CC BY
159
В.С. Семенов, А.П. Рябцев, А.Е. Мудров
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ МЕТОДЫ ДЕФЕКТОСКОПИИ И КОНТРОЛЯ В СФТИ И ТОМСКОМ ГОСУНИВЕРСИТЕТЕ
Одно из старейших научных направлений в Томском госуниверситете и СФТИ - исследования по электромагнетизму, связанные с теорией и практикой электромагнитного контроля материалов и изделий.
Основателем этого направления был профессор Александр Борисович Сапожников, столетие со дня рождения которого научная общественность Томского госуниверситета отметила в 1999 году. Имя профессора А.Б. Сапожникова, как и имена В.К. Аркадьева, Н.С. Акулова, А.И. Януса, хорошо известно в нашей стране в связи с широким кругом рассмотренных им вопросов и огромным вкладом в теорию и практику физики неразрушающего контроля.
Конкретная работа началась в 1935 году, когда руководство Кузнецкого металлургического комбината (КМК) обратилось в СФТИ с предложением принять участие в разработке методики производственного контроля и отбраковки дефектных рельсов при их производстве на заводе. Предложение было принято, несмотря на довольно частную формулировку и утилитарный характер задачи.
Работа с КМК длилась несколько лет вплоть до Великой Отечественной войны. В 1935 году к ее выполнению была привлечена группа энтузиастов из числа студенческой молодежи. Руководил работами в то время старший научный сотрудник отдела колебаний СФТИ доцент А.Б. Сапожников. В те годы для контроля стальных изделий широко применялся метод магнитной дефектоскопии [1], в котором дефекты выявлялись с помощью намагничения изделий постоянным магнитным полем. Переменное же магнитное поле для этой цели почти не использовалось в связи с тем, что оно не проникало внутрь изделий и не способствовало обнаружению внутренних дефектов. Однако возбуждаемые переменным магнитным полем вихревые токи хорошо «замечают» дефекты, изнутри выходящие на поверхность или к самой поверхности изделия. Такие дефекты являются довольно распространенными и самыми опасными. Их «заметность» может быть существенно улучшена путем усиления слабых электрических колебаний, появившихся под влиянием дефекта, в то время как при использовании постоянного поля этого сделать практически нельзя. Следует добавить, что магнитная дефектоскопия использует искажения магнитного поля вследствие изменения магнитной индукции на месте дефекта, в силу чего она пригодна только для ферромагнитных тел. Дефектоскопия же с помощью вихревых токов, возбуждаемых переменным магнитным полем в проводниках, более универсальна, поскольку применима к любым проводящим телам.
Таким образом, к середине 30-х годов вопрос о принципиальной возможности использования переменного магнитного поля для дефектоскопии проводящих, в том числе магнитных тел, был достаточно ясен. Нужно было изучить электромагнитные процессы, лежащие в основе дефектоскопических методов, выяснить корреляцию электромагнитных полей с ти-
пами дефектов (к примеру, в железнодорожных рельсах их насчитывается несколько десятков разновидностей), разработать методы дефектоскопии и создать сами дефектоскопы. Все это надолго определило научные интересы школы университетских магнитофи-зиков, руководимых А.Б. Сапожниковым.
Через год после начала работы с КМК были получены первые обнадеживающие результаты, свидетельствующие о перспективности использования метода переменных магнитных полей для дефектоскопии рельсов. Как оказалось, метод с большим удобством мог быть применен для проверки рельсов непосредственно на полотне железной дороги. Вихревые токи дефекта с помощью усилителя легко обнаруживались индуктивным искателем дистанционно, правда, в непосредственной близости от рельса. Это обстоятельство оказалось весьма полезным для создания практических систем эффективных и надежных путевых дефектоскопов. Сама дефектоскопия рельсов на полотне железной дороги представлялась совершенно необходимой хотя бы потому, что наиболее значительная часть дефектов возникала в процессе эксплуатации рельсов и, следовательно, требовалась регулярная их проверка.
В 1936 году была запущена маломощная экспериментальная установка на переменном токе звуковой частоты, которая уверенно обнаруживала визуально незаметные дефекты и трещины, выходящие на поверхность рельса. Работа с этой установкой дала первый опыт, который вскоре понадобился при создании первого путевого дефектоскопа. Так было положено начало целой серии путевых дефектоскопов со знаменитой маркой СФТИ [2].
