Диссер

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………………………………………….….24

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

1.8.Выводы…………………………………………………………………....33

2.ГЛАВА 2 Теоретические исследования………………………….……….35

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

2.2.Расчет распределения магнитного поля импульсного

электромагнита…………………………………………………………....37

2.3.Определение конфигурации сигнального индуктора………………….42

2.4.Исследование динамики формирования магнитного поля в ОК……...46

2.5.Исследование влияния зазора на конфигурацию и динамику магнитного поля……………………………………………………….......51

2.6.Выводы………………………………………………………………..…..54

3.ГЛАВА 3 Экспериментальная часть……………………………………...55

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

3.2.Исследование характеристик шумов Баркгаузена………….…………..72

2

3.3.Исследование соотношений уровней эхо-сигналов для ЭМАП с импульсным подмагничиванием и с магнитной системой на основе постоянных магнитов……………………………………………………...74

3.4.Выводы………………………………………………………………….....74

4.ГЛАВА 4 Разработка ЭМА толщиномера с импульсным подмагничиванием…………………………………………………………...76

4.1.Требования к узлам и блокам толщиномера…………………………....76

4.2.Аппаратная реализация…………………………………………………..77

4.3.Алгоритмы обработки сигналов………………………………………....83

4.4.Метрологическое обеспечение…………………………………………..84

4.5.Основные характеристики разработанного толщиномера

А1270РМ…………………………………………………………………...84

4.6.Режимы работы толщиномера А1270РМ………………………………..85

4.7.Выводы………………………………………………………………….....86

5.ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………………87

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

7.ПРИЛОЖЕНИE……………………………………………………………...95

3

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 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 ЭМАПе мощных постоянных магнитов. Этот фактор усложняет их практическое применение при ручном УЗ контроле, т.к. эффект притяжения преобразователя к ферромагнитым материалам затрудняет процедуры

4

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.

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 магнитной системы ЭМАПа для импульсного режима работы, исследовать поведение поля подмагничивания в

5

импульсном режиме и на этой основе разработать конструкцию индуктора

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 ЭМАПа 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.

Методы исследования

При выполнении работы использовались теоретические и экспериментальные методы исследования. Теоретические исследования выполнялись на основе теории электро-магнитного поля, теории радиотехнических цепей и сигналов, метода эквивалентных схем. В

экспериментальных исследованиях использовались макетирование и натурный эксперимент.

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 ЭМАПа) необходима энергия 0,7 Дж для одного цикла

6

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 ЭМАПа, 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 ЭМАПа при изменении поля подмагничивания.

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 ЭМАПа с радиальной поляризацией при контроле ферромагнитных материалов амплитуда эхо-

сигнала зависит от взаимного направления токов в подмагничивающем и сигнальном индукторах.

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 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

7

аккумуляторов и сильноточных ключей с малым внутренним сопротивлением,

что обеспечило возможность формирования импульсов тока величиной до

150А в катушке подмагничивания с высоким К.П.Д.

3.Разработан малогабаритный УЗ ЭМА толщиномер с импульсным подмагничиванием А1270PM, проведены его испытания и подготовлен серийный выпуск.

Защищаемые положения

На защиту выносится:

1.Математическая модель импульсного подмагничивания.

2.Результаты исследования динамики магнитного поля.

3.Результаты оптимизации параметров подмагничивающей системы ЭМАПа.

4.Разработанная схема питания подмагничивающей системы.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения,

списка литературы и приложений.

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована ее цель, и 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

8

неферромагнитных и ферромагнитных материалов, замыкающих магнитную цепь электромагнита. Исследования проводились путем математического моделирования с использованием метода конечных элементов (МКЭ).

Втретьей главе описаны результаты экспериментальных исследований акустического тракта УЗ толщиномера, построенного с применением ЭМАПов

симпульсной системой подмагничивания. Опрелелялись реальные характеристики сигналов и помех. Оценивались энергозатраты, необходимые для работы системы импульсного подмагничивания.

Вчетвертой главе описана структурная схема и основные технические решения малогабаритного ручного ЭМА толщиномера с импульсным подмагничиванием А1270PM, построенного на базе результатов выполненных в работе исследований. Приведены основные технические характеристики и результаты метрологических испытаний прибора. Описаны основные отличительные особенности толщиномера нового типа.

Взаключении приведены основные результаты работы и намечены пути дальнейших исследований.

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.

9

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 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, вызванного 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 или отказаться от повреждения защитного покрытия.

Особенно это востребовано для объектов, которые продолжают работать в процессе контроля.

Основные виды контролируемых материалов.

К основным видам материалов, контролируемых ЭМА толщиномерами

относятся следующие:

Различные марки сталей

Легкие сплавы

Цветные металлы

Внекоторых типах нержавеющих сталей, имеющих низкую проводимость,

ЭМА преобразование имеет очень низкую эффективность и поэтому контроль изделий из подобных материалов затруднен.

Характерные погрешности ЭМА толщиномеров.

Возбуждающее поле 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

10