Патент на полезную модель Республики Беларусь

1. ОПИСАНИЕ
ПОЛЕЗНОЙ
МОДЕЛИ К
ПАТЕНТУ
(12)
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(19) BY (11) 7129
(13) U
(46) 2011.04.30
(51) МПК (2009)
G 01N 27/72
(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ МАГНИТНОГО КОНТРОЛЯ ТОЛЩИНЫ
ПОВЕРХНОСТНО-УПРОЧНЕННОГО СЛОЯ
ФЕРРОМАГНИТНОГО ИЗДЕЛИЯ
(21) Номер заявки: u 20100630
(22) 2010.07.13
(71) Заявитель: Государственное научное
учреждение "Институт прикладной
физики Национальной академии
наук Беларуси" (BY)
(72) Автор: Матюк Владимир Федорович
(BY)
(73) Патентообладатель: Государственное
научное учреждение "Институт при-
кладной физики Национальной акаде-
мии наук Беларуси" (BY)
(57)
Устройство для магнитного контроля толщины поверхностно-упрочненного слоя фер-
ромагнитного изделия, содержащее соединенные между собой намагничивающую катуш-
ку и источник постоянного тока, последовательно соединенные измерительную обмотку,
расположенную вне зоны влияния намагничивающей катушки и соосно с ней, и измери-
тельный блок, а также блок индикации, отличающееся тем, что оно дополнительно снаб-
жено соосной с намагничивающей катушкой и измерительной обмоткой направляющей,
через которую пропускается контролируемое изделие, последовательно соединенными
дополнительной измерительной обмоткой, расположенной в центральном сечении намаг-
ничивающей катушки и дополнительным измерительным блоком, а также блоком управ-
ления, блоком памяти, первый вход которого подсоединен к выходу блока управления,
второй вход подсоединен к выходу измерительного блока, а третий вход подсоединен к
выходу дополнительного измерительного блока, двумя блоками вычитания, первые входы
которых подсоединены соответственно к выходу измерительного блока и к выходу до-
полнительного измерительного блока, а вторые входы подсоединены соответственно к
первому и второму выходам блока памяти, двумя блоками деления, первые входы кото-
рых подсоединены к выходам соответственно первого и второго блоков вычитания, а вто-
рые входы подсоединены соответственно к выходу измерительного блока и к выходу
Фиг. 1
BY7129U2011.04.30

2. BY 7129 U 2011.04.30
2
дополнительного измерительного блока, и сумматором, входы которого подсоединены
соответственно к выходам первого и второго блоков деления, а выход подсоединен к бло-
ку индикации.
(56)
1. Патент Республики Беларусь3215, МПК G 01N 27/80, 1999.
2. Патент Республики Беларусь 3552, МПК G 01N 27/80, 2000.
3. Патент Республики Беларусь 12437, МПК G 01N 27/72, 2009.
Полезная модель относится к исследованиям физических свойств материалов и спла-
вов с использованием электрических и магнитных измерений и может быть использована
для неразрушающего контроля толщины упрочненного слоя ферромагнитного изделия на
машиностроительных предприятиях, осуществляющих поверхностное упрочнение изде-
лий из ферромагнитных материалов.
Известно устройство для реализации способа контроля толщины поверхностно-
упрочненных слоев ферромагнитных изделий [1], содержащее источник изменяющегося
тока, преобразователь, в который помещается контролируемое изделие, измерительный
резистор, интегратор, блок выборки-хранения, блок вычитания, усилитель, формирователь
поля, блок определения среднего значения, блок деления и индикатор. Недостатком дан-
ного устройства является невысокая достоверность контроля толщины поверхностно-
упрочненного слоя ферромагнитного изделия, движущегося в технологическом потоке,
связанная с сильным влиянием нестабильности положения контролируемого изделия в
измерительной катушке преобразователя на погрешность определения моментов времени
достижения перемагничивающим полем заданного значения на восходящей и нисходящей
ветвях петли магнитного гистерезиса и на точность определения отношения разности двух
близких по величине значений намагниченности на восходящем и нисходящем участках
этой петли к их среднему значению.
Известно также устройство для реализации способа контроля толщины поверхностно-
упрочненных слоев ферромагнитных изделий [2], содержащее источник изменяющегося
тока, преобразователь, в который помещается контролируемое изделие, измерительный
резистор, интегратор, блок выборки-хранения, блок вычитания, усилитель, формирователь
поля, блок определения среднего значения, блок деления, блок умножения и индикатор.
