Прохідний електромагнітний перетворювач для контролю перерізу сталевих канатів

Прохідний електромагнітний перетворювач для контролю перерізу сталевих канатів, що містить збуджуючу і вимірювальну обмотки, виконані у вигляді двох аксіально витягнутих прямо кутних котушок, установлених одна напроти одної так, що кожна з них охоплює половину окружності навколо каната, котушки вимірювальної обмотки з'єднано послідовно-зустрічно, збуджуючу обмотку виконано ідентично вимірювальній, а остання установлена між поперечними ділянками витків збуджуючої обмотки, який відрізняється тим, що поперечні ділянки котушок вимірювальної обмотки аксіально віддалені від поперечних ділянок котушок збуджуючої обмотки на відстань, що становить чверть довжини збуджуючої обмотки Технічне рішення відноситься до неруйнуючого електромагнітного контролю і може бути використане для визначення втрати перерізу сталі канатів під час їх експлуатації Відомий пристрій для дефектоскопії сталевих канатів з джерелом змінного струму, до якого підключена збуджуюча обмотка у вигляді порожнистого провідника з розміщеною в середині нього вимірювальною обмоткою, з'єднаною з вимірювальним блоком Обмотки являють собою трансформатор, осердям якого є сталевий канат, навколо якого намотано витки котушок Про втрату поперечного перерізу сталі каната судять з відносного зменшення напруги на виході вимірювальної обмотки (див а с СРСР №141516, 1, G01N 27/82, опубл 07 08 88р , Б І №29) До недоліків пристрою відноситься необхідність використання низьких робочих частот порядка 10 20Гц для забезпечення необхідної точності виміру внутрішньої втрати перерізу, нелінійність функції перетворення, сильний магнітний зв'язок між обмотками, що приводить до утворення напруги на виході вимірювальної обмотки при відсутності каната, незручність експлуатації та чутливість до паразитних магнітних потоків в канаті Відомий прохідний вихрострумний перетворювач для контролю феромагнітних труб, який має збуджуючу й вимірювальну обмотки, які виконано у вигляді накладених і витягнутих навколо труби прямокутних котушок, кожна з яких охоплює половину окружності, котушки вимірювальної обмотки з'єднано послідовно-зустрічно, збуджуюча обмотка виконана ідентично вимірювальній, а її котушки встановлено компланарно котушкам вимірювальної обмотки Магнітні потоки котушок протилежні та направлені перпендикулярно до поверхні труби Котушки розділені феромагнітною трубою як екраном і не мають магнітного зв'язку між собою, завдяки чому забезпечується складання корисних сигналів, які дають інформацію про дефекти у ТІЛІ труби, та взаємне зрівноважування ЕРС, наведених у котушках паразитними магнітними потоками (див а с СРСР №1366934, G 01 N 27/90, опубл 15 01 88р, Б І №2) Цей перетворювач можна використати для контролю сталевих канатів, але точність виміру внутрішніх дефектів буде неприпустимо низькою внаслідок впливу скін-ефекту, який обмежує глибину проникнення електромагнітного поля у контрольований канат Крім цього в даному випадку перетворювачу властиві наступні недоліки - необхідність використання низьких робочих частот порядку 10 20Гц, що обмежує швидкість контролю, - нелінійність функції перетворення та сильний магнітний зв'язок між обмотками, що приводить до утворення напруги на виході вимірювальної обмотки при відсутності каната Відомий прохідний електромагнітний перетворювач для контролю поперечного перерізу сталевих канатів, визначений як прототип, який має збуджуючу та 1 ю 45742 вимірювальну обмотки, виконані у вигляді двох аксіально витягнутих прямокутних котушок, розташованих одна проти другої так, що кожна з них охоплює половину окружності, котушки вимірювальної обмотки сполучено послідовно-зустрічно, збуджуючу обмотку виконано ідентично вимірювальній обмотці і розміщено аксіально вимірювальній обмотці, при цьому котушки обмоток витягнуто аксіально на довжину, яка дорівнює 4 - 6 радіусам їх поперечних ділянок, поперечні ділянки котушок вимірювальної обмотки аксіально віддалено від поперечних ділянок котушок збуджуючої обмотки на віддаль 1 - 6 радіусів, при