УДК 620.179.14
ГИСТЕРЕЗИСНАЯ ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ ИМПУЛЬСНОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ
В ПРОШЕДШЕЙ ЧЕРЕЗ МЕТАЛЛ ВОЛНЕ
© 2022 г. В.В. Павлюченко1, Е.С. Дорошевич1,*
1Белорусский Национальный Технический Университет, Беларусь 220013
Минск, пр-т Независимости, 65
*E-mail: ess.doroshevich@gmail.com
Поступила в редакцию 09.11.2021; после доработки 28.01.2022
Принята к публикации 04.02.2022
Представлены экспериментальные зависимости U(t) электрического напряжения, снимаемого с преобразователя
магнитного поля, от времени t. Преобразователем сканировали дискретный датчик магнитного поля (ДДМП) с записями
импульсных магнитных полей, прошедших через пластины из алюминия толщиной 0,015, 0,05, 0,055, 0,07, 0,09, 0,12,
0,165, 0,225 и 0,26 мм. На ДДМП с пластинами воздействовали импульсами магнитного поля линейного индуктора
сложной формы, сформированными путем изменения параметров элементов электрической цепи источника и с помо-
щью линий задержки. Получена гистерезисная интерференция импульсного магнитного поля в прошедшей волне для
одиночных пластин и для пластин в составе массивного объекта, позволяющая повысить в несколько раз чувствитель-
ность контроля толщины объекта по сравнению с бесгистерезисными методами и осуществлять контроль объектов в
узких зазорах между ними.
Ключевые слова: гистерезисная интерференция, импульсное магнитное поле, прошедшая волна, алюминиевая пла-
стина, магнитный носитель.
DOI: 10.31857/S0130308222020063
ВВЕДЕНИЕ
Рассмотрим применение магнитного носителя (МН) для контроля свойств объектов. Дефектоско-
пия сварных свойств изделий из ферромагнитных материалов изложена еще в [1]. Следует отметить,
что использование считывающего устройства с вращающейся магнитной головкой (МГ) позволило
существенно увеличить чувствительность и точность контроля сварных соединений. Дальнейшее
фундаментальное развитие магнитографического контроля осуществлено в [2], где среди многочис-
ленных решений задач дефектоскопии получены оптимальные режимы намагничивания изделий с
магнитным носителем, а также описаны способы и устройства, позволяющие повысить точность
измерений с использованием импульсной и телевизионной (растровой) индикации. Большое внима-
ние развитию магнитографической дефектоскопии уделено в [3]. В настоящее время также прово-
дятся исследования по магнитографической дефектоскопии, среди которых отметим работы [4, 5].
Использование МН с получением найденной авторами гистерезисной интерференции (HI)
магнитного поля осуществлено в [6]. Там показана схема экспериментальной установки для иссле-
дования распространения импульсных магнитных полей и изложены результаты контроля толщи-
ны пластин из алюминия (порядка 0,085 мм) при воздействии на них с МН сериями разнополяр-
ных импульсов линейного индуктора в количестве 1, 2, 3, 4 импульсов.
Гистерезисная интерференция осуществляется методом последовательного воздействия поля-
ми разного происхождения на объект с регистрирующим устройством, обладающим гистерезис-
ными свойствами, на котором получают записи пространственных распределений указанных
полей в виде их интерференционной картины, содержащей максимумы и минимумы, по которым
определяют параметры полей и свойства объектов. При осуществлении HI на магнитном носителе
воздействуют на МН с объектом импульсами магнитного поля локального источника с разными
амплитудами, направлениями и временами нарастания, считывают информацию с МН магнитной
головкой и получают HI электрического напряжения. При этом используют сплошные или дис-
кретные МН и создают оптические изображения магнитных полей.
Последовательность операций программных расчетов при осуществлении метода HI, выделе-
ние электрических сигналов, снимаемых с преобразователя магнитного поля и обусловленных
дефектами и неоднородностями в металлическом объекте, алгебраические действия с записями
оптических изображений магнитных полей, выделение поля дефекта с аппроксимацией ветвей
гистерезиса линейными участками функций намагничивания МН описаны в [7].
В отличие от вихретокового метода, рассмотренного, например, в [8], где изложены теоретиче-
ские и экспериментальные основы выявления поверхностных дефектов разной глубины, разраба-
Гистерезисная интерференция импульсного магнитного поля...
65
тываемый метод позволяет записать мгновенные распределения магнитных полей на значительной
площади объекта (квадратные дециметры и более).
Оптические изображения импульсных магнитных полей, мгновенные распределения магнит-
ных полей на поверхностях разной формы, контроль толщины и других геометрических размеров,
определение удельной электропроводности и магнитной проницаемости, однородности их распре-
деления, параметров дефектов сплошности в них изложены в [9]. Там также получены изображе-
ния пластины из алюминия толщиной порядка 0,1 мм и полосок из алюминия толщиной 0,8 мм за
алюминиевой пластиной толщиной 0,14 мм.
Расчеты HI импульсного магнитного поля на МН для двух перекрывающихся с разными вре-
менными задержками импульсов магнитного поля разной полярности с получением трех импуль-
сов с временами нарастания tmax1 = 5·10-5 с, tmax2 = 4,3·10-6 с и tmax3 = 2,1·10-6 с рассмотрены в [10].
