Результат интеллектуальной деятельности: ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

Изобретение относится к области измерения линейных размеров устройствами, в которых использованы электрические и магнитные средства, и может быть использовано при неразрушающем контроле толщины покрытия из непроводящего материала на токопроводящей подложке.

Толщину покрытия можно измерить прибором, описанным в авторском свидетельстве №145383 от 31.10.60, класс 42k, 46 ₀₃ «Индукционный прибор для контроля структуры металлов», откалибровав его с помощью образцовых мер толщины. Прибор содержит индуктивный датчик, расположенный в измерительной головке, которую устанавливают на поверхность контролируемого изделия. Измерительная головка снабжена винтовым механизмом, посредством которого перемещают датчик в плоскости, перпендикулярной поверхности контролируемого изделия. Индукционный датчик включен в одно из плеч электрического моста. В диагональ моста включен микроамперметр.

Калибровку прибора для измерения толщины непроводящего покрытия можно провести балансировкой его на поверхности изделия без непроводящего покрытия. Затем электромагнитный преобразователь переносят на изделие с непроводящим покрытием и по величине разбалансировки мостовой схемы, определяемой микроамперметром, судят о толщине покрытия. С помощью образцовых мер толщины можно заранее отградуировать микроамперметр в линейных размерах.

Однако конструкция прибора не исключает зависимость тока возбуждения электромагнитного преобразователя от колебаний напряжения источника питания и температуры окружающей среды, а также зависимость выходного сигнала электромагнитного преобразователя от локальных изменений электромагнитных свойств детали, на который нанесено непроводящее покрытие.

Частично этот недостаток устранен в конструкции прибора, описанном в патенте «Способ настройки электромагнитного преобразователя», патент РФ №2482444 от 25.08. 2011, МПК G01B 7/02. Электромагнитный преобразователь состоит из ферромагнитного сердечника, на который помещены катушка возбуждения и две измерительные катушки, включенные последовательно в мостовую схему электронной обработки сигнала. Для устранения влияния изменения температуры окружающей среды катушка возбуждения электромагнитного преобразователя питается от стабилизатора тока. Балансировкой мостовой схемы электронной обработки сигнала достигают максимальной чувствительности электромагнитного преобразователя при измерении толщины непроводящего покрытия на ферромагнитной и неферромагнитной основе.

Положительной стороной этого изобретения является снижение зависимости показаний прибора от колебаний температуры окружающей среды, максимальная чувствительность электромагнитного преобразователя и исключение перехода рабочей точки его через экстремум.

Однако, во-первых, недостатком прибора является тот факт, что конструкция его не ликвидирует зависимость выходного сигнала электромагнитного преобразователя от электромагнитных свойств изделия при измерении тонкого слоя непроводящего материала, нанесенного на него. Зависимость выходного сигнала электромагнитного преобразователя от свойств изделия объясняется рабочей областью кривой намагничивания его материала, которое происходит в слабых электромагнитных полях. При установке электромагнитного преобразователя на изделие без нанесенного непроводящего покрытия сердечник преобразователя образует с его материалом сложную электромагнитную систему, которая под действием поля катушки возбуждения перемагничивается по сложной суммарной петле гистерезиса.

Общую теорию намагничивания гистерезисных петель в слабых полях предложил Релей. Он установил следующие универсальные формулы для начального участка кривой намагничивания (С.В. Вонсовский, «Магнетизм», Μ.: Наука, 1971, с. 851):

J=α·H±b·H²

В формуле знак плюс соответствует положительным значениям напряженности полям, а минус - отрицательным.

А для описания петли гистерезиса Релей применил два уравнения:

- для восходящей ветви

- для нисходящей ветви

где H - напряженность магнитного поля;

J - намагниченность;

H_m - максимальное значение напряженности поля, соответствующее насыщению;

a, b - постоянные коэффициенты.

В случае приближения электромагнитного преобразователя к ферромагнитному изделию будет увеличиваться вносимый коэффициент взаимоиндукции M_BH(h), где h - толщина покрытия. ЭДС e(t, h), наводимая во вторичных обмотках преобразователя, зависит от величины напряженности поля системы изделие - сердечник. Так как преобразователь перемагничивает материал изделия слабым электромагнитным полем, то следует предположить, что напряжение на выходе преобразователя, помещенного вблизи изделия, будет изменяться по квадратичному закону при изменении толщины покрытия h.

