Выдержка из текста работы
Неразрушающий контроль и, в частности, дефектоскопия как его разновидность обеспечивают качество, надежность и безопасность эксплуатации огромного числа самых разных технических объектов без нарушения их свойств, функционирования и пригодности к применению.
В неразрушающем контроле существуют различные области диагностирования.
В данном курсовом проекте речь будет идти об измерении толщины проволоки, это относится к области метрической диагностики.
В настоящее время ни один технологический процесс производства и эксплуатации сложных объектов, конструкций и сооружений не обходится без неразрушающего контроля и технической диагностики.
Под технической диагностикой понимают установление и изучение технического состояния объектов для предсказания режимов их работы и определения остаточного ресурса. Неразрушающий контроль — это разработка и применение технических методов исследования материалов или конструкций, узлов с целью оценки их целостности, свойств, состава и измерения геометрических характеристик путем обнаружения дефектов, измерения их параметров способами, не ухудшающими последующую эксплуатационную пригодность и надежность.
Наиболее универсальным, эффективным и экономичным методом неразрушающего контроля является вихретоковый метод контроля. Вихретоковый контроль (ВК) основан на анализе взаимодействия внешнего электромагнитного поля с электромагнитным полем вихревых токов, наводимых в объекте контроля этим полем. Появление поля вихревых токов фиксируется измерительной катушкой. Все нарушения однородности контролируемого изделия мгновенно увеличивают электрическое сопротивление поверхностного слоя металла, что приводит к ослаблению вихревых токов. При регистрации напряжения и сопротивления на катушках, появляется необходимая информация о свойствах объекта, а также о его положении относительно преобразователя.
Сфера действия метода:
? контроль качества металлов и сплавов, полупроводников, электропроводящих прутков, пластин, листов, проволоки;
? контроля дефектов сварки, проведения плановых инспекций сварных конструкций;
? диагностика состояний труб, арматуры, железнодорожных рельс, проволоки, элементов подшипников, крепежных деталей и многих других промышленных изделий.
Вихретоковый метод контроля обладает рядом преимуществ:
? Высокая точность и повторяемость выявления дефектов;
? Высокая скорость контроля;
? Минимальные требования к состоянию поверхности;
? Возможность контроля через покрытия;
? Возможность контроля объектов со сложной геометрией, мест трудного доступа;
? Возможность контроля под водой;
? Способность различать типы дефектов;
? Отсутствие необходимости создания контактной среды, отсутствие потребности в расходных материалах; метод не представляет опасности здоровью оператора.
Так же метод имеет ряд ограничений:
? Проверить можно лишь проводники;
? Поверхность материала должна быть доступна;
? Если объект имеет покрытие, то значение измерений может быть искажено;
? Глубина проникновения в материал имеет ограничения;
? Дефекты, расположенные параллельно зонду могут остаться незамеченными.
Целью данного курсового проекта является разработка прибора для измерения толщины проволоки на основе вихретокового датчика, в том числе рассчитать датчик и схему разработанного прибора.
2. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
Принцип работы измерительных преобразователей толщины может быть основан на различных физических явлениях, таких, как изменение электрического сопротивления, емкости, оптической, радиационной или магнитной проводимости первичного датчика и т.д.
Приведем методику измерения толщины исходя из физического и конструктивного принципа. К основным путям определения толщины тела можно отнести следующие методы: механические и электронные. К электронным методам относятся: магнитные (магнитного потока, магнитного сопротивления, вихревых токов); электрические (емкостные, резистивные); радиационные (рентгенографические, ионизационные, оптические)[5]. В данном курсовом проекте разрабатывается прибор для измерения толщины проволоки на основе вихретокового датчика.
Один из основных параметров щелевого вихретокового датчика — погрешность измерения, возникающая, как правило, вследствие влияния мешающих факторов, связанных с измерением параметров объекта[5].
Действие вихретоковых ПИП основано на взаимодействии внешнего электромагнитного поля с электромагнитным полем вихревых токов, наводимых в электропроводящем объекте этим полем. Распределение и плотность вихревых токов определяются источником электромагнитного поля, геометрическими и электромагнитными параметрами объекта контроля (измерения). Обычно в качестве источника электромагнитного поля используется индуктивная катушка с синусоидальным током, называемая вихретоковым преобразователем (ВТП) [1].
При протекании по катушке импульсного или синусоидального тока I0 и отсутствии вблизи нее электропроводящего объекта (рис. 1а) полное сопротивление катушки 1 будет рассчитываться по формуле, Z0 = (R0 + j?L0) где R0 и L0 – собственное сопротивление и индуктивность катушки.
