автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Толщинометрия металлоконструкций на основе электромагнитно-акустического преобразования в импульсном магнитном поле

005534439

На правах рукописи

Алехин Сергей Геннадиевич

ТОЛЩИНОМЕТРИЯ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ НА ОСНОВЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНО-АКУСТИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ В ИМПУЛЬСНОМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ

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

Автореферат Диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

3 ОКТ 2013

Москва-2013

005534439

Работа выполнена в ЗАО «НИИИН МНПО «Спектр», г. Москва

Научный руководитель: д.т.н. Самокрутов A.A.

Официальные оппоненты: профессор, д.т.н. Качанов В.К.

профессор, д.т.н. Шелихов Г.С.

Ведущая организация: ООО «НПЦ «ЭХО +»

Защита состоится «16» октября 2013 г в 10 часов на заседании диссертационного совета Д.520.010.01 при ЗАО «Научно-исследовательский институт интроскопии МНПО «Спектр» по адресу : 119048, г.Москва, ул.Усачева 35, строение 1.

Отзыв на автореферат, заверенный печатью организации, просим направлять по указанному выше адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЗАО «НИИИН МНПО «Спектр».

Автореферат разослан «13» сентября 2013 г. Ученый секретарь

диссертационного совета Д520.010.0-^

доктор технических наук, профессбр—_ ■ Н.Р. Кузелёв

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Решение проблемы обеспечения безопасности промышленных объектов неразрывно связано с технической диагностикой (ТД) и неразрушающим контролем (НК), одним из направлений которого является толщинометрия металлоконструкций при наличии одностороннего доступа. Эта задача решается на множестве технических объектов, как при технологическом, так и при эксплуатационном контроле с использованием ультразвуковых (УЗ) толщиномеров ручного контроля.

В настоящее время основным методом УЗ толщинометрии является эхо-импульсный метод, на основе которого работают практически все УЗ толщиномеры, как ручного контроля, так и автоматизированные установки. Необходимым элементом большинства УЗ приборов являются пьезоэлектрические преобразователи, работающие только при наличии контактной жидкости, обеспечивающей акустическую связь между преобразователем и объектом контроля (ОК). И эта особенность УЗ метода во многом ограничивает его применимость, снижает производительность контроля, а так же ухудшает достоверность и воспроизводимость результатов измерений.

С середины 60-х годов началось развитие технологии возбуждения и приема УЗ колебаний позволяющей работать без использования контактной жидкости и основанной на эффекте электромагнитно-акустического (ЭМА) преобразования. В настоящее время несколькими компаниями выпускаются УЗ толщиномеры работающие с ЭМА преобразователями (ЭМАП) и не требующие при контроле применения контактной жидкости.

Отличительной особенностью этих приборов является использование в ЭМА преобразователях мощных постоянных магнитов. Этот фактор усложняет их практическое применение при ручном УЗ контроле, т.к. эффект притяжения преобразователя к ферромагнитым материалам затрудняет процедуры сканирования, приводит к частому повреждению ЭМАПов и выходу их из строя, создает травмоопасность для персонала.

Известно техническое решение, позволяющее исключить из конструкции ЭМАПа мощные постоянные магниты путём замены их на импульсные электромагниты. Эта технология используется, как правило, для производственного контроля в стационарных установках. Её применение в приборах ручного контроля ограничивалось высокими требованиями по энергопотреблению и сложностью реализации в малогабаритном исполнении.

В настоящее время появление новых конструкционных материалов, развитие электронной элементной базы и химических источников питания сформировало предпосылки для реализации технологии импульсного подмагничивания в малогабаритных ручных ЭМА толщиномерах. Создание и внедрение подобных приборов позволит устранить вышеперечисленные недостатки и расширить область применения УЗ ЭМА толщиномеров, повысив их производительность, достоверность, точность и эффективность. Поэтому разработка малогабаритного ручного УЗ толщиномера на основе ЭМА технологии с импульсным подмагничиванием представляет значительный интерес и является актуальной задачей.

Цель и задачи работы

Целью данной работы является разработка и практическое внедрение УЗ толщиномера для ручного контроля на основе ЭМАП с импульсным подмагничиванием, соответствующего по своим метрологическим, массогабаритным и эксплуатационным характеристикам типовым УЗ толщиномерам, и свободного от основного недостатка УЗ ЭМА толщиномеров - эффекта сильного притяжения к ферромагнитным ОК.

Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие задачи:

1. Разработать математическую модель магнитной системы ЭМАП для импульсного режима работы, исследовать поведение поля подмагничивания в импульсном режиме и на этой основе разработать конструкцию системы импульсного подмагничивания.

2. Выполнить экспериментальные исследования с целью подтверждения корректности разработанной математической модели и определения особенностей и параметров помеховых сигналов, связанных с импульсным характером поля подмагничивания.

3. Теоретически и экспериментально оптимизировать режимы работы ЭМАП с индуктором импульсного подмагничивания и определить энергетические затраты на создание поля подмагничивания.

4. Разработать систему питания и формирования импульсов тока подмагничивания с учётом малогабаритного варианта исполнения, применимого для использования в УЗ толщиномерах ручного контроля.

5. На основе полученных результатов разработать ЭМА толщиномер с импульсным подмагничиванием и исследовать его основные эксплуатационные и технические характеристики при контроле изделий из различных металлов и сплавов.

Научная новизна

1. Теоретически и экспериментально установлено, что при конфигурации магнитной системы в виде разомкнутого броневого сердечника для создания требуемой магнитной индукции величиной не менее 0,6 Тл (такое значение индукции создают наилучшие магнитные системы на постоянных магнитах) на поверхности неферромагнитного ОК в области диаметром 7 мм (акустическая апертура ЭМАП) необходима энергия 0,7 Дж для одного цикла излучения и приёма УЗ эхо-сигналов, длительность которого 320 мкс. Данный факт позволяет сделать вывод о возможности реализации технологии импульсного подмагничивания в ручном УЗ толщиномере, которая при частоте измерений до 20 Гц потребует энергопотребления не более 14 Вт.

2. Из-за нелинейной зависимости магнитной индукции от напряженности внешнего поля в материале сердечника нарушается принцип суперпозиции в электромагнитном поле ЭМАП, поэтому при расчете силы Лоренца для неферромагнитного материала ОК необходимо учитывать взаимное влияние вихревых токов и подмагничивающего поля.

3. При контроле ферромагнитных материалов возникает дополнительный к известным помеховый фактор - шум Баркгаузена, регистрируемый на выходе сигнального индуктора ЭМАП при изменении поля подмагничивания. Дисперсия шума пропорциональна скорости изменения напряжённости подмагничивающего поля. Основной канал воздействия данного шума на сигнальный индуктор - магнитный. Для устранения влияния данного фактора зондирование и приём эхо-сигналов необходимо выполнять в интервале времени при почти установившемся значении поля подмагничивания, что соответствует задержке порядка 400.. .600 мкс от момента включения поля подмагничивания.

4. Экспериментально обнаружено, что для ЭМАП с радиальной поляризацией при контроле ферромагнитных материалов амплитуда эхо-сигнала зависит от взаимного направления токов в подмагничивающем и сигнальном индукторах, если возбуждающий сигнал подается в момент, когда еще ток подмагничивания не установился.

Практическая значимость и реализация результатов работы

Полученные в работе научные результаты легли в основу следующих разработок, имеющих существенную практическую и прикладную значимость:

1. На базе предложенной и оптимизированной конструкции импульсного электромагнита, разработаны два типа УЗ ЭМАПов поперечных волн - с радиальной и с линейной поляризацией.

2. Разработана система питания импульсного электромагнита для ручного УЗ ЭМА толщиномера с использование литий-феррум-полимерных аккумуляторов и сильноточных ключей с малым внутренним сопротивлением, что обеспечило возможность формирования импульсов тока величиной до 150 А в индукторе подмагничивания.

3. Разработан малогабаритный УЗ ЭМА толщиномер с импульсным подмагничиванием А1270РМ, проведены его испытания и подготовлен серийный выпуск.

Апробация работы

Основные положения работы были доложены на 7 международных и 2 отечественных научно-технических конференциях по НК и ТД:

1. 3-я Международная конференция "Диагностика трубопроводов" (Москва, 21-26 марта 2001 г.)

