УДК 620.179.14
ВОЗМОЖНОСТИ ВЫБОРА ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ДЛЯ ДЕФЕКТОСКОПИИ
Ю.Я. Реутов, В.Е. Щербинин, А.В. Волков
Рассмотрены преобразователи магнитного поля, в той или иной степени пригодные для применения в современной магнитной дефектоскопии. Представлены результаты экспериментального определения разрешающей способности некоторых типов преобразователей.
Ключевые слова: гистерезис, дефектоскопия, коэффициент преобразования, гигантское магнитосопротивление, GMR, магниторезистивный преобразователь, микросхема, магнито-импеданс, преобразователь магнитного поля, преобразователь Холла, разрешающая способность, феррозонд.
ВВЕДЕНИЕ
Повышение точности измерения постоянных и медленно меняющихся магнитных полей является настоятельной потребностью современной дефектоскопии. Диапазон индукций измеряемых полей простирается от единиц нанотесла при обнаружении альфа-фазы и ферромагнитных включений до долей тесла при выявлении нарушений сплошности и потерь металла в приложенном поле, или при контроле намагничивающих устройств дефектоскопов.
Преобразователи индукции постоянного или медленно меняющегося магнитного поля (ПМП) в электрический сигнал, используемые в дефектоскопии, должны соответствовать целому ряду жестких требований: невосприимчивость к ударам и вибрациям; широкий диапазон рабочих температур; стабильность рабочих характеристик в течение всего времени эксплуатации; приемлемое быстродействие; малые габариты (для обеспечения локальности измерений); минимальная потребность в использовании добавочных электронных компонентов ("обвязки"); малое энергопотребление; высокая технологичность и повторяемость и, что зачастую немаловажно, приемлемая стоимость. Преобразователи, в первую очередь, должны обладать стабильной и линейной характеристикой преобразования индукции поля в электрический сигнал, а также стабильностью нулевых показаний при отсутствии измеряемого поля.
В [1] были опубликованы переводы фирменных описаний (даташитов) многих микросхемных преобразователей магнитного поля. Однако они были представлены безотносительно к потребностям магнитной дефектоскопии и, кроме того, к настоящему времени на мировом рынке появились новые, зачастую более совершенные изделия.
В [2], посвященной описанию возможностей применения преобразователей, основанных на использовании явления гигантского магнито-сопротивления (GMR), приведен краткий обзор преобразователей поля, базирующихся на других физических эффектах. Однако преобладающее внимание уделено описанию характеристик и возможностей преобразователей GMR.
Юрий Яковлевич Реутов, доктор техн. наук, ведущий научный сотрудник ИФМ УрО РАН. Тел. (343) 378-36-74. E-mail: asijal@yandex.ru
Виталий Евгений Щербинин, доктор техн. наук, чл.-кор. РАН, главный научный сотрудник отдела неразрущающего контроля ИФМ УрО РАН. Тел. (343) 374-43-61. E-mail: scherbin@imp.uran.ru
Александр Викторович Волков, младший научный сотрудник ИФМ УрО РАН. Тел. (343) 378-36-74.
Точно так же в [3] была предпринята попытка рассмотрения вариантов преобразователей магнитного поля, пригодных для применения в дефектоскопии. Однако основной упор был сделан на рассмотрение возможностей использования разрабатываемых преобразователей, основанных на явлении гигантского магнитоимпеданса. Сведения об остальных преобразователях изложены довольно скупо, а порой и недостаточно достоверно.
В данной статье представлен обзор преобразователей магнитного поля, в той или иной степени пригодных для применения в современной магнитной дефектоскопии, а также результаты проверки их реальных характеристик.
Устройства рассмотрены как преобразователи индукции или напряженности постоянного или медленно меняющегося магнитного поля в воздухе в электрический сигнал безотносительно к источникам этого поля. Напомним, что в воздухе (да и в вакууме) индукция поля В связана с его напряженностью Н простым соотношением
В = ^ ■ Н,
(1)
где — магнитная постоянная.
Следует сразу отметить, что в данной работе не рассматриваются преобразователи модуля индукции магнитного поля, то есть нечувствительные к ориентации вектора индукции. Объясняется это тем, что в дефектоскопии немаловажны сведения не только о длине вектора индукции поля, но и о его направлении.
МАГНИТОМОДУЛЯЦИОННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
Магнитомодуляционные преобразователи магнитного поля (называемые также феррозондами) были первыми высокочувствительными устройствами, получившими достаточно широкое применение в магнитной дефектоскопии в эпоху ее становления, то есть в тридцатые-сороковые годы прошлого столетия. Объясняется это относительно простой технологией их изготовления в отсутствии полупроводниковой и микроэлектронной промышленности.
Феррозонд представляет собой сердечник (или пару сердечников), изготавливаемый из магнитномягкого ферромагнетика и охваченный одной или несколькими обмотками (рис. 1).
