CC BY
0
УДК 620.179
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-9-596-597
ИССЛЕДОВАНИЕ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВИХРЕТОКОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ СЕРДЕЧНИКОВ РАЗЛИЧНОЙ ФОРМЫ
А.О. Катасонов, П.А. Шмыкова, С.Е. Кистаев, С.А. Войнаш, Р.Р. Загидуллин, И.В. Ворначева, И.В. Наседкин
Настоящее исследование ставит целью разработку сверхкомпактного преобразователя, использующего принципы вихревых токов и ориентированного на сканирование алюминиевых пластин. Актуальность заявленной темы обусловлена широтой применения алюминия и различных его сплавов в промышленности, авиа- и машиностроении, а также в быту. В данных обстоятельствах особую значимость обретают вопросы прогнозирования безопасности подобных изделий, а также подходы к измерению прочностных характеристик на стадии их производства. Описанная в настоящей работе сканирующая установка включает в себя компактный преобразователь трансформаторного типа на вихревых токах и позволяет осуществлять локальные измерения неферромагнитных материалов, основанные на регистрации локальной проводимости электрического тока. Установка, сочетающая в себе аппаратную и программную части ориентирована на экспериментальные исследования деталей из алюминия и его сплавов. В рамках научной работы проведено тестирование различных форм сердечников, используемых в качестве магнитопровода. Измерения осуществлялись при частотах сигнала на возбуждающем контуре от 300 до 700 Гц на дюралюминиевых пластинах, имеющих трещины протяженной формы и отверстия, принятые за модельные дефекты.
Ключевые слова: сердечники, вихретоковый преобразователь, алюминий, исследование трещин.
Контроль качества на промышленном производстве и в современных прикладных исследованиях имеет перманентную актуальность. По некоторым оценкам, в развитых странах расходы на контроль за соблюдением производственных норм составляет до 3% от стоимости конечной продукции в случае гражданского производства и до 20% в случае специального, такого как аэрокосмическая, атомная или оборонная промышленности [1].
В перечень методов неразрушающего контроля, получивших наибольшее распространение, входит контроль с применением вихревых токов (ВТК). Ключевым фактором ВТК является возможность проведения сканирования без непосредственного контакта преобразователя и объекта. Это обстоятельство позволяет повысить скорость проведения измерений при сохранении высокой степени достоверности полученных данных. Вместе с тем, перед разработчиками встает вопрос устранения помех, способных оказать влияние на значения полученного сигнала.
Вместе с тем, данный метод контроля обладает некоторыми ограничениями применимости, среди которых относительно небольшая глубина сканирования, малая площадь области сканирования, некоторые трудности при определении глубины расположения внутреннего нарушения структуры вещества, а также недостаточная эффективность в вопросе оценки геометрических параметров отдельных дефектов, залегающих в металле. Как правило, данные ограничения обуславливаются спецификой конструкции преобразователей и аппаратно-программной обработкой, выходного сигнала на недостаточном для целей исследования уровне. Ввиду этого, задачи создания сканирующих систем, способных осуществлять локальные измерения электрической проводимости в материалах, имеющих неоднородную структуру и поиска структурных нарушений вещества обретают особое значение.
Изделия и детали, выполненные из сплавов алюминия, применяются в широком спектре направлений современной техники, таких как автостроение, станкостроение и авиакосмическая отрасль. В этой связи внимание разработчиков и исследователей направлено на обеспечение должного уровня прочностных характеристик и механических свойств подобных деталей. Данная проблема освещается в ряде современных работ [2-6]. В качестве примера можно привести работу [2], которая посвящена выявлению трещин между двумя алюминиевыми пластинами с типичным дефектом по центру. В данной публикации описана установка, в состав которой входит измерительная обмотка диаметром 7 мм. Исследование опытного образца было проведено на частотах 1; 5 кГц. При этом расчетная глубина распределения вихревых токов в толще вещества на данной частоте составила 3,82; 1,71 мм. Также хотелось бы отметить работу [3], в которой описана экспериментальная установка, состоящая из двух вихретоковых преобразователей, функционирующих в дифференциальном режиме. Целесообразность применения подобной схемы объясняется ее способностью снижать влияние паразитных шумов, которые имеют место быть при поточном сканировании, на конечный сигнал и соответственно на точность измерения.