Восходящие и нисходящие ветви гистерезисных зависимостей используемого МН U(H), где Н —
напряженность магнитного поля, здесь представлены функциями арктангенса. Получены распре-
деления U(x) электрического напряжения, снимаемого с преобразователя магнитного поля, скани-
рующего МН, от координаты x для алюминиевой фольги толщиной порядка 0,01 мм, сформирова-
ны их оптические изображения. Использование HI позволяет повысить чувствительность измере-
ний и точность контроля толщины в несколько раз по сравнению с безгистерезисными методами.
В [11] представлены результаты измерения толщины образцов из алюминиевой фольги поряд-
ка 0,05 мм гистерезисными и безгистерезисными методами в импульсном магнитном поле линей-
ного индуктора, перемещаемого дискретно с заданным шагом над фольгой с МН, гистерезисные
ветви которого представлены в виде функции арктангенс. Показано, что применение гистерезис-
ной интерференции позволяет повысить чувствительность средств измерения в несколько раз.
Для получения информации в реальном масштабе времени путем визуализации магнитных
полей МН могут быть использованы магнитооптические пленки, в частности, пленки с гигантским
фарадеевским вращением. Так, разработка способов визуализации и измерения напряженности
магнитного поля и полей дефектов сплошности, осуществляемая в настоящее время, начата еще
в [12—14].
Разрабатываемый метод может быть использован для определения удельной электропровод-
ности и ее распределения в плоскости и объеме объектов из неферромагнитных материалов как,
например, в [15] при использовании вихретокового метода. Однако в нашем случае одновременно
осуществляется определение толщины слоя не в одиночной локальной точке или в макроскопиче-
ской области с усреднением измеряемой величины, а одновременно на значительной части объ-
екта площадью в несколько квадратных сантиметров с высоким разрешением по точкам поверх-
ности.
Таким образом, с помощью HI могут быть значительно повышены чувствительность, точность,
разрешающая способность и объем одновременно записываемой информации по точкам поверх-
ности контролируемого объекта с возможностью получения мгновенных кадровых изображений
распределения магнитных полей на этой поверхности при разных условиях воздействия на объ-
ект. Как показали наши исследования, использование гистерезисной интерференции при контроле
свойств объектов из электропроводящих материалов в отраженном от поверхности металла
импульсном магнитном поле повышает точность определения свойств объектов в 2, 3 и более раз.
В ряде случаев необходимо использовать преимущества контроля с применением HI в про-
шедшей электромагнитной волне. Это позволит производить одновременно оптический контроль
объекта, получать более полную информацию об объекте с разных его сторон, а также определять
свойства металлических объектов в узких зазорах внутри них, где контроль другими методами
невозможен.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
Для формирования импульсов магнитного поля заданной формы на тиристорной установке
проведены исследования цепи индуктора путем изменения величины емкости, индуктивности
и активного сопротивления цепи разряда. Определены также параметры линий задержки
импульсов и введены дополнительные цепи разряда емкостей на индуктор и на параллельно
включенные линии с дополнительными тиристорами. При этом были учтены результаты, полу-
ченные в [6, 7, 11].
Для осуществления гистерезисной интерференции импульсного магнитного поля в прошед-
шей через металл волне применяли одиночные импульсы сложной формы, показанные на рис. 1
и рис. 2.
Дефектоскопия
№ 2
2022
66
В.В. Павлюченко, Е.С. Дорошевич
15
1
2
10
3
5
8
9
0
7
4
5
6
-5
0
10
20
30
t, мкс
Рис. 1. Зависимости U(t), снимаемые с измерительного сопротивления при разных параметрах элементов цепи
индуктора.
Импульсы магнитного поля, сформированные путем изменения параметров элементов элек-
трической цепи источника поля, представлены на рис. 1, где изображены зависимости 1, 2, 3 U(t),
снимаемые с измерительного сопротивления цепи индуктора в порядке увеличения активного
сопротивления цепи индуктора, при неизменной величине индуктивности этой цепи. Здесь же
показаны пики выбросов 4, 5, 6, 7 в обратном направлении поля и пики выбросов 8, 9 в прямом
направлении.
Картина HI с нулевым максимумом четвертого порядка может быть получена путем примене-
ния импульса 1 при соответствующих максимумах основного сигнала и выбросов 4, 8 и 5 или
использованием четырех импульсов 1 с убывающей амплитудой и чередующейся полярностью и
с такими выбросами поля, которые не проходят через всю толщину металла. Для получения HI с
нулевым максимумом третьего порядка может быть использован импульс 2 с двумя выбросами 5
и 9 и экспоненциально (или обратно пропорционально убывающим) задним фронтом. Импульс 3
позволяет получить нулевой максимум только первого порядка ввиду малой амплитуды един-
ственного выброса 7. При этом величина прошедшего поля зависит также от времени нарастания
основного импульса и выбросов.
Результаты формирования импульсов поля с помощью линий задержки, включенных в элек-
трическую цепь источника поля, представлены на рис. 2, где изображены зависимости 1—6 U(t),
снимаемые с измерительного сопротивления цепи индуктора в порядке увеличения времени
15
3
2
6
1
5
10
4
5
14
15
16
17
0
13
12
8
11
10
7
9
-5
0
10
20
30
40
t, мкс
Рис. 2. Зависимости U(t), снимаемые с измерительного сопротивления цепи индуктора с разными параметрами линий
задержки.