Недостатком данного устройства является невысокая достоверность контроля толщины
поверхностно-упрочненного слоя ферромагнитного изделия, движущегося в технологиче-
ском потоке, связанная с сильным влиянием нестабильности положения контролируемого
изделия в измерительной катушке преобразователя на погрешность определения момен-
тов времени достижения перемагничивающим полем заданного значения на восходящей и
нисходящей ветвях петли магнитного гистерезиса, момента равенства нулю намагничен-
ности в изделии при измерении коэрцитивной силы и на точность определения отношения
разности двух близких по величине значений намагниченности на восходящем и нисхо-
дящем участках этой петли к их среднему значению.
Наиболее близким по технической сущности к настоящей полезной модели является
устройство для реализации способа магнитного контроля толщины поверхностно-
упрочненного слоя ферромагнитного изделия [3], содержащее намагничивающую катуш-
ку, подсоединенную к источнику постоянного тока, и последовательно соединенные из-
мерительную обмотку, измерительный блок и блок индикации.
Недостатком данного устройства является невысокая достоверность контроля ферро-
магнитных изделий с толщиной поверхностно-упрочненного слоя менее 2 мм, связанная с
низкой чувствительностью остаточного магнитного потока к изменению толщины этого
слоя в области малых ее значений.

3. BY 7129 U 2011.04.30
3
Технической задачей заявляемой полезной модели является повышение достоверности
контроля ферромагнитных изделий с толщиной поверхностно-упрочненного слоя менее 2 мм.
Сущность полезной модели заключается в том, что она содержит намагничивающую
катушку, подсоединенную к источнику постоянного тока и соосную с направляющей, че-
рез которую пропускается контролируемое изделие, последовательно соединенные изме-
рительную обмотку, расположенную соосно с намагничивающей катушкой вне зоны ее
влияния, и измерительный блок, последовательно соединенные дополнительную измери-
тельную обмотку, расположенную в центральном сечении намагничивающей катушки и
дополнительный измерительный блок, блок управления, блок памяти, первый вход кото-
рого подсоединен к выходу блока управления, второй вход подсоединен к выходу измери-
тельного блока, а третий вход подсоединен к выходу дополнительного измерительного
блока, два блока вычитания, первые входы которых подсоединены соответственно к вы-
ходу измерительного блока и к выходу дополнительного измерительного блока, а вторые
входы подсоединены к первому и второму выходам блока памяти соответственно, два
блока деления, первые входы которых подсоединены соответственно к выходу первого и к
выходу второго блоков вычитания, а вторые входы подсоединены соответственно к выхо-
ду измерительного блока и к выходу дополнительного измерительного блока, сумматор,
входы которого подсоединены соответственно к выходу первого и к выходу второго бло-
ков деления, и блок индикации, вход которого подсоединен к выходу сумматора.
В отличие от прототипа в предлагаемую полезную модель дополнительно введены
соосная с намагничивающей катушкой и измерительной обмоткой направляющая, через
которую пропускается контролируемое изделие, последовательно соединенные дополни-
тельная измерительная обмотка, расположенная в центральном сечении намагничиваю-
щей катушки и дополнительный измерительный блок, а также блок управления, блок
памяти, первый вход которого подсоединен к выходу блока управления, второй вход под-
соединен к выходу измерительного блока, а третий вход подсоединен к выходу дополни-
тельного измерительного блока, два блока вычитания, первые входы которых подсоеди-
нены соответственно к выходу измерительного блока и к выходу дополнительного
измерительного блока, а вторые входы подсоединены соответственно к первому и второму
выходам блока памяти, два блока деления, первые входы которых подсоединены к выхо-
дам соответственно первого и второго блоков вычитания, а вторые входы подсоединены
соответственно к выходу измерительного блока и к выходу дополнительного измеритель-
ного блока, и сумматор, входы которого подсоединены соответственно к выходам первого
и второго блоков деления, а выход подсоединен к блоку индикации.
Это позволяет повысить достоверность контроля ферромагнитных изделий с толщи-
ной поверхностно-упрочненного слоя менее 2 мм за счет введения направляющей, через
которую пропускается контролируемое изделие, последовательно соединенных дополни-
тельной измерительной обмотки, дополнительного измерительного блока, блока управле-
ния, блока памяти, двух блоков вычитания, двух блоков деления и сумматора, а также
связей между ними, обеспечивающих измерение величины максимального магнитного
потока Фm, который в совокупности с величиной остаточного магнитного потока Фr и в
сравнении с предварительно измеренными значениями максимального магнитного потока
Фm0 и остаточного магнитного потока Фr0 эталонного изделия из числа контролируемых, у
которого отсутствует упрочненный слой, обеспечивает высокую чувствительность ин-
формационного параметра, определяемого по алгоритму (Фr - Фr0)/Фr + (Фm0 - Фm)/Фm, к
толщине поверхностно-упрочненного слоя контролируемого изделия в широком диапа-
зоне его изменения.
На фиг. 1 представлена функциональная схема полезной модели по заявке.
