PL226194B1 - Uklad do pomiaru wlasciwosci materialow magnetycznie miekkich, zwlaszcza blach i tasm - Google Patents

Abstract

Przedmiotem wynalazku jest układ do pomiaru właściwości materiałów magnetycznie miękkich, zwłaszcza blach i taśm o dowolnym kształcie, metodą nieniszczącą. Układ ma generator (1) połączony poprzez blok kondycjonowania sygnału (2), filtr aktywny (3) i wzmacniacz mocy (4) z wejściem głowicy pomiarowej (5), której co najmniej jedna para zacisków wyjściowych połączona jest poprzez układ kondycjonowania sygnałów pomiarowych (6) i układ zbierania danych (7) z przetwornikiem analogowo - cyfrowym (7) podłączonym do mikroprocesora (13), natomiast mikroprocesor (13) połączony jest z ekranem (12) oraz przez układ sterowania blokiem kondycjonowania sygnału (9) z układem kondycjonowania sygnałów pomiarowych (6), poprzez układ sterowania generatorem (11) z generatorem (1), i jednocześnie poprzez układ sterowania bocznikiem (10) z bocznikiem (18) włączonym pomiędzy głowicę pomiarową (5) i masę układu.

Description

Przedmiotem wynalazku jest układ do pomiaru właściwości materiałów magnetycznie miękkich, zwłaszcza blach i taśm o dowolnym kształcie, metodą nieniszczącą.

Blachy elektrotechniczne są podstawowym i strategicznym materiałem magnetycznie miękkim stosowanym w produkcji magnetowodów maszyn i urządzeń elektromagnetycznych. Jakość magnetowodu, poziom jego właściwości magnetycznych zależy ściśle od doboru rodzaju blach elektrotechnicznych, sposobu ich obróbki oraz technologii budowy. Wartości parametrów magnetycznych blach elektrotechnicznych, uzyskane na drodze pomiarów w znormalizowanych aparatach probierczych, tj. aparat Epsteina lub jarzmo do pomiarów na pojedynczym arkuszu blachy (SST), różnią się znacznie od wartości osiąganych parametrów rzeczywistych magnetowodów maszyn i urządzeń. Badania laboratoryjne nie uwzględniają bowiem procesów degradacyjnych zachodzących podczas obróbki blachy oraz procesu wykrawania kształtu wykroju stosowanego np. w maszynie wirującej. Podczas wytwarzania produktu finalnego, magnetowody poddawane są różnorodnym procesom technologicznym takim jak wykrawanie, klejenie, pakietowanie, nitowanie itp. Pogarsza to właściwości magnetyczne materiału, a poziom zmian może być różny w zależności od sposobu obróbki i od rodzaju blachy jak również od finalnego efektywnego przekroju poprzecznego magnetowodu.

Układ i czujniki wirowych tablic prądowych znany ze zgłoszenia patentowego USA nr US2002163333 przeznaczony jest do pomiaru impedancji, znajdujący zastosowanie do określania własności materiałów, w szczególności właściwości materiału po obróbce cieplnej, stan utwardzenia, uszkodzenia zmęczeniowego lub porowatości powierzchni. Układ ma mikrokontroler główny, generator sygnału sinusoidalnego oraz czujniki akwizycji danych połączone z układem czujników. Urządzenie zawiera komputer do ustawiania parametrów pomiarowych, w szczególności wzbudzenia, jak i do zapewnienia oraz do przetwarzania, wyświetlania i przechowywania zmierzonych wartości. Komputer komunikuje się z mikrokontrolerem głównym generatora sygnału za pomocą cyfrowej magistrali szeregowej lub równoległej. Mikrokontroler główny komunikuje się i steruje mikrokontrolerami układu akwizycji danych - sondą za pomocą linii cyfrowej. Sygnał sterujący z generatora sygnału o częstotliwości określonej przez komputer, jest przekazywany do układu elektronicznego sondy. Sygnał pobudzający czujniki może być sygnałem napięciowym, prądowym lub indukcyjnym, w którym prąd płynący przez cewkę lub uzwojenie tworzy pole magnetyczne. Sygnały elektryczne z poszczególnych czujników sondy są wzmacniane, buforowane i/lub filtrowane.