Дефектоскопия
№ 2
2022
Гистерезисная интерференция импульсного магнитного поля...
67
задержки. Здесь же показаны пики выбросов 7—13 в обратном направлении поля и пики выбро-
сов 14— 7 в прямом направлении. Импульс 1 с выбросами 7, 14 и 8 соответствует импульсу 1 с
выбросами 4, 8 и 5 на рис. 1.
Для осуществления HI с нулевым максимумом четвертого порядка может быть использован
импульс 1 с выбросами 7, 14 и 8, третьего порядка — импульс 2 с выбросами 9 и 15 и импульс 3
с выбросами 10 и 16, второго порядка — импульс 4 с выбросом 11 (выброс 17 мал) и импульс 5 с
выбросом 12, первого порядка — импульс 6 (выброс 13 мал).
Формирование импульсов поля с помощью линий задержки в отличие от формирования
путем изменения параметров элементов электрической цепи источника позволяет получать
импульсы поля не только с синусоидальным передним фронтом, но и с синусоидальным задним
фронтом импульса. Более того, обратные выбросы следуют не в момент окончания основного
импульса, а с временной задержкой до четверти его периода и больше (пики выбросов 7—13 и
14—17). При этом амплитуда основного импульса уменьшается на величину до 15% (зависимо-
сти 1 — 6 на рис. 2) с увеличением времени задержки, а его период увеличивается (ориентиро-
вочно также до 15 %, зависимости 1 — 6 на рис. 2).
Все найденные особенности импульсов поля при их формировании путем изменения параме-
тров элементов электрической цепи источника или с помощью линий задержки могут быть
использованы при определении свойств объектов. Величина напряженности прошедшего через
металлический объект магнитного поля уменьшается с увеличением толщины объекта. При этом
с увеличением времени нарастания импульса и его длительности величина этой напряженности
растет. Таким образом, параметры HI в прошедшем поле зависят еще и от параметров заднего
фронта импульса поля даже при его плавном убывании до нуля без обратных выбросов.
Для получения HI воздействовали на пластины из алюминия с приложенным дискретным дат-
чиком магнитного поля (ДДМП) импульсом магнитного поля сложной формы, после чего полу-
чали зависимости величины электрического напряжения U(t) от времени развертки t цифрового
осциллографа, снимаемого с индукционной МГ, при сканировании ею ДДМП. Дискретный датчик
магнитного поля располагали на противоположной от источника поля стороне пластины. Графики
полученных зависимостей для образцов разной толщины при воздействии на них с ДДМП двумя
разнополярными импульсами вида 1 (см. рис. 1) изображены на рис. 3. Здесь и на последующих
рисунках одной миллисекунде развертки осциллографа соответствует отрезок расстояния 1,1 см.
На рис. 3 установлены следующие обозначения: 1, 4 и 7 — зависимости U(t) для одиночных пла-
стин из алюминия толщиной соответственно 0,225, 0,26 и 0,165 мм. Через 2 и 3, 5 и 6, 8 и 9 обо-
значены пары отрицательных и положительных пиков сигнала, соответствующих проекции оси
линейного индуктора на ДДМП (нулевой максимум). Здесь также обозначены пики сигнала 10 и
11, по которым определяли порядок нулевого максимума. При построении зависимостей U(t)
15
9
4
1
7
10
6
3
5
0
-5
11
2
-10
5
10
8
-15
0
1
2
3
4
t, мс
Рис. 3. Зависимости U(t) в прошедшем поле для одиночных пластин из алюминия толщиной 0,225, 0,26 и 0,165 мм;
два импульса магнитного поля вида 1 (см. рис.1).
Дефектоскопия
№ 2
2022
68
В.В. Павлюченко, Е.С. Дорошевич
на рис. 3 авторы использовали разработанный ими метод, при котором величину центрального
максимума (или минимума) HI устанавливают равной нулю для объекта заданной толщины. За
основу принята пластина толщиной 0,225 мм. В результате воздействия на нее двумя импульсами
вида 1 (см. рис. 1) получена величина центрального минимума равная 0,63 мВ (пики 2 и 3 на рис.3
с напряжением -0,313 мВ и 0,313 мВ), рядом с которым нет локальных максимумов. Значит, пере-
магничивания ДДМП на проекции оси индуктора не произошло, и нулевой минимум является
минимумом первого порядка. Порядок нулевого и последующих максимумов (минимумов) интер-
ференции находили в соответствии с исследованиями авторов, изложенными в [6, 7]. Размах сиг-
нала между пиками 5 (-7,5 мВ) и 6 (6,25 мВ) составляет 13,8 мВ. Этот минимум также является
нулевым минимумом первого порядка. Размах нулевого максимума, определяемый по величине
пиков 8 (-11,8 мВ) и 9 (11,6 мВ) и равный 23,3 мВ, значительно превосходит размах между пиком
10 и соседним с ним, необозначенным пиком. То же самое относится к пику 11 и соседнему с ним,
необозначенному пику. Это означает, что участок ДДМП под осью индуктора подвергся пере-
магничиванию в направлении, противоположном первоначальному. Таким образом, согласно при-
нятым обозначениям максимум 8—9 для пластины толщиной 0,165 мм является нулевым макси-
мумом второго порядка.
