Устройство для измерения механических напряжений в металлических изделиях
Реферат
Изобретение относится к неразрушающему испытанию электромагнитными полями. Задача изобретения - повышение точности и расширение диапазона измерений. Для этого устройство для измерения механических напряжений в металлических изделиях, содержащее последовательно соединенные генератор переменного тока, преобразователь, состоящий из крестообразного магнитопровода с обмоткой возбуждения и измерительной обмоткой, усилитель, детектор и индикатор, снабжено смесителем, включенным между измерительной обмоткой и входом усилителя, тремя фозовращателями, подключенными к выходу генератора, и тремя усилителями, первый из которых включен между выходом фазовращателя и вторым входом смесителя, а другой усилитель включен между выходом фазовращателя и вторым входом детектора, третий усилитель включен между выходом фазовращателя и третьим входом смесителя, а также полосовым фильтром, включенным между усилителем и первым входом детектора, и аттенюатором, включенным между выходом детектора и входом индикатора. 1 ил.
Изобретение относится к области испытания строительных конструкций без их разрушения с помощью электромагнитных полей. Оно может быть реализовано при определенном контроле качества производства сварочных работ на автоматизированных линиях заводов, на строительных площадках при ручном инспекционном контроле сварных соединений металлических конструкций /например, ферм перекрытий, пролетных строений мостов, элементов рельсовых путей/, участков трубопроводов в строящихся и эксплуатируемых инженерных сооружениях, при расследованиях причин обрушений зданий и сооружений, содержащих металлические конструкции, а также других техногенных аварий.
Известно устройство, содержащее генератор тока намагничивания, преобразователь, состоящий из двух жестко соединенных между собой П-образных магнитопроводов, обмотки возбуждения, измерительной и дополнительных обмоток, коммутатор для закорачивания дополнительных обмоток, вольтметр переменного напряжения и индикатор, а также аналогичное устройство, полюса магнитопроводов которого выполнены Ш-образными, на сердечниках которых размещены дополнительные обмотки [1] Недостатком данного устройства являются низкая точность и воспроизводимость результатов измерений, а также сложность реализации. Наиболее близким по технической сущности, достигаемому положительному эффекту и работоспособным практически является устройство /см. чертеж/ для измерения механических напряжений в металлических изделиях, содержащие последовательно соединенные генератор 1 переменного тока, преобразователь 2, состоящий из крестообразного магнитопровода 3 с обмоткой 4 возбуждения и измерительной обмоткой 5, усилитель 6, амплитудно-фазовый детектор 7, второй вход которого соединен со вторым выходом генератора 1, и индикатор 8 [2] Недостатком прототипа являются низкая воспроизводимость, точность и узкий диапазон измерений. Низкие воспроизводимость и точность измерений обусловлены конечными размерами башмаков магнитопроводов, технологическими отклонениями плоскостей П-образных частей магнитопровода от взаимоортогонального положения, неоднородностью магнитных свойств материала магнитопровода, технологическим разбросом параметров компонент блоков устройства. Указанные недостатки, кроме того, ограничивают диапазон измерений и взаимозаменяемость преобразователей. Задачей предлагаемого изобретения является повышение воспроизводимости и точности, а также расширение диапазона измерений устройства для измерения механических напряжений за счет введения в известное устройство новых блоков и связей. Поставленная задача решается за счет того, что известное устройство для измерения механических напряжений в металлических изделиях, содержащее последовательно соединенные генератор 1 переменного тока, преобразователь 2, состоящий из крестообразного магнитопровода 3 с обмоткой 4 возбуждения и измерительной обмоткой 5, усилитель 6, детектор 7 и индикатор 8, снабжено смесителем 9, включенным между измерительной обмоткой 5 и входом усилителя 6, тремя фазовращателями 10, 11 и 15, подключенными к выходу генератора 1, и