FI87020C - Foerfarande och anordning foer testning av staolvajer - Google Patents

Description

1 87020

Menetelmä ja laite teräsköyden testaamiseksi Tämän esillä olevan keksinnön kohteena on patenttivaatimusten johdantojen mukainen teräsköysien sähkömagneettinen testaus.

Teräsnostoköydet ovat tärkeitä monissa teollisissa sovellutuksissa ja etenkin syvien tasanteiden louhimisessa käytettäviä komponentteja. Köydet ovat erittäin tärkeitä sekä turvallisuuden että tuotannon kannalta, ja tämän vuoksi onkin välttämätöntä, että ne tarkastetaan säännöllisesti käyttöstandardien jatkuvan ylläpidon varmistamiseksi.

Nykyisin teräsköydet testataan sähkömagneettisesti kolmen ominaisuuden, nimittäin köyden poikkileikkauspinnassa ja köyden lankakontaktissa tapahtuneiden muutosten ja katkenneiden lankojen havaitsemiseksi. Jokaista ominaisuutta tarkastellaan jäljempänä lyhyesti.

Poikkileikkauspinta: köyden vahvuus riippuu teräksen poikkileikkauspinnasta, joka voi esimerkiksi pienentyä normaalin käytön ja kulutuksen seurauksena ja heikon osan kiristymiskavennuksen johdosta.

Lankakontakti: köysi on valmistettu säikeistä, jotka taas vuorostaan on tehty yksittäisistä hiiliteräslangoista punomalla ne yhteen erityiseksi punosmalliksi. Jokainen lanka on aineellisesti kosketuksissa viereisten lankojen kanssa erityisellä tavalla, jonka kokonaisvaikutus on köydelle ominainen. Mikäli köysi vahingoittuu esimerkiksi siksi, että sitä on kierretty tai taivutettu yli sen elastisen rajan, lankojen kontaktikuvio muuttuu. Tällaiset 2 87020 kontaktikuvion muutokset on tärkeää havaita, sillä ne voivat edeltää köyden vioittumista.

Katkenneet langat: useiden katkenneiden lankojen esiintyminen lyhyellä köyden osalla vaikuttaa köyden lujuuteen. Langat katkeavat monista syistä, esim. kiihdytysjakson, tasaisen nopeuden ja hidastumisen aikana köydessä esiintyvien värähtelyiden vuoksi. Katkenneiden lankojen havaitseminen on ilmeisen tärkeää sijaitsevatpa ne missä köyden kohdassa tahansa.

Perinteisesti köyden poikkileikkauspintaa ja lankakontak-tiominaisuuksia on testattu laitteella, jota kutsutaan köyden vaihtovirtakoestimeksi. Tällainen laite on esitetty esim. ZA-patentin 69/6054 määrityksessä. Lankojen katkeamista on toisaalta testattu laitteella, jota kutsutaan köyden tasavirtakoestimeksi ja joka on esim. määritetty ZA-patentin 69/6269 määrityksessä. Ollaan myös tietoisia siitä, että poikkileikkauspinnan mittauksia on suoritettu köyden tasavirtakoestimen avulla.

Muuta asiaan liittyvää kirjallisuutta ovat patenttijulkaisut GB-1 231 641, 1 476 773, 1 504 404, 1 531 825 ja 1 565 508 sekä FR-2 083 900.

Edellä mainitut köyden ominaisuudet ovat tiettävästi tähän mennessä olleet mitattavissa ainoastaan käyttämällä kahta erillistä laitetta.

Nykyaikaiset kasvavan tuotettavuuden, yksinkertaisuuden, kustannustietoisuuden sekä saatavuuden ja ammattitaitoisen, ainetta rikkomattomaan koestukseen perehtyneen henkilökunnan alalle asettamat vaatimukset ovat osoitta- 3 87020 neet sellaisen yksittäisen laitteen tarpeellisuuden, joka voi samanaikaisesti mitata kunkin kolmesta edellä mainitusta ominaisuudesta.

Esillä oleva keksintö ratkaisee edellä esitetyt ongelmat siten, että menetelmässä teräsköyden testaamiseksi ovat ensimmäinen ja toinen magneettikenttä stabiilissa tilassa olevia magneettikenttiä, magneettikenttää köyden ympärillä seurataan siinä kohdassa, jossa köyden vuoti-heys on nolla niiden vuomuutosten ilmaisemiseksi, jotka ovat seurausta köyden lankojen kontaktikuvion epäsäännöllisyyksien johdosta köyteen indusoituneista pyörre-virroista, ja vaihteluita köyden magneettivuossa seurataan ainakin toisessa ensimmäisen ja toisen köysiosuuden pituudella olevassa sellaisessa pisteessä, jossa mag-neettivuotiheyden gradientti köydessä sen pituuden suhteen on pääasiallisesti nolla, jotta siten ilmaistaan ne magneettivuon vaihtelut, jotka aiheutuvat katkenneista langoista köydessä ja/tai muutoksista köyden poikkipinta-alassa.

Lisäksi keksinnön piiriin kuuluvassa laitteessa teräs-köyden testaamiseksi ovat ensimmäinen ja toinen magneettikenttä stabiilissa tilassa olevia magneettikenttiä, magneettielimet ovat kestomagneetteja, ensimmäisen ja toisen magneettielimen väliin on järjestetty yhteinen napakappale, magneettivuon nettovuotiheys yhteisen napa-kappaleen läheisyydessä olevassa kohdassa on pääasiallisesti nolla, ensimmäinen tuntoelin on sijoitettu kohtaan, jossa köyden vuotiheys on nolla köyttä ympäröivän magneettikentän seuraamiseksi ja siten niiden vuomuutosten ilmaisemiseksi, jotka ovat seurausta köyden lankojen kontaktikuvion epäsäännöllisyyksien johdosta köyteen 4 87020 indusoituneista pyörrevirroista, ja toinen tuntoelin on sijoitettu ainakin toiseen ensimmäisen ja toisen rataosuuden pituudella olevista kohdista, jossa magneetti-vuotiheyden gradientti köydessä sen pituuden suhteen on pääasiallisesti nolla magneettivuon niiden vaihteluiden ilmaisemiseksi, jotka syntyvät köyteen ja aiheutuvat katkenneista langoista köydessä ja/tai muutoksista köyden poikkipinta-alassa.