Придав положительный знак первоначальному направлению намагничивания ДДМП, нахо-
дим величины нулевого максимума для пластин разной толщины: -23,3 мВ (0,165 мм), 0,63 мВ
(0,225 мм), 13,8 мВ (0,26 мм). Разности толщин 0,26 - 0,165 = 0,095 (мм) соответствует диапазон
напряжений 23,3 + 13,8 = 37,1 мВ, откуда получаем чувствительность 390 мВ/мм в диапазоне
толщин от 0,165 до 0,26 мм. Чувствительность без использования HI равна примерно 130 мВ/мм
(изменению толщины пластины на 0,1мм соответствует изменение напряжения на 13 мВ). Еще
больше возрастает точность определения толщины пластины.
В случае определения толщины металлических объектов и их других свойств в отраженной
волне основными параметрами импульсов магнитного поля являются их амплитуда, время нарас-
тания и форма переднего фронта волны.
При измерениях в прошедшей через металл волне может быть использован синусоидальный
импульс. Однако идеальный синусоидальный импульс является атрибутом колебательного кон-
тура. Это означает, что система, производящая синусоидальный импульс сама не в состоянии
прекратить колебания в момент времени, равный половине периода и при обрыве электрической
цепи в этот момент возникают выбросы магнитного поля обратной полярности, продолжающие
воздействие поля на металлический объект с приложенным к нему магнитным носителем. В
отраженной волне мы используем этот факт для проведения точных измерений, рассчитывая
оптимальные величины амплитуды и времени нарастания выброса, а также форму его переднего
фронта.
При измерении в прошедшей волне следует либо использовать обратные выбросы, либо
исключить их влияние на результаты измерений. Во втором случае никаких изменений параме-
тров основного импульса не должно быть. Значит время нарастания, длительность и амплитуда
обратных импульсов должны быть такими, чтобы они не достигали участков гистерезисной
интерференции. Для повышения чувствительности и точности контроля, а также для его осу-
ществления в узких зазорах были проведены измерения с установкой контролируемой пластины
на алюминиевую станину. Толщина этой станины была больше длины волны импульсного маг-
нитного поля, распространяющегося в алюминиевой пластине. Гистерезисная интерференция в
прошедшем поле получена как для пластин в составе массивного объекта (со станиной), так и для
одиночных пластин.
Картины HI для алюминиевой пластины толщиной 0,05 мм при воздействии на нее с ДДМП
импульсами магнитного поля вида 3 (см. рис. 1), то есть без обратных выбросов, показаны на
рис. 4а и 4б. На рис. 4а установлены следующие обозначения: 1, 2 и 3 — зависимости U(t),
снимаемого с МГ, и соответствующие им максимумы и минимумы сигналов 4 и 5, 6 и 7, 8 и 9.
Зависимость 1 получена для одиночной пластины толщиной 0,05мм в отраженном поле, а зави-
симости 2 и 3 — в прошедшем сквозь эту пластину поле соответственно для массивного объ-
екта и для одиночной пластины из алюминия толщиной 0,05 мм. Величина электрического
напряжения, снимаемого с МГ, соответствующая величине напряженности магнитного поля в
указанных точках имеет следующие значения: точка 4 (49,4 мВ), 5 (-45,0 мВ), 6 (58,2 мВ),
7 (-50,6 мВ), 8 (35,0 мВ), 9 (-33,1 мВ).
Таким образом, размах сигнала для прошедшего импульса в массивном объекте равен
108,8 мВ, а для прошедшего поля через одиночную пластину толщиной 0,05 мм он составляет
68,1 мВ. Размах отраженного от пластины толщиной 0,05 мм поля равен 94,4 мВ.
Дефектоскопия
№ 2
2022
Гистерезисная интерференция импульсного магнитного поля...
69
а
б
60
6
4
11
7
20
40
8
15
5
2
2
4
10
20
9
1
5
0
0
3
-5
3
-20
1
10
-10
9
-40
-15
6
7
5
12
8
-20
-60
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
t, мс
t, мс
Рис. 4. Зависимости U(t) в прошедшем и отраженном поле для пластины из алюминия толщиной 0,05 мм (одиночной и
в составе массивного объекта):
а — два разнополярных импульса магнитного поля вида 3 (см. рис.1); б — один импульс магнитного поля вида 3 (см. рис.1).
Максимальная напряженность прошедшего через пластину поля в массивном объекте (точки
6 и 7) больше напряженности отраженного от этой пластины поля (точки 4 и 5). Однако эта раз-
ность не является максимальной, так как воздействие на ДДМП с объектом двумя указанными
импульсами поля не выводит ДДМП на рабочий участок с максимальной чувствительностью.
Для получения максимальной чувствительности измерений определим оптимальные параме-
тры воздействующих импульсов, используя их по отдельности. Как показали измерения, первый
примененный импульс поля для получения зависимостей 1, 2 и 3 на рис. 4а с максимальной напря-
женностью поля 240 А/м выводил ДДМП в состояние, близкое к насыщению, что снижало чув-
ствительность контроля.
Результаты воздействия вторым импульсом поля на объект с ДДМП без применения перво-
го импульса показаны на рис. 4б, где установлены следующие обозначения: 1, 2, 3 и 4 — зави-
симости U(t) и соответствующие им максимумы и минимумы сигналов 5 и 6, 7 и 8, 9 и 10, 11 и
12. Максимумы сигналов зависимостей смещены относительно друг друга по оси абсцисс.