тремя усилителями 12, 13 и 16, первый 12 из которых включен между выходом фазовращателя 10 и вторым входом смесителя 9, а другой усилитель 13 включен между выходом фазовращателя 11 и вторым входом детектора 7, третий усилитель 16 включен между выходом фазовращателя 15 и третьим входом смесителя 9, а также полосовым фильтром 14, включенным между усилителем 6 и первым входом детектора 7, и аттенюатором 17, включенным между выходом детектора 7 и входом индикатора 8. Такое техническое решение обеспечивает сложение в смесителе 9 информационного и вспомогательного сигналов как суммы двух гармонических сигналов. При этом за счет регулировки фазы /с помощью фазовращателя 10/ и амплитуды /коэффициентом усиления усилителя 13/ вспомогательного сигнала возможно полное подавление паразитного фона в выходном сигнале преобразователя 2, обусловленного технологическими факторами. Это обеспечивает взаимозаменяемость преобразователей 2 устройства, благодаря чему повышается воспроизводимость результатов измерений. За счет регулировки фазы /с помощью фазовращателя 11/ и амплитуды /коэффициентом усиления усилителя 12/ опорного сигнала удается обеспечить компенсацию амплитудных и фазовых отклонений параметров блоков устройства. Это повышает технологичность регулировки устройства и точность. За счет регулировки фазы /с помощью фазовращателя 15/ и амплитуды /коэффициентом усиления усилителя 16/ "пилот-сигнал" удается расширить диапазон и линейность шкалы измерения устройства. Благодаря аттенюатору 17, обеспечивается повышение оперативности изменения цены деления шкалы устройства в процессе работы при переходе к контролю напряженного состояния конструкции из иной марки стали. Кроме того, новые блоки и связи позволяют извлекать информацию, содержащуюся в амплитуде и фазе полезной части сигнала, путем фазового детектирования. Блоки 9 17 и их связи с ранее известными блоками 1 8 являются существенными признаками устройства, обеспечивающими устранение недостатков прототипа. На чертеже представлена блок-схема предлагаемого устройства для измерения механических напряжений. Устройство содержит последовательно соединенные генератор 1 переменного тока, преобразователь 2, состоящий из крестообразного магнитопровода 3 с обмоткой 4 возбуждения и измерительной обмоткой 5, усилитель 6, детектор 7 и индикатор 8. Кроме того, оно снабжено смесителем 9, включенным между измерительной обмоткой 5 и входом усилителя 6, тремя фазовращателями 10, 11 и 15, подключенными к выходу генератора 1, и тремя усилителями 12, 13 и 16, первый 12 из которых включен между выходом фазовращателя 10 и вторым входом смесителя 9, а другой усилитель 13 включен между выходом фазовращателя 11 и вторым входом детектора 7, третий усилитель 16 включен между выходом фазовращателя 15 и третьим входом смесителя 9, а также полосовым фильтром 14, включенным между усилителем 6 и первым входом детектора 7, и аттенюатором 17, включенным между выходом детектора 7 и входом индикатора 8. Все блоки устройства могут быть разработаны на основе типовых схем. Устройство работает следующим образом. С помощью генератора 1 формируют однофазный переменный ток опорной фазы. Сформированный однофазный ток используют для питания обмотки 4 возбуждения преобразователя 2, размещенной на одной из П-образных частей крестового магнитопровода 3. Магнитный поток, возбужденный в названной П-образной части магнитопровода, замыкается контролируемым участком металла изделия. Вектор В индукции магнитного поля, возбужденного в металле, по величине и направлению зависит от напряженного /механического/ состояния среды. Плоское напряженное состояние металла контролируемого участка изделия описывается величинами и ориентацией двух главных механических напряжений. При отсутствии механических напряжений в металле контролируемого участка конструкции вектор B ориентирован в плоскости П-образного участка крестового магнитопровода 3 с обмоткой 4 возбудителя. Так как плоскость второго П-образного участка крестового магнитопровода 3 с измерительной обмоткой 5 ортогональная первому, то в измерительной обмотке 5 не возбуждается эдс /при идеальной взаимной ортогональности плоскостей