2. XVI Российская научно-техническая конференция "Неразрушающий контроль и диагностика" (Санкт-Петербург, 9-12 сентября 2002 г.)

3. XXVIII Международное научно-техническое совещание по проблемам прочности двигателей ( 26-28 ноября 2002 г.)

4. 3-я Международная выставка и конференция «Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности». (17 - 18 марта 2004 г.)

5. 16th World Conference on Nondestructive Testing. (Montréal, Aug. 30 - Sep. 3, 2004)

6. 17-я Российская научно-техническая конференция с международным участием «Неразрушающий контроль и диагностика» (Екатеринбург, 5-11 сентября 2005 г.)

7. European Conference on Non-Destructive Testing (Berlin, Sep. 25-29, 2006)

8. 7-я Международная выставка и конференция «Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности». (Москва, 11-13 марта 2008 г.)

9. 10th European Conference on Non-Destructive Testing. (Moscow, June 7-11, 2010)

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 23 печатные работы: 8 статей в журналах, включая 2 из списка ВАК, 11 докладов на конференциях (в том числе 8 международных), получено 3 патента РФ на изобретения и 1 патент РФ на полезную модель.

Структура и объём диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы и приложений. Объём составляет 95 страниц, включая 54 иллюстраций и 8 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована её цель и обоснованы основные задачи исследований, сформулирована научная новизна, показана практическая значимость работы и приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрена конструкция типового ЭМАП и охарактеризовано понятие импульсного подмагничивания в ЭМАПах, проведён обзор и анализ известных устройств и приборов, работа которых основана на ЭМА преобразовании с формированием подмагничивающего поля с помощью электромагнитов. В результате были определены недостатки известных устройств, выбраны пути их преодоления и на этой основе сформулированы основные направления работы и задачи для исследований.

В общем случае ЭМАП состоит из магнитной системы, обеспечивающей формирование поля подмагничивания и сигнального индуктора. Формирование и приём УЗ сигналов обеспечивается за счёт взаимодействия магнитного поля и вихревых токов в ОК, формируемых с помощью сигнального индуктора. Как правило, используются УЗ поперечные волны. Анализ существующих в настоящее время технических решений в области ЭМА средств контроля показал, что для создания подмагничивающего поля в подавляющем большинстве приборов используются постоянные магниты и магнитные системы на постоянных магнитах, а импульсное подмагничивание практически не применяется.

В некоторых автоматизированных установках с ЭМАП используются электромагниты, питаемые постоянным током, который включается на всё время работы установки. Существуют также установки, где электромагниты питают током промышленной частоты. В них зондирование и приём УЗ сигналов происходит в периоды времени вблизи максимума тока через обмотку электромагнита. Длительность этих рабочих интервалов составляет порядка 500 мкс, в течение которых, ток в обмотке электромагнита практически не меняется. Эти решения, конечно, нельзя считать импульсным

подмагничиванием. В них нет ограничений на потребляемую для подмагничивания энергию, кроме допустимого нагрева электромагнитов. Так же существуют стационарные промышленные установки для контроля проката, в которых магнитное поле формируется импульсным способом. Подобные установки имеют сетевое питание и поэтому задача снижения потребляемой энергии в них остро не стоит. В этом случае время включения магнитного поля берется с большим запасом на переходные процессы и, как следствие, получается значительное потребление энергии импульсными подмагничивающими системами.

Что касается портативной аппаратуры с автономным питанием, то в открытых источниках не было обнаружено описаний ЭМА толщиномеров, где использовались бы электромагниты вместо постоянных магнитов.

Для экономии энергии батарейного питания интервал времени включения подмагничивающего поля в ЭМАПе должен быть минимальным и для большинства практических задач при УЗ толщинометрии и дефектоскопии он может составлять 70...300 мкс. На интервалы времени такого порядка и должно, в пределе, включаться подмагничивание, что должно обеспечить минимизацию энергозатрат на подмагничивание. Однако, для создания подобной подмагничивающей системы, работающей в импульсном режиме, и на её основе УЗ ЭМА ручного толщиномера, потребовалось решить ряд задач с использованием вычислительных и экспериментальных методов исследований:

• Выбрать конфигурацию импульсного электромагнита, создающего поле подмагничивания ЭМАПа, и оптимизировать его основные конструктивные параметры;

• Исследовать динамику формирования магнитного поля в металлическом ОК для случаев ферромагнитных и неферромагнитных материалов и на этой основе определить оптимальные интервалы времени с целью использования ЭМА преобразования для формирования и приёма УЗ сигналов;

• Исследовать влияние динамических электромагнитных процессов на формирование полезных и помеховых сигналов и с учётом данных факторов определить необходимые для реализации УЗ эхо-метода условия;

• Определить энергетические затраты, необходимые для реализации технологии УЗ ЭМА метода с импульсным подмагничиванием.

Во второй главе описаны результаты теоретических исследований импульсного электромагнита броневой формы, позволившие рассчитать распределения индукции магнитного поля вблизи керна электромагнита в разные моменты времени после включения тока через электромагнит и определить требуемые величины токов и интервалов их действия для ферромагнитных и не ферромагнитных материалов, замыкающих магнитную цепь электромагнита.

Конфигурация подмагничивающего поля определяется необходимыми акустическими свойствами преобразователя, апертурой, рабочей частотой и типом возбуждаемой волны.

Для толщинометрии с помощью ЭМА преобразования наиболее широко используют поперечные УЗ волны, возбуждение и приём которых возможен, практически, в любых электропроводящих материалах благодаря действию сил Лоренца.

С практической точки зрения геометрические размеры ЭМАПа должны быть как можно меньше. Таким преобразователем легко проводить измерения в труднодоступных местах. Но с другой стороны необходима локальность измеряемой зоны, что подразумевает хорошую направленность (узкую диаграмму направленности).

Известно, что для хорошей направленности акустическая апертура преобразователя должна быть больше чем 5А, где Я -длина волны. Для расчета длины волны необходимо определить рабочую частоту преобразователя. Наиболее используемым для УЗ толщинометрии является диапазон частот 2,5-5 МГц. Для нижней границы - 2,5 МГц значения меньше влияние

паразитных параметров индуктора и генератора, подводящего кабеля, соединяющего генератор и преобразователь, что упрощает требования к ним, но ниже разрешающая способность и больше глубина проникновения вихревых токов. Исходя из этих соображений значение рабочей частоты выбрано равным 3 МГц, диаметр апертуры преобразователя для возбуждения поперечных УЗ волн 5-7 мм, что соответствует около 5-7 Я по стали.

Простейшим источником нормально ориентированного к поверхности металла магнитного поля может служить круговой виток с током, лежащий на этой поверхности. Величину нормальной к плоскости витка индукции В магнитного поля на его оси при постоянной величине тока I в случае неферромагнитного металла, например, алюминия, можно оценить по известной формуле:

где — сI- диаметр витка, И — расстояние от центра витка до поверхности металла, /¿о = 4-тг 10"7 Гн/м.

Если в (1) пренебречь величиной к в сравнении с с/, что достаточно реально для практики, т.к. зазор ЭМАПа с поверхностью ОК обычно в несколько раз меньше его апертуры, то становится видно, что индукция, создаваемая витком с током, обратно пропорциональна диаметру витка. Поэтому диаметр зоны действия магнитного поля в ЭМАПе следует выбирать минимальным, исходя только из требуемого размера акустической апертуры преобразователя.

Индукцию 0,6 Тл согласно (1) создаёт ток в 4000 А при диаметре витка 8 мм. Введённый внутрь витка ферромагнитный сердечник позволит достичь такой индукции на своём торце при меньшем токе. Из этого следует, что форма электромагнита в виде броневого сердечника без замыкающей магнитный поток части наиболее подходит для создания нормальных к поверхности ОК магнитных полей под торцом центральной части сердечника (под керном). При такой форме сердечника ферромагнитный материал ОК

О)

будет служить замыкающей частью сердечника. А в случае неферромагнитного материала ОК магнитный поток будет замыкаться между керном и внешней частью сердечника так же, как в воздушном зазоре. Размер керна в сердечнике выбран равным акустической апертуре преобразователя. Площадь сечения периферийной части сердечника, через которую проходит магнитный поток, выбрана равной площади керна.

