CC BY
3
_Ш
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
DOI: 10.53078/20778481_2023_2_137 УДК 620.179.14
А. А. Александронец, В. А. Новиков
АППРОКСИМАЦИЯ АМПЛИТУДНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ И КОНТРАСТА МАГНИТНОЙ ЗАПИСИ ПОЛЯ ДЕФЕКТА НА МАГНИТНОЙ ЛЕНТЕ
A. A. Alexandronets, V. A. Novikov
APPROXIMATION OF AMPLITUDE CHARACTERISTICS AND THE CONTRAST OF MAGNETIC RECORDING OF DEFECT FIELDS ON A MAGNETIC TAPE
Аннотация
Приведено математическое описание амплитудной характеристики магнитной ленты, применяемой при магнитографическом контроле. Выполнена математическая аппроксимация контраста магнитной записи поля дефекта на ленте при дефектоскопии ферромагнитного объекта. Определены положение рабочей точки и диапазон магнитной характеристики ленты, в котором обеспечиваются приемлемые условия для записи полей дефектов.
Ключевые слова:
магнитная лента, амплитудная характеристика, математическая аппроксимация, контраст записи, намагничивающее поле, поле дефекта, ферромагнитные объекты.
Для цитирования:
Александронец, А. А. Аппроксимация амплитудной характеристики и контраста магнитной записи поля дефекта на магнитной ленте / А. А. Александронец, В. А. Новиков // Вестник Белорусско-Российского университета. - 2023. - № 2 (79). - С. 137-143.
Abstract
A mathematical description of amplitude characteristics of the magnetic tape used in the magnetographic testing is given. A mathematical approximation is obtained for the contrast of magnetic recording of defect fields on the tape during nondestructive testing of a ferromagnetic object. The position of the operating point and the range of magnetic characteristics of the tape are determined, which provide acceptable conditions for recording defect fields.
Keywords:
magnetic tape, amplitude characteristics, mathematical approximation, contrast of recording, magnetizing field, defect field, ferromagnetic objects.
For citation:
Alexandronets, A. A. Approximation of amplitude characteristics and the contrast of magnetic recording of defect fields on a magnetic tape / A. A. Alexandronets, V. A. Novikov // Belarusian-Russian University Bulletin. - 2023. - № 2 (79). - P. 137-143.
Введение тоскопии в зависимости от магнитных
свойств контролируемых ферромагнит-При магнитографической дефек- ных объектов применяют магнитную
© Александронец А. А., Новиков В. А., 2023
ленту с той или иной амплитудной характеристикой, т. к. от этого зависят положение рабочей точки и рабочий диапазон ее характеристики, в котором обеспечиваются приемлемые условия для записи полей дефектов. Важной характеристикой магнитной ленты является контраст магнитной записи поля дефекта на ленте. Математическое описание амплитудной характеристики магнитной ленты, применяемой при магнитографической дефектоскопии, позволяет выполнить математическую аппроксимацию контраста магнитной записи поля дефекта на магнитной ленте при неразрушающем контроле ферромагнитного объекта. Это окажет помощь специалисту при разработке или
выборе магнитных лент для контроля качества различных изделий.
Основная часть
Амплитудная характеристика магнитной ленты, используемой для записи магнитного рельефа контролируемого ферромагнитного объекта при магнитографическом контроле, как и кривая намагничивания ферромагнетика, имеет пять специфических участков (рис. 1) [1]. Это области начального (обратимого) намагничивания, Рэлея, наибольших магнитных проницаемостей, приближения к насыщению, парапроцесса. Кратко охарактеризуем каждую из указанных областей.
Рис. 1. Кривая первоначального намагничивания ферромагнетика: I - область начального (обратимого) намагничивания; II - область Рэлея; III - область наибольших магнитных проницаемостей; IV - область приближения к насыщению; V - область парапроцесса
На участке I, т. е. в области слабых намагничивающих полей, наблюдается линейный рост намагниченности ферромагнетика с увеличением напряженности магнитного поля. Намагниченность и магнитная индукция на нем пропорциональны напряженности
внешнего поля. Участок характеризуется обратимостью изменения намагниченности ферромагнетика при возрастании и убывании напряженности намагничивающего поля Н, т. е. намагниченность изменяется не по петле гистерезиса, а по прямой, выходящей из начала
координат. Обратимость процесса объясняется упругим смещением границ областей спонтанной намагниченности (доменов) внутри ферромагнетика.
При режимах намагничивания, соответствующих области Рэлея, в ферромагнетике частично происходит упругое смещение границ доменов, однако основную роль играют процессы изменения направления векторов намагниченности внутри доменов. Процессы, протекающие в ферромагнетике при таких режимах намагничивания, уже не являются полностью обратимыми.
На участке III кривой намагничивания ферромагнитного объекта происходит быстрое возрастание его намагниченности при увеличении напряженности внешнего поля. Изменение намагниченности объекта имеет ступенчатый характер (скачки Баркгаузе-на), что объясняется необратимым смещением границ между доменами внутри ферромагнетика.
