SU922501A1

SU922501A1 - Method and device for determination of mechanical stresses in ferromagnetic structures

Info

Publication number: SU922501A1
Application number: SU802895609A
Authority: SU
Inventors: Владимир Тихонович Гузеев; Александр Авенирович Григорьев; Николай Егорович Жадобин; Александр Исаакович Максимаджи; Борис Нохимович Цырульников
Original assignee: Предприятие П/Я Г-4488
Priority date: 1980-03-13
Filing date: 1980-03-13
Publication date: 1982-04-23

Description

чающийс в том, что в месте измерени возбуждают посто нное магнитное поле, измер ют изменение магнитного потока и по этим изменени м определ ют механические нагрузки. Известно устройство дл определени механических нагрузок. Оно содер жит замкнутый магнитопровод с четырьм сквозными отверсти ми, возбуждающую и измерительные обмотки, охватывающие общую среднюю часть магнитопровода через отверсти накрест , блок преобразовани , соединенный входом с измерительной обмоткой , и счетчик импульсов, соединенный входом с выходом блока преобразовани 2 . Данный способ и устройство дл его осуществлени позвол ют определить скорость изменени нагрузки и количество импульсов нагрузки со Гскоростью,превышающей заданную. Однако они не позвол ют определ ть величину механических напр жений. Использование возбуждающего посто н ного магнитного пол исключило неконтролируемый разогрев материала магнитопровода и поверхностный эффект , но чувствительность технического решени уменьшаетс дополнительно по сравнению с определ емой по свойствам материала магнитопровода как величина, пропорциональна некоторой части его намагниченности Это происходит за счет невозможност полного перемагничивани материала нагрузкой из-за мешающего действи посто нного магнитного пол . Наиболее близким к изобретению техническим решением вл етс способ определени механических напр жений в ферромагнитных конструкци х Он заключаетс в том, что в месте измерени возбуждают посто нное маг нитное поле и импульсное синусоидал ное затухающее магнитное поле с начальной напр женностью, обеспечивающей магнитное насыщение места изме рени . После уменьшени импульсног пол до нул измер ют изменение посто нного магнитного потока, вызван ного изменением напр женного состо ни материала конструкции. Затем по этим изменени м потока определ ют механические напр жени . .Устройство дл определени механ ческих напр жений в ферромагнитных конструкци х содержит магнитоупругий датчик с незамкнутым магнитопро 9 4 , водом, возбуждающей и измерительной обмотками на магнитопроводе, а также источник питани посто нного тока и интегратор, соединенный входом с измерительной обмоткой. Известный способ и устройство позвол ют достигнуть удовлетворительного повышени чувствительности определени механических напр жений за счет возвращени намагниченности материала импульсным синусоидальным затухающим полем в исходное состо ние . Этим устран етс невозможность полного перемагничивани материала под вли нием измер емых напр жений из-за мешающего действи посто нного магнитного пол З. Однако достигнута чувствительность определени механических напр жений описанных способа и устройства все же остаетс недостаточной. Цель изобретени - повышение чувствительности определени механических напр жений. Указанна цель достигаетс тем, что в известном способе определени механических напр жений в ферромагнитных конструкци х, заключающемс в том, что возбуждают в месте измерени посто нное магнитное поле и импульсное магнитное поле с напр женностью , обеспечивающей насыщение места измерени , измер ют после уменьшени импульсного пол до нул изменение посто нного магнитного потока и по этим изменени м определ ют (еханические напр жени , возбуждение осуществл ют импульсным магнитным полем трапецеидальной формы и посто нным магнитным полем, обратным импульсному по направлению, которое прикладывают после уменьшени импульсного пол до нул . Длительность импульса магнитного пол выбирают большей времени насыщени места измерени , крутизну заднего фронта импульса выбирают меньшей крутизны, вызывающей обратное аномальное перемагничивание, а напр женность посто нного магнитного пол выбирают в интервале 0,, значени коэрцитивной силы материала конструкции в месте измерени . Известное устройство дл определени механических напр жений в ферромагнитных конструкци х, содержащее магнитоупругий датчик с незамкнутым магнитопроводом, возбуждающей и измерительной обмотками на магнитопроводе , источник питани посто нного тока и интегратор, соединенный входом с измерительной обмоткой, снабжено сглаживающим фильтром, соединенным выходом с возбуждающей обмоткой, s реле- времени с контактной группой и двум регулировочными цеп ми, предназначенным дл поочередного подключени входа сглаживающего фильтра к источнику питани через две регу- 0 лировочные цепи с изменением пол рности питани по сигналу на входе запуска реле времени, блоком изме-. рени и сигнализации, соединенным входом с выходом