CC BY
4
УДК 004.436.2
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-3-480-485
КОМПЬЮТЕРИЗОВАННЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ СВОЙСТВ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЙ СТАЛИ
А.О. Катасонов, В.Н. Маликов, Д.А. Южанина, С.А. Войнаш, В.А. Соколова, Н.В. Меламед
Цель данного исследования - разработка миниатюрного преобразователя, предназначенного для изучения электротехнической стали. Установлена возможность изучения характеристики стали на различной глубине, с помощью изменения амплитуды сигнала, генерируемого вихретоковым преобразователем. Создан программно-аппаратный комплекс, включающий в себя разработанное программное обеспечение на языке С++, в котором за основу взят разработанный преобразователь. Он может производить тестирование стали на ее границе с диэлектриком. Создан цифровой преобразователь перемещений, управляемым микроконтроллером АЫшпо, который может автоматически переместить преобразователь над контролируемым объектом. Исследование представляло из себя проведение непрерывных и дискретных измерений, которые заключались в перемещении преобразователя над ферромагнитным и диэлектрическим материалом с заданной скоростью и проведении сканирования объекта с шагом в 0,1 мм. Исследование установило, что магнитные силовые линии стали, которые возникают от воздействия вихретокового преобразователя на ферромагнитный материал, оказывают существенное влияние на сигнал, принимаемый вихретоковым преобразователем, после того, как он удален от контролируемого объекта на расстояние 1 мм. Значительное влияние на данный процесс оказывает частота сигнала на возбуждающей обмотке вихретокового преобразователя. Проведенные испытания продемонстрировали нелинейный характер зависимости отклика преобразователя при его прохождении через границу сталь-диэлектрик, так же выявлена математическая закономерность данной зависимости.
Ключевые слова: вихретоковый контроль, датчик, сталь, измерения.
В настоящее время очень актуальна задача оценки качества и надежности объектов производства. Используемые методики контроля дают оценки надежности, основанные на вероятностных методах и определение параметров надежности, строится только на фактических данных, таких как: режим работы, напряжение материала, деформация и температура. К сожалению, данные методики практически не учитывают те изменения, которые происходят в металле [1, 2]. Известно [3], что под воздействием нагрузки, металл изменяется, причем изменения происходят как в объеме, так и на поверхности материала. Исходя из этого, можно сделать вывод о необходимости разработки новых приборов и методов, позволяющих изучать структурные изменения, происходящие в металле и регистрировать свойства его поверхности.
Одним из примеров металлов, изучение которых целесообразно, является электротехническая сталь. Применение электротехнической стали довольно широко. Она используется в процессе изготовления изделий, применяемых в электротехнике. Сталь имеет различные магнитные свойства, которые используются при разработке современных методах контроля, а также для диагностики ее характеристик, в т.ч. и физико-механических. Данные характеристики определяют надежность изделий, прогнозируемый срок эксплуатации, а также ресурс работы данных изделий, их основных деталей и узлов, применяемых в разных промышленных областях. Контроль основных свойств ферромагнитной стали по параметрам гистерезиса, а также магнитным и магнитноакустическим шумам продемонстрирован в работах [4-6].
Один из наиболее эффективных методов для исследования механической характеристики стали является вихретоковый метод [7,8]. Данный метод широко применяется в неразрушающем контроле. В его основе лежит анализ изменения электромагнитного поля, вызываемое вихревыми токами исследуемого материала, которые индуцируются первичным электромагнитным полем.
Работы [10,11] предлагают методику, позволяющую оценить степень разрушения оборудования из металла, изготовленного из стали класса 09Г2С. Данный тип стали является низколегированным, что позволяет применять электромагнитный способ контроля, основанный на работе вихретокового датчика проходного или накладного типа.
Метод вихревых токов довольно часто применяется для того, чтобы оценить различные параметры стали. Возможность применения вихретокового метода для обнаружения дефектов сталей AISI 304 описывается в исследованиях [12,13]. Для более точного позиционирования преобразователя используется специальная система, с возможностью управления датчиком с шагом 0,2 мм. Преимущество метода вихревых токов заключается в том, что данный метод позволяет проводить диагностику проводящего материала, покрытого лакокрасочными и другими непроводящими изделиями.
