Магнітні товщиноміри

Серійних приладів неруйнівного контролю з використанням перетворювачів Холла і Гауса практично немає, за винятком магнітних статичних товщиномірів. Конкретне використання перетворювачів Холла по своїй суті можливе і зводиться до вимірювання магнітної індукції ліній, які виходять на поверхню виробу над дефектом. Однак внаслідок нелінійності градуювальних характеристик перетворювачів Холла і Гауса і недосконалості технічних рішень перших серійних давачів з літературних джерел відсутня інформація про їх застосування в дефектоскопії.

Рисунок 8.5 - Залежність чутливості перетворювача Холла від струму живлення

8.3 Перетворювачі магнітоопору і напрямки їх оптимізації

Для перетворення магнітної індукції в електричний сигнал в перетворювачах магнітоопору (синонімічна назва - перетворювачі Гауса) використовується ефект зміни електричного опору в магнітному полі. Перші магнітоопори виготовлялись з металів (в основному з вісмуту) у вигляді об’ємної або плоскої спіралі. Така форма дозволяла збільшити значення опору перетворювача і спростити будову вимірювальної апаратури. Через малу чутливість до поля і квадратичну залежність опору від магнітної індукції вісмутові спіралі широкого використання в приладобудуванні не отримали.

Останнім часом для виготовлення перетворювачів магнітоопору використовуються, головним чином, напівпровідникові матеріали групи - антимонід і арсенід індію (InSb, InAs), в яких внаслідок надзвичайно високих значень рухомості носіїв заряду ефект магнітоопору набагато сильніший, ніж у металах.

Аналогічно з перетворювачами Холла, форма перетворювача магнітоопору суттєво впливає на його чутливість і вигляд градуювальної кривої.

В основному перетворювачі магнітоопору виготовляються двох типів: у вигляді дисків Корбіно і у вигляді прямокутників.

Перетворювачі магнітоопору у вигляді диску Корбіно мають форму плоского напівпровідникового диску з двома електродами, один з яких припаяний в центрі диску, а інший – вздовж його периметра (рис. 8.6, а). Переваги такої форми перетворювачів магнітоопору в тому, що при протіканні струму через диск в радіальному напрямі ефект Холла практично відсутній і ефект зміни опору в магнітному полі виявляється найсильніше.

Рисунок 8.6 - Перетворювачі магнітоопору

У перетворювачів магнітоопору, які виконані у вигляді прямокутної пластини (рис. 8.6, б), ефект магнітоопору виявляється не так сильно, як у дисків Корбіно, що пояснюється наявністю ефекту Холла. Водночас прямокутні перетворювачі володіють досить вагомими перевагами у порівнянні з дисками Корбіно. Залежність для прямокутних перетворювачів носить квадратичний характер тільки в полях з магнітною індукцією до десятих долей Тесла. В більш сильних полях залежність наближається до лінійної, причому відхилення від лінійності звичайно не перевищує декількох відсотків. Остання обставина має особливе значення при побудові схем вимірювачів індукції сильних полів.

Для введення виразу чутливості перетворювачів магнітоопору скористаємося аналітичною формулою їхньої градуювальної характеристики [9]:

, (8.12)

де - значення опору при відсутності магнітного поля;

- постійна магнітоопору.

Диференціюючи (8.12) по , отримаємо формулу для чутливості перетворювача магнітоопору у вигляді диску Корбіно:

. (8.13)

З отриманої залежності очевидно, що диференційна чутливість дисків Корбіно зростає пропорційно магнітній індукції .

Оскільки у перетворювачів магнітоопору у вигляді прямокутника залежність має квадратичний характер тільки в слабких і середніх полях і практично лінійна в полях, починаючи від (0,3 - 0,4) Тл, то диференційна чутливість прямокутних перетворювачів магнітоопору описується виразом (8.13) стосовно слабких і середніх полів. В сильних магнітних полях:

, (8.14)

де - коефіцієнт форми, який залежить від відношення довжини магнітоопору l до ширини a. Із зменшенням відношення коефіцієнт форми збільшується, що приводить до збільшення відносної зміни магнітоопору , хоча чутливість перетворювачів магнітоопору, яка розраховується за формулою (8.14), залишається практично незмінною внаслідок зменшення .

8.4 Застосування магнітних перетворювачів у неруйнівному контролі

Серійно перетворювачі Холла використовують у приладах для вимірювання магнітної індукції постійних, змінних та імпульсних полів[10]. Ці прилади називаються магнітометрами або тесламетрами.

Широке застосування знайшли напівпровідникові магнітні перетворювачі у структуроскопах і товщиномірах, які призначені для контролю якісних параметрів магнітних матеріалів і їх покрить, про що описано в наступних розділах.

Ще однією із областей практичного застосування магнітних перетворювачів є прилади для вимірювання градієнта магнітної індукції, які носять назву градієнтометрів [10]. В цих засобах переважно знаходять застосування перетворювачі Холла, які при зустрічному з’єднанні вихідних (холлівських) електродів забезпечують вимірювання різниці е.р.с., а значить і різниці значень магнітних індукцій. Відношенням цієї різниці е.р.с до відстані взаємного розміщення перетворювачів Холла отримуємо чисельне значення виміряного градієнта магнітної індукції.

