автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Повышение достоверности вихретокового контроля путём адаптации к свойствам объекта

005060886

[постов Андрей Александрович

На правах рукописи

ПОВЫШЕНИЕ ДОСТОВЕРНОСТИ ВИХРЕТОКОВОГО КОНТРОЛЯ ПУТЁМ АДАПТАЦИИ К СВОЙСТВАМ ОБЪЕКТА

Специальность 05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

61 ЮН ¿013

Москва-2013

005060886

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО "НИУ "МЭИ"

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор,

заместитель заведующего кафедрой "Электротехники и интроскопии" "НИУ "МЭИ" Покровский Алексей Дмитриевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор,

ведущий научный сотрудник НТЦ НИИ ЭРАТ МО РФ, Шелихов Геннадий Степанович

кандидат технических наук, доцент кафедры "Электротехники и электроники" МГУПИ Родюков Михаил Сергеевич

Ведущая организация: ЗАО «НИИИН МНПО «Спектр»

Защита состоится 28 июня 2013 г. в 12 часов на заседании диссертационного совета Д 212.119.01 при Московском государственном университете приборостроения и информатики по адресу: 107076, г. Москва, ул. Стромынка, д. 20.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке МГУПИ. Автореферат размещен на сайте: http://www.nigupi.ru.

Автореферат разослан « 27 » мая 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

—"^Филинов В.В.

1. Общая характеристика работы

1.1 Актуальность.

Технический прогресс требует всё большего увеличения удельных нагрузок на узлы и детали механических конструкций, что неизбежно вызывает появление в них усталостных повреждений. Высокие давления в магистральных газопроводах увеличивают опасность возникновения экологических катастроф из-за коррозионных повреждений стенок. В таких условиях применение нераз-рушающих методов для контроля нагруженных узлов и конструкций становится особенно актуальным. Вихретоковый метод неразрушающего контроля, в силу ряда своих особенностей, является одним из наиболее широко используемых. Тем не менее, остаются задачи, существующие методы решения которых, не достаточно эффективны. Так одним из мешающих факторов при проведении неразрушающего контроля методом вихревых токов является нестабильность зазора между катушкой или сердечником вихретокового преобразователя и поверхностью объекта контроля. Известные методы решения этой проблемы не позволяют избавиться от влияния зазора в широком диапазоне. Новые способы отстройки от влияния зазора имеют большую актуальность для вихретокового контроля.

1.2 Состояние проблемы.

Метод вихревых токов изучен достаточно полно. Основной вклад в исследование сигналов накладных преобразователей внесён в работах В.Г. Герасимова, В.Е. Дидса и Ц.В. Додда, A.JI. Дорофеева, А.Г. Ефимова, H.H. Зацепина, В.В. Клюева, И.Г. Лещенко, Н.М. Родигина, АБ. Сапожникова, В.В. Сухору-кова, Ф. Ферстера, В.Е. Шатерникова, Ю.М. Шкарлета и других.

Но в этих исследованиях недостаточно изучено влияние больших изменений зазора на сигналы вихретоковых преобразователей, что в значительной мере ограничивало применение вихретоковых методов неразрушающего контроля.

Поиск новых, более эффективных методов отстройки от зазора, требует проведения дополнительных исследований сигналов вихретокового преобразователя ориентированных именно на решение этой проблемы.

1.3 Цель работы и задачи исследования

Цель данной работы - разработка эффективного метода отстройки от влияния изменений зазора на основе исследования выходных сигналов накладных вихретоковых преобразователей (ВТП) при их взаимодействии с поверхностными трещинами.

Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи: Разработать образцы для проведения экспериментальных исследований и определить их электрические, магнитные и геометрические параметры. Разработать математическую модель для описания процесса электромагнитного взаимодействия накладных ВТП и контролируемых объектов с поверхностными трещинами;

Исследовать влияние на вносимые параметры ВТП вариации рабочего зазора, электрические и магнитные свойства материалов объектов контроля и разработав

ч

способ подавления влияния изменений зазора в широком диапазоне.

• Разработать широкополосную экспериментальную установку, оснащённую гибким программным обеспечением для исследования сигналов вихретокового преобразователя и способов их обработки.

• Провести экспериментальные и теоретические исследования взаимодействия вихретокового преобразователя с объектом контроля и оценить работоспособность предложенного способа отстройки от влияния зазора. Разработать способ перехода от настроечного образца к объекту контроля, для случая, когда их свойства могут не совпадать

• Разработать структурную схему адаптивной системы вихретокового неразрушаю-щего контроля. Оценить эффективность разработанных способов на примере прототипа адаптивной системы.

1.4 Методы исследования.

Использованные в настоящей работе методы включают электрические и магнитные методы, использованные для определения удельной электрической проводимости и магнитной проницаемости образцов на специально созданных установках. Спектральный анализ для определения их химического состава. Математическое моделирование методом конечных элементов (МКЭ) электромагнитного взаимодействия ВТП с ферромагнитным объектом, содержащим дефекты. В качестве программных средств для моделирования электромагнитного поля использовалась программная среда СОМБОЬ 4.3.

Экспериментальное исследование проводилось на специально разработанной и созданной широкополосной экспериментальной установке. Решение всех задач выполнено с применением средств современной вычислительной техники..

1.5 Научная новизна.

• На основе МКЭ разработана математическая модель, описывающая распределение электромагнитного поля ВТП, размещенного над ферромагнитным полупространством с дефектом, и получены новые результаты расчёта сигналов для значений рабочего зазора, превышающих диаметр преобразователя.

• Разработан способ подавления влияния зазора в широком диапазоне его изменения, заключающийся в учёте формы реальных годографов сигнала ВТП от зазора в полном диапазоне его изменения для конкретного материала.

• Предложены принципы построения широкополосной экспериментальной установки для исследования взаимодействия вихретоковых преобразователей с объектами при больших зазорах, которые позволяют создать широкополосный измерительный тракт с использованием преобразования частоты и измерителем импеданса.