На участке IV намагниченность объекта приближается к насыщению. Увеличение намагниченности ферромагнитного объекта в таких полях происходит из-за уменьшения угла между векторами намагниченности доменов и направлением внешнего поля (процессы вращения).
Незначительные приращения намагниченности ферромагнетика в сильных магнитных полях (участок V) при увеличении напряженности намагничивающего поля обусловлены па-рапроцессом. То есть увеличение намагниченности происходит вследствие возрастания магнитных моментов
М (И) = <
где М1, М2, ..., М5 - аппроксимации линий изменения амплитудной характеристики магнитной ленты на участках соответственно; а - коэффициент единиц измерения для аппроксимации амплитудной характеристики ленты на четвертом участке, (А/см)0'5.
При выполнении аппроксимаций важно, чтобы суммарный график зависимости был монотонным и непрерывным, не претерпевал конечных скачков разрыва на границах участков. Это достигается эмпирическим подбором коэффициентов в формулах и слагаемого.
доменов под действием сильного приложенного внешнего поля [1].
Укажем численные значения характерных диапазонов амплитудной характеристики магнитной ленты, ориентируясь на данные для реальных лент, применяемых для магнитографической дефектоскопии [2]. Римскими цифрами обозначены приведенные на рис. 1 области с указанием граничных значений. Так, области I соответствует диапазон изменения напряженности поля 0 < И < 30 А/см, II - 30 < И < 80 А/см, III - 80 < И < 250 А/см, IV -250 < И < 320 А/см, V - И > 320 А/см.
Нетрудно видеть (см. рис. 1), что участки I, III, V амплитудной характеристики магнитной ленты могут быть аппроксимированы прямыми линиями. Изменение амплитудной характеристики ленты на участке II имеет вогнутую форму, а на участке IV - выпуклую. Тогда математические аппроксимации амплитудной характеристики магнитной ленты М (И) и указанных выше ее участков можно представить в следующем виде:
(1)
Представленная выше система уравнений математически описывает характер изменения амплитудной характеристики магнитной ленты с увеличением напряженности намагничивающего поля. Ее вид, описанный уравнениями (1), представлен на рис. 2.
При магнитографической дефектоскопии магнитную ленту укладывают на поверхность контролируемого объекта и намагничивают вместе с ним полем рабочей напряженности. При этом на магнитную ленту действует внешнее намагничивающее поле Н0, а в местах
М1= к1И, где к = 0,5; 0 < И < 30 А/см;
М2= к2И1,9 - 3, где к2= 0,02; 30 < И < 80 А/см;
М3= к3И - 56, где к3= 1,56; 80 < И < 250 А/см;
М4= а • к4ТЙ - 44, где к4=24,7; 250 < И < 320 А/см; М5= к5И - 394, где к5= 0,01; И > 320 А/см,
дефектов сплошности - дополнительное поле На (рис. 3).
После отключения источника внешнего поля и удаления ленты от объекта ее участки, находившиеся вне действия поля дефекта, приобретают остаточную намагниченность Мго, а находившиеся под действием суперпози-
ции внешнего поля и поля рассеяния дефекта - Мм. Разность остаточной намагниченности ленты над дефектом сплошности объекта и вне дефекта называют контрастом магнитной записи поля дефекта на ленте (см. рис. 3): АМг = Мм - Мго.
М, А/см
400
Ш 2Н0 24« 200 160 120 80 40
Н, А/см
V
Рис. 2 Амплитудная характеристика магнитной ленты, описанная системой уравнений (1):
участок I - М1= к1И, к1 = 0,5; II - М2 = к2И1,9 -3, к2 = 0,02; ш - М3= к3И - 56, к3 = 1,56; IV - М4= а • кА4н - 44, к4 = 24,7, а, (А/см)0,5; V - м5= к5И - 394, к5= 0,01
Рис. 3. К пояснению записи магнитных полей рассеяния дефектов на магнитную ленту
Остановимся теперь на влиянии раскрытия дефекта, находящегося в намагниченном ферромагнитном объекте, на тангенциальную составляющую создаваемой им напряженности магнитного поля. Под напряженностью поля дефекта понимают разность полного и внешнего поля над дефектом в намагниченном объекте (в нашем случае тангенциальных составляющих напря-женностей полей).
На рис. 4 показана зависимость тангенциальной составляющей напряженности поля дефекта от напряженности внешнего поля для дефектов
большого (5 > 0,2 мм) и малого (5 < 0,02 мм) раскрытия. Из рисунка видно, что в первом случае Ихё изменяется по линейному закону при увеличении напряженности намагничивающего поля, во втором - изменение Ихс1 (И) напоминает кривую намагничивания ферромагнитного материала. До напряженности намагничивающего поля 40...60 А/см тангенциальная составляющая поля дефекта монотонно возрастает, а при больших значениях напряженности поля Иха остается практически неизменной.
