УДК 620.179.14
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ МАГНИТНОГО ПОЛЯ — ГАЛЬВАНИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ, УПРАВЛЯЕМЫЙ МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ
А.И. Пашагин, В.Е. Щербинин
Предложено использовать для индикации магнитных полей преобразователь — гальванический элемент, где в качестве электролита применяется ферромагнитная суспензия специального состава с электролитическими компонентами (кислоты). Напряжение на электродах элемента появляется благодаря изменениям свойств суспензии под воздействием приложенного к ней магнитного поля. Исследована зависимость величины напряжения от процентного содержания электролитической компоненты и показано, что с ее увеличением чувствительность данного индикатора к полю возрастает, но становится нелинейной. Преобразователь может быть использован для индикации как однородных, так и неоднородных магнитных полей различных источников. Преимуществом перед используемыми ранее преобразователями является отсутствие отдельного источника питания и простота реализации.
Ключевые слова: преобразователь магнитного поля, напряжение на электродах, электролитическая компонента.
Известно, что чтобы получить положительные результаты магнитопо-рошкового контроля ферромагнитная суспензия должна обладать определенными характеристиками, такими как: концентрация, размер ферромагнитных частиц, их магнитные свойства, вязкость и некоторые другие, изложенные в соответствующем стандарте [1].
Кроме механических свойств суспензия обладает электрическими параметрами, величина которых может зависеть от магнитного поля, и это используют при контроле с целью получения дополнительных данных по количественной оценке результатов контроля. В [2] показано, что измерение величины электросопротивления в зоне дефекта при магнитопо-рошковом контроле может кроме визуальной индикации дать информацию о параметрах дефекта, а в [3] для этого предложено измерять величину гальванических токов суспензии специального состава, изменяющихся под действием магнитного поля. Там же предложен преобразователь магнитного поля, в котором для индикации магнитных полей дефектов используют измерение величины и напряжения гальванических токов ферромагнитной суспензии, возникающих в результате действия магнитного поля дефекта на один из двух электродов преобразователя, помещенных в суспензию.
Подобный преобразователь предназначен для индикации только неоднородных магнитных полей (таким является поле дефекта) и не может быть использован для измерений однородных магнитных полей, поскольку измерительные электроды преобразователя, находящиеся в одинаковых условиях, не нарушают потенциального равновесия между ними, так как гальванические токи при этом минимальны.
В данной работе рассмотрен преобразователь магнитного поля — гальванический элемент для индикации не только неоднородных, но и однородных магнитных полей, что осуществляется благодаря отличному от [3] расположению составляющих преобразователя внутри его конструкции.
Преобразователь (рис. 1) представляет сосуд 1, в который помещены два одинаковых медных электрода 2, правая часть 3 заполнена ферромагнитной суспензией, левая 4 дисперсионной средой, находящейся
Александр Иванович Пашагин, канд. физ.-мат. наук, старший научный сотрудник лаборатории дефектоскопии ИФМ УрО РАН. Тел. (343) 378-36-07. E-mail: pashagin@mail.ri
Виталий Евгеньевич Щербинин, доктор техн. наук, чл.-кор. РАН, главный научный сотрудник отдела неразрушающего контроля ИФМ УрО РАН. Тел. (343) 374-43-61. E-mail: scherbin@imp.uran.ru
в пространстве между электродами 5 в средней его части. По конструкции преобразователь совпадает с используемым в [3].
4,
Н
Рис. 1. Схема гальванического элемента — индикатора магнитных полей: 1 — сосуд с рабочим веществом; 2 — контактные электроды; 3 — суспензия; 4, 5 — дисперсионная среда.
Таким образом, в отличие от преобразователя в [3], где суспензия равномерно заполняет нижнюю часть сосуда и связана с обоими электродами, в данном преобразователе суспензия располагается только в области одного из них, а гальванический ток создается за счет разности потенциалов дисперсионной среды 4 и суспензии 3. Поскольку суспензия изменяет свои свойства (механические и электрические) под действием магнитного поля, то изменяется и разность потенциалов электродов 2, с которыми связаны среды 3 и 4.
В составе суспензии на водной основе в качестве поверхностно-активного вещества использовали мыльный раствор с небольшим количеством смеси соляной и ортофосфорной кислот, состав которой определяется техническими условиями ТУ 7510501.55-92. В качестве дисперсной фазы использовали ферромагнитный порошок марки ПЖВ70.
На рис. 2 показано, как изменяется напряжение и при помещении преобразователя между полюсами электромагнита при изменении магнитного поля от 0 до 800 А/см. Кривые представлены для различного процентного содержания кислоты в суспензии а (аналогичный процент содержался в дисперсионной среде 4 и 5).
С/,мВ 500
400
300
200 100 0
0 200 400 600 800 1000 Н, А/см Рис. 2. Зависимость напряжения и на электродах преобразователя от величины поля электромагнита при различном процентном содержании кислоты в суспензии а, кривые: 1 — а = 1,5; 2 — 2,25; 3 — 6,0; 4 — 10 %.