Urządzenie do pomiaru własności materiałów magnetycznie miękkich, zwłaszcza rdzeni toroidalnych o dużych gabarytach znane z polskiego opisu patentowego nr PL 146 637, ma na podstawie promieniście rozmieszczone pręty metalowe o dobrej przewodności elektrycznej, pokryte na określonej długości przesuwną izolacją. Od strony zbieżności na prętach zamocowane są za pomocą przesuwnych styków, giętkie przewody o regulowanej długości zakończone łączówkami. Urządzenie według wynalazku może służyć do pomiaru pola koercji, przenikalności magnetycznej, indukcji magnetycznej, pozostałości magnetycznej. Parametry te mogą być oznaczane zarówno przy stałym polu magnesującym jak i przy zmiennym polu magnesującym o zmiennej częstotliwości.

Sposób i układ do wyznaczania przestrzennych rozkładów właściwości mechanicznych i/lub kierunków i wartości naprężeń mechanicznych w warstwie wierzchniej materiałów ferromagnetycznych znane są z polskiego opisu patentowego nr PL 176 699. Sposób charakteryzuje się tym, że materiał ferromagnetyczny poddaje się cyklicznemu przemagnesowaniu polem magnetycznym o zmiennym kierunku aż parametry szumu Barkhausena wyznaczą kierunek pola, przy którym wartość indukowanego sygnału pomiarowego w przetworniku pomiarowym osiąga wartości ekstremalne, określając tym samym kierunki łatwego i trudnego magnesowania, wyznaczające kierunki głównych naprężeń mechanicznych. Następnie poszukuje się kierunku magnesowania, w którym sygnał pomiarowy nie zależy od wartości naprężeń mechanicznych, a jedynie od właściwości strukturalnych, nastawiając dla tego kierunku odpowiednią wartość prądu magnesującego i po ponownym pomiarze parametrów szumu Barkhausena wyznacza się wartość głównych naprężeń mechanicznych. Układ ma uzwojenie magnesujące, uzwojenie potencjometru magnetycznego oraz uzwojenie przetwornika pomiarowego głowicy pomiarowej połączone z układem analizującym, zawierającym wzmacniacze, filtry oraz podłączony poprzez układ formowania impulsów port komputera. Uzwojenia magnesujące zasilane są ze źródeł prądowych sin φ, cos φ i źródło prądu o składowej stałej, zasilanych przez odpowiednie bloki z przestrajanego generatora. Uzwojenie potencjometru magnetycznego poprzez swój wzmacniacz,

PL 226 194 B1 komparator i regulator połączone jest ze wzmacniaczem amplitudy prądu magnesującego, który steruje źródłami prądowymi sin φ i cos φ.

Przyrząd do badania właściwości dia- i paramagnetycznych substancji stałych lub ciekłych znany z polskiego opisu patentowego nr PL 207 546, charakteryzuje się tym, że próbka substancji dia- lub paramagnetycznej stałej lub ciekłej ma kształt walca, umieszczonego na dwóch równoległych, nieferromagnetycznych, poziomych i zaostrzonych od góry prowadnicach w niejednorodnym polu magnetycznym, wytwarzanym przez magnes w kształcie litery C, korzystnie żelazowo-neodymowo-borowy lub samarowo-kobaltowy, zaopatrzony w przykładane nabiegunniki wykonane z żelaza chemicznie czystego, z których jeden jest cylindrycznie wklęsły, a drugi pryzmatycznie ścięty. Magnes leży na poziomej nieferromagnetycznej podstawie połączonej z prowadnicami i zaopatrzonej od dołu w cztery sprężyste podkładki wykonane korzystnie z mikroporowatej gumy oraz w podłużną szczelinę między prowadnicami. Próbki substancji ciekłych umieszczane są na prowadnicach w szklanej cienkościennej rurce zamkniętej na końcach korkami.

Urządzenie do badania nieciągłości struktury detali ferromagnetycznych na małej przestrzeni badawczej znane z polskiego opisu patentowego nr PL 212 769, posiada jarzmo z materiału ferromagnetycznego w kształcie litery „C” z przedłużonymi i wygiętymi końcami, które przechodzi przez cewkę magnesującą umiejscowioną w dłuższej części litery „C”, zaś w końcach wygiętych ramion jarzma wykonane są po dwa otwory, przez które przechodzą suwliwie detal wzorcowy i detal badany, przy czym w przestrzeni pomiędzy wygiętymi końcami jarzma umieszczone są dwie cewki pomiarowe, po jednej na detalu wzorcowym i detalu badanym, zaś pozostałe dwie cewki pomiarowe znajdują się poza obszarem badanym po przeciwnych stronach jarzma, umieszczone po jednej na detalu wzorcowym i detalu badanym, a osie cewek pomiarowych są prostopadłe do osi cewki magnesującej.

