RU2073856C1

RU2073856C1 - Method of determination of mechanical stresses and magneto-elastic transducer for determination of mechanical stresses

Info

Publication number: RU2073856C1
Authority: RU
Inventors: В.И. Максимочкин; В.Ш. Халилов
Original assignee: Башкирский государственный университет им.40-летия Октября
Priority date: 1992-08-17
Filing date: 1992-08-17
Publication date: 1997-02-20

Abstract

FIELD: nondestructive check of materials for determining the mechanical stresses in ferromagnetic materials. SUBSTANCE: loaded product under check is magnetized with the aid of magneto-elastic transducers installed in a spaced relation to the product, parameters of transducer output signals are measured, the first harmonic emf of transducer measuring windings is extracted; similar measurements are taken, magnetizing a similarly loaded standard piece by the same transducers, the standard piece being made of the material of the product under check and having its temperature; with due account made for the measured parameters mechanical stresses are determined; magnetization is performed within a frequency range from 10 to 30 Hz; used as parameters of output signals of the transducer measuring windings are the odd harmonics of emf and the numbers of Barkhausen abrupt changes; in measurement of the last parameter the first harmonic of emf is maintained constant for the given material, and mechanical stresses are determined by comparison of the measured parameters of the product under check and standard piece. EFFECT: facilitated procedure, enhanced accuracy of measurement of stresses in metalworks. 2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к приборостроению, неразрушающему контролю материалов, технической диагностике и может быть использовано для определения механических напряжений в ферромагнитных материалах при плоском напряженном состоянии с помощью накладных датчиков для оценки ресурсоемкости устройства агрегатов, работающих под нагрузкой. The invention relates to instrumentation, non-destructive testing of materials, technical diagnostics and can be used to determine mechanical stresses in ferromagnetic materials in the plane stress state using surface sensors to assess the resource consumption of the device units operating under load.

В настоящее время известен способ определения механических напряжений (см. А.С. N 1597612), заключающийся в том, что на одном и том же участке исследуемого элемента конструкции проводят основное и вспомогательное измерения магнитоупругой чувствительности, каждое из которых проводят при однократном контролирующем измерении напряженного состояния этого элемента вдоль линии действия искомых напряжений с одновременным его намагничиванием переменным полем фиксированной амплитуды, с превышением амплитуды при вспомогательном измерении в 4-6 раз относительно основного измерения выбирают рабочий градуировочный график по результату вспомогательного измерения и судят о величине искомых напряжений по результатам основного измерения. Currently, there is a known method for determining mechanical stresses (see A.S. N 1597612), which consists in the fact that on the same site of the investigated structural element, the main and auxiliary measurements of magnetoelastic sensitivity are carried out, each of which is carried out with a single control measurement of the stress the state of this element along the line of action of the desired stresses with its simultaneous magnetization by an alternating field of a fixed amplitude, with an excess of the amplitude with an auxiliary measurement of 4-6 times relative to the main measurement is selected by operating the calibration curve and measurement result auxiliary judge the magnitude of the desired voltage on the results of the basic measurement.

Кроме того, известен магнитоупругий датчик (см. А.С. N 1509638), содержащий Х-образный магнитопровод, намагничивающие и измерительные обмотки, расположенные на стержнях магнитопровода; снабженного перемычками из ферромагнитного материала, установленными между стержнями Х-образного магнитопровода так, что их торцы контактируют с боковыми гранями стержней, концы которых выступают за пределы наружных поверхностей перемычек, намагничивающие обмотки размещены на стержнях, расположенных по одной оси Х-образного магнитопровода, а измерительные по другой. In addition, a magnetoelastic sensor is known (see A.S. N 1509638), containing an X-shaped magnetic circuit, magnetizing and measuring windings located on the terminals of the magnetic circuit; equipped with jumpers made of ferromagnetic material, installed between the rods of the X-shaped magnetic circuit so that their ends contact the side faces of the rods, the ends of which extend beyond the outer surfaces of the jumpers, magnetizing windings are placed on rods located on the same axis of the X-shaped magnetic circuit, and measuring on the other.

