Спосіб визначення ефективності вихорострумових перетворювачів

Реферат: Винахід належить до способів і засобів неруйнівного контролю вихорострумовим методом. За способом визначення ефективності вихорострумових перетворювачів розміщують вихорострумовий перетворювач на віддалі від електропровідних об'єктів, де їх вплив на параметри перетворювача відсутній, та вимірюють імпедансну характеристику його обмотки. Потім встановлюють вихорострумовий перетворювач на зразок із неферомагнітного електропровідного матеріалу і також вимірюють імпедансну характеристику його обмотки. Визначають різницю вищезазначених імпедансних характеристик обмотки вихорострумового перетворювача, значення якої використовують при визначенні ефективності вихорострумового перетворювача. Згідно з винаходом, як імпедансну характеристику використовують реактивний опір обмотки перетворювача, а питому електропровідність зразка і робочу частоту, на якій проводять вимірювання реактивного опору, вибирають із умов досягнення мінімального значення реактивного опору обмотки перетворювача при розміщенні його на поверхні зразка. Визначають відношення різниці реактивних опорів обмотки перетворювача при розміщенні його на віддалі від електропровідних об'єктів та на електропровідному зразку до реактивного опору обмотки перетворювача при розміщенні його на віддалі від електропровідних об'єктів. А значення визначеного відношення використовують для оцінювання ефективності вихорострумових перетворювачів. Спосіб дозволяє отримати новий параметр, що спрощує визначення ефективності вихорострумових перетворювачів. Спосіб може бути основою розробки нових положень відповідних нормативних документів з визначення характеристик вихорострумових перетворювачів. UA 105072 C2 (12) UA 105072 C2 UA 105072 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до методів і засобів неруйнівного контролю вихорострумовим методом і може бути використаний для кількісної оцінки конструктивної ефективності вихорострумових перетворювачів. Відомий спосіб визначення ефективності вихорострумових перетворювачів, при якому сканують вихорострумовим перетворювачем поверхню контрольного зразка із штучним дефектом. В процесі сканування спостерігають вихідний сигнал вихорострумового перетворювача, обумовлений дефектом. Визначають параметри сигналу від дефекту, зокрема його амплітуду, за значеннями яких оцінюють ефективність вихорострумового перетворювача. Така процедура є стандартною при виборі оптимального вихорострумового перетворювача і робочої частоти для рішення конкретної задачі дефектоскопії і описана в багатьох публікаціях і довідниках з неруйнівного контролю, зокрема [1, 2]. Подібна практика закладена також в європейський стандарт з визначення характеристик вихрострумових перетворювачів [3]. Недоліком відомого способу оцінювання ефективності вихорострумових перетворювачів є велика трудомісткість через необхідність спостерігати сигнал в процесі сканування по заданій траєкторії в зоні дефекту. Крім того, реалізація способу ускладнена через необхідність виготовлення контрольного зразка з дефектом. Результати з оцінки ефективності, виконані різними дослідниками, складно порівнювати, так як необхідно витримати умови експерименту, зокрема для виготовлення зразка використати матеріал з ідентичними електрофізичними характеристиками, а також виконати штучний дефект з ідентичними розмірами. Недоліком є залежність параметрів сигналу не тільки від конструкції вихорострумового перетворювача, а і від електрофізичних параметрів контрольованого об'єкта і вибраної робочої частоти. Найбільш близьким до запропонованого способу є відомий спосіб визначення ефективності вихрострумових перетворювачів, представлений співробітником американського бюро стандартів в роботі [3]. В роботі розглядаються різні параметри і процедури визначення параметрів вихорострумових перетворювачів з точки зору оцінки їх ефективності і перспективи їх використання для розробки відповідного стандарту. Найбільш близьким є спосіб, побудований на визначенні електричних характеристик вихорострумових перетворювачів, при якому вимірюють імпеданс Z 0 перетворювача при розміщенні його на віддалі від дії електропровідних об'єктів (в "повітрі"). Потім встановлюють вихорострумовий перетворювач на поверхню алюмінієвого зразка і вимірюють його імпеданс ZM при розташуванні перетворювача на алюмінієвому зразку. Визначають різницю імпедансів Z  Z0  ZM , яку приймають як характеристику перетворювача [4]. Недоліком цього способу є його залежність від вибраної робочої частоти і резонансної частоти обмоток вихорострумового перетворювача. Крім того, різниця імпедансів в цьому випадку буде залежати від кількості витків обмотки вихорострумового