Keksintöä kuvataan nyt esimerkinomaisesti viitaten liitteenä oleviin piirroksiin, joissa kuvio 1 kuvaa sitä langan osaa, jossa pyörrevirrat syntyvät, kuvio 2 on poikkileikkauskuva köyden säikeestä, johon kuuluu 19 lankaa kuvaten myös säikeessä syntyviä pyörre-virtoja, kuvio 3 on poikkileikkaukseltaan aksiaalinen sivukuva keksinnön mukaisesta magneettisesta koepäästä, kuvio 4 on teoreettinen kuvaus magneettikentistä, jotka syntyvät köydessä sen kulkiessa kuvion 3 mukaisen koe-pään lävitse, kuvio 5 on poikkileikkauskuva kuvion 3 päästä linjalta 5-5, kuvio 6 näyttää sivusta katsottuna, osittain ositettuna keksinnön mukaisen käytännöllisen kootun magneettikoe-pään, kuviot 7a ja 7b esittävät graafisesti vuon tiheyden kaltevuusgradientin vaihtelut ja vuon tiheyden vaihtelut suhteessa köyden pituuteen sen kulkiessa kuvion 6 koe-pään lävitse, joka mukavuussyistä on näytetty kaaviomai-sesti käyrien vieressä saman asteikon x-akselin suuntaisesti, kuvio 8 osoittaa B-H -käyrän ja köyden hystereesisilmu-kan kuvion 3 pään avulla tehdyssä testissä, ja 5 87020 kuviot 9a ja 9b vastaavat kuvioiden 7a ja 7b käyriä, ja ne on saatu käyttämällä keksinnön mukaisen magneettikoepään muunnosta, joka on viitetarkoituksessa kuvattu käyrien vieressä.

Esillä olevan keksinnön periaatteet kuvataan tämän jälkeen tarkastelemalla ensin keksinnön teoreettista pohjaa ja sen jälkeen näiden periaatteiden käytännön toteutusta.

Kuten tämän selvityksen johdannossa jo kerrottiin, esillä olevan keksinnön tarkoituksena on tuottaa yksi laite, jonka avulla voidaan samanaikaisesti ja itsenäisesti määrittää (a) teräsköyden poikkileikkauspinnan vaihtelut, (b) köydessä esiintyvät katkenneet langat ja (c) lankojen köyteen aikaansaaman kontaktikuvion epäsäännöllisyydet.

Poikkileikkauspinta

Mikäli teräsköysi magnetoidaan aksiaa 1isuu n taisesti, ilmaistaan köyteen aikaansaatu magneettivuo 0 lausekkeella: 0 = BA (1) joka voidaan muotoilla uudelleen: 0 = ^uHA (2)

Lausekkeessa esiintyvä B on köydessä esiintyvän magneettivuon tiheys, A on köyden teräksen poikkileikkauspinta, u on köyden teräksen magneettinen permeabi1iteetti, ja H on mag netoi nti voi ma.

Köydessä esiintyvän magneettivuon vaihtelut suhteessa sen aksiaaliseen pituuteen (merkitty kirjaimella 1) ilmaistaan lausekkeella: 6 87020 d£ = uH _dA+ uA d_H + HA d u (3) dl dl ' dl d( = B da + uA d_H + HA d u (4) dl dl dl Köyden teräksen poikkileikkauspinnan vaihteluiden tuloksena syntyneet magneettivuon vaihtelut on välttämätöntä eristää. Merkityksellinen termi yhtälössä (4) on ensimmäinen termi ja olettaen, että toisen ja kolmannen termin vaikutukset ovat nolla tai mitätön, seurauksena on, että B:n on oltava vakio, mikäli vuon vaihtelut ovat suoraan yhteydessä aluevaihtelui-hin. Toisin sanoen: dB = 0 (5) dl

Yhtälö 5 voidaan täyttää hankkimalla magnetointi 1 ai te, jonka lävitse köysi kulkee ja joka saa köydessä aikaan vuon tiheyden mallin; tämä saavuttaa maksimiarvon tai vakioarvon ainakin yhdessä kohdassa. Esimerkiksi jos vuon tiheys B lähestyy kyl1ästysvuon tiheyttä B , niin dB/dl - 0.

s Näissä oloissa vuon vaihtelut ilmaistaan lausekkeella: d0 = B dA (6) dl S dl ja kyl1ästysvuo, 0 , voidaan ilmaista: s 0 = AB (7)

"SS

Yhtälön (4) ensimmäinen ja toinen termi ratkaistaan seuraavasti .

dH on magnetointi 1 aitteen, ts. koepään omi naissuure , ja dl jos magnetointi voima on koealueella vakio, ts. riippumaton köyden pituudesta, niin dH/dl = 0.

