделий из низкоуглеродистых и слаболегированных сталей толщиной от 0,15 до 4 мм. Эксплуатация этих приборов показала, что на результаты измерений большое влияние оказывает форма заднего фронта намагничивающих импульсов и соответственно степень ее нестабильности, которая определяется разбросом параметров элементов разрядной цепи (накопительного конденсатора, намагничивающего соленоида и разрядного электронного ключа) в пределах их допуска. В работах [7—8] рассмотрены некоторые общие моменты распределения нормальной составляющей напряженности поля остаточной намагниченности над поверхностью изделия при его локальном намагничивании импульсами магнитного поля с разной длительностью переднего и заднего фронтов. Однако для приборов типа ИМА-2А, ИМА-4, ИМА-4А имеются особенности, заключающиеся в формировании намагничивающих импульсов малой длительности (порядка 1 мс) за счет практически периодического разряда.
В данной работе исследовалось влияние заднего фронта намагничивающих импульсов малой длительности на градиент нормальной составляющей напряженности поля остаточной намагниченности. Изменение формы и длительности заднего фронта обеспечивалось введением последовательно с намагничивающим соленоидом дополнительного резистора /?1 и цепочки из последовательно соединенных диода и резистора R2, шунтирующих накопительный конденсатор цепи намагничивания.
На рис. 1 а представлена зависимость градиента нормальной составляющей напряженности поля остаточной намагниченности от сопротивления дополнительного резистора в разрядной цепи приборов типа ИМА-2А — ИМА-4А, полученная на образцах из листовой стали 08Ю толщиной 1 мм и температурами отжига 100 и 900 °С. При изменении сопротивления R1 от 0,1 до 10 Ом амплитуда импульсного тока через соленоид монотонно изменялась от 180 до 1,5 А, а длительность — от 0,4 до 1,5 мс. Из рисунка видно, что при R\ »1 Ом имеется максимум зависимостей (для температуры отжига 100 °С несколько смещений в сторону
больших величин R1), соответствующий переходу колебательного разряда из периодического в апериодический. Шунтирование накопительного конденсатора кремниевым диодом приводит (рис. Iff) только к изменению начального участка зависимости от R\ = 0 до #1 =0,5 Ом, далее ход кривых такой же, как и на рис. 1а. При этом относительное изменение показаний прибора на обоих образцах мало зависит от величины R1 в пределах от 0 до 0,5 Ом.
R1, Ом
Рис. 1. Зависимость градиента нормальной составляющей напряженности поля остаточной намагниченности от величины дополнительного резистора R1 в разрядной цепи приборов типа ИМА-4М без диодного шунтирования (в) и с диодным шунтированием при R2 = 0 (б): О — без отжига; • — Г„ = 900 "С.
На рис. 2 представлены относительные изменения градиента нормальной составляющей напряженности поля остаточной намагниченности в зависимости от величины дополнительного резистора R2 в цепи диода, шунтирующего накопительный конденсатор, при /?1 =0,1 Ом (рис. 2а) и /?1 = 0,39 Ом (рис. 26) для тех же образцов из стали 08Ю. Из представленных зависимостей видно, что при одинаковых R2 относительное изменение показаний для образца с Тотж = 900 °С менее значительное, чем для образца без отжига.
Сопоставление в относительных единицах результатов измерений V#rn на образцах с крайними температурами отжига показало, что величину резистора RI целесообразно выбрать в пределах 0,33—0,39 Ом. Это позволяет при достаточно высокой чувствительности прибора получать хорошую повторяемость измерений независимо от колебаний параметров элементов разрядной цепи и в то же время добиться взаимозаменяемости приборов рассматриваемого типа на образцах металла с различными свойствами за счет вариации сопротивления R2 в цепи диода, шунтирующего намагничивающий конденсатор.
На основе этих исследований и с учетом современных требований к аппаратуре взамен вышеуказанных приборов ИМА разработан импульсный магнитный анализатор ИМА-4М.
Принцип действия анализатора ИМА-4М, как и предыдущих моделей, заключается в локальном намагничивании контролируемого изделия серией импульсов магнитного поля заданной амплитуды и измерении градиента нормальной составляющей напряженности поля остаточной намагниченности.