а б в
Рисунок 1[4].
При наличии вблизи объекта измерения 2 такой катушки 1 (рис. 1б)
электропроводящего объекта силовые линии магнитного поля (поля возбуждения), создаваемого с помощью тока I0 в катушке, охватывают витки катушки и замыкаются через электропроводящий объект. При этом в объекте в поверхностном слое электропроводящего объекта возникают вихревые электрические токи iвт, замыкающиеся по кругу и охватывающие силовые линии поля возбуждения. Плотность и распределение вихревых токов зависят от удельной электропроводности ?, абсолютной магнитной проницаемости ?а, зазора h между катушкой и объектом, сплошности материала объекта и других факторов[4].
Глубина проникновения уменьшается с увеличением частоты. Например, для меди и алюминия при частоте 50 Гц на глубине примерно 10 мм электромагнитное поле затухает на 95 %, а на высоких частотах (500 кГц) глубина проникновения уменьшается до 0,1 мм [2]. На глубинах, больших некоторой максимальной глубины ?max, вихревые токи практически отсутствуют. Максимальную глубину проникновения вихревых токов можно оценить по формуле [3]
?_max=v(2/(??_а ?))=(r_ср v2)/? ,
где ?=r_ср v(??_а ?) ; r_ср – средний радиус катушки.
Вихревые токи создают свое собственное магнитное поле Фвт, которое
меньше поля возбуждения Ф0 и в каждый момент времени противоположно ему.
В результате взаимодействия полей Фвт и Ф0 (рис. 1б) напряженность электромагнитного поля, в котором находится катушка, изменяется. При этом изменяются сопротивление R и индуктивность L и соответственно индуктивное сопротивление катушки ХL. Взаимодействие индуктивной катушки 1 с объектом 2 можно представить эквивалентной схемой (рис. 1в) [1].
Таким образом, присутствие вблизи катушки с переменным током электропроводящей среды приводит к увеличению активного сопротивления R катушки. Если объект контроля является немагнитным электропроводящим объектом, индуктивность L катушки вследствие уменьшения результирующей напряженности электромагнитного поля уменьшается. Если объект выполнен из магнитного материала, то индуктивность L катушки увеличивается:
R1 = R0 + RВН; L1 = L0 ± LВН ,
где RВН – вносимое в индуктивную катушку активное сопротивление, обусловленное потерями энергии за счет нагрева объекта 2 вихревыми токами;
LВН – вносимая индуктивность, обусловленная изменением потокосцепления индуктивной катушки 1.
Изменение активного R и реактивного X сопротивлений возбуждающей катушки зависит от удельной электрической проводимости ? и магнитной проницаемости ? металла, от частоты f намагничивающего тока, зазора h. Чем больше ? и ?, тем в большей степени изменяются параметры катушки, но тем меньше глубина проникновения вихревых токов в металл. Низкочастотные вихревые токи проникают более глубоко, высокочастотные ограничиваются тонким поверхностным слоем.
Наличие дефектов, т. е. нарушение сплошности материала объекта (например, трещина), приводит к изменению распределения и плотности вихревых токов в объекте контроля. При этом параметры катушки снова изменяются и становятся равными R2 = R0 + Rвн + ?R и L2 = L0 ± Lвн + ?L, что является результатом изначального изменения ? и ? в зоне дефекта (трещины).
Определяя изменения активного и индуктивного сопротивления катушки, можно получить информацию о характере дефекта, электромагнитных параметрах материала объекта и других величинах[4].
Классификация вихретоковых преобразователей
Вихретоковый преобразователь (ВТП) – это устройство, содержащее
несколько обмоток, предназначенных для возбуждения в объекте контроля вихревых токов и преобразования, зависящего от параметров объекта электромагнитного поля в сигнал преобразователя [6]. Обязательно одна из обмоток – обмотка возбуждения – обтекается переменным током от соответствующего генератора. Принцип работы многообмоточных ВТП не отличается от одно- или двухобмоточных.
ВТП могут быть классифицированы по следующим признакам: 1) по типу преобразования параметров объекта в выходной сигнал; 2) по способу соединения обмоток; 3) в зависимости от расположения ВТП по отношению к объекту.
По типу преобразования параметров объекта в выходной сигнал ВТП
подразделяются на параметрические и трансформаторные.
Параметрические – это ВТП с одной катушкой индуктивности, по параметрам которой судят о качестве объекта. Выходным сигналом является изменение полного сопротивления катушки ВТП.
