RU2810894C1

RU2810894C1 - Magnetoelastic sensor for determining mechanical stress in ferromagnetic materials

Info

Publication number: RU2810894C1
Application number: RU2023120147A
Authority: RU
Inventors: Владимир Викторович Черниченко; Сергей Рафаилович Комраз
Filing date: 2023-07-31
Publication date: 2023-12-29

Abstract

FIELD: non-destructive testing.

SUBSTANCE: magnetoelastic transducer for determining mechanical stresses in ferromagnetic materials contains a housing, a main U-shaped core installed in it with an excitation winding placed on it, and is additionally equipped with two identical U-shaped measuring cores on which the measuring windings are located. The plane of their placement is perpendicular to the plane of the main core, while the measuring cores are located on different sides of the controlled ferromagnetic object in such a way that the projections of their contact surfaces coincide.

EFFECT: increased noise immunity and increased measurement accuracy.

1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области приборостроения, неразрушающему контролю, технической диагностике и может быть использовано в качестве накладных датчиков для определения механических напряжений в ферромагнитных материалах, в том числе в рельсах при движении подвижного состава.The invention relates to the field of instrument engineering, non-destructive testing, technical diagnostics and can be used as overhead sensors for determining mechanical stresses in ferromagnetic materials, including in rails during rolling stock movement.

Известен магнитоупругий датчик для определения механических напряжений, который содержит корпус, установленные в нем сердечник с размещенными на нем возбуждающей и измерительной обмотками, при этом он снабжен двумя дополнительными сердечниками полосовой формы и размещенными на них соответственно двумя измерительными обмотками, а основной сердечник выполнен Н-образной формы, причем дополнительные сердечники установлены между полюсами основного, симметрично его центральной части [патент на изобретение № 2073856, МПК: G01N 27/80, опубл. 20.02.1997].A known magnetoelastic sensor for determining mechanical stresses, which contains a housing, a core installed in it with exciting and measuring windings placed on it, and it is equipped with two additional strip-shaped cores and two measuring windings placed on them, respectively, and the main core is H-shaped forms, with additional cores installed between the poles of the main one, symmetrically to its central part [patent for invention No. 2073856, IPC: G01N 27/80, publ. 02/20/1997].

Недостатками известного датчика являются: невозможность ведения измерений механической напряженности в локальных точках в силу больших размеров, сложность выделения скачков Баркгаузена, так как в обмотке полосовых сердечников возможно наведение электродинамических сил (ЭДС) с частотой возбуждения, а также слабая помехозащищенность от посторонних ЭДС.The disadvantages of the known sensor are: the impossibility of measuring mechanical stress at local points due to its large size, the difficulty of identifying Barkhausen jumps, since in the winding of strip cores it is possible to induce electrodynamic forces (EMF) with the excitation frequency, as well as poor noise immunity from extraneous EMF.

Известен магнитоупругий датчик для определения механического напряжения в ферромагнитных материалах, содержащий корпус, установленный в нем сердечник П-образной формы с размещенными на нем возбуждающей и контролирующей уровень возбуждения обмотками, а также дополнительный сердечник П-образной формы, на котором размещена измерительная обмотка, причем дополнительный сердечник установлен симметрично между полюсами основного сердечника так, что плоскость его перпендикулярна плоскости основного сердечника. Корпус магнитоупругого датчика выполнен из проводящего немагнитного материала, выполняющего функцию экрана и защиты от внешних помех. Плоскость сердечника с измерительной обмоткой перпендикулярна плоскости основного сердечника, и поэтому в нем практически не наводится ЭДС на частоте возбуждения, а ЭДС от скачков Баркгаузена при этом практически остается неизменной [патент на изобретение RU 2492459 С1. Заявка: 2012107195/28, 27.02.2012, МПК: G01N 27/80, опубл. 10.09.2013. Бюл. №25 - прототип],A magnetoelastic sensor is known for determining mechanical stress in ferromagnetic materials, containing a housing, a U-shaped core installed in it with exciting windings placed on it and controlling the excitation level, as well as an additional U-shaped core on which a measuring winding is placed, and an additional the core is installed symmetrically between the poles of the main core so that its plane is perpendicular to the plane of the main core. The body of the magnetoelastic sensor is made of conductive non-magnetic material that serves as a screen and protection from external interference. The plane of the core with the measuring winding is perpendicular to the plane of the main core, and therefore practically no EMF is induced in it at the excitation frequency, and the EMF from Barkhausen jumps remains practically unchanged [invention patent RU 2492459 C1. Application: 2012107195/28, 02/27/2012, IPC: G01N 27/80, publ. 09/10/2013. Bull. No. 25 - prototype],

Недостатками известного магнитоупругого датчика является то, что для определения абсолютной величины механического напряжения необходимо проведение тарировки и построение тарировочных графиков, полученных на эталонных образцах при известных в них механических напряжениях, а также зависимость от толщины контролируемого образца и некоторая зависимость от помех на частоте возбуждения.The disadvantages of the known magnetoelastic sensor are that in order to determine the absolute value of the mechanical stress, it is necessary to carry out calibration and construct calibration graphs obtained on reference samples at known mechanical stresses in them, as well as dependence on the thickness of the controlled sample and some dependence on interference at the excitation frequency.

