PL239052B1 - Sonda magnetyczna do badań nieniszczących obiektów ferromagnetycznych metodą rozproszenia strumienia magnetycznego - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest sonda magnetyczna do badań nieniszczących obiektów ferromagnetycznych metodą rozproszenia strumienia magnetycznego, która posiada rdzeń wykonany z materiału ferromagnetycznego o wysokiej przenikalności magnetycznej i w którym wytworzona jest wąska szczelina powietrzna.

Badania nieniszczące stanowią grupę metod badawczych pozwalających na pozyskanie informacji o własnościach danego obiektu bez zmiany jego struktury. Defektoskopia jest działem badań nieniszczących dotyczącym metod wykrywania nieciągłości materiału. Metody badań nieniszczących wykorzystywane w defektoskopii są szeroko stosowane w diagnostyce elementów konstrukcyjnych, w szczególności w konstrukcjach o krytycznym znaczeniu dla bezpieczeństwa publicznego. Ze względu na znaczący udział materiałów ferromagnetycznych w wytwarzaniu elementów konstrukcyjnych we współczesnej technice, do najczęściej stosowanych w defektoskopii metod badań nieniszczących należą metody magnetyczne, wśród których, oprócz metody magnetycznej proszkowej, należy wymienić metodę rozproszenia strumienia magnetycznego. Polega ona na pomiarze strumienia magnetycznego na powierzchni magnesowanego elementu z materiału ferromagnetycznego za pomocą sondy umożliwiającej detekcję zmian strumienia magnetycznego wynikających z obecności nieciągłości w strukturze materiału badanego elementu. Metoda rozproszenia strumienia magnetycznego może być stosowana do detekcji nieciągłości powierzchniowych i podpowierzchniowych do około 5 mm w głąb materiału.

Z opisu patentowego US 5218296 znana jest sonda przystosowana do badania defektów w cienkiej folii, zwłaszcza nadprzewodzącej, posiadająca rdzeń magnetyczny ze szczeliną oraz uzwojenie sterujące i pomiarowe, lub tylko uzwojenie sterująco-pomiarowe. Zmiana strumienia magnetycznego powoduje zmianę wartości napięcia indukowanego w uzwojeniu pomiarowym, które jest mierzone za pomocą woltomierza i stanowi sygnał wyjściowy sondy w konfiguracji z uzwojeniem sterującym i uzwojeniem pomiarowym. W konfiguracji z uzwojeniem sterująco-pomiarowym zmiany te mogą być mierzone za pomocą amperomierza. Rdzeń sondy ma kształt ramki lub toroidalnego pierścienia o średnicy około 5 mm ze szczeliną powietrzną nie przekraczającą 5 mm. Urządzenie jest wyposażone w środki do utrzymywania folii w temperaturze nadprzewodnictwa podczas pomiaru.

Z opisu patentowego US 491017 znana jest sonda przystosowana do pomiaru parametrów magnetycznych badanej próbki i lokalizacji wszelkich nieciągłości w próbce. Rdzeń sondy ma kształt wielokątnego pierścienia ze szczeliną w płaszczyźnie osiowej. Końce rdzenia rozdzielone szczeliną są węższe w przekroju poprzecznym od pozostałych odcinków rdzenia. Na rdzeniu nawinięte jest uzwojenie sterujące i uzwojenie pomiarowe. Uzwojenie sterujące służy do kontroli i monitorowania pola magnetycznego, a uzwojenie pomiarowe jest połączone z woltomierzem. Sonda może również zawierać inne środki, takie jak sonda Halla, aby zapewnić niezależną miarę natężenia pola magnetycznego.

Z opisu patentowego US 4931730 znany jest układ do pomiaru zmian odpowiedzi próbek z materiału ferromagnetycznego pod wpływem zmiennego pola magnetycznego, mierzony za pomocą uzwojenia pomiarowego nawiniętego na rdzeń wewnętrzny i uzwojenia pomiarowego nawiniętego na rdzeń zewnętrzny. Wpływ zmiennego pola magnetycznego jest mierzony przez detektory pola magnetycznego. Detektory pola generują sygnały elektryczne, które są podawane do oscyloskopu, komparatora lub komputera do analizy. Właściwości badanego materiału, które są mierzone przez urządzenie, obejmują rotację domen magnetycznych, wyrównanie domen magnetycznych, wyrównanie momentów magnetycznych, efekt Barkhausena, siłę przymusu, remanencję, strukturę materiału, pola naprężeń i defekty.

