Магнитометрический метод неразрушающего контроля металлоконструкций

Содержание Введение

1. Магнитный вид неразрушающего контроля

1.1 Магнитные методы неразрушающего контроля

1.2 Магнитометрический метод неразрушающего контроля

2. Магнитные преобразователи

2.1 Основные понятия, определения и характеристики

2.2 Измерение магнитных величин

2.3 Классификация магнитных преобразователей

3. Магнитная диагностика напряженно-деформированного состояния

3.1 Неразрушающие методы контроля напряженно-деформированного состояния

3.2 Контроль напряженно-деформированного состояния объектов промышленности и транспорта

3.3 Магнитные методы контроля напряженно-деформированного состояния Заключение Список использованной литературы

Введение

Для оценки технического состояния объектов и продления срока службы оборудования, необходимо его комплексное обследование различными методами контроля.

Современная диагностика состояния конструкционных материалов, располагающая большим арсеналом различных физических методов и средств, уже не ограничивается задачами дефектоскопии, но все более широко используется при решении задач определения механических характеристик материалов, причем основное место здесь занимают методы и средства измерения остаточных и рабочих внутренних напряжений.

В связи с этим обстоятельством на первый план выходят методы технической диагностики, сочетающие механику разрушений, металловедения и неразрушающего контроля. К таким методам относятся, в первую очередь, методы контроля напряженно-деформированного состояния (НДС).

Напряженно-деформированное состояние металлоконструкций является их важной эксплуатационной характеристикой, так как при превышении определенного уровня напряжения могут привести к деформации и разрушению таких ответственных конструкций, как трубопроводы, пролеты мостов, перекрытия зданий, стрелы и тросы подъемных механизмов и многих других, а также к заклиниванию вращающихся частей электрических машин.

Известно, что основными источниками возникновения повреждений в работающих конструкциях являются зоны концентрации напряжений (КН), в которых процессы коррозии, усталости и ползучести развиваются наиболее интенсивно. Процессами, предшествующими эксплуатационному повреждению, являются изменения свойств металла (коррозия, усталость, ползучесть) в зонах концентрации напряжений. Следовательно, определение зон КН является одной из важнейших задач диагностики оборудования и конструкций.

В настоящее время остается актуальной проблема контроля напряженно-деформированного состояния и оценки работоспособности элементов конструкций по магнитным диагностическим параметрам.

Большой интерес проявляется к косвенным магнитным методам контроля НДС стальных конструкций, которые основаны на тесной корреляции магнитных и механических параметров металлов. Разработанные методы и технические средства измерения механических напряжений металла по магнитным диагностическим параметрам обладают рядом преимуществ, важных для ранней диагностики напряженно-деформированного состояния элементов конструкций трубопроводов (труб, тройников, сварных соединений и т. д.). В ряде случаев контроль напряженно-деформированного состояния элементов конструкций производится с применением технических средств для регистрации магнитных шумов, магнитной анизотропии металла, коэрцитивной силы и магнитной памяти металла (МПМ).

Магнитные шумы, возникающие за счет Эффекта Баркгаузена, позволяют контролировать макронапряжения по корреляционным зависимостям амплитуды магнитных шумов от механических напряжений. Метод Эффекта Баркгаузена не нашел еще своего места в системах неразрушающего контроля качества в условиях серийного производства, хотя прекрасно зарекомендовал себя при решении многих исследовательских задач.

Коэрцитивная сила является одной из наиболее структурно-чувствительных характеристик ферромагнитных материалов. Поэтому методы неразрушающего контроля, основанные на измерении коэрцитивной силы, нашли широкое применение. Их отличает высокая точность и достаточная простота, возможность проведения измерений на локальных участках контролируемых изделий, высокая чувствительность к фазовым превращениям, слабая зависимость от геометрических размеров объекта контроля.

Метод МПМ по сравнению с остальными методами дополнительно дает информацию о фактическом НДС объекта контроля, что позволяет более объективно определить не только ЗКН, но и причину образования этой зоны. Поэтому использование нового метода диагностики наиболее эффективно для ресурсной оценки узлов оборудования.

Цель дипломной работы заключается в исследование напряженно-деформированного состояния материала объекта контроля магнитными методами контроля. Для этого необходимо решить следующие задачи: рассмотреть магнитный неразрушающий контроль, магнитные преобразователи, взаимосвязь магнитных и механических характеристик объекта контроля.

1. Магнитный вид неразрушающего контроля Неразрушающий контроль (НК) — область науки и техники, охватывающая исследования физических принципов, разработку, совершенствование и применение методов, средств и технологий технического контроля объектов, не разрушающего и не ухудшающего их пригодность к эксплуатации. НК является важнейшим элементом системы экспертизы промышленной безопасности, обеспечивающей техническую безопасность на опасном производственном объекте. За последние годы НК, выполняя важную функцию в указанной системе, развивается ускоренными темпами во всех своих составляющих, включая развитие новых методов и методик, создание более совершенной техники, базирующейся на достижениях электроники и вычислительных устройств, повышение требований к персоналу в области НК.