Задачей предложенного изобретения является повышение помехоустойчивости, обеспечение независимости результатов от толщины контролируемого образца и повышение точности измерений.The objective of the proposed invention is to increase noise immunity, ensure independence of results from the thickness of the tested sample and increase measurement accuracy.

Решение указанной задачи достигается тем, что предложенный магнитоупругий датчик для определения механических напряжений в ферромагнитных материалах, содержащий корпус, установленный в нем основной сердечник П-образной формы с размещенной на нем обмоткой возбуждения, согласно изобретению, дополнительно снабжен двумя идентичными измерительными сердечниками П-образной формы, на которых размещены измерительные обмотки, причем плоскость их размещения перпендикулярна плоскости основного сердечника, при этом упомянутые измерительные сердечники расположены по разным сторонам контролируемого ферромагнитного объекта таким образом, что проекции их контактных поверхностей совпадают.The solution to this problem is achieved by the fact that the proposed magnetoelastic sensor for determining mechanical stresses in ferromagnetic materials, containing a housing, a U-shaped main core installed in it with an excitation winding placed on it, according to the invention, is additionally equipped with two identical U-shaped measuring cores , on which the measuring windings are placed, and the plane of their placement is perpendicular to the plane of the main core, while the mentioned measuring cores are located on different sides of the controlled ferromagnetic object in such a way that the projections of their contact surfaces coincide.

Сущность изобретения иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 показана структурная схема магнитоупругого датчика для определения механических напряжений в ферромагнитных материалах, на фиг. 2 показано расположение магнитоупругого датчика для определения механических напряжений в ферромагнитных материалах для контроля напряжений в рельсе при движении подвижного состава.The essence of the invention is illustrated by drawings, where in Fig. 1 shows a block diagram of a magnetoelastic sensor for determining mechanical stresses in ferromagnetic materials; FIG. Figure 2 shows the location of a magnetoelastic sensor for determining mechanical stresses in ferromagnetic materials to monitor stresses in the rail during rolling stock movement.

Предложенный магнитоупругий датчик для определения механических напряжений в ферромагнитных материалах содержит основной сердечник П-образной формы 1 с размещенной на нем обмоткой возбуждения 2, а также два одинаковых сердечника 3 и 4, на которых размещены измерительные обмотки 5, причем сердечники с измерительными обмотками установлены симметрично между полюсами основного сердечника так, что плоскость их перпендикулярна плоскости основного сердечника, а места контактов сердечников с измерительными обмотками, расположенных на разных сторонах контролируемого объекта, например, шейки рельса (показан, но не обозначен), взаимно проецируются друг на друга. Плоскость сердечников с измерительными обмотками перпендикулярна плоскости основного сердечника, и поэтому наводимые на частоте возбуждения ЭДС при мостовой схеме включения учитываются.The proposed magnetoelastic sensor for determining mechanical stresses in ferromagnetic materials contains a main U-shaped core 1 with an excitation winding 2 placed on it, as well as two identical cores 3 and 4, on which measuring windings 5 are located, and the cores with measuring windings are installed symmetrically between the poles of the main core so that their plane is perpendicular to the plane of the main core, and the contact points of the cores with the measuring windings, located on different sides of the controlled object, for example, a rail neck (shown but not indicated), are mutually projected onto each other. The plane of the cores with the measuring windings is perpendicular to the plane of the main core, and therefore the EMF induced at the excitation frequency in a bridge circuit is taken into account.

Магнитоупругий датчик работает следующим образом.The magnetoelastic sensor works as follows.

Датчик накладывается на поверхность контролируемого объекта, в данном случае, рельса, находящегося под механическим давлением. При пропускании переменного тока по обмотке возбуждения, производится намагничивание контролируемого объекта в переменном поле, которое поддерживается постоянным в процессе измерения. При изменении механической нагрузки на рельсе, изменяется его магнитная проницаемость и, как следствие, меняется коэффициент трансформации между сердечниками 3 и 4 с измерительными обмотками 5. На выходе включенных и уравновешенных в мостовой схеме обмоток 5 измерительных сердечников 3 и 4, появляется разностный сигнал, величина которого соответствует абсолютному значению механической нагрузки.The sensor is applied to the surface of the monitored object, in this case, a rail under mechanical pressure. When alternating current is passed through the excitation winding, the controlled object is magnetized in an alternating field, which is maintained constant during the measurement process. When the mechanical load on the rail changes, its magnetic permeability changes and, as a result, the transformation coefficient between cores 3 and 4 with measuring windings 5 changes. At the output of the windings 5 of measuring cores 3 and 4, connected and balanced in the bridge circuit, a difference signal appears, the value which corresponds to the absolute value of the mechanical load.

Применение предложенного технического решения позволит повысить помехоустойчивость, обеспечить независимость результатов от толщины контролируемого образца и повысить точность измерений.The use of the proposed technical solution will improve noise immunity, ensure independence of the results from the thickness of the sample being tested, and increase the accuracy of measurements.

Claims

Magnetoelastic sensor for determining mechanical stresses in ferromagnetic materials, containing a housing, a U-shaped main core installed in it with an excitation winding placed on it, characterized in that it is additionally equipped with two identical U-shaped measuring cores on which the measuring windings are placed, moreover, the plane of their placement is perpendicular to the plane of the main core, while the mentioned measuring cores are located on different sides of the controlled ferromagnetic object in such a way that the projections of their contact surfaces coincide.