радіусі поперечних ділянок котушок 1 - 1 , 5 діаметра каната (див патент України №15396, G 01 N 27/72, опубл ЗО 06 97р , П в №3) Котушки обмоток витягнуто аксіально так, що утворені їх поперечними ділянками пари зустрічне включених кільцевих обмоток практично не мають зв'язку через канат Суміжні і аксіально рознесені поперечні ділянки котушок вимірювальної обмотки та поперечні ділянки котушок збуджуючої обмотки утворюють навколо каната кільцеві обмотки, магнітно пов'язані через канат У площині кільцевої збуджуючої обмотки екранування внутрішніх шарів дротин каната ЗОВНІШНІМИ призводить до послаблення магнітного поля у середині каната У зоні розсіювання, де знаходиться кільцева вимірювальна обмотка, це екранування центральних ділянок каната ЗОВНІШНІМИ стає корисним, завдяки якому індукція у центрі каната збільшується відносно індукції в його ЗОВНІШНІХ шарах У канатах великого діаметра - до 65мм, які застосовуються на шахтах, це сприяє кращому виявленню внутрішніх дефектів без надмірного зниження частоти Функція перетворення при цьому лінійна У варіанті, коли вимірювальна обмотка розташована поза збуджуючою, мають місце паразитні викиди сигналу на дуже спрацьованих канатах, тобто при різких змінах перерізу Це виникає внаслідок того, що вимірювальна та збуджуюча обмотки під час контролю розташовані на різних ділянках каната При розрізнювальній здатності по довжині дефектів - 0,28м, сам перетворювач в цьому випадку має довжину порядку 12 максимальних діаметрів каната, тобто, майже 0,8м Це незручно в експлуатації Варіант, коли вимірювальна обмотка знаходиться в середині збуджуючої, ближчий від усіх до заявленого При цьому найменші розміри обмоток складають довжина збуджуючої обмотки - 6 максимальних діаметрів каната, а вимірювальної - 4 при радіусі поперечних ділянок витків обмоток, який дорівнює максимальному діаметру каната У цьому випадку вихідна напруга перетворювача при тих же умовах у 1,7 рази вища, нема паразитних викидів, бо вимірювальна та збуджуюча обмотки у процесі контролю знаходяться на одній і тій же ДІЛЯНЦІ каната, перетворювач удвічі коротший Але розрізнювальна здатність по довжині дефектів у нього гірша - 0,45м, а довжина перетворювача, розміри та розташування вимірювальної обмотки не є оптимальними В основу винаходу поставлено завдання ство рити такий прохідний електромагнітний перетворювач для контролю поперечного перерізу сталевих канатів, у якого за рахунок раціонального розташування обмоток зменшуються його габарити, а також покращується розрізнювальна здатність по довжині дефектів та підвищується СТІЙКІСТЬ до електромагнітних перешкод Поставлене завдання вирішується за рахунок того, що в прохідному електромагнітному перетворювачі для контролю поперечного перерізу сталевих канатів, що містить збуджуючу та вимірювальну обмотки, які виконано у вигляді двох витягнутих аксіально прямокутних котушок, установлених одна напроти одної так, що кожна з них охоплює половину окружності навколо каната, котушки вимірювальної обмотки з'єднано послідовно-зустрічно, збуджуючу обмотку виконано ідентично вимірювальній та встановлено аксіально вимірювальній обмотці, вимірювальна обмотка установлена між поперечними ділянками витків збуджуючої обмотки, згідно з винаходом, поперечні ділянки котушок вимірювальної обмотки аксіально віддалено від поперечних ділянок котушок збуджуючої обмотки на віддаль, яка дорівнює чверті довжини збуджуючої обмотки Аксіальне віддалення поперечних ділянок котушок вимірювальної обмотки від поперечних ділянок котушок збуджуючої обмотки, між котрими першу розміщено, на віддаль, яка дорівнює чверті довжини збуджуючої обмотки, дозволяє зменшити довжину перетворювача Довжина збуджуючої обмотки в даному випадку обмежена тільки дозволеною похибкою виміру внутрішніх дефектів і допустимою нелінійністю функції перетворення На фіг 1 схематично наведено запропонований електромагнітний перетворювач, на фіг 2 графіки усереднених абсолютних похибок 5 (%) виміру внутрішньої втрати перерізу відносно зовнішньої для частот fi < f2< f3, залежно від віддалі X