Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Технология неразрушающего контроля в нефтегазовой отрасли. Учебное пособие
.pdf
2.7. Приёмники акустических сигналов
Тип микрофона
Диаметр, мм
Частотный
диапазон, Гц
Чувствительность,
мВ/Па
Конденсаторный
3–25
0,01–140 000
1–50
Электродинамический
30–40
30–20 000
2
Пьезоэлектрический
20–45
3–10 000
(для воздуха)
0,1–200 000
(для воды)
3
В качестве приёмников акустических используются микрофоны,
акустические датчики и измерительные преобразователи, преобразующие акустические сигналы в электрические.
Микрофоны характеризуются следующими параметрами:
1) чувствительность – это отношение выходного напряжения
к звуковому давлению:
;
2) частотный диапазон определяется нижней fн и верхней fв грани-
цами воспроизводимых частот, Гц;
3) диаграмма направленности, град;
4) масса и размеры микрофона;
5) резонансная частота, Гц.
Для анализа шумов наиболее широко применяются конденсаторные, электродинамические и пьезоэлектрические микрофоны (табл. 1).
Таблица 1
Типы микрофонов
Для обработки акустических сигналов используются специальные алгоритмы, составленные на основе диагностических моделей.
21
3. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ МЕТОДЫ
НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ
3.1. Физические основы электромагнитных методов
Электромагнитная дефектоскопия основана на наведении вихре-
вых токов в контролируемом объекте.
Вихревые токи в металлах возникают в результате воздействия пе-
ременного электромагнитного поля или движущегося постоянного магнитного поля (рис. 7). Источником и преобразователем электромагнитного поля обычно служат катушки индуктивности (индукторы).
В соответствии с законом электромагнитной индукции в прово-
дящем теле под воздействием переменного поля наводится ЭДС:
,
где Ф – магнитный поток.
Эта ЭДС вызывает вихревой ток, зависящий от электромагнитных свойств контролируемого объекта и частоты возбуждающего поля. Частота переменного возбуждающего магнитного поля может
варьироваться в широких пределах от долей герца до сотен мегагерц.
Рис. 7. Основы вихретокового контроля:
1 – генератор катушки, 2 – линии магнитного поля, 3 – блок измерения,
4 – вихревые токи, 5 – объект контроля
22
Наведённый в контролируемом объекте вихревой ток создаёт
собственное магнитное поле (вихревое), которое несёт информацию
о состоянии объекта контроля.
Наведённое вихревое электромагнитное поле зависит от следующих параметров:
1) положение и форма катушки-индуктора;
2) наличие дефектов, несплошностей, трещин в контролируемом
объекте;
3) удельная электрическая проводимость материала объекта;
4) магнитная проницаемость материала объекта;
5) площадь петли гистерезиса материала объекта;
6) частота и форма питающего индуктор тока.
Наведённое вихревое электромагнитное поле направлено навстречу полю возбуждения и взаимодействует с ним. В результате
этого взаимодействия образуется результирующее поле, которое также несёт информацию о контролируемом объекте и изменяет комплексное сопротивление катушки-индуктора.
Таким образом, о наличии дефекта в контролируемом объекте
можно судить по изменению комплексного сопротивления катушкииндуктора или по изменению результирующего магнитного поля.
Однако наличие большого количества параметров, от которых
зависит наведение вихревого магнитного поля, затрудняет обнаружение дефектов и требует применения специальных методов обработки
измерительной информации.
3.2. Электрические параметры катушек-индукторов
Катушка индуктивности характеризуется активным R и индуктивным Xl сопротивлениями. Активное сопротивление рассчитывается по формуле:
,
где ρ – удельное электрическое сопротивление материала провода,
l
– средняя длина витка, W – число витков катушки, d – диаметр провода.
ср
На переменном токе вследствие скин-эффекта активное сопротивление возрастает.
23
Индуктивность катушки определяется по формуле
,
где Rм – сопротивление магнитному потоку.
При этом
,
где lм – средняя длина силовой линии магнитного потока, μo – магнитная постоянная, μ – относительная магнитная проницаемость среды,
по которой проходит магнитный поток, Sм – средняя площадь магнитного потока.
