CC BY
4
УДК 004.436.2
DOI: 10.24412/2071-6168-2024-3-165-166
КОМПЬЮТЕРИЗИРОВАННАЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПЛАСТИН ИЗ СПЛАВОВ С ПОМОЩЬЮ ВИХРЕТОКОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
А.О. Катасонов, Л.С. Поровченко, С.Е. Кистаев, Д.Н. Шмыков, С.А. Войнаш, И.В. Наседкин
На основе нанесенных сверхминиатюрных вихретоковых преобразователей была разработана передовая система измерения, способная проводить точные локальные исследования пластин из алюминиево-магниевых сплавов для выявления любых дефектов. Это достижение сопровождается модификацией фильтра Дельянна, что существенно повысило отношение сигнал/шум. В представленных данных демонстрируется четкая зависимость реакции вихретокового преобразователя от различных дефектов, таких как скрытые прорези и отверстия внутри пластин, при частотах сигналов в диапазоне 300-700 Гц на возбуждающей обмотке.
Ключевые слова: вихретоковый преобразователь, Arduino Uno, алюминий-магний, фильтрация, компьютерная обработка.
Проблематика контроля качества проводящих материалов занимает значимое положение в современной прикладной физике и промышленном производстве [1]. В развитых промышленных странах общие расходы на контроль качества продукции составляют до 3% от стоимости производимой продукции. В отраслях промышленности с повышенными стандартами безопасности и надежности, таких как оборонная, атомная и аэрокосмическая промышленности, затраты на контроль качества могут достигать 20% [1]. В связи с этим актуальной проблемой становится разработка сверхминиатюрных вихретоковых измерительных систем для локальных измерений электропроводности в неоднородных материалах и обнаружения дефектов в сплавах. Исследованиям в данной области посвящены работы [2-6]. В работе [2] авторы осуществляют дефектоскопию трещин между двумя алюминиевыми пластинами с модельным дефектом в центре. Диаметр измерительной обмотки в данном вихретоковом преобразователе (ВТП) - 7 мм. Сканирование производили при частотах 1,5 кГц, характерная глубина проникновения вихревых токов в исследуемые пластины на указанных частотах составляла 3,82; 1,71 мм. Экспериментальные методы на основе двух ВТП, работающих в дифференциальном режиме, представлены в [3]. Подобные схемы включения позволяют значительно уменьшить уровень паразитных шумов, возникающих при непрерывном сканировании в реальном времени.
Тенденция миниатюризации ВТП, связано с необходимостью проведения локальных измерений. В последнее время разработаны ВТП, имеющие габаритные размеры 5x5 мм с диаметром используемой проволоки рабочей области 0,15 мм [4]. Однако данные вихретоковые преобразователи не достигают требуемой глубины проникновения и точности локализации магнитного поля, необходимой для осуществления локальных измерений в неоднородных средах. Для решения данной проблемы применяют концентраторы магнитного поля, изготовленные из феррита с высоким коэффициентом магнитной проницаемости. Ферритовые концентраторы значительно снижают потери энергии вихревых токов [5]. Для дальнейшего повышения локальности контроля использованы сердечники конической формы [6]. Такая геометрия способствует увеличению точности измерений и обнаружению дефектов с небольшими линейными размерами.
В связи с изложенным возникает задача разработки сверхминиатюрных ВТП, способных обнаруживать дефекты на глубине до 5 мм с линейными размерами порядка 100 мкм. Также актуальными являются задачи определения оптимальной формы сердечников для выявления дефектов различных типов и создания системы фильтрации для снижения уровня помех в измерительном сигнале при проведении сканирования. Цель данной работы - разработка сверхминиатюрных вихретоковых преобразователей, обеспечивающих глубину проникновения до 5 мм и локализацию в 2500 мкм2 и работающих под управлением персонального компьютера через микроконтроллер платформы Arduino Uno.