Задача исследования заключалась в том, чтобы наглядно продемонстрировать способ исследовать переходы сталь-диэлектрик, что дает возможность изучения поверхности стали. Возникает необходимость определения характера падения вносимого в измерительную обмотку преобразователя напряжения во время своего отдаления от контролируемого объекта и выяснения причин полученных закономер-
ностей. Интерес вызывает и характер увеличения напряжения, вносимого в измерительную обмотку преобразователя при его приближении к объекту исследования. При представлении изменения вносимого напряжения в виде математической зависимости, можно сделать вывод о взаимодействии электромагнитного поля, создаваемого вихретоковым преобразователем и остаточного магнитного поля стали.
Основная цель данного исследования: разработать, исследовать, а также оптимизировать и протестировать сверхминитатюрный вихретоковый преобразователь на образцах из электротехнических сталей. Основной задачей исследования являлась задача получения зависимостей, позволяющих охарактеризовать величину отклика вихретокового преобразователя в случае изменения как параметров преобразователя, так физико-механических свойств исследуемой стали.
Методы и материалы. Для проведения измерений эпюра напряжения ВТП на границе диэлектрика и проводящего ферромагнитного пространства использована установка, в основе которой лежит ВТП [15,18] и цифровой преобразователь перемещения, управляемый микроконтроллером Arduino.
ВТП трансформаторного типа включал в себя три обмотки (измерительная, возбуждающая и компенсационная), а также магнитопровод, который размещался внутри платформы цилиндрической формы. На наружной стороне платформы высечены дорожки. Они предназначались для обмоток, которые после намотки пропитывались компаундом при 200 °С. Такая процедура позволила исключить разрушения обмоток во время наложения ферритового экрана, который использовался для локализации электромагнитного поля на контролируемом объекте. Внешняя сторона ВТП заключалась в специальную шайбу из корунда для избегания контакта сердечника с исследуемым объектом.
Параметры разработанного ВТП позволяет максимально сконцентрировать магнитное поле на определенном участке с размерами порядка 2500 мкм2, и добиться проникновения поля на значительную глубину объекта исследования, реализуя работу на достаточно низкой частоте [16].
В основе измерительной системы лежит генератор синусоидального сигнала, которое поступает на возбуждающую обмотку ВТП и создает электромагнитное поле, которое проникает в объект контроля и возбуждает в нем вихревые токи. Они, в свою очередь, вносят в измерительную обмотку ЭДС, которая несет информацию о состоянии объекта контроля. Далее сигнал подвергается усилению в специальном усилителе и фильтруется от помех.
После фильтрации сигнала, он передается на амплитудный детектор, а далее на компьютер с помощью аналого-цифрового преобразователя. Одновременно изменяются частота генерируемого сигнала и частота среза у системы фильтрации. Благодаря этому, выделяется полезный сигнал, который обладает информацией о контролируемом объекте. Программное управление изменяет рабочую частоту измерительной системы.
Участие в эксперименте принимали два материала, расположенные на расстоянии в 1см друг от друга. Все измерения со сканированием начинались с электротехнической стали 1212 (образец 1), через диэлектрик (бумага), и заканчивались со сталью 3414 (образец 2). Частота сигнала, который подается на возбуждающую обмотку ВТП колебалась от 1000 до 10 000 Гц. Измеряемым параметром было напряжение, которое вносится на измерительную обмотку ВТП во время его перемещения относительно первоначальной точки сканирования. Все движения преобразователя контролировались с помощью ЦПП. Данные переводились в цифровой вариант с помощью АЦП и в режиме онлайн передавались в программу, которая также управляла системой измерения. Данные анализировались с помощью математического пакета Origin.
Вносимое напряжение измерялось непрерывно (перемещение ВТП с заданной скоростью 1мм/с), а также дискретно (изменение ВТП составило 0,1 мм за шаг, измерение шага составило 0,5 с). Такой способ измерения обусловлен характеристикой разработанного программного комплекса (частота дискретизации АЦП, а так же скорости работы ЦПП) и оказался достаточно эффективным при исследовании.