К лету 1939 года было изготовлено 9 опытных моделей дефектоскопов. Для популяризации дефектоскопа среди специалистов-путейцев, испытания дефектоскопов в эксплуатационных условиях, для получения экспериментального материала и накопления опыта применения был задуман научно-технический поход с дефектоскопами по главной магистрали Томск - Москва. В походе участвовало 13 бригад, в состав которых входили сотрудники СФТИ и ТГУ, а также большая группа специально подготовленных на курсах работников пути. Вся трасса была распределена между бригадами, на долю каждой бригады приходилось около 200 км пути. Поход был успешно завершен в месячный срок и дал богатейший научный материал [3]. Обобщение этого материала существенным образом продвинуло вперед рельсовую дефектоскопию как таковую и способствовало созданию ее научных основ. Окончательная реализация результатов и выводов научно-технического похода на практике была закончена в последние военные годы: дефектоскопная тележка ДС-13 усилиями А.Б. Сапожникова и его учеников (Б.П. Кашкина, Н.В. Мироши-на) была доведена до промышленного образца, сдана в серийное производство и поступила на вооружение железнодорожного транспорта страны в 1945 году.
Метод контроля рельсов при помощи переменных магнитных полей, успешно реализованный в дефектоскопных тележках, был обстоятельно испытан на за-воде-изготовителе (КМК), где он, казалось бы, мог найти широкое применение для обнаружения волосовинных трещин в подошве, головке и шейке рельса. Этот вид трещин нередко занимал по заводскому браку первое место. Особую опасность представляли рельсы с трещиной в подошве. Заводской контроль сводился к осмотру рельсов и к проверке подозрительных мест при помощи вырубания стружки. Опыт дефектоскопии волосовин переменными полями не привел тогда к положительному решению вопроса: выяснилось, что сигналы, даваемые поисковой аппаратурой на дефектах-волосовинах, во многих случаях маскируются сигналами от «помех» - различных структурных неоднородностей испытуемого рельса (наклепов, неровностей и т.д.). Указанные явления наблюдались и на рельсах, уложенных в пути, но там, как правило, сигнал дефекта превалировал.
Отсутствие ближайших возможностей использовать для заводского контроля рельсов индукционные дефектоскопы на переменных полях побудило коллектив лаборатории дефектоскопии СФТИ во главе с профессором А.Б. Сапожниковым провести исследования с порошковым методом обнаружения трещин при циркулярном (бесполюсным) намагничении испытуемого рельса проходящим по нему током. Экспериментальные исследования дали положительный результат, и на базе их был разработан и установлен в рельсоотделочном цехе КМК экспериментальный макет порошкового дефектоскопа. Дальнейшие работы по порошковой дефектоскопии на КМК были прекращены в связи с началом войны. В период военного времени порошковый метод широко использовался лабораторией дефектоскопии при разработке дефектоскопной аппаратуры для нужд томских заводов (контроль прутков, матриц, пуансонов и других деталей) [4 - 6].
Последней разработкой в области порошковой дефектоскопии явился портативный прибор «МК» (магнитный карандаш), предложенный Мирошиным Николаем Васильевичем, учеником Александра Борисовича [7]. Весь дефектоскоп состоял из прямого магнита с остро заточенным полюсом; на последнем набирается индикаторный порошок, который затем наносится на изделие при помощи самого же намагничивающего данный участок изделия полюса. Существенное достоинство дефектоскопа «МК» состоит в том, что им можно контролировать труднодоступные, а также невыгодные для обычных способов намагничения места изделия. Дефектоскоп «МК» пользовался довольно большой популярностью и в течение ряда лет (50 - 60-е годы) производился небольшими партиями в экспериментальных мастерских СФТИ.
Следует отметить, что успешной разработке дефектоскопической аппаратуры способствало то, что с самого начала работы велись на базе широких теоретических и экспериментальных исследований. Первым теоретическим исследованием процесса дефектоскопии переменным полем явилась работа Владимира Николаевича Кессениха, который построил интегро-дифференциальное уравнение для определе-
ния плотности вихревых токов в проводящем теле [8]. Продолжением начатых аналитических исследований явились работы А.Б. Сапожникова с учениками (Б.П. Кашкиным, В.И. Иванчиковым, Н.В. Мироши-ным, П.Н. Большаковым и др.) и группы университетских математиков во главе с Георгием Александровичем Бюллером. В результате этих работ к началу 50-х годов были заложены теоретические основы электромагнитной дефектоскопии металлических тел, которые приобрели свою наиболее законченную форму в фундаментальном четырехтомном труде А.Б. Сапож-никова «Основы электромагнитной дефектоскопии металлических тел», представленном им в качестве докторской диссертации [9].