• Предложен способ настройки разработанного дефектоскопа при различии свойств контрольного образца и контролируемого объекта, заключающийся в поворотной гомотетии с учётом разницы углов и модулей векторов комплексного значения нормированного напряжения ВТП на поверхности образца и объекта.

• Получены новые данные об электрических и магнитных свойствах ряда конструкционных и инструментальных марок сталей, а именно удельной электрической про-

водимости при нормальных условиях и относительной магнитной проницаемости при разных напряженностях магнитного поля. 1.6 Практическая ценность.

Разработан новый способ отстройки от зазора, заключающийся в учёте формы реальных годографов сигнала ВТП от зазора для конкретного материала, эффективный в широком диапазоне его изменений, в частности превышающем диаметр датчика в несколько раз.

Разработана широкополосная экспериментальная установка с гибким программным обеспечением для исследования сигналов ВТП и алгоритмов их обработки, которая позволяет получать экспериментальные данные сигналов ВТП в диапазоне частот от 200Гц до 5МГц, проводить их первичную обработку, пересылать в компьютер для последующей обработки и наглядного представления.

Разработана структурная схема адаптивной системы вихретокового контроля, которые позволяют создавать автономные адаптивные системы, работающие в широком диапазоне частот и рабочих зазоров, а так же позволяют создавать приборы с ограниченным набором функций, для специалистов низкого уровня. Создан и проверен на эффективность прототип адаптивной системы, который позволяет определить наличие дефектов и оценить их размер даже при рабочем зазоре, превышающем диаметр стержня датчика более чем в 2 раза. 1.7. Реализация н использование результатов работы.

1. Результаты работы использованы в ОАО НПО «ЦНИИТМАШ» при вихрето-ковом контроле трубных заготовок на ОАО «НПО «Гидромаш».

2. Результаты работы использованы в ЗАО "НИИИН МНПО «СПЕКТР» при разработке новых вихретоковых дефектоскопов широкого назначения, а также для создания специализированного вихретокового дефектоскопа для контроля магистральных трубопроводов.

3.В лекционный курс «Вихретоковый контроль» ФГБОУ ВПО НИУ МЭИ для специальности 200102 включен раздел по повышению достоверности вихретокового контроля путём адаптации к свойствам объекта.

4. В курсе «Вихретоковый контроль» создана лабораторная работа по исследованию сигналов ВТП и алгоритмов их обработки в широком диапазоне изменений рабочих зазоров.

1.8 Апробация работы.

Результаты работы апробировались в виде докладов на:

- международной научно-технической конференции студентов и аспирантов МЭИ «Радиотехника, электротехника и энергетика»;

- научных семинарах кафедры Электротехники и интроскопии МЭИ;

- заседании экспертного совета молодёжного научно-инновационного конкурса.

Разработанная широкополосная установка демонстрировалась на выставке НТТМ-2012, где была отмечена медалью «За успехи в научно-техническом творчестве».

1.9 Публикации.

По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, из них 3 в ведущих рецензируемых научных журналах, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание учёной степени кандидата наук

Получено два патента на полезную модель и решение о выдаче патента на изобретение.

1.10 Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, библиографии из 105 наименований, приложения и изложена на 114 страницах машинописного текста, иллюстрируется 55 рисунками и 5 таблицами, а так же содержит приложение.

1.11 Основные положения, выносимые на защиту.

1. Результаты экспериментальных исследований свойств образцов для исследования сигналов вихретокового преобразователя.

2. Результаты теоретических и экспериментальных исследований сигналов вихретокового преобразователя.

3. Алгоритм повышения достоверности контроля за счет подавления влияния зазора при осуществлении вихретокового контроля.

4. Устройство широкополосной экспериментальной установки.

5. Алгоритмы перехода от настроечного образца к объекту контроля и их реализация в прототипе адаптивной системы вихретокового контроля.

2. Содержание диссертации

Во введении освещена тематика исследования относящегося к области вихретокового неразрушающего контроля, проведён краткий обзор существующих средств вихретокового контроля, показана актуальность исследования и приведён краткий обзор последующих глав. Перечислены основные научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проанализированы существующие способы отстройки от влияния зазора, современные методики математического моделирования в вихретоковом контроле, технологии применяемые в средствах вихретоковой дефектоскопии. Поставлена цель исследования заключающаяся в повышении достоверности обнаружения дефектов и оценки их величины путем разработки адаптивных средств вихретокового контроля.

Определены задачи исследования, направленные на достижение цели. Вторая глава посвящена определению параметров образцов, специально созданных для проведения исследования реальных сигналов ВТП и разработки способа перехода между разными материалами.

Для достижения указанной цели были изготовлены образцы из марок сталей, имеющих различный химический состав, с набором искусственных дефектов известной величины. Образцы имеют вид который показан на рисунке 1.

Рисунок 1 - Образец с искусственными дефектами

Образцы были вырезаны из листовой стали различных марок, отшлифованы до необходимых размеров и на электроэрозионном станке на каждом из них были нанесены по четыре паза с шагом 50 мм шириной 60 мкм и глубиной 0,25; 0,5; 0,75 и 1,0 мм.

Для нормализации свойств и размагничивания образцы были подвергнуты гомогенизирующему отжигу в вакуумной печи в течение 8 часов с последующим медленным охлаждением в течение суток. Исследования химического состава материала образцов методом спектрального анализа подтвердили, что материал образцов соответствует согласно маркам сталей: Сталь 20, Сталь У9А, Сталь 15, Сталь 08пс, Сталь 60Г, Сталь 45.

Измерения удельной электрической проводимости проведены двухзондо-вым методом, при котором через образец пропускают постоянный ток известной величины и измеряют падение напряжения на участке поверхности образца. Схема установки приведена на рисунке 2.

М1104

Рисунок 2 - Электрическая схема установки для измерения удельной электрической проводимости образцов.

Для проверки достоверности полученных результатов образец -свидетель был выполнен из алюминиевого сплава Д16. Альтернативное измерение проведено вихретоковым измерителем удельной электрической проводимости типа ВЭ-26НП. Полученный результат хорошо согласуется с результатами измерений, что подтверждает правильность результатов, полученных и для ферромагнитных образцов.