Urządzenie do badania nieciągłości struktury detali ferromagnetycznych znane z polskiego opisu patentowego nr PL 212 770, składa się z dwóch niezależnych jarzm, cewki magnesującej o przekroju kołowym, wewnątrz której umieszczone są detale ferromagnetyczne, zaś wewnątrz cewki magnesującej znajduje się ekran magnetyczny, wykonany z blach elektrotechnicznych w kształcie prostopadłościanu o podstawie kwadratowej lub o kształcie wypełniającym przekrój poprzeczny cewki magnesującej z wydrążonymi czterema otworami, w których umieszczono jednakowe cewki pomiarowe, zaś w dwóch dowolnych cewkach pomiarowych znajdują się detal wzorcowy i badany, przewleczone suwliwie w końcach jarzm wykonanych w kształcie litery „U” lub „C”, zamykającymi strumień magnetyczny.

Istota układu, według wynalazku polega na tym, że głowica pomiarowa ma co najmniej jeden obwód wzbudzający wykonany z co najmniej jednego jarzma magnesującego w kształcie litery U stanowiącego magnetowód, na którym umieszczona jest co najmniej jedna cewka magnesująca, przy czym w biegunie jarzma magnesującego umieszczony jest co najmniej jeden czujnik indukcyjny, natomiast pomiędzy biegunami obwodu wzbudzającego zamocowany jest co najmniej jeden czujnik indukcyjny natężenia pola magnetycznego. Zaciski bocznika połączone są z układem kondycjonowania sygnałów pomiarowych.

Korzystnie, głowica pomiarowa ma co najmniej jeden obwód wzbudzający wykonany z co najmniej jednego jarzma magnesującego w kształcie litery U stanowiącego magnetowód, na którym umieszczona jest co najmniej jedna cewka magnesująca, przy czym w biegunie jarzma magnesującego umieszczony jest co najmniej jeden czujnik indukcyjny, natomiast pomiędzy biegunami obwodu wzbudzającego zamocowany jest co najmniej jeden czujnik indukcyjny natężenia pola magnetycznego.

Korzystnie, obwód wzbudzający wykonany jest z trzech jednakowych jarzm magnesujących w kształcie litery U oddalonych od siebie o odległość mniejszą od 10,0 mm.

Korzystnie, czujnik indukcyjny wykonany jest w postaci cewki pomiarowej strumienia magnetycznego o wysokości mniejszej od 5 mm.

Korzystnie, czujnik indukcyjny osadzony jest wewnątrz jarzma magnesującego pod powierzchnią jego bieguna.

Korzystnie, głowica pomiarowa ma dwa obwody wzbudzające, z których każdy wykonany z co najmniej jednego jarzma magnesującego w kształcie litery U stanowiącego magnetowód, przy czym jeden układ magnetowodów na dole, a drugi na górze zwrócone do siebie biegunami magnesującymi, które to bieguny przylegają do siebie. Najkorzystniej, uzwojenia cewek magnesujących połączone są tak, że strumienie magnetyczne każdej pary biegunów górnego i dolnego układu magnetowodów skierowane są przeciwnie.

PL 226 194 B1

Korzystnie, czujnik indukcyjny natężenia pola magnetycznego połączony jest magnetycznie z pionowymi magnetowodami z materiału magnetycznie miękkiego zapewniającymi kontakt magnetyczny z powierzchnią obiektu badanego.

Układ do pomiaru właściwości materiałów magnetycznie miękkich ma prostą budowę, jest funkcjonalny i uniwersalny, gdyż zastosowanie właściwie dobranej głowicy pomiarowej, umożliwia kontrolę jakości wykrojów materiałów magnetycznych bez potrzeby każdorazowego, specjalnego przygotowywania próbek materiału do badań. Układ umożliwia kontrolę jakości wykrojów z blach elektrotechnicznych na każdym etapie produkcji maszyn elektrycznych i urządzeń elektromagnetycznych metodą nieniszczącą. Zasada pomiaru oraz konstrukcja głowicy pomiarowej oparta jest na ciągłości składowej stycznej natężenia pola magnetycznego na granicy ferromagnetyk-powietrze oraz ciągłości strumienia magnetycznego na styku obwód magnesujący - badany obiekt. Układ może z powodzeniem być wykorzystywany do badania właściwości magnetycznych również ażurowych wykrojów blach elektrotechnicznych, co jest szczególnie istotne, podczas badania nieregularnych czy ażurowanych fragmentów blach elektrotechnicznych np. pakietu stojana silnika elektrycznego. W układzie pomiarowym wykorzystuje się jednorodny rozkład natężenia pola magnetycznego wyłącznie w niewielkim obszarze pomiarowym i uniezależnia wynik od wpływu geometrii i parametrów konfiguracji układu probierczego obwodu magnesującego oraz badanego obiektu. Dodatkowo, w pomiarach lokalnych właściwości magnetycznych badanego obiektu, w przypadku pomiaru stratności wymagana jest jedynie znajomość gęstości badanego materiału.