В качестве материала сердечника выбрана магнитомягкая сталь -сталь 10, у которой индукция насыщения 2,1-2,2 Тл. Она широко распространена и имеет невысокую стоимость, легко подвергается механической и электроэрозионной обработке.

Для оценки выбранной конфигурации подмагничивающей системы необходимо было рассчитать значение тока в установившемся режиме, который создает под керном на поверхности стального и алюминиевого ОК магнитную индукцию не менее 0,6 Тл, распределение магнитной индукции в сердечнике с алюминиевым и со стальным ОК, так же в установившемся режиме.

Расчет был проведен с помощью пакета Сопво1 МиШрЬузюв, который использует метод конечных элементов (МКЭ). Пакет позволил рассчитать распределение магнитной индукции путем численного решения дифференциального уравнения (2) (закон Ампера) с заданными граничными условиями и учесть гистерезис в стали, который был задан таблично.

о^ + УхН-аУхВ=Л (2)

где Л-векторный потенциал электромагнитного поля,

Н - напряженность магнитного поля, а - проводимость, В - индукция магнитого поля, V - скорость движения заряженных частиц, 1е - плотность внешнего тока.

Модель включала в себя броневой сердечник, подмагничивающий индуктор, состоящий из 1-го витка, провод диаметром 1,6 мм. Диаметр провода выбран исходя из соображений минимизации габаритов сердечника.

Зазор между сердечником и ОК из конструктивных соображений выбран 0,4 мм.

Для обеспечения сходимости и точности решения были выбраны следующие максимально допустимые при триангуляции размеры элементов: для воздушной среды 0,3 мм для сердечника 0,1 мм.

Проводимость в сердечнике сделана пренебрежимо малой, что в реальной конструкции может быть реализовано с помощью тонких пропилов, выполненных поперек направлению протекания вихревых токов. Вид модели показан на рис. 1. Модель выполнена осесимметричной, что упростило расчет.

2

Ь В

Рис. 1. Модель подмагничивающей системы. 1 - подмагничивающий индуктор, 2 - сердечник, 3 - ОК.

Установившиеся режимы рассчитывались как стационарные задачи, что требует на порядок меньше вычислительных ресурсов, чем при расчете переходных процессов.

Полученное значение тока, необходимого для создания магнитной индукции на поверхности ОК из алюминия не менее 0,6 Тл, составило 2200 А, а мгновенная мощность около 1 кВт.

Полученное распределение магнитной индукции в сердечнике и в ОК из алюминия и стали в установившемся режиме приведено на рис. 2 и рис. 3.

В случае ОК из алюминия магнитный поток, проходящий через сердечник и ОК, намагничивает керн сердечника близко к насыщению, а в случае стального ОК керн сердечника находится в насыщении.

г, мм

О 2 4 6 8 10 12 Г, ММ

Рис.2. Распределение магнитной индукции в установившемся режиме в сердечнике ОК из алюминия.

г, мм

0 2 А 6 8 10 12 Г. ММ

Рис.3. Распределение магнитной индукции в установившемся режиме в сердечнике ОК из стали 10.

Поэтому увеличение индукции на поверхности ОК за счет увеличения намагниченности сердечника практически не возможно. Увеличение значения индукции возможно только за счет увеличения тока в подмагничивающем индукторе.

Как видно из рис. 2 и рис. 3. по мере приближению к краю керна увеличивается значение касательной компоненты магнитной индукции. Поскольку для толщинометрии выбраны поперечные УЗ волны, то продольные волны, создаваемые касательной компонентой, будут являться паразитными. Для ферромагнитного материала ОК это не является критическим, поскольку эффективность возбуждения продольной волны в ферромагнетиках низкая. Поэтому диаметр сигнального индуктора можно выбрать равным диаметру керна, т.е. 7 мм.

А для неферромагнитных проводящих металлов и сплавов присутствие сигналов от продольных волн может создать возможность ложных показаний прибора, поскольку скорость продольных волн выше поперечных. Поэтому был выполнен расчет соотношения касательной и нормальной компонент силы Лоренца, который показал, что при данной конструкции подмагничивающей системы для сигнального индуктора диаметром 5 мм это соотношение равно 15 дБ для двойного ЭМА преобразования при зазоре 1,4 мм между поверхностью ОК и керном. Что является достаточным для толщинометрии, при сохранении хорошей направленности ЭМАП (акустическая апертура больше чем 5А, где Я -длина волны).

С другой стороны, импульсную магнитную систему можно использовать для создания ЭМАПа продольных волн для неферромагнитных проводящих материалов. Для этого, сигнальный индуктор необходимо располагать в области, где максимальна касательная компонента - 2,5-5,5 мм от оси керна.

Для выбранной конфигурации сердечника подмагничивающей системы окно намотки подмагничивающего индуктора имеет уже предопределенные размеры - квадрат со стороной 2,2 мм. В этих габаритах, возможно намотать индуктор от одного до сотни витков, чем больше витков, тем меньше ток и

тем выше требуется напряжение для создания этого тока. Показано, что постоянная времени катушки в фиксированном окне намотки не зависит от количества витков. Количество витков следует выбирать исходя из удобства проектирования источника питания и кабельной части системы подмагничивания.

Из практических соображений значение напряжения питания для моделирования выбрано равным 13,2 В. Для создания необходимого магнитного поля при этом напряжении питания рассчитано количество витков, которое равно 20. При этом учтено влияние дополнительных сопротивлений: внутреннего сопротивления аккумулятора, сопротивление открытого транзисторного ключа и активного сопротивления проводов и контактов. Суммарное сопротивление, за исключением активного сопротивления индуктора подмагничивания равно 60 мОм. Расчетный максимальный ток в установившемся режиме для выбранной конфигурации индуктора составил 103 А. Далее, используя модель с введенными дополнительными сопротивлениями, был проведен временной анализ динамики формирования магнитного поля.

На рис.4-6 приведены полученные распределения значений нормальной составляющей индукции магнитного поля под керном в разные моменты времени после подачи напряжения на индуктор без ОК (в воздухе) и для ОК из неферромагнитного (алюминий) и ферромагнитного (сталь 10) материалов.

Из сопоставления рис.4 и рис.5 видно, что в присутствии ОК из алюминия нарастание значения нормальной составляющей магнитного поля происходит медленнее. Это объясняется тем, что при нарастании тока в индукторе, происходит изменение магнитного поля. В ответ на это изменение в ОК наводятся вихревые токи. Они направлены так, чтобы противодействовать изменению магнитного поля. Но с течением времени вихревые токи ослабевают и действие их на формирование магнитного поля становится минимальным.

Рис.4. Зависимость нормальной составляющей магнитной индукции от времени после подачи напряжения на индуктор нодмагничивания в воздухе на расстоянии 0.4 мм от керна для 4-х точек: на оси керна, на расстоянии 1,15 мм от оси, 2,3 мм от оси и 3,4 мм от оси.

Рис.5. Зависимость нормальной составляющей магнитной индукции от времени после подачи напряжения на индуктор подмагничивания на поверхности ОК из алюминия, находящегося на расстоянии 0,4 мм от керна для 4-х точек: на оси керна, на расстоянии 1,15 мм от оси, 2,3 мм от оси и 3,4 мм от оси.

После 600 мкс магнитная индукция изменяется слабо (не более 10%) и поэтому после этого значения возможно проведение цикла генерации и приема УЗ сигналов из ОК.

Рис.6 Зависимость нормальной составляющей магнитной индукции от времени после подачи напряжения на индуктор подмагничивания на поверхности ОК из стали 10, находящегося на расстоянии 0,4 мм от керна для 4-х точек: на оси керна, на расстоянии 1,15 мм от оси, 2,3 мм от оси и 3,4 мм от оси.

Как видно из сравнения зависимостей, приведенных на рис.4, рис.5 и рис.6 наибольшая скорость нарастания нормальной составляющей магнитной индукции наблюдается на поверхности ОК из стали 10. Это объясняется тем, что происходит увеличение индукции магнитного поля не только за счет роста тока индуктора и намагничивания сердечника, а так же за счет намагничивания самого материала ОК. Но установившееся значение достигается позднее чем в воздухе, что обусловлено наличием вихревых токов в ОК и магнитной вязкостью материала ОК (отставание намагниченности от внешнего поля). Таким образом, для ОК из стали 10 проведение цикла генерации и приема УЗ сигналов возможно через 300-400 мкс после подачи питания на индуктор подмагничивания.