Развитие НК нашло свое отражение и в появлении новых терминов, которые используются в практике, научных трудах и технических описаниях. НК во все большей степени контактирует со смежными направлениями, участвующими в оценке реального технического состояния объектов, определении возможности их дальнейшей эксплуатации и сроков безопасной работы (проблема ресурса). К таким направлениям относятся металловедение, механика разрушения (расчеты прочности), теория надежности и другие разделы науки и техники. Все это способствует появлению в области НК новых понятий и соответственно новых терминов. В НК традиционно используются термины и определения, соответствующие другим областям знаний, например физике, прикладной математике, радиоэлектронике, метрологии, которые также нуждаются в систематизации и уточнении.

Все виды НК, используемые в настоящее время, можно подразделить на три основные группы: виды, основанные на взаимодействии электромагнитных полей и элементарных частиц с объектами контроля; виды, основанные на использовании акустических полей; виды, основанные на взаимодействии проникающих веществ с объектами контроля. Первая группа наиболее обширна, здесь используются электромагнитные поля в диапазоне 0—1021 Гц. Вторая группа включает в себя один вид — акустический. Третья группа состоит капиллярного метода.

В соответствии с ГОСТ 18 353–79 классификация типов и методов неразрушающего контроля, основана на физическом процессе с момента взаимодействия физического поля или вещества с контролируемым объектом до получения первичной информации.

Неразрушающий контроль в зависимости от физических явлений, положенных в его основу, подразделяется на виды:

— магнитный;

— электрический;

— вихретоковый;

— радиоволновой;

— тепловой;

— оптический;

— радиационный;

— акустический;

— проникающими веществами.

Методы каждого вида неразрушающего контроля классифицируются по следующим признакам:

а) характеру взаимодействия физических полей или веществ с контролируемым объектом:

б) первичным информативным параметрам;

в) способам получения первичной информации.

1.1 Магнитные методы неразрушающего контроля Магнитный вид контроля относится к одному из первых видов неразрушающего контроля, который стал использоваться для диагностики продукции и промышленных объектов. Магнитный контроль основан на регистрации магнитных полей рассеяния, возникающих над дефектами или на определении магнитных свойств объекта контроля. Этот вид контроля применяют в основном для контроля изделий из ферромагнитных материалов, т. е. из материалов, которые способны существенно изменять свои магнитные характеристики под воздействием внешнего (намагничивающего) магнитного поля. Его используют для дефектоскопии (с помощью магнитных методов могут быть выявлены закалочные, шлифовочные трещины, закаты, усталостные трещины и другие поверхностные дефекты с раскрытием несколько микрометров), для структуроскопии (определения твердости, определения марок сталей, измерения физических параметров материалов (например, магнитной проницаемости, магнитной восприимчивости), механических напряжений и даже химического анализа), для измерения толщины покрытий.

Еще в XIX в. магнитные методы контроля впервые применили для оценки структурного состояния материалов и прочностных характеристик изделий — корпусов разрывных снарядов, ружейных затворов, ружейных и артиллерийских стволов.

Применение магнитных методов определения дефектов сплошности и структуры насчитывает более ста лет. За этот период сформировались три основных области магнитного контроля: контроль дефектов сплошности в ферромагнитных материалах; оценка структурного состояния и прочностных характеристик ферромагнитных сталей и сплавов; определение фазового состава.

В области дефектоскопии задачи расчета магнитных полей рассеяния основных типов модельных дефектов успешно решены. Но сегодня доминирующую роль играют обратные задачи по восстановлению «образа» дефекта по измеряемой топографии магнитных полей рассеяния от дефекта.

В области магнитной структуроскопии определены основные области применения методов магнитной структуроскопии:

— определение структурного состояния и механических свойств холодного и горячего проката;

— контроль структурного состояния и прочностных характеристик объемно-термически обработанных стальных и чугунных изделий (отжиг, нормализация, закалка, отпуск и старение);

— оценка напряженного состояния и его изменений в материалах и конструкциях после термической обработки и пластической деформации;

выявление кристаллографической текстуры, анизотропии механических свойств при штамповке или деформации листового проката;

— контроль структуры, физико-механических свойств и толщины слоев поверхностно упрочненных изделий различными методами (закалка ТВЧ, химико-термическая обработка, упрочнение концентрированными потоками энергии, виброупрочнение, обезуглероживание в стали и отбел в чугуне);

— сортировка изделий по марке, качественная оценка содержания основных легирующих элементов.

В настоящее время большое внимание уделяется вопросам контроля изменений структурного и напряженно-деформированных состояний конструкционных материалов в процессе эксплуатации. В связи с интенсивным освоением северных российских территорий магнитные методы должны быть адаптированы к задачам контроля эксплуатационных изменений параметров конструкционных материалов, работающих при низких температурах.