Z opisu patentowego US4901017 znane jest urządzenie do oceny integralności rurowych struktur z żelaza w zmiennym strumieniu magnetycznym. Zmienny w czasie strumień magnetyczny jest wytwarzany przez zmieniający się w czasie prąd elektryczny w cewce sterującej. Anomalia strukturalna wpływająca na zmianę strumienia pomiarowego jest odbierana przez uzwojenie pomiarowe.

Celem wynalazku jest opracowanie sondy magnetycznej do badań nieniszczących obiektów ferromagnetycznych metodą rozproszenia strumienia magnetycznego charakteryzującej się czułością przewyższającą obecnie znane rozwiązania oraz wysoką rozdzielczością pomiarową.

Sonda magnetyczna do badań nieniszczących obiektów ferromagnetycznych metodą rozproszenia strumienia magnetycznego, posiadająca magnetowód utworzony przez rdzeń wykonany z materiału ferromagnetycznego o wysokiej przenikalności magnetycznej, wąską szczelinę powietrzną, która umożliwia wnikanie zewnętrznego rozproszonego strumienia magnetycznego do wnętrza magnetowodu, a na

PL 239 052 B1 rdzeniu nawinięte jest uzwojenie sterująco-pomiarowe zasilane ze źródła napięciowego w celu wytworzenia w magnetowodzie wewnętrznego strumienia magnetycznego, który podlega zmianom związanym z wnikaniem zewnętrznego rozproszonego strumienia magnetycznego do wnętrza magnetowodu, a zmiany te są mierzone poprzez pomiar prądu płynącego w uzwojeniu sterująco-pomiarowym za pomocą amperomierza, według wynalazku wyróżnia się tym, że rdzeń ma kształt podkowy z wąską szczeliną powietrzną usytuowaną między końcami ramion w płaszczyźnie symetrii rdzenia, prostopadle do podstawy jego końców, przy czym górna część rdzenia ma stałe pole przekroju poprzecznego, ramiona poniżej części górnej mają rosnące pole przekroju poprzecznego w kierunku końców ramion tak, że płaskie końce rdzenia tworzące szczelinę powietrzną mają pole powierzchni zwiększone w zakresie od 20 do 100% w stosunku do pola powierzchni przekroju górnej części rdzenia, a uzwojenie sterująco-pomiarowe jest nawinięte na górną część rdzenia.

Inna sonda magnetyczna do badań nieniszczących obiektów ferromagnetycznych metodą rozproszenia strumienia magnetycznego, posiadająca magnetowód utworzony przez rdzeń wykonany z materiału ferromagnetycznego o wysokiej przenikalności magnetycznej, wąską szczelinę powietrzną, która umożliwia wnikanie zewnętrznego rozproszonego strumienia magnetycznego do wnętrza magnetowodu, a na rdzeniu nawinięte jest uzwojenie sterujące zasilane ze źródła prądowego w celu wytworzenia w magnetowodzie wewnętrznego strumienia magnetycznego, który podlega zmianom związanym z wnikaniem zewnętrznego rozproszonego strumienia magnetycznego do wnętrza magnetowodu, a zmiany te są mierzone poprzez pomiar napięcia indukowanego w uzwojeniu pomiarowym za pomocą woltomierza, według wynalazku wyróżnia się tym, że rdzeń ma kształt podkowy z wąską szczeliną powietrzną usytuowaną między końcami ramion w płaszczyźnie symetrii rdzenia, prostopadle do podstawy jego końców, przy czym górna część rdzenia ma stałe pole przekroju poprzecznego, ramiona poniżej części górnej mają rosnące pole przekroju poprzecznego w kierunku końców ramion tak, że płaskie końce rdzenia tworzące szczelinę powietrzną mają pole powierzchni zwiększone w zakresie od 20 do 100% w stosunku do pola powierzchni przekroju górnej części rdzenia, a uzwojenie sterujące i uzwojenie pomiarowe jest nawinięte na górną część rdzenia.