7 87020 ei ole vakio, vaan se on B:n toiminto. Kuitenkin magne-tointivoiman H noustessa ^u pyrkii asymptoottisesti vakioarvoon, joka on köyden materiaalin ominaisuus. Tätä raja-arvoa ei saavuteta, mutta mitä korkeampi H on, sitä vakiompi on B , ja niin muodoin sitä vakiompi on permeabi1iteetti s u. Tästä seuraa, että magnetointi 1 aitteen pitäisi saada köydessä aikaan korkein mahdollinen magneettivuon tiheys ja että ihanteellisesti ainakin yhden köyden kohdan tulisi olla täysin magneettisesti kyllästetty sen kulkiessa koepään läpi; lisäksi vuon tiheyden tulisi olla mahdollisimman vakio sillä köyden pituudella, joka vaaditaan vaihteluiden mittaamiseksi köyden pituuden suhteen (viittaus yhtälöön (6)).

Katkenneet langat

Mikäli köysi magnetoidaan aksiaalisuuntaisesti ja köydessä on katkennut tai murtunut lanka, katkenneen langan magneettinen vaikutus ilmaisee itsensä di polina magneetti momentin M kanssa, joka on ilmaistu lausekkeella: = B a 1 (8)

Lausekkeessa a on katkenneen langan tai murtuman poikkileikkauspinta, 1 on katkenneiden päiden tai murtuman aksiaalisen pituuden aksiaalinen erotus, ja B on vuon tiheys.

Jotta magneetti momentti M olisi vastaava ainoastaan tuot- d teen "ai", ts. epäsäännöllisyyden tilavuuden kanssa, on B = ^uH:n oltava vakio.

Katkenneiden lankojen havaitsemiseksi tulisi magnetointi 1 ait- teen sen vuoksi saada köydessä aikaan sellainen vuon tiheys köyden kulkiessa koepään lävitse, joka olisi mahdollisimman lähellä ky 11ästysvuon tiheyttä B , sillä tämä saa u*n s / lähestymään asymptoottisesti raja-arvoaan; tiheyden olisi myös oltava mahdollisimman vakio sillä köyden pituudella, joka vaaditaan katkenneen langan dipolin kulun havaitsemiseksi sillä nopeudella, jolla köysi kulkee koepään läpi.

β 87020 Näissä oloissa 0 = M = B a (9)

d d s T

Lankakontaktin epäsäännönisyydet

Lankankontaktikuvion vaihteluista johtuvat teräsköyden epäsäännöllisyydet ilmaisevat itsensä aiheuttamalla muutoksia vuossa, jonka pyörrevirrat ovat saaneet köydessä aikaan. Nämä pyörrevirrat jakautuvat ainakin kahteen pääryhmään: yksittäisten lankojen aikaansaamiin pyörrevirtoihi n, joita kutsutaan aiuepyörrevirroiksi, ja langasta lankaan kiertäviin pyörrevirtoihi n, ts. kontaktipyörrevirtoihi n. Näiden vaikutuksia tarkastellaan ainoastaan teoreettiselta pohjalta, mutta on ymmärrettävä, että seuraava analyysi on yleisesti sovellettavissa köysiin, jotka poikkeavat ihanteesta ja että näissä köysissä myöskin pyörrevirtavuot ovat havaittavissa.

AIuepyörrevi rrat

Kuvio 1 kuvaa pyöreän teräsköyden 10 pituuden osaa L ja halkaisijaa d.

Mikäli lankaan luodaan aksiaalinen magneettikenttä B ja mikäli tämä kenttä muuttuu ajan mukana, syntyy langassa pyöreitä pyörrevirtoja virtojen amplitudien ollessa niiden vastaavien säteiden jatkuvia toimintoja. Nämä vaikutukset ovat hyvin tunnettuja. Kuvion 1 poikki!eikkauskuva kuvaa säteen r ja paksuuden dr kasvuympyrää, jossa on aiheutunut pyörrevirta i. Voidaan osoittaa, että pyöreä kokonaispyörrevirta I köydessä ilmaistaan lausekkeella: 2 I = gld dB (10) 16 dt

Luasekkeessa: g on teräksen sähkönjohtokyky yksikköinä mhos/m, 1 on se langan aksiaalinen pituus metreinä, jossa pyörrevirrat virtaavat, 9 87020 d on langan halkaisija metreissä, ja dB on köydessä esiintyvän aksiaalisen vuon tiheyden muutos dt tesla/s.

Ampere'in teoreeman mukaan tietynhetkinen virtaus suljetussa silmukassa on samanarvoinen dipolin kanssa, jonka magneetti-momentti on virtauksen amplitudin, silmukan alueen ja silmukassa olevan aineen permeabi1iteetin tuote. Tätä teoreemaa hyväksi käyttäen samanarvoinen kokonaispyörrevirran I magneetti momentti M ilmaistaan lausekkeella: a M =jt u' gl d4 d£ (11) 3 128 dt

Lausekkeessa u' on langan magneettinen permeabi1iteetti vuon tiheyden B siinä arvossa jossa dB/dt tapahtuu.

Teräsköysi on huomattavasti monimutkaisempi kuin yksittäinen lanka, ja tällaisen köyden tarkka matemaattinen analyysi näiden termien avulla ei ole mahdollista. Kuitenkin säikeelle, joka sisältää n lukumäärän identtisiä pyöreitä, toisiinsa koskemattomia lankoja, on yksittäisissä langoissa virtaavien pyörrevi rtojen aikaansaama kokonai smagneetti vuo (? , johon a viitataan "aiuepyörremagneettivuona" johdettavissa yhtälöstä (11), ja se ilmaistaan lausekkeella: 2 0=1 ,u g A vdB 1 a - / ηπ8 dl

Lausekkeessa v on köyden nopeus, ja A on lankojen kokonaisteräsalue.