В области фазового магнитного анализа проведены теоретические и практические исследования, позволяющие производить оценку фазового состава конструкционных материалов, определение пористости в металлокерамических изделиях, выявление парамагнитных и ферромагнитных участков в деталях и элементах конструкций. В качестве перспективных работ следует отметить задачи контроля изменений фазового состава изделий в процессе эксплуатации изделий, работающих в сложных условиях (высокие давления, длительный срок эксплуатации, большой перепад температур, работа в агрессивных средах).

Практическое использование магнитных методов контроля невозможно без создания первичных преобразователей, методик преобразования измеряемого параметра в электрический сигнал и обработки полезного сигнала. В этой части, как и в других методах неразрушающего контроля, важное значение имеют работы по совершенствованию способов получения информации, ее накопления, обработки, архивирования и документирования.

В зависимости от конкретных задач НК, марки контролируемого материала, требуемой производительности метода могут использоваться те или иные первичные информативные параметры. К числу наиболее распространенных относятся следующие информативные параметры: коэрцитивная сила, намагниченность, индукция (остаточная индукция), магнитная проницаемость, напряженность, эффект Баркгаузена.

Согласно ГОСТ 24 450–80 по способу получения первичной информации различают следующие методы магнитного вида контроля: магнитопорошковый (МП), индукционный (И), феррозондовый (ФЗ), метод эффекта Холла (ЭХ), магнитографический (МГ), магниторезисторный (MP), магнитополупроводниковый (МПП) и пондеромоторный (ПМ), а также не входящие в ГОСТ магнитооптический (МО) и метод магнитной памяти металла (МПМ). С их помощью можно осуществить контроль: сплошности (методами дефектоскопии) (МП, МГ, ФЗ, ЭХ, И); размеров (ФЗ, ЭХ, И, ПМ); структуры и механических свойств (ФЗ, ЭХ, И).

Магнитопорошковый метод — метод магнитного неразрушающего контроля, основанный на использовании в качестве индикатора магнитного порошка.

Индукционный метод — метод магнитного неразрушающего контроля, основанный на регистрации магнитных полей объекта контроля индукционными преобразователями.

Феррозондовый метод — метод магнитного неразрушающего контроля, основанный на регистрации магнитных полей объекта контроля феррозондовыми преобразователями.

Метод эффекта Холла — метод магнитного неразрушающего контроля, основанный на регистрации магнитных полей объекта контроля преобразователями Холла.

Магнитографический метод — метод магнитного неразрушающего контроля, основанный на записи магнитных, полей объекта контроля на магнитный носитель с последующим воспроизведением сигналограммы.

Магниторезистивный метод — метод магнитного неразрушающего контроля, основанный на регистрации магнитного поля объекта контроля магниторезистивными преобразователями.

Магнитополупроводниковый метод — метод магнитного неразрушающего контроля, основанный на регистрации магнитного поля объекта контроля магнитополупроводниковыми приборами.

Пондеромоторный метод — метод магнитного неразрушающего контроля, основанный на пондеромоторном взаимодействии регистрируемого магнитного поля объекта контроля и магнитного поля постоянного магнита, электромагнита или рамки с током.

Магнитооптический метод — метод магнитного неразрушающего контроля, в котором преобразователем служит магнито-оптическая пленка. При освещении пленки видна доменная структура, которая искажается при наличии магнитного поля дефекта.

Магнитометрический метод — метод магнитного неразрушающего контроля, основанный на анализе остаточных магнитных полей в объекте контроля, образовавшихся в результате намагничивания ферромагнитных объектов при их переходе из жидкого состояния в твердое состояние. Намагничивание производится магнитным полем Земли. По остаточным магнитным полям (остаточной индукции) получают информацию о наличии дефектов и зон участков, имеющих механические напряжения, в которых могут развиваться дефекты.

Магнитная дефектоскопия. Магнитная дефектоскопия является весьма эффективным методом обнаружения поверхностных и подповерхностных дефектов. Применяется для обнаружения нарушений сплошности (трещин, немагнитных включений и др. дефектов) в поверхностных слоях деталей из ферромагнитных материалов и выявления ферромагнитных включений в деталях из неферромагнитных материалов; для контроля толщины немагнитных покрытий на деталях из ферромагнитных материалов и толщины стенок тонкостенных деталей, а также для контроля качества термической или химико-термической обработки металлических деталей.

Наиболее широко распространенным методом магнитной дефектоскопии является метод магнитного порошка. При этом методе намагниченную деталь посыпают магнитным порошком (сухой метод) или поливают магнитной суспензией (мокрый метод). Частицы порошка, попавшие в зоны магнитных полей рассеяния, оседают на поверхности деталей вблизи мест расположения дефектов. Ширина полосы, по которой происходит оседание порошка, значительно больше ширины «раскрытия» дефекта, поэтому невидимые до этого дефекты фиксируют по осевшему около них порошку даже невооруженным глазом. Метод магнитного порошка весьма прост и позволяет определять места и контуры нарушений сплошности материала, расположенные на поверхности деталей, а также на глубине до 2—3 мм под поверхностью. Намагничивание деталей, обработка их порошком (чаще суспензией), а также последующее размагничивание производятся с помощью магнитных дефектоскопов.