Как показал расчет, при увеличении зазора время переходного процесса изменяется незначительно. Поэтому максимальное время после включения требуется для алюминия при минимальном зазоре. Это время составляет 600 мкс.

На рис.7 приведен график зависимости тока в подмагничивающем индукторе от времени после подачи на него напряжения без ОК (в воздухе), для ОК из алюминия и для ОК из стали 10 , ОК находится на расстоянии с зазором 0,4 мм.

Рис.7 Зависимость тока в подмагничивающем индукторе от времени после подачи на него напряжения без ОК, для ОК из алюминия, для ОК из стали 10.

Для этих трех случаев выполнен расчет потребляемой от источника энергии на один цикл формирования подмагничивающего поля длительностью 1 мс. Без ОК затраты составили 0,683 Дж, при установке на ОК из алюминия с зазором 0,4 мм - 0,680 Дж, на ОК из стали 10 - 0,663 Дж. На основании полученных данных можно сделать следующие выводы:

• Магнитный поток, проходящий через сердечник и ОК, намагничивает сердечник близко к насыщению в районе керна, поэтому увеличение индукции на поверхности ОК возможно только за счет увеличения тока в подмагничивающем индукторе.

Нормальная компонента магнитной индукции на поверхности ОК из стали более чем в два раза больше чем для ОК из алюминия за счет намагниченности самого ОК.

Сигнальный индуктор для ферромагнитных и немагнитных ОК для выбранной конфигурации импульсного электромагнита имеют различные размеры, для ферромагнетиков внешний диаметр может совпадать с диаметром керна, для неферромагнетиков сигнальный индуктор не должен доходить до края керна на 1 мм. На основе предложенной конструкции подмагничивающей системы для неферромагнитных материалов возможно создание ЭМАП продольных волн.

Мгновенная мощность необходимая для формирования подмагничивающего поля в выбранной конфигурации подмагничивающей системы составляет около 1,0 кВт. Количество витков в подмагничивающем индукторе следует выбирать исходя из удобства проектирования источника питания и кабельной части преобразователя.

При питании системы подмагничивания напрямую от низковольтных аккумуляторов необходимо учитывать значения активных сопротивлений кабельной части, внутреннего сопротивления аккумулятора и ключевого транзистора при расчете переходных процессов.

При выбранной конфигурации системы подмагничивания для ОК из алюминия магнитное поле достигает заданных значений через 600 мкс. При выбранной конфигурации системы подмагничивания для ОК из стали 10 магнитное поле достигает установившегося значения через 300400 мкс после подачи напряжения на индуктор подмагничивания. При выбранной схеме построения ЭМАП энергетические затраты составят 0,683 Дж на один цикл формирования подмагничивающего поля длительностью 1 мс.

В третьей главе изложены результаты экспериментальных исследований процесса работы ЭМАПа совместно с системой импульсного подмагничивания, направленных как на подтверждение корректности результатов теоретических исследований, так и на изучение влияния динамических электромагнитных процессов на формирование полезных сигналов и помех.

Для проведения экспериментальных исследований была разработана и изготовлена установка с использованием макета генератора импульсов возбуждения сигнального индуктора ЭМАП и малошумящего приёмного тракта. В соответсвии с полученными в предыдущей главе результатами был изготовлен макет ЭМАП, который представлял собой броневой сердечник с подмагничивающим индуктором и сигнальным индуктором в виде плоской спирали, расположенным на керне магнитопровода.

Генератор, возбуждающий сигнальный индуктор, формировал короткие импульсы тока прямоугольной формы, которые сигнальный индуктор преобразовывал в акустические импульсы с длительностью по огибающей приблизительно в 300 не и с частотой максимума спектра около 4 МГц. Эффективное значение собственного шума приёмного тракта, приведённое к входу, не превышало 5 мкВ в полосе частот 5 МГц.

Импульсное подмагничивание обеспечивалось за счет подключения индуктора подмагничивания к стационарному источнику питания на заданное время. Импульс тока через индуктор подмагничивания имел экспоненциальный характер. Длительность интервалов нарастания и установившегося значения варьировалась в процессе выполнения экспериментов для определения оптимальных параметров подмагничивающего поля.

Проведённые экспериментальные исследования показали, что для ОК из неферромагнитных материалов характер формирования магнитного поля и его характеристики соответствуют результатам, полученным с помощью теоретических расчётов и моделирования.

Была выполнена сравнительная оценка уровня отраженного эхо-сигнала для случаев импульсного подмагничивания и магнитной системы на основе постоянных магнитов (ЭМАП Е7392). Полученные результаты показали, что при использовании технологии импульсного подмагничивания уровень принятого отраженного эхо-сигнала может существенно (на 10 дБ) превышать значения, достижимые для магнитных систем на основе постоянных магнитов при прочих равных условиях. Это достигается за счет того, что при использовании импульсного подмагничивания сигнальный индуктор имеет в несколько раз меньшую толщину защитного слоя между индуктором и ОК, т.к. не испытывает серьезных механических нагрузок в виде мощного примагничивания к ОК по сравнению с ЭМАП на основе постоянных магнитов.

Исследование влияния динамики магнитного поля для случая ферромагнитного ОК показало, что процесс намагничивания сопровождается шумом Баркгаузена, уровень которого существенно превышает эффективное значение собственного шума приёмного тракта и уровень полезных эхо-сигналов. Дисперсия шума пропорциональна скорости изменения напряжённости подмагничивающего поля. Основной канал воздействия данного шума на сигнальный индуктор - магнитный. Акустический канал воздействия несущественный.

Характерная осциллограмма реализации эхо-сигнала и кривая нарастающего тока подмагничивания приведены на рис.8. Они записаны при расположении макета ЭМАПа на образце из стали 20 толщиной 300 мм.

На приведённом рисунке видно, что с момента подачи на подмагничивающий индуктор напряжения питания возникает шум Баркгаузена, амплитуда которого уменьшается до уровня шума приемного тракта при достижении тока подмагничивания своего установившегося значения.

При установке ЭМАПа на образцы из алюминия и других неферромагнитных материалов на выходе приёмного тракта присутствует

только шум тракта (как правило, обусловленный шумовыми свойствами входного усилителя).

Рис. 8.1 - шум Баркгаузеиа, 2 - зондирующий импульс, 3 - отраженные эхо-сигналы на образце из стали 20 толщиной 300 мм, 4 - кривая зависимости тока подмагничивания от времени (зеленый цвет), масштаб по вертикали для тока 100 А/дел., 5 - сигнал включения импульсного подмагничивания (голубой цвет).

Для устранения влияния шумов Баркгаузена было предложено выполнять зондирование и приём эхо-сигналов в интервал времени при установившемся значении поля подмагничивания, когда эффективные значения шума тракта и шума Баркгаузена сравняются. Тогда результирующий уровень помех возрастёт не более чем на 3 дБ.

Как показали экспериментальные исследования, выполненные на различных образцах ферромагнитных материалов, сформулированное условие выполняется при использовании задержки момента зондирования на 500...600 мке от момента включения поля подмагничивания. Эта особенность контроля ферромагнитных материалов соответственно приводит к увеличению энергозатрат на подмагничивание. Для обеспечения измерений максимальных толщин до 500 мм по стали с помощью поперечных волн, интервал

23

регистрации эхо-сигналов должен составить не менее 320 мкс, а общее время включения подмагничивания должно составлять 820...920 мкс.

Экспериментальная проверка показала, что затраты энергии на один цикл регистрации эхо-сигналов длительностью 320 мкс составляют 0,7 Дж. Это значение является приемлемым и практически реализуемым в малогабаритном приборе с автономным питанием.

