Принцип работы феррозондовых преобразователей

 

Принцип работы феррозондового преобразователя в классическом представлении показан на рис. 1.1, где каждый полузонд снабжен двумя обмотками: рабочей и измерительной. схема преобразователя с одной обмоткой на каждом полузонде представлена на рис. 2.1. при этом принцип работы преобразователя не изменяется, так как наложение магнитных полей (возбуждающего и измеряемого) происходит в сердечнике преобразователя, в частности феррозонда-градиентометра, а соответствующее формирование его выходного сигнала производится за счет дифференциального включения обмоток полузондов и дальнейшей обработки его в электронной части прибора.

положение преобразователя на плоской поверхности контролируемого объекта показано на рис. 2.2. Основание ФП лежит на поверхности ОК. система координат (x, y, z) «привязана» к детали и ОК (см. рис. 2.2).

Феррозонды-полемеры предназначены для измерения составляющих напряженности магнитного поля: ФП МДФ 9405.30-02 и МПФ 205 – для измерения тангенциальной составляющей напряженности, а МДФ 9405 130-01 и МПД 206 – нормальной (схема соединения катушек приведена в подразд. 1.1). направление составляющей поля (см. подразд. 2.2) определяет расположение пермаллоевых стержней в преобразователе (при измерении тангенциальной составляющей магнитного поля H_τ сердечники расположены параллельно основанию ФП, нормальной H_n – перпендикулярно). В рассматриваемом случае H_n реализуется координатной составляющей H_z, которая часто также называется нормальной и измеряется при постановке соответствующего преобразователя перпендикулярно объекту контроля. Для измерения тангенциальной составляющей напряженности создаваемого магнитного поля H_τ необходимо повернуть ФП вокруг его оси до получения максимального показания (тангенциальная составляющая является геометрической суммой координатных составляющих напряженности магнитного поля H_x и H_y).

При использовании преобразователей-градиентометров (МДФ 9405.30, МДФ 9405.130, МПФ 207) начало координат располагается в центре основания ФП. точки, в которых измеряются составляющие H_z для подсчета градиента по формуле [4]

 

, (2.1)

 

где Δx – конечное приращение координаты x – базы преобразователя, имеют следующие координаты (совпадают с серединой стержней ФП):

первая: x = Δx/2 = 2 мм, y = 0, z = h + l /2 = 4,3 мм;

вторая: x – Δx = –Δx/2 = –2 мм, y = 0, z = h + l /2 = 4,3 мм,

здесь h – расстояние между стержнями и основанием ФП, h = 0,8 мм;

Δx = 4 мм.

На корпус преобразователя наносится метка, которая указывает на то, что при положительных показаниях градиентометра значение H_z увеличивается в сторону метки.

На практике не оперируют двумя точками, а ориентировочно считают, что градиент напряженности магнитного поля измеряется в одной точке (в начале координат, см. рис. 2.2).

 

Выбор оптимальной базы феррозонда-градиентометра

Чем ближе стержни ФП к поверхности объекта контроля, тем выше чувствительность преобразователя, но разместить стержни сколь угодно близко к поверхности объекта невозможно, так как между ними находится защитный колпачок, который предохраняет стержни от повреждения и имеет конечную толщину. Кроме того, между стержнями и защитным колпачком вводится дополнительный зазор, который подбирается при настройке ФП на заводе-изготовителе. В результате расстояние h между стержнями и основанием ФП невозможно установить меньше чем 0,8 мм.

На практике дефекты с большим раскрытием (более 0,2 мм) выявляются при визуальном осмотре, поэтому в задачу феррозондового контроля входит обнаружение дефектов с раскрытием менее 0,2 мм, которое значительно меньше l и h. В работе [4] показано, что максимальное отношение «сигнал/шум» обеспечивается при базе преобразователя, равной 4 мм, и не зависит от раскрытия и глубины дефектов. Однако для деталей сложной формы, имеющих углубления и переходы с малым радиусом закругления, применяют преобразователи с базой 3 мм, что несколько ухудшает характеристики преобразователей.

Порядок выполнения работы

 

1) выбрать по заданию преподавателя измеритель напряженности магнитного поля или дефектоскоп.