Результаты экспериментов. Для того, чтобы детально изучить падение вносимого напряжения на границе ферромагнентик-диэлектрик, необходимо было построить зависимость амплитуды, которое вносит напряжение от положения датчика. Подобная зависимость показывает характер изменения амплитуды вносимого напряжения в процессе перемещения ВТП. Измерения начались на расстоянии 5 мм от края первого образца и продолжались до расстояния 5 мм от края второго образца. Подобным образом наблюдалась граница раздела ферромагнетик-диэлектрик. График, показывающий зависимость вносимого напряжения от положения датчика, иллюстрирует эффект, происходящий на границе. Все результаты показаны на рис.1.
Различие пиков на графике напрямую зависит магнитной проницаемости электротехнической стали. По данным графика заметно, что в области диэлектрика амплитуда сигнала резко снижается, изменяя значение с 6000 мВ до 2000 мВ, а затем падает до нуля. Для того, чтобы более детально изучить причины падения вносимого напряжения на границе ферромагнетик- диэлектрик, была построена дискретная зависимость амплитуды вносимого напряжения от положения преобразователя. Данный эксперимент предполагал локальное дискретное сканирование объектов. Все измерения проводились в точках, расположенных на расстоянии 0,1 мм друг от друга. Результаты исследования представлены на рис.2.
По результатам данного исследования видно: на границе раздела ферромагнетика амплитуда не снижается до нуля, а убывает по квадратичному закону. Минимальное значение амплитуды сигнала при этом составляло 59 мВ. Возрастание амплитуды сигнала по мере того, как датчик приближается ко второму образцу, происходит по экспоненциальному закону.
7000 6000 5000
%
3000 2000 1000 о
О 2 4 G 8 10 1Z 14 16
I, мм
Рис. 1. Зависимость вносимого напряжения от положения датчика при непрерывном сканировании с частотой 1000 Гц: l - расстояние от начала объекта; U - вносимое напряжение
4000
3500
3000 2500
си
® 2000 •5
1500 1000 500
о
7 2
I, ММ
Рис. 2. Зависимость амплитуды вносимого напряжения от положения датчика при дискретном сканировании с частотой 1000 Гц: I - расстояние от начала объекта; и - вносимое напряжение;
- область 1; Б2 - область 2
Подобная зависимость проистекает вследствие остаточного в измерительной обмотке ВТП напряжении. Магнитное поле электротехнической стали имеет замкнутые силовые линии. Исходя из этого понятно, что электромагнитное поле, которое препятствует возникновению самоиндукции в измерительной обмотке, сгенерированное вихревыми токами не может сильно повлиять на вносимое напряжение. Величина отклика, в свою очередь, не уменьшится до нуля из-за того, что первый ферромагнетик продолжает оказывать влияние на датчик.
Данное влияние ферромагнетика на датчик возникает из-за того, что существует собственное магнитное поле стали, оно замыкается на преобразователе даже в случае расположения от него на большом расстоянии. Значение амплитуды сигнала при этом намного меньше амплитуды сигнала ВТП при его расположении непосредственно над металлом. Данное напряжение продолжает снижаться при увеличении расстояния между датчиком и исследуемым объектом.
Сближение со вторым образцом заставляет увеличиваться и амплитуду вносимого напряжения. Магнитные поля первого и второго образца при этом оказывают влияние на датчик. Сложение ЭДС от полей обоих образцов вызывает экспоненциальный рост амплитуды.
Заключение. Для измерений характеристик электромагнитной стали была разработана специальная измерительная система на основе сверхминиатюрного вихретокового преобразователя. Из проведенных исследований видно, что ее возможно использовать для сканирования переходов сталь-диэлектрик. Показанные исследования помогли провести анализ взаимодействия магнитного поля ВТП и остаточного магнитного поля стали.