Przedmiot wynalazku w przykładzie wykonania uwidoczniony jest na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia układ do pomiaru właściwości materiałów magnetycznie miękkich, zwłaszcza blach i taśm, fig. 2 - głowicę pomiarową z jednym czujnikiem natężenia pola magnetycznego w widoku od dołu i w widoku z przodu, fig. 3 - głowicę pomiarową z dwoma czujnikami natężenia pola magnetycznego w widoku od dołu i w widoku z przodu, fig. 4 - głowicę pomiarową z dwoma obwodami wzbudzającymi, a fig. 5 - głowicę pomiarową z dwoma obwodami wzbudzającymi i z pionowymi osłonami wykonanymi z materiału magnetycznie miękkiego.

P r z y k ł a d 1

Układ do pomiaru właściwości materiałów magnetycznie miękkich, zwłaszcza blach i taśm zawiera generator 1 połączony poprzez blok kondycjonowania sygnału 2, filtr aktywny 3 i wzmacniacz mocy 4 z wejściem głowicy pomiarowej 5, której trzy pary zacisków wyjściowych połączone są poprzez układ kondycjonowania sygnałów pomiarowych 6 z układem zbierania danych 7, natomiast układ zbierania danych 7 połączony jest z przetwornikiem analogowo-cyfrowym 7 podłączonym do mikroprocesora 13. Mikroprocesor 13 połączony jest również z ekranem 12 oraz przez układ sterowania blokiem kondycjonowania sygnału 9 z układem kondycjonowania sygnałów pomiarowych 6, poprzez układ sterowania generatorem 11 z generatorem 1 i jednocześnie poprzez układ sterowania bocznikiem 10 z bocznikiem 18 włączonym pomiędzy głowicę pomiarową 5 i masę u kładu. Zaciski bocznika 18 połączone są z układem kondycjonowania sygnałów pomiarowych 6. Głowica pomiarowa 5 ma jeden obwód wzbudzający wykonany z trzech jarzm magnesujących w kształcie litery U oddalonych od siebie o odległość 10,0 mm i stanowiących trzy magnetowody 14, na których umieszczona jest jedna cewka magnesująca 16. W biegunie środkowego jarzma magnesującego umieszczony jest czujnik indukcyjny 15 o wysokości 3 mm, natomiast pomiędzy biegunami tego jarzma zamocowany jest czujnik indukcyjny natężenia pola magnetycznego 17.

P r z y k ł a d 2

Układ do pomiaru właściwości materiałów magnetycznie miękkich, zwłaszcza blach i taśm wykonany jak w przykładzie pierwszym z tą różnicą, że jarzma magnesujące oddalone są od siebie o odległość 3,0 mm, w biegunie środkowego jarzma magnesującego umieszczony jest czujnik indukcyjny 15 wykonany w postaci cewki pomiarowej strumienia magnetycznego o wysokości 3 mm, przy czym czujnik indukcyjny 15 osadzony jest wewnątrz jarzma magnesującego pod powierzchnią jego bieguna, natomiast pomiędzy biegunami środkowego i jednego skrajnego jarzma magnesującego osadzone są dwa czujniki indukcyjne natężenia pola magnetycznego 17.

P r z y k ł a d 3

Układ do pomiaru właściwości materiałów magnetycznie miękkich, zwłaszcza blach i taśm wykonany jak w przykładzie pierwszym z tą różnicą, że głowica pomiarowa 5 ma dwa obwody wzbudzające, z których każdy wykonany z co najmniej jednego jarzma magnesującego w kształcie litery U stanowiącego magnetowód 14, przy czym jeden układ magnetowodów 14 na dole, a drugi na górze zwrócone do siebie biegunami magnesującymi, które to bieguny przylegają do siebie, ponadto uzwojenia cewek magnesujących 16 połączone są tak, że strumienie magnetyczne każdej pary biePL 226 194 B1 gunów górnego i dolnego układu magnetowodów 14 skierowane są przeciwnie. Pomiędzy biegunami górnego jarzma magnesującego zamocowany jest czujnik indukcyjny natężenia pola magnetycznego 17, przy czym w biegunie jarzma magnesującego górnego umieszczony jest czujnik indukcyjny 15 oraz w biegunie jarzma magnesującego dolnego umieszczony jest czujnik indukcyjny 15, zaś pomiędzy tymi biegunami umieszczony jest badany obiekt 20 w postaci blachy. Ponadto na obu magnetowodach 14 dolnym i górnym umieszczona jest jedna cewka magnesująca 16, przy czym uzwojenia cewek magnesujących 16 połączone są tak, że strumienie magnetyczne każdej pary biegunów górnego i dolnego układu magnetowodów 14 skierowane są przeciwnie, co przy małych odległościach biegunów daje jednorodny rozkład strumienia magnetycznego w obszarze pomiarowym głowicy pomiarowej 5.