перетворювача. Таким чином, відомий спосіб не може бути використаний для визначення конструктивної ефективності незалежно від кількості витків і робочої частоти контролю. Задачею запропонованого способу є забезпечення можливості визначення ефективності вихорострумових перетворювачів незалежно від кількості витків і робочої частоти контролю, що спрощує визначення. Поставлена задача вирішується тим, що розміщують вихорострумовий перетворювач на віддалі від електропровідних об'єктів, де їх вплив на параметри перетворювача відсутній, та вимірюють імпедансну характеристику його обмотки, потім встановлюють вихорострумовий перетворювач на зразок із неферомагнітного електропровідного матеріалу і також вимірюють імпедансну характеристику його обмотки, визначають різницю вищезазначених імпедансних характеристик обмотки вихорострумового перетворювача, значення якої використовують при визначенні ефективності вихорострумового перетворювача, згідно з винаходом, як імпедансну характеристику використовують реактивний опір X обмотки перетворювача, а питому електропровідність  зразка і робочу частоту f , на якій проводять вимірювання реактивного опору, вибирають із умов досягнення мінімального значення реактивного опору XM обмотки перетворювача при розміщенні його на поверхні зразка, визначають відношення різниці реактивних опорів X  X0  XM , де X0 і XM - реактивні опори обмотки при розміщенні перетворювача на віддалі від електропровідних об'єктів і на поверхні електропровідного зразка відповідно, до реактивного опору X0 обмотки перетворювача при розміщенні його на віддалі від електропровідних об'єктів X / X0 , значення якого використовують для оцінювання ефективності вихорострумових перетворювачів. Визначення реактивного опору обмотки вихорострумового перетворювача можна проводити шляхом вимірювання її індуктивності. 1 UA 105072 C2 Умови вимірювання реактивних опорів обмотки вихорострумового перетворювача можна 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 вибирати із співвідношення R f  10 , де R - радіус обмотки вихорострумового перетворювача в метрах, f - робоча частота в кілогерцах,  - питома електропровідність зразка в мегасименсах на метр. На фіг. 1 представлена залежність відношення X / X0 від кількості витків w для спіральних ( ) і циліндричних (  ) вихорострумових перетворювачів. На фіг. 2 представлена залежність відношення X / X0 обмоток вихорострумового перетворювача з однаковими геометричними розмірами від кількості витків w . Розглянемо реалізацію запропонованого способу на прикладі визначення ефективності двох типів вихорострумових перетворювачів, які являють собою два протилежні варіанти укладання одношарових обмоток. Перші циліндричні вихорострумові перетворювачі складаються із витків однакового діаметра, розташованих один над одним. Збільшення кількості витків в цьому випадку призводить до збільшення довжини обмотки за постійного діаметра. Витки обмотки при збільшенні їх кількості віддаляються від контрольованої поверхні. Тому збільшення витків циліндричного перетворювача повинно призводити до зменшення ефективності вихорострумового перетворювача. Спіральні вихорострумові перетворювачі складаються із витків різного діаметра, що щільно прилягають один до одного. В цьому випадку із збільшенням кількості витків висота обмотки залишається постійною, а збільшується зовнішній і середній діаметр обмотки. Відстань кожного витка спірального перетворювача до контрольованої поверхні є мінімальною, тому ефективність такого перетворювача із збільшенням числа витків повинна збільшуватися. Значення відношення X / X0 для різної кількості витків проводилося шляхом визначення реактивного опору обмоток перетворювача на віддалі від електропровідних об'єктів (в "повітрі") і при встановленні на мідний зразок із питомою електропровідністю   58,0MCм / м на робочій частоті f  10000 кГц. Такий режим задовольняє умові R f  10 , де R - радіус обмотки вихорострумового перетворювача в метрах. Отримані результати (фіг. 1) підтверджують протилежний вплив кількості витків для циліндричного і спірального перетворювача (або відповідно, довжини і ширини обмотки) на параметр X / X0 . Із збільшенням кількості витків і ширини спіральної обмотки параметр X / X0 збільшується від 0,69 до 0,98 для w  100. При цьому останнє значення є близьким до максимально можливого, яке дорівнює 1. Збільшення кількості витків і, відповідно, довжини циліндричних вихорострумових перетворювачів призводить до суттєвого (більше ніж в 10 разів) зменшення параметра ефективності обмотки перетворювача X / X0 від 0,69 до 0,042. Наведемо інший приклад, який має показати інваріантні властивості параметра X / X0 відносно кількості витків обмотки при