(
ЛЛ\ Д/^V
\1
1 V
Установленные математические зависимости описывают изменение вносимого напряжения при сканировании переходов сталь-диэлектрик с использованием различной частоты сигнала ВТП. При изменении частоты сигнала ВТП появляется возможность исследования контролируемого объекта на разной глубине. Для этого понадобилось провести оценку глубины проникновения магнитного поля ВТП в разные марки стали и влияния частоты сигнала на отклик ВТП.
Подобные исследования позволяют сделать вывод о состоянии объекта исследования по величине и характеру изменения вносимого напряжения ВТП и показывают возможности использования данной системы в толщинометрии, а также в изучении свойств стали.
Данный вихретоковый датчик может быть использован при оценке и контроле состояния элементов деталей, а также узлов в машиностроении.
Благодарности. Исследование выполнено в рамках реализации Программы развития университета на 2021-2030 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. Кузеев И.Р. Электромагнитная диагностика оборудования нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств. Уфа: УГНТУ, 2001. 296 с.
2. Кондрашова О.Г. Определение ресурса безопасной эксплуатации нефтегазового оборудования путем оценки адаптивных свойств металла по изменению его магнитных характеристик: автореф. дис. ... канд. тех. наук: 05.26.03 / О. Г. Кондрашова. Уфа, 2006. 30 с.
3. Иванова В.С. Разрушение металлов. М.: «Металлургия», 1979. 168 с.
4. Клюев В.В. Неразрушающий контроль. М.: «Машиностроение», 2004. 688 с.
5. Filinov V.V. The monitoring of technological stresses by the method of magnetic noise / V.V. Fili-nov, V.E. Shaternikov, P.G. Arakelov // Russian Journal of Nondestructive Testing. 2014. 50(12). P.748-759.
6. Filinov V.V. The monitoring of technological stresses by the method of magnetic noise / V.V. Filinov, V.E. Shaternikov // Russian Journal of Nondestructive Testing. 2014. 50(10). P. 589-594.
7. Родигин Н.М. Контроль качества изделий методом вихревых токов / Н.М. Родигин, И.Е. Ко-робейникова. М.: Машгиз, 1958. 62 с.
8. Клюев В.В. Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий. Книга 1. М.: Машиностроение, 1986. 488 с.
9. Ghoni R. Defect Characterization Based on Eddy Current Technique: Technical Review / R. Ghoni, M. Dollah, A. Sulaiman, F.M. Ibrahim // Advances in Mechanical Engineering. 2015. 6. P. 1-11.
10. Баширова Э.М. Оценка предельного состояния металла оборудования для переработки углеводородного сырья с применением электромагнитного метода контроля: автореф. дис. ... канд. тех. наук: 05.26.03 / Э.М. Баширова. Уфа, 2005. 25 с.
11. Бикбулатов Т.Р. Выбор оптимальных параметров вихретокового преобразователя при оценке технического состояния оборудования / Т.Р. Бикбулатов, Е.А. Наумкин, В.А. Петров, М.И. Кузеев // Химическая техника. 2010. № 3. С. 11-13.
12. Szlagowska-Spychalska J. M. A novel approach for measuring of thickness of induction hardened layers based on the eddy current method and the finite element modeling / J.M. Szlagowska-Spychalska, M.M. Spychalski, K.J. Kurzydlowski // NDT and E International. 2013. 54. P. 56-62.
13.Almeida G. Advances in NDT and Materials Characterization by Eddy Currents / G. Almeida, J. Gonzalez, L. Rosado, P. Vilaga, T. G. Santos // Procedia CIRP. 2013. 7. P. 359-364.
14.Rifai D. Defect signal analysis for nondestructive testing assessment / D. Rifai, A. N. Abdalla // ARPN Journal of Engineering and Applied Science. 2016. 11. P. 2160-2166.
15. Dmitriev S. F. Eddy-current measuring system for analysis of alloy defects and weld seams / S.F. Dmitriev, A.O. Katasonov, V. N. Malikov, A.M. Sagalakov // Russian Engineering Research. 2016. 36(8). P. 626-629
16. Malikov V.N. An alloy flaw measuring system using subminiature eddy-current transducers / V. N. Malikov, S.F. Dmitriev, A.M. Sagalakov, A.V. Ishkov // AIP Conference Proceedings. 2016. 785(1). P. 1-5.