Кривые на рис. 2, показывающие зависимость разности потенциалов и на электродах преобразователя, имеют значения, не превышающие 30—40 мВ при Н = 0, и с увеличением поля растут в начальном участке слабо, далее этот рост ускоряется, достигает максимального значения на средних участках кривых, после этого кривые переходят в насыщение.
Вид кривых существенно зависит от а: так для кривой 1 с концентрацией 1,5 % участок слабого роста составляет 0—200 А/см, который далее переходит практически в линейную зависимость, участок насыщения в данном диапазоне приложенных полей отсутствует.
Кривая 4 для а = 10 % имеет большую чувствительность к магнитному полю, практически отсутствует начальный участок слабого роста, но после Н = 400 А/см видно насыщение кривой. Область полей, при которых наблюдается зависимость напряжения и от приложенного поля здесь значительно меньше, чем при малых объемах кислот, где насыщение кривых отсутствует. Для графиков на рис. 2 характерным является сужение диапазонов полей, при которых наблюдаются зависимости и(Н), их смещение в сторону слабых полей с увеличением содержания кислот в суспензии.
Для данного преобразователя были построены зависимости максимальных значений и, реализуемых в области насыщения от процентного содержания кислоты в суспензии (кривые на рис. 3а, измеренные при Н = 840 А/см). В начальном участке кривой напряжение на электродах в зависимости от количества кислоты растет и при объеме более 4 % насыщается.
и, мВ 500
400
300
200
100
0
0 2,5 5 7,5 10 12,5 15 а, %
Рис. 3. Зависимость максимальных напряжений и преобразователя в поле электромагнита от процентного содержания кислоты а при Н = 840 А/см.
По-видимому, для исследуемого преобразователя и используемых компонент суспензии с целью увеличения чувствительности нецелесообразно применять содержание кислот объемом более 4 % от общего количества жидкой фазы (дисперсионная среда + суспензия). В то же время, если ограничить область измеряемых полей, например, Нтах = 400 А/см (рис. 4), то наблюдается зависимость и от содержания кислоты, близкая к линейной, что позволяет использовать суспензии с большим содержанием ионной компоненты.
Расширить диапазон измеряемых полей возможно путем уменьшения содержания ионных компонент, но при этом уменьшается чувствительность преобразователя к измеряемым полям.
1 1
4 ш
•
>
•
и, мВ 400
350
300
250
200 150 100 50 0
0 2 4 6 8 10 12 а, % Рис. 4. Зависимость величины напряжения и преобразователя от а при Н = 400 А/см.
Ранее в [3] был представлен преобразователь для индикации полей дефектов, в котором при перемещении его по поверхности контактные электроды последовательно сканировали поле дефекта, за счет этого на выходе появлялся двухполярный импульс.
Исследования по выявлению аналогичного поверхностного дефекта (прямоугольной щели глубиной И = 2,0 и шириной 2Ь = 0,1 мм) провели и для преобразователя, исследуемого в данной работе. Кривые напряжения и при сканировании поверхности образца в замкнутой магнитной цепи при намагничивании полем Н = 40 А/см показаны на рис. 5, где при координате х = 15 мм находился дефект. Наличие дефекта здесь, в отличие от [3], регистрируется по однополярному импульсу, по своей форме очень напоминающего вид тангенциальной составляющий поля дефекта. При этом использовали дисперсионную среду на водной основе с содержанием кислоты 4 %.
Заметим, что кривые и(Н), полученные на рис. 2, не могут быть использованы для определения величины поля дефекта как градуировочные кривые вместе с измерениями на рис. 5, поскольку измерены при различных
и, мВ 350
300
250
200
150
100
50
0
0 5 10 15 20 25 30 35 X, мм
Рис. 5. Форма кривой напряжения и преобразователя при сканировании образца с дефектом при намагничивающем поле Н0 = 40 А/см.
условиях: поле дефекта обладает сильной неоднородностью и это существенно увеличивает величину гальванических токов по сравнению с однородными полями.
АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ
Анализ работы данного преобразователя показывает, что возможность индикации как однородных, так и неоднородных магнитных полей в этом случае создается за счет расположения одного из электродов в ферромагнитной суспензии специального состава. При этом свойства данного электрода определяются не только его материалом, но и контактирующей с ним суспензией, изменяется и разность потенциалов, которая создается за счет разности электрохимических потенциалов железо — медь.
В отсутствие магнитного поля дисперсная система (разбавленная суспензия) ввиду отсутствия связей и взаимодействия между частицами является свободнодисперсной системой [4]. Частицы дисперсионной среды слабо контактируют друг с другом и электродами, свободно перемещаются под действием сил тяжести, такая система обладает текучестью. Как показали э
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.