Способ измерения толщины ферромагнитного объекта и устройство для его реализации

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ТОЛЩИНЫ ФЕРРОМАГНИТНОГО ОБЪЕКТА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Авилов Дмитрий Евгеньевич (RU) Изобретение относится к способам и устройствам для измерения толщины ферромагнитных объектов, использующих электромагнитное поле. Способ измерения толщины ферромагнитного объекта, в соответствии с которым наводят электромагнитное поле с постоянной амплитудой магнитной индукции, проникающее по меньшей мере в часть объекта в направлении измерения,отличающийся тем, что в соответствии со способом дополнительно регулируют частоту указанного электромагнитного поля для нахождения такого ее значения, при котором ее уменьшение ниже этого значения не приводит к изменению величины потока магнитной индукции, связанного с наведенным полем; определяют глубину проникновения в направлении измерения в объект электромагнитного поля, частота которого соответствует найденному значению; и принимают указанную глубину проникновения как толщину измеряемого объекта. Также раскрыто устройство для измерения толщины ферромагнитного объекта указанным способом. Технический результат заключается в том, что данный способ существенно упрощает проведение измерений,благодаря тому, что он не требует использования преобразователей для перевода электромагнитной энергии в другой вид энергии, а использует зависимость глубины проникновения электромагнитного поля в ферромагнитный объект от частоты для оценки толщины этого объекта. 014607 Область техники, к которой относится изобретение Изобретение относится к способам и устройствам для измерения толщины ферромагнитных объектов, в частности к способам и устройствам для измерения толщины ферромагнитных объектов, использующих электромагнитное поле. Уровень техники Измерение толщины различных объектов востребовано во многих областях. И если в случае доступности объекта вдоль измеряемого размера такие измерения могут быть проведены непосредственно и не представляют сложности, то в случае протяжнных объектов, например листов материала при недоступности их крав, или замкнутых объектов, например стенок трубопроводов, измерения толщины усложняются и нередко могут быть только косвенными. Известно большое количество различных способов и устройств для косвенных измерений толщины объектов, в основе работы которых лежат различные принципы. Так, широко используются акустические измерители толщины, которые возбуждают в измеряемом объекте акустическую волну, а затем анализируют е различные параметры для определения искомой толщины. Обычно акустические измерители оценивают время прохождения акустической волны, отражнной от противоположной границы раздела объект-воздух. На основе данных о времени прохождения они далее определяют толщину стенки объекта, например учитывая справочную скорость распространения волны в материале, из которого изготовлен объект. Для увеличения точности измерений используют более сложные акустические измерители. Например, в патенте США 6883376 описан способ определения толщины стенок трубчатой детали и скорости звука в этой детали, в соответствии с которым конфигурируют вещество для обеспечения акустического контакта и приводят акустический примопередатчик в акустический контакт с этим веществом. После этого определяют передающий канал в этом веществе и размещают трубчатую деталь в этом канале. Далее определяют акустические неоднородности на границе раздела между указанным веществом и трубчатой деталью. Затем посредством примопередатчика направляют по передающему каналу ультразвуковые волны, причм по меньшей мере одну из них направляют при отсутствии в передающем канале трубчатой детали. После этого принимают сигналы, соответствующие как ультразвуковым волнам, отражнным по меньшей мере от одной оптической неоднородности, так и полностью прошедшие по передающему каналу. На основании времени прохождения указанных волн и их амплитуды определяют скорость звука в трубчатой детали и толщину каждой е стенки. В патенте США 6883376 также раскрыта система для реализации описанного выше способа. Так как при расчтах здесь вычисляют скорость звука в трубчатой детали, а не используют справочные данные по этой скорости, результаты измерений имеют большую точность. Кроме того, указанные способ и система могут быть использованы при определении толщины объекта, изготовленного из неизвестного материала. Однако недостатком способа измерения по патенту США 6883376 является сложность проведения