10 87020

Vuo 0 vastustaa päävuota, joka aiheutetaan köyteen magne-toi nti laitteen avulla. Tämän-vuoksi olisi siis huomattava, että: 0 =0 jos dB = 0 a — dl

Kontakti pyörrevirrat:

Mikäli säikeen mainitut lukumäärältään n lankaa koskettavat toisiaan, virtaavat aiuepyörrevirrat yhä kussakin langassa, ja yhtälön (12) määrittämä vuo 0 saadaan yhä aikaan.

a

Kuviossa 2 on nähtävissä tilanne, joka vallitsee silloin, kun 19 toisiaan koskettavaa lankaa 10 sisältävä ihanteellinen te-räsköysisäie 12 on altis vaihteleval1 e magneettikentälle, joka saa säikeessä aikaan pyörrevirtoja.

Ensin ympyränuoli11 a 14 merkityt pyörrevirrat syntyvät kussakin langassa. Nämä ovat "aiuepyörrevirtoja", josta kukin saa aikaan yhtälön (12) ilmaiseman vuon 0 .

a

Toiseksi minkä tahansa kolmen vierekkäisen langan koskettaessa toisiaan saadaan aikaan nuoliympyröiden 16 osoittamat paikalliset pyörrevirrat. Tässä kuvatussa esimerkissä kontakti-pyörrevirtaratoja on 24. Kunkin pyörrevirran tilavuus on riippuvainen tekijästä dB/dt, kunkin kehän ympäröimästä magneettisesta alueesta, kunkin kehämäisen radan konduktanssista ja niistä kolmesta "kontakti"-konduktanssista, joissa langat koskettavat.

Kussakin kosketuskohdassa kaksi samanarvoista pyörrevirtaa vastustavat toisiaan siten, että paikallisten pyörrevirtojen 16 yhteisvaikutus on nolla.

11 87020

Myöskin suurempien nuoliympyröiden 18 (kaiken kaikkiaan 6) osoittamat pyörrevirtaradat muodostuvat. Näissä kehissä on huomattavasti enemmän magneettista ainetta kuin kehissä 16, mutta myöskin niihin pätee perustelu, jonka mukaan kehillä 18 on kuusi kosketuskohtaa. Kuitenkin myös niissä säikeissä on kuusi kosketuskohtaa, joissa kehien 18 osoittamat pyörrevirrat vastustavat toisiaan niin, että myöskin näiden pyörrevir-tojen yhteisvaikutus on nolla.

Yksittäinen kehämäinen numerolla 20 merkitty pyörrevirtarata syntyy siihen kohtaan, jossa sisemmän kerroksen kuusi lankaa koskettavat toisiaan säikeen geometrisen keskuksen ollessa reitin keskus. Tässä tapauksessa pyörrevirta ei kohtaa vastustusta. Samaan tapaan syntyy toinen yksittäinen kehämäinen vastusta kohtaamaton pyörrevirtarata 22 kohtaan, jossa alemman kerroksen kahdentoista langan vierekkäiset langat koskettavat toisiaan, ja kolmas yksittäinen kehämäinen ilman vastustusta oleva pyörrevirtarata 23 syntyy ratojen 20 ja 22 väliin.

Kuvion 2 esimerkissä kokonaispyörrevirrat syntyvät kehien 14 osoittamien aiuepyörrevirtojen ja samankeskisten kehien 20, 22 ja 23 osoittamien kosketuspyörrevirtojen avulla. Mikäli kontakti kahden tai useamman langan välissä katkeaa, niin: a) aiuepyörrevirroista (kehät 14) johtuvat magneettimomentit pysyvät ennal1 aan, b) kosketuspyörrevirtojen (kehät 16 ja 18) magneettimomentit, jotka olivat nolla, pysyvät nollassa, ja c) vaikutus kosketuspyörrevirtojen (kehät 20, 22 ja 23) aiheuttamille magneettimomentei11 e on suuri, mikäli kontakti saman kerroksen viereisten lankojen välillä katkeaa, mutta ei välttämättä silloin, jos eri kerrosten viereisten lankojen välinen kosketus katkeaa.

Edellä selvitettyä periaatetta voidaan soveltaa mihin tahansa säikeeseen, joka koostuu mistä tahansa määrästä lankoja.

12 87020

Kuvion 2 osoittamassa tapauksessa, jossa kaikki kosketusalu-eet lankojen välillä ovat samat, voidaan jokaisen kehien 20, 22 ja 23 osoittaman pyörrevirtaradan x kohdalla osoittaa, että tästä pyörrevirtaradasta x aiheutuva köyden magneettivuo on: 2 0 = u v dB (A ) r' 1 ex / — x x - dl 2 rx + 1_ +. . . + 1_ _ g gxi gxm _ (13 )

Lausekkeessa: g on sen teräksen johtokyky, josta köysi on valmistettu, yksikköinä mhos/m, on pyörrevirtareiti n x ympäröimä ferromagneettinen alue, r on pyörrevirtaradan x säde,

X

r' on säteittäinen kosketusetäisyys, jossa langat koskettavat, m on pyörrevirtareiti n x kosketuskohtien lukumäärä, ja g - g ovat pyörrevirtaradan x kunkin m kosketuskohdan xl m 2 yksittäinen johtavuus yksikköinä mhos/m .

On huomattava, että mikäli n kontakti minkä tahansa kahden tai useamman viereisen langan välillä katkeaa, on vastaava kontaktijohtavuusarvo g = O, ja 0 =0 huolimatta mis- xn ex tään muusta yhtälön (13) omi naissuureesta.

Luonnollisesti köyden viereisten lankojen väliset kontakti- vaihtelut ilmaistaan 0 :n vaihteluina. Köyden mangetointi-

C X

laitteen tärkeä vaatimus, joka voidaan johtaa yhtälöstä (13) on, että mittaushetkel1ä on magneettivuon tiheyden asteessa tapahduttava muutos ajan suhteen, ts. termit v ja dB/dl yhtälössä (13) eivät saa olla nolla.

