автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Вихретоковый контроль качества сверхпроводящей проволоки

На правах рукописи

Куценко Денис Олегович

ВИХРЕТОКОВЫЙ КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА СВЕРХПРОВОДЯЩЕЙ ПРОВОЛОКИ

Специальность 05.11.13. - Приборы и методы контроля

природной среды, веществ, материалов и изделий.

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005062228

Москва - 2013 г.

005062228

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования

«Московский государственный университет приборостроения и информатики» (МГУПИ)

Научный руководитель Шкатов Петр Николаевич

доктор технических наук, профессор, директор НУЦ «КАСКАД» МГУПИ

Официальные оппоненты Покровский Алексей Дмитриевич

доктор технических наук, профессор кафедры «Электротехника и интроскопия» МЭИ (технический университет)

Ватковский Николай Николаевич кандидат технических наук, Президент ОАО «РОСЭК»

Ведущая организация: ЗАО «НИИИН МНПО "СПЕКТР"»

Защита состоится 28 июня 2013 года в 14ш часов на заседании диссертационного совета Д212.119.01 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет приборостроения и информатики» (МГУПИ) по адресу: 107996, г. Москва, ул. Стромынка, д. 20.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Московский государственный университет приборостроения и информатики».

Сведения о защите и автореферат диссертации размещены на официальных сайтах ВАК Министерства образования и науки РФ http://www.vak.ed.gov.ru и Государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный университет приборостроения и информатики» (МГУПИ) http://www.mgupi.ru.

Автореферат разослан "27" мая 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д212.119.01 д.т.н., профессор

В.В.Филинов

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

1.1. Актуальность.

В Интернациональном термоядерном экспериментальном реакторе (ИТЭР) обмотки катушек, создающих тороидальное магнитное поле, выполняются из низкотемпературных сверхпроводников на основе соединения NbîSn российского производства. В связи с жесткими требованиями к качеству стоит задача 100% неразрушающего контроля сверхпроводников в процессе их производства. В соответствии с действующим планом обеспечения качества (Quality Assurance Plan as foreseen for the whole of the LHC Project) необходимо контролировать отношение "медь/не медь" в сверхпроводнике и обеспечить выявление дефектов типа пор и включений. Из-за особенностей российской технологии внешний диаметр проводника остается неизменным и составляет, в зависимости от модификации, величину порядка 0,8... 1,2 мм. В связи с этим, повышение объемной доли стабилизирующей меди приводит к уменьшению размера сверхпроводящей сердцевины. С другой стороны, уменьшение доли стабилизирующей меди приводит к недопустимому перегреву при защитном выводе тока через медную оболочку. Следовательно, имеется оптимум отношения объемных долей медной и не медной составляющих сверхпроводящего провода. В соответствии с существующими требованиями величина отношения кщ—'медь/не медь" должна лежать в пределах 1,0±0,1. В настоящее время объем поставок сверхпроводящей проволоки российской стороной измеряется сотнями километров. Таким образом, задача вихретокового контроля сверхпроводящего провода в процессе эксплуатации весьма актуальна.

1.2. Состояние проблемы.

В настоящее время вихретоковым методом проводится дефектоскопия сверхпроводящего провода с применением проходных вихретоковых преобразователей, однако не существует вихре-токовой аппаратуры, обеспечивающей измерение отношения "медь/не медь" с приемлемой погрешностью в процессе производства. Это приводит к необходимости выборочного контроля отношения "медь/не медь" электрическим методом путем измерения электрического сопротивления провода по схеме двойного моста на участке заданной длины.

1.3. Цель работы и задачи исследования.

Цель данной работы — повышение информативности и производительности вихретокового контроля качества сверхпроводящего проводника на основе соединения NbaSn путем одновременного измерения отношения "медь/не медь" и дефектоскопии в процессе производства. Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

• разработать математическую модель, для определения взаимосвязи между выходными сигналами вихретокового преобразователя (Bill) и отношением "медь/не медь" сверхпроводящего проводника на основе соединения Nb3Sn , а также характерных дефектов в нем;

• разработать конструкцию ВТП, позволяющего одновременно измерять отношение "медь/не медь" и выявлять опасные дефекты;

• провести анализ выходных характеристик ВТП при его взаимодействии с контролируемым объектом и на его основе выбрать рациональные размеры ВТП, режим его работы и информативные параметры сигналов;

• обеспечить необходимую стабильность измерений в течение изготовления бухты сверхпроводящей проволоки;

• разработать, изготовить и испытать вихретоковое устройство для одновременного измерения отношения "медь/не медь" и выявления опасных дефектов в процессе производства сверхпроводниковой проволоки;

• разработать программное обеспечение для обработки сигналов, накопления и представления информации по результатам контроля;

• разработать метрологическое обеспечение вихретокового устройства для контроля качества сверхпроводящей проволоки на основе соединения Nb3Sn.

1.4. Методы исследования:

Для теоретических исследований применялось математическое моделирование на основе метода конечных элементов. Экспериментальные исследования проводились с помощью компьютеризированной вихретоковой системы «КОМВИС JIM».