Рассмотрим основные направления исследований этого периода, в том числе вошедшие в «Теоретические основы электромагнитной дефектоскопии металлических тел».
Примерно с 1943 года в тематику лаборатории были включены вопросы электротоковой дефектоскопии, наиболее простого метода контроля после магнитопорошкового. В результате проведенных исследований изучены численно картины распределения добавочного потенциала, создаваемого в безграничной проводящей среде, обтекаемой постоянным током, включениями в форме эллиптического цилиндра и эллипсоида при различной ориентировке этих включений по отношению к току.
Проведены аналитические и экспериментальные исследования (на моделях) искажения электрического поля постоянного тока на поверхности безграничной пластины с симметричным цилиндрическим дефектом посредине.
Аналогичные расчеты проведены для некоторых задач в случае, когда изделие аппроксимируется в виде полупространства.
Исследованы отдельные вопросы токовой толщи-нометрии.
Проведен ряд расчетов для особенностей структуры внешнего и внутреннего полей кругового цилиндра, содержащего продольный дефект и обтекаемый постоянным током.
Значительную группу исследований составляют расчеты намагничивания простейших тел в постоянном и переменном однородном первичном поле. Предметами специального исследования являлись пруток с конечным прямоугольным сечением в продольном однородном переменном поле и двухслойная бесконечно широкая пластина в аналогичных условиях намагничения. Подробно была рассмотрена задача о поперечном намагничении двухслойного эллиптического цилиндра постоянным однородным полем и задача об однородном намагничении эллипсоида.
Все перечисленные вопросы исследовались с точки зрения интересов электромагнитной дефектоскопии или структурного анализа. В связи с этим находились выражения для магнитного потока внутри рассматриваемых тел или рассчитывалась структура их внешнего магнитного поля.
Попутно с вопросами намагничения тел рассматривались отдельные родственные им задачи из области магнитного экранирования. Существенное внимание уделялось вопросу о полях тел «нерасчетных».
В этом направлении велись приближенные расчеты и проводились опытные исследования. Значительный комплекс таких исследований в однородных переменных магнитных полях был выполнен в связи с изучением поведения немагнитных круговых цилиндров конечной длины в поперечном поле (Г.А. Бюллер, Б.А. Антипов) [10, 11].
В большинстве случаях электромагнитного контроля первичное поле, в которое вносится испытуемое изделие, имеет локальный характер и не может даже приближенно считаться однородным.
Простейшими идеализированными источниками локальных полей являются магнитные полюсы, диполи и токонесущие провода, из которых затем можно составлять витки и катушки, являющиеся основой для проходных и накладных преобразователей. В связи с указанным обстоятельством в лаборатории дефектоскопии СФТИ примерно с 1943 года проводились расчеты намагничения простейших объектов и структур в сосредоточенных полях.
Первое исследование в этом направлении провел Б.П. Кашкин, рассмотревший аналитически и численно задачу о прямом проводе, обтекаемом переменным током, расположенным над ферромагнитным полупространством [12].
Аналогичный расчет для двух токонесущих проводов и немагнитного полупространства проделал В.И. Иванчиков [13]. В дальнейшем был проанализирован случай магнитного полупространства, намагничиваемого переменным полем длинной прямоугольной катушки [14]. Н.В. Мирошин провел расчет картины распределения вихревых токов, возбуждаемых в полупространстве полем сосредоточенного источника [15]. Им же рассмотрена задача о внешнем поле безграничной пластины с заданной толщиной и электромагнитными параметрами, над которой располагается намагничивающий ее полюс переменного знака или круглый токонесущий виток. Полученные результаты имеют непосредственное отношение к теории электромагнитной толщинометрии, т.е. к оценке толщины пластины по характеристикам поля. Аналитические исследования намагничения тел сосредоточенными источниками поля, как правило, сильно затрудняются тем обстоятельством, что полученные при этом решения выражаются в неэффективной форме, требующей большого численного анализа. Такой анализ и был проведен в большинстве названных выше задач. При имеющейся в то время вычислительной техники (арифмометр «Феликс») можно представить, какого труда это стоило. В связи с этим определенный интерес представляет использование допустимых в реальной обстановке упрощений.
Одним из возможных случаев в этом смысле является слабая выраженность магнитных свойств исследуемых объектов. С учетом этого упрощающего момента рассмотрен ряд задач, в которых однородное полупространство намагничивается сосредоточенными источниками различных типов [16 - 19].