На фиг. 2 представлены зависимости измеряемого параметра по прототипу (разницы
остаточного магнитного потока контролируемого - Фr и эталонного - Фrэ изделий) от тол-
щины h поверхностного-упрочненного слоя стержня диаметром 10 мм из стали 45 при

4. BY 7129 U 2011.04.30
4
разной толщине поверхностно-упрочненного слоя эталонного изделия hэ (1 - hэ = 0 мм,
Фrэ = 9,67 мкВб; 2 - hэ = 2,5 мм, Фrэ = 9,01 мкВб; 3 - hэ = 3 мм, Фrэ = 8,9 мкВб; 4 - hэ = 3,5 мм,
Фrэ = 8,7 мкВб; 5 - hэ = 4 мм, Фrэ = 8,6 мкВб; 6 – hэ = 5 мм, Фrэ = 8,09 мкВб.
На фиг. 3 представлены зависимости измеряемого по заявляемому техническому ре-
шению параметра (Фr - Фr0) / Фr + (Фm0 - Фm) / Фm от толщины h поверхностного-упрочнен-
ного слоя стержня диаметром 5 мм из стали 45.
Полезная модель для магнитного контроля толщины поверхностно-упрочненного слоя
ферромагнитного изделия содержит (фиг. 1) намагничивающую катушку 1, подсоединен-
ную к источнику 2 постоянного тока и соосную с направляющей 3, через которую пропуска-
ется контролируемое изделие 4, последовательно соединенные дополнительную измеритель-
ную обмотку 5, расположенную в центральном сечении намагничивающей катушки 1 и
дополнительный измерительный блок 7, последовательно соединенные измерительную
обмотку 6, расположенную соосно с направляющей 3 вне зоны влияния намагничиваю-
щей катушки 1, и измерительный блок 8, блок 9 управления, блок 10 памяти, первый вход
которого подсоединен к выходу блока 9 управления, второй вход подсоединен к выходу
измерительного блока 8, а третий вход подсоединен к выходу дополнительного измери-
тельного блока 7, два блока 11 и 12 вычитания, первые входы которых подсоединены со-
ответственно к выходу дополнительного измерительного блока 7 и к выходу измеритель-
ного блока 8, а вторые входы подсоединены к первому и второму выходам блока 10
памяти соответственно, два блока 13 и 14 деления, первые входы которых подсоединены
соответственно к выходу первого 11 и к выходу второго 12 блоков вычитания, а вторые
входы подсоединены соответственно к выходу дополнительного измерительного блока 7
и к выходу измерительного блока 8, сумматор 15, входы которого подсоединены соответ-
ственно к выходу первого 13 и к выходу второго 14 блоков деления, и блок 16 индикации,
вход которого подсоединен к выходу сумматора 15.
Работает полезная модель следующим образом. При включении блока 9 управления
он формирует управляющий импульс, по которому блок 10 памяти запоминает поступив-
шие на его второй и третий входы сигналы.
Первым по направляющей 3 пропускается эталонное изделие из числа контролируе-
мых изделий без упрочненного слоя. Постоянный ток источника 2 постоянного тока, про-
ходя через намагничивающую катушку 1, создает внутри нее постоянное магнитное поле.
Эталонное изделие 4 в процессе движения по направляющей 3 сквозь намагничивающую
катушку 7 намагничивается этим полем до состояния технического насыщения. При дви-
жении сквозь область с намагничивающим полем эталонное изделие 4 пересекает сечение
дополнительной измерительной обмотки 5, вызывая изменение во времени сцепленного с
ней магнитного потока, индуцируя в ней сигнал, пропорциональный скорости изменения
магнитного потока. Этот сигнал поступает на дополнительный измерительный блок 7, где
из него выделяется и интегрируется однополярный импульс напряжения. Величина про-
интегрированного сигнала будет пропорциональна величине максимального магнитного
потока Фm0 эталонного изделия. Выходя из зоны магнитного поля намагничивающей
катушки 1, контролируемое изделие 4 пересекает сечение измерительной обмотки 6, вы-
зывает изменение сцепленного с ней магнитного потока, индуцируя в ней сигнал, пропор-
циональный скорости изменения магнитного потока. Этот сигнал поступает на измери-
тельный канал 8, где из него выделяется и интегрируется однополярный импульс
напряжения. Величина проинтегрированного сигнала будет пропорциональна величине
остаточного магнитного потока Фr0 эталонного изделия. Сигнал, пропорциональный вели-
чине максимального магнитного потока Фm0 эталонного изделия, поступает на вход блока
11 вычитания, второй вход блока 10 памяти и второй вход блока 13 деления. Сигнал, про-
порциональный величине остаточного магнитного потока Фr0 эталонного изделия, посту-
пает на вход блока 12 вычитания, третий вход блока 10 памяти и второй вход блока 14
деления.