Наиболее близким по техническому результату к заявляемому является способ измерения механических напряжений накладными магнитоупругими преобразователями при плоском напряженном состоянии, заключающийся в том, что одноосно нагруженное контролируемое изделие намагничивают с помощью двух накладных трансформаторных магнитоупругих преобразователей во взаимно перпендикулярных направлениях, одно из которых совпадает с направлением нагружения изделия и измеряют параметры выходных сигналов преобразователей, выделяя первую гармонику ЭДС измерительных обмоток обоих преобразователей и первую гармонику разности выделенных ЭДС, измеряют их амплитуды и фазы соответственно, причем измерения проводят при двух значениях амплитуды синусоидального тока, питающего намагничивающие обмотки преобразователей, после чего аналогичные измерения проводят, намагничивая этими преобразователями одноосно нагруженный эталонный образец, изготовленный из материала контролируемого изделия и имеющий его температуру, после чего вычисляют механическое напряжение по определенному соотношению измеренных величин (см. А.С. N 1273754). Closest to the technical result of the claimed is a method of measuring mechanical stress overhead magnetoelastic transducers in a flat stress state, which consists in the fact that a uniaxially loaded controlled product is magnetized using two overhead transformer magnetoelastic transducers in mutually perpendicular directions, one of which coincides with the direction of loading of the product and measure the parameters of the output signals of the converters, highlighting the first harmonic The DS of the measuring windings of both transducers and the first harmonic of the difference of the emfs measured, measure their amplitudes and phases, respectively, and the measurements are carried out at two values of the amplitude of the sinusoidal current supplying the magnetizing windings of the transducers, after which similar measurements are carried out by magnetizing with these transducers a uniaxially loaded reference sample made of material of the controlled product and having its temperature, after which the mechanical stress is calculated according to a certain eniyu measured values (see. A.S. N 1273754).

Наиболее близким по техническому результату к заявляемому является магнитоупругий датчик для определения механических напряжений, содержащий две скрепленные между собой пластины, одна из которых выполнена из магнитоупругого, а другая из немагнитного материала и П-образный магнитопровод с размещенными на нем намагничивающей и измерительной обмотками, причем пластина из магнитоупругого материала выполнена с двумя отверстиями, в которых установлены с зазором стержни П-образного магнитопровода. На чертеже представлена схема датчика. The closest in technical result to the claimed one is a magnetoelastic sensor for determining mechanical stresses, containing two plates bonded to each other, one of which is made of magnetoelastic, and the other is of non-magnetic material and a U-shaped magnetic circuit with magnetizing and measuring windings placed on it, and the plate made of magnetoelastic material with two holes in which the rods of the U-shaped magnetic circuit are mounted with a gap. The drawing shows a diagram of the sensor.

Для определения механических напряжений повышенной точности при наличии зазора между магнитоупругим датчиком и поверхностью контролируемого изделия необходимо, чтобы магнитоупругий датчик, включая Н-образный сердечник (1) и два сердечника полосовой формы (2, 3), которые установлены между полюсами первого симметрично его центральной части, причем на Н-образном сердечнике размещены возбуждающая (4) и измерительная (5) обмотки, а на остальных сердечниках измерительные обмотки (6,7). Причем намагничивание контролируемого изделия ведут в диапазоне частот 10-30 Гц, затем измеряют комплекс параметров выходного сигнала с последовательным выделением нечетных гармоник и числа скачков Баркгаузена, причем при измерении последнего ЭДС первой гармоники поддерживают постоянной для данного материала независимо от зазора, и по сравнению соответствующих зависимостей параметров контролируемого и эталонного изделий определяют механические напряжения. To determine the mechanical stresses of increased accuracy in the presence of a gap between the magnetoelastic sensor and the surface of the controlled product, it is necessary that the magnetoelastic sensor, including an H-shaped core (1) and two stripe-shaped cores (2, 3), which are installed between the poles of the first symmetrically its central part moreover, exciting (4) and measuring (5) windings are placed on the H-shaped core, and measuring windings (6,7) on the remaining cores. Moreover, the magnetization of the controlled product is carried out in the frequency range of 10-30 Hz, then a set of output signal parameters is measured with sequential extraction of odd harmonics and the number of Barkhausen jumps; moreover, when measuring the last EMF of the first harmonic, they are kept constant for this material, regardless of the gap, and by comparing the corresponding dependencies The parameters of the controlled and reference products are determined by mechanical stresses.