С увеличением расстояния между преобразователем и изделием коэффициент взаимоиндукции M_BH(h) убывает, а выходное напряжение преобразователя изменяется квазилинейно и пропорционально расстоянию h. Это предположение подтверждено экспериментально при исследовании выходного напряжения преобразователя.

Замечено, что при многократном измерении одной и той же толщины покрытия выходное напряжение преобразователя имеет разброс, который уменьшается по мере увеличения толщины покрытия.

Во-вторых, истирание рабочей поверхности сердечника преобразователя (А.И. Потапов, В.А. Сясько «Неразрушающие методы и средства контроля толщины покрытий и изделий. Научное, методическое и справочное пособие», СПб., 2009, стр. 157) рождает важную проблему для цифровых толщиномеров, поскольку вычисление толщины покрытия при измерениях производится по предварительно снимаемой градуировочной характеристике преобразователя, хранимой в памяти прибора. Истирание рабочей поверхности сердечника приводит к аддитивной погрешности измерений.

Целью изобретения является повышение стабильности показаний толщиномера путем уменьшения абсолютного отклонения выходного напряжения электромагнитного преобразователя при измерении малых толщин непроводящего покрытия на токопроводящей основе.

Поставленная цель достигается тем, что в электромагнитном преобразователе, содержащем ферромагнитный сердечник, на который помещены катушка возбуждения и две измерительные катушки, соединенные с измерительной схемой, на рабочую поверхность сердечника нанесен слой карбонитрида титана толщиной 2,5÷5,0 мкм.

Слой карбонитрида титана образует первоначальный зазор между ферромагнитным сердечником преобразователя и материалом изделия, на котором измеряется толщина нанесенного покрытия. Зазор снижает воздействие электромагнитных свойств изделия на выходное напряжение преобразователя. Это объясняется свойствами кривой намагничивания системы материал изделия - сердечник, которые перемагничиваются в области Релея.

Слой карбонитрида титана на рабочей поверхности сердечника преобразователя также снижает его чувствительность к температурным изменениям. Выходное напряжение такого преобразователя, установленного на изделие, быстрее стабилизируется, чем у преобразователя без слоя. Это можно объяснить более быстрым уравновешиванием температуры сердечника и изделия, и стабилизацией магнитной проницаемости сердечника.

Доказательство снижения абсолютного отклонения выходного напряжения электромагнитного преобразователя при измерении толщины непроводящего покрытия на токопроводящем изделии получено опытным путем с использованием толщиномера ТМ-4 производства ООО «НВП «Кропус». Измерение параметров электромагнитного преобразователя проводилось следующим образом. На подложку из стали 45, взятую из набора толщин покрытий ВНИИМС, помещались аттестованные меры толщины покрытий. Измерения проводились при следующих толщинах покрытий: h=0, h=12 мкм, b=23 мкм, h=50,2 мкм, h=98,4 мкм, h=189,2 мкм, h=301,2 мкм, h=501 мкм, h=812,8 мкм, h=1,292 мм и h=2,06 мм стандартным преобразователем M120 производства ООО «НВП «Кропус». На каждой толщине h проводилось по 50 измерений, подсчитывалось среднее значение выходного напряжения, определялось отклонение напряжения от средней величины, записывалось абсолютное значение отклонения напряжения на каждой толщине. Далее подсчитывалось среднее абсолютное отклонение выходного напряжения преобразователя для каждой величины h. По этой же методике проводились и измерения для преобразователей M120 №935 и №936, на рабочую поверхность которых нанесен слой карбонитрида титана толщиной S=2,5 мкм. На графике фиг. 2 изображены зависимости выходного напряжения преобразователей, а на фиг. 3 - абсолютное отклонение выходного напряжения преобразователей от средней величины его, рассчитанной в каждой точке измерения. Преобразователь M120 обозначен на графиках линией с треугольными маркерами, M120 №935 - линией с круглыми маркерами, M120 №936 - линией с квадратными маркерами.

Слой карбонитрида титана создает на рабочей поверхности сердечника преобразователя прочный непроводящий слой, который противодействует истиранию сердечника.

Толщина слоя карбонитрида титана, наносимого на рабочую поверхность сердечника преобразователя, должна лежать в пределах от 2,5 до 5 мкм. Слой тоньше 2,5 мкм не будет в полной мере придавать износостойкость рабочей поверхности сердечника преобразователя. Нанесение слоя толщиной более 5 мкм связано с технологическими трудностями и приводит к снижению чувствительности всего преобразователя.