Произведённая оценка погрешностей измерения удельной электрической проводимости даёт результат порядка 1%.

Измерения магнитной проницаемости проводились на специально разработанной установке. Поскольку вихретоковый контроль с накладными и даже проходными преобразователями проводится в относительно слабых магнитных полях, магнитные характеристики образцов нужны лишь для начальных участков насыщения материала не предполагалось, но для оценки правильности получаемых результатов измерения были проведены и в достаточно больших полях.

Для снятия магнитных характеристик стальных калибровочных образцов была разработана специальная установка. На этой установке получены магнитные характеристики сталей, выбранных для изготовления калибровочных образцов.

Вначале для оценки точности был проведен эксперимент на кольцевом образце, а затем уже проведено исследование прямоугольных образцов.

Оценка влияния магнитопровода на величину напряженности магнитного поля сделана на прямоугольном образце размерами 200x50x5 мм из того же материала, что и кольцевой. Магнитопровод с размещенным в нем исследуемым образцом с намотанными на нем возбуждающей и измерительной катушками показан на рисунке 3. Приведённая оценка погрешностей измерения магнитных величин даёт величину не превышающую 10%

Полученные данные об удельной электрической проводимости и магнитной проницаемости являются основой для расчётов и экспериментов.

Рисунок 3 - Установка для измерения относительной магнитной проницаемости.

Третья глава посвящена математическому моделированию и теоретическому расчёту индуцированных магнитных полей и вихревых токов, а также построению годографов ВТП на основании этих расчётов.

Для расчёта был выбран накладной трансформаторный преобразователь,

состоящий из концентрических возбуждающей и измерительной катушек с числами витков по 150. Внешний радиус катушек Змм, внутренний 2мм.

Годографы изменения сигнала ВТП от зазора на бездефектном участке возможно рассчитать, с дефектом всё обстоит сложнее. Исследование взаимодействия ВТП возможно только на основе численных методов. Для решения этой задачи был выбран метод конечных элементов (МКЭ). Задача рассмотрена в трехмерном пространстве. Далее подробно описана идея метода конечных элементов и отмечены важные детали применительно к поставленной задаче. При моделировании МКЭ производилось преобразование, дискретизация и решение системы уравнений Максвелла для расчетной области. Моделируемые процессы можно описать, используя известные уравнения Максвелла:

ГО£:(Я) = /полн (1)

rot{E) = 9± (2)

где: В - индукция магнитного поля,

Е - напряженность электрического поля, J полн - плотность полного тока, t - время.

Векторный магнитный потенциал вводится выражениями: В= rot (/4) (3)

тогда:

E=^-grad(V) (4)

где: V - скалярный электрический потенциал, А - векторный магнитный потенциал.

Для практической реализации МКЭ использовался программный пакет COMSOL Multiphysics. Данный выбор связан с широким распространением данного пакета, простотой его использования, подтверждением достоверности получаемых с его помощью результатов опытом применения в различных областях и соответствующими сертификатами.

Модель содержит объект с дефектом и катушку ВТП, как показано на рисунке 4.

Объект из стали и имеет следующие размеры 50ммХ50ммХ5мм. Дефект глубиной в 1мм и раскрытием 0.14мм, расположен посередине объекта, на одной из его поверхностей. Катушка располагается над поверхностью объекта со стороны дефекта, точно по середине, на высоте 0.1мм . Сложность построения расчетной области при решении задач дефектоскопии связана с малостью ха-

рактерных размеров дефектов, по сравнению с размерами ВТП

Рисунок 4 - Исследуемая модель в СОМБОЬ.

и характерными размерами объекта контроля. В зоне дефекта плотность тока и напряженность магнитного поля имеют повышенные градиенты, существенно зависящие от параметров дефекта, режима контроля и взаимного положения ВТП и контролируемого объекта. Это приводит к необходимости изменения закона дискретизации расчетной области при изменении параметров контролируемого объекта, для обеспечения приемлемой погрешности

Рисунок 5 - Модель для МКЭ с наложенными сетками, где 1 - Катушка ВТП, 2 - дефект, 3 - объект контроля, 4 - воздух.

вычислений, а простое увеличение количества элементов сетки приведёт к чрезмерно долгому вычислению модели. Эту проблему можно решить, увели-

чив количество элементов дискретизации в более важных областях, а именно вокруг дефекта, при этом, не изменяя количество элементов остальной сетки, как показано на рисунке 5.

Сетка конечно-элементной модели состояла из гексаэдров, а также треугольников, угловых и граничных элементов. Полная сетка состояла бы из 284692 элементов, что весьма много, а главное не нужно, т.к. можно выбрать оси симметрии и тогда, для увеличения скорости расчёта, можно взять всего четверть пространства, как показано на рисунке 5. В результате удалось сократить расчётную сетку до 7 И 73 элементов

На рисунке 6 приведена картина распределения заданных токов в катушке ВТП и вихревых токов в объекте контроля для полного пространства.

Рисунок 6 - Распределение токов в катушке ВТП и вихревых токов в объекте контроля

■ .

Рисунок 7 - Распределения вихревых токов от ВТП.

На рисунке 7 показано распределение вихревых токов секторе объекта в л/2 относительно оси симметрии преобразователя.

Расчёт был проведён для катушки ВТП в диапазоне зазора от 0,1мм до 5мм, по результатам было построено семейство годографов сигнала ВТП при изменении зазора, приведённое на рисунке 8.

80 7«

6«

50

40

30

20

10

0 10 20 30 40 50 60 70 80 »0 100 110

Рисунок 8 - Годографы сигнала ВТП от зазора, для бездефектного участка и для разных участков с дефектами.

Результаты, приведённые на рис. 8 показывают, что линии равного зазора при различной глубине дефектов практически параллельны.

Это может быть использовано для отстройки от влияния зазора при изменении его в значительных пределах. Алгоритм отстройки реализуется следующим образом:

- ВТП устанавливают на бездефектный участок поверхности изделия

- Переводят устройство в режим снятия годографа на бездефектном участке поверхности объекта.