Вопросы, связанные с намагничением тел, решаются в классической электродинамике почти исключительно в линейном приближении, то есть в предположении, что магнитная индукция всегда пропорциональна намагничивающему полю. Реальные задачи
дефектоскопии настоятельно требуют учета нелинейного характера зависимости индукции от поля. Поэтому вопросу учета нелинейности в исследованиях СФТИ всегда уделялось значительное внимание. В частности, приближенно аналитически удалось рассмотреть задачу о поле полупространства со скрытой полостью-дефектом в форме эллиптического цилиндра. Удалось также, используя метод последовательных приближений (метод «малого параметра»), провести расчет поля около круглого цилиндрического дефекта в неограниченной среде [19, 20].
Значительное внимание всегда уделялось вопросам учета нелинейности в условиях переменного намагничения тел. Здесь прежде всего нужно отметить один интересный нелинейный эффект, открытый в 1956 году. Эффект состоит в том, что глубинный дефект в ферромагнитном теле, не выявляющийся при намагничении последнего слабым переменным полем из-за сильно выраженного скин-эффекта и незначительной величины поля, начинает четко обнаруживаться индукционными датчиками, если дополнительно наложить на тело достаточно сильное постоянное поле. Описанное явление получило качественно и частично количественное толкование [21]. На базе его с определенным успехом разрабатывался новый вариант методики выявления скрытых дефектов. Сущность этой методики заключается в том, что скрытый дефект в ферромагнитном изделии может быть выявлен при помощи дефектоскопа переменного поля, если это изделие внести в достаточно сильное постоянное поле. К числу работ более позднего времени относятся аналитические и экспериментальные исследования магнитостатических полей рассеяния поверхностных дефектов с учетом влияния на поле дефекта нелинейности кривой намагничения [22, 23]. Кроме того, в последнее время в рамках конверсии проводятся работы по исследованию возможности использовать нелинейное рассеяние зондирующего электромагнитного излучения контролируемым объектом (дефектом) с целью повышения помехозащищенности и надежности электромагнитных методов дефектоскопии и контроля. Суть этого эффекта заключается в том, что некоторые объекты (дефекты) или их элементы при облучении электромагнитными волнами обладают способностью генерировать спектральные составляющие, отсутствующие в спектре падающего потока электромагнитного излучения. Само явление обратного излучения на составляющих (гармониках) спектра, наблюдаемое при облучении некоторых металлических объектов, в частности подверженных коррозийным воздействиям электромагнитными волнами, известно давно, еще с начала 40-х годов. Но лишь в конце 60-х годов этот эффект начали использовать целенаправленно для решения различных радиолокационных задач в условиях сильных фоновых полей от поверхности земли, листвы, деревьев, морской поверхности и т.д. [24].
С начала 70-х годов эффект нелинейного рассеяния начал использоваться для целей инженерной разведки, в основном для обнаружения скрытых объектов, содержащих в своем составе радиоэлектронные устройства [3]. Большое внимание методу нелинейной радиолокации уделяется за рубежом. В частности,
приводится описание нелинейных устройств для обнаружения жертв лавины. Приводится описание эффективной детекторной системы, предназначенной для быстрого осмотра больших групп людей с целью обнаружения спрятанного оружия. Имеется информация о разработке ИСА (Информейшн Секьюритти Ас-сошиэйтс) детектора для обнаружения микроэлектроники, вмонтированной в стены, в мебель, в пол. Детектор реагирует на подслушивающие устройства независимо от того, включены они или выключены.
Для целей неразрушающего контроля, диагностики и дефектоскопии эффекты нелинейного рассеяния и основанный на них метод нелинейной радиолокации практически не применяются. Имеется лишь весьма скудная информация об этом. Так, в 1975 году в Риге на II Всесоюзной межвузовской конференции по электромагнитным методам контроля материалов и изделий было сделано сообщение о некоторых экспериментальных исследованиях эффекта нелинейности, возникающего на границах линейно проводящих сред. Имеется также информация о генерации нечетных гармоник, обусловленных нелинейностью контактных соединений типа металл - окисел - металл в некоторых объектах контроля [24].
В то же время перспективность использования метода нелинейного рассеяния для дефектоскопии и контроля весьма обнадеживающая из-за высокой вероятности появления нелинейности в дефектных местах: усиленная коррозия, окислы, непровары сварных швов и т.п.
Перспективность практического использования метода тоже очень заманчива, особенно для дистанционного контроля и диагностики различных трубопроводов в полевых условиях.