На основании выполненных экспериментальных исследований можно сделать следующие выводы:

• При использовании технологии импульсного подмагничивания уровень принятого эхо-сигнала может существенно (на 10 дБ) превышать значения, достижимые для магнитных систем на основе постоянных магнитов при прочих равных условиях. Это достигается за счет того, что при импульсном подмагничивании сигнальный индуктор имеет меньшую толщину защитного слоя, т.к. не испытывает серьезных механических нагрузок в виде мощного примагничивания к ОК по сравнению с ЭМАП на основе постоянных магнитов.

• При контроле ферромагнитных материалов возникает дополнительный помеховый фактор - шум Баркгаузена, регистрируемый на выходе сигнального индуктора ЭМАПа при изменении поля подмагничивания и имеющий магнитный механизм воздействия на индуктор.

• Для устранения влияния шума Баркгаузена необходимо выполнять зондирование и приём эхо-сигналов при установившемся значении поля подмагничивания, что соответствует задержке порядка 500...600 мкс от момента включения поля подмагничивания и близко к значениям времени нарастания поля в немагнитных ОК.

• Для создания магнитной индукции величиной не менее 0,6 Тл в области диаметром 7 мм необходима энергия 0,7 Дж для одного цикла излучения и приёма УЗ эхо-сигналов, длительность которого 320 мкс, что соответствует энергопотреблению не более 14 Вт при частоте измерений до 20 Гц.

В четвертой главе сформулирован перечень задач, которые необходимо было решить для создания малогабаритного ручного ЭМА толщиномера на основе исследований выполненных в предыдущих главах.

В отличии от ЭМА толщиномеров с постоянными магнитами прибор с импульсным подмагничиванием имеет дополнительные блоки: источник питания импульсного подмагничивания и схему формирования импульса тока подмагничивания. Требования к источнику питания: обеспечить ток потребления до 100 А при длительности импульса нагрузки около 1 мс и частоте повторения импульсов не менее 20 Гц.

Известен простой способ обеспечить такой импульсный ток - это использовать накопительный конденсатор большой емкости. Но это решение имеет несколько недостатков. Во первых для импульсного подмагничивания с описанными выше параметрами накопительная емкость должна быть не менее 30 ООО мкФ и иметь низкое внутреннее сопротивление. Установка такой емкости в прибор может увеличить его габариты в 1,5-2 раза, во вторых для зарядки необходим дополнительный источник питания, который так же требует места для размещения и увеличит потребление энергии от аккумуляторных батарей.

Было предложено запитать схему импульсного подмагничивания напрямую от LiFePOi аккумуляторных батарей. Данный тип батарей имеет низкое внутреннее сопротивление и без повреждений может отдавать импульсные токи до 150 А длительностью несколько десятков миллисекунд в температурном диапазоне -30 до +60°С.

Схема формирования импульса тока выполнена в виде ключа на полевом транзисторе с активным сопротивлением. В качестве активного сопротивления используется сумма активного сопротивления индуктора подмагничивания, внутреннего сопротивления аккумулятора, сопротивления открытого канала транзистора и активное сопротивление кабеля преобразователя. Такая схема распределенного активного сопротивления позволила снизить габариты

подводящего кабеля, снизить тепловыделения на подмагничивающем индукторе при сохранении минимальных габаритов ЭМАПа. В итоге размер разработанных ЭМАПов с импульсным подмагничиванием (радиальной и линейной поляризациями) составляет: диаметр 15 мм, высота 20 мм. Данный размер сопоставим с размерами обычных контактных преобразователей, что является актуальным для практического применения. Преобразователь подключается к прибору при помощи многоконтактного разъема. Изображение преобразователя приведено на рис.9.

Рис. 9. ЭМАП с радиальной поляризацией и импульсным подмагничиванием со снятым протектором

На рис.10 приведена функциональная схема прибора.

Прибор состоит из следующих блоков: сигнальный индуктор (1), индуктор подмагничивающей системы (2), сердечник подмагничивающей системы (3), генератор зондирующего импульса (4), генератор импульсного подмагничивающего поля (5), входной ограничитель (6), входной усилитель (7), регулируемый усилитель (8), аналого-цифровой преобразователь (9), блок управления и обработки сигналов (10), аккумулятор (11), блок питания (12).

Приведено описание режимов работы и использованных алгоритмов, обеспечивающих решение поставленной задачи.

Для экономии заряда встроенного аккумулятора импульсное подмагничивание включается в момент, когда ЭМАП устанавливается на ОК.

Принцип обнаружения установки ЭМАПа на ОК аналогичен принципу однокатушечного импульсного металлоискателя. Поэтому в прибор введен дополнительный канал, который обеспечивает необходимое усиление и обработку принятого сигнала для обнаружения факта установки ЭМАП на ОК. Для упрощения на функциональной схеме этот канал не показан.

Рис.10. Функциональная схема ручного малогабаритного ЭМА толщиномера с импульсным подмагничиванием А1270РМ

В приборе для автоматического измерения толщины используются комбинация двух алгоритмов: на основе автокорреляционной функции и по превышению порога (Патент РФ на изобретение № 2231753).

К метрологическому обеспечению толщиномера относятся методика поверки как первичная, так и периодическая, а так же повседневная проверка работоспособности. Поверка проводится с помощью аттестованных наборов стандартных образцов эквивалентной ультразвуковой толщины КУСЮТ-180 или КМТ-176М-1. Для повседневной проверки используется встроенный в корпус плоскопараллельный образец.

Основные технические характеристики разработанного на основе данной работы толщиномера А1270РМ, использующего ЭМАП с импульсным подмагничиванием, приведены в табл. 1.

Наименование параметра Значение

1 Диапазон измеряемых толщин (по стали), мм 0,7...500

2 Предел допускаемой основной абсолютной погрешности, мм ±(0,1)

3 Минимальный радиус кривизны контролируемой поверхности, не менее, мм 30

4 Величина зазора или толщины непроводящего покрытия, не более, мм 2

5 Максимальная шероховатость поверхности, Иг 160

6 Габаритные размеры, не более, мм 190x100x70

7 Масса с аккумуляторами, не более, кг 1,5

8 Диапазон рабочих температур, °С -20...+45

9 Тип преобразователя Совмещенный

10 Тип используемых УЗ волн поперечные с линейной или радиальной поляризацией

11 Время непрерывной работы, ч 10

Основной отличительной особенностью ЭМА толщиномера является отсутствие эффекта сильного притяжения к ферромагнитным материалам и устойчивая работа на этих материалах при наличии окалины, а так же возможность ручного сканирования без подготовки поверхности и без использования дополнительных приспособлений.

Толщиномер может найти свое применение в нефтяной и газовой промышленности, трубопроводном транспорте, химической промышленности, пищевой промышленности, в судостроении, судоремонте, тепловой и атомной энергетике, на трубопрокатных заводах, на машиностроительных и транспортных предприятиях, в коммунальном хозяйстве.

На основании выполненной разработки можно сделать следующие

выводы:

• Наиболее энергетически выгодной и рациональной схемой питания индуктора импульсного электромагнита является схема прямого подключения индуктора к низковольтному источнику постоянного напряжения (порядка 12 В) на заданное время.

• Разработаны малогабаритные ЭМАПы с импульсным подмагничиванием, имеющие радиальную и линейную поляризацию. Габариты преобразователей имеют размеры сопоставимые с размерами обычных контактных УЗ пьезопреобразователей.

• Разработан ЭМА толщиномер с импульсным подмагничиванием, который обеспечивает более высокие метрологические и эксплуатационные характеристики по сравнению с ранее выпускавшемся вариантом толщиномера с ЭМАПами на постоянных магнитах.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработана математическая модель для исследования динамики магнитного поля в системе импульсного подмагничивания и с помощью нее проведены теоретические исследования, обеспечившие определение основных параметров системы подмагничивания.

2. Экспериментально исследованы характеристики помех в приемном тракте толщиномера, обусловленных шумами Баркгаузена, разработаны меры по снижению их влияния на результаты контроля.

3. Проведенные исследования показали:

3.1. При конфигурации магнитной системы в виде разомкнутого броневого сердечника для формирования требуемой величины магнитной индукции величиной не менее 0,6 Тл в области диаметром 7 мм (акустическая апертура ЭМАПа) необходима энергия 0,7 Дж для одного цикла излучения и приёма УЗ эхо-сигналов, длительность которого 320 мкс. Данный факт позволяет сделать вывод о возможности реализации технологии

импульсного подмагничивания в ручном УЗ толщиномере, которая при частоте измерений до 20 Гц потребует энергопотребления не более 14 Вт.