між поперечними ділянками котушок збуджуючої та вимірювальної обмоток, вираженої у долях довжини L збуджуючої обмотки, на фіг 3 - графіки цих похибок для тих же частот у залежності від довжини L перетворювача, вираженій у максимальних діаметрах d каната, на фіг 4 - графіки усередненої абсолютної похибки 5 (%) виміру великого дефекту відносно удвічі меншого, характеризуючи ЛІНІЙНІСТЬ функції перетворення, у залежності від довжини L перетворювача, вираженій у максимальних діаметрах d каната Перетворювач містить збуджуючу обмотку 1 та вимірювальну обмотку 2 Збуджуюча обмотка 1 складається з двох котушок 3 і 4, а вимірювальна обмотка 2 - котушок 5 і 6 Котушки збуджуючої обмотки аксіально витягнуто на довжину L Поперечні ділянки 7 вимірювальної обмотки 2 віддалено від поперечних ділянок 8 котушок збуджуючої обмотки 1 на віддаль L/4 Вектори Ф вказують на миттєвий напрямок магнітного потоку R - радіуси поперечних ділянок котушок Під час контролю у середині перетворювача знаходиться канат 9 діаметром d При зніманні залежностей (фіг 2) довжина L збуджуючої обмотки, яка визначає і довжину перетворювача, складала 4 6 максимальних діаметрів 45742 (фіг 2) На більш вищих частотах f2 і f3 характер змін кривих зберігається При зменшенні довжини вимірювальної обмотки и вихідна напруга несе інформацію в основному про магнітну індукцію в поверхневих шарах каната, і тому похибка 5 (%) виміру внутрішніх дефектів зростає Це видно на фіг 2 нахилом кривих f у районі близькому до X = L/2 З експериментальних кривих фіг 2 виходить, що поперечні ділянки витків вимірювальної обмотки потрібно розміщати на віддалі L/4 від поперечних ділянок збуджуючої, оскільки ефект зворотного екранування, який має місце в зоні розсіювання і який сприяє виявленню внутрішніх дефектів, починається та закінчується на обмеженій ДІЛЯНЦІ 0 L/2 і має максимум посередині цієї ділянки Довжина вимірювальної обмотки при цьому складає L/2, тобто, половину збуджуючої При зменшенні довжини L збуджуючої обмотки ВІДПОВІДНО зменшується відстань між поперечними ділянками збуджуючої та вимірювальної обмоток, внаслідок чого екранування центральних зон каната ЗОВНІШНІМИ не досягає повного ефекту і похибка виміру внутрішніх дефектів збільшується (див Криві f1.f2.f3, фіг 3) На канатах великого діаметра зі зменшенням довжини L збуджуючої обмотки змінне магнітне поле проникає в основному в поверхневі шари канату При збільшуванні дефекту покращується проникнення магнітного поля у частину перерізу каната, що залишилась, це створює нелінійність, яка проявляється у завищенні великого дефекту відносно меншого 3 експериментальних кривих f1, f2, f3, (фіг 4) видно, що зі зниженням частоти неЛІНІЙНІСТЬ функції перетворення знижується Згідно З експериментальними графіками на фіг 3 та фіг 4, довжина збуджуючої обмотки L може бути вибрано такою, яка дорівнюється 4d, де є - основа натуральних логарифмів, але при цьому потрібно понизити частоту, щоб не S - площа перерізу усіх дротин каната вийти за допустимі межі основної абсолютної поНа віддалі L/2 між кільцевими ділянками збухибки виміру ± 2% джуючої обмотки ці два магнітних потоки зрівноЕкспериментальне встановлено, що для заважуються критих та багатошарових канатів великого діаметУ канаті, розміщеному поміж поперечними діру, порядка 50 65мм, робоча частота перетворюлянками збуджуючої обмотки, на віддалях 0 < X ^ вача, який має довжину збуджуючої обмотки, L/2 від їх поперечних ділянок результативний магрівній чотирьом максимальним діаметрам каната, нітний потік Фх змінюється від значення Ф|_, при X при радіусі поперечних ділянок обмоток, рівному = 0, до нуля, при X = L/2 максимальному діаметру каната, не повинна перевищувати 30Гц фх = Перетворювач з зазначеними розмірами має вихідну напругу в 1,36 рази більшу, ніж у його проЦими ділянками обмежено дві зони розсіютотипу з зовнішньою вимірювальною обмоткою вання, у яких розташовано поперечні ділянки 7 Завдяки короткій вимірювальній обмотці, довжина котушок 5 та 6 вимірювальної обмотки 2 Тут приякої дорівнює двом максимальним діаметрам касутні два