13 87020

Kokonaisvuo 0^, joka aiheutuu kosketuspyörrevirtaradoista ja johon viitataan köyden kosketuspyörrevirtavuona, saadaan kunkin radan x vuon yhteissummasta (merkitty kirjaimella S) ja se voidaan ilmaista seuraavasti: 0 S(0 ), jokaisen x:n kohdalla (14) et ex

Kokonaispyörrevirtavuo Köyden kokonaispyörrevirtavuo 0 , joka vastustaa päävuota, e saadaan lausekkeesta: 0 = 0 +0 e a et ja tämä voidaan yhtälöitä (12), (13) ja (14) käyttämällä il-mai sta seuraavasti: 0 = u' v dB F (16) e / — dl 2 2 jossa F = gA + S(A ) r' 1 X χ - --- " - n^8 2 Tirx + 1_ +.. . +1_ g g gxm xl jokaisen x:n kohdalla (17)

Yhtälöstä 16 on ilmeistä, että mikäli vuon tiheys ei vaihtele köyden aksiaalisen pituuden suhteen tai mikäli köysi on lepotilassa, ts. v = 0, ei köyteen synny pyörrevirtoja eivätkä kontakti mittaukset ole mahdollisia.

Köyden kokonaispyörrevirtavuo 0 on verrannol1inen permea-. e biliteettiin ^u mittaushetkel1ä. u' ottaa korkeimman arvonsa, käytännöllisesti katsoen Köyden hystereesikäyrän optimi pi steessä pyörrevirtojen mittaamiseksi. On tunnettua, että aineellinen vahinko, esim. elastisen rajan ylittävä kova isku, törmäys tai taivutus vaikuttaa noissa kohdin teräksen 14 87020 permeabi1iteettiin. Tällainen vahinko vaikuttaa siten ^u':n ja se heijastuu mitattavassa määrässä 0 .

e

Ensinnäkin on huomautettava, että edeltävä analyysi käsittelee ihannetilannetta ja että se ainakin jossain määrin vastaa ensimmäistä vaihetta magneetti vaikutusten ymmärtämisessä. Yksityiskohtaisempi analyysi ei vaikuta käyttöperiaatteeseen. Niin muodoin on mahdollista suunnitella käytännöllinen instrumentti köyden tarkaksi testaamiseksi käyttämällä hyväksi yllä mainittuja yhtälöitä ja tietämystä.

Kuten jo on mainittu, esillä olevan keksinnön tarkoituksena on tuottaa yksi laite, joka pystyy erillisesti mutta itsenäisesti havaitsemaan teräsköyden aiuevaihtelut, katkenneet langat ja kontaktiepäsäännöl1isyydet.

Kuviot 3 ja 5 kuvaavat kootun magneettisen koepään 30 rakennetta aksiaalisesta ja säteittäisestä poikkileikkauksesta tarkasteltuna. Päähän kuuluu ensimmäinen pysyvien magneetti-pinojen 32 ja 34 pari, jotka on tehokkuuden vuoksi sijoitettu yhdensuuntaisiksi, ja toinen, myöskin yhdensuuntaisesti sijaitsevien pysyvien magneettipinojen 36 ja 38 pari; nämä muodostavat tarkoituksenmukaisen magneetti rakenteen . Magneetti-pinoilla on yhteinen keskinen pohjoisnapa 40 ja vastaavasti niillä on ulommat etelänavat 42 ja 44. Teräsköysi 46 voi vapaasti kulkea reikien 48 lävitse, jotka ovat suorassa rivissä ja jotka sijaitsevat napakappaleissa 40, 42 ja 44.

Kuvion 3 mukaisesti koepää magnetoi köyden 46 siltä köyden pituudelta, joka saatetaan koepään magneettikentän vaikutuksen alaiseksi kahteen vastakkaiseen suuntaan. Kuvio 4 esittää graafisesti vaaditun ihanteellisen magneettikentän vaihtelun köydessä 46.

15 87020 +

Oletetaan, että köydellä on alunperin jäännösvuon tiheys B

ΓΘΓΠ ja että se liikkuu kuvion 3 koepään lävitse vasemmalta oikealle. Kuvion 4 kirj'aimiin a-i viitaten köyden tarkistuspis-teen saavuttaessa ensimmäisen etelänavan kohdassa 6, vuon tiheys kasvaa ja kohdassa c se saavuttaa korkeimman kyllästys- vuon tiheyden, joka voidaan saavuttaa pysyvän magneettipinon + avulla. Tämä on merkitty kirjaimilla B . Kyl1ästysvuon sat

tiheys säilytetään tässä tapauksessa kunnes saavutetaan piste d joko keskisen napakappaleen vasemmalla rajalla tai lähellä sitä. Tässä kohdassa vastakkaissuuntaisen magneettikentän vaikutus alkaa tuntua ja vuon tiheys laskee kulkien nollan lävitse ja saavuttaen vastakkaissuuntaisen maksimiarvon B

sat kohdassa f. Tämä vastakkainen kyl1ästysvuon tiheys säilytetään kohtaan g saakka, jonka jälkeen vuon tiheys laskee jäännösarvoon b , joka säilytetään kunnes köyden tarkistuspis-r em te on sivuuttanut koepään. Kohdassa e köyden vuon tiheys on nolla ja tässä kuvatussa tapauksessa vuon tiheyden kaltevuuden köyden pituuteen nähden ilmaistaan lausekkeella:

2 R

dB = sat (18)

dl L

P

jossa L on keskusnavan 40 leveys, ja p + + B = B = B edellyttäen, että B = B .

sat sat sat sat sat Tässä tapauksessa 0 (yhtälö (7)) pitäisi siten mitata tarkoituksenmukaisessa kohdassa c:n ja d:n välissä tai f:n ja g:n välissä, ja 0 (yhtälö (9)) pitäisi myös mitata saman- d kaltaisessa kohdassa.