Наблюдающаяся в данной области контроля тенденция к миниатюризации вихретоковых преобразователей вызвана потребностью в локальных измерениях. Так, в настоящее время существуют установки, имеющие линейные размеры 5x5 мм и собранные из проволоки диаметром 0,15 мм в рабочей области [4]. Вместе с тем, такие системы далеко не всегда способны обеспечивать необходимую глубину проникновения магнитного поля и требуемые показатели локализации. Для решения данного вопроса применяются концентраторы магнитного поля из феррита с высокими показателями магнитной проницаемости, позволяющие обеспечить необходимый уровень локализации вихревых токов [5, 6]. Использование сердечников конусообразной формы [7] в накладных ВТП способствует повышению точности измерений и позволяет выявлять нарушения внутренней структуры вещества, имеющие малые линейные размеры.
Настоящее исследование преследует цель выявления дефектов в деталях из сплавов алюминия с помощью сканирующей установки, включающей в себя вихретоковый преобразователь, а также определение наиболее эффективной формы сердечника, используемого в нем.
Материалы и методы. Разработанная сканирующая установка ориентирована на контроль заданного параметра алюминиевых изделий на небольших участках [7]. В качестве такого параметра выступает электрическая проводимость вещества и ее распределение, как по поверхности, так и в толще. В состав установки входит преобразователь, который имеет подключение к плате Arduino, а также специальное программное обеспечение, реализованное на языке С++ и ориентированное на установку в персональные компьютеры под управлением ОС Windows. Роль
ПО состоит в гибком управлении подачей напряжения на возбуждающий контур преобразователя, регистрации в условных единицах показателей выходного напряжения, а также вычисление значений электропроводности на основе полученных данных с учётом предварительной калибровки.
втп
Рис.1. Схема работы датчика
Взаимодействие платы Лт&шю и ПК осуществляется через виртуальный СОМ-порт. Данная плата генерирует синусоидальный сигнал требуемой формы, а специально созданное ПО управляет частотой этого сигнала на плате. Далее, в соответствии со схемой установки, с целью достижения нужной амплитуды, сигнал направляется на специальный усилитель, коэффициент которого может изменяться в определенных пределах. Сигнал, прошедший процедуру усиления, подается на обмотку возбуждения преобразователя, в результате чего в объекте контроля наводятся вихревые токи. Результирующее поле контура возбуждения и вихревых токов в свою очередь наводит ЭДС в измерительной обмотке, показатели которого несут в себе данные о сканируемом объекте. Выходной сигнал преобразователя (регистрируемая ЭДС) подвергается усилению и фильтрации с применением фильтра Дельянна, совмещенного с селективным усилителем сигнала, после чего направляется на АЦП АМшпо. Далее сигнал оцифровывается и передается на ПК для визуализации в удобной для обработки форме.
В рамках данного исследования было собрано два преобразователя, выполненных в виде трансформатора, содержащего три обмотки: возбуждающую, измерительную и компенсационную. При этом компенсационная обмотка, задача которой состояла в вычитании сигнала от возбуждающей обмотки из результирующего сигнала, была подключена к измерительному контуру. При намотке обмоток бьша использована медная проволока толщиной 5 мкм. Контуры возбуждения и измерения имели 200 витков, компенсационная - 160^180 витков.
Тестируемые сердечники различались по форме (трапециевидная и заостренный конус) и материалам (феррит 2000 НМ3 и сплав 81НМА, имеющие показатели начальной магнитной проницаемости 500 и 35000 соответственно) и имели следующие линейные размеры: а = 2,2 мм, Ь = 1,8 мм, с =1,6 мм, dl = 0,15 мм, и а1 = 3,3 мм, с1 = 3,6 мм, d2 = 0,03 мм соответственно. Данные сердечники послужили основой для последующей сборки вихретоковых преобразователей.
