Толщинометрия металлоконструкций на основе электромагнитно-акустического преобразования в импульсном магнитном поле

Актуальность темы

.

Решение проблемы обеспечения безопасности промышленных объектов неразрывно связано с технической диагностикой и неразрушающим контролем, одним из направлений которого является толщинометрия металлоконструкций при наличии одностороннего доступа. Эта задача решается на множестве технических объектов, как в процессе производства, так и при эксплуатации с использованием ультразвуковых (УЗ) толщиномеров ручного контроля.

В настоящее время основным методом УЗ толщинометрии является эхо-импульсный метод, на основе которого работают практически все УЗ толщиномеры, как ручного контроля [26, 27, 28, 31], так и автоматизированные установки. Необходимым элементом большинства УЗ приборов являются пьезоэлектрические преобразователи, работающие только при наличии контактной жидкости, обеспечивающей акустическую связь между преобразователем и объектом контроля (ОК). И эта особенность УЗ метода во многом ограничивает его применимость, снижает производительность контроля, а так же ухудшает достоверность и воспроизводимость результатов измерений.

С середины 60-х годов началось развитие технологии возбуждения и приема УЗ колебаний, позволяющей работать без использования контактной жидкости и основанной на эффекте электромагнитно-акустического (ЭМА) преобразования. В настоящее время несколькими компаниями выпускаются УЗ толщиномеры, работающие с ЭМА преобразователями (ЭМАП), которые не требуют при контроле применения контактной жидкости.

Отличительной особенностью этих приборов является использование в ЭМАП мощных постоянных магнитов. Этот фактор усложняет их практическое применение при ручном УЗ контроле, так как эффект притяжения преобразователя к ферромагнитным материалам затрудняет процедуру сканирования, приводит к частому повреждению ЭМАП и выходу их из строя, создает травмоопасность для персонала.

Известно техническое решение, позволяющее исключить из конструкции ЭМАП мощные постоянные магниты путём замены их на импульсные электромагниты. Эта технология используется, как правило, для производственного контроля в стационарных установках. Её применение в приборах ручного контроля ограничивалось высокими требованиями по энергопотреблению и сложностью реализации в малогабаритном исполнении.

В настоящее время появление новых конструкционных материалов, развитие электронной элементной базы и химических источников питания сформировало предпосылки для реализации технологии импульсного подмагничивания в малогабаритных ручных ЭМА толщиномерах. Создание и внедрение подобных приборов позволит устранить вышеперечисленные недостатки и расширить область применения УЗ ЭМА толщиномеров, повысив их производительность, достоверность, точность и эффективность. Поэтому разработка малогабаритного ручного УЗ толщиномера на основе ЭМА технологии с импульсным подмагничиванием представляет значительный интерес и является актуальной задачей.

Цели и задачи работы.

Целью данной работы является разработка и практическое внедрение УЗ толщиномера для ручного контроля на основе ЭМАП с импульсным подмагничиванием, соответствующего по своим метрологическим, массогабаритным и эксплуатационным характеристикам типовым УЗ толщиномерам, и свободного от основного недостатка УЗ ЭМА толщиномеров — эффекта сильного притяжения к ферромагнитным ОК.

Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие задачи:

1. Разработать математическую модель импульсного электромагнита, формирующего подмагничивающее поле для ЭМАП, исследовать поведение поля подмагничивания в импульсном режиме и на этой основе разработать конструкцию импульсного электромагнита.

2. Выполнить экспериментальные исследования с целью подтверждения корректности разработанной математической модели и определения особенностей и параметров помех, связанных с импульсным характером поля подмагничивания.

3. Теоретически и экспериментально оптимизировать режимы работы ЭМАП с импульсным электромагнитом и определить энергетические затраты на создание поля подмагничивания.

4. Разработать систему питания и формирования импульсов тока подмагничивания для импульсного электромагнита с учётом малогабаритного варианта исполнения, применимого для использования в УЗ толщиномерах ручного контроля.

5. На основе полученных результатов разработать ЭМА толщиномер с импульсным подмагничиванием и исследовать его основные эксплуатационные и технические характеристики при контроле изделий из различных металлов и сплавов.

Методы исследования.