Kohtien c ja d sekä f ja g välillä kyllästysvuon tiheys säilytetään oleellisesti vakioarvossa ja dB/dt = 0. Toisin sanoen 0 =0.

e 16 8 7020

Toisaalta 0 (yhtälö (16)) pitäisi mitata kohdassa e, jossa e köyden vuon tiheys on nolla, ja siten mitkään aiuevaihteluis-ta tai katkenneista langoista johtuvat vaikutukset eivät ole näkyvissä, ja yhtälö (16) on voimassa.

On huomattava, että kohta e ei sijaitse keskellä napakappa-letta 40 vaan keskustasta oikealle, ts. köyden liikkeen suuntaan. Tämä johtuu johtavan magneettikentän jäännösmagnetis-mista, joka on neutraloitava jälkimmäisen magneettikentän magnetointi voiman avulla vastaamaan köyden koersiivisuutta.

Kuviossa 6 on nähtävissä käytännöllinen koottu koepää, joka on rakennettu edellä mainittujen periaatteiden mukaisesti.

Samoja viitenumerolta on käytetty mahdollisuuksien mukaan osoittamaan kuvioiden 3 ja 5 komponentteja vastaavat komponentit.

Kukin magneettipino 32-38 koostuu yhdeksästä litteästä aniso-trooppisesta strontiumferriittimagneetista, joiden paksuus on 1,27 cm. Jokaisen magneetin pinta on 8 cm ja niissä on halkaisijaltaan 4,7 cm:n keskusreikä. Magneetit on koottu sopivaan ytimeen 50, joka kulkee keskusreikien lävitse. Kukin pino on 11,5 cm pitkä, ts. kuvioon 3 viitaten napakappaleiden 42 ja 40 sekä 40 ja 44 vastakkaisten päätyjen etäisyys toisistaan on vastaavasti 11,5 cm. Etelänavat 42 ja 44 ovat 2 cm paksuja ja 10 cm leveitä. Ilmaraon kohdalla napa-alue on 25 cm . Keskinen pohjoisnapa 40 on 10 cm leveä ja 4,4 cm paksu.

Johtopyörät 52 sijaitsevat koepään kummallakin sivulla. Nämä pyörät kytkeytyvät köyteen 46, joka kulkee koepään keskellä olevan tupen 54 lävitse, ja varmistavat, että köysi sijaitsee keskisesti koepäähän nähden. Tupen ympärillä sijaitsevat koe-kelat 56. Nämä kelat mittaavat vuon vaihtelut jo edellä mainittuja tarkoituksia varten. Mikäli koepää on asennettu pysy- 17 87020 vaksi, kelat 56 voivat olla kierteisiä. Mikäli koepää on kannettava laite, voivat kelat 56 olla tyypiltään tyynymäisiä.

On ymmärrettävä, että koekelojen tilalla voidaan käyttää mitä tahansa sopivaa vuon mittaavaa laitetta, esim. Hallin ilmiö -laitetta. Sopiva vuon mittauslaite 58 sijaitsee myöskin kes-kisessä napakappaleessa.

Testattava köysi 46 on halkaisijaltaan 38 mm:n suuruinen moni kerrok si nen punomaton köysi, jonka teräspoikki1 eikkauspinta 2 6 on 716 mm . Köyden sähkönjohtokyky on 4,7 x 10 mhos/m.

Sen B-H -käyrä, hystereesi si 1 mukka, ja permeabi1iteetti u' ovat nähtävissä kuviossa 8.

Kuviot 7a ja 7b kuvaavat käyriä dB/dl ja vastaavaa köyden vuon tiheyttä B köyden pituuteen nähden köyden ollessa pään magneettikentän vaikutuksen alainen ja sen ollessa liitettynä päähän 30, josta puolet on kuvattu päältä katsottuna.

Käyttämällä hyväksi jo edellä mainittuja periaatteita on ilmeistä, että mittaukset aiuevaihtelujen ja katkenneiden lankojen havaitsemiseksi on suoritettava kohdassa j tai j^, - jossa dB/dl = 0. Näissä kohdissa ky 11ästys vuon tiheys on n.

1,7 teslaa.

Käytännöllisessä koepäässä j sijaitsee 65 mm poispäin johtavan etelänavan keskuksesta ja j sijaitsee 62 mm poispäin jälkimmäisen etelänavan keskuksesta.

Kuvion 8 hystereesi käyrästä magnetointi voima H , joka tarvitaan ky 11ästysvuon tiheyden 1,7 teslaa saavuttamiseksi (kohta e) on 7^5 x 10 ampeeria/metri. Permeabi1iteetti u' on 4 x 10 teslametriä/ampeeri ja on oleellisesti vale i o.

Kontakti epätasaisuudet, jotka edellä mainitun mukaisesti ilmenevät kehämäisen pyörrevirran poikkeamina mitataan kohdassa h, ks. kuvio 7b. tässä kohdassa köyden vuon tiheys on nollal ja dB/dl on 46,6 teslaa/metri.

ie 87020

Hystereesi si 1 mukan koersiivisuus H tapauksessa N = 0 (k o h - 3 r ta d, kuvio 8) on 1,45 x 10 ampeeria/metri. Tässä kohdassa permeabi1i teetti: ^u' = dB/dH = 3 x 10 tes1ametriä/ampeeri.