Видное место в работах СФТИ занимают исследования электромагнитных процессов, происходящих в проводящих телах, движущихся в постоянном магнитном поле. Эти исследования связаны с вопросами скоростного контроля, в частности с новыми повышенными требованиями скорости проверки рельсов в пути. Начало этих работ относится к 1945 году [25]. Они проводились в плане как теоретических, так и экспериментальных исследований.
В направлении построения теории задачи получены аналитические выражения для плотности вихревых токов в бесконечно длинных тонкостенных немагнитных трубках круглого и прямоугольного сечения, движущихся с заданной скоростью в поле точечных и линейных полюсов и диполей. Часть этих выражений численно проанализирована, и найден характер зависимости картины распределения токов и их магнитных полей от скорости движения [26].
В 1972 году Г. А. Бюллером получено полное решение задачи определения магнитного поля в плите, движущейся с постоянной скоростью в переменном плоском электромагнитном поле [19, 20]. Остановимся на некоторых моментах, связанных с работами по неразрушающим методам контроля изделий из полу-проводящих и диэлектрических материалов и струк-туроскопии самих материалов. Прежде всего следует отметить непригодность методов, основанных на использовании статических и квазистатических полей для целей контроля и структуроскопии полупроводя-
щих и непроводящих материалов, изделий и заготовок из них. Для разработки эффективных методов контроля необходимо применять высокочастотные и сверхвысокочастотные поля, позволяющие на основе «электрической» составляющей электромагнитных полей делать заключение об отклонениях от нормы в структуре и качестве материала. В связи с этим был поставлен ряд задач, в которых источниками первичного поля являлись излучающие вертикальные и горизонтальные электрические и магнитные диполи [27, 28]. Аналитические и экспериментальные исследования в этом направлении были проведены в широком диапазоне частот, значений диэлектрических проницаемостей и проводимостей. Была решена, в частности, задача о влиянии плоскослоистой среды на импеданс горизонтальных линейных антенн в качестве первичных преобразователей [29]. Численные результаты расчета позволили выяснить зависимость входного сопротивления горизонтальной антенны в зависимости от электрофизических параметров диэлектриков.
Приведенный краткий обзор показывает, что старейшая на востоке страны школа магнитофизиков университета и СФТИ имеет большие заслуги в становлении и развитии электромагнитной дефектоскопии как отрасли науки и является инициатором внедрения передовых методов дефектоскопии на транспорте и в промышленности.
Следует отметить, что актуальность работ по неразрушающему контролю сохраняется и в настоящее время. Дело заключается в следующем.
Уровень промышленного развития передовых стран на современном этапе характеризуется не только объемом производства и ассортиментом выпускаемой продукции, но и показателями ее качества.
По данным Европейской организации по контролю качества [30] примерно 10% национального продукта любой страны теряется из-за низкого качества материалов и изделий. Неразрушающий контроль служит могущественным средством борьбы с этими потерями, поэтому его развитие относится и всегда будет относиться к числу важнейших направлений научно-технического прогресса.
С целью повышения качества изделий предприятия постоянно увеличивают объемы операций контроля и численность контролирующего персонала.
В традиционных отраслях промышленности США, например, затраты на контроль качества составляют в среднем 1 - 3% стоимости выпускаемой продукции, а в таких отраслях промышленности, как оборонная, атомная, аэрокосмическая, затраты на контроль качества возрастают до 12 - 20%.
Остановимся еще на некоторых направлениях исследований, связанных с работами по неразрушающему контролю в более поздний период, в том числе и в настоящее время.
К этой группе относятся прежде всего исследования, направленные на разработку СВЧ-методов контроля полупроводниковых материалов с помощью квазистатического резонатора. В этих исследованиях используется явление взаимодействия локального СВЧ-электрического поля со свободными носителями в полупроводниковых материалах. Измерение потерь,
вносимых полупроводниковым образцом в локальное поле СВЧ-резонатора квазистатического типа, позволяет определять основные электрофизические параметры (удельное сопротивление, подвижность и время жизни носителей тока) в образцах произвольной формы (пластинах, слитках, стержнях, двухслойных структурах).
На основании разработанной под руководством А.С. Петрова и Ю.В. Медведева безэталонной методики создана эффективная аппаратура для бесконтактного измерения основных электрофизических параметров полупроводников (Ю.В. Медведев) [34 - 37].
К этой же группе исследований относятся теоретические и экспериментальные работы, связанные с применением для целей контроля квазиоптических СВЧ-резонаторов (Г.Е. Дунаевский) [38 - 40].