- Поднимают ВПТ на расстояние, на котором влиянием объекта контроля на сигнал ВТП можно пренебречь.

В процессе увеличения зазора устройство производит последовательные измерения, которые фиксируются в его памяти.

После завершения процесса, аналогичные операции производятся для участка содержащего калибровочный дефект.

Результат снятия годографов будет иметь вид, характер которого изображен на рисунке 9. Кривая 1 - годограф влияния зазора над бездефектным участком изделия. При этом, точка А соответствует положению

1ш (IV) ,мВ / У / /

ф- 1.5 -1.0. «$-0.5 5 м 1М [М / / У У 4 ж' > 0.1мм

А-0,25 Я -ни- ш ефекта У / А 'X "Ж' х .25мм

/ / У Ж. / ч 9». / ^ / 5мм

У У • Н у' ж -1 мм

# у Ч - 2мм - 1,5мм

У У - ' -а,» „

-лг • 5м: : Ке(1,ви) ,мВ

1т (ивн^

В

Н

Ие (Цвн)

А'

В'

Рисунок 9 - Годографы сигнала ВТП от зазора, для участка без дефекта и с дефектом, 1 и 2 до поворота фазы, а 1' и 2' после поворота фазы.

преобразователя непосредственно на изделии, а точка Н - на расстоянии, где влиянием ОК можно пренебречь. Кривая 2 - годограф влияния зазора над калибровочным дефектом. Точка В, соответствует положению преобразователя непосредственно на поверхности изделия над калибровочным дефектом, а точка Н — на расстоянии, где влиянием ОК можно пренебречь. (Очевидно, что точка Н будет общей для обоих годографов).

При таком расположении годографов линия АВ соответствует сигналу от калибровочного дефекта непосредственно на поверхности изделия.

Далее, изменением фазы выходного сигнала генератора, добиваются такого положения годографов на комплексной плоскости вносимых сигналов, при котором точки А и В окажутся на прямой, параллельной одной их осей координат. Пусть это будет ось 1т. Тогда фазу нужно повернуть на угол Ф.

В этом случае 1' и 2' - годографы влияния зазора, соответственно на бездефектном участке и участке, содержащим калибровочный дефект, после поворота фазы. Если при обследовании объекта была получена точка Р, то относительная величина дефекта будет определяться по приращению сигнала РС относительно сигнала БС калибровочного дефекта.

Дополнительным преимуществом указанного способа является независимость относительной величины обнаруженного дефекта от величины рабочего зазора и привязка результатов контроля к калибровочному дефекту. Четвертая глава посвящена описанию широкополосной экспериментальной установки, которая была создана для получения реальных сигналов с ВТП. Устройство подключается к РС по интерфейсу и8В и снабжено базовым программным обеспечением, позволяющим, устанавливать рабочую частоту вихре-

токового преобразователя, величину усиления в измерительном тракте и наблюдать сигналы ВТП на экране PC в режиме «комплексная плоскость».

Доступный способ, позволяющий создавать столь широкополосные устройства - это преобразование частоты. В этом случае измерительный тракт получается достаточно узкополосным, а измерения на частотах, выходящих за его полосу, осуществляются на промежуточной частоте.

Дан пример возможной реализации устройства с подробным описанием выбора элементной базы. Ключевым элементом является измеритель комплексного напряжения типа AD9833 фирмы Analog Device. В качестве устройства индикации и управления 12 используется компьютер, для подключения к которому контроллера 11 по интерфейсу USB используется преобразователь интерфейса UART- USB, на основе микросхемы СР2102 фирмы Silicon Labs.

С компьютера пересылаются такие параметры как усиление и частота в микроконтроллер, который в свою очередь, производит соответствующие установки в схеме, используя встроенные интерфейсы или прямое управление. Микроконтроллер получает данные о сигнале ВТП с измерителя, производит первичную обработку и пересылает их в компьютер.

Настройки

|iiTjjp!0 + Дб кГц

Stopped Старт

Служебные Порты

+

Масштаб: Сброс Авто

ЯрвПЙДИМОСТЬ |

Рисунок 11 - Интерфейс программного обеспечения экспериментальной установки.

На рис. 10 приведён общий интерфейс программы. Программа, обеспечивающая функционирование установки, написана на объектно-ориентированном языке Delphi, потому она, состоит из множества подпрограмм, связанных друг с другом лишь базой данных и выполняющихся в выбранных последовательностях запускаемых органами управления. Программа обеспечивает отправку необходимых данных с установками через виртуальный СОМ порт во внешнее устройство, подключённое через USB. Также обеспечивает приём и обработку данных с внешнего устройства. Кроме того позволяет вывести обработанные данные в удобной форме на экран.

Пятая глава посвящена экспериментальному исследованию сигналов ВТП, проверке результатов и разработке способа перехода от образца к объекту с другими свойствами. В этой главе приведены результаты реально снятых годографов, для датчика с такими же параметрами, для которого производился расчёт. Констатируется очень хорошее совпадение результатов расчёта с реально снятыми годографами и результатами, полученными в других работах. На примере двух образцов показано, что прямой переход с одного материала на другой может привести к ошибочной интерпретации результатов.

1т О ¡¡и ыв!

о

Сгааь 20 - без дефекта 1.5 «та

Сталь У9Д | - без дефекта

в Щ

м

.........-

I4.

•в,-

Г7

—.....'

■ 77 ■

Не ивя мв

Ьп и мВ Щ

©/ Ш

¥ ¡\ > *

%

1' Ж _ т О . .

? ; р »

1 ; *

<Э ё ® *»

О # »

I 4 ........ш »

ч •шГ Не Кви м -^

Рисунок 12 - Годографы влияния зазора на бездефектных и дефектных участках образцов №1 и №2 для частоты 60 кГц, а) - до поворота и масштабирования, б) - после.

Из взаимного расположения годографов на рисунке 12 а) видно, что если настройку прибора провести на образце №2, то бездефектный участок образца №1 будет восприниматься как участок с дефектом, даже чуть превышающий настроечный! Для устранения подобных ошибок необходим способ перехода от настроечного образца к объекту контроля, в том случае, когда свойства объекта и образца не совпадают.