Рис. 1. Один из двух полуэлементов феррозонда на фоне спичечной головки.
Вытянутость феррозонда вдоль направления наибольшей чувствительности к измеряемому полю облегчает его ориентацию вдоль основных координатных осей. Достаточно просверлить отверстия соответствующего диаметра ортогонально друг другу, и плотно вставленные в них феррозонды окажутся довольно точно ориентированными относительно базовых направлений измерительной платформы. Обязательное наличие у феррозонда хотя бы одной обмотки предоставляет возможность проверки и корректировки его коэффициента преобразования путем подачи в нее калибровочного тока. Эта же обмотка обеспечивает высокий процент использования энергии магнитного потока измеряемого поля в электрический сигнал, поскольку происходит суммирование ЭДС отдельных витков по всей ее длине.
Диапазон рабочих температур феррозонда простирается от близких к абсолютному нулю до 200—300 °С (ограничивается термостойкостью изоляции обмоточного провода и температурой Кюри материала сердечника). Немаловажной является возможность работы феррозонда в условиях высокой радиации [4].
Существует несколько разновидностей феррозондов, различающихся по диапазону линейного преобразования индукции измеряемого поля в полезный сигнал, разрешающей способности и сложности сопутствующей электроники. Общим для всех феррозондов является использование эффекта модуляции постоянного потока индукции измеряемого магнитного поля потоком индукции вспомогательного переменного или импульсного поля (поля возбуждения) или наоборот.
Простейшим является так называемый импедансный феррозонд, содержащий цилиндрический сердечник с цилиндрической обмоткой, подключенной к генератору переменного тока [5, 6]. При действии вдоль продольной оси феррозонда постоянного магнитного поля импеданс обмотки (при превышении индукцией измеряемого поля некоторого порогового значения) уменьшается, а значит, уменьшается и переменное напряжение на ее концах. Измеряя это переменное напряжение, можно судить о величине индукции постоянного поля, действующего на феррозонд. Диапазон индукций полей, измеряемых посредством такого феррозонда, определяется проницаемостью формы используемого в нем сердечника. Чем она меньше, тем большее значение индукции измеряемого поля требуется для насыщения сердечника, а значит, больше и рабочий диапазон. Импеданс-ный феррозонд может иметь диаметр менее миллиметра при длине от нескольких миллиметров и соединяется с электронной схемой всего двумя проводами. Электрическая мощность, необходимая для обеспечения работоспособности импедансного феррозонда, не превышает единиц милливатт, а рабочая частота может составлять десятки и сотни килогерц. Столь высокое значение рабочей частоты позволяет измерять не только постоянное, но и переменное (и импульсное) поле частотой до десятков килогерц, что бывает немаловажно при контроле изделий, движущихся со значительными скоростями (например, при прокатке). Электронная схема, используемая совместно с импедансным феррозондом, достаточно проста и неприхотлива [7, 8].
Существуют варианты феррозондов с использованием изменения индуктивности обмотки под действием измеряемого поля для управления длительностью импульсов, генерируемых электронной схемой. В этом случае пропорциональными индукции измеряемого поля оказываются частота генерируемых схемой импульсов или их скважность [9].
Отметим также феррозонды, возбуждаемые короткими пилообразными однополярными импульсами тока большой скважности. В таких феррозондах амплитуда индукции поля возбуждения превышает наибольшую индукцию измеряемого постоянного поля. Импульсы эдс, возникающие в обмотке
феррозонда в момент компенсации возбуждающим полем измеряемого, тем или иным образом используются для получения информации о величине индукции этого поля [10, 11].
Малые размеры обмоток таких феррозондов, обеспечивающие относительно большие площади поверхностей теплообмена, позволяют использовать значительные плотности токов в обмоточных проводах (как показано в [12], до 200 А/мм2) без опасности их перегрева намагничивающим током.
Вышеперечисленные разновидности феррозондов пригодны в основном для измерения полей с индукциями от единиц микротесла до сотых долей тесла и отличаются большими коэффициентами преобразования. Для измерения полей с индукциями от долей нанотесла до единиц миллитесла более подходят феррозонды типа второй гармоники [13]. Такой феррозонд состоит из двух стержневых сердечников, по возможности идентичных друг другу, с обмотками или из одного, но кольцевого, с расположенной поверх приемной обмоткой.
В таком устройстве используется принцип модуляции постоянного потока индукции измеряемого магнитного поля через приемную обмотку путем периодического доведения ферромагнитного сердечника (сердечников) до насыщения пропусканием переменного тока достаточной силы через обмотку (обмотки) возбуждения. Поскольку насыщение сердечника происходит при обеих полярностях намагничивающего поля (тока возбуждения), постольку модуляция потока измеряемого поля осуществляется с частотой, вдвое превышающей частоту тока возбуждения. Это значительно облегчает выделение полезного сигнала на фоне сопутствующих измерения
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.