П-образных участков магнитопровода 3 и однородности материала/. По мере роста нагрузки на участок изделия происходит рост главных механических напряжений и, как следствие, изменение ориентации вектора B из-за механической деформации доменной структуры. Поскольку ток возбуждения не изменяется, то длина вектора B остается постоянной, но если направления вектора B и вектора силы, действующей на объект, не совпадают, то его проекции на направления главных механических напряжений 1 и 2 изменяются. В плоскости второго П-образного участка крестового магнитопровода 3 с обмоткой 5 появляются проекции B1 и B2 вектора магнитной индукции, отличающиеся от нуля, а как следствие, в измерительной обмотке 5 возникает комплексная эдс U, зависящая от напряженного состояния материала в соответствии с выражением U=(1-2)KBcos2 (1) где K коэффициент, зависящий от природы материала и некоторых постоянных характеристик устройства, учитываемый при производстве прибора; угол между вектором и плоскостью плеча магнитопровода 3 с обмоткой 4 возбуждения преобразователя 2. На практике из-за отклонений плоскостей П-образных участков магнитопровода от взаимоортогонального положения и из-за других технологических причин компоненты B1 и B2 всегда присутствуют, поэтому в выходном сигнале измерительной обмотки 5 всегда имеется паразитная эдс, которая суммируется с истинным сигналом /аддитивная помеха/ U1 U + Uп (2) где U1 комплексная амплитуда выходного сигнала преобразователя 2; Uп комплексная амплитуда аддитивной помехи. Сущность работы прототипа заключается в обработке именно такого сигнала, смешанного с помехой. Поскольку комплексная амплитуда U1 выходного сигнала измерительной обмотки 5 из-за наличия паразитной составляющей Uп является случайной, то технологическая замена преобразователя 2 /например, при выходе данного блока из строя/ существенно нарушает градуировочные постоянные устройства-прототипа. При этом требуется выполнение внеплановой градуировки устройства, что является трудоемкой и длительной процедурой. Кроме того, названные причины сужают диапазон измерений устройства /устройство пригодно для работы в ограниченном участке изменения сигнала, где параметры помехи пренебрежимо малы по сравнению с диапазоном изменения параметров полезного сигнала/. В предлагаемом техническом решении рассмотренный информационный сигнал U в смеси с помехой Uп с выхода измерительной обмотки 5 поступает на первый вход смесителя 9, на второй вход которого с выхода генератора 1 переменного тока через фазовращатель 10 и усилитель 13 подается напряжение вспомогательного сигнала Uвсп -Uп. Смеситель 9 может быть выполнен, например, в виде обычного сумматора /стандартный микшер на операционном усилителе/. В результате на выходе смесителя 9 формируется суммарный сигнал (Us, s) двух гармонических сигналов. При соответствующем выборе фазы /с помощью фазовращателя 10/ и амплитуды /регулировкой коэффициента усиления усилителя 13/ вспомогательного сигнала аддитивная помеха Uп может быть подавлена полностью. Для этого преобразователь 2 устанавливают на поверхность среды без внутренних напряжений /отожженный образец/ и регулируют параметры блоков 10 и 13 до полного подавления выходного сигнала смесителя 9. Поскольку параметры помехи зависят только от конструктивных /и технологических/ параметров преобразователя 2 и не зависят от напряженного состояния контролируемой среды, то данная операция может выполняться один раз при смене преобразователя 2. В результате на выходе сумматора 9 остается только информационный сигнал U, подлежащий дальнейшей обработке. Таким образом, благодаря предложенному решению, за счет введения в схему устройства блоков 9, 10 и 13, обеспечивается воспроизводимость результатов измерений в случаях производственной необходимости замены преобразователя 2. При этом дорогостоящих, трудоемких и длительных повторных градуировочных испытаний устройства, характерных для прототипа, не требуется, то есть повышается оперативность работы с устройством, например, в производственных условиях. Другой особенностью предлагаемого устройства является искусственное смешение полезного сигнала с дополнительным "пилот-сигналом". Амплитуда Ux и фаза x выходного комплексного сигнала измерительной обмотки 5 изменяется одновременно с изменением механического напряжения по различным законам и в разных диапазонах изменений механического напряжения. Сами названные законы и диапазон изменения напряжений зависят от марки стали контролируемого изделия. В прототипе отсутствуют блоки и узлы, позволяющие управлять обработкой различно изменяющихся амплитуд и фаз не только смешенного, но и полезного сигнала. Поэтому однозначная идентификация параметров /величины и направления/ главных механических напряжений с достаточной для инженерной практики точностью с помощью прототипа оказывается затруднительной. В предлагаемом устройстве названный недостаток устраняется с помощью "пилот-сигнала". Для этого на третий вход смесителя 9 с выхода генератора 1 переменного тока через фазовращатель 15 и усилитель 16 подается напряжение дополнительного комплексного сигнала U2 с заданными и управляемыми параметрами амплитудой U2 и фазой 2 В результате на выходе смесителя 9 формируется суммарный сигнал (Us, s) двух гармонических сигналов - исходного сигнала U и "пилот-сигнала" U2. Однако данная смесь сигналов, в отличие от выходного сигнала с помехой измерительной обмотки 5 преобразователя 2, характеризуется фиксированными и известными /заданными/ параметрами. Этот сигнал подвергается линейному усилению в усилителе 6 и фильтрации /от нежелательных гармоник/ в фильтре 14, после чего поступает на первый вход детектора 7, на второй вход которого подается напряжение опорной частоты с выхода генератора 1 переменного тока через фазовращатель 11 и усилитель 12. В процессе настройки устройства параметры фазовращателей 11 и 15 первоначально устанавливают одинаковыми. Тогда функция преобразования /выходной сигнал/ детектора 7, находящегося в режиме фазового детектирования, будет описываться несложным выражением где s искомая фаза суммарного сигнала (Us, s),; 12 разность фаз сигналов U={Ux, x} и U2={U2, 2}. При этом выходное напряжение E детектора 7 отличается от s простым постоянным коэффициентом /коэффициентом передачи К/ E=K*s (4) Из (3) и (4) следует, что Следовательно, одновременной регулировкой параметров фазовращателей 11 и 15 можно установить значение 12=90 /угл.град./ вследствие чего, функция преобразования упростится к виду E K*arctg(Ux/U2) (6) Необходимо отметить, что вышеприведенные выражения указывают на возможность извлечения требуемой информации, содержащейся в амплитуде и фазе полезного сигнала, путем фазового детектирования. Это значит, что амплитудно-фазовый детектор 7 прототипа должен быть заменен фазовым детектором. Такое решение блока 7 имеет определенное значение для повышения точности и надежности работы устройства. Из выражения (6) видно, что регулировкой амплитуды U2 дополнительного сигнала выходная характеристика устройства может быть сделана линейной с любой наперед заданной точностью /диапазон изменения Ux при изменениях механических напряжений имеет известные границы для каждой марки стали/. Это достигается простой регулировкой коэффициента усиления усилителя 16. Заметим, что в процессе измерений напряженного состояния одного диагностируемого объекта марка стали остается постоянной, а зависимость между эдс U полезного сигнала и механическим напряжением в первом приближении может приниматься линейной. Поэтому регулировка вышеперечисленных блоков 11, 13, 15 и 16 на стадии градуировки устройства /перед натурными изменениями/ с помощью указанной последовательности операций исключает влияние данной марки стали на точность измерений, что недостижимо для прототипа. Вследствие этого, с выхода детектора 7 через аттенюатор 17 на вход индикатора 8 поступает напряжение, линейно зависящее от амплитуды U информационного сигнала, что обеспечивает повышение точности, чувствительности и расширение диапазона измерений. На стадии градуировочных испытаний устройства дополнительно определяют значения коэффициента К передачи аттенюатора 17, соответствующие заданным маркам сталей, что позволяет наиболее эффективно использовать шкалу индикатора 8 при переходе к обследованию новой конструкции в процессе