P r z y k ł a d 4

Układ do pomiaru właściwości materiałów magnetycznie miękkich, zwłaszcza blach i taśm wykonany jak w przykładzie trzecim z tą różnicą, że pomiędzy biegunami środkowego i jednego skrajnego jarzma magnesującego osadzone są dwa czujniki indukcyjne natężenia pola magnetycznego 17, które połączone są magnetycznie z pionowymi osłonami 19 wykonanymi z materiału magnetycznie miękkiego.

Rozmiar głowicy uwarunkowany jest potrzebą poprawnego magnesowania i pomiaru właściwości magnetycznych badanego obiektu 20. Małe wymiary głowicy pomiarowej 5 pozwalają na badanie małych wykrojów oraz jego niejednorodności bądź niejednorodności samego materiału, co pozwala określić jednorodność materiałów magnetycznych produkowanych przez różne firmy. Układ umożliwia badanie anizotropii indukcji i stratności wykrojów z blach elektrotechnicznych magnetowodów, jak i samego materiału źródłowego.

Claims (7)

1. Układ do pomiaru właściwości materiałów magnetycznie miękkich, zwłaszcza blach i taśm zawierający generator, połączony poprzez blok kondycjonowania sygnału, filtr aktywny i wzmacniacz mocy z wejściem głowicy pomiarowej, której co najmniej jedna para zacisków wyjściowych połączona jest poprzez układ kondycjonowania sygnałów pomiarowych i układ odniesienia danych z przetwornikiem analogowo-cyfrowym podłączonym do mikroprocesora, natomiast mikroprocesor połączony jest z ekranem poprzez układ sterowania blokiem kondycjonowania sygnału z układem kondycjonowania sygnałów pomiarowych, poprzez układ sterowania generatorem z generatorem i jednocześnie poprzez układ sterowania bocznikiem z bocznikiem włączonym pomiędzy głowicę pomiarową i masę układu, znamienny tym, że głowica pomiarowa (5) ma co najmniej jeden obwód wzbudzający wykonany z co najmniej jednego jarzma magnesującego w kształcie litery U stanowiącego magnetowód (14), na którym umieszczona jest co najmniej jedna cewka magnesująca (16), przy czym w biegunie jarzma magnesującego umieszczony jest co najmniej jeden czujnik indukcyjny (15), natomiast pomiędzy biegunami obwodu wzbudzającego zamocowany jest co najmniej jeden czujnik indukcyjny natężenia pola magnetycznego (17), ponadto zaciski bocznika (18) połączone są z układem kondycjonowania sygnałów pomiarowych (6).

2. Układ, według zastrz. 1, znamienny tym, że obwód wzbudzający wykonany jest z trzech jednakowych jarzm magnesujących w kształcie litery U oddalonych od siebie o odległość mniejszą od 10,0 mm.

3. Układ, według zastrz. 1, znamienny tym, że czujnik indukcyjny (15) wykonany jest w postaci cewki pomiarowej strumienia magnetycznego o wysokości mniejszej od 5 mm.

4. Układ, według zastrz. 1, znamienny tym, że czujnik indukcyjny (15) osadzony jest wewnątrz jarzma magnesującego pod powierzchnią jego bieguna.

5. Układ, według zastrz. 3, znamienny tym, że głowica pomiarowa (5) ma dwa obwody wzbudzające, z których każdy wykonany z co najmniej jednego jarzma magnesującego w kształcie litery U stanowiącego magnetowód (14), przy czym jeden układ magnetowodów (14) na dole, a drugi na górze zwrócone do siebie biegunami magnesującymi, które to bieguny przylegają do siebie.

6. Układ, według zastrz. 5, znamienny tym, że uzwojenia cewek magnesujących (16) połączone są tak, że strumienie magnetyczne każdej pary biegunów górnego i dolnego układu magnetowodów (14) skierowane są przeciwnie.

7. Układ, według zastrz. 1, znamienny tym, że czujnik indukcyjny natężenia pola magnetycznego (17) połączony jest magnetycznie z pionowymi osłonami (19) wykonanymi z materiału magnetycznie miękkiego.