При выполнении работы использовались теоретические и экспериментальные методы исследования. Теоретические исследования выполнялись на основе теории электромагнитного поля, теории радиотехнических цепей и сигналов, метода эквивалентных схем. В экспериментальных исследованиях использовались макетирование и натурный эксперимент. Для измерений, выполненных в процессе экспериментов, использовалась поверенная аппаратура и метрологически аттестованные стандартные образцы.

Научная новизна.

1. Разработана математическая модель, которая позволила оптимизировать предложенную конфигурацию импульсного электромагнита и исследовать динамику магнитного поля. Модель позволила определить алгоритм расчета импульсного электромагнита и переходных процессов.

2. Теоретически установлена зависимость плотности вихревых токов от взаимного направления токов в подмагничивающем и сигнальном индукторах. Показано, что значение плотности вихревого тока при согласном и встречном включении отличаются до 40%, что повышает соотношение сигнал/шум при согласном включении.

3. Для предложенной конфигурации импульсного электромагнита установлены диапазоны времени задержки, в результате устранено влияние шума Баркгаузена на прием акустических эхо-сигналов из объекта контроля.

4. В результате экспериментальных исследований установлено, что амплитуда отраженного эхо-сигнала зависит от взаимного направления токов в подмагничивающем и сигнальном индукторах, что позволило повысить уровень отраженного эхо-сигнала до 30%.

Практическая ценность работы.

Полученные в работе научные результаты легли в основу следующих разработок, имеющих существенную практическую и прикладную значимость:

1. На базе предложенной и оптимизированной конструкции импульсного электромагнита, разработаны два типа УЗ ЭМАП поперечных волн — с радиальной и линейной поляризацией.

2. Разработана система питания импульсного электромагнита для ручного УЗ ЭМА толщиномера с использованием литий-феррум-полимерных аккумуляторов и сильноточных ключей с малым внутренним сопротивлением, что обеспечило возможность формирования импульсов тока величиной до 150 А в индукторе подмагничивания.

3. Разработан малогабаритный УЗ ЭМА толщиномер с импульсным подмагничиванием А1270РМ, проведены его испытания и подготовлен выпуск.

Защищаемые положения.

На защиту выносится:

1. Математическая модель импульсного электромагнита.

2. Результаты исследования динамики магнитного поля.

3. Результаты оптимизации параметров импульсного электромагнита.

4. Разработанная схема питания импульсного электромагнита.

Структура и объем диссертации

.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения.

Выводы:

На основании выполненной разработки можно сделать следующие выводы:

• Наиболее энергетически выгодной и рациональной схемой питания индуктора импульсного электромагнита является схема прямого подключения индуктора к низковольтному источнику постоянного напряжения на заданное время.

• Разработаны малогабаритные ЭМАП с импульсным подмагничиванием, имеющие радиальную и линейную поляризацию. Габариты преобразователей имеют размеры сопоставимые с размерами обычных контактных УЗ пьезопреобразователей.

• Разработан ЭМА толщиномер с импульсным подмагничиванием, который обеспечивает более высокие метрологические и эксплуатационные характеристики по сравнению с ранее выпускавшемся вариантом толщиномера А1270 с ЭМАП на постоянных магнитах.

5.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Разработана математическая модель, которая позволила оптимизировать предложенную конфигурацию импульсного электромагнита и исследовать динамику магнитного поля. Модель позволила определить алгоритм.

2. Для предложенной конфигурации импульсного электромагнита установлены диапазоны времени задержки, в результате устранено влияние шума Баркгаузена на прием акустических эхо-сигналов из объекта контроля.

3. На основе полученных в данной работе результатов разработаны малогабаритные ЭМАП с импульсным подмагничиванием, которые имеет габариты сопоставимые с габаритами обычных пьезопреобразователей.

4. Впервые разработан и подготовлен к производству малогабаритный ручной ЭМА толщиномер А1270РМ с импульсным подмагничиванием, обеспечивающий реализацию УЗ эхо-импульсного метода без применения контактных жидкостей и не имеющий эффекта сильного притяжения преобразователя к ферромагнитным ОК.

5. Толщиномер позволяет проводить ручное сканирование по поверхности ОК с целью поиска мест утонений без подготовки поверхности и без использования дополнительных приспособлений для ЭМАП, что существенно повышает производительность контроля.

6. Толщиномер обеспечивает более высокие метрологические характеристики по сравнению с ранее выпускавшемся вариантом толщиномера А1270 с ЭМАП на постоянных магнитах.