Материалы и методы. Контролируемым параметром в данном контексте является величина электропроводности материала и его пространственное распределение по поверхности и толщине объекта исследования. В соответствии с принятой авторами концепцией виртуализированных приборов для анализа однородных и неоднородных электропроводящих сред, токовый вихретоковый преобразователь подключен к плате Arduino Uno, управляемой специализированным программным обеспечением (ПО). Данное ПО контролирует подачу напряжения на генераторную обмотку преобразователя, а также считывает значения напряжения с измерительной обмотки в условных единицах. Эти значения, с учетом предварительной калибровки, преобразуются в значения электропроводности.
Сверхминиатюрный вихретоковый преобразователь разработан для локального контроля физических параметров при исследовании пластин из алюминиевых сплавов [7]. Как известно из [7], основой метода вихревых токов является зависимость интенсивности вихревых токов в контролируемом объекте от электропроводности материала и его распределения по поверхности и толщине.
ВТП подключен к звуковой плате персонального компьютера, работающего под управлением специального программного обеспечения. Программное обеспечение управляет подачей напряжения на возбуждающую обмотку ВТП и считывает значения напряжения с измерительной обмотки в условных единицах, и переводить их, с учётом предварительной калибровки, в значения электропроводности.
В работе использовали сердечники различной формы. На рис. 1 представлены сердечник трапециевидной формы (а), и сердечник, выполненный в виде заостренного конуса (б), a1=2,2 мм, Ы=1,8 мм, с 1=1,6 мм, d1=0,15 мм, d2=0,03 мм, a2=3,3 мм, b2=3,6 мм. Сердечники изготавливались из феррита 2000 НМ3 со значением начальной магнитной проницаемости 500. На основе указанных принципов были разработаны вихретоковые преобразователи (ВТП), включающие в себя возбуждающую, измерительную и компенсационную обмотки. Компенсационная обмотка, соединенная параллельно с измерительной обмоткой, предназначена для компенсации сигнала, генерируемого возбуждающей обмоткой, в результирующем сигнале. Возбуждающая и измерительная обмотки содержат по 200 витков, тогда как компенсационная обмотка имеет от 160 до 180 витков. Для изготовления витков применяется медная проволока диаметром 5 мкм.
с.
Рис. 1. Примеры использованных сердечников
Диаметр измерительной и возбуждающей обмотки di для ВТП-1 составляет 0,15; 0,3 мм, соответственно (см. рис. 1, а). Для ВТП-1 использовался сердечник трапециевидной формы. Размеры измерительной обмотки для ВТП-2 составляют 0,03-0,15 мм. Возбуждающая обмотка имеет диаметр 0,3 мм. В ВТП-2 использовался сердечник в виде заостренного конуса (см. рис. 1, б).
На основе упомянутых принципов были разработаны вихретоковые преобразователи (ВТП), включающие в себя измерительную, возбуждающую и компенсационную обмотки, а также магнитопровод, размещенные внутри цилиндрической платформы. Внешняя сторона платформы содержит вырезанные дорожки для обмоток, которые затем пропитываются компаундом при температуре 200 °C для предотвращения повреждений обмоток при установке ферритового экрана, предназначенного для локализации электромагнитного поля на объекте контроля. Снаружи ВТП заключена в корундовую шайбу, что защищает сердечник от прямого контакта с объектом контроля.
Способности созданных ВТП включают в себя точную локализацию магнитного поля на участке размером 2500 микрометров квадратных и обеспечивают значительную глубину проникновения этого поля в исследуемый объект при использовании низких частот. Программное обеспечение разработано для работы на операционной системе Windows с использованием языка программирования C++.
Разработанная система измерения функционирует следующим образом: компьютер управляет генератором прямоугольных импульсов напряжения, устанавливая частоту следования f1 и амплитуду U в соответствии с поставленной задачей измерения. Сгенерированные импульсы напряжения подвергаются преобразованию в синусоидальные сигналы путем прохождения через два последовательно включенных интегратора. Мощность сигнала затем увеличивается в блоке усиления мощности с коэффициентом усиления 20±2. Усиленный сигнал передается на возбуждающие обмотки индуктивности ВТП, что порождает электромагнитное поле вихревых токов в электропроводящем объекте. Это поле, в свою очередь, воздействует на измерительные обмотки ВТП, индуцируя в них электродвижущую силу (ЭДС), содержащую информацию о структурных неоднородностях объекта контроля, расположенных в области воздействия ВТП. Далее ЭДС усиливается в специальном селективном усилителе, основанном на двухкаскадном модифицированном фильтре Дельянна с многопетлевой обратной связью. Второй каскад селективного усиления призван повысить амплитуду сигнала с определенной частотой.