Рис. 2. Относительное изменение градиента нормальной составляющей напряженности поля остаточной намагниченности в зависимости от величины резистора 42 в цепи шунтирующего диода при Л1 = 0,1 Ом (а) и Л1 = 0,39 Ом (б) для стали 08Ю без отжига (О) и при температуре отжига 900 °С (•).
Импульсы магнитного поля создаются импульсами тока, проходящими через намагничивающий соленоид преобразователя, ось которого перпендикулярна поверхности испытуемого изделия. Измерение градиента нормальной составляющей напряженности поля остаточной намагниченности осуществляется с помощью феррозонда-градиентометра, расположенного внутри намагничивающего соленоида на его оси в области однородного поля.
Параметры соленоида и накопительного конденсатора намагничивающей цепи такие же, как и у прибора ИМА-4А [6]. Схема прибора выполнена на современной элементной базе, что позволило упростить устройство и, без ухудшения функциональных возможностей, снизить вес и уменьшить его габариты. Устройство прибора поясняется электрической структурной схемой (рис. 3).
Анализатор ИМА-4М состоит из следующих функциональных узлов: генератора возбуждения 1, блока намагничивания 2, преобразователя 3, блока управления 4, измерительно-детекторного блока 5, блока аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 6 и блока питания 7.
Прибор работает следующим образом. При нажатии кнопки ПУСК из блока 4 управления подаются соответствующие сигналы в блок 2 на-
4 Дефектоскопия, Ма 3, 2003
магничивания и аналого-цифровой преобразователь 6. При этом блокируется АЦП 6, гаснет табло индикации результатов измерения, включается блок 2 намагничивания, на табло индицируется "Н". Блок 2 намагничивания генерирует импульсы тока (серия из 10 импульсов), которые, проходя через намагничивающий соленоид, расположенный в преобразователе 3, создают импульсное магнитное поле, намагничивающее контролируемое изделие. По прохождении 10 импульсов намагничивание завершается. Блок 4 управления устанавливается в исходное состояние, что приводит к выключению блока 2 намагничивания и разблокированию АЦП 6. При этом производится индикация результата измерения, то есть величины сигнала, поступающего с измерительной обмотки феррозонда преобразователя 3 через измерительно-детекторный блок 5 в блок АЦП 6. Величина этого сигнала пропорциональна градиенту нормальной составляющей напряженности поля остаточной намагниченности, воздействующему на феррозонд преобразователя 3. Питание феррозонда осуществляется напряжением треугольной формы частотой 5 кГц, вырабатываемым генератором возбуждения 1.
Рис. 3. Структурная схема анализатора ИМА-4М:
I — генератор возбуждения; 2 — блок намагничивания; 3 — преобразователь; 4 — блок управления; 5 — измерительно-детекторный блок; б — блок аналого-цифрового преобразования; 7 — блок питания.
Генератор возбуждения 1 предназначен также для выработки прямоугольного напряжения частотой 10 кГц, необходимого для управления синхронным детектором измерительно-детекторного блока 5. Измерительно-детекторный блок 5 совместно с феррозондом-градиентометром преобразователя 3 предназначен для измерения градиента напряженности магнитного поля.
Аналоговый сигнал с измерительно-детекторного блока 5 поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 6. Управление работой аналого-цифрового преобразователя 6 и прием цифрового кода, соответствующего аналоговому сигналу измерительно-детекторного блока 5, осуществляется однокристальной микро-ЭВМ блока управления 4. Результат измерения после обработки однокристалльной микро-ЭВМ поступает на АЦП 6 и схему индикации для отображения на семисегмент-ных индикаторах. Однокристальная микро-ЭВМ обеспечивает выдачу данных на ПЭВМ по последовательному каналу восьмибитовыми посылками на скорости 9600 бод). Приемопередатчик интерфейса блока АЦП 6 служит для согласования логических уровней однокристальной микроЭВМ и сигналов интерфейса стандарта ЙБ 232. Блок питания 7 преобразует переменное напряжение сети питания 220 В в постоянное, обеспечивая схему анализатора ИМА-4М уровнями напряжения +5 В, +15 В и-15 В.
Преобразователь конструктивно выполнен в виде выносного блока и состоит из намагничивающей катушки и феррозонда-градиентометра,
расположенного на оси намагничивающей катушки в области ее однородного поля. Он служит для создания импульсного магнитного поля и преобразования градиента напряженности магнитного поля в пер
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.