1.5. Научная иовизна работы заключается в следующем:

• разработана математическая модель для определения взаимосвязи между выходными сигналами проходного ВТП и отношением "медь/не медь" сверхпроводящего проводника на основе соединения Nb3Sn, а также параметрами характерных дефектов в нем;

• разработана конструкция проходного ВТП, позволяющего одновременно измерять отношение "медь/не медь" и выявлять опасные дефекты, и состоящего из намотанных бифилярно соленоидальных возбуждающей катушки и измерительной катушки абсолютного канала (измеряющего отношение "медь/не медь"), а также идентичных дифференциально включенных измерительных катушек дефектоскопического канала;

• на основе анализа выходных характеристик ВТП при его взаимодействии с контролируемым объектом установлено:

о для измерения отношения "медь/не медь", так и для выявления дефектов целесообразно выбрать рабочую частоту f = 60 кГц;

о для ВТП целесообразно выбрать коэффициент заполнения г| в диапазоне Т) = 0,35...0,4;

о расстояние между центрами измерительных катушек дефектоскопического канала целесообразно выбирать равным их эквивалентному диаметру;

1.6. Практическая ценность работы заключается в том, что:

• разработана технология изготовления ВТП и конструкция пассивного компенсатора, обеспечивающие необходимую стабильность измерений в течение производства бухты сверхпроводящей проволоки;

• разработано, изготовлено и испытано вихретоковое устройство «БОЗОН» для одновременного измерения отношения "медь/не медь" и выявления опасных дефектов в процессе производства сверхпроводниковой проволоки;

• разработано программное обеспечение для обработки сигналов, накопления и представления информации по результатам контроля;

• разработано метрологическое обеспечение вихретокового устройства для контроля качества сверхпроводящей проволоки на основе соединения Nb3Sn.

1.7. Реализация п внедрение результатов работы:

На основании выполненных исследований разработано и внедрено на предприятии ОАО «ВНИИНМ» вихретоковой устройство «БОЗОН» для контроля качества сверхпроводящей проволоки в процессе ее производства

1.8. Апробация работы.

Основные результаты работы доложены и обсуждены на XXI Международном научно-техническом семинаре «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации», г. Алушта, 2012 г , XV Международной конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения и информатики», г. Лорнака, 2012 г., 2-ой Международной научной конференции «Фундаментальные исследования и инновационные технологии в машиностроении», г. Москва, 2012 г.

1.9. Публикации.

По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, из них 2 - в журналах из перечня ВАК ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученой степени доктора и кандидата наук, 4- без соавторов. Список работ приведен в автореферате.

1.10. Структура и объем диссертации.

Диссертационная работа изложена на 105 страницах, иллюстрируется 56 рисунками и состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 155 наименований.

1.11.Основные положения и результаты, выносимые на защиту.

• Измерение отношения «медь/не медь» сверхпроводящей проволоки на основе соединения NbjSn целесообразно проводить вихретоковым методом одновременно с дефектоскопией с помощью проходного вихретокового преобразователя при рабочей частоте f=60 кГц.

• Для измерения отношения «медь/не медь» сверхпроводящей проволоки целесообразно использовать проходной вихретоковый преобразователь с идентичными соленоидальными возбуждающей и измерительной обмотками, намотанными бифилярно.

• Вихретоковое устройство «БОЗОН» обеспечивает измерение отношения «медь/не медь» сверхпроводящей проволоки на основе соединения NbjSn с относительной погрешностью не более 5% при симметричном распределении меди по периметру.

• Существенное изменению вихретокового сигнала может быть связано не только с отклонением отношения «медь/не медь», но и с неравномерностью распределения меди по периметру проводника.

• Вихретоковое устройство «БОЗОН» обеспечивает выявление в медной оболочке объемных дефектов, эквивалентных сфере с диаметром не менее 300 мкм.

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулированы цель исследования и решаемые задачи, указаны наиболее важные научные результаты и приведены основные положения, представляемые к защите.

В первой главе проведен обзор существующих конструкций и технологий изготовления современных сверхпроводящих проводников, приведены существующие требования к их качеству, описаны и проанализированы используемые в настоящее время и перспективные методы и средства неразрушающего контроля качества сверхпроводников. На основе выполненного анализа сделан вывод о целесообразности разработки вихретокового устройства для одновременного измерения отношения «медь/не медь» и дефектоскопии в процессе производства сверхпроводящей проволоки.

Вторая глава посвящена теоретическому исследованию электромагнитного взаимодействия проходного ВТП с объектом контроля в виде сверхпроводящего проводника на основе соединения Nb3Sn. Сверхпроводящая проволока имеет сложную конструкцию и состоит из сверхпроводящей сердцевины и медной оболочки, (рис. 1).

Удельная электрическая проводимость меди см = 58,8 МСм/м, а сверхпроводящей сердцевины при обычной температуре - ос = 5,59 МСм/м. Десятикратное отличие см от ос и определяет возможность получения информации о качестве медного покрытия вихретоковым методом. Хромовое покрытие практически не влияет на результаты вихретокового контроля из-за малой толщины и низкой удельной электропроводности хрома.

Для получения информации о качестве медного покрытия целесообразно использовать проходной ВТП с однородным возбуждающим магнитным полем в зоне контроля. Для этого возбуждающая катушка должна иметь длину £к не менее, чем в 5 раз превышающую ее диаметр dK. В этом случае внешнее маг-

Си оболочка Nb барьер Nb3Sn волокна

Та вставки

- Бронзовая матрица - Сг покрытие Рисунок 1 - Поперечное сечение сверхпроводника на основе соединения №>з8п

нитное поле может быть принято однородным и иметь величину напряженности магнитного поля Нд, изменяющегося по гармоническому закону и направленного вдоль оси проволоки. В теоретическом плане задача сводится к вычислению магнитного потока Ф через сечение проволоки для разных значений толщины медной оболочки при вариации ее внутреннего диаметра (вариация отношения «медь/не медь»), а также вычислению изменений Ф под влиянием дефектов. Для расчетов применялся метод конечных элементов (МКЭ) реализованный в программном

Рисунок 2 — Геометрические расчетные модели: а - для исследования влияния вариации отношения «медь/не медь», 6 -влияния дефектов

На рис. 2-а показана модель, позволяющая изменять толщин)' медной оболочки, как при равномерном, так и неравномерном распределении меди по периметру проводника. Модель на рис. 2-6 позволяет исследовать влияние дефектов цилиндрической формы при их ориентации как параллельно оси проволоки, так и по нормали к ней.