интегратора и с 15 парой контактов контактной группы блока реле времени, замыкаемыми на врем переключени входа сглаживающего фильтра, а своим сигнальным выходом соединенным с входом запуска 20 реле времени.The result is that a constant magnetic field is excited at the measurement site, changes in the magnetic flux are measured, and mechanical loads are determined from these changes. A device for determining mechanical loads is known. It contains a closed magnetic circuit with four through holes, exciting and measuring windings, covering the common middle part of the magnetic circuit through the holes crosswise, a conversion unit connected by the input to the measuring winding, and a pulse counter connected by the input to the output of the conversion unit 2. This method and device for its implementation allows to determine the rate of change of the load and the number of load pulses with a speed greater than the specified one. However, they do not allow to determine the magnitude of the mechanical stresses. The use of an excitation constant magnetic field eliminated the uncontrolled heating of the magnetic core material and the surface effect, but the sensitivity of the technical solution decreases further compared to the load determined by the material of the magnetic core, which is proportional to some part of its magnetization. for the interfering action of a constant magnetic field. The closest technical solution to the invention is a method for determining mechanical stresses in ferromagnetic structures. It consists in the fact that a constant magnetic field and a pulsed sinusoidal damped magnetic field with an initial intensity, which provides magnetic saturation of the measured point, are excited at the measurement site. . After the impulse field decreases to zero, a change in the constant magnetic flux caused by a change in the stress state of the material of the structure is measured. The mechanical stresses are then determined from these changes in flow. The device for determining mechanical stresses in ferromagnetic structures contains a magnetoelastic sensor with an open magnetro 9 4, water, exciting and measuring windings on the magnetic core, as well as a DC power source and an integrator connected to the measuring winding by the input. The known method and device allow a satisfactory increase in the sensitivity of the determination of mechanical stresses to be achieved by returning the material magnetization by a pulsed sinusoidal damped field to its original state. This eliminates the impossibility of complete magnetization reversal of the material under the influence of the measured stresses due to the interfering action of a constant magnetic field Z. However, the sensitivity of the determination of the mechanical stresses of the described method and device is still not sufficient. The purpose of the invention is to increase the sensitivity of the determination of mechanical stresses. This goal is achieved by the fact that in a known method for determining mechanical stresses in ferromagnetic structures, namely, that a constant magnetic field and a pulsed magnetic field are excited at the measurement site with a strength ensuring the saturation of the measurement site is measured after the pulse field decreases. to zero, the change in the constant magnetic flux and from these changes they determine (mechanical stresses, excitation are carried out by a pulsed magnetic field of trapezoidal shape and constant magnetism a pulse field in the direction that is applied after the pulse field decreases to zero. The pulse duration of the magnetic field is chosen to be longer than the saturation time of the measurement site, the slope of the falling edge of the pulse is chosen to be less than the slope causing reverse anomalous magnetization reversal, and the intensity of the constant magnetic field is chosen the interval 0, the coercive force of the material of the structure at the measurement site. A known device for determining mechanical stresses in ferromagnetic structures The device contains a magnetoelastic sensor with an open magnetic circuit, exciting and measuring windings on the magnetic core, a DC power source and an integrator connected by an input to the measuring winding, equipped with a smoothing filter, connected to the output with an exciting winding, s relay-time with a contact group and two control circuits for alternately connecting the input of the smoothing filter to the power source through two control circuits with a change in the polarity of the power supply with driven to input the start time relay unit changes. It is connected with the input of the integrator and with 15 pairs of contacts of the contact group of the time relay, closed at the time of switching the input of the smoothing filter, and its signal output connected with the start input 20 of the time relay.

