Диссер

По сравнению с ЭМА толщиномерами на ЭМАП с постоянными магнитами в электронном блоке добавлен сильноточный ключ для включения подмагничивания, функциональная схема прибора приведена на рис.53.

Рис.54. Функциональная схема ручного малогабаритного ЭМА толщиномера с

импульсным подмагничиванием А1270PM

Прибор состоит из следующих блоков: сигнальный индуктор (1),

подмагничивающий индуктор (2), сердечник подмагничивающей системы (3),

генератор зондирующего импульса (4), генератор импульсного подмагничивающего поля (5), входной ограничитель (6), входной усилитель

(7), регулируемый усилитель (8), аналого-цифровой преобразователь (9), блок управления и обработки сигналов (10), аккумулятор (11), блок питания (12).

Генератор зондирующего импульса предназначен для формирования импульса тока порядка 50-100 ампер в сигнальном индукторе, выполнен по ключевой схеме и обеспечивает формирование прямоугольного импульса длительностью равной половине периода рабочей частоты.

Входной ограничитель предназначен для защиты входного усилителя от перегрузки, что обеспечивает минимальную мертвую зону после зондирующего импульса. Минимизация мертвой зоны особенно важна для тех случаев, когда отсутствуют многократные отражения и невозможно использовать корреляционную обработку. Такая ситуация встречается на

81

коррозионно-поврежденных ОК или на объектах с высоким затуханием УЗ волн.

Входной усилитель разработан таким образом, чтобы обеспечить максимальное усиление с необходимым соотношение сигнал/шум в рабочей полосе частот.

Регулируемый усилитель выполняет автоматическую перестройку усиления для обеспечения необходимого динамического диапазона, который определяется уровнем сигнала с ЭМАП и входным диапазоном АЦП.

Блок управления и обработки выполнен на микроконтроллере и программируемой логической интегральной схеме (ПЛИС).

Микроконтроллер выполняет управление всеми системами прибора,

реализует интерфейс с пользователем, выполняет сложные, но не ресурсоемкие операции обработки. Ресурсоемкие операции обработки, такие как быстрое преобразование Фурье, вычисление огибающей с помощью преобразования Гильберта, автокорреляционная обработка выполняет ПЛИС.

Такая схема построения прибора позволяет получить гибкость и высокую производительность при минимальном энергопотреблении.

Условия малогабаритности накладывают ограничения на среднюю потребляемую мощность. Поэтому в приборе предусмотрено два режима работы. Первый режим – режим обнаружения, при котором прибор автоматически определяет, что ЭМАП установлен на ОК и необходимо выполнять измерения. Особенностью данного режима является то, что импульсное подмагничивание выключено. Принцип обнаружения установки ЭМАПа на ОК аналогичен принципу однокатушечного импульсного металлоискателя. Поэтому в прибор введен дополнительный канал, который обеспечивает необходимое усиление и обработку принятого сигнала для обнаружения факта установки ЭМАП на ОК. Для упрощения на функциональной схеме этот канал не показан.

Второй режим – измерительный. Переход в этот режим осуществляется после обнаружения установки ЭМАП на ОК.

82

Рассмотрим работу прибора по функциональной схеме. При включении прибора блок управления и обработки (10) вырабатывает сигналы управления генератором зондирующего импульса (4), который формирует импульс,

идущий в сигнальный индуктор. Если сигнальный индуктор находится над ОК, в сигнальном индукторе появляется реакция на ОК. Входной сигнал с этой реакцией поступает в блок управления и обработки (10). В блоке управления и обработки выполняется автоматический алгоритм

«металлоискателя». При обнаружении установки на ОК, прибор переходит в режим эхо-импульсного толщиномера. Перед формированием зондирующего импульса для сигнального индуктора с помощью генератора (4) включается импульсное подмагничивающее поле в подмагничивающем индукторе (2). Для устранения помех, вызванных переходными процессами как в ОК, так и электронных цепях входного каскада, зондирующий импульс подается с задержкой. При подаче зондирующего импульса в сигнальный индуктор в приповерхностной области ОК возбуждаются УЗ колебания обусловленные взаимодействием вихревых токов в приповерхностном слое и подмагничивающего поля (эффект Лоренца), которые распространяются к противоположной стороне ОК, отражаясь от нее распространяются обратно.

При приходе УЗ волны на поверхность, где установлен ЭМАП в его сигнальном индукторе индуцируются напряжения пропорциональные смещениям частиц в приповерхностном слое. Далее сигнал проходит через усилительные каскады (6,7) и оцифровывается АЦП (8), обработка сигнала выполняется в блоке управления и обработки (9).

4.3Алгоритмы обработки сигналов и их реализация.