17. Malikov V.N. Flaw detection of alloys using the eddy-current method / V.N. Malikov, S.F. Dmitriev, A.M. Sagalakov // Russian Journal of Nondestructive Testing. 2016. 52(1). P. 32-37.
18. Dmitriev S.F. Scanning the Welded Seams of Titanium Alloys by Using Subminiature Eddy Current Transducers / S.F. Dmitriev, V.N. Malikov, A.M. Sagalakov, A.V. Ishkov // Materials Science Forum. 2017. 906. P. 147-152.
Катасонов Александр Олегович, ассистент, katasonovrffi@gmail.com, Россия, Барнаул, Алтайский государственный университет,
Южанина Дарья Андреевна, студент, uzhanina2001@mail.ru, Россия, Барнаул, Алтайский государственный университет,
Маликов Владимир Николаевич, канд. техн. наук, доцент, osysll@gmail.com, Россия, Барнаул, Алтайский государственный университет,
Войнаш Сергей Александрович, младший научный сотрудник, sergey_voi@mail. ru, Россия, Рубцовск, Рубцовский индустриальный институт (филиал) Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова,
Соколова Виктория Александровна, канд. техн. наук, доцент, sokolova_vika@jnbox.ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный университет промышленных технологий и дизайна,
Меламед Наталья Владимировна, канд. техн. наук, доцент, natali@melamed.su, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет им. С.М.Кирова
COMPUTERIZED MEASURING COMPLEX FOR INVESTIGATION OF THE PROPERTIES
OF ELECTRICAL STEEL
A.O. Katasonov, V.N. Malikov, D.A. Yuzhanina, S.A. Voinash, V.A. Sokolova, N.V. Melamed
The purpose of this study is the development of a miniature transducer designed for the study of electrical steel. The possibility of studying the characteristics of steel at different depths has been established by changing the amplitude of the signal generated by the eddy current transducer. A hardware-software complex has been created, which includes the developed software in the C ++ language, in which the developed converter is taken as a basis. It can test steel at its border with a dielectric. A digital displacement transducer has been created, controlled by the Arduino microcontroller, which can automatically move the transducer over the controlled object. The study consisted of continuous and discrete measurements, which consisted in moving the transducer over the ferromagnetic and dielectric material at a given speed and scanning the object with a step of 0.1 mm. The study found that the magnetic field lines of steel, which arise from the action of an eddy current transducer on a ferromagnetic material, have a significant effect on the signal received by the eddy current transducer after it is removed from the controlled object at a distance of l mm. This process is significantly affected by the frequency of the signal on the exciting winding of the eddy current transducer. The tests carried out demonstrated the non-linear nature of the dependence of the response of the transducer when it passes through the steel-dielectric interface, and the mathematical regularity of this dependence was also revealed.
Key words: eddy current control, sensor, steel, measurements.
Katasonov Alexander Olegovich, assistant, katasonovrffi@gmail.com, Russia, Barnaul, Altai State University,
Yuzhanina Daria Andreevna, student, uzhanina2001@mail.ru, Russia, Barnaul, Altai State University,
Malikov Vladimir Nikolaevich, candidate of technical sciences, docent, osys11@gmail.com, Russia, Barnaul, Altai State University,
Voinash Sergey Alexandrovich, junior researcher, sergey_voi@mail.ru, Russia, Rubtsovsk, Rubtsovsk Industrial Institute (branch) of Polzunov Altai State Technical University,
Sokolova Victoria Aleksandrovna, candidate of technical sciences, docent, sokolova_vika@inbox.ru, Russia, St. Petersburg, St. Petersburg State University of Industrial Technologies and Design,
Melamed Natalia Vladimirovna, candidate of technical sciences, docent, natali@melamed.su, Russia, St. Petersburg, St. Petersburg State Forest Technical University