Магнитный дефектоскоп — прибор, предназначенный для выявления дефектов типа нарушений сплошности материала объекта контроля и основанный на методе магнитного неразрушающего контроля. Принцип действия магнитных дефектоскопов основан на регистрации магнитных полей рассеяния дефектов, при намагничивании контролируемых ферромагнитных изделий. Регистрация полей рассеяния может осуществляться с помощью магнитного порошка, магнитной ленты, феррозондов, преобразователей Холла, индукционных и магниторезисторных преобразователей.

Методы магнитной дефектоскопии применяют для исследования структуры материалов (магнитная структуроскопия) и измерения толщины (магнитная толщинометрия).

Магнитная структуроскопия. Одним из направлений МНК является магнитная структуроскопия, основанная на определении основных магнитных характеристик материала (коэрцитивной силы, индукции, остаточной намагниченности, магнитной проницаемости). Эти характеристики, как правило, зависят от структурного состояния сплава, подвергаемого различной термической обработке. Магнитную структуроскопию применяют для определения структурных составляющих сплава, находящихся в нём в небольшом количестве и по своим магнитным характеристикам значительно отличающихся от основы сплава, для измерения глубины цементации, поверхностной закалки и т. п.

На производстве для магнитной структуроскопии уже много десятилетий широко и успешно применяется метод, основанный на измерении коэрцитивной силы Нс металла в точке контроля. Приборы, реализующие этот способ контроля, обычно называют коэрцитиметры. Однако, название коэрцитиметр для них не совсем корректно, так как выходной сигнал этих приборов хотя и пропорционален коэрцитивной силе материала, но зависит еще и от геометрических факторов. Поэтому в настоящее время подобные приборы все чаще называют структуроскопами.

Магнитный структуроскоп — прибор, предназначенный для определения физико-механических свойств или химического состава объекта контроля и основанный на методе магнитного неразрушающего контроля. Принцип работы таких приборов состоит в исполнении следующей последовательности операций:

а) намагничивание контролируемого участка детали накладным преобразователем;

б) последующее размагничивание этого участка нарастающим полем;

в) фиксации напряженности поля, соответствующей коэрцитивной силе (это происходит в процессе выполнения предыдущего пункта).

Магнитные структуроскопы позволяют решать различные задачи неразрушающего контроля. Среди них контроль режимов термообработки (контроль твердости поверхностно упрочненных изделий), контроль глубины закалки поверхностного слоя, в ряде случаев сортировка материалов по маркам сплавов, прогнозирование остаточного ресурса объектов ответственного назначения (конструкции подъемных механизмов, сосуды высокого давления, магистральные трубопроводы) и т. д.

Магнитная толщинометрия. Магнитная толщинометрия основана на измерении силы притяжения постоянного магнита или электромагнита к поверхности изделия из ферромагнитного материала, на которую нанесен слой немагнитного покрытия, и позволяет определить толщину этого покрытия.

Магнитный толщиномер — прибор, предназначенный для измерения толщины объекта контроля или его покрытия и основанный на методе магнитного неразрушающего контроля. Предназначены для контроля толщины немагнитных покрытий на ферромагнитном основании. Они позволяют, одним прибором измерять в равной степени толщину и диэлектрических, и электропроводящих покрытий. По принципу действия все магнитные толщиномеры можно разделить на три группы:

1) толщиномеры пондеромоторного действия;

2) толщиномеры индукционного действия;

3) толщиномеры магнитостатического действия.

Пондеромоторный метод основан на регистрации силы отрыва постоянного магнита или сердечника электромагнита от поверхности изделия и на оценке толщины контролируемого покрытия по значению этой силы. В первом случае сила определяется при помощи пружинных динамометров, во втором — по изменению тока намагничивания.

Широкое распространение получили индукционные толщиномеры, у которых практически все недостатки толщиномеров пондеромоторного действия отсутствуют. Принцип их действия основан на измерении изменений магнитного сопротивления цепи, состоящей из ферромагнитной основы изделия, измерительного преобразователя и немагнитного зазора между ними, соответствующего толщине покрытия.

По сравнению с толщиномерами пондеромоторного действия индукционные толщиномеры обладают значительно более высокой точностью измерений (обычно 3% измеряемого знамения), процесс измерения в них идет практически непрерывно, что значительно его упрощает и ускоряет.

К третьей группе магнитных толщиномеров относятся магнитостатические толщиномеры. Принцип их действия основан на определении напряженности магнитного поля в зазоре между постоянным магнитом (или электромагнитом) и ферромагнитным материалом основы.