Для обеспечения автоматического режима работы были разработаны алгоритмы обработки получаемых данных. Состав алгоритмов: определение установки на ОК, обнаружение отраженного сигнала, автоматический алгоритм измерения толщины. Рассмотрим кратко работу каждого из перечисленных алгоритмов. Алгоритм определения установки на ОК (режим

«металлоискателя») автоматически определяет установку на ОК, анализируя

83

изменения параметров сигнала с сигнального индуктора (анализ фазы и амплитуды). Алгоритм обнаружения отраженного сигнала определяет факт наличия сигнала и подстраивает уровень для корректной работы алгоритма автоматического определения толщины. В приборе для автоматического измерения толщины используются комбинация двух алгоритмов: на основе автокорреляционной функции и по превышению порога (Патент РФ на изобретение № 2231753).

4.4Метрологическое обеспечение ЭМА толщиномера с импульсным

подмагничиванием.

К метрологическому обеспечению толщиномера относятся методика поверки как первичная, так и периодическая, а так же повседневная проверка работоспособности. Поверка проводится с помощью аттестованных наборов стандартных образцов эквивалентной ультразвуковой толщины КУСОТ-180 или КМТ-176М-1. Для повседневной проверки используется встроенный в корпус плоскопараллельный образец.

4.5Основные характеристики ЭМА толщиномера с импульсным

подмагничиванием А1270.

Основные технические характеристики разработанного на основе данной работы толщиномера А1270PM, использующего ЭМАП с импульсным подмагничиванием, приведены в табл. 7.

Основной отличительной особенностью ЭМА толщиномера является отсутствие эффекта сильного притяжения к ферромагнитным материалам и устойчивая работа на этих материалах при наличии окалины, а так же возможность ручного сканирования без подготовки поверхности и без использования дополнительных приспособлений.

Толщиномер может найти свое применение в нефтяной и газовой промышленности, трубопроводном транспорте, химической промышленности, пищевой промышленности, в судостроении, судоремонте, тепловой и атомной энергетике, на трубопрокатных заводах, на машиностроительных и транспортных предприятиях, в коммунальном хозяйстве.

84

Таблица. 7

	Наименование параметра					Значение
1	Диапазон измеряемых толщин (по					0,7…500
	стали), мм
2	Предел	допускаемой			основной	±(0,1)
	абсолютной погрешности, мм
3	Минимальный		радиус		кривизны	30
	контролируемой поверхности, не менее,
	мм
4	Величина	зазора		или	толщины	2
	непроводящего покрытия, не более, мм
5	Максимальная			шероховатость		160
	поверхности, Rz
6	Габаритные размеры, не более, мм					190х100х70
7	Масса с аккумуляторами, не более, кг					1,5
8	Диапазон рабочих температур, °С					-20…+45
9	Тип преобразователя					Совмещенный
10	Тип используемых УЗ волн					поперечные с	линейной
						или	радиальной
						поляризацией
11	Время непрерывной работы, ч					10

4.6Режимы работы толщиномера

Толщиномер имеет 4 режима работы: Память, А-скан, Допуск, Норма.

Режим Память применяется для оперативного определения толщины объекта контроля с отображением на экране прибора ранее сохраненных результатов.

Режим А-скан применяется для проведения измерений с графическим отображением сигнала на дисплее прибора в виде А-скана.

Режим Допуск применяется для оперативного определения отклонения толщины изделия от установленного номинального значения. Этот режим удобно использовать, когда в нормативных документах указаны допустимые отклонения от нормы.

Режим Норма применяется для оперативного определения толщины изделия с оценкой принадлежности результата измерений заданному

интервалу и критерию срабатывания автоматической сигнализации дефекта.

85

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 (порядка 12 В) на заданное время.

Разработаны малогабаритные ЭМАПы 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 с ЭМАПами на постоянных магнитах.

86

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1.Разработана математическая модель для исследования динамики магнитного поля в системе импульсного подмагничивания и с помощью нее проведены теоретические исследования, обеспечившие определение основных параметров системы подмагничивания.

2.Экспериментально исследованы характеристики помех в приемном тракте толщиномера, обусловленных шумами Баркгаузена, разработаны меры по снижению их влияния на результаты контроля.

3.Проведенные исследования показали:

3.1.При конфигурации магнитной системы в виде разомкнутого броневого сердечника для формирования требуемой величины магнитной индукции величиной не менее 0,6 Тл в области диаметром 7 мм (акустическая апертура ЭМАПа) необходима энергия 0,7 Дж для одного цикла излучения

иприёма УЗ эхо-сигналов, длительность которого 320 мкс. Данный факт позволяет сделать вывод о возможности реализации технологии импульсного подмагничивания в ручном УЗ толщиномере, которая при частоте измерений до 20 Гц потребует энергопотребления не более 14 Вт.

3.2.Сигнальный индуктор для ферромагнитных и неферромагнитных ОК для выбранной конфигурации импульсного электромагнита имеют различные размеры, для ферромагнетиков внешний диаметр может совпадать с диаметром керна, для неферромагнетиков сигнальный индуктор не должен доходить до края керна на 1 мм.