Исходными данными для такого способа являются:

- годограф влияния зазора над бездефектным участком настроечного образца;

- годограф влияния зазора над участком настроечного образца с калибровочным дефектом;

- годограф влияния зазора над бездефектным участком объекта контроля.

При этом считается, что годограф влияния зазора над бездефектным участком объекта контроля всегда может быть снят перед началом обследования объекта. Ещё есть предположение, что свойства объекта и образца близки и вносимые сигналы от дефектов одной величины примерно одинаковы. Задача состоит в том, чтобы определить положение годографа влияния зазора на объекте контроля для дефекта, эквивалентного калибровочному. Для достижения этой цели используется операция поворотной гомотетии, т.е. годографы снятые на калибровочном образце растягиваются/сжимаются и поворачиваются до тех пор, пока не совпадут годографы соответствующие бездефектным участкам образца и объекта. После такого преобразования, годограф дефектного участка образца займёт новое положение, которое и будет считаться положением годографа влияния зазора на участке объекта с дефектом, эквивалентным калибровочному. Поворот и растяжение/сжатие осуществляется относительно общей точки для всех годографов, соответствующей бесконечно удалённому объекту.

Для оценки погрешности такого перехода будем считать образец №2 настроечным, а образец №1 объектом контроля. Последовательность действий по повороту и сжатию/растяжению не имеет значения. Результат приведён на рисунке 12 6).

Годографы для образца №2 растягивались и поворачивались против часовой стрелки, пока не совпали конечные точки годографов для бездефектных участков. Годограф для дефектного участка образца №2 занял положение несколько отличное от положения годографа дефектного участка образца № 1, что приведёт к некоторой погрешности при определении глубины дефекта, которая не превысит 20%, что является хорошим показателем для погрешности определения глубины дефекта.

Следует также отметить, что этот результат был получен для сильно отличающихся материалов - образец №1 из стали 20, а образец №2 - из стали У9А, т.е. по содержанию углерода они отличаются почти в 5 раз. Шестая глава посвящена описанию разработки прототипа адаптивной системы вихретокового контроля. Для оценки эффективности разработанных методов отстройки от влияния зазора и адаптации к изменению свойств объекта контроля был разработан прототип адаптивной системы вихретокового неразрушаю-щего контроля. Система предполагает наличие двух уровней подготовки специалистов, использующих её на практике. Приведена структурная схема устройства и описание её работы, а также описание аппаратной реализации и программное обеспечения микропроцессора.

Основой прототипа так же, как и в экспериментальной установке, служит измеритель импеданса AD5933 от Analog Device. Устройство снабжено аккумуляторной батареей, монохромным жидкокристаллическим дисплеем, зарядным устройством и обладает весьма малыми габаритными размерами.

Далее приводятся экспериментальные результаты исследования эффективности адаптивной системы вихретокового контроля. На рисунке 13 приведены годографы снятые на различных образцах.

«

30

10

10

О 10 20 о 19 20 30

«) 6)

Рисунок 13 - Годографы от зазора снятые на разных образцах без дефек-та(сплошные линии) и с дефектом(пунктирные линии) а) годографы до адаптации, б) годографы после адаптации.

Для перехода с образца на объект контроля необходимо произвести адаптацию прибора к свойствам объекта. Адаптация производится путём снятия годографа влияния зазора на бездефектном участке объекта контроля и приведением его положение годографа влияния зазора на бездефектном участке настроечного образца, как показано на рисунке 13 а). Для приведения годографов в сходное положение используется процедура поворотной гомотетии - подбирается не только угол поворота, но и масштаб, как показано на рисунке 13 б). На рисунке 14, приведены графики зависимости относительной погрешности определения величины дефекта от рабочего зазора. Видно, что для ВТП с диаметром ферритового стержня диаметром 1,8 мм, для больших дефектов удаётся получить вполне допустимую погрешность на зазорах вплоть до 5мм. Что подтверждает высокую эффективность способа отстройки от влияния зазора. Переход от образца к дефекту также оказался достаточно эффективным и принципиально не снижает диапазона отстройки от зазора даже для материалов, сильно отличающихся по химическому составу, в то время как дополнительная погрешность определения величины дефекта не превышает 20%, а в большинстве случаев, составляет единицы процентов.

СТАЛ* 20 СШЛУЗА - СтшьН Сталвоапс

-СИЛ4»60Г

—СталМ5

70 60 50 40 30 20 10

Л

№

Образец №1 1,5 мм

• - 1,0 мм -» - 0,5 мм

• - 0.3 ммЗО

12"

А.

•у т

И

/

Г

X

Д - I

11.ММ

01 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5

Рисунок 14 - Зависимость относительной погрешности определения глубины дефекта, от зазора.

Заключение содержит полученные выводы и результаты, которые можно сформулировать следующим образом:

- На основе метода конечных элементов разработаны математические модели, адекватно описывающие процессы электромагнитного взаимодействия вихрето-кового преобразователя с поверхностными трещинами, с учетом функций влияния электрических и магнитных свойств контролируемого объекта.

- Получены результаты исследования влияния на вносимые параметры ВТП глубины трещин при различных режимах контроля, вариации рабочего зазора, электрических и магнитных свойств объекта.

- Предложен эффективный способ отстройки от влияния зазора, заключающийся в учёте формы реальных годографов сигнала ВТП от зазора в полном диапазоне его изменения для конкретного материала.

- Разработана экспериментальная установка с рабочим диапазоном частот от 200Гц до 5МГц, позволившая получить результаты исследования режимов автоматической обработки сигналов вихретоковых преобразователей с целью повышения достоверности контроля.

- Получены результаты экспериментальных исследований сигналов вихретоко-вого преобразователя. Результаты подтверждены известными результатами расчётов, что подтвердило работоспособность нового способа отстройки от зазора.

- Предложен алгоритм адаптивного перехода от настроечного образца к объекту контроля, учитывающий возможную разницу их свойств, что повышает точность определения параметров дефекта на объекте контроля.

