устройство для измерения механических напряжений в металлических изделиях

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.

Описание изобретения к патенту

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 + U_п (2)

где U₁ комплексная амплитуда выходного сигнала преобразователя 2;

U_п 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 U_п 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 U_п 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 U_всп -U_п. Смеситель 9 может быть выполнен, например, в виде обычного сумматора /стандартный микшер на операционном усилителе/. В результате на выходе смесителя 9 формируется суммарный сигнал (U_s, _s) двух гармонических сигналов. При соответствующем выборе фазы /с помощью фазовращателя 10/ и амплитуды /регулировкой коэффициента усиления усилителя 13/ вспомогательного сигнала аддитивная помеха U_п 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 U_x 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 (U_s, _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 (U_s, _s),;

₁₂ разность фаз сигналов U={U_x, _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(U_x/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 U_x 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 45^o 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 90^o 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.