W zależności od konfiguracji, sonda posiada uzwojenie sterująco-pomiarowe nawinięte na rdzeń lub osobne uzwojenie sterujące i uzwojenie pomiarowe nawinięte na rdzeń. W konfiguracji z uzwojeniem sterująco-pomiarowym, strumień magnetyczny w magnetowodzie sondy wytwarzany jest poprzez zasilenie uzwojenia sterująco-pomiarowego ze źródła napięciowego, a sygnałem wyjściowym jest zmiana prądu płynącego w uzwojeniu sterująco-pomiarowym wywołana wnikaniem w magnetowód sondy przez szczelinę powietrzną strumienia magnetycznego rozproszonego przez obecność nieciągłości w badanym obiekcie ferromagnetycznym. W konfiguracji z uzwojeniem sterującym i uzwojeniem pomiarowym, strumień magnetyczny w magnetowodzie sondy wytwarzany jest poprzez zasilenie uzwojenia sterującego ze źródła prądowego, a sygnałem wyjściowym jest zmiana napięcia indukowanego w uzwojeniu pomiarowym wywołana wnikaniem w magnetowód sondy przez szczelinę powietrzną strumienia magnetycznego rozproszonego przez obecność nieciągłości w badanym obiekcie ferromagnetycznym. W obu konfiguracjach sonda pracuje z zasilaniem przemiennym.

Do korzystnych skutków przedstawionego rozwiązania zalicza się wysoka czułość sondy wynikająca z ukształtowania rdzenia w kształt podkowy, gdzie pole powierzchni końców pierścienia jest znacząco zwiększone w stosunku do pola powierzchni przekroju pozostałych fragmentów pierścienia, w zakresie od 20 do 100%.

Zwiększenie pola powierzchni krawędzi szczeliny skutkuje wzrostem powierzchni wnikania zewnętrznego strumienia magnetycznego do magnetowodu sondy, co przekłada się na wzrost jej czułości pomiarowej. Zaletą jest również wysoka rozdzielczość pomiarowa wynikająca z niewielkiej szerokości szczeliny powietrznej stanowiącej element sensorowy umożliwiający wnikanie zewnętrznego strumienia magnetycznego do magnetowodu sondy.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia układ pracy sondy w konfiguracji z uzwojeniem sterująco-pomiarowym, a rysunek 2 przedstawia układ pracy sondy w konfiguracji z uzwojeniem sterującym i uzwojeniem pomiarowym.

Jak przedstawiono na fig. 1, sonda magnetyczna 1 do badań nieniszczących obiektów ferromagnetycznych metodą rozproszenia strumienia magnetycznego posiada magnetowód utworzony przez rdzeń 1.1 o kształcie przedstawionym na rysunku lub zbliżonym, wytworzony z materiału ferromagnetycznego o wysokiej przenikalności magnetycznej, w szczególności z materiału amorficznego lub nanokrystalicznego, w którym jest wytworzona wąska szczelina powietrzna 1.2. Rdzeń 1.1 ma kształt podkowy z wąską szczelina powietrzną 1.2 usytuowaną między końcami ramion w płaszczyźnie symetrii

PL 239 052 B1 rdzenia 1.1, prostopadle do podstawy jego końców, przy czym górna część rdzenia 1.1, w kształcie półpierścienia, ma stałe pole przekroju poprzecznego, ramiona poniżej części górnej mają rosnące pole przekroju poprzecznego w kierunku końców ramion tak, że płaskie końce rdzenia 1.1 tworzące szczelinę powietrzną 1.2 mają pole powierzchni zwiększone w zakresie od 20 do 100% w stosunku do pola powierzchni przekroju górnej części rdzenia 1.1. Uzwojenie sterująco-pomiarowe (1.3) jest nawinięte na górną część rdzenia (1.1).

Uzwojenie sterująco-pomiarowe 1.3 jest zasilane ze źródła napięciowego 2a dostarczającego napięcie przemienne, w szczególności sinusoidalne, o określonej częstotliwości i amplitudzie. Prąd przemienny Iz płynący w uzwojeniu sterująco-pomiarowym 1.3 jest mierzony za pomocą amperomierza 3. Przepływ prądu przemiennego Iz przez uzwojenie sterująco-pomiarowe 1.3 powoduje powstanie w magnetowodzie sondy przemiennego strumienia magnetycznego Φs. Sonda jest zbliżona do powierzchni badanego obiektu 5 wykonanego z materiału ferromagnetycznego, w którym obecna jest nieciągłość struktury materiału 5.1. Na powierzchni badanego obiektu 5 umieszczone jest jarzmo magnesujące 6, na którym nawinięte jest uzwojenie magnesujące 7 zasilane prądem Im dostarczonym z innego źródła prądowego 8. Przepływ prądu Im przez uzwojenie magnesujące 7 powoduje powstanie strumienia magnetycznego Φm w magnetowodzie złożonym z jarzma magnesującego 6 i badanego obiektu 5.