.Такое осуществление способа и выполнение устройства позвол ют значительно повысить чувствительность при определении механических напр жений. 25 Намагничивание импульсным полем до насыщени после его окончани приведет материал в состо ние остаточной намагниченности, соответствующей точке на плоской части предель- зо ной петли гистерезиса. Наложение посто нного пол обратного направлени сместит эту точку по определенной петле гистерезиса на ее крутой участок . При воздействии механических 35 напр жений намагниченность материала будет мен тьс в пределах от точки на предельной петле гистерезиса почти до точки на основной кривой намагничивани дл заданного значе- 40 ни напр женности посто нного пол на величину, пропорциональную величине механических напр жений. Указанные изменени намагниченности значительно превышают соответствующие45 изменени намагниченности в других известных способах при прочих рав- , ных услови х, что и обеспечивает повышение чувствительности в предлагамом способе. .5QSuch an implementation of the method and the implementation of the device significantly increase the sensitivity in the determination of mechanical stresses. 25 The magnetization by a pulsed field to saturation after its termination will bring the material into the state of residual magnetization corresponding to a point on the flat part of the limiting hysteresis loop. Imposing a constant field in the opposite direction will shift this point along a certain hysteresis loop to its steep section. When exposed to mechanical stresses, the magnetization of the material will vary from a point on the limiting hysteresis loop to almost a point on the main magnetization curve for a given value of 40 dc field strength by an amount proportional to the magnitude of the mechanical stresses. These changes in magnetization significantly exceed the corresponding 45 changes in magnetization in other known methods, all other conditions being equal, which increases the sensitivity in the proposed method. .5Q

Повышению .чувствительности способтвует правильный выбор длительности мпульсного магнитного пол обеспеивающий полноту насыщени места из1ерени , напр женности посто нного агнитного пол а определенном инервале , где изменение намагничености от изменени напр женного сото ни будет наибольшим, крутизныIncreasing the sensitivity of the correct choice of the duration of the pulsed magnetic field ensures the full saturation of the place of measurement, the intensity of the constant amplitude field in a certain interval, where the change in the magnetization from the change in the stress of the voltage will not be greatest, the steepness

заднего фронта импульса магнитного пол , исключающего обратное аномальное перемагничивание материала, что обеспечивает наибольшее значение остаточной намагниченности материалof the back edge of a magnetic field pulse, which excludes reverse anomalous magnetization reversal of the material, which ensures the greatest value of the residual magnetization material

На чертеже показана структурна схема устройства дл .определени механических напр жений в ферромагнитных конструкци х.The drawing shows a block diagram of a device for determining mechanical stresses in ferromagnetic structures.