Из научно-технической литературы и патентной документации неизвестно использование диапазона частот в 10-30 Гц для определения механических напряжений, измерения комплекса параметра выходного сигнала с последовательным выделением нечетных гармоник ЭДС и числа скачков Баркгаузена, причем, чтобы при измерении числа скачков Баркгаузена ЭДС первой гармоники поддерживалась бы постоянной для данного материала независимо от зазора в пределах от 0 до 5 мм, между магнитоупругим преобразователем и поверхностью контролируемого изделия. Кроме того, неизвестен магнитоупругий датчик, содержащий магнитопровод, включающий три сердечника, один из которых имеет Н-образную форму, а два других одинаковую полосовую форму, при этом последние размещены между полюсами первого симметрично его центральной части, причем на Н-образном сердечнике размещена намагничивающая и измерительная, а на остальных измерительные обмотки. Однако известно использование эффекта Баркгаузена для определения структуры ферромагнетиков, (см. журнал "Спектроскопия", 1986, N 3, с. 90-92. Портативный структуроскоп СКИФ-1). Известно также использование магнитоупругого датчика с двумя сердечниками, один из которых имеет Н-образную форму, а другой полосовую, причем второй сердечник расположен между полюсами первого и несет измерительную обмотку (см. ж-л "Дефектоскопия", 1988, N 3. Датчик для структуроскопа). Однако он используется для определения структуры ферромагнитных изделий. Способ осуществляется следующим образом. Из материала контролируемого изделия изготавливают эталонный образец. Нагружают эталонный образец заданными напряжениями, аналогично напряжениям, действующим в контролируемом изделии в реальных условиях. From the scientific and technical literature and patent documentation it is not known to use the frequency range of 10-30 Hz for determining mechanical stresses, measuring the complex of the output signal parameter with sequential extraction of odd harmonics of the EMF and the number of Barkhausen jumps, and so that when measuring the number of Barkhausen jumps the EMF of the first harmonic is supported would be constant for this material, regardless of the gap in the range from 0 to 5 mm, between the magnetoelastic transducer and the surface of the controlled product. In addition, the magnetoelastic sensor is unknown, containing a magnetic circuit that includes three cores, one of which has an H-shape, and the other two have the same strip shape, the latter being placed between the poles of the first symmetrically to its central part, and a magnetizing magnet is placed on the H-shaped core and measuring, and the remaining measuring windings. However, it is known to use the Barkhausen effect to determine the structure of ferromagnets, (see the journal "Spectroscopy", 1986, N 3, pp. 90-92. Portable structure microscope SKIF-1). It is also known to use a magnetoelastic sensor with two cores, one of which is H-shaped and the other is strip-shaped, with the second core located between the poles of the first and carries a measuring winding (see w / x "Defectoscopy", 1988, N 3. Sensor for structuroscope). However, it is used to determine the structure of ferromagnetic products. The method is as follows. A reference sample is made from the material of the controlled product. The reference sample is loaded with the specified voltages, similar to the voltages acting in a controlled product in real conditions.