измерений, при которых, во-первых, необходимо расположить между примопередатчиком и деталью вещество для обеспечения акустического контакта между ними, а во-вторых - обеспечить прохождение ультразвуковой волны по передающему каналу как с размещнной в нм деталью, так и в е отсутствие. Использование в измерителях для возбуждающего воздействия магнитного или электромагнитного полей позволяет обойтись без связующего вещества между измерителем и объектом и, следовательно,упростить измерения. Например, в патенте США 4710712 описан способ измерения толщины ферромагнитных труб, в соответствии с которым к участку трубы прикладывают однородное магнитное насыщающее поле, то есть внешнее поле, дальнейшее увеличение величины которого не приводит к увеличению магнитного поля,наводимого в ферромагнитном элементе. Иными словами, в участке трубы наводят насыщенное однородное магнитное поле, зависящее от площади поперечного сечения участка трубы, то есть толщины е стенок. Таким образом, измеряя магнитный поток насыщенного поля в участке трубы, далее рассчитывают толщину стенок соответствующего участка. Однако следует отметить, что в соответствии с описываемым способом для получения однородного насыщающего поля необходимой величины вокруг трубы располагают катушку с достаточным количеством витков для пропускания по ней постоянного тока, то есть также используют сложную конструкцию. Кроме того, для получения необходимой величины насыщающего поля необходимо затратить значительную энергию. Наконец, получаемое значение толщины трубы является усредннным по площади, покрываемой катушкой, то есть по периметру трубчатой детали. Таким образом, локальные изменения толщины трубчатой детали могут остаться нераспознанными. Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения являются средства для ультразвукового контроля труб по патенту РФ на полезную модель 66547. Основным компонентом указанных средств является электромагнитно-акустический преобразователь, содержащий магнитную систему, включающую постоянные магниты на основе сплава Nd-Fe-B, и высокочастотную катушку, которая расположена непосредственно под магнитной системой. Электромагнитно-акустический преобразователь выполняет функцию как излучателя, так и примника акустической волны. Средства для ультразвукового контроля-1 014607 реализуют следующий способ измерения толщины объекта. При поднесении электромагнитно-акустического преобразователя к объекту происходит намагничивание последнего благодаря действию магнитной системы. Далее на высокочастотную катушку подают переменный ток, что в частном случае приводит к наведению в объекте электромагнитного поля с постоянной амплитудой магнитной индукции, проникающего по меньшей мере в часть объекта в направлении измерения, и образованию высокочастотных вихревых токов. Так как силы взаимодействия вихревых токов с магнитным полем параллельны поверхности объекта, в объекте возбуждается поперечная ультразвуковая волна (SH-волна). Указанная волна отражается от противоположной границы раздела объект-воздух. Отражнную волну принимают с помощью электромагнитно-акустического преобразователя и, анализируя отраженный сигнал, определяют толщину объекта, то есть стенки трубы. Так как акустическую волну в объекте возбуждают посредством наведения электромагнитного поля, указанные средства не нуждаются в использовании контактного вещества для обеспечения акустического контакта между ними и исследуемым объектом. При этом средства имеют умеренные требования к энергопотреблению. Однако необходимость преобразования электромагнитной энергии в акустическую и обратно усложняет изготовление и обслуживание описанных средств. Учитывая, что нередко измерения толщины объектов приходится выполнять в сложных условиях,как например в случае измерения толщины стенок действующих трубопроводов, упрощение измерительных средств является насущной задачей. Кроме того, материал многих труб является ферромагнитным, и, следовательно, необходима разработка средств для измерения толщины ферромагнитных объектов. Таким образом, несмотря на множество известных устройств и способов для косвенных измерений толщины объектов, сохраняется потребность в разработке способов измерения толщины ферромагнитных объектов, обеспечивающих простоту измерений, а также простоту изготовления и обслуживания устройств, реализующих эти способы. Раскрытие изобретения Задачей настоящего изобретения является создание способа для косвенных измерений толщины ферромагнитных объектов, обеспечивающего простоту измерений, а также измерительного