- Предложена структурная схема адаптивной системы вихретокового контроля. На прототипе адаптивной системы проведены исследования эффективности предложенных алгоритмов адаптации к свойствам объекта контроля и намече-

ны пути её дальнейшего совершенствования.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах: Из перечня ВАК:

1. Покровский А.Д., Хвостов A.A. Микропроцессорное вихретоковое устройство дефектоскопа с интерфейсом USB. Приборы, 2013, №2. с. 6-12.

2. Покровский А.Д., Хвостов A.A. Универсальное вихретоковое устройство с интерфейсом USB. Контроль. Диагностика, 2013, №4. с. 27-31.

3. Покровский А.Д., Хвостов A.A. Исследование параметров образцов для вих-ретокового контроля. Дефектоскопия, 2013, №4, с. 52-62.

Патенты:

1. Покровский А.Д., Улитин Ю.М., Хвостов A.A. Устройство вихретокового контроля изделий (варианты). Патент на полезную модель №121564. Опубликовано: 27.10.2012.

2. Покровский А.Д, Хвостов A.A. Устройство для измерения магнитных характеристик. Патент на полезную модель № 127195. Опубликовано: 20.04.2013

3. Покровский А.Д, Хвостов A.A. Способ контроля свойств изделий из электропроводящих материалов. Заявка на изобретение № 2012104031/28. Дата публикации заявки: 20.05.2012. Решение о выдаче патента от 05.03.2013. Прочие публикации и доклады:

1. Покровский А.Д., Хвостов A.A. Способы подавления мешающих параметров при вихретоковом контроле. Девятнадцатая ежегодная международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». Москва, МЭИ, 2013, 356 страниц, с. 135-137.

2. Покровский А.Д., Хвостов A.A. Новая технология отстройки от мешающих параметров при анализе и обработке сигналов, том 3, Труды XX Международной научно-технической конференции «Информационные средства и технологии», Москва. В 3 тома. Т.З. -М.: издательский дом МЭИ, 2012. -192с., ил., с. 180-183.

3. Покровский А.Д., Хвостов A.A. Метод расширения диапазона отстройки от влияния зазора при вихретоковом контроле. «Современные методы и приборы контроля качества и диагностики состояния объектов»: материалы 4-й между-нар. науч.- техн. конф. редкол.: И.С. Сазонов (гл.ред) [и др.]. - Могилёв: Бело-рус.-Рос. ун-т, 2012. - 364с.:ил. с.106-107.

4. Покровский А.Д., Хвостов A.A. Универсальное вихретоковое устройство с интерфейсом USB. XIX Всероссийской конференции по неразрушающему контролю и технической диагностике, г. Самара, Самарский государственный аэрокосмический университет им. академика С.П. Королева г. Тезисы доклада. СПЕКТР Москва 2011. 496 страниц с. 167-168.

5. Покровский А.Д., Хвостов A.A. Программное обеспечение универсального вихретокового устройства с интерфейсом USB. Восемнадцатая ежегодная международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов "РАДИОЭЛЕКТРОНИКА, ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭНЕРГЕТИКА"

МЭИ 2012. 380 страниц, с. 165-166.

Подписано в печать 24.05.2013г. Усл.пл. - 1.0 Заказ №14180 Тираж: 100 экз. Копицентр «ЧЕРТЕЖ.ру» ИНН 7701723201 107023, Москва, ул.Б.Семеновская 11, стр.12 (495) 542-7389 www.chertez.ru

"Национальный исследовательский университет "МЭИ"

04201360753

На правах рукописи

Хвостов Андрей Александрович

ПОВЫШЕНИЕ ДОСТОВЕРНОСТИ ВИХРЕТОКОВОГО КОНТРОЛЯ ПУТЁМ АДАПТАЦИИ К СВОЙСТВАМ

ОБЪЕКТА

Специальность 05.11.13. - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий.

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д.т.н., профессор Покровский А.Д.

Москва, 2013 г.

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................................5

ГЛАВА 1.......................................................................................................................9

1.1 Известные методы отстройки от влияния зазора при проведении контроля методом вихревых токов............................................................................................9

1.2 Исследования сигналов вихретокового преобразователя..............................11

1.3 Уровень техники современных приборов........................................................15

1.4 Выводы и постановка задачи............................................................................16

ГЛАВА 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ОБРАЗЦОВ...................................18

2.1 Выбор марок стали образцов и их геометрических параметров...................18

2.2 Измерения удельной электрической проводимости образцов......................20

2.2.1 Погрешности измерения удельной электрической проводимости........23

2.2.1.1 Погрешности измерения электрических величин.............................23

2.2.1.2 Погрешности измерения геометрических величин...........................24

2.2.1.3 Погрешности измерения электрических величин.............................25

2.2.1.4 Погрешности измерения, вызванные колебаниями температуры... 25

2.2.1.5 Результаты измерения удельной электрической проводимости образцов....................................................................................................................26

2.2.1.6 К вопросу о методических погрешностях..........................................27

2.3 Измерения магнитной проницаемости образцов............................................28

2.3.1 Погрешность измерения магнитных величин..........................................30

2.3.2 Методическая составляющая погрешности..............................................32

2.3.3 Оценка погрешности измерений магнитных величин.............................34

2.3.4 Результаты измерения магнитных характеристик...................................35

2.4 Выводы по главе 2..............................................................................................37

ГЛАВА 3. РАСЧЁТ СИГНАЛОВ ВИХРЕТОКОВОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ. 38

3.1 Расчёт параметров вихретокового преобразователя.......................................38

3.1.1 Конструкция и формулы расчёта...............................................................38

3.1.2 Расчёт параметров катушки........................................................................39

3.1.3 Расчёт обобщённого параметра.................................................................40

3.2 Расчёт задачи с дефектом и без.........................................................................40

3.2.1 Выбор метода расчёта.................................................................................40

3.2.2 Моделирование............................................................................................41

3.2.3 Теоретическое обоснование.......................................................................43

3.2.4 Разбиение модели на элементы для расчёта.............................................44

3.3 Результаты расчёта.............................................................................................47