При работе с магнитными толщиномерами необходимо учитывать многочисленные факторы, влияющие на результаты измерений: колебания магнитных свойств покрытия или основы, состояние поверхности, форму изделия и др. В значительной мере влияние этих факторов обусловлено размерами и формой магнита, топографией и напряженностью магнитного поля. В связи с возросшими требованиями к точности и надежности производственного контроля толщины покрытий резко возросли требования к их метрологическому обеспечению.

1.2 Магнитометрический метод неразрушающего контроля

Контроль методом магнитной памяти металла (ММП-контроль) основан на измерении и анализе распределения собственных магнитных полей рассеяния (СМПР) металла сварных соединений, отображающих их структурную технологическую наследственность. При контроле используется естественная намагниченность, сформировавшаяся в процессе сварки в магнитном поле Земли.

ММП-контроль служит для определения зон концентрации механических напряжений (ЗКН) и выдачи рекомендаций для дополнительного контроля опасных зон в сварных соединениях сосудов, трубопроводов, оборудования и конструкций.

ММП контроль является первоочередным по отношению к известным методам неразрушающего дефектоскопического контроля (ультразвуковой, радиационный, магнитопорошковый, капиллярный, цветная дефектоскопия, измерение твердости и толщинометрия). Позволяет контролировать сварные соединения любых размеров и форм (стыковые, тавровые, угловые, нахлестанные, торцевые, прерывистые и др.) без ограничения толщины свариваемого металла на всех видах ферромагнитных и аустенитных сталей и сплавов и на чугунах.

ММП-контроль может проводиться как при работе объекта контроля (ОК), так и при его ремонте.

При ММП-контроле определяют:

— зоны концентрации остаточных сварочных напряжений и их распределение вдоль сварного соединения:

— зоны вероятного расположения микрои макродефектов всех видов (поры, шлаковые включения, несплошности, трещины, разрывы).

ММП-контроль можно использовать для контроля:

— степени «засоренности» сварных швов дефектами и наличия развивающегося дефекта;

— качества сварных соединений при аттестации выбора, оптимизации и сертификации технологии сварки.

В связи с возникающими до сих пор вопросами и сомнениями о новизне метода магнитной памяти (МММ) металла в сравнении с известными (в России и за рубежом) магнитными методами НК назрела необходимость описать принципиальные отличительные признаки ММП и соответствующих приборов контроля.

Метод МПМ выполняет одновременно при неразрушающем контроле одновременно две задачи:

Первая задача — выявление дефектных зон на внутренней и наружной поверхности трубы с их последующей классификацией, т. е. выполнение обычной задачи дефектоскопии.

Вторая задача — выполнение контроля напряженно-деформированного состояния металла объекта контроля с определением зон концентраций напряжений — источников всех видов повреждений на раннем этапе их развития.

Методики и приборы, которые применялись в 70−80-e гг. прошлого века в Институте физики металлов (Свердловск), Институте прикладной физики (Минск), Институте Ф. Ферстера (ФРГ) и других научных центрах, использовались для измерения напряженности поля остаточной намагниченности изделий после их предварительного намагничивания (а во многих случаях после их предварительного размагничивания и последующего намагничивания). При этом естественная намагниченность изделий (или магнитная память металла), на применении которой основан метод магнитной памяти металла, не исследовалась и воспринималась как помеха при измерениях.

Факт естественной намагниченности изделий был установлен ООО «Энергодиагностика» и подтвержден экспертизой РОСПАТЕНТа при оформлении первых патентов по методу магнитной памяти металла. Кроме того, основные отличительные признаки ММП были выявлены в ходе экспериментальных работ на электростанциях Мосэнерго при выполнении исследований на котельных трубах и нашли отражение в научном отчете Института физики металлов (Свердловск, 1988 г.) и в монографии.

Понятие «магнитная память металла» впервые введено автором в 1994 г. и до этого времени в технической литературе не применялось. Были известны термины и понятия: «магнитная память Земли» в археологических исследованиях; «магнитная память» в звукозаписи; «эффект памяти формы», обусловленный структурно-фазовыми превращениями, ориентированными внутренними напряжениями в изделиях из металла.

На основе установленной взаимосвязи дислокационных процессов с физикой магнитных явлений в металлах изделий введено понятие «магнитная память металла» и разработан новый метод диагностики. Уникальность метода магнитной памяти металла заключается в том, что он основан на использовании собственного магнитного поля рассеяния (СМПР), образующегося в зонах устойчивых полос скольжения дислокаций, обусловленных действием рабочих нагрузок. Возникновение СМПР объясняется формированием доменных границ на скоплениях дислокаций высокой плотности (дислокационных стенках). Ни при каких условиях с искусственным намагничиванием в работающих конструкциях такой источник информации, как собственное магнитное поле, получить невозможно. Только в малом внешнем поле, каким является магнитное поле Земли, в нагруженных конструкциях, когда энергия деформации на порядок превосходит энергию внешнего магнитного поля, такая информация формируется и может быть получена. В практических работах показано, что ММП может применяться как при работе оборудования, так и после снятия рабочих нагрузок, во время ремонта. В силу «магнитодислокационного гистерезиса» магнитная текстура, сформировавшаяся под действием рабочих нагрузок, после их снятия как бы «замораживается». Таким образом, предоставляется уникальная возможность путем считывания этой информации с помощью специализированных приборов выполнять оценку фактического напряженно-деформированного состояния оборудования и выявлять на раннем этапе зоны максимальной поврежденности металла.