На основе приведенных моделей были установлены зависимости между вносимым нормированным напряжением [/*„ = С/,„/С/0, где [/0- напряжете "холостого хода" ВТП, с одной стороны, и отношением к.„="медь/не медь" сверхпроводящего проводника на основе соединения №>38п, а также характерных дефектов в нем, с другой стороны. На рис. 3 приведен годограф Пен =Меи (км), а на рис. 4 - зависимость амплитуды вносимого напряжения от толщины медной

оболочки 7.„, а также от связанной с ней величины км = ——-———где 1*1 - внешний ра-

-Тм)

диус сверхпроводящей проволоки. Графики приведены при рабочей частоте 64 кГц и компенсации ВТП в режиме "холостого хода". Здесь при ки=0, то есть отсутствии медной оболочки, величина Ц,„ определяется проводом, состоящим только из материала сердцевины. Видно, что ее вклад в составляет около 20% при номинальной величине км. Внешний диаметр контролируемого провода был равен 0,82 мм, а эквивалентный диаметр измерительной катушки Онэ=1,5 мм. Это соответствует коэффициенту заполнения т|=0,26, где т|= (0[/ Оиз)2. Для увеличения чувствительности контроля величина выбиралась минимально возможной. При В1э<1,5мм обеспечить механическую защиту витков катушки и свободное перемещение контролируемого провода через полость ВТП не удается. Из приведенных зависимостей видно, что чувствительность к изменению ки падает по мере ее увеличения. Этот эффект проявляется тем сильнее, чем выше рабочая частота / и, следовательно, меньше глубина проникновения вихревых токов. Вместе с тем, при увеличении/возрастает абсолютная чувствительность, что весьма важно, так как величина регистрируемых изменений составляет десятые доли процента от напряжения холостого хода. Рабочая частота выбиралась как компромисс между абсолютной чувствительностью и чувствительностью к изменению км в области близкой к ее допустимым значениям ¿„=1±0,1.

а) , б)

Рисунок 5 -Годограф (а) и зависимость амплитуды (б) Д1£я (С) при ¿,,=1 в диапазоне частот

Рисунок 3 - Годограф Ц.*= Ц„Лкм) Рисунок 4-График ив1'=ив,'(Тм)

На величину влияет не только км, но и вариация удельной электрической проводимость меди, а также неравномерность толщины медной оболочки по периметру в поперечном сечении. С первым фактором можно не считаться, так как из-за особенностей технологии удельная электрическая проводимость используемой меди практически не изменяется. Второй фактор нуждается в дополнительном исследовании еще и потому, что неравномерность распределения меди по периметру проводника регламентируется и не должна превышать допустимых значений. Для этой цели были проведены расчеты при разной величине эксцентриситета С между осями внешней и внутренней цилиндрических поверхностей медной оболочки. На рис. 5-а приведен годограф изменения комплекса вносимого напряжения Л(/в„ при изменении С для проволоки с номинальным отношением "медь/не медь". На рис. 5-6 показана соответствующая амплитудная зависимость. На рис. 5 также схематично представлена расчетная модель и сечение реального провода с неравномерным распределением меди. Из приведенных графиков видно, что в наибольшей степени эксцентриситет С проявляется на частоте порядка128 кГц. На частоте 64 кГц чувствительность к вариации С также достаточно велика и отличается от оптимальной на 15.. .20%.

Уменьшение влияния С при отклонении частоты от 128 кГц как в большую, так и в меньшую сторону объясняется соответствующим увеличением сдвига фаз между векторами приращений при изменении эксцентриситета АЦ,„ (С) и изменения толщины Тм AC/e„*(TM)-Это иллюстрируется годографами, приведенными на рис. 6-8. Здесь за начало координат годографов принято напряжение вносимое в измерительную катушку ВТП при номинальных параметрах контролируемого объекта, а именно: км= 1, Тм = 0,12 мм, С= 0.

Приведенные зависимости показывают принципиальную возможность раздельного измерения отношения "медь/не медь" и степени неравномерности распределения меди по периметру оболочки, характеризуемого величиной С. Для этого необходимо выполнять измерения, по меньшей мере, на двух рабочих частотах и использовать амплитудно-фазовый анализ регистрируемых сигналов. Практическая реализация подобных измерений, с учетом малой величины регистрируемых сигналов, весьма сложна. В связи с этим в данной работе решалась задача измерения км в предположении о равномерном распределении меди по периметру оболочки. Приведенные на рис. 5 зависимости позволяют оценить соответствующую погрешность. Как показывает имеющийся опыт, величина С реально не превышает 30% от номинальной толщины оболочки. Это соответствует относительной погрешности измерения кы около 1%.

Для оценки чувствительности ВТП к дефектам, выбора размеров и расстояния между измерительными катушками были проведены расчеты изменения вносимого напряжения Д (Д) под влиянием дефекта.

Полученные зависимости показывают, что оптимальная частота для выявления несплошностей составляет около 120 кГц. Это относится и к порам и к немагнитным включениям с более низкой удельной электрической проводимостью. На рис. 9 приведены графики для включения с св=5Мсм/м. Пора и включение имеют

одинаковые размеры и форму цилиндра, ориентированного своей осью перпендикулярно к оси провода. Диаметр и длина цилиндра составляли 0,2 мм. Из графика видно, что величина максимума Д Ue„ при изменении частоты от 64 кГц до 256 кГц изменяется не более, чем на 10%. Это позволяет выбрать частоту 64 кГц не только для измерения отношения "медь/не медь", но и для дефектоскопии без ощутимой потери чувствительности.