Перетворювачі Холла приєднуються до потенціометричних вимірювальних кіл, а перетворювачі Гауса – до мостових [14]. В цьому полягає принципова різниця при конструктивній реалізації вимірювальних засобів з їх застосуванням.

Магнітні товщиноміри призначені для контролю товщини захисного покриття на виробах з феромагнітних матеріалів або для вимірювання товщини феромагнітних листів.

Велику групу таких приладів складають товщиноміри пондеромоторної дії, принцип дії яких базується на вимірюванні сили відриву чи притягування постійних магнітів і електромагнітів до контрольованого об’єкту. Сила притягування пропорційна квадрату магнітної індукції в зазорі між феромагнітним виробом і намагніченим тілом. Індукція залежить від намагнічуючої сили і зазору. На результати вимірювань товщини покриття в значній мірі впливають магнітні властивості матеріалу деталей, на які нанесено покриття. Тому магнітні товщиноміри калібруються за допомогою робочих зразків, виготовлених з тієї ж сталі, що й контрольовані деталі, з покриттям заданої товщини. Стан поверхні (її шорсткість) cуттєво впливає на похибки магнітних товщиномірів.

Головний недолік приладів пондеромоторної групи - циклічність процесу вимірювання (через необхідність ретельного дослідження значення сили до моменту відриву магніту), що утруднує автоматизацію процесу контролю.

Цих недоліків не мають прилади магнітостатичного типу. Їх принцип дії базується на визначенні зміни напруженості магнітного поля (за допомогою перетворювачів Холла, ферозондів, тощо) в колі електромагніту чи постійного магніту при зміні відстані між ними і феромагнітним виробом через наявність немагнітного покриття.

9.1 Фізичні основи магнітної товщинометрії

В магнітних товщиномірах використовується залежність магнітного опору ділянки магнітного кола від зазору, що ілюструється за допомогою рис.9.1. При малому зазорі δ поле в магнітопроводі і зазорі однорідне і тоді, згідно закону повного струму

(9.1)

де - довжина магнітопроводу перетворювача;

- число витків обмотки;

– напруженість магнітного поля в осереді і зазорі відповідно;

– струм обмоткі збудження.

Рисунок 9.1 – До ілюстрації принципу магнітної товщинометрії

Якщо зазор малий (δ << ), то і напруженість магнітного поля в осерді

, (9.2)

де – відносна магнітна проникність матеріалу осердя.

При цих умовах і з врахуванням (9.2) рівняння (9.1) набуває вигляду

, (9.3)

а залежність магнітної індукції від зазору записується формулою:

. (9.4)

Залежність (9.4) ілюструється рис. 9.2, який свідчить про нелінійність залежності .

По принципу дії магнітні товщиноміри можна розділити на три групи: магнітовідривні (пондеромоторної дії), магнітостатичні та індукційні.

Рисунок 9.2 – Залежність магнітної індукції від товщини неферомагнітного покриття

9.2 Товщиноміри пондеромоторної дії

Робота магнітовідривних товщиномірів базується на вимірюванні сили відриву або притягування постійних магнітів і електромагнітів до ОК. Сила притягування пропорційна квадрату магнітної індукції В₀ в зазорі між постійним магнітом і поверхнею феромагнітного матеріалу. Індукція у відповідності з рис. 9.2 обернено пропорційна зазору. Засновником пондеромоторного методу товщинометрії є академік Н.С.Акулов. Перші магнітовідривні прилади були виготовлені в кінці 30-х років. Їх розвитком стали прилади типу МТА (магнітний товщиномір Акулова), яким характерні достатньо висока точність вимірювань і незначна залежність показів від ряду заважаючих факторів. Висока точність досягається завдяки використанню механізму компенсації відривного зусилля, який складається з двох спіральних пружин різної жорсткості. Більш жорстка пружина створює постійний натяг, а кут закручування основної (менш жорсткої пружини) є функцією товщини покриття. Змінюючи натяг більш жорсткої пружини, можна розбити весь діапазон вимірювань на ряд піддіапазонів.

Магнітні товщиноміри МТА-2 і МТА-2А виконані на базі годинникового механізму (рис. 9.3). Постійний магніт жорстко закріплений на поворотному важелі і через пружинно - колісну систему зв’язаний з рухомою стрілкою, яка показує по шкалі циферблата значення товщини покриття (в мм), яке відповідає зусиллю відриву магніту.

Рисунок 9.3 – Магнітний товщиномір МТА-2

Механізм оснащений пружинним двигуном для створення відривного моменту і пристроєм для автоматичної зупинки стрілки в момент відриву магніту. Основні технічні характеристики магнітовідривних товщиномірів типу МТА приведені в табл. 9.1.

Дата добавления: 2013-12-14