Таким образом, благодаря подключению второго каскада, система фильтрации обладает высокой стабильностью и низкой чувствительностью к небольшим изменениям параметров элементов схемы.
Компоненты фильтра были рассчитаны на частотный диапазон от 300 до 700 Гц. После прохождения через фильтр, сигнал направляется на амплитудный детектор, а затем через аналого-цифровой преобразователь на персональный компьютер. Благодаря одновременному управлению частотой генерируемого сигнала на возбуждающей обмотке и частотой среза фильтрационной системы, достигается выделение значимого сигнала, который несет информацию о распределении электропроводности внутри объекта, включая обнаружение возможных дефектов. Программное управление позволяет настраивать рабочую частоту измерительной системы.
Результаты экспериментов. Для тестирования данной измерительной системы использовали образцы с модельными дефектами. Каждый образец сканировали с помощью ряда ВТП, сконструированных на основе сердечников различной формы. Глубину залегания дефектов оценивали непосредственно, использовали образцы со свободным доступом к дефектам.
б
а
В качестве образцов использовали пластины из сплава Al-Mg (А1-94 %, Mg-3 %). С толщиной пластин 5,5 мм. Первая пластина содержала 6 дефектов в виде прорезей толщиной 0,25 мм, на глубине 1; 2; 3; 4; 5; 5,3 мм. Результаты сканирования представлены на рис. 2, U - напряжение, вносимое на измерительную обмотку датчика, I -положение датчика, относительно начала объекта.
В результате дефектоскопии ВТП, изготовленным на основе сердечника № 1 обнаружили 5 дефектов из 6. Сканирование, произведенное ВТП, изготовленным на основе сердечника № 2 выявило только 2 дефекта (рис. 2, а).
Образец № 2 представлял из себя пластину с 6 дефектами на глубине 1; 2; 3; 4; 5; 5,3 мм. Результаты дефектоскопии на частоте 500 Гц выявили три дефекта с помощью ВТП на основе сердечников № 2. Сканирование с помощью ВТП на основе сердечников № 1 позволило выявить два дефекта, однако локализация местонахождения дефектов при использовании данных сердечников затруднена (рис. 2, б).
г.5
О И 40 И ВО
I, ММ
а
б
Рис. 2. Результаты измерений образца №1 (а) и №2 (б): l - измерение с использованием ВТП;
1, 2 - измерения с использованием ВТП
Вывода!. В исследовании создана система измерения, предназначенная для обнаружения дефектов в сплавах при помощи сверхминиатюрных вихретоковых преобразователей (ВТП). Эксперимент показывает, что вихрето-ковый метод контроля может успешно применяться для обнаружения мелких дефектов, находящихся на глубоких уровнях в алюминиевых сплавах. Сверхминиатюрные ВТП, основанные на сердечниках трапециевидной формы, демонстрируют эффективность в обнаружении длинных подповерхностных трещин шириной раскрытия в 250 микрометров. Для обнаружения дефектов в виде углублений рекомендуется использовать ВТП с сердечниками в форме конуса.
Ранее метод вихретокового контроля применялся главным образом для обнаружения поверхностных дефектов, таких как трещины, прорези и нарушения целостности поверхностного слоя металла. Однако, благодаря применению сверхминиатюрных ВТП с ферритовыми сердечниками специальной формы и модифицированными фильтрами, что значительно снижает уровень помех в сигнале с измерительной обмотки, становится возможным локализовать магнитное поле на небольшой области контроля и обеспечить значительную глубину проникновения поля внутрь объекта при соответствующей частоте, создаваемой возбуждающей обмоткой.. Разработанная измерительная система используются для исследования материалов в лаборатории контроля качества материалов и конструкций Института физики прочности и материаловедения СО РАН (ФАНО).