Приведенный на рис. 10 график изменения ДГ/я,*при перемещении дефектного участка для 1=64 кГц и г|=0,39 показывает, что расстояние между центрами измерительных катушек дефектоскопического канала целесообразно выбирать равным их эквивалентному диаметру. Это минимальное расстояние при котором не происходит ослабления регистрируемого сигнала. Дальнейшее увеличение радиального зазора между измерительными катушками приводит к ухудшению подавления вариации неконтролируемых параметров.

1 \ Г,.«>,£&™

С m ш \

Oft \

\т Тг-0,С6л-м

0,06'

С=0Л09 [ с=с ТЛШт

0,07 м,

1ш Um' 0.05 мал г

Рисунок 6 -Годограф ГГвн*(С) при £=128 кГц и медной оболочкой разной толщины Тм

с дефектами

Третья глава посвящена разработке блока ВТП и электронного блока вихретокового устройства для двухпараметрового вихретокового контроля качества сверхпроводящей проволоки. На основании проведенных расчетно-теоретических исследований было установлено, что рабочая частота 64 кГц близка к оптимальной как для измерения отношения "медь/не медь", так и дефектоскопии, а для решения обеих задач достаточно амплитудной обработки информации. На рис. 10 приведена разработанная конструкция проходного ВТП, позволяющего одновременно получать информацию как о наличии дефектов в оболочке, так и об отношении "медь/не медь". ВТП состоит из возбуждающей обмотки, измерительной обмотки абсолютного канала (для измерения отношения "медь/не медь") и двух идентичных дифференциально включенных измерительных обмоток дефектоскопического канала. В качестве механической основы ВТП используется стальная трубка из немагнитной нержавеющей стали с внутренним диаметром 1,6 мм и внешним - 2,0 мм. Для упрощения реализации использована инъекционная игла нужного внутреннего диаметра.

Рисунок 10 - Конструкция чувствительного элемента ВТП для дефектоскопии и измерения отношения "медь/не медь"

На внешнюю поверхность стальной трубки виток к витку намотаны две обмотки - возбуждающая и измерительная обмотки абсолютного канала. Витки обмоток пропитываются эпоксидным компаундом и образуют монолитную конструкцию, включающую проводники и металлическую трубку. Это обеспечивает температурную и временную стабильность. Измерительные обмотки дефектоскопического канала размещены на диэлектрическом каркасе, выполненном из кости бивня мамонта. Этот материал обладает высокой температурной стабильностью, необходимой твердостью и легко обрабатывается. Благодаря этому удается изготовить пазы каркаса под обмотки с высокой точностью, что важно для обеспечения идентичности обмоток. Каркас обмотки дефектоскопического канала устанавливается симметрично относительно возбуждающей обмотки. ВТП размещается в разборном металлическом корпусе и заливается компаундом (рис. 11).

Блок - схема разработанной вихретоковой установки для двухпараметрового контроля качества сверхпроводящей проволоки приведена на рис. 12. Достигнутая стабильность ВТП позволила использовать широкополосные усилители напряжения и не окварцованный генератор, что существенно упростило приборную реализацию.

Рисунок 12-Блок-схемавихретоковой установки

Рисунок 13 — а,б—

б)

Вихретоковая установка «БОЗОН» контроля сверхпроводящей проволоки: вид спереди и сбоку; в - датчик пути; г - ВТП в корпусе; д - ВТП.

Установка имеет два идентичных по структуре измерительных канала: дифференциальный - для дефектоскопии и абсолютный - для измерения отношения "медь/не медь". Они состоят из последовательно соединенных усилителя напряжения УН, амплитудного детектора АД и повторителя напряжения ПН. Блок генератора Г с усилителем мощности обеспечивают необходимый ток возбуждения ВТП и требуемую стабильность частоты. Компенсатор К обеспечивает динамический диапазон, стабильность и повторяемости результатов абсолютных измерений. Для исключения влияния других частот, присутствующих в спектре возбуждающего тока применены режекторные фильтры РФ, настроенные на 3-ю гармонику и подключенные параллельно входам усилителей УН[ и УН2. Выходные сигнала каждого канала предназначены для подключения через АЦП к компьютеру для регистрации и отображения информации.

Четвертая глава посвящена разработке и испытаниям вихретоковой установки «БОЗОН» для двухпараметрового контроля качества сверхпроводящей проволоки в процессе производства. Установка «БОЗОН» состоит из измерительной части, включающей ВТП и электронный блок (ЭБ), а также из программно-аппаратного обеспечения, включающего АЦП и привод подачи с датчиком пути (ДП). Привод подачи проволоки состоит из каркаса с укрепленными бо-

бинами, одна из которых свободно вращается вокруг своей оси, а вторая - приводится в движение электрическим асинхронным двигателем с многоступенчатым редуктором. Между катушками расположены направляющие из фторопласта и ВТП (рис.13-а,б).

Информация в ПК поступает через АЦП типа Е20-10 производства фирмы L-Card по трем каналам. Два из них своими входами подключены к выходам первого канала - измерения отношения "медь/не медь" и выходу второго - дефектоскопического канала, соответственно. Через третий канал поступает информация с выхода ДП (рис. 13— в). В установке используется ДП с оптическим энкодером модели EM14A1D-C24-L032N с закрепленным на нем ведущим обрезинен-ным колесом. Контролируемая проволока прижимается к колесу, преобразуя линейное перемещение проволоки во вращение. Пропорционально углу поворота генерируется последовательность импульсов. Питание на ДП подается из внешнего стабилизированного источника +3,3 В.