Устройство содержит устанавливаемый на конструкции 1 в месте измерени магнитоупругий датчик 2 с незамкнутым магнитопроводом 3 возбуждающей и измерительной обмотками и 5 на .магнитопроводе. С возбуждающей обмоткой k соединен выходом сглаживающий фильтр 6. В устройстве .имеетс реле 7 времени с контактной группой и двум регулировочными цеп ми (не показан). Оно своей контакной группой св зано с входом фильтра 6 и предназначено дл подключени этого входа к источнику 8 питани поочередно через две регулировочные цепи с изменением пол рности питани . Поочередное подключение.осуществл етс по сигнулу, поступающему на вход запуска реле 7 времени. К измерительной обмотке 5 присоединен своим входом интегратор 9В предлагаемое устройство входит .блок 10 измерени и сигнализации. Он состоит из измерительного и регистрирующего приборов, .которые работают в режиме однократного измерени т.е. измер ют амплитуду лишь первого наибольшего импульса во входном сигнале . Блок 10 имеет тумблер запуска измерений, задатчик предельно допустимой амплитуды входного импульса и счетчик числа импульсов, превышающих предельно допустимую амплитуду, св занный с задатчиком и регистрирующим прибором. Кроме того, счетчик имеет задатчик допустимого числа импульсов, приход щихс на заданный интервал времени. В блоке 10 предусмотрена сигнализаци , оповещающа персонал о превышении допустимых параметров напр женного состо ни конструкции под воздей ствием нагрузок. Все перечисленные узлы блока 10 на чертеже отдельно не показаны .The device contains a magnetoelastic sensor 2 mounted on the structure 1 at the measurement site with an open magnetic conductor 3 of the exciting and measuring windings and 5 on the magnetic conductor. A smoothing filter 6 is connected to the exciting winding k by the output. The device has a time relay 7 with a contact group and two adjusting circuits (not shown). Its contact group is connected to the input of the filter 6 and is intended to connect this input to the power supply 8 in turn through two adjustment circuits with a change in the polarity of the power supply. An alternate connection is made by the signal received at the start input of time relay 7. The integrator 9B of the proposed device is included in measuring winding 5 with its input. The unit 10 measures and alarms. It consists of measuring and recording instruments, which operate in a single measurement mode, i.e. the amplitude of only the first largest pulse in the input signal is measured. Unit 10 has a measurement trigger toggle, a setter of maximum permissible amplitude of the input pulse, and a count of the number of pulses exceeding the maximum permissible amplitude associated with the setter and recording instrument. In addition, the counter has a master of the admissible number of pulses per a given time interval. In block 10, an alarm is provided to alert personnel that the permissible parameters of the stress state of the structure are exceeded under load. All of the listed nodes of block 10 in the drawing are not separately shown.