3.2. Сигнальный индуктор для ферромагнитных и неферромагнитных ОК для выбранной конфигурации импульсного электромагнита имеют различные размеры, для ферромагнетиков внешний диаметр может совпадать с диаметром керна, для неферромагнетиков сигнальный индуктор не должен доходить до края керна на 1 мм.

3.3. При контроле ферромагнитных материалов возникает дополнительный к известным помеховый фактор - шум Баркгаузена, регистрируемый на выходе сигнального индуктора ЭМАПа при изменении поля подмагничивания. Для устранения влияния данного фактора зондирование и приём эхо-сигналов необходимо выполнять в интервале времени при почти установившемся значении поля подмагничивания, что соответствует задержке порядка 400... 600 мкс от момента включения поля подмагничивания.

4. На основе полученных в данной работе результатов разработаны малогабаритные ЭМАПы с импульсным подмагничиванием, которые имеет габариты сопоставимые с габаритами обычных пьезопреобразователей.

5. Впервые разработан и подготовлен к производству малогабаритный ручной ЭМА толщиномер А1270РМ с импульсным подмагничиванием, обеспечивающий реализацию УЗ эхо-импульсного метода без применения контактных жидкостей и не имеющий эффекта сильного притяжения преобразователя к ферромагнитным ОК.

6. Толщиномер позволяет проводить ручное сканирование по поверхности ОК с целью поиска мест утонений без подготовки поверхности и без использования дополнительных приспособлений для ЭМАП, что существенно повышает производительность контроля.

7. Толщиномер обеспечивает более высокие метрологические характеристики по сравнению с ранее выпускавшемся вариантом толщиномера А1270 с ЭМАПами на постоянных магнитах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В РАБОТАХ:

1. Самокрутов A.A., Шевалдыкин В.Г., Козлов В.Н., Алехин С.Г.,Мелешко И.А., Пастушков П. С. «А1207 - ультразвуковой толщиномер нового поколения» В мире неразрушающего контроля. 2001 г. № 2. С. 23 - 24.

2. Самокрутов A.A., Алехин С.Г., Мелешко И. А., Пастушков П. С., Редин В. Ф. «Новые УЗ приборы для контроля и диагностики металлических и неметаллических труб» 3-я Международная конференция "Диагностика трубопроводов" (Москва, 21-26 марта 2001 г.): Тезисы докладов. С. 152.

3. Самокрутов A.A., Козлов В.Н., Алехин С.Г., Мелешко И. А., Пастушков П. С. «Миниатюрный ультразвуковой толщиномер А1207». 3-я Международная конференция "Диагностика трубопроводов" (Москва, 2126 марта 2001 г.): Тезисы докладов. С. 155.

4. Шевалдыкин В.Г., Бобров В.Т., Козлов В.Н., Алехин С.Г., Жуков А. В. «Применение ЭМА толщиномера А1270 для контроля проката из алюминиевых сплавов» В мире неразрушающего контроля. 2002. № 4. С. 24 - 27.

5. Самокрутов A.A., Шевалдыкин В.Г., Бобров В.Т., Козлов В.Н., Алехин С.Г., Жуков А. В. «ЭМА толщиномер для авиакосмической промышленности» XVI Российская научно-техническая конференция "Неразрушающий контроль и диагностика" (Санкт-Петербург, 9-12 сентября 2002 г.): Доклад 4.5.38.

6. Самокрутов A.A., Шевалдыкин В.Г., Козлов В.Н., Алехин С.Г.,Мелешко И. А., Пастушков П. С. Ультразвуковой толщиномер (два варианта) Патент РФ на промышленный образец №51469 - Гос. реестр пром. образцов РФ. 16.11.2002.

7. Самокрутов A.A., Шевалдыкин В.Г., Бобров В.Т., Козлов В.Н., Алехин С.Г., Жуков А. В. «Акустические методы и средства диагностики напряженно-деформированного состояния узлов двигателей»

XXVIII Международное научно-техническое совещание по проблемам прочности двигателей, 26-28 ноября 2002 г. Тезисы докладов. М.: 2002 г. С. 3-4.

8. Самокрутов A.A., Шевалдыкин В.Г., Козлов В.Н., Алехин С.Г., Жуков A.B., Пастушков П.С. «А1208 - простой и сложный ультразвуковой толщиномер» В мире неразрушающего контроля. 2003. № 2 (20). С. 38 -42.

9. Самокрутов A.A., Шевалдыкин В.Г., Бобров В.Т., Козлов В.Н., Алехин С.Г., Жуков А. В. «Исследование анизотропии проката и её влияния на результаты акустических измерений» Контроль. Диагностика. 2003. № 11. С. 6-19.

10. Самокрутов A.A., Шевалдыкин В.Г., Бобров В.Т., Козлов В.Н., Алехин С.Г., Люткевич A.M., Пастушков П.С. «Неразрушающий контроль металла в процессе производства и эксплуатации ответственных конструкций» Металл. Оборудование. Инструмент. (МЕТ). Январь-февраль 2004, № 2. С. 40-45.

П.Бобров В.Т., Ивченко В.В., Алехин С.Г. «Промышленный контроль толщины стенки деталей обшивки корпуса ракеты «ПРОТОН» 3-я Международная выставка и конференция «Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности». 17 - 18 марта 2004. Программа конференции и тезисы докладов. М:, ЦМТ. С. 245, док. 3.18.

12. V.G. Shevaldykin, V.T. Bobrov, S.G. Alekhin «ЕМАТ transformation in pulsed magnetic field and its use in portable instruments for acoustic measurements» 16th World Conference on Nondestructive Testing. Montréal, Canada. August 30 - September 3, 2004. Book of Abstracts. TS3.24.3. P. 88.

13. Самокрутов A.A., Шевалдыкин В.Г., Бобров B.T., Козлов В.Н., Алехин С.Г. «Акустические методы и средства исследования напряженно-деформированного состояния металла конструкций и сооружений»

В мире неразрушающего контроля. 2005 № 1 (27). С. 22-24,26.

14. Самокрутов A.A., Шевалдыкин В.Г., Бобров В.Т., Козлов В.Н., Алехин С.Г. «Сопоставление способов ультразвукового контроля толщины с использованием продольных и сдвиговых волн»

17-я Российская научно-техническая конференция с международным участием «Неразрушающий контроль и диагностика» 5-11 сентября 2005. Екатеринбург. Тезисы докладов, с. 128.,

15. Самокрутов A.A., Алехин С.Г., Батырев В.П., Сергеев В.А. «Измерение толщины стенки алюминиевых бурильных труб в процессе производства с применением ЭМА толщиномера А1270» 17-я Российская научно-техническая конференция с международным участием «Неразрушающий контроль и диагностика» 5-11 сентября 2005. Екатеринбург. Тезисы докладов, С. 134.

16. A.A. Samokrutov, V.G. Shevaldykin, V.T. Bobrov, S.G. Alekhin «Features and Perspectives of Electro Magnetic Acoustic Transducers use for Metal Objects Testing»

EC NDT, Berlin 2006. September 25-29, 2006. Abstracts. Part 2, 9th European Conference on NDT. Poster 202.

17. Самокрутов A.A., Шевалдыкин В.Г., Козлов B.H., Бобров В.Т., Алехин С.Г., Ивченко В.В., Сергеев В.А. «Толщинометрия изделий со сложным профилем»

7-я Международная выставка и конференция «Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности». 11-13 марта 2008. Москва, CK «Олимпийский». Тезисы докладов. М.: Машиностроение, 2008. С. 151 -153. Док. С.54.

18. Самокрутов A.A., Шевалдыкин В.Г., Козлов В.Н., Бобров В.Т., Алехин С.Г. «ЭМА преобразователи для ультразвуковых измерений»

В мире неразрушающего контроля. 2008 № 2 (40). С. 22 - 25.

19. Самокрутов A.A., Шевалдыкин В.Г., Козлов В.Н., Бобров В.Т., Алехин С.Г. «Электромагнитно-акустический преобразователь»

Патент РФ на изобретение №2334981 Бюл., изобр., 2008, №27.