Рис. 4. Зависимость тангенциальной составляющей поля дефекта от напряженности внешнего поля для дефектов разного раскрытия 5
По этой причине при математической аппроксимации контраста магнитной записи поля дефекта на магнитной ленте примем допущение, что напряженность поля дефекта не зависит от напряженности намагничивающего поля. То есть пусть Hd = const = Д = = 10 А/см. Кроме того, будем считать, что спад намагниченности магнитной ленты при отключении намагничивающего поля будет происходить не по кривым (см. рис. 3), а по параллельным прямым, ориентированным под углом а = 22,5° (рис. 5).
Напряженность внешнего поля изменяется в диапазоне от 30 до 320 А/см.
Тогда математическое выражение для определения контраста ДМ магнитной записи поля дефекта На = Д на ленте будет иметь вид:
ДМ = [ М (И + Д) - (И + Д) tgа] -
- [ М (И) - И tgа] = М (И + Д) -
- М (И) - Д tgа = М (И + 10) -
- М (И) - 10 tg 22,5°,
где М(Н) - намагниченность ленты при напряженности поля Н; М (И + Д) -намагниченность ленты при напряжен-
нос-
ти поля Н + Д.
Характер изменения контраста магнитной записи поля дефекта на ленте, амплитудная характеристика кото-
рой аппроксимирована системой уравнений (1), в зависимости от напряженности намагничивающего поля показан на рис. 6.
Рис. 5. К пояснению принятой условно записи магнитных полей рассеяния дефектов на магнитную
ленту: Мг0 - остаточная намагниченность ленты в месте действия внешнего поля И0; - остаточная намагниченность ленты, находившейся под действием суперпозиции внешнего поля и поля рассеяния дефекта; ДМГ — контраст магнитной записи поля дефекта на ленте, ДМГ = — Мг0
Рис. 6. Характер изменения контраста магнитной записи поля дефекта на ленте, амплитудная характеристика которой аппроксимирована системой уравнений (1)
Из рисунка видно, что контраст возрастает, затем остается постоянным
магнитной записи поля дефекта сначала в достаточно широком диапазоне харак-
теристики ленты, а после этого убывает. Такое изменение контраста магнитной записи поля дефекта на магнитной ленте обусловлено изменением крутизны магнитной характеристики ленты.
Так как линейный возрастающий участок контраста магнитной записи поля дефекта на магнитной ленте достаточно протяженный, то при изменении режима намагничивания в широких пределах обеспечиваются приемлемые условия для записи полей дефектов и определения величины протяженных дефектов раскрытием больше 0,1 мм.
Заключение
Показано, что амплитудная характеристика магнитной ленты может быть описана системой уравнений, каждое из которых описывает конкретный участок характеристики. Произведено математическое описание амплитудной характеристики магнитной ленты, применяемой при магнитографическом контроле. Полученные уравнения обеспечивают плавность сопряжений линий на границах участков магнитной характеристики ленты, не допуская конечных скачков
разрыва. Это позволило выполнить математическую аппроксимацию контраста магнитной записи поля дефекта на магнитной ленте при дефектоскопии ферромагнитного объекта.
Показано, что контраст магнитной записи поля дефекта на ленте вначале возрастает при напряженности поля 30 < И < 80 А/см, затем на широком участке 80 < И < 250 А/см сохраняет постоянное значение, а после этого убывает, что обусловлено изменением крутизны магнитной характеристики ленты. Определены положение рабочей точки (80 А/см) и диапазон магнитной характеристики ленты (80 < И < 250 А/см), в котором обеспечиваются приемлемые условия для записи полей дефектов.
Показано, что магнитные ленты, у которых средний участок контраста магнитной записи имеет большую протяженность, позволяют производить не-разрушающий контроль, варьируя режим намагничивания в широких пределах.
Разработанная методика расчета окажет помощь специалисту при разработке или выборе магнитных лент для неразрушающего контроля.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Вонсовский, С. В. Магнетизм / С. В. Вонсовский. - Москва: Наука, 1971. - 1032 с.
2. Козлов, В. С. Техника магнитографической дефектоскопии / В. С. Козлов. - Минск: Вышэй-шая школа, 1976. - 256 с.
Статья сдана в редакцию 5 мая 2023 года
Алексей Александрович Александронец, магистрант, Белорусско-Российский университет. E-mail: putinagutin88@gmail.com.
Владимир Алексеевич Новиков, д-р техн. наук, проф., Белорусско-Российский университет. E-mail: novikovva@tut.by.
Alexey Alexandrovich Alexandronets, master's degree student, Belarusian-Russian University. E-mail: putinagutin88@gmail.com.
Vladimir Alexeyevich Novikov, Dr. Sc. (Tech.), Professor, Belarusian-Russian University. E-mail: novikovva@tut.by.
