VI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2014

актуальность

Данная квалификационная работа посвящена изучению измерению внутреннего диаметра ферромагнитных труб вихретоковым методом. При широком использовании ферромагнитных труб в промышленности и в бытовой жизни возникает задача контроля внутреннего диаметра. В процессе эксплуатации труб такая задача может быть связана с необходимостью контроля возможного изменения внутреннего диаметра в результате пластической деформации, вызванной механическими воздействиями на наружную или внутреннюю поверхности (сопряженными часто с одновременными термическими воздействиями) либо значительными коррозионными повреждениями внутренней поверхности. Конкурентными преимуществами вихретокового метода по сравнению с альтернативными методами контроля являются отсутствие необходимости контакта с поверхностью трубы (что особенно актуально в случае наличия механических и коррозионных повреждений поверхности, а также различных загрязнений), высокая скорость контроля, широкий диапазон измеряемых диаметров труб (реально от нескольких миллиметров до нескольких метров), простота калибровки, малое влияние внешних факторов, отсутствие необходимости доступа к наружной поверхности трубы, возможность автоматизации процесса контроля и протоколирования его результатов. При определенных условиях контроля абсолютная погрешность измерений может не превышать десятых долей миллиметра, что удовлетворяет требованиям широкого круга практических задач. Этим определяется актуальность работы.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ МЕТОДА ВИХРЕТОКОВОГО ИЗМЕРЕНИЯ (ВТИ)

В настоящее время разработано много различных методов и средств измерения внутреннего диаметра. Основные методы и средства измерения внутреннего диаметра следующие: механический, акустический, оптический, вихретоковый (электромагнитный) и т.д.

Используемый метод для измерения внутреннего диаметра труб в данной работе является вихретоковым.

Вихретоковые измерительные преобразования в полях вихревых токов основаны на возбуждении в электропроводящих объектах переменным магнитным полем вихревых токов и зависимости параметров этих токов от свойств объекта [1]. На рис.1 приведен принцип объяснения возбуждения вихревого тока в электропроводящих объектах[1,2,4].

Подается в обмотке переменный ток (синусоидальный), и сразу появится вокруг обмотки переменное магнитное поле (рис. 1). В соответствии с законом электромагнитной индукции, переменное магнитное поле мгновенно создает в электропроводящем объекте вихревое электрическое поле, напряженность Е которого связана с индукцией В магнитного поля соотношением:

(1)

Наличие вихревого электрического поля в электропроводящем объекте приводит к появлению вихревого тока, плотность которого J прямо пропорциональна напряженности электрического поля и удельной электрической проводимости материала σ:

(2)

КЛАССИФИКАЦИЯ ВИХРЕТОКОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ (ВТП)

На настоящий момент времени разработано большое количество типов и разновидностей ВТП. И обычно классифицируем ВТП по расположению относительно к объекту контроля (ОК) на проходные, накладные и комбинированные[2]. А по типу преобразования параметров ОК в выходной сигнал ВТП подразделяются на параметрические и трансформаторные (рис. 2. а, б) [1]. В связи с этим, выбрали для измерения внутренного диаметра ферромагнитных труб накладный трансформаторный ВТП.

ОБЗОР ИСПОЛИЗУЕМОГО ВИХРЕТОКОВОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ

• Принцип действия ВТП измерения внутреннего диаметра труб

Для измерения внутреннего диаметра ферромагнитных труб наиболее подходит трансформаторный ВТП, конструкция которого схематично показана на рис. 3 [3].

По технической сущности ВТП системы контроля состоит из двух накладных трансформаторных ВТП. Первый из них содержит обмотку возбуждения 1 и измерительную обмотку 2, а второй – обмотку возбуждения 2 и измерительную обмотку 4, обмотка 5 - компенсационная обмотка. Переменным током I_, протекающим через последовательно соединенные обмоткивозбуждения 1 и 2, создается переменное магнитное поле, наводящее вихревые токи в поверхностном слое контролируемой трубы. Измерение индуцированных вихревых токов осуществляется с помощью измерительных обмоток 3 и 4.

Вносимые напряжения измерительных обмоток, обусловленные магнитным полем вихревых токов, зависят от различных факторов: геометрических размеров, формы и структурных особенностей электропроводящего объекта, электромагнитных характеристик материала, взаиморасположения объекта и обмоток ВТП, частоты и амплитуды тока возбуждения.

• Система измерения внутреннего диаметра ферромагнитных труб

Система измерения состоит из генератора, измерительного зонда, схемы амплитудно-фазовой обработки сигналов САФОС, платы сбора данных ПСД, персонального компьютера ПК и блока питания БП (рис. 4) [3].

Синусоидальное выходное напряжение генератора частотой 150 кГц и амплитудой 10 В поступает на возбуждающую обмотку вихретокового преобразователя ВТП, расположенного в измерительном зонде. Начальные напряжения измерительных обмоток ВТП компенсируются, полученные вносимые напряжения усиливаются. Выходные напряжения U₁ и U₂ измерительного зонда поступают на двухканальную схему амплитудно-фазовой обработки, опорный вход которой соединен с выходом генератора. В САФОС амплитудно-фазовые детекторы выделяют квадратурные составляющие выходных напряжений измерительного зонда.

Выходные сигналы САФОС поступают на плату сбора данных, в качестве которой используется модуль USB3000 – универсальный скоростной восьмиканальный АЦП. Модуль поддерживает пакет прикладного программного обеспечения LabView. Для подключения модуля USB3000 к компьютеру ПК осуществляется через USB-порт компьютера.

Заключение

Рассмотрены существующие методы и средства измерения внутреннего диаметра ферромагнитных труб и физические основы измерения. В качестве наиболее эффективного для измерения внутреннего диаметра ферромагнитных труб в заданных условиях контроля выбран вихретоковый метод.

Проведена классификация вихретоковых преобразователей. Рассмотрена конструкция накладного трансформаторного ВТП с пятью обмотками. И разработана система измерения диаметра.

По сравнению с другими методами измерения внутреннего диаметра ферромагнитных труб, вихретоковый преобразователь измерения внутреннего диаметра ферромагнитных труб может быть использован для решения различных практических задач.

Список литература

1. Физические основы получения информации: учебник / А.Е. Гольдштейн; Томский политехнический университет. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2010. – 292 с.

2. Неразрушающий контроль. Справочник / под ред. В.В. Клюева: в 7 томах. Т 2: в 2-х кн.: Кн. 1: Контроль герметичности. Кн. 2: Вихретоковый контроль. – М.: Машиностроение, 2003. – 688 с.

3. Контроль внутреннего диаметра труб вихретоковым методом. Статья / А.Е. Гольдштейн, В.Ф. Булгаков. М.: Неразрушающий контроль, 2013, 9с.

4. Физическое и математическое моделирование измерительных преобразований в полях вихревых токов. Статья / Чжун Ян; Вестник Науки Сибири, 2013.№3(9).

Код для цитирования: Скопировать