3.3.1 Распределение вихревых токов..................................................................47

3.3.2 Годографы от зазора....................................................................................49

3.4 Способ отстройки от зазора..............................................................................49

3.5 Выводы................................................................................................................51

ГЛАВА 4. ШИРОКОПОЛОСНАЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА. 53

4.1 Теоретические основы.......................................................................................53

4.2 Структура устройства........................................................................................54

4.3 Схемная реализация...........................................................................................57

4.4 Программное обеспечение для ПК...................................................................62

4.4.1 Общие сведения...........................................................................................62

4.4.2 Запуск программы.......................................................................................62

4.4.3 Интерфейс.....................................................................................................63

4.4.4 Работа программы.......................................................................................67

4.4.5 Основные подпрограммы...........................................................................68

4.4.6 Значение кнопок управления......................................................................73

4.5 Выводы................................................................................................................77

ГЛАВА 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СИГНАЛОВ ВТП. 788

5.1 Выводы................................................................................................................87

ГЛАВА 6. РАЗРАБОТКА ПРОТОТИПА АДАПТИВНОЙ СИСТЕМЫ ВИХРЕТОКОВОГО КОНТРОЛЯ............................................................................89

6.1 Структурная схема.............................................................................................89

6.2 Аппаратная реализация......................................................................................90

6.3 Структурная схема программного обеспечения.............................................92

6.4 Экспериментальные результаты исследования эффективности адаптивной системы вихретокового контроля............................................................................96

6.4.1 Конструкция преобразователя...................................................................96

6.4.2 Годографы вносимых сигналов..................................................................97

6.4.3 Эффективность на настроечном образце..................................................98

6.4.4 Эффективность на объекте контроля......................................................100

6.5 Выводы:.............................................................................................................103

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.......................................................................................................105

ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА.................................................................106

ПРИЛОЖЕНИЕ 1....................................................................................................115

ПРИЛОЖЕНИЕ 2....................................................................................................120

ПРИЛОЖЕНИЕ 3....................................................................................................122

ПРИЛОЖЕНИЕ 4....................................................................................................123

ПРИЛОЖЕНИЕ 5....................................................................................................126

ПРИЛОЖЕНИЕ 6....................................................................................................128

Введение.

Исследование относится к области неразрушающего контроля, и его результаты могут быть использованы для повышения достоверности результатов и эффективности применения вихретоковых дефектоскопов. По утверждению проф. В. Моргнера [1], авторство термина «Дефектоскоп» принадлежит Ф. Фёрстеру: так назывался первый сконструированный и запущенный им в серию прибор для обнаружения дефектов [2]. Однако, имеются литературные источники куда более раннего периода [3], содержащие не только сам термин «дефектоскоп», но и схему вихретокового преобразователя со стержневым магнитопроводом. При этом преобразователь содержит возбуждающую, измерительную и компенсационную обмотки, т.е. соответствует схеме используемой до настоящего времени [4] . В настоящее время множество фирм выпускает разнообразные вихретоковые средства неразрушающего контроля, в том числе и дефектоскопы, предназначенные для проверки изделий из электропроводящих материалов как при их производстве, так и при эксплуатации.

- Institut Dr. Förster, Reutlingen [5]

- Rohmann GmbH, Frankenthal [6]

- IBG Prüfcomputer, Ebermannstadt [7]

- db Prüftechnik, Ismaning [8]

- Prüftechnik Linke und Rühe, Magdeburg [9]

- Olympus (Nortec) [10] -USA: Zetec [11]

Важное место в номенклатуре выпускаемых приборов составляют ручные дефектоскопы для обнаружения поверхностных и подповерхностных дефектов:

®

- DEFECTOMETER 2.837 (Institut Dr. Förster) [12]

- Elotest (Rohmann) [13]

OmniScan MX EC, Nortec (Olympus) [14] - MIZ-21 (Zetec) [15] -Phasec (General Electric) [16]

Эти приборы используются, в основном, для контроля состояния нагруженных деталей механизмов и конструкции в процессе их эксплуатации. Такие приборы широко используются в авиации, на железнодорожном транспорте, а так же для контроля состояния подъёмно-транспортных механизмов (подъёмные краны, лифты, эскалаторы).

Достижения вычислительной техники и широкое использование микропроцессоров, позволяют создавать универсальные вихретоковые дефектоскопы, обладающие широким набором рабочих частот и позволяющие решать большинство возникающих задач - например Elotest В-300 [17] от Романа.

Тем не менее, остаются задачи, методы решения которых, не достаточно эффективны. Так одним из мешающих факторов при проведении неразрушающего контроля методом вихревых токов является нестабильность зазора между катушкой или сердечником вихретокового преобразователя и поверхностью объекта контроля. Решению именно этой задачи и посвящена работа.

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и приложения.

В первой главе приведен литературный обзор по современному состоянию рассматриваемых в диссертации вопросов: проведен анализ существующих методов подавления влияния зазора при осуществлении вихретокового контроля; проведён обзор теоретических и экспериментальных исследований накладных вихретоковых преобразователей; рассмотрены существующие тенденции в разработке современных средств вихретокового неразрушающего контроля.

Во второй главе рассмотрена конструкция образцов для проведения экспериментальных исследований сигналов вихретоковых преобразователей.

Приведены результаты исследования химического состава материалов изготовленных образцов и определены марки использованных сталей. На> основе результатов оптических измерений составлена таблица значений геометрических размеров искусственных дефектов нанесённых на образцы. С помощью двухзондового метода, на постоянном токе, произведено измерение удельной электрической проводимости образцов и дана оценка погрешности измерения. Приведены результаты контрольного измерения проводимости на образце-свидетеле из немагнитного материала двухзондовым и вихретоковым методами. Содержится описание конструкции разработанной установки для измерения магнитной проницаемости образцов. Приведены результаты измерений и дана оценка точности полученных значений магнитной проницаемости.