Программное обеспечение (ПО) установки включает интерфейс, программу обработки сигнала и отображение информации на дисплее, а также драйвера для АЦП, фирмы "Lcard".

ПО осуществляет настройку и сбор информации с АЦП, ее дешифровку и вывод в виде графиков на экран ПК. ПО сохраняет полученный результат в виде диаграммы и текстового файла, пригодного для дальнейшей обработки в таких программах, как Excel и MathEab.

На дисплей выводится следующая информация:

• Необработанные данные с АЦП;

• Толщина медной оболочки проволоки;

• Отношение площади меди к площади сердечника в процентах;

• Текущая координата, отсчитываемая от точки начального перемещения.

Программным обеспечением выполняется калибровка установки «БОЗОН» по контрольным образцам с известным отношением "медь/не медь", отображение результатов контроля и просмотр результатов.

Для калибровки необходимо не менее трех контрольных образцов с различными отношениями "медь/не медь" из проволоки, изготовленной по той же технологии, что и контролируемая и имеющей одинаковый с ней внешний диаметр. Желательно иметь образцы, имеющие изменение толщины медной оболочки (отношения "медь/не медь") во всем диапазоне ее изменения. Образцы выполнены в виде кусков провода длиной не менее 150 мм с очищенным от медной оболочки участком (рис. 14).

Рисунок 14 - Контрольные образцы из Рисунок 15 — Результаты в виде графиков:

кусков сверхпроводящей проволоки вверху — отношение "медь/не медь",

внизу — дефектоскопия

Результаты выводятся в виде графиков (рис. 15), диаграмм (рис. 16) и текстового файла. В круговой диаграмме отображается информация о длине участков проволоки с заданными диаметрами или соотношением «медь/не медь».

Текстовый файл содержит всю необходимую информацию для построения и обработки графиков с помощью таких программ, как Excel и Mathlab: • Координаты, мм;

Значения АЦП с каждого канала; Фильтрованные значения АЦП с каждого канала; Вычисленный диаметр сердцевины проволоки, мм; Соотношение "медь/не медь", %.

Рисунок 16 - Результаты в виде круговой Рисунок 17 - Фотографии дефектов, выявленных диаграммы. вихретоковой установкой.

С помощью установки «БОЗОН», по заданию ОАО «ВНИИНМ» им. A.A. Бочвара был проведен выборочный вихретоковый контроль бухт проволоки. В процессе контроля были обнаружены дефекты типа ямок, рисок, пор и включений (рис. 17) и набрана статистика о неравномерности распределения меди по длине провода.

Полученные результаты вихретокового контроля проверялись путем металлографических исследований. Установлено, что погрешность измерения процентного отношения "медь/не медь составляет не более 3%, при этом надежно выявляются дефекты типа включений с эквивалентным объемом порядка 0,03 мм3 в сверхпроводящей проволоке на основе соединения Nt^Sn с внешним диаметром 0,8 .. .0,82 мм.

3. Основные результаты работы

1. Разработана математическая модель на основе метода конечных элементов, для определения взаимосвязи между выходными сигналами проходного ВТП и отношением "медь/не медь" сверхпроводящего проводника на основе соединения Nb3Sn, а также параметрами характерных дефектов в нем.

2. Разработана конструкция проходного ВТП, позволяющего одновременно измерять отношение "медь/не медь" и выявлять опасные дефекты и состоящего из намотанных бифилярно соленоидальных возбуждающей катушки и измерительной катушки абсолютного канала (измеряющего отношение "медь/не медь"), а также идентичных дифференциатьно включенных измерительных катушек дефектоскопического канала.

3. На основе анализа выходных характеристик ВТП при его взаимодействии с контролируемым объектом установлено: для измерения отношения "медь/не медь", так и для выявления дефектов целесообразно выбрать рабочую частоту f = 64 кГц; для ВТП целесообразно выбрать коэффициент заполнения т) в диапазоне т| = 0,35...0,4; расстояние между центрами измерительных катушек дефектоскопического канала целесообразно выбирать равным их эквивалентному диаметру.

4. Разработана технология изготовления ВТП и конструкция пассивного компенсатора, обеспечивающие необходимую стабильность измерений в течение производства бухты сверхпроводящей проволоки.

5. Разработано, изготовлено и испытано вихретоковое устройство «БОЗОН» для одновре-

12

менного измерения отношения и выявления опасных дефектов в процессе производства сверхпроводниковой проволоки с соответствующим программным обеспечением для обработки сигналов, накопления и представления информации по результатам контроля.

6. Устройство «БОЗОН» позволяет измерять процентное отношение "медь/не медь" с разрешающей способностью не хуже 2% и выявлять дефекты типа включений с эквивалентным объемом порядка 0,03 мм3 в сверхпроводящей проволоке на основе соединения Nb3Sn с внешним диаметром 0,80 ... 0,82 мм.

7. Относительная погрешность измерения отношения "медь/не медь" за счет смещения сердцевины относительно центра не превышающего 30% от толщины медной оболочки составляет не более 1%.

8. Разработано метрологическое обеспечение вихретокового устройства для контроля качества сверхпроводящей проволоки на основе соединения NbjSn.

4. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ.

Публикации в журналах из перечня ВАК ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученой степени доктора и кандидата наук:

1. Куценко Д.О. Исследование погрешности измерения вихретоковым методом отношения "медь/не медь" в сверхпроводниках на основе соединения Nb3Sn за счет асимметрии слабо-проводящей сердцевины,— Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии.-]^ 1(297), 2013,- С. 114-118

2. Куценко Д.О. Двухпараметровая вихретоковая установка для контроля качества сверхпроводящей проволоки//Научно-технический вестник Поволжья.-№2.-2013 — С. 150-153.