а Ь
Рис.2. Форма и размеры сердечников: а - трапециевидная форма; 6 - форма заострённого конуса
Первый преобразователь (ВТП-1) имел следующие параметры: диаметр обмотки измерения - 0,15 мм, контура возбуждения - 0,3 мм, сердечник трапециевидной формы. Второй преобразователь (ВТП-2): размер обмотки измерения - 0,1^0,15 мм, контура возбуждения - 0,5 мм, сердечник в виде заостренного конуса.
Характеристики преобразователей подобраны с учетом цели минимизации рассеивания магнитного поля в границах участков от 2500 мкм2 при использовании низких частот (100-700 Гц) на контуре возбуждения, что в свою очередь обеспечивает существенную глубину проникновения поля в исследуемый образец.
Экспериментальные результаты и их обсуждение. Тестирование разработанной сканирующей системы проводилось на заранее подготовленных пластинах из сплава алюминия и магния (А1 - 94%, Mg - 3%), толщиной 5,5 мм, заведомо имеющих типичные дефекты с известными характеристиками. В перечень модельных дефектов образца №1 входили прорези толщиной 0,25 мм, расположенные на глубине от 1,0 до 5,3 мм. В тестировании каждого объекта участвовали оба преобразователя. Измерения, проводились с бездефектной стороны объекта. Их результаты представлены на рис. 3, 4, где и - напряжение, подаваемое на измерительный контур датчика, 1 - положение датчика относительно начала объекта.
На первом этапе тестированию были подвергнуты преобразователи с сердечниками из феррита №1 и №2. Оба варианта показали достаточно низкие результаты: 2 из 6 и 1 из 6 дефектов соответственно (рис. 3.). Исходя из данных результатов было принято решение заменить материал сердечника на отожжённый сплав 81НМА, имеющий значение магнитной проницаемости 35000, в целях повышения степени локализации магнитного поля, При использовании сердечников из сплава 81НМА были получены следующие результаты: ВТП с сердечником №1 - 5 дефектов из 6, ВТП с сердечником №2 - 2 дефекта из 6 (рис. 4.а.).
Рис. 3. Результаты сканирования образца №1 при помощи ВТП на основе сердечников из феррита: 1 - ВТП-1; 2 - ВТП-2
-1
1/ 2
о № » да 40 зд ьо то го I. mm
Рис. 4. а. Результаты сканирования образца M1 при помощи ВТП на основе сердечников из 81НМА:
1 - ВТП-1; 2 - ВТП-2
На втором этапе в качестве объекта контроля была выбрана пластина с 6 дефектами в виде углублений, диаметром 0,5 мм, расположенных на глубине от 1,0 до 5,3 мм (образец № 2). Результаты проведенных измерений представлены на рис. 4.б.
2
à Cl jl
LA/ ^ (D-JMi \
О 10 20 30 40 Б0 70 80
[, тт
Рис. 4. б. Результаты сканирования образца №2 при помощи ВТП на основе сердечников
из 81НМА: 1 - ВТП-1; 2 - ВТП-2
Осуществление сканирования на частоте 500 Гц преобразователем с сердечником №2 (материал - сплав 81НМА) установке удалось выявить 3 дефекта из 6. Сердечник №1 (материал - сплав 81НМА) показал более скромные результаты, 2 дефекта из 6, при этом локализация расположения дефектов при использовании таких сердечников связана с некоторыми трудностями.
Применение сердечников из феррита для сканирования образца №2 результатов не принесло.
Заключение. В рамках настоящего исследования была разработана сканирующая установка, базирующаяся на сверхкомпактных преобразователях, использующих принципы вихревых токов и ориентированная на выявление малых дефектов в объектах, изготовленных из сплавов алюминия и магния. При создании преобразователей применялись сердечники различных форм и размеров.
Исследование очертило границы применимости сердечников различных форм касательно вопроса их использования в преобразователях вихретокового типа в дефектоскопических целях. В частности, преобразователи, построенные на сердечниках трапециевидной формы способны успешно выявлять подповерхностные трещины большей протяженности, с шириной раскрытия 250 мкм. При этом отмечается существенное превосходство сердеч-
603
ников из сплава 81НМА над ферритовыми. В вопросах выявления нарушений структуры вещества в виде углублений, большую эффективность продемонстрировали сердечники, имеющие форму заострённых конусов, и изготовленных из сплава 81НМА.