работы путем простого переключения положения переключателя аттенюатора 17. Индикатор 8 является оконечным блоком устройства. При градуировке, регулируя параметры блоков 10 и 14, минимизируют помеху на выходе сумматора 9. Затем преобразователь 2 устанавливают на образец из известной /заданной/ марки стали. Поворачивая преобразователь 2 вокруг своей оси, находят положение, соответствующее максимальным показаниям индикатора 8. Согласно (1), это положение отвечает углу 45o относительно направления главного механического напряжения s1. Если по схеме эксперимента направление главного механического напряжения 1 совпадает с известной геометрической осью образца /например, при одноосном растяжении плоского образца/, то на корпусе преобразователя исполняют риску, в позиции, соответствующей названной геометрической оси. Затем при фиксированном положении аттенюатора 17 образец материала, например стали, ступенями нагружают в диапазоне от нуля до 80% предела текучести материала, каждый раз регистрируя показания индикатора 8. По полученным данным строят градуировочную зависимость в виде графика в координатах "механическое напряжение показания индикатора 8" и далее размечают шкалу индикатора непосредственно в единицах измерения механических напряжений, регулируя параметры блоков 11, 12, 15, 16 и 17 /добиваются совпадения полученных отсчетов со значениями напряжений/. Затем выполняют аналогичные измерения при одноосном нагружении образца из другой марки стали заданного ряда. При этом для разметки шкалы используют только аттенюатор 17. Значения коэффициентов деления аттенюатора 17 записывают. В процессе работы преобразователь 2 устройства устанавливают на материал в зоне контроля, устанавливают коэффициент деления аттенюатора 17 в соответствии с маркой стали обследуемого изделия, находят положение преобразователя 2, соответствующее экстремальным показаниям индикатора 8, снимают показания индикатора 8 и по показаниям его шкалы находят искомое значение механического напряжения /для одноосного напряжения состояния/ или разности главных механических напряжений /для двухосного напряженного состояния/, соответствующее ориентации преобразователя 2 в момент измерения. При этом риска на корпусе преобразователя 2 указывает на направление одного из главных напряжений в металле. Направление другого главного напряжения очевидно оно составляет 90o относительно первого. Рассмотренное устройство /за исключением преобразователя 2/ реализует алгоритм работы, доступный для реализации с помощью типовой однокристальной ЭВМ. Таким образом, введение новых блоков и связей между ними является существенным и придает устройству новые полезные качества. Предложенное устройство выполняет последовательность операций, которая, в отличие от прототипа, позволяет решить задачу оперативной оценки механических напряжений в металлических изделиях, в том числе поиск значений и направлений главных механических напряжений или их разностей с более высокой точностью и расширенным диапазоном измерений, чем это возможно с помощью прототипа. Кроме того, в предложенном устройстве обеспечена воспроизводимость и повышена оперативность получения результатов измерений при замене преобразователя 2.Формула изобретения
Устройство для измерения механических напряжений в металлических изделиях, содержащее последовательно соединенные генератор переменного тока, преобразователь, состоящий из крестообразного магнитопровода с обмоткой возбуждения и измерительной обмотки, усилитель, детектор и индикатор, отличающееся тем, что оно снабжено смесителем, включенным между измерительной обмоткой и входом усилителя, тремя фазовращателями, подключенными к выходу генератора, и тремя дополнительными усилителями, первый из которых включен между выходом первого фазовращателя и вторым входом смесителя, а другой усилитель включен между выходом второго фазовращателя и вторым входом детектора, третий усилитель включен между выходом третьего фазовращателя и третьим входом смесителя, а также полосовым фильтром, включенным между усилителем и первым входом детектора и аттенюатором, включенным между выходом детектора и входом индикатора.РИСУНКИ
Рисунок 1