збереженні її геометричних параметрів. На фіг. 2 представлена залежність параметра X / X0 для обмотки довжиною 2 мм з внутрішнім і зовнішнім діаметрами обмотки відповідно 1,0 мм і 3,0 мм. Таким чином, переріз обмотки перетворювача 22 мм заповнювався різним числом витків за рахунок зміни діаметра проводу і кількості витків обмотки. Визначення параметрів X / X0 обмотки перетворювачів з різним числом витків проводилось при розміщенні його на віддалі від електропровідних об'єктів і на поверхні півпростору з питомою електропровідністю   58,0MCм / м на робочій частоті 10,0 МГц. Аналіз результатів на фіг. 2 показує, що обмотки перетворювача з однаковими геометричними параметрами обмоток незважаючи на велику різницю по кількості витків (і відповідно, індуктивності і реактивному опору) мають однакове значення параметра X / X0 . Таким чином, запропонований параметр X / X0 за умови виконання зазначених вище умов його вимірювання характеризується інваріантними властивостями відносно кількості витків обмотки перетворювача за умови збереження геометричних її параметрів (при умові щільної намотки). Запропонований спосіб визначення ефективності вихрострумових перетворювачів має принципове значення для оцінювання конструктивної ефективності обмоток вихорострумових перетворювачів (зокрема впливу геометрії обмоток), так як запропонована процедура дозволяє отримати новий параметр, який має інваріантні властивості відносно робочої частоти і кількості витків. Запропонований спосіб може бути основою розробки нових положень відповідних нормативних документів з визначення характеристик вихрострумових перетворювачів. Джерела інформації: 2 UA 105072 C2 5 10 1. Учанин В.Н. Вихретоковые мультидифференциальные преобразователи и их применение // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. - 2006. - № 3. - С. 34-41. 2. Механіка руйнування і міцність матеріалів: довідн. посібник / Під. заг. ред. В.В. Панасюка. Т. 9: Міцність і довговічність авіаційних матеріалів та елементів конструкцій / О.П. Осташ, В.М. Федірко, В.М. Учанін та ін. - Львів: Вид-во "Сполом", 2007. - 1068 с 3. EN 13860-2. Non-destructive testing-Eddy current examination-Equipment characteristics and verification-Part 2: Probe characteristics and verification. European Committee for standardization.2000.-29 P. 4. Capobianco Т.Е. Field mapping and performance characterization of commercial eddy current probes // Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation. - Vol. 6 A. - New York: Plenum Press.-1987. - P. 687-694. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 30 1. Спосіб визначення ефективності вихорострумових перетворювачів, за яким розміщують вихорострумовий перетворювач на віддалі від електропровідних об'єктів, де їх вплив на параметри перетворювача відсутній, та вимірюють імпедансну характеристику його обмотки, потім встановлюють вихорострумовий перетворювач на зразок із неферомагнітного електропровідного матеріалу і також вимірюють імпедансну характеристику його обмотки, визначають різницю вищезазначених імпедансних характеристик обмотки вихорострумового перетворювача, значення якої використовують при визначенні ефективності вихорострумового перетворювача, який відрізняється тим, що при розміщенні вихорострумового перетворювача на віддалі від електропровідних об'єктів та встановленні його на електропровідний зразок як імпедансну характеристику вимірюють реактивний опір X обмотки перетворювача, а питому електропровідність  зразка і робочу частоту f , на якій проводять вимірювання реактивного опору, вибирають із умов досягнення мінімального значення реактивного опору XM обмотки перетворювача при розміщенні його на поверхні електропровідного зразка, визначають відношення різниці реактивних опорів X  X0  XM , де X0 і XM - реактивні опори обмотки при розміщенні перетворювача на віддалі від електропровідних об'єктів і на поверхні електропровідного зразка, відповідно, до реактивного опору X0 обмотки перетворювача при 35 розміщенні його на віддалі від електропровідних об'єктів X / X0 , значення визначеного відношення використовують для оцінювання ефективності вихорострумових перетворювачів. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що визначення реактивного опору обмотки вихорострумового перетворювача проводять шляхом вимірювання її індуктивності. 3. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що вимірювання реактивних опорів обмотки 15 20 25 вихорострумового перетворювача проводять за умови R f  10 , де R - радіус обмотки вихорострумового перетворювача в метрах, f - робоча частота в кілогерцах,  - питома електропровідність зразка в мегасименсах на метр. 3 UA 105072 C2 Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4