Разработка адаптивных вихретоковых средств дефектометрии тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.13, кандидат технических наук Ефимов, Алексей Геннадьевич

• Ефимов, Алексей Геннадьевич
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Ефимов, Алексей Геннадьевич

ВВЕДЕНИЕ

1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ И РАЗРАБОТОК В

ОБЛАСТИ ВИХРЕТОКОВОЙ ДЕФЕКТОСКОПИИ

1.1 развитие и современный уровень исследований в области вихретоковой дефектоскопии

1.2 Современное состояние и тенденции развития средств вихретоковой дефектоскопии

1.3 Выводы и постановка задачи

2. ВЫБОР И ИССЛЕДОВАНИЕ ВЫХОДНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ВИХРЕТОКОВЫХ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ДЛЯ АДАПТИВНЫХ СРЕДСТВ ВИХРЕТОКОВОЙ

ДЕФЕКТОСКОПИИ

2.1 Выбор конструкции вихретокового преобразователя и усовершенствование его конструкции для решения поставленной задачи

2.2 Математическое моделирование взаимодействия вихретокового преобразователя с дефектами типа несплошности методом конечных элементов

2.2.1 Выбор метода расчета и построение расчетной модели

2.3 Разработка контрольных образцов для проведения экспериментальных исследований

2.4 Экспериментальные исследования выходных характеристик накладных ВТП со стержневым ферромагнитным сердечником и измерительной обмоткой, включенной в параллельный колебательный контур

2.4.1 Экспериментальное исследование влияния корректирующей емкости на вносимое напряжение ВТП

2.4.2 Экспериментальное исследование влияния разбаланса сигнальных обмоток на вносимое напряжение ВТП

2.4.3 Экспериментальное исследование влияния зазора на фазу и амплитуду сигнала вихретокового преобразователя для различных частот возбуждения

2.4.4 Экспериментальное исследование влияние частоты тока возбуждения преобразователя на чувствительность дефектоскопа

2.4.5 Экспериментальное исследование влияния непроводящего зазора на показания дефектоскопа для различных частот возбуждения

2.4.6 Амплитуда и фаза вносимого напряжения СВТП для различных зазоров.

2.4.7 Оценка влияния угла наклона преобразователя на вносимое напряжение СВТП.

2.5 Выводы

3. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ ОБРАБОТКИ ВЫХОДНЫХ СИГНАЛОВ ВТП ДЛЯ

АДАПТИВНЫХ СРЕДСТВ ВИХРЕТОКОВОЙ ДЕФЕКТОСКОПИИ

3.1 Использование методов цифровой обработки сигнала для отстройки от влияющих факторов

3.1.1 Отстройка от смещения фазы сигнала ВТП под влиянием зазора.

3.1.2 Адаптивный фильтр для подавления шума в смеси сигнала и шума

3.1.3 Проектирование цифровых фильтров методом взвешивания.

3.2 Повышение точности оценки глубины дефектов

3.3 Разработка алгоритма адаптации вихретоковых средств неразрушлющего контроля к электромагнитным свойствам объекта контроля

3.4 Выводы

4. РАЗРАБОТКА АДАПТИВНЫХ СРЕДСТВ ВИХРЕТОКОВОЙ ДЕФЕКТОСКОПИИ

4.1 Дефектоскоп вихретоковый ВД-12НФП

4.2 Дефектоскоп вихретоковый ВД-12НФК

4.3 Дефектоскоп вихретоковый ВД-90НП

4.4 Модернизированный вихретоковый дефектоскоп ВД-87НСТ/

4.5 Сравнительные характеристики разработанных вихретоковых средств дефектоскопии.

4.6 Выводы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка адаптивных вихретоковых средств дефектометрии»

Процесс производства различного класса изделий и их безопасной эксплуатации невозможен без контроля их качества неразрутающими методами. Важное место среди них занимает вихретоковый метод, который обеспечивает высокую надежность обнаружения поверхностных дефектов и высокую скорость контроля, возможность бесконтактного съема информации и является экологически безопасным. Также к достоинствам вихретокового метода следует отнести возможность работы по грубым поверхностям и выявление дефектов через значительный непроводящий зазор.