Точный расчёт индуктивности катушки затруднён, поэтому чаще
пользуются эмпирической формулой
,
где S – площадь сечения катушки, μс – действующая магнитная проницаемость сердечника катушки на частоте тока возбуждения,
l – длина катушки.
Полное комплексное сопротивление катушки-индуктора:
Z = R + јώL,
где ώ – круговая частота тока возбуждения.
Установка катушек на немагнитный металл приводит к тому, что
часть энергии переходит в металл в виде вихревых токов и выделении
в форме тепловых потерь. Другая часть энергии отражается от поверхности металла, уменьшая индуктивное сопротивление катушки.
Вследствие этого потребляемый ток катушки возрастает. Таким образом, приближение катушки-индуктора к немагнитному металлу приводит к увеличению тока катушки. Если в контролируемом объекте
имеется дефект, то вихревые токи уменьшаются, а следовательно,
уменьшается и ток, потребляемый катушкой.
При установке катушки на магнитный металл к этому явлению
добавляются ещё два:
1) увеличение индуктивности катушки за счёт магнитной прони-
цаемости объекта контроля;
24
2) значительное возрастание активных потерь с ростом частоты
Металл
Глубина проникновения, мм
на частотах, Гц
Длина волны
на частоте 10 кГц, мм
50
104
106
Медь
9,4
0,66
0,066
4,15
Алюминий
12,4
0,84
0,084
5,3
Сталь
1,3
0,093
0,0093
0,068
Титан
90
6,3
0,93
40,0
питающего тока, связанных с перемагничиванием материала объекта.
Суммарное действие этих факторов при контроле магнитных материалов приводит к резкому возрастанию активных потерь, а следовательно, и изменению тока возбуждения катушки при незначительном изменении её индуктивности.
По значению активного и реактивного сопротивлений катушкииндуктора определяют состояние и наличие дефектов в контролируемом объекте.
3.3. Глубина проникновения вихревых токов
Глубина проникновения вихревых токов зависит от электрических и магнитных свойств материала объекта контроля, а также от
частоты возбуждающего электромагнитного поля:
,
где h – глубина проникновения вихревых токов, k – конструктивный
коэффициент, зависящий от формы, размеров и расположения катушки-индуктора, ρ – удельное электрическое сопротивление материала,
μ – относительная магнитная проницаемость материала, f – частота
питающего тока.
С ростом частоты электромагнитного поля глубина его проникновения в металлы уменьшается, и на высоких частотах наблюдается
скин-эффект, при котором вихревые токи текут только по поверхности.
Зависимость глубины проникновения вихревого поля от материала и частоты питающего тока представлена в табл. 2.
Таблица 2
Глубина проникновения вихревого поля
25
3.4. Конструкции датчиков
для вихретоковой дефектоскопии
Конструкция датчика определяется видом и формой контролируемого объекта.
При поиске дефектов на плоских поверхностях применяются накладные датчики, а при контроле прутков и труб используются проходные датчики.
Накладные датчики
На рис. 8 представлены схемы накладных датчиков.
Датчики для контроля прутков (проходные)
На рис. 9 изображена схема проходных датчиков для контроля
прутков.
Рис. 8. Схемы накладных датчиков:
1 – ферромагнитный сердечник, 2 – обмотка возбуждения,
3 – контролируемый объект
Рис. 9. Схема проходных датчиков для контроля прутков:
1 – объект контроля, 2 – возбуждающие катушки, 3 – измерительные катушки
26
Датчики для контроля труб (проходные)
Схема размещения проходных датчиков для контроля труб изображена на рис. 10.
Рис. 10. Схема проходных датчиков для контроля труб:
1 – объект контроля, 2 – возбуждающая катушка, 3 – измерительные катушки
Для преобразования параметров катушек в напряжение или ток
используются измерительные цепи, которые строятся по мостовым,
дифференциальным, резонансным и автогенераторным схемам.
27
4. АКУСТИКО-ЭМИССИОННЫЕ МЕТОДЫ ДИАГНОСТИКИ
4.1. Физические основы появления акустической эмиссии
Определение акустической эмиссии приведено в стандарте
ГОСТ Р 55045–2012. Техническая диагностика. Акустико-эмиссионная диагностика. Термины, определения, обозначения.
Акустическая эмиссия: АЭ. Излучение объектом (диагностирования, контроля, испытания) акустических волн под воздействием нагрузки или влияния иных факторов.