Благодарности. Исследование выполнено в рамках реализации Программы развития Алтайского государственного университета на 2021-2030 годы в рамках реализации программы стратегического академического
лидерства «Приоритет 2030», проект «Автоматизированная вихретоковая система поиска дефектов деталей на базе компьютерного зрения».
Список литературы
1. Barbato L., Poulakis N., Tamburrino A., Theodoulidis T Solution and Extension of a New Benchmark Problem for Eddy Current Nondestructive Testing // IEEE Transactions on Magnetics. 2015. Vol. 51. Issue 7. P. 14-25.
2. Prance R.J., Clark T.D., Prance H. Ultra low noise induction magnetometer for variable temperature operation // Sensors Actuators. 2000. Vol. 85. P. 51-57.
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. Vol. 74. P. 147-157.
4. Sakran F. and Golosovsky M. High-frequency eddy-current technique for thickness measurement of micron-thick conducting layers // Applied Physics Letters. 2003. Vol. 78. P. 27-43.
5. Tian G. and Simm A. Electromagnetic methods for corrosion under paint coating measurement // Proceedings of the 8th Int. Symp. Precision Eng. Meas. Instrum, Chengdu, China. 2013. Vol. 1. P. 3161-3169.
6. Urayama R. and Uchimoto T. Thickness evaluation of thermal spraying on boiler tubes by eddy current testing // International Journal of Applied Electromagnetics and Mechanics. 2012. Vol. 39. P. 419-425.
7. Dmitriev S.F., Katasonov A.O., Malikov V.N. Flaw detection of alloys using the eddy-current method // Russ J Nondestruct Test. 2016. Vol. 52. P. 32-37.
Катасонов Александр Олегович, канд. техн. наук, доцент, katasonovrffi@gmail. com, Россия, Барнаул, Алтайский государственный университет,
Поровченко Любовь Сергеевна, студент, porov [email protected], Россия, Барнаул, Алтайский государственный университет,
Кистаев Семен Евгеньевич, студент, [email protected], Россия, Барнаул, Алтайский государственный университет,
Шмыков Данил Николаевич, студент, danyshmykov0000@mail. ru, Россия, Барнаул, Алтайский государственный университет,
Войнаш Сергей Александрович, младший научный сотрудник, sergey [email protected], Россия, Рубцовск, Рубцовский индустриальный институт (филиал) Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова,
Наседкин Игорь Вячеславович, преподаватель, nasedkin. [email protected], Россия, Санкт-Петербург, Военная академия связи им. Маршала Советского Союза С.М. Буденного
COMPUTERIZED MEASURING SYSTEM FOR THE STUDY OF ALLOY PLATES USING EDDY CURRENT CONVERTERS
A.O. Katasonov, L.S. Porovchenko, S.E. Kistaev, D.N. Shmykov, S.A. Voinash, I.V. Nasedkin
Based on the applied superminiature eddy current transducers, an advanced measurement system has been developed that is capable of conducting accurate local studies of aluminum-magnesium alloy plates to identify any defects. This achievement is accompanied by a modification of the Delyan filter, which significantly increased the signal-to-noise ratio. The presented data demonstrate a clear dependence of the eddy current converter reaction on various defects, such as hidden slots and holes inside the plates, at signal frequencies in the range of300-700 Hz on the exciting winding.
Key words: eddy current converter, Arduino Uno, aluminum-magnesium, filtration, computer processing.
Katasonov Alexander Olegovich, candidate of technical sciences, docent, katasonovrffi@gmail. com, Russia, Barnaul, Altai State University,
Porovchenko Lyubov Sergeevna, student, porov [email protected], Russia, Barnaul, Altai State University,
Kistaev Semen Evgenievich, student, [email protected], Russia, Barnaul, Altai State University,
Shmykov Danil Nikolaevich, student, danyshmykov0000@mail. ru, Russia, Barnaul, Altai State University,
Voinash Sergey Alexandrovich, junior researcher, sergey [email protected], Russia, Rubtsovsk, Rubtsovsk Industrial Institute (branch) of Polzunov Altai State Technical University,
Nasedkin Igor Vyacheslavovich, lecturer, nasedkin. i@rambler. ru, Russia, St. Petersburg, Military Academy of Communications named after Marshal of the Soviet Union S.M. Budyonny