Основной задачей неразрушающих методов контроля металлоизделий является обнаружение дефектов сплошности и оценка их геометрических параметров, однако для вихретокового метода точность оценки геометрических параметров дефектов ограничена рядом влияющих факторов, таких как величина зазора, состояние поверхности, форма дефекта и его расположение.

При проведении ручного контроля наибольшее влияние на погрешность результатов измерения глубины дефектов также оказывают следующие факторы: краевой эффект, изменение угла наклона преобразователя, наличие непроводящего зазора между вихретоковым преобразователем и контролируемой поверхностью, отрыв преобразователя от поверхности, локальное изменение шероховатости и кривизны поверхности, магнитные пятна.

В современной дефектоскопии требования к точности определения параметров дефектов непрерывно растут. Использование различных численных методов увеличивает объем обрабатываемых данных, поэтому приходится искать компромисс между значительным временем обработки информации и точностью определения параметров дефекта, что делает процесс контроля в реальном времени практически невозможным, и требует использования высокопроизводительной и дорогостоящей вычислительной аппаратуры.

Контроль реальных изделий связан с необходимостью отстройки от мешающих факторов, вызванных состоянием объекта контроля и окружающей среды. При контроле вихретоковым методом распределение электромагнитного поля поверхностного дефекта достаточно локально в отличие от поля структурных неоднородностей. Особые трудности возникают при измерении электромагнитного поля дефекта с повышенным зазором (более 10 мм), когда спектр помех практически не отличается от спектра полезного сигнала, и обычные методы частотной фильтрации не дают приемлемых результатов.

Для решения поставленных задач перспективным направлением является разработка математических методов предварительной обработки информации, методов интерпретации результатов измерений и реализация их алгоритмов в программном обеспечении вихретоковых дефектоскопов.

В настоящее время в России и за рубежом созданы и используются в промышленности различные типы вихретоковых дефектоскопов, которые позволяют эффективно обнаруживать поверхностные и подповерхностные дефекты типа трещин и оценивать их глубину. Однако точность определения геометрических размеров дефекта прямо зависит от электромагнитных свойств контролируемого материала и для улучшения метрологических характеристик дефектоскопа необходимо изготавливать из того же материала контрольные образцы с набором искусственных дефектов различной глубины. Оценку глубины естественного дефекта также необходимо осуществлять через сравнение с эталоном. Данную проблему можно решить созданием адаптивного средства неразрушающего контроля, автоматически учитывающего свойства материала и влияющие факторы при расчете глубины измеряемого дефекта.

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

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий», Ефимов, Алексей Геннадьевич

4.6 ВЫВОДЫ

1. На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований созданы и внедрены в различных отраслях промышленности вихретоковые дефектоскопы типа ВД-12НФП, ВД-12НФК, ВД-90НП и разработанные на их базе установки.

2. Вихретоковый дефектоскоп ВД-12НФП предназначен для контроля изделий из ферромагнитных и немагнитных сталей и сплавов. Прибор широко используется для контроля деталей и узлов железнодорожного подвижного состава, контроля поверхности действующих магистральных трубопроводов, а также в других отраслях промышленности. В настоящее время выпущено более 500 дефектоскопов ВД-12НФП. Дефектоскоп сертифицирован органами Госстандарта России и внесен в отраслевой Реестр МПС России.

3. Вихретоковый дефектоскоп ВД-12НФК является модификацией ВД-12НФП, предназначенной для контроля сварных швов и других протяженных объектов. Дефектоскоп позволяет передавать в режиме реального времени данные от дефекта, используя беспроводной радиоканал. Использование математической обработки позволило значительно повысить достоверность контроля. На базе дефектоскопа создан участок контроля сварных швов рам тележек подвижного состава. Дефектоскоп сертифицирован органами Госстандарта России.