Физические основы возникновения СМПР принципиально другие в сравнении с магнитными полями рассеяния (МПР), образующимися на дефектах изделий при их искусственном намагничивании, используемом в известных магнитных методах НК. СМПР возникает в локальных зонах (от 0,1 до десятков микрометров) на поверхности и в глубинных слоях металла изделии. Исследование СМПР и физических основ его образования до «рождения» ММП (90-е годы прошлого столетия) никем и никогда не проводилось.

СМПР обнаружено и на новых изделиях машиностроения непосредственно после их изготовления. Известно, что при нагревании ферромагнетика выше температуры Кюри (например, для железа Тс=780 С) и последующем его охлаждении даже в слабом внешнем магнитном поле Земли он приобретает такой уровень намагниченности, которого можно достигнуть при нормальной температуре лишь в магнитном поле большой интенсивности. Именно при таких условиях, как правило, формируется естественная намагниченность при изготовлении изделий машиностроения. Реальная магнитная текстура изделия (плавка, ковка, термическая обработка, сварка) образуется непосредственно после кристаллизации при охлаждении ниже точки Кюри. При этом процесс охлаждения реальных изделий происходит обычно неравномерно: наружные слои металла остывают быстрее, чем внутренние. Образуются термические напряжения по объему изделия, которые формируют кристаллическую решетку и соответствующую магнитную текстуру.

Для того чтобы фиксировать локальные микронные области СМПР, характеризующие по ММП зоны концентрации напряжений, были впервые разработаны специальные сканирующие устройства, включающие в себя не только известные феррозондовые датчики, но и устройство измерения длины, АЦП, процессор и другие механизмы. Такие сканирующие устройства в магнитных методах НК до ММП нигде не применялись (мировых аналогов нет). Сканирующие устройства и способ контроля защищены патентами России, Германии и Польши.

Когда удается создать приборы, способные надежно фиксировать неуловимые ранее изменения физических процессов, т. е. ввести в практику приборы с особыми, принципиально новыми качествами, с совсем иными возможностями, это всегда ведет к открытиям, знаменующим собой переворот в наиболее важных областях знаний.

Именно так и произошло с СМПР, информацию о котором дает сама конструкция или изделие. Без специальных сканирующих устройств, преобразователей и процессора с программным управлением, используемых в приборах для ММП, принципиально невозможно фиксировать закономерности в распределении СМПР на объектах контроля. До создания ММП собственное поле остаточной намагниченности изделий воспринималось как помеха, а во многих случаях с этой, казалось бы, случайной намагниченностью боролись.

При эксплуатации большинство металлоконструкций работают в условиях действия циклических нагрузок и напряжений? у и при наличии внешнего магнитного поля Н0 (например, поля Земли). В силу известного магнитоупругого эффекта происходит как бы самонамагничивание оборудования и конструкций.

ММП развивается в теоретическом и практическом плане более 20 лет. По состоянию на август 2003 г. имеется более 30 руководящих документов и методик, согласованных с Госгортехнадзором РФ и действующий в различных отраслях промышленности.

Интерес специалистов различных отраслей промышленности в России и других странах к принципиально новому магнитному методу НК неуклонно растет. Это обусловлено проблемами, которые возникают на практике при контроле качества изделий машиностроения, обеспечении надежности и оценке ресурса оборудования.

Можно уверенно говорить, что если на предприятии применяют старое оборудование, которое нельзя обследовать на структурную поврежденность металла и выявить назревающие повреждения, то работа идет на непредсказуемую аварию.

Таким образом, несмотря на то, что неразрушающий контроль существует в России и других странах уже более 100 лет, все еще остаются нерешенными многие проблемы контроля качества изделий машиностроения и диагностики оборудования, находящегося в эксплуатации. Этим обусловлено востребование метода МПМ. направленного на решение указанных задач НК.

Метод Магнитной памяти металла по содержанию и физической сущности (измеряется СМНР — принципиально другое физическое поле) представляет собой не только принципиально новый магнитный метод НК, но и открывает новое направление в технической диагностике, так как он объединяет потенциальные возможности НК, механики разрушения н металловедения.

С позиций задач, решаемых ММП, этот метод по аналогии с методом акустической эмиссии должен быть отнесен к методам ранней диагностики усталостных повреждений оборудования.