20. Самокрутов A.A., Шевалдыкин В.Г., Сергеев K.JL, Бобров В.Т., Алехин С.Г. «Электромагнитно-акустический преобразователь»

Патент РФ на изобретение №2343475 Бюл., изобр., 2009, №1

21. Самокрутов A.A., Шевалдыкин В.Г., Сергеев К.Л., Бобров В.Т., Козлов В.Н., Алехин С.Г. «Магнитная система электромагнитно-акустического преобразователя»

Патент РФ на изобретение №2350943 Бюл., изобр., 2009, №9

22. A.A. Samokrutov, V.G. Shevaldykin, V.T. Bobrov, S.G. Alekhin, Ivchenko V.V. «EMA Testing of "PROTON" Rocket Hull Thickness»

10th European Conference on Non-Destructive Testing. Moscow 2010. June 7 -11. Abstracts. Part 2. P. 50. 1.10.29.

23. С.Г. Алехин, A.A. Самокрутов, B.T. Бобров, C.B. Бобров, К.Л. Сергеев. «Моделирование магнитных систем ЭМА преобразователей для возбуждения ультразвуковых волн.

Закрытое акционерное общество

НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ИНТРОСКОПИИ

ТОЛЩИНОМЕТРИЯ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ НА ОСНОВЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНО-АКУСТИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ В ИМПУЛЬСНОМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ

Специальность 05.11.13 - «Приборы и методы контроля природной среды,

веществ, материалов и изделий»

МНПО «СПЕКТР»

На правах рукописи

Алехин Сергей Геннадиевич

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель

доктор технических наук Самокрутов А. А.

Москва -2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ....................................................................................4

1. ГЛАВА 1. Анализ методов и средств ЭМА толщинометрии...............10

1.1. Особенности толщинометрии на основе ЭМА преобразования.........10

1.2. История исследования ЭМА преобразования и создания толщинометрической аппаратуры на его основе..............................11

1.3. Механизмы ЭМА преобразования..............................................14

1.4. Конструкции ЭМА преобразователей.........................................17

1.5. Способы измерения временных интервалов, используемые в эхо-импульсной толщинометрии.....................................................21

1.6. Способы повышения соотношения сигнал-шум, используемые в эхо-импульсной толщинометрии.....................................................23

1.7. Обзор выпускаемых ручных ЭМА толщиномеров.........................25

2. ГЛАВА 2. Определение конфигурации импульсного электромагнита и исследования ЭМА преобразования в импульсном магнитном

поле.........................................................................................35

2.1. Выбор конфигурации импульсного электромагнита......................35

2.2. Расчет распределения магнитного поля импульсного электромагнита......................................................................37

2.3. Определение размера сигнального индуктора..............................42

2.4. Исследование динамики формирования магнитного поля в ОК.........45

2.5. Исследование влияния зазора на конфигурацию и динамику магнитного поля......................................................................50

3. ГЛАВА 3. Экспериментальные исследования ЭМА преобразования в

импульсном магнитном поле.......................................................55

3.1. Проверка результатов, полученных в теоретической части..............55

3.2. Исследование особенностей шумов Баркгаузена...........................70

3.3. Исследование соотношений уровней эхо-сигналов для ЭМАП с импульсным подмагничиванием и с магнитной системой на основе постоянных магнитов...............................................................72

4. ГЛАВА 4. Разработка ЭМА толщиномера с импульсным подмагничиванием.....................................................................75

4.1. Требования к узлам и блокам толщиномера..................................75

4.2. Аппаратная реализация...........................................................76

4.3. Алгоритмы обработки сигналов.................................................82

4.4. Метрологическое обеспечение..................................................83

4.5. Основные характеристики толщиномера А1270РМ.........................83

4.6. Режимы работы толщиномера А1270РМ......................................84

5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ.........................................................................88

6. ЛИТЕРАТУРА..........................................................................89

7. ПРИЛОЖЕНИЕ.........................................................................95

ВВЕДЕНИЕ.

Актуальность темы

Решение проблемы обеспечения безопасности промышленных объектов неразрывно связано с технической диагностикой и неразрушающим контролем, одним из направлений которого является толщинометрия металлоконструкций при наличии одностороннего доступа. Эта задача решается на множестве технических объектов, как в процессе производства, так и при эксплуатации с использованием ультразвуковых (УЗ) толщиномеров ручного контроля.

В настоящее время основным методом УЗ толщинометрии является эхо-импульсный метод, на основе которого работают практически все УЗ толщиномеры, как ручного контроля [26, 27, 28, 31], так и автоматизированные установки. Необходимым элементом большинства УЗ приборов являются пьезоэлектрические преобразователи, работающие только при наличии контактной жидкости, обеспечивающей акустическую связь между преобразователем и объектом контроля (ОК). И эта особенность УЗ метода во многом ограничивает его применимость, снижает производительность контроля, а так же ухудшает достоверность и воспроизводимость результатов измерений.

С середины 60-х годов началось развитие технологии возбуждения и приема УЗ колебаний, позволяющей работать без использования контактной жидкости и основанной на эффекте электромагнитно-акустического (ЭМА) преобразования. В настоящее время несколькими компаниями выпускаются УЗ толщиномеры, работающие с ЭМА преобразователями (ЭМАП), которые не требуют при контроле применения контактной жидкости.

Отличительной особенностью этих приборов является использование в ЭМАП мощных постоянных магнитов. Этот фактор усложняет их практическое применение при ручном УЗ контроле, так как эффект притяжения преобразователя к ферромагнитным материалам затрудняет

процедуру сканирования, приводит к частому повреждению ЭМАП и выходу их из строя, создает травмоопасность для персонала.

Известно техническое решение, позволяющее исключить из конструкции ЭМАП мощные постоянные магниты путём замены их на импульсные электромагниты. Эта технология используется, как правило, для производственного контроля в стационарных установках. Её применение в приборах ручного контроля ограничивалось высокими требованиями по энергопотреблению и сложностью реализации в малогабаритном исполнении.

В настоящее время появление новых конструкционных материалов, развитие электронной элементной базы и химических источников питания сформировало предпосылки для реализации технологии импульсного подмагничивания в малогабаритных ручных ЭМА толщиномерах. Создание и внедрение подобных приборов позволит устранить вышеперечисленные недостатки и расширить область применения УЗ ЭМА толщиномеров, повысив их производительность, достоверность, точность и эффективность. Поэтому разработка малогабаритного ручного УЗ толщиномера на основе ЭМА технологии с импульсным подмагничиванием представляет значительный интерес и является актуальной задачей.

Цели и задачи работы

Целью данной работы является разработка и практическое внедрение УЗ толщиномера для ручного контроля на основе ЭМАП с импульсным подмагничиванием, соответствующего по своим метрологическим, массогабаритным и эксплуатационным характеристикам типовым УЗ толщиномерам, и свободного от основного недостатка УЗ ЭМА толщиномеров - эффекта сильного притяжения к ферромагнитным ОК.

Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие задачи:

1. Разработать математическую модель импульсного электромагнита, формирующего подмагничивающее поле для ЭМАП, исследовать поведение

поля подмагничивания в импульсном режиме и на этой основе разработать конструкцию импульсного электромагнита.

2. Выполнить экспериментальные исследования с целью подтверждения корректности разработанной математической модели и определения особенностей и параметров помех, связанных с импульсным характером поля подмагничивания.

3. Теоретически и экспериментально оптимизировать режимы работы ЭМАП с импульсным электромагнитом и определить энергетические затраты на создание поля подмагничивания.

4. Разработать систему питания и формирования импульсов тока подмагничивания для импульсного электромагнита с учётом малогабаритного варианта исполнения, применимого для использования в УЗ толщиномерах ручного контроля.

5. На основе полученных результатов разработать ЭМА толщиномер с импульсным подмагничиванием и исследовать его основные эксплуатационные и технические характеристики при контроле изделий из различных металлов и сплавов.

Методы исследования

При выполнении работы использовались теоретические и экспериментальные методы исследования. Теоретические исследования выполнялись на основе теории электромагнитного поля, теории радиотехнических цепей и сигналов, метода эквивалентных схем. В экспериментальных исследованиях использовались макетирование и натурный эксперимент. Для измерений, выполненных в процессе экспериментов, использовалась поверенная аппаратура и метрологически аттестованные стандартные образцы.