4. Вихретоковый дефектоскоп ВД-90НП является последней разработкой, созданной под руководством автора. Данный прибор предоставляет широкие возможности, связанные с возможностью изменения частоты тока возбуждения. Он позволяет выявлять дефекты глубиной от 0,1 мм на любых проводящих материалов. Столь высокую чувствительность позволили добиться цифровые методы обработки сигнала, причем обработка информации происходит в реальном времени. Также это позволило добиться увеличения рабочего зазора до 10 мм. Отличительной особенностью дефектоскопа является автоматическая адаптация к материалу объекта контроля и локальному изменению его электромагнитных свойств. Дефектоскоп прошел производственные испытания, сертифицирован органами Госстандарта России и внесен в отраслевой Реестр МПС России. В настоящее время выпущено 10 дефектоскопов ВД-90НП. Также дефектоскоп отличает высокая точность измерений глубины дефекта.

- 137 -ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Для адаптивных средств вихретокового контроля предложен накладной ВТП со стержневым ферромагнитным сердечником (СВТП) с измерительной обмоткой, включенной в колебательный контур.

2. Показано, что основные закономерности изменения под влиянием дефекта нормальной составляющей напряженности магнитного поля, полученные расчетным путем, согласуются с экспериментальными данными, полученными с помощью измерительного модуля вихретокового преобразователя.

3. Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили установить взаимосвязь между напряжением, вносимым в дефектоскопический измерительный модуль и параметрами дефекта, рабочим зазором, частотой, углом наклона СВТП.

4. Проведенные теоретические и экспериментальные исследования показали преимущество накладного СВТП с измерительной обмоткой, включенной в параллельный колебательный контур по сравнению с традиционной конструкцией ВТП.

5. Проведенные эксперименты подтвердили достоверность результатов расчетов, выполненных методом конечных элементов, так как расхождение расчетных и экспериментальных данных в абсолютном значении не превысило 20%, при сохранении всех основных закономерностей.

6. В результате теоретических и экспериментальных исследований был предложен научно-методический подход к решению задачи по снижению влияния электромагнитных свойств объекта контроля на погрешность оценки глубины дефектов. Разработаны методы предварительной математической обработки информации и интерпретации результатов измерений; созданы и внедрены в промышленность средства вихретоковой дефектоскопии для контроля различного класса изделий.

7. Разработанные методы обработки сигнала обеспечили улучшение соотношения сигнал/шум в несколько раз. Это позволило при использовании СВТП с включенной в колебательный контур измерительной обмоткой увеличить рабочий зазор до 10 мм.

8. Использование предложенных методов математической обработки результатов измерений позволило снизить погрешность измерений, вызванную нелинейностью характеристики ВТП с 60% до 10%.

9. Применение алгоритма адаптации средств вихретокового контроля к электромагнитным свойствам контролируемого материала, значительно повысило достоверность контроля, уменьшило влияние человеческого фактора, упростило настройку средств НК на объекте контроля.

Ю.Предложенные методы обработки сигнала вихретокового преобразователя реализованы в аппаратной части и программном обеспечении разработанных вихретоковых дефектоскопов ВД-12НФП, ВД-12НФК, ВД-90НП, которые сертифицированы органами Госстандарта России и внедрены в различных отраслях промышленности. Было произведено ВД-12НФП - 500 шт., ВД-12НФК - 2 шт., ВД-90НП - 10шт.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Ефимов, Алексей Геннадьевич, 2009 год

1. Сапожников А.Б. Теоретические основы электромагнитной дефектоскопии металлических тел. Томск: Изд-во ТГУ, 1980. - 308 с.

2. Сапожников А.Б. Основы электромагнитной дефектоскопии металлических тел. Докт. дисс. - Томск: ТГУ, 1951.

3. Михановский В.Н. Электромагнитная дефектоскопия в постоянном и переменном поле. Харьков: Изд-во ХГУ, 1963. - 58 с.

4. Кессених В.Н. Теория скин-эффекта и некоторые задачи дефектоскопии. -ЖЭТФ, 1938, 8, вып. 5, с. 531-548

5. Шилов Н.М. Распределение индукционных токов в пластине и поля около нее.-ЖЭТФ, 1940, 10, вып. 9, с. 695-705.

6. Власов В.В., Комаров В.А. Формирование вихретокового поля дефекта в случае поверхностной трещины. Дефектоскопия, 1970, №5, с. 109-115.