Нанесение известных защитных покрытий, подобных цинку, не оправдано, так как они стираются очень быстро. Использование хрома в качестве покрытия не дает ожидаемого эффекта в силу того, что он скалывается с рабочей поверхности сердечника. Применение запрессованных твердых вставок не решает проблемы из-за сложности технологического процесса при малых диаметрах сердечника. При этом искривляется градуировочная характеристика преобразователя, особенно в области малых толщин, приводящая к существенным погрешностям. Применение магнитотвердых материалов в качестве вставки ухудшает магнитные свойства сердечника и значительно снижает температурную стабильность его.

Трибологические испытания по методу «шар-плоскость» для определения коэффициента трения и износа проводилось на трибометре TRB-S-CE-0000 (CSM Instruments SA). Согласно протоколу испытаний пар трения №060814 от 06.08.2014 (см. Приложение) линейный износ сердечника преобразователя с нанесенным слоем из карбонитрида титана ниже в 1,8 раза, а коэффициент изнашивания, определяемый по объемному износу, - в 3 раза ниже по сравнению со стандартным электромагнитным преобразователем, выпускаемым ООО «НВП «Кропус».

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображены:

- на фиг. 1 - электромагнитный преобразователь;

- на фиг. 2 - графики зависимости выходного напряжения преобразователей от измеряемой толщины h;

- на фиг. 3 - графики зависимости абсолютного отклонения выходного напряжения преобразователей при многократном измерении толщин от h=0 до h=100 мкм (эта зависимость не показана для толщин h>100 мкм, поскольку далее она остается постоянной).

Электромагнитный преобразователь (фиг. 1) содержит ферромагнитный сердечник 1 с нанесенным слоем 2 карбонитрида титана TiCN толщиной 2,5÷5 мкм, на который помещены катушка возбуждения 3. Поверх катушки возбуждения 3 расположен короткозамкнутый виток 4 и две измерительные катушки 5, соединенные с измерительной схемой 6.

Прибор работает следующим образом. Электромагнитный преобразователь (фиг. 1) помещают на поверхность токопроводящего изделия с нанесенным покрытием толщиной h, которую надо измерить. Переменный ток, протекающий по катушке возбуждения 3, наводит в изделии вихревые токи. Электромагнитное поле вихревых токов воздействует на измерительные катушки 5, наводя в них ЭДС (см. фиг. 2). Величина наведенной ЭДС имеет квадратичную зависимость при измерении толщины покрытия от h=0 до h=500 мкм и пропорциональна толщине покрытия изделия при h>500 мкм. Величина наведенной ЭДС зависит от глубины проникновения переменного электромагнитного поля сердечника 1 преобразователя в изделие. Слой 2 карбонитрида титана образует зазор между сердечником 1 и изделием без покрытия, который определяет начальную величину ЭДС измерительных катушек 5, наведенную в них. Так как сердечник 1 не имеет прямого контакта с поверхностью изделия, влияние электромагнитных свойств изделия на выходное напряжение преобразователя снижается за счет уменьшения глубины проникновения электромагнитного поля в него, а выходное напряжение квазипостоянно при перемещении преобразователя по поверхности изделия. Величина выходного напряжения преобразователя считывается с дисплея измерительной схемы 6 и может быть преобразована в линейную величину толщины покрытия изделия, при использовании математической интерпретации кривых из фиг. 2.

Абсолютное отклонение выходного напряжения преобразователей с нанесенным слоем карбонитрида титана меньше в 4÷3 раза по сравнению с стандартным преобразователем без слоя карбонитрида титана при измерении толщины покрытия в диапазоне от h=0 до h=10 мкм, а затем плавно уменьшается и при значении h=23 мкм становится незначительным и квазипостоянным для толщин более 23 мкм (см. фиг. 3).

Слой карбонитрида титана на рабочей поверхности сердечника преобразователя толщиной 2,5÷5 мкм снижает зависимость выходного напряжения преобразователя от электромагнитных свойств испытуемого изделия, увеличивает стабильность выходного напряжения и показаний толщиномера при измерении толщины непроводящих покрытий в диапазоне от h=0 до h=20 мкм. При этом линейный износ ферромагнитного сердечника с нанесенным слоем карбонитрида титана снижается в 1,8 раза, а коэффициент изнашивания - в 3 раза по сравнению со стандартным преобразователем без нанесенного слоя.