Научная новизна

1. Разработана математическая модель, которая позволила оптимизировать предложенную конфигурацию импульсного электромагнита и исследовать

динамику магнитного поля. Модель позволила определить алгоритм расчета импульсного электромагнита и переходных процессов.

2. Теоретически установлена зависимость плотности вихревых токов от взаимного направления токов в подмагничивающем и сигнальном индукторах. Показано, что значение плотности вихревого тока при согласном и встречном включении отличаются до 40%, что повышает соотношение сигнал/шум при согласном включении.

3. Для предложенной конфигурации импульсного электромагнита установлены диапазоны времени задержки, в результате устранено влияние шума Баркгаузена на прием акустических эхо-сигналов из объекта контроля.

4. В результате экспериментальных исследований установлено, что амплитуда отраженного эхо-сигнала зависит от взаимного направления токов в подмагничивающем и сигнальном индукторах, что позволило повысить уровень отраженного эхо-сигнала до 30%.

Практическая ценность работы

Полученные в работе научные результаты легли в основу следующих разработок, имеющих существенную практическую и прикладную значимость:

1. На базе предложенной и оптимизированной конструкции импульсного электромагнита, разработаны два типа УЗ ЭМАП поперечных волн - с радиальной и линейной поляризацией.

2. Разработана система питания импульсного электромагнита для ручного УЗ ЭМА толщиномера с использованием литий-феррум-полимерных аккумуляторов и сильноточных ключей с малым внутренним сопротивлением, что обеспечило возможность формирования импульсов тока величиной до 150 А в индукторе подмагничивания.

3. Разработан малогабаритный УЗ ЭМА толщиномер с импульсным подмагничиванием А1270РМ, проведены его испытания и подготовлен выпуск.

Защищаемые положения

На защиту выносится:

1. Математическая модель импульсного электромагнита.

2. Результаты исследования динамики магнитного поля.

3. Результаты оптимизации параметров импульсного электромагнита.

4. Разработанная схема питания импульсного электромагнита.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения.

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована ее цель, основные задачи, практическая значимость, научная новизна и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен анализ методов и средств ЭМА толщинометрии. Рассмотрен круг задач, решаемых с помощью ЭМА толщиномеров, описаны условия их применения и приведены основные виды металлов и их сплавов, контролируемых ЭМА толщиномерами. Сделан обзор работ по ЭМА толщинометрии и анализ характеристик используемых в настоящее время ЭМА толщиномеров.

Во второй главе описаны результаты теоретических исследований импульсного электромагнита броневой формы, позволившие рассчитать распределения индукции магнитного поля вблизи керна электромагнита в разные моменты времени после включения тока через электромагнит и определить требуемые величины токов и интервалов их действия для неферромагнитных и ферромагнитных материалов, замыкающих магнитную цепь электромагнита. Исследования проводились путем математического моделирования с использованием метода конечных элементов (МКЭ).

В третьей главе описаны результаты экспериментальных исследований акустического тракта УЗ толщиномера, построенного с применением ЭМАП с импульсным подмагничиванием. Определены реальные характеристики

сигналов и помех. Проведена оценка энергозатрат, необходимых для работы импульсного подмагничивания.

В четвертой главе описана структурная схема и основные технические решения малогабаритного ручного УЗ ЭМА толщиномера с импульсным подмагничиванием А1270РМ, разработанного на базе результатов, выполненных в работе исследований. Приведены основные технические характеристики и результаты метрологических испытаний прибора. Описаны основные отличительные особенности толщиномера нового типа.

В заключении приведены основные результаты работы.

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 23 печатные работы: 8 статей в журналах, включая 2 из списка ВАК, 11 докладов на конференциях (в том числе 8 международных), получено 3 патента РФ на изобретения и 1 патент РФ на полезную модель.

ГЛАВА 1. Анализ методов и средств ЭМА толщинометрии.

1.1. Особенности толщинометрии на основе ЭМА преобразования.

При контроле изделий в процессе эксплуатации, например в химической

промышленности, на предприятиях энергетики и в нефтегазовой промышленности, морском и речном транспорте, необходимо измерить толщину стенки резервуаров, котлов, различных труб, корпусов судов и т.д., подвергающихся воздействию различных неблагоприятных факторов, включая высокие температуры и давления, химически агрессивные компоненты, влагу и низкие температуры. В этом случае, как правило, требуется выявить утонение стенки, вызванное неблагоприятными факторами. Для этих измерений, как правило, достаточна погрешность измерений ±0,1 мм. Поверхность, с которой осуществляется контроль, может быть коррозионно-поврежденной или покрыта защитными покрытиями. Использование ЭМА толщиномеров позволяет не проводить трудоемкую зачистку поверхности и отказаться от повреждения защитного покрытия. Особенно это востребовано для объектов, которые продолжают работать в процессе контроля.

К основным видам материалов, контролируемых ЭМА толщиномерами относятся следующие:

• различные марки сталей

• легкие сплавы

• цветные металлы

В некоторых типах нержавеющих сталей, имеющих низкую проводимость, ЭМА преобразование имеет очень низкую эффективность и поэтому контроль изделий из подобных материалов затруднен.

Возбуждающее электромагнитное поле действует не на самой поверхности ОК, а в некотором поверхностном слое, толщина которого зависит от материала ОК и частоты колебаний. Это явление скин-эффекта. Скорость распространения электромагнитных волн значительно больше, чем ультразвуковых. В связи с этим возникает эффект уменьшения времени пробега импульса в ОК. Фронт УЗ импульса растягивается. Если не принять меры по компенсации рассмотренной погрешности, то при контроле изделий

10

из нержавеющей стали толщиной 10 мм погрешность может достигать 19% на поперечных и 11% на продольных волнах, если выполнять измерение на уровне 6 дБ от максимума эхосигнала. В материалах с хорошей электропроводностью погрешность уменьшается соответственно до 0,55 и 0,27% [15].

В связи с тем, что анизотропия проката проявляется в различных значениях скорости распространения сдвиговых УЗ волн в направлении вектора смещений в волне, то это может вызвать дополнительную погрешность при измерении толщины при помощи ЭМАП, использующих сдвиговые волны [23, 30, 32, 33, 34]. В работе [32] были исследованы образцы проката в диапазоне толщин 0,3 - 50,0 мм из сплавов алюминия, латуни, титана, углеродистой и коррозионно-стойкой стали. Разность в значении скорости сдвиговой волны вдоль направления прокатки для образцов из сплава алюминия составила 2,6%, сплава М1 - 3,8%, сплава ЛС 62 - 3,5%, стали 12Х18Н10Т - 3,1%, сплав ВТ1 - 4,1%. Поэтому в [32] рекомендуется для измерения толщины материалов с высокой степенью анизотропии использовать ЭМАП с радиальной поляризацией. Если направление прокатки заранее известно, то возможно использовать ЭМАП с линейной поляризацией, для этого необходимо ориентировать преобразователь с линейной поляризацией вдоль или поперек направления прокатки. Для неферромагнитных проводящих материалов лучше использовать ЭМАП продольной волны, поскольку продольная волна менее чувствительна к анизотропии.

1.2. История исследования ЭМА преобразования и создания толщинометрической аппаратуры на его основе.

История использования ЭМА преобразования насчитывает уже более

80 лет. Приоритет в этом направлении принадлежит советским (ныне принято говорить российским) ученым. Впервые, в 1933 году Б. Остроумовым и Л. Полотовским ЭМА метод был использован для возбуждения свободных упругих колебаний в металлических стержнях, в 1939 году Р. Рэндалом - для контроля величины зерна [8]. После этого многими исследователями в нашей

стране и за рубежом ЭМА метод использовался в экспериментальных целях. За последние 50 лет в нашей стране теоретические исследования были проведены Конторовичем В.М. и сотрудниками, Кагановым М.И., Шкарлетом Ю.М., Шубаевым С.Н., Харитоновым A.B., Ильиным И.В., Буденковым Г.А., Гуревичем С.Ю., Комаровым В.А., Мужицким В.Ф. и другими [8]. Шкарлет Ю.М разр