Зависимость 1 получена в отсутствие объекта, зависимость 2 — в прошедшем сквозь пластину
поле, когда она является частью массивного объекта, зависимость 3 — для одиночной пластины
из алюминия толщиной 0,05 мм в прошедшем поле, зависимость 4 — для одиночной пластины
толщиной 0,05 мм в отраженном поле. Величина электрического напряжения, снимаемого с МГ,
и соответствующая величине напряженности магнитного поля, в указанных точках имеет сле-
дующие значения: точка 5 (7,19 мВ), 6 (-8,75 мВ), 7 (20,0 мВ), 8
(-20,9 мВ), 9 (2,50 мВ),
10 (-3,13 мВ), 11 (18,4 мВ), 12 (-19,7 мВ). Размах сигнала в отсутствие объекта равен 15,9 мВ
(111 А/м). Для прошедшего через пластину импульса в случае массивного объекта он равен
40,9 мВ (148 А/м), а для прошедшего поля через одиночную пластину толщиной 0,05 мм он
составляет 5,63 мВ (80 А/м). Размах сигнала отраженного от одиночной пластины толщиной
0,05 мм поля равен 38,1 мВ (144 А/м). Максимальная напряженность прошедшего сквозь пла-
стину поля в случае массивного объекта (точки 7 и 8) больше максимальной напряженности
поля, отраженного от этой одиночной пластины (точки 11 и 12).
Таким образом, воздействие только вторым импульсом не выводит МН в состояние, близ-
кое к насыщению. В результате размах сигнала для прошедшего через пластину импульса в
случае массивного объекта составляет 40,9 мВ, а для прошедшего поля через одиночную
пластину он равен 5,63 мВ вместо значений 108,8 и 68,1 мВ при воздействии двумя импуль-
сами.
Произведем оценочные расчеты полей в прошедшей через объект волне при воздействии на
него двумя отдельными импульсами магнитного поля разной напряженности. Распространение
синусоидально изменяющегося магнитного поля в глубь электропроводящего материала рассмо-
трено в [16—18] на основании решения уравнений Максвелла и для переходного процесса может
быть представлено следующим соотношением [18, с. 67]:
Дефектоскопия
№ 2
2022
70
В.В. Павлюченко, Е.С. Дорошевич
x
λ
0
2
−
x
2
t
1
x
1
2
δ
−λ
H x,t)
=
H
⋅ e
⋅sin
ωt
−
-
H
sin
2π
-
e
⋅dλ,
(1)
z
m
m
∫
2
2
δ
π
T
2
δ
λ
0
где Hm — амплитуда напряженности магнитного поля; х — координата в глубину материала;
ω = 2π/Т — циклическая частота; Т — период колебаний; λ — переменная интегрирования; δ —
условная глубина проникновения магнитного поля, равная:
2
δ=
,
(2)
µ
σω
0
где μ0 — магнитная постоянная, σ — удельная электропроводность материала.
Первый член (1) является решением для установившихся колебаний, а второй дает поправку
для переходного процесса.
Пусть первая и третья среды являются вакуумом (воздухом), а вторая — пластиной из алюми-
ния толщиной d. Источник импульсного магнитного поля находится в первой среде. Установим
алюминиевую пластину на массивный объект из алюминия, толщина которого во много раз пре-
восходит δ для всех используемых импульсов. Между пластиной и массивным объектом оставим
воздушный зазор порядка 0,15 мм, в который поместим ДДМП, воздействуем на них импульсом
магнитного поля и определим величину максимальной тангенциальной составляющей напряжен-
ности импульсного магнитного поля в воздушном зазоре. Проделаем указанные действия для
пластин разной толщины, установленных на массивном объекте, и получим распределение макси-
мальной напряженности магнитного поля в зазоре по координате x в глубину объекта.
Введем следующие обозначения: Hm11 и Hm12 — максимальные напряженности магнитного
поля первого и второго импульсов источника в первой среде вблизи границы сред; Hm1 и Hm2 —
максимальные напряженности суммарного магнитного поля первого и второго импульсов в пер-
вой среде вблизи границы раздела сред; Hm31 — максимальная напряженность магнитного поля
первого импульса в зазоре массивного объекта.
При толщине объекта во много раз большей, чем δ, напряженность суммарного магнитного
поля вблизи поверхности объекта равна удвоенной напряженности воздействующего поля
[19, с. 150].
Как показали проведенные нами исследования, изменение максимальной напряженности маг-
нитного поля в воздушном зазоре с глубиной в массивном объекте происходят по тому же закону,
что и изменение напряженности внутри цельного металлического объекта, полученное теорети-
ческими расчетами.