Claims

The input of block 10 is connected to the output of integrator 9. At the same time, this input is connected to a pair of contacts of the contact group of relay 7, which serves to close the input of block 10 79 to the switching time of the input of the smoothing filter 6. Block 10 has a signal output that is connected to the start input of relay 7 of time. The method of determining mechanical stresses in ferromagnetic structures is carried out as follows. First, a measurement site is selected in the structure where dangerous voltages may occur. For example, in ship hulls such places are sections that are 0.12-0.18 of the total length of the vessel from the bow perpendicular. In selected locations of measurement of the structure, sensors 2 are installed so that the pulsed and constant magnetic field vectors are parallel to the longitudinal axis of the vessel. Using the measurement trigger switch on the control panel of the unit 10, a time relay 7 is started, which with its contact group connects the exciting winding i through a smoothing filter 6 and through the first adjusting circuit to the DC power supply 8. Then, the relay 7 disconnects the input of the filter 6 from the source 8 and after a short time again connects it to the source 8 through the second adjusting circuit with a change in supply polarity. This is how the magnetic field is excited at the measurement site: first with a trapezoidal pulsed magnetic field and, then, a constant magnetic field in the reverse pulse direction, which is applied after reducing the pulse field to zero. The amplitude of the impulse field intensity is controlled by the first regulating circuit to provide the same values that saturate the material at the measurement site. The pulse duration of the field is set by the relay 7 in such a range that it exceeds the time required to saturate the measurement site. Usually it lies within 1 - 3 seconds. The slope of the rear edge of the pulse field is determined by the parameters of the smoothing filter. Due to these parameters, it is chosen to have a smaller steepness, which causes the reverse anomalous magnetization reversal of the measurement site. The intensity of the constant magnetic field is regulated by the parameters of the second regulating circuit. This can ensure its presence in the interval 0.7-1, + the values of the coercive force of the material of the structure at the measurement site. Under the influence of a pulsed magnetic field, the material at the measurement site enters a state of saturation, a. after its completion, it is in a state of residual magnetization. Due to the correctly chosen slope of the falling front and the absence of the reverse anomalous reversal (Waltenhofen phenomenon) due to this phenomenon, the residual value is the greatest. Under the influence of a constant magnetic field, the magnetic state of the material of the measurement site will correspond to a point on the descending branch of the limiting hysteresis loop, the position of which is determined by the field intensity. at the moment of shock load of the structure, for example, the impact of a counter-wave on the ship's hull, the stress state of the material at the measurement site changes. This will lead to a change in its magnetization in the range from the point mentioned above on the limiting hysteresis loop to the point on the main magnetization curve corresponding to the field strength by an amount proportional to the actual mechanical stress m. This range of magnetization variation significantly exceeds the corresponding ranges in the known methods , and pulsed magnetization to saturation, which excludes the appearance of an anomalous reverse magnetization reversal at the end of a pulse, provides the greatest value of this range. Therefore, the proposed method makes it possible to increase the sensitivity of the determination of mechanical stresses compared to the known one by a factor of approximately 1.5–2 times. When changing the magnetization of the material of the structure in place measured. nor under load in the magnetic core 3 of the sensor 2 magnetic flux occurs. The change in this magnetic flux is measured by measuring the signal induced when the flux changes on the measuring winding 5. The magnitude of the signal is proportional to the derivative of the magnitude of the flux and proportional to the derivative of the magnitude of the mechanical stresses. After the passage of the integrator 9, this signal turns out to be proportional to the mechanical stress and, in this form, is fed to the measuring and recording devices of the unit 10. The input signal usually has the form of shock damped blue oscillations. But the instruments perform a single measurement of only the first largest pulse. Thus, mechanical stress at the measurement site is determined from changes in the constant magnetic field. After the passage of the first highest impulse, an electrical impulse appears at the measurement output of unit 10 at the signal output of unit 10 and is fed to the trigger input of time relay 7. The triggered relay again carries out magnetic field operations at the measurement site and prepares the device for the next measurement. If the shock loads on the structure are within the dangerous limits beyond the values specified by the unit controllers of unit 10, the unit 10 triggers an alarm signal notifying the personnel of the need to take urgent security measures. In the event that a vessel is a controlled design, for its personnel this means a change in the vessel’s course. The present invention allows to improve the accuracy of the measurements, by eliminating the influence of magnetoelastic hysteresis, by reproducing the initial magnetic state before each measurement. Moreover, using the invention makes it possible with a high probability to predict the dangerous state of the structures and to take timely measures to ensure their best preservation. Claim 1. The method of determining mechanical stresses in ferromagnetic structures, which consists in exciting a constant magnetic field and a pulsed magnetic field at the measurement site with a strength that provides the saturation of the measurement site, is measured after the reduction of the pulse field to zero. the change in the constant magnetic flux and the changes in these stresses determine the mechanical stresses, which are measured by the fact that, in order to increase the sensitivity, the excitation is carried out by a pulsed magnetic field apaceoidal shape and a constant magnetic field, inverse to the pulsed in the direction that is applied after reducing the pulsed field to zero. 2. A method according to claim 1, characterized in that the pulse duration of the magnetic field is chosen to have a higher saturation time of the measurement site, the steepness of the falling edge of the pulse is chosen to be less than the steepness, which causes the reverse anomalous magnetization reversal, and the intensity of the constant magnetic field is selected in 0.7 interval - I, the value of the coercive force of the material of construction at the measurement site. 3. The device according to claim 1, comprising a magnetoelastic sensor with an open magnetic circuit, exciting and measuring windings on the magnetic core, a DC power source and an integrator connected by an input to a measuring winding, characterized in that it is equipped with a smoothing filter, connected with an output winding winding , a time relay with a contact group and two adjusting circuits, intended for alternately connecting the input of the smoothing filter to the power source through two adjusting circuits with power polarity according to the input signal of the start of the time relay, measurement and alarm unit, connected to the integrator output and a pair of contacts of the contact group of the time relay closed to the switching time of the smoothing filter, and its signal output connected to the start input of the time relay . Sources of information taken into account in the examination 1. The author's certificate of the USSR f-f, cl. G 01 B 7/2, 1968.

2. Tverdin L. M., Panchenko V. M., Vsevolodov B. V., Zakoryukin V. B. Automatic devices with magnetoelastic converters. M., Energie, 197, p. 61, fig. 26,

3. Patent of Great Britain No. 2036329, cl. Q 01 B 7/2, 1977 (prototype).

0

njuvj

Jt