Публикации в других научных журналах и изданиях

3. Шкатов П.Н., Родюков М.С., Куценко Д.О. Новый подход к разработке вихретоковых преобразователей // XV Межд. конференция «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения и информатики»: труды - М.: МГУПИ, 2012, С. 52-58.

4. Шкатов П.Н., Родюков М.С., Куценко Д.О. методика проектирования специализированных вихретоковых преобразователей для дефектоскопии//Научные труды 2-й Международной научной конференции «Фундаментальные исследования и инновационные технологии в маши-ностроении».-М.: С. 517-522.

5. Куценко Д.О. Разработка универсального вихретокового преобразователя для дефектоскопии резьбы шпилек энергетического оборудования// Труды XXI Международного научно-технического семинара «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации».- Ллушта.-2012 г.—С. 160.

6. Куценко Д.О. Исследование погрешности измерения вихретоковым методом отношения "медь/не медь" в сверхпроводниках на основе соединения Nb3Sn//BccninK молодых ученых МГУПИ.-№12.-2013.-С. 51-57.

7. Шкатов П.Н., Куценко Д.О. Вихретоковая установка «БОЗОН» для контроля качества сверхпроводящей проволоки// Труды НПК «Актуальные проблемы приборостроения, информатики и социально - экономических наук».-МГУПИ.-2013- С. 176 -181.

8. Куценко Д.О., Аракелов П.Г. Программно-аппаратное обеспечение установки «БОЗОН» для вихретокового контроля сверхпроводящей проволоки// Труды НПК «Актуальные проблемы приборостроения, информатики и социально - экономических наук».-МГУПИ.-2013- С. 6974

Подп. к печати 20.05.2013 г. Тираж 100 экз. Отпечатано в ООО «Издательская группа «Граница»

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПРИБОРОСТРОЕНИЯ И ИНФОРМАТИКИ

На правах рукописи

Куценко Денис Олегович

04201360606

ВИХРЕТОКОВЫЙ КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА СВЕРХПРОВОДЯЩЕЙ ПРОВОЛОКИ

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 Шкатов П.Н.

Москва - 2013 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.................................................................................................................3

1. ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ, КОНСТРУКЦИЯ, МЕТОДЫ И СРЕДСТВА

ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА СВЕРХПРОВОДНИКОВ........................7

1.1 Область применения сверхпроводников......................................................7

1.2 Конструкция и основные требования к качеству сверхпроводников.....15

1.3 Современное состояние методов и средств неразрушающего контроля сверхпроводников........................................................................................30

1.4 Выводы..........................................................................................................46

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ВИХРЕТОКОВОГО

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ СО СВЕРХПРОВОДЯЩИМ ПРОВОДНИКОМ............................................................................................47

2.1 Выбор и обоснование конструкции вихретокового преобразователя.... 47

2.2 Выбор метода расчета и расчетных моделей............................................48

2.3 Расчет и анализ выходных сигналов проходного втп при изменении параметров медной оболочки......................................................................50

2.4 Расчет и анализ сигналов проходного втп под влиянием дефектов в медной оболочке...........................................................................................58

2.5 Выводы..........................................................................................................60

3. РАЗРАБОТКА ВИХРЕТОКОВОГО УСТРОЙСТВА ДЛЯ

ДВУХПАРАМЕТРОВОГО КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА СВЕРХПРОВОДЯЩЕЙ ПРОВОЛОКИ......................................................62

3.1 Разработка блока вихретокового преобразователя...................................62

3.2 Разработка электронного блока устройства..............................................64

3.3 Выводы..........................................................................................................68

4. ВИХРЕТОКОВАЯ УСТАНОВКА «БОЗОН» ДЛЯ

ДВУХПАРАМЕТРОВОГО КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА СВЕРХПРОВОДЯЩЕЙ ПРОВОЛОКИ......................................................69

4.1 Конструкция установки «БОЗОН».............................................................69

4.2 Разработка программного и метрологического обеспечения установки «БОЗОН».......................................................................................................77

4.3 Результаты испытаний устройства «БОЗОН»...........................................87

4.4 Выводы..........................................................................................................91

5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ...................................................................................................92

6. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.................................................................................93

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность

В Интернациональном термоядерном экспериментальном реакторе (ИТЭР) обмотки катушек, создающих тороидальное магнитное поле, выполняются из низкотемпературных сверхпроводников на основе соединения Nb3Sn российского производства. В связи с жесткими требованиями к качеству стоит задача 100% неразрушающего контроля сверхпроводников в процессе их производства. В соответствии с действующим планом обеспечения качества (Quality Assurance Plan as foreseen for the whole of the LHC Project) необходимо контролировать отношение "медь/не медь" в сверхпроводнике и обеспечить выявление дефектов типа пор и включений. Из-за особенностей российской технологии внешний диаметр проводника остается неизменным и составляет, в зависимости от модификации, величину порядка 0,8... 1,2 мм. В связи с этим, повышение объемной доли стабилизирующей меди приводит к уменьшению размера сверхпроводящей сердцевины. С другой стороны, уменьшение доли стабилизирующей меди приводит к недопустимому перегреву при защитном выводе тока через медную оболочку. Следовательно, имеется оптимум отношения объемных долей медной и не медной составляющих сверхпроводящего провода. В соответствии с существующими требованиями величина отношения кт="медь/не медь" должна лежать в пределах 1,0±0,1. В настоящее время задача объем поставок сверхпроводящей проволоки российской стороной измеряется сотнями километров. Таким образом, задача вихретокового контроля сверхпроводящего провода в процессе эксплуатации весьма актуальна.