В 1975 - 1976 годах квазиоптический метод впервые был применен для измерения диаметра жилы сверхтонкого (порядка 1 мкм и менее) микропровода в стеклянной изоляции. Позднее были проведены исследования возможности контроля толщины слоя диэлектрика, позволяющие решить важную практическую задачу контроля качества тонких синтетических пленок (из лавсана, полиэтилена, поливинила и т.д.). И, наконец, еще об одном из направлений, которые развиваются в институте на базе работ по неразрушающему контролю с конца 60-х годов. Имеется в виду направление, связанное с электромагнитным зондированием подстилающей поверхности и обнаружением локальных и протяженных неоднородностей (трубопроводов, кабелей, люков колодцев, пожарных гидрантов), в том числе инженерных боеприпасов (мин, фугасов) в укрывающих средах.
С середины 60-х годов разработка электромагнитных методов контроля в значительной мере была направлена на решение задач поиска и обнаружения определенного рода объектов, находящихся под поверхностью различных укрывающих сред, таких, например, как грунт, вода.
На основе аналитических и численных методов решения сложных граничных задач, а также на базе большого объема экспериментальных исследований были выявлены закономерности взаимодействия электромагнитных полей в широком частотном диапазоне с объектами поиска и основные сопутствующие факторы, влияющие на рабочие характеристики средств обнаружения.
Это позволило в конце 60-х - начале 70-х годов в рамках оборонной тематики приступить к разработке ряда высокоэффективных средств разведки различного назначения.
В качестве одного из примеров подобного устройства может служить многоканальная поисковая система на воздушной подушке, которая обеспечивала высокий темп поиска находящихся под поверхностью воды металлических объектов и точное определение их местоположения на скоростях до 100 км/ч.
Основные технические решения указанной системы в дальнейшем были использованы при разработке широкозахватного дорожного миноискателя ДИМ-М, который был принят на вооружение и выпускался серийно до начала 90-х годов.
Кроме этого, был проведен большой цикл теоретических и экспериментальных работ по исследованию возможности обнаружения в земле и других укрывающих средах неметаллических объектов (неметаллические мины) электромагнитными методами. В результате этих исследований в СФТИ совместно с НИИ «Проект» разработан первый в нашей стране миноискатель для обнаружения неметаллических мин. В дальнейшем был разработан целый ряд искателей, которые были приняты на вооружение нашей армии и производились серийно на одном из томских заводов.
В 1990 году коллективу разработчиков СФТИ за создание и внедрение новой техники была присуждена премия Совета Министров СССР.
В этот же период для развивающейся нефтедобывающей промышленности Томской области были разработаны методы и технические средства обнаружения и идентификации подземных инженерных коммуникаций. Создание и внедрение таких средств в регионах интенсивной техногенной деятельности является исключительно актуальной проблемой, особенно в России, где по трубам перемещается 96% сырой нефти и весь природный газ, а также большое количество химических и других продуктов. Только подводные переходы трубопроводов через реки и озера, болота и водохранилища превышают 300 тыс. км. Особенно много трубопроводов, в основном, нефте- и газопроводов в районах нефтяных и газовых месторождений. Актуальность проблемы оперативной диагностики трубопроводов связана, прежде всего, с тем, что они могут явиться источником глобального загрязнения окружающей среды.
Одним из первых был разработан портативный ра-диоволновый искатель подземных протяженных коммуникаций «РИПК-1». Принцип действия искателя коммуникаций основан на использовании электромагнитных полей радиовещательных станций или станций спецназначения (по терминологии геофизиков, метод радиокип). В период 1974 - 1975 годы были проведены широкие испытания прибора на крупнейших нефтяных месторождениях Западной Сибири и Татарии, в цехах и на территории крупных индустриальных предприятий, в городских условиях.
Проведенные испытания показали, что прибор «РИПК-1» может использоваться строительными, коммунальными, проектно-изыскательскими организациями для целей топографической привязки коммуникаций, определения мест заложения электрокабелей, водопроводов, теплотрасс, телефонных кабелей, газопроводов и нефтепроводов.
В 1993 году в СФТИ проводилась ОКР по созданию комплекса аппаратных средств по обнаружению несанкционированного подключения к кабельным линиям связи с целью перехвата информации. Заказчиком работы выступало Управление связи Минобороны РФ. В результате выполнения ОКР были разработаны опытные образцы более совершенных трассо-металлоискателей, позволяющие обнаруживать как протяженные подземные металлические коммуникации, так и отдельные (локальные) металлические объекты с возможностью их селекции по фазовому признаку.