Трансформаторные – ВТП, содержащие две (или более) катушки индуктивности, одна из которых (возбуждающая) служит для создания электромагнитного поля, а следовательно, вихревых токов в объекте, а другая (измерительная) – для измерения ЭДС, наводимой в ней результирующим магнитным потоком, пронизывающим ВТП. Измерительная катушка играет роль вторичной обмотки трансформатора. Информативным параметром выходного сигнала преобразователя является изменение амплитуды и фазы синусоидального напряжения в измерительной катушке, которые зависят от параметров объекта[4].
Достоинством параметрических ВТП является простота, а к недостаткам можно отнести зависимость выходного сигнала от температуры преобразователя. Трансформаторные ВТП характеризуются меньшей зависимостью выходного сигнала от температуры [3].
По способу соединения обмоток ВТП разделяются на абсолютные и дифференциальные.
Абсолютные – это ВТП, выходной сигнал которых определяется абсолютными значениями параметров объекта в зоне контроля. Они имеют возбуждающую 1 и измерительную 2 обмотки (рис. 2а).
Дифференциальные – это ВТП, имеющие одинаковые возбуждающие обмотки 1, соединенные последовательно-согласно, и две одинаковые измерительные 2 (рис. 2б). Здесь влияние ?плавных? изменений ? и ? значительно
уменьшено, так как выходной сигнал определяется разностью параметров
объекта контроля в зоне контроля, что резко повышает отношение ?сигнал/помеха?.
а б
1 – возбуждающая обмотка; 2 – измерительная обмотка; 3 – объект
Рисунок 2[4].
В зависимости от расположения ВТП по отношению к объекту контроля ВТП разделяются на проходные, накладные, экранные и комбинированные.
Проходные разделяют на наружные, внутренние и погружные.
На рис. 3 показаны разновидности трансформаторных проходных ВТП.
Катушки проходных наружных ВТП (рис. 3а, б) охватывают объект. Катушки проходных внутренних ВТП (рис. 3в) вводят внутрь объекта. Погружные (рис. 3г) используют для контроля жидких электропроводящих сред, куда их и помещают. В экранных проходных ВТП возбуждающие и измерительные катушки располагают по разные стороны объекта (рис. 3д). В указанных конструкциях ВТП измерительная катушка может располагаться внутри возбуждающей катушки (рис. 3а) или охватывать измерительную катушку (рис. 3б). К проходным можно отнести и так называемые ?щелевые? ВТП с магнитопроводом (рис. 3е), охватывающим протяженный объект. Наружные, внутренние и погружные ВТП могут быть как параметрическими, так и трансформаторными. Экранные ВТП могут быть только трансформаторными[4].
а б в г д е
1 – возбуждающая катушка; 2 – измерительная катушка; 3 – объект;
4 – магнитопровод
Рисунок 3[4].
Накладные ВТП располагают вблизи поверхности объекта, они имеют одну или несколько обмоток, которые располагаются на одной стороне детали. Их прикладывают торцом, т. е. осью перпендикулярно контролируемой поверхности. Возможно и продольное расположение накладных ВТП, когда оси катушек направлены вдоль контролируемой поверхности. Катушки накладных ВТП могут быть круглыми коаксиальными (рис. 4а), прямоугольными (рис. 4б), прямоугольными крестообразными (рис. 4в), с взаимно перпендикулярными осями (рис. 4г). Возбуждающая и измерительная катушки накладных ВТП могут располагаться по разные стороны от объекта (рис. 4д). Такие преобразователи называются экранными[4].
а б в г д
1 – возбуждающая катушка; 2 – измерительная катушка; 3 – объект
Рисунок 4[4].
Накладные ВТП выполняют с ферромагнитными сердечниками и без них. Благодаря сердечнику (обычно ферритовому) повышается абсолютная чувствительность к изменению контролируемых параметров и формируется электромагнитное поле заданной топологии. Иногда сердечники используются для локализации магнитного поля с целью уменьшения зоны контроля.
Комбинированные ВТП представляют собой сочетание проходных возбуждающих катушек и накладных измерительных катушек. Конструкции комбинированных ВТП представлены на рис. 5. Комбинированные ВТП характеризуются большой зависимостью выходного сигнала от перекоса осей
проходных и накладных катушек ВТП относительно поверхности объекта.
Данные преобразователи большого распространения не получили[4].
а б
1 – возбуждающая катушка; 2 – измерительная катушка; 3 – объект
Рисунок 5[4].
Катушки ВТП по отношению друг к другу могут быть подвижными и неподвижными. Подвижные катушки могут вращаться как внутри, так и вокруг неподвижных катушек. Преобразователи, у которых подви катушки вращаются внутри неподвижных, называются роторными[4].