Тогда с учетом толщины объекта, стремящейся к бесконечности, в случае стационарного про-
цесса величина максимальной напряженности магнитного поля в воздушном зазоре для первого
импульса в заданный момент времени может быть представлена следующей формулой:
d
d
−δ
H
=
2H
⋅e
sin
ωt
−
(3)
m31d
m11
δ
В результате получаем максимальную величину напряженности магнитного поля в зазоре на
глубине d:
d
-δ
(4)
H
m31d
=
2H
m11
⋅
e
Воспользуемся найденной нами линейной (квазилинейной) зависимостью величины макси-
мальной тангенциальной составляющей напряженности импульсного магнитного поля вторичного
источника от толщины материала, как это сделано, например, в [20]. Тогда максимальная суммар-
ная напряженность магнитного поля Hm2 в отраженной волне вблизи поверхности отдельной
алюминиевой пластины в результате второго импульса будет равна:
d
H
=
H
1+
(5)
m2
m12
d
0
Здесь d0 — приведенная толщина материала. Приведенная к максимальной величине напря-
женности магнитного поля толщина d0 характеризует электрические свойства материала. Это
толщина материала, при которой величина максимальной напряженности магнитного поля на его
поверхности удваивается при условии выполнения линейной зависимости максимальной напря-
Дефектоскопия
№ 2
2022
Гистерезисная интерференция импульсного магнитного поля...
71
женности магнитного поля от толщины материала. Иными словами, величину d0 находят путем
экстраполяции указанной линейной зависимости до удвоенной величины максимальной напря-
женности магнитного поля.
Пользуясь формулами (4) и (5), можно находить соответствие между напряженностями поля
над поверхностью отдельной пластины и напряженностью в зазоре в различных пропорциях.
Найдем Hm12 поля второго импульса источника, при которой Hm2 суммарного поля на поверх-
ности отдельной алюминиевой пластины равна Hm31 поля в зазоре в результате первого импульса
с Hm11. Приравнивая (4) и (5), получаем:
d
d
−δ
2H
⋅e
=
H
1+
(6)
m11
m12
d
0
Для tmax = 8 мкс имеем: δ = 0,45 мм, d0 = 0,098 мм. Тогда для d = 0,05 мм из (5) получаем окон-
чательно:
Hm12 = 1,185 Hm11.
(7)
Представляет научный интерес случай, когда максимальные напряженности поля над одиноч-
ной пластиной и в зазоре массивного объекта между ним и этой пластиной равны при воздей-
ствии одним и тем импульсом поля источника, то есть при Hm11 = Hm12. Из (6) определим толщину
пластины d1, при которой выполняется данное условие:
d
1
-
d
δ
1
2e
=
1+
,
(8)
d0
откуда находим величину d1 = 0,069 мм.
Найденная величина d1 выходит за пределы полученной ранее авторами линейной зависимо-
сти (7), которая выполняется в интервале полей от 0 до 0,3 Hm11 (в диапазоне толщин от 0 до 0,3d0).
Учет нелинейности дальнейших участков указанной зависимости (переход линейной зависимости
в зависимость вида единица минус экспонента) позволил оценить величину d1. Она оказалась
равной 0,105 мм, то есть порядка d0.
Вернемся к переходному процессу. Решение (1) не может быть представлено в виде элементар-
ных функций и получается путем введения функции ошибок. Однако в разные моменты времени
зависимости напряженности магнитного поля от координаты x в глубину объекта можно описать
с использованием функций синуса и экспоненты. Как показали наши расчеты, огибающая линия
этих зависимостей может быть представлена экспонентой с показателем 0,91 вместо единицы, как
это было в случае стационарного процесса. Таким образом, для определения величины d1 вместо
(8) используем следующее выражение:
1
d
-0,91
d
δ
1
2e
=1+
(9)
d0
В общем случае, когда зависимость напряженности магнитного поля от толщины объекта в
отраженной волне может быть описана функциями yi(d), выраженными в относительных единицах
и включающими все указанные участки этой зависимости, вместо (9) получаем:
1
d
−0,91
(10)
δ
2e
=
1+
y
(d),
i
а при воздействии двумя разными импульсами соотношение (6) переходит в:
d
−0,91
δ
(11)
2H
⋅e
=
H
(1+
y
(d)).
m11
m12
i
Возможности контроля свойств объектов в узких зазорах дополнены графиками на рис. 5, 6.
На рис. 5 показаны зависимости U(t) 1, 2, 3, полученные соответственно в отсутствие образца и
для одиночной пластины из алюминия толщиной 0,015 мм в прошедшем и отраженном поле.
Воздействие на ДДМП и пластины осуществляли импульсом вида 1 (см. рис. 1) с 3 выбросами.
Здесь также обозначены максимумы и минимумы сигналов 4 и 5, 6 и 7, 8 и 9. Величина электри-
ческого напряжения, снимаемого с МГ, имеет следующие значения: точка 4 (-1,88 мВ), 5 (6,25 мВ),
6 (-20,9 мВ), 7 (26,6 мВ), 8 (-15,3 мВ), 9 (19,4 мВ). Отсюда по точкам 4 и 5 находим величину
нулевого максимума второго порядка в отсутствие образца: 8,13 мВ. Для одиночной пластины из
Дефектоскопия
№ 2
2022
72
В.В. Павлюченко, Е.С. Дорошевич
40
7
30
9
2
5
20
10
1
0
-10
1
4
3
–20
8
-30
6
-40
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
t, мс
Рис. 5. Зависимости U(t) без объекта и для одиночной пластины из алюминия толщиной 0,015 мм в прошедшем и
отраженном поле; импульс вида 1 (см. рис.1).
алюминия толщиной 0,015 мм в прошедшем и отраженном поле по точкам 6 и 7 получаем соот-
ветственно нулевые максимумы первого порядка 47,5 мВ (нет перемагничивания в обратную сто-
рону) и по точкам 8 и 9 — второго порядка 34,7 мВ (на перемагничивание указывают минимумы
сигналов с внешних сторон пиков 8 и 9).