В третьей главе приведены исследования сигналов вихретокового преобразователя при контроле ферромагнитных электропроводящих объектов. В вычислениях использованы значения проводимости и магнитной проницаемости, полученные при экспериментальном исследовании образцов. Расчёты проведены в широком диапазоне зазоров для различных глубин дефектов. Предложен способ отстройки от зазора, позволяющий учесть нелинейную форму годографов и сильную зависимость сигнала дефекта от величины зазора.

В четвертой главе дано описание широкополосной экспериментальной установки для исследования сигналов вихретокового преобразователя. Приведена структурная схема, описан принцип работы. Глава содержит подробное описание программного обеспечения установки.

В пятой главе приведены результаты экспериментальных исследований и предложен способ адаптации к свойствам объекта контроля при переходе с настроечного образца к объекту.

В шестой главе дано описание структурной схемы прототипа адаптивной системы вихретокового неразрушающего контроля. Приведены результаты

использования адаптации к свойствам объекта контроля и оценена их эффективность.

В заключении приведены основные выводы и результаты работы. В приложении представлены материалы о химическом составе материалов образцов, промежуточные результаты измерений, примеры расчёта погрешностей, документы об использовании результатов диссертации. На защиту выносятся следующие научные положения:

1. Результаты экспериментальных исследований свойств образцов для исследования сигналов вихретокового преобразователя.

2. Результаты теоретических и экспериментальных исследований сигналов вихретокового преобразователя.

3. Алгоритм, повышающий достоверность контроля за счет подавления влияния зазора при осуществлении вихретокового контроля.

4. Устройство широкополосной экспериментальной установки.

5. Алгоритмы перехода от настроечного образца к объекту контроля и их реализация в прототипе адаптивной системы вихретокового контроля.

Глава 1.

1.1 Известные методы отстройки от влияния зазора при проведении контроля методом вихревых токов.

Нестабильность зазора между поверхностью объекта контроля и вихретоковым преобразователем может быть вызвана колебаниями толщины диэлектрического покрытия на поверхности объекта контроля или отклонениями оси вихретокового преобразователя от нормали к поверхности, при проведении ручного сканирования. Электрические сигналы от нестабильности зазора или толщины диэлектрического покрытия могут в разы превышать сигналы от дефектов, подлежащих обнаружению. Существует несколько направлений для решения этой проблемы:

а) использование амплитудно-фазовых особенностей сигнала вихретокового преобразователя для разделения сигналов от зазора и дефекта методом проекции;

б) применение дифференциальных преобразователей;

в) использование модуляционных вихретоковых преобразователей для разделения сигналов от дефекта и зазора по их спектру;

г) применение в дефектоскопе отдельного измерительного канала для измерения величины зазора для введения поправок в результаты контроля или поддержания механическим способом постоянной величины зазора.

д) использование конструкционных решений, ослабляющих влияние зазора.

а: Первое направление просто в реализации, широко используется в настоящее время, но обеспечивает подавление сигнала от зазора только в узком его диапазоне, из-за значительной нелинейности сигналов. Дополнительным недостатком является невозможность учёта падения чувствительности к дефекту с ростом зазора. [18, 19, 20, 21, 22]

б: Дифференциальные преобразователи, в самом общем случае, состоят из двух идентичных вихретоковых преобразователей, сигналы которых вычитаются. Наличие двух одинаковых зазоров, в этом случае, не приводит к появлению сигнала, а появление дефекта под одним из них позволит

обнаружить этот сигнал. Вероятность идентичного расположения обоих преобразователей над различными участками одного дефекта очень мала и возможность возникновения такого случая на практике не рассматривается. Недостатком такого решения задачи является необходимость строго поддерживать ось датчика в вертикальном положении относительно поверхности объекта контроля, что весьма затруднительно при ручном контроле, а также, неконтролируемое падение чувствительно к дефекту с ростом толщины диэлектрического покрытия или зазора. [22, 23] в: Суть модуляционного метода состоит в том, что вихретоковый преобразователь двигается, например по кругу, над поверхностью объекта контроля. В самом общем случае, когда такой преобразователь установлен над объектом с наклоном, сигнал от наклона будет периодическим, и его период будет совпадать с периодом вращения вихретокового преобразователя. В то время как длительность сигнала от дефекта будет соответствовать времени прохождения преобразователя над дефектом. В этом случае применение фильтра низкой частоты позволяет легко выделить сигнал от дефекта. Метод широко используется, но при его применение отсутствует возможность учёта падения чувствительности вихретокового преобразователя к дефекту с ростом зазора. Кроме того, модуляционные датчики представляют собой сложные электромеханические устройства и весьма дороги. [24]

г: Применение отдельного измерительного канала для контроля за толщиной покрытия или величиной зазора имело два ответвления. В первом случае, вихретоковый преобразователь был подвешен на электромагнитную систему, напоминающую по устройству акустический динамик, что позволяло перемещать его в некоторых пределах по сигналу от изменений зазора, поддерживая постоянную величину последнего. Но это направление не получило развития из-за сложности устройства. [25]

Второе направление позволяло, измерив зазор, вычесть из полученного сигнала соответствующую ему величину, получив чистый сигнал от дефекта, а

величину последнего определить с учётом влияния измеренного зазора на чувствительность. [26, 27]

Метод не получил широкого применения из-за сложности учёта влияющих факторов, вызванной сильной нелинейностью сигнала и зависимости чувствительности к дефекту от величины зазора. [28, 29]

д: Применение датчиков специальной конструкции чаще всего имеет целью стабилизировать зазор, а не устранить его влияние. [30, 31, 32, 33, 34, 35] 1.2 Исследования сигналов вихретокового преобразователя.

По своей природе метод вихревых токов является многопараметровым методом неразрушающего контроля. Сигнал первичного преобразователя определяется совокупностью электрических и магнитных свойств объекта контроля, его размерами, расположением относительно обмоток преобразователя, а также конструкцией самого датчика. Практическое применение метода вихревых токов требует, чаще всего, избирательного контроля одного или нескольких из этих параметров при подавлении мешающего влияния остальных[36]. Исследование и разработка методов подавления мешающего влияния одних параметров с целью повышения достоверности контроля других - цель всех теоретических и экспериментальных исследований метода вихревых токов. К настоящему времени усил