Na fig. 2 przedstawiono układ pracy innej sondy magnetycznej 1, która różni się tym od sondy z fig. 1, że ma oddzielne uzwojenie sterujące 1.4 zasilane ze źródła prądowego 2b i oddzielne i uzwojenie pomiarowe 1.5 połączone z woltomierzem 4. Rdzeń 1.1 ma taki sam kształt jak rdzeń z fig. 1. Oba uzwojenia są nawinięte na górną część rdzenia 1.1, po przeciwnych stronach płaszczyzny symetrii. Źródło prądowe 2b dostarcza do uzwojenia sterującego prąd przemienny, w szczególności sinusoidalny, o określonej częstotliwości i amplitudzie. Prąd przemienny Is o stałej amplitudzie płynący w uzwojeniu sterującym 1.4 jest mierzony za pomocą amperomierza 3. Przepływ prądu przemiennego Is o stałej amplitudzie przez uzwojenie sterujące 1.4 powoduje powstanie w magnetowodzie sondy przemiennego strumienia magnetycznego Φs. Napięcie indukowane w uzwojeniu pomiarowym 1.5 jest mierzone za pomocą woltomierza 4. Sonda jest zbliżona do powierzchni badanego obiektu 5 wykonanego z materiału ferromagnetycznego, w którym obecna jest nieciągłość struktury materiału 5.1. Na powierzchni badanego obiektu 5 umieszczone jest jarzmo magnesujące 6, na którym nawinięte jest uzwojenie magnesujące 7 zasilane prądem magnesującym Im dostarczonym z innego źródła prądowego 8. Przepływ prądu magnesującego Im przez uzwojenie magnesujące 7 powoduje powstanie strumienia magnetycznego Φm w magnetowodzie utworzonym przez jarzmo magnesującego 6 i badany obiekt 5.

W celu dokonania detekcji obecności w badanym obiekcie 5 wykonanym z materiału ferromagnetycznego nieciągłości struktury materiału 5.1, na jego powierzchni umieszcza się jarzmo magnesujące 6, na którym nawinięte jest uzwojenie magnesujące 7 zasilane prądem magnesującym Im dostarczonym z innego źródła prądowego 8. Przepływ prądu magnesującego Im przez uzwojenie magnesujące 7 powoduje powstanie strumienia magnetycznego Φm w magnetowodzie utworzonym przez jarzmo magnesujące 6 i badany obiekt 5. W przypadku braku obecności nieciągłości struktury materiału 5.1, strumień magnetyczny Φm pozostanie w większości zamknięty wewnątrz magnetowodu utworzonego przez jarzmo magnesujące 6 i badany obiekt 5. Jeśli jednak pomiędzy ramionami jarzma magnesującego 6 znajduje się nieciągłość struktury materiału 5.1, wystąpi anomalia w przepływie strumienia magnetycznego Φm w materiale badanego obiektu 5 i jego część zostanie rozproszona poza materiał badanego obiektu 5. Jeśli w obszarze pomiędzy ramionami jarzma magnesującego 6 do powierzchni badanego obiektu 5 zostanie zbliżona sonda magnetyczna 1, to część rozproszonego strumienia magnetycznego Φm wniknie do magnetowodu rdzenia 1.1 przez wąską szczelinę powietrzną 1.2, zaburzając wewnętrzny przemienny strumień magnetyczny Φε powstający w wyniku zasilenia uzwojenia sterująco-pomiarowego 1.3 lub uzwojenia sterującego 1.4 ze źródła odpowiednio napięciowego 2a lub prądowego 2b. W przypadku sondy w konfiguracji z uzwojeniem sterująco-pomiarowym, zmiana wewnętrznego przemiennego strumienia magnetycznego Φβ spowoduje zmianę prądu przemiennego Iz o zmiennej amplitudzie płynącego w uzwojeniu sterująco-pomiarowym 1.3 wynikającą ze zmiany impedancji uzwojenia sterująco-pomiarowego 1.3 i konieczności dostosowania prądu przemiennego Iz do nowej wartości impedancji tak, aby napięcie zasilania ze źródła napięciowego 2a pozostało niezmienione. Zmiana prądu przemiennego Iz o zmiennej amplitudzie mierzona jest za pomocą amperomierza 3 i stanowi sygnał wyjściowy sondy magnetycznej 1 z fig. 1 w konfiguracji z uzwojeniem sterująco-pomiarowym. W przypadku sondy magnetycznej 1 z fig. 2, prąd przemienny Is o stałej amplitudzie w uzwojeniu sterującym 1.4 ma stałą amplitudę niezależnie od zmiany wewnętrznego przemiennego strumienia magnetycznego Φ8, jako że