Kohta h ei sanotun mukaisesti sijaitse keskisesti keskuspoh- joisnapaan nähden vaan siitä oikealle sen etäisyyden verran, joka symmetrisen kootun pään kohdalla vastaa suunnilleen H /H x w/2 H :n ollessa köyden koersiivisuus, H:n koepään c c magnetointi voi ma ja w:n keskusnavan leveys. Sivupoikkeama havaitaan helpoimmin mittauksen avulla ja kuvion tapauksessa se oli 3 mm. Köyden nopeus oli 1 m/s.

Köyden kulkiessa koepään lävitse se seuraa hystereesi si 1 (nukassa rataa, joka on merkittynä kuviossa 8 ja joka ulottuu kohdasta a kohtien b , c,d,e,f,g lävitse lopulta kohtaan h. Tässä vaiheessa asianomainen köyden kohta on sivuuttanut jälkimmäisen etelänavan. Alueet a-b ja g-h aiheutuvat johtavan ja jälkimmäisen etelänavan ulkopuolelta tulevasta hajamag-neetti vuosta.

Köydessä ennen tai jälkeen koetta vallitsevista magneetti-oloista huolimatta kohdasta c kohtaan e ulottuva magnetointi-reitti, ts. kummankin suunnan välinen ky 11ästysaste, on aina sama varmistaen siten kokeen toistettavuuden.

Identtisten magneettipintojen kuvion 6 mukaista säästökytken-täjärjestelyä suositaan yleensä keksinnön mukaisen koepään rakenteessa. Epäsymmetrinen koottu pää voi kuitenkin joissain sovellutuksissa olla hyväksyttävä. Kuviot 9a ja 9b ovat samankaltaisia kuvioiden 7a ja 7b kanssa ja näiden kuvioiden . päällä on esitettynä epäsymmetrisen koepään 70 puolikas, joka vastaa kuvion 6 päätä lukuunottamatta sitä, että johtavissa pysyvissä magneettipinoissa 60 on kussakin 15 magneettia, kun jälkimmäisessä magneettipinossa 62 niitä on 3. Siten pään pi- 19 87020 tuus ja massa ovat samat kuin kuvion 6 symmetrisen pään.

Näissä kuvioissa köyden liike suuntautuu oikealta vasemmalle. Kuvioiden 9a ja 9b käyrät saatiin köyden nopeuden ollessa 0,6 m/s.

Mittaukset aiuevaihteluiden ja katkenneiden lankojen havaitsemiseksi suoritetaan kohdassa p, joka sijaitsee 91 mm poispäin johtavan etelänavan 64 keskustasta ja jossa vuon tiheys on 2 teslaa ja oleellisesti vakio.

Kontaktiepätasaisuudet mitataan kohdassa q, joka sijaitsee n.

7 mm sivuun pohjoisnavan 66 keskuksesta jälkimmäistä etelänapaa 68 kohden. Tässä kohdassa vuo on nolla ja dB/d1 = 50 tes-1aa/metri.

Muutkin koepääjärjestelyn vaihtelut ovat luonnollisesti mahdollisia käytettäessä joko suurempaa tai pienempää magneetti-määrää kummallakin keskisen pohjoisnavan 66 sivulla.

Käytettäessä edellä kuvatun kaltaisia yhdistettyjä koepäitä pysyvien magneettien voimakkaampi järjestys saa köydessä aikaan toistettavan ky 11ästysvuon tiheyden olotilan, ennen kuin köyden magnetoinnin poisto tapahtuu jälkimmäisen magneettikentän vaikutuksesta. Voimakkaampi pää pitäisi siten kohdata ensin. Aiemmin sanotun mukaisesti asianomainen hystereesikäyrän osa (kuvio 8) kohdasta c, ts. ky 11ästysvuon tiheyden asteessa kohtaan d, jossa vuon tiheys vastaa nollaa ja sitten johonkin kohtaan d:n ja e:n välillä on toistettavissa.

Sen pisteen poikkeamasta johtuen, jossa köyden vuon tiheys vastaa nollaa, suositaan yksisuuntaista testausta. Symmetrisen, riittävän voimakkaan magnetoi nti voiman omaavan pään kyseessä ollessa poikkeama on hyväksyttävän pieni ja kaksisuuntaiset testaukset ovat mahdollisia. Epäsymmetrisessä tapauksessa, jossa jälkimmäinen kenttä on pieni kustannusten minimoimiseksi, on mahdollista, että ainoastaan yksisuuntaiset kokeet ovat hyväksyttäviä.

20 87020

On ymmärrettävä, että kuvion 6 kaltainen koe voidaan suorittaa eri muodoissa. Kuten jo aiemmin mainittiin, muuntimia, koekeloja, välineistöä ja muita eri signaaleja tallennettaessa tarvittavia välineitä ei ole kuvattu yksityiskohtaisesti, koska ne ovat jo ennestään tunnettuja. Esillä oleva keksintö on erityisesti suunnattu soveltamaan edellä kuvattuja teorioita yksittäiseen laitteeseen, joka voi tuottaa erillisiä, kunkin kolmen ominaisuuden mittauksia eikä mittauslaitteen tyypillä ole ratkaisevaa osaa laitteen tuotossa. Esimerkinomaisesti tällainen välineistö voi kuitenkin koostua koeke-lasta tai Hallin ilmiö -laitteesta eri vuon mittauksien suorittamiseksi ja muita tunnettuja muuntimia tai laitteita köyden nopeuden tai pituuden mittaamiseksi kokeen aikana, signaalien tuottamiseksi synkronisesti köyden kulun tai nopeuden tallentamiseksi, signaalien tuottamiseksi köyden nopeuden vaihteluiden tasapainottamiseen signaalinkäsittelyjärjestelmässä, signaalien tuottamiseksi varmistamaan se, että tiedot käsitellään synkronisesti köyden nopeuden tai köyden pituuden suhteen.