2. Магнитные преобразователи

2.1 Основные понятия, определения и характеристики Внедрение механизации и комплексной автоматизации в производство требует быстрого и точного контроля технологических процессов, что связано с измерением и контролем разнообразных параметров физических величин. Особенно большое число неэлектрических величин требуется измерять и контролировать в металлургической, химической и текстильной отраслях промышленности. Развитие измерительной техники показало, что среди многочисленных методов измерения неэлектрических величин наибольшими преимуществами обладают электрические методы, которые обеспечивают:

— возможность измерения сигналов очень малой величины — применение — электронных усилителей дает возможность измерять такие сигналы, которые не могут быть измерены никакими другими способами;

— возможность передачи измеренной величины на расстояние, а, следовательно, и возможность дистанционного управления различными процессами;

— высокую точность и скорость измерений;

— возможность комплектования измерительных и управляемых ими автоматических установок унифицированными электроизмерительными приборами.

Измерительное преобразование — отображение размера одной физической величины размером другой функционально связанной с ней физической величиной удобной для дальнейшего преобразования, обработки, хранения или передачи на значительные расстояния.

Преобразования, в результате которых получают информацию о значении измеряемой физической величины, принято называть прямыми. Преобразования, в результате которых измеряемая величина воспроизводится мерой, называются обратными. В процессе измерения прямые и обратные преобразования всегда взаимосвязаны. Эта взаимосвязь отражает сущность измерения как процесса сравнения данной физической величины с величиной того же наименования, принятой за единицу. Осуществляя прямые преобразования, экспериментатор неминуемо пользуется результатом обратных преобразований, которые всегда присутствует в градуировочной характеристике первичного преобразователя или прибора, либо используется непосредственно (компарирующие приборы). Производя обратные преобразования, например, воспроизводя единицу магнитной индукции в эталонной катушке, нельзя передать ее размер другим образцовым и рабочим мерам, не используя в какой-то мере результата прямых преобразований.

Для измерения любой неэлектрической величины X (температуры, давления, расхода жидкости, скорости, перемещения, ускорения, деформации, вибрации и т. д.) ее преобразовывают с помощью первичного измерительного преобразователя или датчика в выходную электрическую величину Y. Далее сигнал Y преобразуется цепью измерительных преобразователей прибора, где он претерпевает ряд изменений по уровню и спектру и преобразуется из одного вида энергии в другой. Таким образом, прибор для измерения неэлектрических величин в общем можно представить в виде цепи измерительных преобразователей, последовательно преобразующих измеряемую величину Хв ряд других величин и в конечном итоге — в число (код), определяющее значение измеряемой величины в определенных единицах измерения.

Измерительный преобразователь (ИП) — техническое средство с нормативными метрологическими характеристиками, служащее для преобразования измеряемой величины в другую величину или измерительный сигнал, удобный для обработки, хранения, дальнейших преобразований, индикации или передачи. В основе работы ИП использовано то или иное физическое явление (процесс), происходящее под действием измеряемой физической величины. Учитывая, что объект измерения, как правило, сложный процесс, характеризующийся множеством различных параметров, то информативным параметром входного сигнала будем считать непосредственно измеряемую величину или величину, функционально связанную с измеряемой величиной. Информативный параметр — параметр, несущий информацию об измеряемой величине. Неинформативный параметр не связан функционально с измеряемой величиной, но влияет на метрологические характеристики преобразователя.

Измерительный преобразователь, в основе действия которого лежат прямые преобразования физической величины получил название первичного преобразователя измеряемых величин. Первичный измерительный преобразователь, называемый также датчиком, — это тот измерительный преобразователь, на который непосредственно действует измеряемая величина. Это связано с тем, что он, как правило, является первым звеном измерительной цепи. Измерительный преобразователь, как правило, предназначен для выполнения одного частного измерительного преобразования. Работа измерительных преобразователей протекает в сложных условиях, так как объект исследования в большинстве случаев характеризуется множеством параметров, каждый из которых действует на измерительный преобразователь. Задача экспериментатора — получение информации об одном параметре, называемом измеряемой величиной. Все остальные побочные параметры процесса измерения относятся к помехам. Каждому измерительному преобразователю приписывается естественная входная величина, для измерения которой на фоне помех данный измерительный преобразователь предназначен. Поэтому же принципу выделяется естественная выходная величина преобразователя.

Параметры, характеризующие условия, в которых работает преобразователь, и влияющие на его функцию преобразования, называют влияющими величинами. Зависимость изменения метрологических характеристик преобразователя от изменения влияющей величины или неинформативного параметра входного сигнала в пределах рабочих условий эксплуатации называется функцией влияния. Функция влияния может быть нормирована в виде формулы, графика или таблицы.

Функция преобразования (влияния). Статическая характеристика (функция) преобразования — это связь, выражающая зависимость информативного параметра выходного сигнала от постоянного во времени информативного параметра входного сигнала. Ее можно описать аналитическим выражением или графиком. В аналитическом виде характеристика преобразования представляется зависимостью Y=f (X), которая может быть линейной (рисунок 2.1, а) или нелинейной (рисунок 2.1, б).