Генерация сигналов АЭ обусловлена образованием и распространением микротрещин при разрушении материалов. Скопление дислокаций материала создаёт высокое внутреннее напряжение, приводящее к образованию микротрещин. Быстрая разгрузка материала при
образовании микротрещин вызывает генерацию АЭ-сигналов, исходящих от поверхности и вершин трещин.
Сигналы АЭ возникают при нагружении контролируемого объекта. Это нагружение может быть усталостным, изгибным, растяжением и сжатием.
Источники акустической эмиссии:
АЭ материала, вызванная перестройкой молекулярной структуры;
АЭ трения, вызванная трением поверхностей твёрдых тел;
АЭ утечки, вызванная взаимодействием протекающей через
течь жидкости со стенками трубопровода;
АЭ при химических и электрических реакциях, в том числе при
коррозионных процессах;
АЭ, возникающая при электромагнитном и радиационном воз-
действии;
АЭ, вызываемая фазовым превращением в веществах и мате-
риалах.
Сигналы АЭ можно разделить на две группы: непрерывные и импульсные.
Непрерывные АЭ-сигналы – это непериодический колебательный
процесс с незначительной амплитудой, но с широким частотным
спектром до 30 МГц.
28
Импульсные АЭ-сигналы – это нерегулярная последовательность
коротких импульсов сложной формы с крутыми фронтами. Эти импульсы имеют значительно большую амплитуду, чем сигналы непрерывной АЭ. Интенсивность АЭ в этом случае оценивается числом
импульсов в единицу времени.
С ростом трещины интенсивность импульсов возрастает, что позволяет по средней частоте импульсов определять скорость развития
трещины. По этой же частоте удаётся прогнозировать дальнейшее состояние контролируемого объекта.
Определение местоположения участка АЭ усложняется многократным отражением сигнала при прохождении его в среде конечных
размеров. Кроме того, импульсы АЭ, первоначально имеющие широкий спектр частот, при прохождении через среду фильтруются,
вследствие чего частотный спектр сужается в область низких частот.
При этом окружающий шумовой фон также является низкочастотным. Указанные обстоятельства требуют специальных методов преобразования и обработки АЭ-сигналов.
4.2. Принципы построения систем
акустико-эмиссионной диагностики
Типовая структурная схема системы акустико-эмиссионного контроля представлена на рис. 11.
Рис. 11. Структурная схема системы акустико-эмиссионного контроля:
ОИ – объект исследования, Д – датчики акустических сигналов, У – усилители,
ИФ – интерфейс, АЦП – аналого-цифровой преобразователь, МП – микропроцессор,
ОСЦ – осциллограф, И – индикатор
29
Сигналы с датчиков после усиления поступают через интерфейс
и аналого-цифровой преобразователь или непосредственно в микропроцессор. Одновременно сигналы контролируются с помощью осциллографа.
На основе Фурье-анализа определяют частотный спектр
АЭ-сигналов, по которому идентифицируется характер дефектов.
Микропроцессор определяет также очерёдность прибытия каждого
АЭ-сигнала от нескольких датчиков. По этой информации определяется местоположение источника звука в текущий момент времени.
Датчики располагаются в местах, в наибольшей степени подверженных действию нагрузок. При этом необходимо избегать сильно
«зашумлённых» зон.
Система предварительной обработки сигналов должна обеспечивать выделение слабых высокочастотных АЭ-сигналов на фоне механических и электромагнитных помех.
Наиболее помехоустойчивой является интегральная информация,
например сумма акустических импульсов.
Сигналы, поступающие от датчиков, имеют амплитуды менее
10 мкВ, поэтому необходимо экранирование канала передачи измерительной информации. Минимальное смещение в материале при образовании трещины, которое может быть зафиксировано датчиком, составляет порядка 0,5 мкм.
Для стимулирования АЭ-сигналов можно воспользоваться кратковременным приложением дополнительных механических нагрузок.
При создании кратковременных нагрузок, близких или превышающих критические значения, удаётся распознать АЭ-сигналы
при наличии больших механических и электромагнитных помех.
Таким образом, обнаруживаются дефекты в сосудах высокого
давления, в трубопроводах, герметичных ёмкостях и в несущих нагрузки конструкциях.
30
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]