On selvää, että korkeampi tarkkuus keksinnön mukaisella koe-päällä saavutetaan silloin, kun magneettikenttää lisätään. Kuvioiden 6 ja 9 koepäissä käytettiin anisotrooppisi a pysyviä strontiumferriitti-magneetteja, mutta voimakkaampien esim. pysyvien koboltti-samariummagneettien tai neodyymi-rauta-boori -magneetti en avulla mahdollistetaan joko korkeammat magneettikentät, jotka voivat johtaa korkeampiin testausnopeuk-siin tai saadaan aikaan samat kentät pienemmällä rakenteella.

Claims (2)

21 87020

1. Menetelmä pitkänomaisen ferromagneettisen esineen testaamiseksi samanaikaisesti erilaisten virheiden suhteen, jossa menetelmässä esinettä liikutetaan aksiaalisesta pitkin pääasiassa suoraviivaista rataa, radan ensimmäiselle osuudelle synnytetään ensimmäinen magneettikenttä, joka on riittävän voimakas aiheuttamaan magneettisen kyllästymisen ensimmäisessä aksiaalisessa suunnassa esineen osuudelle, joka ulottuu radan ensimmäistä osuutta pitkin, radan toiselle osuudelle, joka on ensimmäisen osuuden vieressä, synnytetään toinen magneettikenttä, joka on riittävän voimakas aiheuttamaan magneettisen kyllästymisen toisessa aksiaalisessa ensimmäiseen aksiaaliseen suuntaan nähden vastakkaisessa suunnassa esineen osuudelle, joka ulottuu radan toista osuutta pitkin, jolloin magneettivuon tiheydellä on esineessä nolla-arvo ensimmäisen ja toisen magneettikentän seurauksena kohdassa, joka on ensimmäisen ja toisen rataosuuden välissä, tunnettu siitä, että teräsköyden testaamiseksi ovat ensimmäinen ja toinen magneettikenttä stabiilissa tilassa olevia magneettikenttiä, että magneettikenttää köyden ympärillä seurataan siinä kohdassa, jossa köyden vuotiheys on nolla niiden vuomuutosten ilmaisemiseksi, jotka ovat seurausta köyden ·:··! lankojen kontaktikuvion epäsäännöllisyyksien johdosta köyteen indusoituneista pyörrevirroista, ja että vaihteluita köyden magneettivuossa seurataan ainakin toisessa ensimmäisen ja toisen köysiosuuden pituudella olevassa sellaisessa pisteessä, jossa magneettivuotiheyden gra-dientti köydessä sen pituuden suhteen on pääasiallisesti nolla, jotta siten ilmaistaan ne magneettivuon vaihtelut, jotka aiheutuvat katkenneista langoista köydessä ja/tai muutoksista köyden poikkipinta-alassa.

2. Laite pitkänomaisen ferromagneettisen esineen (46) testaamiseksi samanaikaisesti erilaisten virheiden suhteen, laitteen käsittäessä elimet (52, 54), jotka rajaavat pääasiassa suoraviivaisen radan, jota pitkin esinettä 22 87020 liikutetaan aksiaalisuunnassa, ensimmäiset magneettielimet (32, 34) ensimmäisen magneettikentän synnyttämiseksi radan ensimmäiselle osuudelle, jolla ensimmäisellä kentällä on riittävä voimakkuus aiheuttamaan magneettisen kyllästymisen ensimmäisessä aksiaalisessa suunnassa esineen osuudelle, joka ulottuu radan ensimmäistä osuutta pitkin, toiset magneettielimet (36, 38) toisen magneettikentän synnyttämiseksi radan toiselle osuudelle, joka on ensimmäisen osuuden vieressä, jolla toisella kentällä on riittävä voimakkuus aiheuttamaan magneettinen kyllästyminen toisessa aksiaalisessa ensimmäiseen aksiaaliseen suuntaan nähden vastakkaisessa suunnassa esineen osuudelle, joka ulottuu radan toista osuutta pitkin, jolloin magneettivuon tiheydellä on esineessä nolla-arvo ensimmäisen ja toisen magneettikentän seurauksena kohdassa, joka on ensimmäisen ja toisen rataosuuden välissä, tunnettu siitä, että teräsköyden testaamiseksi ovat ensimmäinen ja toinen magneettikenttä stabiilissa tilassa olevia magneettikenttiä, että magneettielimet (32, 34, 36, 38) ovat kestomagneetteja, että ensimmäisen ja toisen magneettielimen väliin on järjestetty yhteinen napakappale (40), että magneettivuon nettovuotiheys yhteisen napakappaleen läheisyydessä olevassa kohdassa on pääasiallisesti nolla, että ·:*: ensimmäinen tuntoelin (58) on sijoitettu kohtaan, jossa köyden vuotiheys on nolla köyttä ympäröivän magneettikentän seuraamiseksi ja siten niiden vuomuutosten ilmaisemiseksi, jotka ovat seurausta köyden lankojen kontaktikuvion epäsäännöllisyyksien johdosta köyteen indusoituneista pyörrevirroista, ja toinen tuntoelin (56) on sijoitettu ainakin toiseen ensimmäisen ja toisen rataosuuden pituudella olevista kohdista, jossa magneettivuotiheyden gra-dientti köydessä sen pituuden suhteen on pääasiallisesti nolla magneettivuon niiden vaihteluiden ilmaisemiseksi, jotka syntyvät köyteen ja aiheutuvat katkenneista langoista köydessä ja/tai muutoksista köyden poikkipinta-alassa. 23 8 7 0 2 0