7. Власов В.В., Комаров В.А. Магнитное поле вихревых токов над поверхностной трещиной в металле при возбуждении их накладным индуктором. Дефектоскопия, 1971, №6, с. 63-75.

8. Бурцева В. А., Власов В.В. О возможности обнаружения мелких поверхностных дефектов в стальных изделиях электроиндуктивным методом. Дефектоскопия, 1974, №1, с. 120-122.

9. Бурцева В.А., Власов В.В. О магнитном поле дефекта, обусловленном вихревыми токами. -Дефектоскопия, 1967, №6, с. 23-32.

10. Зацепин Н.Н. Исследование магнитного поля вихревых токов над поверхностными дефектами. Дефектоскопия, 1969, №4, с. 104-112.

11. Герасимов В.Г., Покровский А.Д., Сухоруков В.В. Решение некоторых задач вихретоковой дефектоскопии посредством математического моделирования. В кн.: Электромагнитные методы неразрушающего контроля. - Минск: Наука и техника, 1971, с. 110-120.

12. Рязанов Г.А. Электрическое моделирование с применением вихревых токов.- М.: Наука, 1969.-338 с, ил.

13. Сухоруков В.В. Основы теории и проектирования вихретоковых дефектоскопов с проходными преобразователями. Докт. дисс. - М., 1979.

14. Сухоруков В.В. Математическое моделирование электромагнитных полей в проводящих средах. М.: Энергия, 1975. - 152 с.

15. Шкатов П.Н. Развитие теории и совершенствование методов и средств вихретоковой, магнитной и электропотенциальной дефектоскопии и дефектометрии металлоизделий. Докт. дисс. - М., 1990.

16. Клюев В.В. Исследование электромагнитных методов и разработка комплекса приборов для неразрушающего контроля дефектов, толщины и смещений изделий в процессе производства и технологических испытаний.- Докт. дисс. М., 1972

17. Беда П.И. Зависимость вносимой ЭДС накладного датчика от параметров трещин в немагнитном металле. В кн.: Электромагнитные методы контроля. МДНТП, им. Ф.Э.Дзержинского, 1969, с. 56-63.

18. Беда П.И. Исследование сигнала накладного датчика в зависимости от изменения размеров и расположения дефектов типа трещин. Дефектоскопия, 1970, №1, с. 62-67.

19. Демирчян К.С. Моделирование магнитных полей. JL: Энергия, 1974. - 288 с, ил. Демирян К.С, Чечурин В.Л. Машинные расчеты электромагнитных молей. - М.: Высшая школа, 1986.-240 с.

20. Дорофеев A.JI. Неразрушающие испытания методом вихревых токов. М.: Оборонгиз, 1961.

21. Тозони О.В. Расчет электромагнитных полей на вычислительных машинах.- Киев: Техника, 1967. 252 с.

22. Тетер ко А.Я. Исследование электромагнитного поля поверхностных дефектов и разработка средств электромагнитной дефектоскопии. Канд. дисс. - Львов, 1976.

23. Власов В.В., Комаров В.А. Магнитное поле вихревых токов над поверхностной трещиной в металле при возбуждении их накладным индуктором. Дефектоскопия, 1971, №6, с. 63-75.

24. Шатерников В.Е. Взаимодействие полей электромагнитных преобразователей с проводящими телами сложной формы. Дефектоскопия, 1977, №2, с. 54-63.

25. Шатерников В.Е. «Вихретоковый контроль металлических изделий сложной формы». Дефектоскопия, 1979, №9, с. 5-11.

26. Запускалов В.Г., Шатерников В.Е., Мирсаитов С.Ф. «Повышение метрологических характеристик ВТП, обусловленное устранением остаточных температурных деформаций его элементов» Контроль. Диагностика, №04, 2007.

27. Мужицкий В.Ф. К расчету магнитостатических полей рассеяния от поверхностных дефектов конечной глубины. Дефектоскопия, 1987, №7, с. 8-13.

28. Мужицкий В.Ф. Развитие теории и создание электромагнитных средств дефектоскопии изделий сложной формы. Докт. дисс. - М., 1986.