Принцип действия комплекса основан на бесконтактном дистанционном гармоническом возбуждении и регистрации полей токов, наведенных в объектах поиска. Определение координат трубопроводов или локального объекта основывается на фиксации характерных точек кривой изменения напряженности электромагнитного поля создаваемого объектом поиска в окружающем пространстве.
В настоящее время в отделе радиофизических методов контроля СФТИ под руководством зав. сектором В.Г. Дыбовского проводится работа по заданию Министерства обороны РФ, связанная с разработкой эффективного метода и аппаратурного комплекса для обнаружения проводных линий управления инженерными боеприпасами. Кроме этих работ на кафедре радиоэлектроники Томского государственного университета проводятся исследования по разработке эффективного метода для определения компонентного состава продукции нефтедобывающих скважин (А.Е. Мудров, Г.А. Редькин, В.А. Мещеряков, А.А. Жуков). Впервые задача определения содержания воды в нефти на устье скважин была поставлена по программе «Нефть и газ Томской области» в 80-е годы. В результате проведенных исследований [31 - 34] был предложен и в макетном варианте испытан в реальных условиях датчик для измерения содержания воды в нефти в интервале водосодержа-ния от нуля до 100 % с точностью не хуже 5 %. Материалы разработки были защищены авторскими свидетельствами [33]. Работа прибора основывается на решении обратной задачи распространения запредельных типов колебаний в односвязной волноведущей структуре, исполняющей роль первичного преобразователя электрофизических параметров водонефтяной смеси в электрический сигнал.
В начале 80-х годов в рамках так называемой продовольственной программы СФТИ был привлечен к разработке ряда технических средств сельхозназначения, базирующихся на использовании электромагнитных методов контроля различных технологических процессов переработки сырья и контроля качества готовой продукции.
Для системы защиты высокопроизводительного оборудования по переработке сельхозпродукции от поломок при попадании инородных металлических предметов в перерабатываемое сырье был разработан ряд металлодетекторов: металлодетектор МД-2, предназначенный для защиты измельчающего агрегата кормоуборочного комбайна КСК-100, выпускался серийно до 1986 года на одном из предприятий электронной промышленности, а с 1996 года на базе экспериментально-опытного производства СФТИ был налажен выпуск металлокамнедетектора МД-8 для кормоуборочного комбайна нового поколения «Полесье-700».
Кроме того, для нужд текстильной промышленности был разработан унифицированный ряд металлоде-текторов МД9-МД12, предназначенных для защиты различных видов перерабатывающего оборудования (чесальных, щипальных, рубочных машин).
В начале 90-х годов в рамках выполнения конверсионных программ, а также по просьбе ЗападноСибирского металлургического комбината, СФТИ при-
ступил к разработке новых средств технологического контроля и промавтоматики, базирующихся на использовании научно-технического задела в области электромагнитных методов контроля и последних достижений в области радиоэлектроники и информатики.
Примером подобного рода устройств может служить радиолокационная дальномерная система (РДМС), предназначенная для бесконтактного измерения уровней жидких и сыпучих материалов в различных технологических емкостях и хранилищах. На базе аппаратных средств РДМС могут создаваться многоканальные системы автоматизированного учета расходных материалов и готовой продукции для различных производств химической и металлургической промышленности. В настоящее время на базе накопленного опыта промышленной эксплуатации РДМС на предприятиях металлургической и коксохимической промышленности завершается разработка новой системы РДМС-2, отличительной особенностью которой является ее способность самоадаптироваться к условиям в зоне контроля и, тем самым, обеспечивать максимально возможную точность измерений независимо от вида контролируемого материала. Все эти работы проводились в отделе радиофизических методов контроля.
Следует также отметить разработанную радиоэлектронную систему измерения уровня границы раздела отличающихся своими электрофизическими параметрами жидких продуктов коксохимического производства.
В 1997 году по инициативе предприятий «Гипс-Кнауф» и «Joint Power» был разработан и запущен в серийное производство конвейерный металлодетектор МД800-2К, отличительной особенностью которого является использование нового принципа электромагнитного зондирования контролируемого пространства. Основное преимущество указанного металлоде-тектора заключается в том, что за счет полимодально-го метода контроля обеспечивается полная электромагнитная совместимость нескольких датчиков металла, а это, в свою очередь, позволяет достаточно гибко конфигурировать контролируемую зону с максимально возможным учетом специфических особенностей технологического оборудования.
В настоящее время МД 800-2К нашли достаточно широкое применение на предприятиях лесоперерабатывающей промышленности Архангельской области, на горноперерабатывающих и обогатительных предприятиях Урала, на предприятиях металлургической и углеперерабатывающей промышленности Кузбасса, а также на ряде предприятий стройиндустрии.