Состояние проблемы

В настоящее время вихретоковым методам проводится дефектоскопия сверхпроводящего провода с применением проходных вихретоковых преобразователей. Однако в настоящее время не существует вихретоковой аппаратуры обеспечивающей измерение отношения "медь/не медь" с приемлемой погрешностью в процессе производства. Это приводит к необходимости выборочного контроля отношения "медь/не медь" электрическим методом путем измерения электрического сопротивления провода по схеме двойного моста на участке заданной длины.

Цель работы и задачи исследований

Цель данной работы - повышение информативности и производительности вихретокового контроля качества сверхпроводящего проводника на основе соединения Nb3Sn путем одновременного измерения отношения "медь/не медь" и дефектоскопии в процессе производства.

Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

• разработать математическую модель, для определения взаимосвязи между выходными сигналами вихретокового преобразователя (ВТП) и отношением "медь/не медь" сверхпроводящего проводника на основе соединения Nb3Sn , а также характерных дефектов в нем;

• разработать конструкцию ВТП, позволяющего одновременно измерять отношение "медь/не медь" и выявлять опасные дефекты;

• провести анализ выходных характеристик ВТП при его взаимодействии с контролируемым объектом и на его основе выбрать рациональные размеры ВТП, режим его работы и информативные параметры сигналов;

• обеспечить необходимую стабильность измерений в течение изготовления бухты сверхпроводящей проволоки;

• разработать, изготовить и испытать вихретоковое устройство для одновременного измерения отношения "медь/не медь" и выявления опасных дефектов в процессе производства сверхпроводниковой проволоки;

• разработать программное обеспечение для обработки сигналов, накопления и представления информации по результатам контроля;

• разработать метрологическое обеспечение вихретокового устройства для контроля качества сверхпроводящей проволоки на основе соединения №>38п.

Методы исследования

Для теоретических исследований применялось математическое моделирование на основе метода конечных элементов. Экспериментальные исследования проводились с помощью компьютеризированной вихретоковой системы «КОМВИС ЛМ».

Научная новизна работы

• разработана математическая модель, для определения взаимосвязи между выходными сигналами проходного ВТП и отношением "медь/не медь" сверхпроводящего проводника на основе соединения МЬзЭп, а также параметрами характерных дефектов в нем;

• разработана конструкция проходного ВТП, позволяющего одновременно измерять отношение "медь/не медь" и выявлять опасные дефекты и состоящего из намотанных бифилярно соленоидальных возбуждающей катушки и измерительной катушки абсолютного канала (измеряющего отношение "медь/не медь"), а также идентичных дифференциально включенных измерительных катушек дефектоскопического канала;

• на основе анализа выходных характеристик ВТП при его взаимодействии с контролируемым объектом установлено:

- для измерения отношения "медь/не медь", так и для выявления дефектов целесообразно выбрать рабочую частоту £=60 кГц;

- для ВТП целесообразно выбрать коэффициент заполнения г| в диапазоне г| = 0,35...0,4;

- расстояние между центрами измерительных катушек дефектоскопического канала целесообразно выбирать равным их эквивалентному диаметру;

Практическая ценность работы

На основе полученных в работе результатов:

• разработана технология изготовления ВТП и конструкция пассивного компенсатора, обеспечивающие необходимую стабильность измерений в течение производства бухты сверхпроводящей проволоки;

• разработано, изготовлено и испытано вихретоковое устройство «БОЗОН» для одновременного измерения отношения "медь/не медь" и выявле-

ния опасных дефектов в процессе производства сверхпроводниковой проволоки;

• разработано программное обеспечение для обработки сигналов, накопления и представления информации по результатам контроля;

• разработано метрологическое обеспечение вихретокового устройства для контроля качества сверхпроводящей проволоки на основе соединения М^п.

Реализация и внедрение результатов работы

На основании выполненных исследований разработано и внедрено на предприятии ОАО «ВНИИНМ» вихретоковой устройство «БОЗОН» для контроля качества сверхпроводящей проволоки в процессе ее производства

Апробация работы

Основные результаты работы доложены и обсуждены на XXI Международного научно-технического семинара «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации».- Алушта-2012 г , XV Международной конференция «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения и информатики», г. Лорнака, 2012 г., 2-ой Международной научной конференции «Фундаментальные исследования и инновационные технологии в машиностроении», г. Москва, 2012 г.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, из них 5 без соавторов, 2 в журналах из перечня ВАК ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученой степени доктора и кандидата наук. Список работ приведен в автореферате.

Структура и объём диссертации 5

Диссертационная работа изложена на 105 страницах, иллюстрируется 56 рисунками и состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 155 наименований.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту

• Измерение отношения «медь/не медь» сверхпроводящей проволоки на основе соединения 1чГЬ38п целесообразно проводить вихретоковым методом одновременно с дефектоскопией с помощью проходного вихретокового преобразователя при рабочей частоте £=60 кГц.

• Для измерения отношения «медь/не медь» сверхпроводящей проволоки целесообразно использовать проходной вихретоковый преобразователь с идентичными соленоидальными возбуждающей и измерительной обмотками, намотанными бифилярно.

• Вихретоковое устройство «БОЗОН» обеспечивает измерение отношения «медь/не медь» сверхпроводящей проволоки на основе соединения №>з8п с относительной погрешностью не более 5% при симметричном распределении меди по периметру.

• Существенное изменению вихретокового сигнала может быть связано не только с отклонением отношения «медь/не медь», но и с неравномерностью распределения меди по периметру проводника.

• Вихретоковое устройство «БОЗОН» обеспечивает выявление в медной оболочке объемных дефектов, эквивалентных сфере с диаметром не менее 300 мкм.

1. ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ, КОНСТРУКЦИЯ, МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА СВЕРХПРОВОДНИКОВ

1.1 ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ СВЕРХПРОВОДНИКОВ

Считается, что одним из решений по нехватке пропускной способности электросетей в городах станут сверхпроводящие кабели [1]. Их преимущества:

• большая пропускная способность при компактных габаритах;

• небольшое затухание при передаче;

• отсутствие утечки электромагнитного поля за пределы кабеля;

• малый импеданс.

Эти характеристики будут определяющими при улучшении надежности и экономической конкурентоспособности электрических сетей. В последнее время по всему миру стартовало много демонстрационных проектов для того, чтобы ускорить внедрение сверхпроводящих кабелей в действующие электросети и их коммерциализацию. В США существуют три проекта Инициативного партнерства по сверхпроводимости (SPI), финансируемых Министерством Энергетики (DOE) и в настоящее время находящихся в стадии выполнения. Проект "Albany" является одним из этих проектов и также финансируется Ассоциацией по Исследованиям и Разработкам в Области Энергетики штата Нью-Йорк (NYSERDA). Проект "Albany" использует 350-метровый кабель на 34,5 кВ, 800 А, как часть линии между двумя подстанциями (Менандс и Риверсайд) в Олбани, Нью-Йорк, которая предназначается для долгосрочной эксплуатации. Это первый в мире длинный сверхпроводящий кабель для действующей электрической сети. Конфигурация кабельной системы "Albany" приведена на рис. 1.1.

Рисунок 1.1- Конфигурация кабельной системы "Albany"

Скорейшее практическое применение сверхпроводящих кабелей является глобальной целью, они уже давно достигли стадии испытаний. В плотной городской застройке новые технологии, такие как сверхпроводящие кабели небольшой и средней длин, могут способствовать значительному увеличению эффективности передачи и распределения электроэнергии. Одной из технологий с самым большим потенциалом является подземный высокотемпературный сверхпроводящий кабель (ВТСП) большой емкости [2], который сможет удовлетворить самые большие требования к номинальной мощности при средних и

высоких напряжениях. За последние десять лет были разработаны и продемонстрированы несколько конструкций ВТСП. Все эти кабели имеют гораздо более высокую эффективность, чем медные. Более того, поскольку они активно охлаждаются и термически независимы от окружающей среды, они лучше вписываются в более компактные установки, чем обычные медные кабели, без соблюдения зазоров или наличия специальных заполнителей для обеспечения отвода тепла. Это преимущество снижает воздействие на окружающую среду и позволяет осуществлять установку компактного кабеля с допустимой токовой нагрузкой в три - пять раз большей, чем обычные схемы с тем же или более низким напряжением. Кроме того, ВТСП кабели демонстрируют гораздо меньшие резистивные потери, чем в обычных медных или алюминиевых жилах.

Для Европейской комиссии компания Ыехаш координирует Европейский проект "ЗирегЗС" (Сверхпроводящий кабель с супер-покрытием) разработки ВТСП-кабеля с использованием покрытых проводников в качестве токоведу-щих элементов [2]. Покрытые проводники представляют собой второе поколение ВТСП-жил. Они состоят из металлической ленты с покрытием из керамических слоев, один из которых сверхпроводящий. Эта многослойная структура делает их значительно дешевле, чем используемые в настоящее время многони-тевые ленты, для которых требуется серебряная матрица. Проект «БирегЗС» нацелен на разработку, производство и испытание однофазного, 30-метрового кабеля на 10 кВ, 1 кА. Команда проекта объединяет партнеров из Финляндии, Франции, Германии, Норвегии, Словакии и Испании. Фирма №хапБ производит кабель и кабельную оконцовку, а также способствует созданию нового покрытия ленты проводника.

Использование ВТСП-кабелей в качестве новых решений проблем передачи мощности может привести к значительной экономии средств. Факторы, которые приводят к снижению затрат на установленной системе, могут быть обобщены следующим образом [2]:

• Короткая длина. Короткая стратегическая вставка ВТСП-кабеля может дать ту же мощность, по сравнению с более длинной воздушной линией. Например, энергосистемы могут решить проблемы мощности потока более короткими кабелями ВТСП, путем их подключения к распространенным системам на 115/138/161 кВ, а не подсоединяясь к более отдаленными магистральными системами сверхвысокого напряжения.

• Более низкие напряжения. Благодаря высокой мощности ВТСП-кабеля (токовая нагрузка примерно в три-пять раз выше, чем в обычных сетях), энергосистемы могут использовать оборудование для пониженного напряжения, избегая, как электрических потерь, присущих эксплуатации при больших токах, так и капитальных затрат на повышающие и понижающие трансформаторы (а также на потери холостого хода в самих трансформаторах). Сильноточные ВТСП-кабели на 115 кВ или даже 69 кВ могут решить проблемы, которые обычно возникают при традиционных решениях в областях 230 кВ и 345 кВ. В долгосрочной перспективе ВТСП-кабель сможет значительно снизить стоимость системы (например,

замена трансформатора или замена размыкателя), связанную с обширной территорией поддержания номинального напряжения.

• Большая управляемость. ВТСП-кабель обеспечивает возможность управления потоками мощности с обычных реакторов или фазовых регуляторов, создавая выгодный рынок и надежность, связанные, как правило, с другими "управляемыми" формами передачи - например, FACTS (Системы гибкой передачи переменного тока) или передачей постоянного тока. Теперь этот контроль на конечных пунктах линии может достигаться с гораздо меньшими затратами и меньшей сложностью, чем обычно требуется при использовании традиционных технологий (например, больших, негибких станций преобразования в постоянный ток или масштабных силовых электронных устройств, часто связанных с обычными приборами FACTS). Принимая во внимание, что линии постоянного т