2) подобрать к выбранному прибору комплект преобразователей (обязательное согласование по заводскому номеру прибора).

3) расшифровать надписи на преобразователях.

4) произвести возможные измерения с имеющимся комплектом преобразователей (см. подразд. 2.3).

 

Содержание отчета

 

В отчете должны быть приведены основные характеристики выбранного прибора со стандартным комплектом (поставляемым заводом-изготовителем) феррозондовых преобразователей, расшифровка надписей на этикетках ФП, результаты измерений.

 

2.7. Контрольные вопросы

 

1) Чем определяется расположение стержней феррозондового преобразователя?

2) Чем определяется база преобразователя?

3) Что такое база преобразователя?

4) Что включает в себя надпись на преобразователе?

5) Как определить направление вектора тангенциальной составляющей напряженности магнитного поля H_τ?

Лабораторная работа 3

 

Анализ магнитного поля над искусственным дефектом стандартного образца предприятия

Цель работы: определение топографии магнитного поля вдоль стандартного образца предприятия с искусственным дефектом.

Аппаратура и образцы, используемые в работе: СОП-НО-022 (или другой стандартный образец, применяемый для настройки феррозондовых приборов), измерители напряженности магнитного поля МФ-107А с феррозондовыми преобразователями МДФ 9405.30-02, МДФ 9405.130-01 и МФ-109 – МПФ 205, МПФ 206, линейка.

 

Общие сведения

Если в однородное магнитное поле поместить ферромагнитный образец с поверхностной трещиной, ориентированной перпендикулярно направлению внешнего магнитного поля, то в пределах профиля трещины произойдет перераспределение магнитного потока [4, с. 31 – 37]. В части сечения образца, прерванного трещиной, из-за более высокого магнитного сопротивления в ее воздушной полости плотность линий индукции магнитного поля существенно снизится. Часть линий индукции, расположенных ниже основания трещины, уплотнится, значительно меньшая часть линий пройдет через воздушный зазор, а оставшаяся часть неизбежно преодолеет трещину снаружи по воздуху. В результате над поверхностью в зоне трещины сформируется суммарное поле рассеяния – магнитное поле рассеяния дефекта.

Неоднородность магнитного поля над дефектом вызывает искажение его как в тангенциальном (вдоль линий намагничивающего поля), так и в нормальном (перпендикулярно к ним) направлениях.

тангенциальная составляющая напряженности поля H_х имеет максимум в центральном сечении дефекта, а нормальная составляющая H_z проходит через ноль в этом сечении и имеет максимальные положительное и отрицательное значения в точках, расстояние между которыми несколько превышает ширину (раскрытие) трещины. Таким образом, изменение двух параметров – Н_х и Н_z – в направлении намагничивания в зоне дефекта дает полную характеристику неоднородности магнитного поля дефекта.

В качестве примера удобно рассмотреть поле над искусственно созданным дефектом с известными параметрами дефекта ферромагнитного образца. такими устройствами являются стандартные образцы, применяемые для настройки феррозондовых приборов при контроле различных изделий. Для этих СОП нормированным является градиент напряженности поля над ИД (Руководящий документ РД 32.149-2000. Феррозондовый метод неразрушающего контроля деталей вагонов / ВНИИЖТ. М., 2000. 120 с.), который рассчитывается по выражению:

 

. (3.1)

 

Феррозондовые приборы-полемеры с комплектом преобразователей для измерения нормальной и тангенциальной составляющих напряженности магнитного поля над дефектом позволяют сформировать топографию поля и оценить нормированные параметры СОП.

Один из стандартных образцов, применяемый для настройки феррозондовых приборов, например при контроле тягового хомута, приведен на рис. 3.1.

Пластина СОП имеет размеры 300 × 40 × 10 мм и изготовлена из стали марки Сталь 3 или Сталь 20 ГФЛ.

На пластине имеется один (или несколько) нормированный искусственный дефект (см. п. 1.2.4), анализ магнитного поля над которым и представляет интерес.

 

 

Рис. 3.1. Стандартный образец предприятия,

применяемый при настройке феррозондовых приборов

 

Порядок выполнения работы

 

1) выбрать стандартный образец предприятия, используемый, например, при контроле тягового хомута (выдает преподаватель).