Подводя краткий итог работ в области дефектоскопии и электромагнитного контроля [35], следует подчеркнуть одно важное обстоятельство - вся история развития этого научного направления характеризуется сочетанием фундаментальности в постановке и глубине разработки проблем с практической целенаправленностью, тесной связью с нуждами народного хозяйства страны, интересами промышленности Сибири, производства. Все научные проблемы исходили из потребностей практики, опирались на практику, а научные результаты находили свое применение на практике.
1. Аркадьев В.К. Электромагнитные процессы в металлах. М., 1934.
2. Сапожников А.Б. Описание путевых дефектоскопов СФТИ. Томск, 1941.
3. Шилов Н.М. // Труды СФТИ. 1945. Т.7. С. 34.
4. Материалы совещания по применению электромагнитных методов контроля // Труды СФТИ. 1949. № 29.
5. Кашкин Б.П. // Труды СФТИ. 1949. Т. 29. С. 43.
6. Кашкин Б.П. // Труды СФТИ. 1949. Т. 29. С. 51.
7. А. с. 105814. Магнитный карандаш / Мирошин Н.В.
8. КессенихВ.Н. // ЖТФ. 1938. № 8. С. 532.
9. Сапожников А.Б. Основы электромагнитной дефектоскопии металлических тел: Дис. ... докт. ф.-м. наук. Томск, 1951.
10. Бюллер Г.А. // Труды СФТИ. 1948. Т. 26. С. 213.
11. Антипов Б.А. // Труды СФТИ. 1948. Т. 26.
12. Кашкин Б.П. // Труды СФТИ. 1970. Т. 30. С. 115.
13. Иванчиков В.И. // Труды СФТИ. 1950. Т. 30. С. 53.
14. Большаков П.Н. // Труды СФТИ. 1950. Т. 30. С. 155.
15. Мирошин Н.В. // Труды СФТИ. 1948. Т. 26. С. 238.
16. Семенов В.С. // Изв. вузов. Физика. 1961. № 2.
17. Семенов В.С. // Изв. вузов. Физика. 1961. № 3.
18. Семенов В.С. // Труды СФТИ. 1970. Т. 52. С. 48.
19. Семенов В.С. // Труды СФТИ. 1970. Т. 52. С. 59.
20. Сапожников А.Б. Теоретические основы электромагнитной дефектоскопии металлических тел. Т. 1. Томск: Изд-во Том. ун-та, 1980.
21. Мирошин Н.В. // Изв. вузов. Физика. 1960. № 4. С. 139.
22. Новикова И.А., Мирошин Н.В. // Труды СФТИ. 1976. Т. 61. С. 117.
23. Новикова И.А., Мирошин Н.В. // Дефектоскопия. 1973. Т. 4. С. 95.
24. СеменовВ.С., ПарватовГ.Н., Попов А.А., РябцевА.П. // Дефектоскопия. 1999. № 9. С. 85-93.
25. Сычева Т.М. Вихревые токи в движущихся телах: Дис. ... канд. ф.-м. наук. Томск, 1951.
26. Кононков Б.Ф. // Изв. вузов. Физика. 1958. № 4. С. 48.
27. Радугин О.К., Фрумкис Л.С., Семенов В.С. // Труды СФТИ. 1970. Т. 52.
28. Радугин О.К., Фрумкис Л.С., Семенов В.С. // Труды СФТИ. 1970. Т. 52. С. 73.
29. Семенов В.С., Фрумкис Л.С., Шостак А. С. // Изв. вузов. Радиофизика. 1972. № 5. С. 773-777.
30. Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий: Справочник / Под ред. В.В. Клюева. М.: Машиностроение, 1976.
31. Детинко В.Н., Семенов В.С. Развитие физических наук в Томском университете. Томск: Изд-во Том. ун-та, 1981. С. 71-81.
32. Мудров А.Е., Мещеряков В.А., Редькин Г.А. // Изв. вузов СССР. Физика. 1979. № 4. С. 18-22.
33. Мудров А.Е., Мещеряков В.А., Редькин Г.А. // Изв. вузов СССР. Физика. 1979. № 9. С. 54-59.
34. А. с. 1531644. Устройство для измерения параметров нефти в трубопроводе / Редькин Г.А., Мудров А.И. и др.
35. Жуков А.А., Редькин Г.А., Мудров А.Е., Хасанов В.Я. // Дефектоскопия. 1998. № 10. С. 47-58.