PL 239 052 B1 jest dostarczony ze źródła prądowego 2b. Zmiana strumienia magnetycznego Φε powoduje zmianę wartości napięcia indukowanego w uzwojeniu pomiarowym 1.5, które jest mierzone za pomocą woltomierza 4 i stanowi sygnał wyjściowy sondy w konfiguracji z uzwojeniem sterującym i uzwojeniem pomiarowym. W konfiguracji z uzwojeniem sterującym i uzwojeniem pomiarowym amperomierz 3 spełnia rolę pomocniczą, służąc do monitorowania prądu zasilającego sondę.

Claims (2)

1. Sonda magnetyczna do badań nieniszczących obiektów ferromagnetycznych metodą rozproszenia strumienia magnetycznego, posiadająca magnetowód utworzony przez rdzeń wykonany z materiału ferromagnetycznego o wysokiej przenikalności magnetycznej, wąską szczelinę powietrzną, która umożliwia wnikanie zewnętrznego rozproszonego strumienia magnetycznego do wnętrza magnetowodu, a na rdzeniu nawinięte jest uzwojenie sterująco-pomiarowe zasilane ze źródła napięciowego w celu wytworzenia w magnetowodzie wewnętrznego strumienia magnetycznego, który podlega zmianom związanym z wnikaniem zewnętrznego rozproszonego strumienia magnetycznego do wnętrza magnetowodu, a zmiany te są mierzone poprzez pomiar prądu płynącego w uzwojeniu sterująco-pomiarowym za pomocą amperomierza, znamienna tym, że rdzeń (1.1) ma kształt podkowy z wąską szczeliną powietrzną (1.2) usytuowaną między końcami ramion w płaszczyźnie symetrii rdzenia (1.1), prostopadle do podstawy jego końców, przy czym górna część rdzenia (1.1) ma stałe pole przekroju poprzecznego, ramiona poniżej górnej części mają rosnące pole przekroju poprzecznego w kierunku końców ramion tak, że płaskie końce rdzenia (1.1) tworzące szczelinę powietrzną (1.2) mają pole powierzchni zwiększone w zakresie od 20 do 100% w stosunku do pola powierzchni przekroju górnej części rdzenia (1.1), a uzwojenie sterująco-pomiarowe (1.3) jest nawinięte na górną część rdzenia (1.1).

2. Sonda magnetyczna do badań nieniszczących obiektów ferromagnetycznych metodą rozproszenia strumienia magnetycznego, posiadająca magnetowód utworzony przez rdzeń wykonany z materiału ferromagnetycznego o wysokiej przenikalności magnetycznej, wąską szczelinę powietrzną, która umożliwia wnikanie zewnętrznego rozproszonego strumienia magnetycznego do wnętrza magnetowodu, a na rdzeniu nawinięte jest uzwojenie sterujące zasilane ze źródła prądowego w celu wytworzenia w magnetowodzie wewnętrznego strumienia magnetycznego, który podlega zmianom związanym z wnikaniem zewnętrznego rozproszonego strumienia magnetycznego do wnętrza magnetowodu, a zmiany te są mierzone poprzez pomiar napięcia indukowanego w uzwojeniu pomiarowym za pomocą woltomierza, znamienna tym, że rdzeń (1.1) ma kształt podkowy z wąską szczeliną powietrzną (1.2) usytuowaną między końcami ramion w płaszczyźnie symetrii rdzenia (1.1), prostopadle do podstawy jego końców, przy czym górna część rdzenia (1.1) ma stałe pole przekroju poprzecznego, ramiona poniżej górnej części mają rosnące pole przekroju poprzecznego w kierunku końców ramion tak, że płaskie końce rdzenia (1.1) tworzące szczelinę powietrzną (1.2) mają pole powierzchni zwiększone w zakresie od 20 do 100% w stosunku do pola powierzchni przekroju górnej części rdzenia (1.1), a uzwojenie sterujące (1.4) i uzwojenie pomiarowe (1.5) jest nawinięte na górną część rdzenia (1.1).