устройства для его реализации, характеризующегося простотой изготовления и обслуживания. Указанная задача решена благодаря тому, что в способе измерения толщины ферромагнитного объекта, в соответствии с которым наводят электромагнитное поле с постоянной амплитудой магнитной индукции, проникающее по меньшей мере в часть объекта в направлении измерения, дополнительно регулируют частоту указанного электромагнитного поля для нахождения такого е значения, при котором е уменьшение ниже этого значения не приводит к изменению величины потока магнитной индукции, связанного с наведнным полем; определяют глубину проникновения в направлении измерения в объект электромагнитного поля,частота которого соответствует найденному значению; и принимают указанную глубину проникновения как толщину измеряемого объекта. Заявляемый способ существенно упрощает проведение измерений, благодаря тому, что он не требует использования преобразователей для перевода электромагнитной энергии в другой вид энергии, а использует зависимость глубины проникновения электромагнитного поля в ферромагнитный объект от частоты для оценки толщины этого объекта. Указанное поле может быть наведено посредством создания магнитопровода, содержащего по меньшей мере часть объекта; снабжения этого магнитопровода обмоткой; и пропускания через обмотку переменного тока постоянной амплитуды. При этом частоту указанного поля регулируют посредством регулирования частоты переменного тока. При нахождении указанного значения частоты в одном из предпочтительных вариантов выполнения изобретения величину потока магнитной индукции контролируют с помощью измерителя потока магнитной индукции. Ещ в одном предпочтительном варианте осуществления изобретения при нахождении указанного значения частоты величину потока магнитной индукции контролируют с помощью измерителя индуктивности обмотки. Глубину проникновения обычно определяют путем вычисления на основе известных параметров объекта, которые могут включать магнитную проницаемость и удельное сопротивление. Указанная задача также решена благодаря тому, что в измерительное устройство для измерения толщины ферромагнитного объекта, содержащее обмотку, выполненную с возможностью прохождения по ней переменного тока постоянной амплитуды с наведением электромагнитного поля, проникающего по меньшей мере в часть объекта в направлении измерения, дополнительно включен магнитопровод,выполненный с возможностью включения по меньшей мере части объекта, причм указанная обмотка расположена вокруг магнитопровода, а устройство дополнительно содержит регулятор частоты переменного тока; измеритель индуктивности обмотки и обработчик данных, выполненный с возможностью прима данных о частоте переменного тока и-2 014607 индуктивности обмотки и определения толщины объекта на основе указанных данных о частоте и индуктивности и параметров объекта как глубины проникновения в направлении измерения в объект электромагнитного поля частоты такого значения, что при е уменьшении ниже этого значения величина потока магнитной индукции, связанного с наведнным полем, не меняется. Обработчик данных целесообразно выполнить с возможностью прима данных о частоте переменного тока от регулятора частоты переменного тока, а также с возможностью прима данных об индуктивности обмотки от измерителя индуктивности обмотки. Параметры объекта могут включать магнитную проницаемость и удельное сопротивление. Краткое описание чертежей Далее приведено подробное описание предпочтительного варианта осуществления изобретения со ссылками на сопроводительные чертежи, краткое описание которых представлено ниже. Фиг. 1 - вариант построения магнитопровода для реализации способа по настоящему изобретению; фиг. 2 - график зависимости потока магнитной индукции в магнитопроводе от частоты наведнного электромагнитного поля; фиг. 3 - функциональная схема измерительного устройства для измерения толщины ферромагнитного объекта по настоящему изобретению; фиг. 4 - график зависимости измеренной индуктивности обмотки от частоты для толщины объекта 1 мм; фиг. 5 - график зависимости измеренной индуктивности обмотки от частоты для толщины объекта 2 мм; фиг. 6 - график зависимости измеренной индуктивности обмотки от частоты для толщины объекта 3 мм; фиг. 7 - график зависимости измеренной индуктивности обмотки от частоты для толщины объекта 6 мм; фиг. 8 - график зависимости измеренной индуктивности обмотки от частоты для толщины объекта 10 мм. Осуществление изобретения Для реализации заявляемого способа измерения толщины ферромагнитного объекта