5. BY 7129 U 2011.04.30
5
Сигналы, пропорциональные величине максимального магнитного потока Фm0 и вели-
чине остаточного магнитного потока Фr0 эталонного изделия, хранящиеся в блоке 10 па-
мяти до прихода следующего управляющего импульса с блока 9 управления, поступают
на вторые входы соответственно блока 11 и блока 12 вычитания.
Так как на всех входах блока 11 вычитания будет сигнал, пропорциональный Фm0, а на
всех входах блока 12 вычитания будет сигнал, пропорциональный Фr0, то на выходе каж-
дого из блоков 11 и 12 вычитания и на индикаторе 16 будет нулевой сигнал.
Затем по направляющей 3 пропускается контролируемое изделие 4 с неизвестной ве-
личиной упрочненного слоя. Контролируемое изделие 4 в процессе движения по направ-
ляющей 3 сквозь намагничивающую катушку 1 намагничивается этим полем до состояния
технического насыщения. При движении сквозь область с намагничивающим полем кон-
тролируемое изделие пересекает сечение дополнительной измерительной обмотки 5, вы-
зывая изменение во времени сцепленного с ней магнитного потока, индуцируя в ней
сигнал, пропорциональный скорости изменения магнитного потока. Этот сигнал поступа-
ет на дополнительный измерительный блок 7, где из него выделяется и интегрируется
однополярный импульс напряжения. Величина проинтегрированного сигнала будет про-
порциональна величине максимального магнитного потока Фm контролируемого изделия.
Выходя из зоны магнитного поля намагничивающей катушки 1, контролируемое изделие
4 пересекает сечение измерительной обмотки 6, вызывает изменение сцепленного с ней
магнитного потока, индуцируя в ней сигнал, пропорциональный скорости изменения маг-
нитного потока. Этот сигнал поступает на измерительный канал 8, где из него выделяется
и интегрируется однополярный импульс напряжения. Величина проинтегрированного сигна-
ла будет пропорциональна величине остаточного магнитного потока Фr контролируемого
изделия. Сигнал, пропорциональный величине максимального магнитного потока Фm кон-
тролируемого изделия поступает на вход блока 11 вычитания, второй вход блока 10 памя-
ти и второй вход блока 13 деления. Сигнал, пропорциональный величине остаточного
магнитного потока Фr контролируемого изделия, поступает на вход блока 12 вычитания,
третий вход блока 10 памяти и второй вход блока 14 деления.
Сигналы, поступившие на второй и третий входы блока 10 памяти от контролируемо-
го изделия, не воспринимаются этим блоком, так как он установлен в режим хранения ин-
формации о результатах измерения на эталонном изделии до поступления следующего
управляющего импульса с блока 9 управления, который включают при смене типа кон-
тролируемого изделия.
Тогда на выходе блока 11 вычитания будет сигнал Фm0 - Фm, а на выходе блока 12 вы-
читания будет сигнал Фr - Фr0. После деления этих сигналов блоками 13 и 14 соответственно
на величину Фm и Фr и суммирования полученных величин сумматором 15 на блоке 16
индикации регистрируется величина (Фm0 - Фm/Фm + (Фr - Фr0) / Фr, пропорциональная
толщине упрочненного слоя контролируемого изделия.
Из фиг. 2 видно, что при измерении только остаточного магнитного потока контроли-
руемого изделия в сравнении с остаточным магнитным потоком эталонного изделия чув-
ствительность к толщине упрочненного слоя в области 0-2 мм не превышает 0,15 мкВб/мм
или примерно 6 % изменения информационного параметра на 1 мм изменения толщины
упрочненного слоя. Применение в качестве эталона изделия с разной толщиной упроч-
ненного слоя не влияет на чувствительность информационного параметра к толщине этого
слоя для контролируемых изделий, а только параллельно сдвигает градуировочные зави-
симости.
При измерении по предлагаемой полезной модели высокая чувствительность (при-
мерно 25-30 % изменения информационного параметра на 1 мм изменения толщины
упрочненного слоя) наблюдается во всем диапазоне изменения толщины поверхностно-
упрочненного слоя контролируемого изделия.

6. BY 7129 U 2011.04.30
6
Эффективность предлагаемой полезной модели заключается в том, что она позволяет
измерять дополнительный магнитный параметр - величину максимального магнитного
потока Фm, который в совокупности с величиной остаточного магнитного потока Фr и в
сравнении с предварительно измеренными значениями максимального магнитного потока
Фmэ и остаточного магнитного потока Фrэ эталонного изделия из числа контролируемых, у
которого отсутствует упрочненный слой, обеспечивает высокую чувствительность ин-
формационного параметра, определяемого по алгоритму (Фr – Фr0/Фr + (Фm0 - Фm) / Фm, к
толщине поверхностно-упрочненного слоя контролируемого изделия.
Фиг. 2
Фиг. 3
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.