Установка, собранная с использованием преобразователей с ферритовыми сердечниками особой формы вкупе с модифицированными фильтрами, показала значительно большую локализацию магнитного поля, а также существенную глубину распространения поля в толще исследуемого объекта.
Благодарности. Исследование выполнено в рамках реализации Программы развития университета на 20212030 годы в рамках реализации программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030», проект «Аппаратно-программный комплекс для исследования металлических изделий и деталей вихретоковым и лазерно-акустическим методом».
Список литературы
1. Семенов В.С. Электромагнитные методы дефектоскопии и контроля в СФТИ и Томском госуниверситете // Вестник ТГУ. 2003. № 278. С. 48-54.
2. Prance R.J. Ultra low noise induction magnetometer for variable temperature operation // Sens. Act. A, Phys. 2000. №85(1). P. 361-364.
3. Prance R. J., Clark T. D., Prance H. Compact room-temperature induction magnetometer with superconducting quantum interference level field sensitivity // Rev. Sci. Instrum. 2003. №74(8). P. 3735-3739.
4. Куриляк Д.Б. А.с. 1370542 СССР, МКИ G 01 N 27/90. Накладной вихретоковый преобразователь // (СССР). № 4054140/25-28; заявл. 14.04.86. Опубл. 30.01.88. Бюл. №4. С. 1.
5. Barbato L. Solution and extension of a new benchmark problem for eddy current nondestructive testing // IEEE Trans. Magnet. 2015. №51(7). P. 1-7.
6. Rocha J. Magnetic sensors assessment in velocity induced eddy current testing // Sens. Act. A, Phys. 2015. №228. P. 55-61.
7. Dmitriev S.F. Subminiature eddy current transducers for studying semiconductor material // Journal of Physics: Conference Series. 2015. №643. P. 1-5.
Катасонов Александр Олегович, преподаватель, [email protected]. Россия, Барнаул, Алтайский государственный университет,
Шмыкова Полина Александровна, магистрант, [email protected], Россия, Барнаул, Алтайский государственный университет,
Кистаев Семен Евгеньевич, магистрант, [email protected], Россия, Барнаул, Алтайский государственный университет,
Войнаш Сергей Александрович, младший научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории, [email protected]. Россия, Казань, Казанский федеральный университет,
Загидуллин Рамиль Равильевич, канд. техн. наук, доцент, [email protected]. Россия, Казань, Казанский федеральный университет,
Ворначева Ирина Валерьевна, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Курск, Юго-Западный государственный университет,
Наседкин Игорь Вячеславович, преподаватель, nasedkin. i@rambler. ru, Россия, Санкт-Петербург, Военная академия связи им. Маршала Советского Союза С.М. Буденного
RESEARCH OF ALUMINUM ALLOYS USING EDGE CURRENT CONVERTERS BASED ON CORES OF DIFFERENT
SHAPE
A.O. Katasonov, P.A. Shmykova, S.E. Kistaev, S.A. Voinash, R.R. Zagidullin, I.V. Vornacheva, I.V. Nasedkin
This research aims to develop an ultra-compact transducer using eddy current principles and focused on scanning aluminum plates. The relevance of the stated topic is due to the wide use of aluminum and its various alloys in industry, aircraft and mechanical engineering, as well as in everyday life. In these circumstances, the issues of predicting the safety of such products, as well as approaches to measuring strength characteristics at the stage of their production, become particularly important. The scanning installation described in this work includes a compact transformer-type eddy current converter and allows for local measurements of non-ferromagnetic materials based on recording the local conductivity of electric current. The installation, which combines hardware and software, is aimed at experimental studies of parts made of aluminum and its alloys. As part of the scientific work, various forms of cores used as magnetic circuits were tested. The measurements were carried out at signal frequencies on the exciting circuit from 300 to 700 Hz on duralumin plates with extended cracks and holes taken for model defects.
Key words: cores, eddy current transducer, aluminum, crack research.