На рис. 6а показаны зависимости U(t) 1, 2, 3, полученные для пластин из алюминия толщиной
0,015, 0,07 и 0,055 мм соответственно в составе массивного объекта в прошедшем поле.
Воздействие на ДДМП и пластины осуществляли импульсом вида 1 (см. рис. 1) с 3 выбросами.
Здесь также обозначены минимумы и максимумы сигналов 4 (-35,3 мВ), 5 (34,4 мВ), 6 (-3,44 мВ),
7 (10,9 мВ), 8 (-17,8 мВ), 9 (18,4 мВ). Размах сигнала составляет 69,7 мВ (точки 4 и 5), 14,3 мВ
(точки 6 и 7), 36,2 мВ (точки 8 и 9).
а
б
40
40
2
5
7
2
4
30
3
5
9
30
20
20
10
10
0
0
-10
-10
-20
1
-20
6
8
1
-30
-30
3
6
4
-40
-40
0,5
1,0
1,5
2,0
0,4
0,8
1,2
1,6
2,0
t, мс
t, мс
Рис. 6. Зависимости U(t) в прошедшем поле для пластин из алюминия разной толщины в составе массивного объекта;
импульс вида 1 (см. рис. 1):
а — толщина пластин 0,015, 0,07 и 0,055 мм; б — толщина пластин 0,09 и 0,12 мм.
Дефектоскопия
№ 2
2022
Гистерезисная интерференция импульсного магнитного поля...
73
Зависимости U(t) 1 и 2, полученные соответственно для пластин из алюминия толщиной
0,09 и 0,12 мм в составе массивного объекта в прошедшем поле, показаны на рис. 6б. Воздействие
на ДДМП и пластины осуществляли импульсом вида 1 (см. рис.1) с 3 выбросами. Здесь также обо-
значены минимумы и максимумы сигналов 3 (-21,9 мВ), 4 (25,3 мВ), 5 (-0,94 мВ), 6 (-2,81 мВ).
Размах сигнала составляет 47,2 мВ (точки 3 и 4) и 1,87 мВ (точки 5 и 6). Из рис. 6б следует, что
разности толщин 0,12 - 0,09 = 0,03 мм соответствует диапазон напряжений 47,2 - 1,87 = 45,3 мВ.
Таким образом, может быть достигнута чувствительность измерений порядка 1500 мВ/мм.
Отметим, что авторами с помощью одной линии задержки впервые получено разделение
импульса сложной формы, состоящего из основного импульса и выбросов, на две части с регули-
руемым временем задержки выбросов относительно основного импульса от нуля до четверти его
периода (см. рис. 2). При этом форма основного импульса остается неизменной, а его амплитуда и
длительность регулируются. Задержка выбросов позволяет определять свойства объекта при раз-
ных распределениях индукционных токов в нем.
При известной толщине металлической пластины методом гистерезисной интерференции
можно определять и удельную электропроводность ее материала, как это показано в [6] и более
ранних работах авторов. Полученные результаты позволяют осуществлять контроль в узких зазо-
рах между металлическими объектами шириной от 10 микрон с определением толщины и удель-
ной электропроводности материалов объекта с двух сторон зазора, чего в силу разных причин, в
том числе из-за малой ширины зазоров нельзя осуществить другими методами. При этом опреде-
ляют свойства пластин, как в составе массивного объекта, так и в зазоре между пластинами раз-
ной толщины. Эти толщины объекта с каждой из двух сторон зазора могут быть разными и изме-
няться в любой пропорции от единиц (долей) микрон до 2πδ, то есть до длины электромагнитной
волны в металле.
ВЫВОДЫ
На основании проведенных экспериментальных исследований получены импульсы маг-
нитного поля, состоящие из основного однополярного импульса с формой, близкой к синусо-
идальной, и выбросами разной полярности в количестве от одного до трех. Время нарастания
основного импульса составляло от нескольких микросекунд до нескольких десятков микро-
секунд, а выбросов — от 0,3 до 3,0 мкс. Импульсы сформированы двумя способами: путем
изменения параметров элементов электрической цепи источника и изменением параметров
линий задержки, включенных в его электрическую цепь.
Представлены импульсы сложной формы, состоящие из основного импульса и выбросов,
полученные разделением с помощью одной линии задержки на две части с регулируемым вре-
менем задержки выбросов относительно основного импульса. Использование этих импульсов
может позволить определять свойства объекта при разных распределениях индукционных
токов в нем. Полученные импульсы позволяют получать гистерезисную интерференцию с
нулевым максимумом первого — четвертого и более высоких порядков.
Представлены экспериментальные зависимости U(t) электрического напряжения, снимае-
мого с индукционной магнитной головки, сканирующей ДДМП с записями импульсных маг-
нитных полей, прошедших через пластины из алюминия толщиной 0,015, 0,05, 0,055, 0,07,
0,09, 0,12,
0,165,
0,225 и
0,26 мм от времени t. Получена гистерезисная интерференция
импульсного магнитного поля в прошедшей через одиночные пластины волне. Получена
также HI в прошедшей через пластины в составе массивного объекта волне и интерференция
в отраженном от одиночных пластин импульсном магнитном поле. Показано, что толщину
объекта можно определять по величине нулевого максимума гистерезисной интерференции.