необходимо построить магнитопровод, содержащий по меньшей мере часть измеряемого объекта. Пример такого магнитопровода приведн на фиг. 1. Для создания магнитопровода, включающего измеряемый ферромагнитный объект 1, вблизи него, разомкнутой стороной по направлению к ферромагнитному объекту 1,располагают ферритовое полукольцо 2, снабжнное обмоткой 3. Таким образом образуют магнитопровод, содержащий полукольцо 2 и часть объекта 1, замыкающую полукольцо 2. В такой системе при пропускании переменного тока через обмотку 3, что приводит к образованию электромагнитного поля соответствующей частоты, будет наблюдаться скин-эффект, который состоит в том, что электромагнитное поле при проникновении в ферромагнетик затухает по экспоненциальному закону, сосредотачиваясь,таким образом, в приповерхностном слое. Расстояние, при проникновении на которое электромагнитного поля его амплитуда уменьшается в е раз, называют глубиной проникновения d. Оно может быть определено по формуле где r - удельное сопротивление ферромагнетика, - магнитная проницаемость ферромагнетика, 0 магнитная почтоянная, -частота электромагнитного поля. Отсюда следует, что глубина проникновения растт с уменьшением частоты поля. В системе, изображнной на фиг. 1, по мере уменьшения частоты поля будет увеличиваться глубина его проникновения в объект 1 и, соответственно, толщина участка магнитопровода, образованного частью объекта 1, замыкающей полукольцо 2. А это, в свою очередь, приведт к увеличению потока магнитной индукции, связанного с наводимым полем, при постоянной амплитуде этого поля. Однако при уменьшении частоты электромагнитного поля, когда глубина проникновения поля в ферромагнетик становится равной толщине объекта 1, дальнейшее увеличение потока с уменьшением частоты прекращается. График зависимости потока магнитной индукции от частоты наводимого электромагнитного поля представлен на фиг. 2. Из него видно, что, регулируя частоту поля, можно найти е значение, соответствующее толщине объекта 1. Уменьшение частоты ниже этого значения не приведт к изменению потока магнитной индукции, связанного с наведнным током. Для реализации способа измерения толщины ферромагнитного объекта по настоящему изобретению может быть использовано измерительное устройство, функциональная схема которого представлена на фиг. 3. Устройство содержит ферритовое полукольцо 2, изготовленное из феррита НМ 1000, с обмоткой 3, содержащей 80 витков. Полукольцо 2 обращено разомкнутой стороной к измеряемому ферромагнитному объекту 1 с образованием магнитопровода, включающего полукольцо 2 и часть объекта 1, замыкающую это полукольцо. Устройство также включает регулятор 4 частоты переменного тока, измеритель 5 индуктивности, выполненный с возможностью измерения индуктивности обмотки 3, и обработчик-3 014607 6 данных, выполненный с возможностью прима данных о частоте переменного тока и индуктивности. При измерении толщины ферромагнитного объекта измерительное устройство, изображнное на фиг. 3, работает следующим образом. В обмотке 3 с помощью генератора переменного тока (не показан) создают переменный ток, частоту которого можно регулировать посредством регулятора 4. Переменный ток, протекающий в обмотке 3, создат переменное магнитное поле соответствующей частоты, которое проникает в объект 1 на глубину d, зависимость которой от частоты поля описана выше. По определению, индуктивность - это отношение потокосцепления магнитной индукции к току, который создат этот поток. Потокосцепление прямо пропорционально потоку, поэтому при изменении частоты переменного тока индуктивности обмотки 3 ведт себя аналогично потоку магнитной индукции,то есть растт с уменьшением частоты до значения, соответствующего толщине объекта, и остатся неизменной при дальнейшем уменьшении частоты. При измерении толщины объекта частоту переменного тока изменяют, например в диапазоне от 25 Гц до 10 кГц. При этом с помощью измерителя 5 измеряют значение индуктивности обмотки 3. Данные о частоте переменного тока с регулятора 4 и об индуктивности обмотки 3 с измерителя 5 поступают на обработчик 6, который обрабатывает получаемые данные, определяет частоту, соответствующую толщине объекта 1, и в соответствии с вышеприведнной формулой с учтом значений магнитной проницаемости и удельного сопротивления материала объекта 1 вычисляет толщину объекта 1. Обработчик 6 может быть реализован в виде контроллера. Устройство может дополнительно содержать средства отображения информации, например в виде жидкокристаллического дисплея, для отображения вычисленной