29. Мужицкий В.Ф. Модель поверхностного дефекта и расчет топографии его магнитостатического поля. Дефектоскопия, 1987, №3, с. 24-30.

30. Федосенко Ю.К. Алгоритмы определения размеров дефектов в теории вихретоковой дефектоскопии накладными преобразователями. Дефектоскопия, 1982, №11, с. 25-30.

31. Федосенко Ю.К. Вопросы теории вихретоковой дефектоскопии накладными преобразователями. Строгое математическое решение двумерных задач. -Дефектоскопия, 1982, №2, с. 1-10.

32. Сухоруков В.В. Основы теории и проектирования вихретоковых дефектоскопов с проходными преобразователями. Докт. дисс. - М., 1979.

33. Сухоруков В.В., Утилин Ю.М., Чернов JI.A. Возможность определения параметров дефектов при модуляционной вихретоковой дефектоскопии. -Дефектоскопия, 1977, №1, с. 7-14.

34. Пашагин А.И., Филиппов Б.А. Влияние частоты намагничивания на магнитное поле дефекта. Дефектоскопия, 1981, №8, с. 34-39.

35. Герасимов В.Г., Покровский А.Д., Сухоруков В.В. Решение некоторых задач вихретоковой дефектоскопии посредством математического моделирования. В кн.: Электромагнитные методы неразрушающего контроля. - Минск: Наука и техника, 1971,с. 110-120.

36. Dodd C.V., Deeds W.E. and Spoeri W.J. Optimizing Defect Detection in Eddy Current Testing. Materials Evalution, 1971, №3, p. 59-83.

37. Дорофеев A.JI. Неразрушающие испытания методом вихревых токов. М.: Оборонгиз, 1961.- 14239. Лещенко И.Г. Электромагнитные методы контроля. Автореферат докт. дисс. - Томск, 1975.

38. Клюев В.В. Исследование электромагнитных методов и разработка комплекса приборов для неразрушающего контроля дефектов, толщины и смещений изделий в процессе производства и технологических испытаний. Докт. дисс. - М., 1972.

39. Клюев В.В., Файнгойз М.Л. Контроль накладными и накладными экранными вихретоковыми преобразователями движущихся изделий. -Дефектоскопия, 1974, №1, с. 106-111.

40. Родигин Н.М., Коробейникова И.Е. Контроль качества изделий методом вихревых токов. Свердловск: Машгиз, 1958.

41. Forster F. Teoretische und experimentalle Grundlagen der zerstorungfreien Werkstoffpriifiing mit Wirbelstormverfahren. Zeitschrift fur Metallkunde, 1954, Bd. 45, H. 4

42. Шатерников B.E. Электромагнитные методы и средства контроля изделий, сложной формы. Автореферат докт. дисс. - М., 1976. - 43 с.

43. Шкарлет Ю.М. Основы теории моделей накладных электромагнитных и электромагнито-акустических преобразователей. Дефектоскопия, 1974, №2, с. 39-45.

44. Локшина Н.Н., Шкарлет Ю.М. Приближенная методика расчета накладных вихретоковых датчиков. Дефектоскопия, 1970, №1, с. 41-45.

45. Соболев B.C., Шкарлет Ю.М. Накладные и экранные датчики (для контроля методом вихревых токов). Новосибирск: Наука, 1967. - 144 с.

46. Соболев B.C., Зерщикова М.Г. К расчету воздействия проводящей сферы на катушку с током. Дефектоскопия, 1965, №3, с. 60-62.

47. Ивченко Алексей Валерьевич. Разработка адаптивных вихретоковых средств контроля коррозионных поражений обшивки планера летательных аппаратов : Дис. канд. техн. наук. М., 2006.

48. Forster F., Sturnm W. Application of Magnetic and Electromagnetic Nondestructive Test Methods for Measuring Physical and Technological Material Values. Materials Evalution, 1975, №1, p. 5-16.

49. Зацепин H.H. Исследование магнитного поля вихревых токов над поверхностными дефектами. Дефектоскопия, 1969, №4, с. 104-112.52.55.