нерівнозначних аксіальних зустрічних ната, перетворювач менш чутливий до ЗОВНІШНІХ магнітних потоків, магнітна індукція кожного зокЗМІННИХ полів, які мають градієнт напруженості, і рема перерозподіляючись по поперечному перерідо паразитних магнітних потоків в канаті Це дозу каната з ростом X, концентрується у його зволяє контролювати канати у більш широкому центрі, бо розсіюванню магнітного поля з центрадіапазоні діаметрів d = (0,3 1) R (замість d = льних зон каната перешкоджає екранування їх (0,66 1) R у прототипа) ЗОВНІШНІМИ шарами Оскільки один з потоків у сеПеретворювач, маючи укорочені обмотки, збередній частині цих ділянок приблизно удвоє слабрігає позитивні якості прототипу чутливість до кіший, перевищення магнітної індукції тут у центрі внутрішніх дефектів, ЛІНІЙНІСТЬ функції перетвоканата відносно індукції у його ЗОВНІШНІХ шарах рення, відсутність паразитних викидів сигналу все таки має місце, хоча і слабше, ніж у прототипу Позитивні ЯКОСТІ у заявленому перетворювачі з довгими обмотками, та на більш нижчій частоті fi створюють передпосилки для більш повного вико d каната, а віддаль X змінювалася зміненням довжини вимірювальної обмотки Залежності на фіг З і фіг 4 знімалися, коли віддаль між поперечними ділянками збуджуючої та вимірювальної обмоток дорівнювала чверті довжини L збуджуючої обмотки Всі залежності знято експериментальне на закритих і багатошарових канатах великих діаметрів При цьому радіус R поперечних ділянок збуджуючої і вимірювальної обмоток дорівнював максимальному діаметру каната - 65мм В процесі контролю канат 9 знаходиться у середині перетворювача і являє собою осердя трансформатора, первинною обмоткою якого були дві кільцеві обмотки, утворені поперечними ділянками витків збуджуючої обмотки, а вторинною дві кільцеві обмотки, утворені поперечними ділянками витків вимірювальної обмотки Про втрату поперечного перерізу судять з відносного зменшення вихідної напруги, що є сумою ЕРС, яка наводиться у двох кільцевих вимірювальних обмотках Поперечні ділянки 8 котушок збуджуючої обмотки 1 утворюють дві аксіально рознесені на віддаль L зустрічне ввімкнені кільцеві обмотки з направленими навколо каната струмами, які створюють у канаті два аксіальних і протилежних магнітних потоки Ф Магнітна індукція у канаті при аксіальному віддаленні від кільцевих збуджуючих обмоток швидко згасає за експоненціальним законом, розсіюваючись у просторі навколо каната В наслідок обмеженої довжини L зустрічні магнітні потоки послаблюють один одного, і у площинах кільцевих збуджуючих обмоток, внаслідок цього, набувають значення Ф|_ 45742 8 ристання ресурсу канатів, бо їх норми бракування, Для порівняння - вимірювач зносу сталевих передбачені Правилами безпеки, грунтуються на канатів ИИСК - 5, що серійно виготовляється і використанні взаємозв'язку між МІЦНІСТЮ канатів і широко застосовується (див а с СРСР 1002945 виміряною втратою перерізу, яка приймається як 1978 р, патент Великобританії GB 2100440A, середнє значення на базі вимірів 1981 р) при вимірі внутрішніх втрат перерізу має похибку мінус (3 5)% та розрізнювальну здатність Випробування перетворювача, який має довпо довжині дефектів 0,7м при швидкості контролю жину збуджуючої обмотки 0,26м, на контрольних 0,5м/с Дефектоскоп на постійних магнітах МДКзразках канатів великого діаметру - до 65мм зі 21, який виготовляється в Роси фірмою «Інтрон штучними дефектами при швидкості контролю до Плюс», сертифікований Держстандартом Роси, 3м/с показали, що похибка виміру внутрішніх так і при похибках на внутрішніх дефектах менше 2% ЗОВНІШНІХ втрат поперечного перерізу, а також демає розрізнювальну здатність по довжині 0,5м, фектів довжиною 0,35м у вимірювача з запропоношвидкість контролю при цьому до 2м/с ваним перетворювачем не виходить за межі допустимої основної абсолютної похибки виміру ± 2% *-Х(Ц Фіг 2 Фіг 4 ДП «Український інститут промислової власності» (Укрпатент) вул Сім'ї Хохлових, 15, м Київ, 04119, Україна (044)456-20- 90 ТОВ "Міжнародний науковий комітет" вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна (044)216-32-71