3.3.При контроле ферромагнитных материалов возникает дополнительный к известным помеховый фактор - шум Баркгаузена, регистрируемый на выходе сигнального индуктора ЭМАПа при изменении поля подмагничивания. Для устранения влияния данного фактора зондирование и приём эхо-сигналов необходимо выполнять в интервале времени при почти установившемся значении поля подмагничивания, что соответствует задержке порядка 400…600 мкс от момента включения поля подмагничивания.

87

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

5.Впервые разработан и подготовлен к производству малогабаритный ручной ЭМА толщиномер А1270PM с импульсным подмагничиванием,

обеспечивающий реализацию УЗ эхо-импульсного метода без применения контактных жидкостей и не имеющий эффекта сильного притяжения преобразователя к ферромагнитным ОК.

6.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.

7.Толщиномер обеспечивает более высокие метрологические характеристики по сравнению с ранее выпускавшемся вариантом толщиномера А1270 с

ЭМАПами на постоянных магнитах.

88

ЛИТЕРАТУРА

1.Алехин C.Г., Самокрутов А.А., Бобров В.Т., Бобров С.В., Сергеев К.Л. Моделирование магнитных систем ЭМА-преобразователей для возбуждения ультразвуковых волн. Контроль. Диагностика 2013 №7 с.1218.

2.Бархатов В.А. Эффективность помехоустойчивого кодирования ультразвуковых сигналов. Дефектоскопия 2007 №11 с.34-46.

3.Безлюдько Г.Я., Долбня Е.В., Лещенко Н.Г., Мужицкий В.Ф., Ремезов В.Б. Портативные электромагнитно-акустические толщиномеры. Дефектоскопия 2004 №4, с.28-35.

4.Бобров В.Т., Ивченко В.В., Алехин С.Г. «Промышленный контроль толщины стенки деталей обшивки корпуса ракеты «ПРОТОН» 3-я Международная выставка и конференция «Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности». 17 – 18

марта 2004. Программа конференции и тезисы докладов. М:, ЦМТ. С. 245, док. 3.18.

5.Бобров В.Т., Ивченко В.В., Алехин С.Г. «Промышленный контроль толщины стенки деталей обшивки корпуса ракеты «Протон». 3-я международная выставка и конференция «Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности». 17-18 марта 2004 г. Программа конференции и тезисы докладов. М. ЦМТ с.245, док. 3.18.

6.Буденков Г.А., Бедов С.Н., Волегов Ю.В. и др. Цифровой ультразвуковой толщиномер ТЭМАЦ-1. Информационный листок №482-74, Челябинск.

7.Буденков Г.А., Гуревич С.Ю. Современное состояние бесконтактных методов и средств ультразвукового контроля (обзор). Дефектоскопия. 1981 №5 с.5-33.

8.Бутенко А.И. и др. Толщинометрия труб испульсным электромагнитно-акустическим методом. Дефектоскопия 1973 №3, с.7-12.

89

9.Герасенов Н.Ю., Ольшанский В.П. Портативный ЭМА толщиномер УВТ-03. Дефектоскопия 1990 №6 c.80-82.

10.Гуревич С.Ю. Основы теории и практического применения высокотемпературного ультразвукового контроля ферромагнитных металлоизделий: Автореферат диссертации доктора техн. наук Екатеринбург, ИФМ УрО РАН, 1996. - 43 с.

11.Ильин И.В. Исследование электромагнитно-акустического метода возбуждения и приема волн Рэлея в ферромагнетиках: Дисс. канд. физ.-мат. наук. Л.: ЛЭТИ, 1979.- 162 с.

12.Ильин И.В., Харитонов А.В. К теории ЭМА преобразования волн Рэлея в ферромагнитных и ферримагнитных материалах. Дефектоскопия, 1980, № 7, с. 86—93.

13.Качанов В.К. О возможности применения метода сжатия импульсов в ультразвуковой дефектоскопии. Тр.МЭИ, 1974 с.14.

14.Под общей ред. Клюева В.В. Неразрушающий контроль: Справочник в 7т. Том 3 Ультразвуковой контроль. М. Машиностроение , 2004 г. 864 с.

15.Клюев В.В., Шубаев С.Н., Мужицкий В.Ф. Опыт эксплуатации электромагнитно-акустического толщиномера УТ-80Б. Дефектоскопия 1982 №9.с.37-43.

16.Козлов В.Н. Исследование корреляционных методов обработки акустических сигналов и разработка ультразвуковых толщномеров с расширенным диапазоном измерений. Дисс. Канд. Техн. Наук. М. ЗАО «НИИИ МНПО «СПЕКТР», 2002 г., 95 с.

17.Комаров В.А., Мужицкий В.Ф., Гуревич С.Ю. Теория физических полей. Том 3, Связанные поля, Челябинск-Ижевск из-во ЮУрГУ, 2000 г., 627 с.

18.Королев М.В. Эхо-импульсные толщиномеры. М. Машиностроение 1980 112 с.

90