Katasonov Alexander Olegovich, teacher, [email protected], Russia, Barnaul, Altai State University,
Shmykova Polina Aleksandrovna, master's, p. shmykova^bk^, Russia, Barnaul, Altai State University,
Kistaev Semen Evgenievich, master's, [email protected], Russia, Barnaul, Altai State University,
604
Voinash Sergey Aleksandrovich, junior researcher at the research laboratory, [email protected], Russia, Kazan, Kazan Federal University,
Zagidullin Ramil Ravilevich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Kazan, Kazan Federal University,
Vornacheva Irina Valerievna, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Kursk, South-West State University,
Nasedkin Igor Vyacheslavovich, teacher, [email protected], Russia, St. Petersburg, Military Academy of Communications named after. Marshal of the Soviet Union S.M. Budyonny
УДК 621
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-9-600-601
ПОЗИЦИОНЕРЫ БЕЗОПАСНОСТИ ДЛЯ СИСТЕМ ПРОТИВОАВАРИЙНОЙ ЗАЩИТЫ
С.Л. Горобченко, Д.А. Ковалёв, А.В. Теппоев, Р.Р. Загидуллин, Л.Ю. Уразаева
Проведен обзор и сравнительный анализ позиционеров безопасности для систем противоаварийной защиты. Приведены основные требования к исполнительным устройствам безопасности. Проведено сравнение позиционеров безопасности известных производителей - Neles. Dresser Masoneilan, ABB и др. Показаны их достоинства и недостатки. Показан алгоритм и пример выбора позиционера безопасности для системы противоаварийной защиты.
Ключевые слова: системы противоаварийной защиты, позиционеры безопасности, требования, обзор,
выбор.
Выбор арматуры безопасности определяется требованиями к управлению работой арматуры и требованиями к автоматическим устройствам, определяющим возможности самодиагностики без останова технологического процесса. К таким устройствам относится позиционер безопасности. Выбор позиционера безопасности может сыграть ключевую роль в работе арматуры безопасности и системы противоаварийной защиты (ПАЗ) в целом.
В работе представляется обзор и сравнительный анализ позиционеров безопасности, ориентированных на работу в системе ПАЗ.
Основные требования к устройствам безопасности. Для обеспечения работы позиционеров безопасности требуется обеспечить совместимость со многими элементами и многочисленными системами безопасности и противоаварийной защиты (ПАЗ), разрабатываемыми разными компаниями.
Устройства на основе полевой шины FFB являются основой для обеспечения работы систем безопасности SIF (Safety Instrumented Functions). На рис.1 представлена общая схема выбора устройств безопасности, характерная для сегодняшних подходов к анализу и выбору позиционеров безопасности.
HIMA
Honeywell Invensys - Triconex Yokogawa Emerson
Omers
FieldCus Diagnostics
Sûtting
TUV
Demonstration Sites Shell Global Solutions—Amsterdam Saudi Aramco - Dhahran Chevron - Richmond. CA BP — Gelsenkirchen. Germany
Cooper Crouse-H inds Moore Industries MTL P+F
eiFFi
Emerson
Metso
Masoneilan
TopWcrx
WestloefciTyco
Рис. 1. Диаграмма обеспечения работы арматуры безопасности различными устройствами
Устройства безопасности должны работать в системах безопасности многих компаний (Honey-well,Invensys, Yokogawa, Emerson и пр.). Основными требованиями к позиционерам безопасности при этом являются следующие:
- обладать возможностью срабатывать при нарушениях в различных контурах безопасности (уровня - level, расхода - flow, давления - pressure, температуры - temperature и пр., см. по рис.1),
- обеспечивать качественную связь внутри устройств безопасности (SIF), включая требования к коммуникационным протоколам не ниже Н1, выполнение требований стандартов диагностики (Fieldbus Diagnostics), иметь соответствующее программное обеспечение (softing), быть сертифицированными (TUF),
- иметь возможность работы с разными типами входных и выходных сигналов (дискретными - Discrete Output - DO и аналоговыми - IO).
- осуществлять ввод и вывод данных и визуализировать на имеющихся устройствах вывода устройств и системы безопасности - дисплеях и прочих интерфейсах, а также с использованием кнопочного ввода.
605