2) установить линейку вдоль СОП.

3) Выполнить разметку СОП с определенным шагом (в этих точках будет измеряться напряженность поля), в зоне дефекта шаг уменьшить (чтобы картина поля была более достоверной).

4) Измерить с помощью измерителя напряженности постоянного магнитного поля МФ-107А составляющие напряженности магнитного поля: тангенциальную (H_x) – при подключении преобразователя МДФ 9405.30-02; нормальную (H_z) – МДФ 9405.130-01 (возможно использование МФ-109 соответственно с преобразователями МПФ 205 и МПФ 206).

 

5) провести измерения три раза и вычислить среднее значение.

6) результаты измерений записать в табл. 3.1.

7) рассчитать и записать в табл. 3.1 значения напряженности магнитного поля в каждой точке, использовать их для построения зависимостей (топограмм) Н_х(х), Н_z(х), Н(х).

8) рассчитать значение градиента напряженности магнитного поля в зоне дефекта и сравнить его с нормированным значением для исследуемого СОП.

 

Таблица 3.1

Результаты измерений напряженности магнитного поля СОП

Номер точки измерения	напряженность магнитного поля, А/м
номер измерения	среднее значение	расчетное значение
Hx	Hz	Hx	Hz	Hx	Hz	Hx	Hz	Н
Стандартный образец 1 (СОП-НО-022)
…
m
Стандартный образец 2 (по выбору)
…
m

 

9) выбрать идентичный стандартный образец предприятия, но с другими параметрами искусственного дефекта (для настройки феррозондового дефектоскопа при контроле другой детали, подвергаемой феррозондовому контролю).

10) измерить в соответствии с п. 2 – 7 составляющие напряженности магнитного поля в зоне дефекта, сравнить зависимости Н_х(х), Н_z(х), Н(х) с полученными ранее топограммами.

Содержание отчета

 

В отчете должны быть приведены таблицы с экспериментальными данными, топограммы напряженности и составляющих напряженности магнитного поля для разных СОП, результаты анализа магнитного поля в зоне расположения искусственного дефекта (дефектов, если их несколько) и анализа магнитного поля в зоне магнитных пятен, сравнительная характеристика магнитных полей над ИД различных стандартных образцов, рассчитанные по формуле (3.1) значения градиентов напряженности магнитного поля в зоне дефекта, выводы об их соответствии нормированным (по РД 32.149-2000) значениям.

 

3.4. Контрольные вопросы

 

1) С помощью каких приборов измеряется напряженность постоянного магнитного поля?

2) Как формируется магнитное поле над дефектом?

3) Как расшифровываются надписи на этикетке преобразователей, применяемых для измерения составляющих напряженности магнитного поля?

4) Как ширина раскрытия ИД влияет на формируемое над дефектом магнитного поле?

5) Как магнитные полюсы влияют на формируемое над СОП магнит- ное поле?

6) Как по измеренным характеристикам определить градиент напряженности магнитного поля над дефектом, значение которого нормируется?

 

 

Библиографический список

 

1. ГОСТ 18353-79. Контроль неразрушающий. Классификация видов и методов. М.: Изд-во стандартов, 1979. 18 с.

2. ГОСТ 21104-75. Контроль неразрушающий. Феррозондовый метод. М.: Изд-во стандартов, 1975. 12 с.

3. Ахмеджанов Р. А. Контроль технического состояния деталей вагонов / Р. А. Ахмеджанов / Омская гос. акад. путей сообщения. Омск, 1996. 139 с.

4. Ахмеджанов Р. А. Физические основы магнитного неразрушающего контроля / Р. А. Ахмеджанов / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2004. 69 с.

 

5. Криворудченко В. Ф. Современные методы технической диаг-ностики и неразрушающего контроля деталей и узлов подвижного состава железнодорожного транспорта / В. Ф. Криворудченко, Р. А. Ахмеджанов. М.: Маршрут, 2005. 436 с.

6. щербинин В. Е. Магнитный контроль качества металлов / В. Е. Щербинин, Э. С. Горкунов / УрО РАН. Екатеринбург, 1996. 263 с.

 

 

ПРИЛОЖЕНИЕ

 

Образцы форм учета результатов контроля деталей