Использование роторных ВТП позволяет осуществлять сканирование (круговое) поверхности детали (даже в том случае, когда ВТП по поверхности детали не перемещается. Кроме того, вращение катушек в процессе контроля приводит к дополнительной модуляции сигнала ВТП, которая различна для помех и сигналов. Это позволяет снизить влияние помех и повысить достоверность контроля [3].
Достоинства и недостатки ВТП
Достоинства ВТП: 1) ВТП позволяет осуществлять многопараметровый контроль, так как ЭДС (или сопротивление) зависит от многих параметров ОК и взаимного расположения ВТП и ОК; 2) возможность бесконтактного контроля и измерения, что позволяет контролировать движущиеся объекты; 3) на выходные сигналы ВТП практически не влияют влажность, давление и загрязненность газовой среды, радиоактивные излучения.
Недостатки ВТП: 1) трудности реализации, вследствие влияния на выходной сигнал ВТП многих параметров объекта; 2) вихретоковые преобразователи имеют большие погрешности, обусловленные главным образом температурными изменениями электрической проводимости проводящего тела[5].
С помощью наружных проходных ВТП контролируют линейно протяженные объекты (проволоку, прутки, трубы и. т. п.), осуществляют массовый контроль мелких изделий. С помощью внутренних проходных ВТП контролируют внутренние поверхности труб, баллонов, стенки отверстий в различных деталях.
Погружные ВТП применяют для контроля жидких сред, экранные и проходные – для контроля труб, щелевые – для контроля проволоки.
Проходные ВТП позволяют получить интегральную оценку параметров
объекта по периметру, поэтому они имеют меньшую чувствительность к не-
большим изменениям (локальным) его свойств [1].
Накладные ВТП обладают значительно большими возможностями, чем
проходные. Они широко применяются в дефектоскопии и в основном контролируют объекты с плоскими поверхностями и объекты сложной формы, например ободья и диски колес. Они применяются также, когда требуется обеспечить локальность и высокую чувствительность контроля[5].
Кроме дефектоскопии ВТП специальной конструкции применяются: для контроля пространственного положения изделий, измерения параметров вибраций, скорости движения, бесконтактного контроля линейных размеров тонких пластин и толщины покрытий (индукционная толщинометрия), угловых и линейных перемещений. Применять вихретоковые датчики для измерения перемещения имеет смысл только в тех случаях, когда датчик не имеет ферромагнитных включений, так как чувствительность ВТП к перемещению в 5–20 раз меньше чувствительности такого же по габаритам индуктивного преобразователя с катушкой, помещенной в магнитопровод с перемещающимся сердечником[5].
3. ВЫБОР НАПРАВЛЕНИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
В зависимости от количества учитываемых параметров различают однопараметровый, двухпараметровый и многопараметровый контроль.
В процессе контроля измеряется только один параметр — толщина проволоки и основным мешающим фактором будет удельная электропроводность.
К наиболее распространенным способам выделения информации при вихретоковом контроле относятся амплитудный, фазовый и амплитудно-фазовый, основанные на использовании соответственно амплитуды, фазы, а также одновременно амплитуды и фазы выходного напряжении ВТП[5].
Рассмотрим часть годографа вносимых напряжений , обусловленных изменениями контролируемого параметра и подавляемого фактора (параметра) (рис.6). Амплитуда напряжения ВТП (модуль комплексного напряжения) может лишь в небольшой степени зависеть от изменения подавляемого параметра, если рабочая точка из начала координат смещается в точку комплексной плоскости , расположенную на нормали к годографу в точке , соответствующей ОК с номинальными параметрами . Этого можно добиться вычитанием компенсирующего напряжения из напряжения измерительной обмотки ВТП: , где — начальное вносимое напряжение при и . Если изменение подавляемого фактора вызывает смещение конца вектора из точки в точку , то разность модулей векторов и .
В тоже время при изменении контролируемого параметра (точка ) , где — модуль чувствительности ВТП к контролируемому параметру ; — угол в точке между направлениями па комплексной плоскости линий влияния факторов и [1].
Рисунок 6. Векторная диаграмма амплитудного способа выделения информации [1].
Амплитудный способ двухпараметрового контроля целесообразно применять тогда, когда годографы близки дугам концентрических окружностей, а угол между касательными к ним и годографами значителен . Очень важно, чтобы этот угол мало изменялся при значительных приращениях параметров и . В противном случае, т.е. когда линия влияния отличается от окружности, а линии влияния — от прямой линии, амплитудный способ приводит к погрешностям контроля, которые тем больше, чем сильнее отличие от окружности, а — от прямой линии. Так как в этом случае выходное напряжение прибора пропорционально , то наилучшие условия выделения информации о параметре будут при [1].