толщины объекта. Обработчик 6 может дополнительно выполнять на жидкокристаллическом дисплее построение графика зависимости индуктивности от частоты для визуального контроля частоты, на которой прекращается рост индуктивности. На фиг. 4-8 показаны графики зависимости измеренной индуктивности обмотки 3 от частоты для толщин образца 1, выполненного из стали "сталь 3", соответственно 1, 2, 3, 6 и 10 мм. Значения индуктивности были измерены при 11 частотах (10 кГц, 5 кГц, 2 кГц, 1 кГц, 500 Гц, 200 Гц, 120 Гц, 100 Гц, 60 Гц, 50 Гц, 25 Гц. Графики демонстрируют возможность чткого определения частоты, при которой прекращается рост индуктивности. Значения этой частоты составили соответственно 900 Гц, 500 Гц, 420 Гц,220 Гц и менее 100 Гц. Необходимо отметить, что описанное устройство является лишь одним из предпочтительных вариантов осуществления изобретения. Для специалиста очевидно, что в него могут быть внесены изменения и модификации без отклонения от объма изобретения. Например, измеритель 5 индуктивности может быть заменн на измеритель потока магнитной индукции. В этом случае обработчик 6 для определения частоты, соответствующей толщине объекта, контролирует зависимость непосредственно потока магнитной индукции от частоты. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ измерения толщины ферромагнитного объекта, в соответствии с которым наводят электромагнитное поле с постоянной амплитудой магнитной индукции, проникающее по меньшей мере в часть объекта в направлении измерения, отличающийся тем, что в соответствии со способом дополнительно регулируют частоту указанного электромагнитного поля для нахождения такого е значения, при котором е уменьшение ниже этого значения не приводит к изменению величины потока магнитной индукции, связанного с наведнным полем; определяют глубину проникновения в направлении измерения в объект электромагнитного поля,частота которого соответствует найденному значению; и принимают указанную глубину проникновения как толщину измеряемого объекта. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что указанное поле наводят посредством того, что создают магнитопровод, содержащий по меньшей мере часть объекта; снабжают магнитопровод обмоткой и пропускают через обмотку переменный ток постоянной амплитуды, а частоту указанного поля регулируют посредством регулирования частоты переменного тока. 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что при нахождении указанного значения частоты величину потока магнитной индукции контролируют с помощью измерителя потока магнитной индукции. 4. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что при нахождении указанного значения частоты величину потока магнитной индукции контролируют с помощью измерителя индуктивности обмотки. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что указанную глубину проникновения определяют путем вычисления на основе известных параметров объекта. 6. Способ по п.5, отличающийся тем, что указанные параметры включают магнитную проницаемость и удельное сопротивление. 7. Измерительное устройство для измерения толщины ферромагнитного объекта, содержащее об-4 014607 мотку, выполненную с возможностью прохождения по ней переменного тока постоянной амплитуды с наведением электромагнитного поля, проникающего по меньшей мере в часть объекта в направлении измерения,отличающееся тем, что оно дополнительно содержит магнитопровод, выполненный с возможностью включения по меньшей мере части объекта, причм указанная обмотка расположена вокруг магнитопровода, а устройство дополнительно содержит регулятор частоты переменного тока; измеритель индуктивности обмотки и обработчик данных, выполненный с возможностью прима данных о частоте переменного тока и индуктивности обмотки и определения толщины объекта на основе указанных данных о частоте и индуктивности и параметров объекта как глубины проникновения в направлении измерения в объект электромагнитного поля частоты такого значения, что при е уменьшении ниже этого значения величина потока магнитной индукции, связанного с наведнным полем, не меняется. 8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что обработчик данных выполнен с возможностью прима данных о частоте переменного тока от регулятора частоты переменного тока. 9. Устройство по п.7 или 8, отличающееся тем, что обработчик данных выполнен с возможностью прима данных об индуктивности обмотки от измерителя индуктивности обмотки. 10. Устройство по п.7, отличающееся тем, что параметры объекта включают магнитную проницаемость и удельное сопротивление.