При этом может быть достигнута чувствительность 1500 мВ/мм. Полученные результаты
позволяют повысить в несколько раз чувствительность и точность контроля толщины объ-
екта и удельной электропроводности его материала по сравнению с бесгистерезисными мето-
дами.
Проведенные исследования максимальной напряженности импульсного магнитного поля
в зазорах внутри металлических объектов, а также использование полученной ранее авторами
зависимости этой напряженности вблизи поверхности объекта от его толщины позволяют
заключить следующее. Разработанный метод HI дает возможность определять толщину и
удельную электропроводность металлических объектов путем проведения измерений в
узких зазорах шириной от 10 микрон внутри объектов, где контроль другими методами невоз-
можен.
Дефектоскопия
№ 2
2022
74
В.В. Павлюченко, Е.С. Дорошевич
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Фалькевич А.С., Хусанов М.Х. Магнитографический контроль сварных соединений. М.:
Машиностроение, 1966. 176 с.
2. Козлов В.С. Техника магнитографической дефектоскопии. Мн.: Вышэйшая школа, 1976. 256 с.
3. Михайлов С.П., Щербинин В.Е. Физические основы магнитографической дефектоскопии. М.:
Наука, 1992. 238 с.
4. Грузинцев А.А., Михайлов С.П. Самосогласованный расчет магнитного поля для задач магнитной
дефектоскопии. Ι. Исходная модель для расчета поля магнитной ленты, намагниченной от проводника
с током // Дефектоскопия.
2011. № 2. С. 22—30.
5. Новиков В.А., Кушнер А.В., Шилов А.В. Экспериментальное исследование магнитографическо-
го контроля объектов при их намагничивании перемещаемым постоянным магнитом через магнито-
носитель. Ι // Дефектоскопия. 2010. № 7. С. 42—50.
6. Pavlyuchenko V.V., Doroshevich E.S. Using magnetic hysteresis for testing electroconductive objects in
pulsed magnetic fields // Russian Journal of Nondestructive Testing. 2013. V. 49. No. 6. P. 334—346.
7. Павлюченко В.В., Дорошевич Е.С., Пивоваров В.Л. Расчет распределений остаточных магнитных
полей при гистерезисной интерференции импульсного магнитного поля // Дефектоскопия. 2015. № 1.
С. 11—20.
8. Ферстер Ф. Неразрушающий контроль методом магнитных полей рассеяния. Теоретические и
экспериментальные основы выявления поверхностных дефектов конечной и бесконечной глубины //
Дефектоскопия. 1984. № 12. С. 13—18.
9. Павлюченко В.В., Дорошевич Е.С., Пивоваров В.Л. Компьютерные методы нахождения распреде-
лений импульсных магнитных полей вблизи объектов из электропроводящих материалов
//
Дефектоскопия. 2016. № 3. С. 48—56.
10. Pavlyuchenko V.V., Doroshevich E.S. Hysteretic Interference of Time-Overlapping Magnetic Field
Pulses // Russian Journal of Nondestructive Testing. 2019. V. 55. No. 12. P. 949—956.
11. Pavlyuchenko V.V., Doroshevich E.S. Hysteretic Interference of Magnetic Field of a Moving Linear
Inductor // Russian Journal of Nondestructive Testing. 2020. V. 56. No. 1. P. 49—57. [Павлюченко В.В.,
Дорошевич Е.С. Гистерезисная интерференция магнитного поля перемещаемого линейного индуктора
// Дефектоскопия. 2020. № 1. С. 51—60.]
12. Акулов Н.С., Телеснин Р.В. Способ магнитного контроля / Авт. свид. СССР № 452786. Бюл.
изобр. 1974. № 45.
13. Афонин А.М., Киселев В.Н., Вахромеев Ю.И., Пухов И.К. Магнитооптический преобразователь /
Авт. свид. СССР № 832443. Бюл. изобр. 1981. № 19.
14. Трунов Б.Н., Дремымбко Я.Г., Червоненкис А.Я., Балбашов А.М. Магнитооптический способ
воспроизведения сигналов с магнитного носителя / Авт. свид. СССР № 538392. Бюл. изобр. 1976. № 45.
15. Терехин И.В., Славинская Е.А. Контроль удельной электропроводности двухслойных немагнит-
ных объектов импульсным вихретоковым методом // Дефектоскопия. 2019. № 4. С. 30—36.
16. Тамм И.Е. Основы теории электричества. М.: Наука, 1989. 504 с.
17. Слухоцкий А.Е., Немков В.С., Павлов Н.А, Бамунэр А.В. Установки индукционного нагрева.
Л.: Энергоиздат, 1981. 325 с.
18. Кнопфель Г. Сверхсильные импульсные магнитные поля. М.: Мир, 1972. 390 с.
19. Поливанов К.М. Ферромагнетики. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1957. 256 с.
20. Pavlyuchenko V.V., Doroshevich E.S. Imaging Electric Signals of a Magnetic Field Transducer with
Hysteretic Interference for Testing Metals in Pulsed Magnetic Fields // Russian Journal of Nondestructive
Testing. 2020. V. 56. No. 11. P. 907—914.
Дефектоскопия
№ 2
2022