Амплитудный способ выделения информации целесообразно применять, например, для контроля толщины диэлектрических покрытий накладными ВТП или диаметра проволоки (что идентично изменению зазора между ВТП и ОК) проходными ВТП с подавлением влияния изменений удельной электрической проводимости ?. Поэтому будем использовать именно амплитудный способ выделения информации[2].
3. ВЫБОР НАПРАВЛЕНИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
В зависимости от количества учитываемых параметров различают однопараметровый, двухпараметровый и многопараметровый контроль.
В процессе контроля измеряется только один параметр — толщина проволоки и основным мешающим фактором будет удельная электропроводность.
К наиболее распространенным способам выделения информации при вихретоковом контроле относятся амплитудный, фазовый и амплитудно-фазовый, основанные на использовании соответственно амплитуды, фазы, а также одновременно амплитуды и фазы выходного напряжении ВТП[5].
Рассмотрим часть годографа вносимых напряжений , обусловленных изменениями контролируемого параметра и подавляемого фактора (параметра) (рис.6). Амплитуда напряжения ВТП (модуль комплексного напряжения) может лишь в небольшой степени зависеть от изменения подавляемого параметра, если рабочая точка из начала координат смещается в точку комплексной плоскости , расположенную на нормали к годографу в точке , соответствующей ОК с номинальными параметрами . Этого можно добиться вычитанием компенсирующего напряжения из напряжения измерительной обмотки ВТП: , где — начальное вносимое напряжение при и . Если изменение подавляемого фактора вызывает смещение конца вектора из точки в точку , то разность модулей векторов и .
В тоже время при изменении контролируемого параметра (точка ) , где — модуль чувствительности ВТП к контролируемому параметру ; — угол в точке между направлениями па комплексной плоскости линий влияния факторов и [1].
Рисунок 6. Векторная диаграмма амплитудного способа выделения информации [1].
Амплитудный способ двухпараметрового контроля целесообразно применять тогда, когда годографы близки дугам концентрических окружностей, а угол между касательными к ним и годографами значителен . Очень важно, чтобы этот угол мало изменялся при значительных приращениях параметров и . В противном случае, т.е. когда линия влияния отличается от окружности, а линии влияния — от прямой линии, амплитудный способ приводит к погрешностям контроля, которые тем больше, чем сильнее отличие от окружности, а — от прямой линии. Так как в этом случае выходное напряжение прибора пропорционально , то наилучшие условия выделения информации о параметре будут при [1].
Амплитудный способ выделения информации целесообразно применять, например, для контроля толщины диэлектрических покрытий накладными ВТП или диаметра проволоки (что идентично изменению зазора между ВТП и ОК) проходными ВТП с подавлением влияния изменений удельной электрической проводимости ?. Поэтому будем использовать именно амплитудный способ выделения информации[2].
………….
7. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Неразрушающий контроль: В 5 кн. Кн. 3. Электромагнитный контроль:
практ. пособие / В.Г. Герасимов, А.Д. Покровский, В.В. Сухоруков; под ред. В.В. Сухорукова. – М.: Высш. шк., 1992. – 312 с.
2. Левшина, Е.С. Электрические измерения физических величин: Измерительные преобразователи: учеб. пособие для вузов / Е.С. Левшина, П.В. Новицкий. – Л.: Энергоатомиздат, 1983. – 320 с.
3. Криворудченко, В.Ф. Современные методы технической диагностики и
неразрушающего контроля деталей и узлов подвижного состава железнодорожного транспорта: учеб. пособие / В.Ф. Криворудченко, Р.А. Ахмеджанов; под ред. В.Ф. Криворудченко – М.: Маршрут, 2005. – 436 с.
4. Ахмеджанов, Р.А. Физические основы получения информации: учеб. пособие / Р. А. Ахмеджанов, А. И. Чередов. – Омск: Изд-во ОмГТУ, 2008. – 184 с.
5. Клюев, В.В. Неразрушающий контроль и диагностика: Справочник / В. В Клюев, Ф. Р Соснин, А.В. Ковалев и др.; Под. ред.В. В. Клюева.2-е изд. испр. и доп. — М.: Машиностроение, 2003. — 656 с.
6. ГОСТ 24289-80. Контроль неразрушающий. Термины и определения. –
М.: Изд-во стандартов, 1980. – 8 с.
7. 29_NNM_2008/Tecnic/35922.doc.htm