Собирают электрическую схему (не показано). С помощью магнитоупругого датчика производят намагничивание эталонного образца переменным электромагнитным полем частотой 10-30 Гц. При заданных механических напряжениях измеряют параметры выходных сигналов магнитоупругого преобразователя. При фиксированной ЭДС первой гармоники строят тарировочный график зависимости числа скачков Баркгаузена от величины напряжений. Затем аналогичным образом намагничивают контролируемое изделие. При этом при намагничивании величину ЭДС первой гармоники выходного сигнала поддерживают постоянной, зафиксированной ранее для данного материала при наличии зазора в указанных выше пределах до 5 мм. По сравнению соответствующих параметров эталонного и контролируемого изделий определяют механические напряжения. Магнитоупругий датчик для определения механических напряжений (см. черт.) состоит из магнитопровода, включающего три сердечника (1,2,3), один из которых (1) имеет Н-образную, а два других (2,3) одинаковую полосовую форму. Причем дополнительные полосовые сердечники установлены между полюсами Н-образного сердечника симметрично его центральной части. Намагничивающая обмотка (4) расположена на Н-образном сердечнике, а измерительные (5,6,7) расположены на каждом сердечнике, как показано на чертеже. При этом обмотки 4 и 7 наматываются бескаркасным способом на Н-образный сердечник, а полосовые сердечники 2 и 3 с обмотками 7 и 6 крепятся к Н-образному сердечнику клеем, например эпоксидной смолой. Assemble an electrical circuit (not shown). Using a magnetoelastic sensor, the reference sample is magnetized with an alternating electromagnetic field with a frequency of 10-30 Hz. For given mechanical stresses, the parameters of the output signals of the magnetoelastic transducer are measured. With a fixed EMF of the first harmonic, a calibration graph is constructed for the dependence of the number of Barkhausen jumps on the magnitude of the voltages. Then, the controlled product is magnetized in a similar manner. In this case, during magnetization, the EMF value of the first harmonic of the output signal is kept constant, previously fixed for this material in the presence of a gap in the above ranges up to 5 mm. Comparing the corresponding parameters of the reference and controlled products, mechanical stresses are determined. The magnetoelastic sensor for determining mechanical stresses (see the diagram) consists of a magnetic circuit that includes three cores (1,2,3), one of which (1) has an H-shape, and the other two (2,3) have the same strip shape. Moreover, additional strip cores are installed between the poles of the H-shaped core symmetrically to its central part. The magnetizing winding (4) is located on the H-shaped core, and measuring (5,6,7) are located on each core, as shown in the drawing. In this case, the windings 4 and 7 are wound framelessly on an H-shaped core, and the strip cores 2 and 3 with windings 7 and 6 are attached to the H-shaped core with glue, for example epoxy resin.

Пример 1. Для определения напряженного состояния магистральных нефтепродуктопроводов был изготовлен датчик, как показано чертеже. Кроме того, для выполнения измерений был изготовлен макет прибора, электрическая функциональная схема которого не показана. Затем из материала труб (ст. 3 КП) были изготовлены эталонные образцы размерами 500х30х10, где последний размер толщина трубной стали. Так как заранее было известно, что характерные деформации при разрушении выпучивание трубы за счет ее изгиба, было установлено, что наиболее опасными являются деформации одноосного растяжения. Поэтому испытания и калибровка прибора была проведена на разрывной машине марки INSTRON. Example 1. To determine the stress state of the main oil pipelines, a sensor was made, as shown in the drawing. In addition, to carry out the measurements, a model of the device was made, the electrical functional diagram of which is not shown. Then from the pipe material (Art. 3 KP), reference samples were made with dimensions of 500x30x10, where the last dimension is the thickness of the pipe steel. Since it was known in advance that the characteristic deformations during the destruction of the buckling of the pipe due to its bending, it was found that the most dangerous are uniaxial tensile strains. Therefore, testing and calibration of the device was carried out on a tensile testing machine brand INSTRON.

Тарировочные графики были выполнены в полосе действия упругих напряжений до 10% пластической деформации. При этом было установлено, что наличие изоляции на трубе, а также зазор, ржавчина и т.д. требуют условий работы прибора с электромагнитным полем при намагничивании частотой до 30 Гц. В этом случае отклик наиболее информативен. Кроме того, для предотвращения влияния зазора была установлена методика измерения скачков Баркгаузена при фиксированной величине ЭДС первой гармоники. Затем прибором с датчиком и тарировочным графиком были выполнены измерения на газопроводе линейного участка насосной станции Уральского управления магистральными нефтепродуктопроводами. При этом измерения были проведены на трех линиях с давлением 5, 25, 45 ат. Трубы диаметром 350 мм с изоляцией из краски толщиной 3 мм. Показания прибора контролируемых труб соответствовали внутреннем давлению с погрешностью в ± 10% от предела упругости. Calibration plots were performed in the elastic stress band up to 10% plastic deformation. It was found that the presence of insulation on the pipe, as well as clearance, rust, etc. they require operating conditions of the device with an electromagnetic field during magnetization with a frequency of up to 30 Hz. In this case, the response is most informative. In addition, to prevent the influence of the gap, a method was established for measuring the Barkhausen jumps at a fixed EMF of the first harmonic. Then, with a device with a sensor and a calibration graph, measurements were made on the gas pipeline of the linear section of the pumping station of the Ural oil trunk pipeline management. In this case, measurements were carried out on three lines with a pressure of 5, 25, 45 at. Pipes with a diameter of 350 mm with insulation from paint 3 mm thick. The readings of the instrument of controlled pipes corresponded to the internal pressure with an error of ± 10% of the elastic limit.

Пример 2. Аналогичные измерения были проведены на образцах стали марки ст. 20. При этом было установлено, что наиболее информативной является частота в 10 Гц. Это объясняется механизмом проникновения электромагнитного поля вглубь контролируемого изделия. Последующие измерения с различными сталями позволили установить предельные величины по частоте электромагнитного поля в 10-30 Гц. Example 2. Similar measurements were carried out on samples of steel grade st. 20. It was found that the most informative is the frequency of 10 Hz. This is due to the mechanism of penetration of the electromagnetic field deep into the controlled product. Subsequent measurements with various steels made it possible to establish limit values for the frequency of the electromagnetic field at 10-30 Hz.

Таким образом, предлагаемый способ определения механических напряжений позволяет с определенной точностью измерять величину напряжений в металлоконструкциях. Контролировать состояние агрегатов и устройств под нагрузкой для предотвращения критических напряжений. Для оценки ресурсоемкости разработана специальная методика измерения напряжений, включающая детальное обследование опасного участка, временную динамику замеров, анализа ресурсоемкости изделия при истечении гарантийного срока службы, учета пластических деформаций и выдача экспертного заключения о работоспособности металлоконструкции или необходимости замены наиболее опасного участка. Thus, the proposed method for determining mechanical stresses allows with a certain accuracy to measure the magnitude of the stresses in metal structures. Monitor the condition of units and devices under load to prevent critical stresses. To assess the resource intensity, a special method for measuring stresses has been developed, including a detailed examination of the hazardous area, temporary dynamics of measurements, analysis of the resource consumption of the product at the end of the warranty period, accounting for plastic deformations and the issuance of an expert opinion on the performance of the metal structure or the need to replace the most dangerous section.

Claims

1. The method of determining mechanical stresses using overhead magnetoelastic transducers, which consists in the fact that the loaded controlled product is magnetized using magnetoelastic transducers installed with a gap relative to the product, the parameters of the output signals of the transducers are measured, the first harmonic of the EMF of the measuring windings of the transducers is isolated, similar measurements are carried out, magnetizing with the same transducers a similarly loaded reference sample made from a mother Ala of the controlled product and its temperature, and taking into account the measured parameters, mechanical stresses are determined, characterized in that the magnetization is carried out in the frequency range 10-30 Hz, the odd harmonics of the EMF and the number of Barkhausen jumps are used as parameters of the output signals of the measuring windings of the transducers, and when measuring of the last parameter, the first harmonic of the EMF is kept constant for a given material, and mechanical stresses are judged by comparing the measured parameters of the controlled and Delia and sample.

2. Magnetoelastic sensor for determining mechanical stresses, comprising a housing, a core installed in it with exciting and measuring windings located on it, characterized in that it is equipped with two additional strip-shaped cores and two measuring windings placed on them, respectively, and the main core is made of H -shaped, with additional cores installed between the poles of the main symmetrically to its Central part.