а) линейная зависимость б) нелинейная зависимость Рисунок 2.1 — Функции преобразования Различают номинальную функцию преобразования Yном=fном (X), приписываемую измерительному преобразователю согласно государственным стандартам, техническим условиям и другим нормативным документам, и реальную (рабочую) Yр=fр (X), которую он имеет в действительности.

Динамические характеристики преобразователей представляют собой зависимость информативного параметра выходного сигнала от меняющихся во времени параметров входного сигнала. К числу динамических относятся характеристики: импульсная g (t), являющаяся реакцией преобразователя на дельта-функцию (t); переходная h (t) — реакция на единичный ступенчатый сигнал; передаточная функция — отношение операторных изображений выходной величины к входной К (р) = Y (p)/X (p); амплитуднои фазочастотная. Динамические (инерционные) свойства преобразователей характеризуют такими понятиями как скорость преобразования и время преобразования. Скорость преобразования (измерения) определяется числом преобразований (измерений) в единицу времени, выполняемых с нормированной погрешностью. Время преобразования (измерения) — время, прошедшее с начала преобразования (измерения) до получения результата с нормированной погрешностью.

Чувствительность преобразователя — это свойство преобразователя, заключающееся в возможности преобразования измеряемого сигнала в форму, удобную для дальнейшей обработки или позволяющую наблюдателю воспринять значение измеряемой физической величины, оцениваемое с помощью коэффициентов преобразования.

Также чувствительностью преобразователя называют отношение изменения выходной величины (информативного параметра) к вызывающему его изменению входной величины (информативного параметра входного сигнала). Чувствительность равна производной от функции преобразования преобразователя S = dY/dX = ?Y/?Х и геометрически выражается тангенсом угла наклона касательной в любой точке кривой функции преобразования.

Для линейных преобразователей чувствительность постоянна и определяется по формуле

где Y — выходная электрическая величина;

Х — входная неэлектрическая величина.

а для нелинейных она всегда зависит от входного сигнала.

Чувствительность измерительного прибора, состоящего из последовательного ряда измерительных преобразователей, определяется произведением чувствительностей всех преобразователей, образующих канал передачи информации.

Порог чувствительности измерительного преобразователя? выражается в единицах измеряемой величины и характеризующее предельные возможности при работе в режиме нуль индикатора (под порогом чувствительности понимают наименьшее изменение входного сигнала, способное вызвать заметное изменение выходной величины преобразователя).

Реальные и номинальные характеристики измерительных преобразователей. В связи с тем, что преобразователи изготавливаются и градуируются индивидуально их характеристики, как правило, несколько отличаются друг от друга, занимая некоторую полосу. Поэтому в, паспорте измерительного преобразователя приводится либо реальные характеристики присущие каждому преобразователю (например, преобразователи Холла), либо некоторая средняя характеристика, называемая номинальной.

Погрешности измерительных преобразователей. Разность между номинальной (паспортной) и реальной характеристиками преобразователя называется погрешностью измерительного преобразователя. Погрешности ИП, как и погрешности других средств измерений, могут быть классифицированы по различным признакам, в частности, по способу их выражения, по условиям их возникновения, по степени неопределенности, по характеру зависимости от входной (преобразуемой) величины.

По способу выражения погрешности ИП подразделяют на абсолютные, относительные и приведенные. Номинальный коэффициент преобразования большинства ИП не равен единице, как это имеет место в измерительных приборах, поэтому погрешности ИП могут быть определены как по выходу, так и по входу преобразователя.

Абсолютные, относительные и приведенные погрешности преобразователя определяются по входу и выходу, так как входная и выходная величины могут иметь разную физическую природу, а также вследствие того, что часто отсутствует измерительный преобразователь, по которому можно было бы поверить рабочий преобразователь.

Погрешности преобразования зависят как от свойств самого преобразователя, так и от условий, в которых он работает (температуры и влажности окружающей среды, наличия внешних электрических и магнитных полей и т. д.). При нормировании точности измерительных преобразователей обычно указывают область допустимых значений погрешностей преобразования, реализуемого преобразователем при «нормальных условиях» (основная погрешность), и допустимые изменения функции преобразования при определенных изменениях влияющих величин.

В зависимости от степени неопределенности погрешности подразделяют на систематические, прогрессирующие и случайные.

Систематическими называются погрешности, не изменяющиеся с течением времени или являющиеся не изменяющимися во времени функциями определенных параметров. Систематические погрешности, как правило, могут быть практически полностью устранены введением соответствующих поправок.

Присутствие постоянных систематических погрешностей чрезвычайно трудно обнаружить. Постоянные систематические погрешности внешне себя никак не проявляют и могут долгое время оставаться незамеченными. Они могут быть выявлены путем измерения физической величины либо разными однотипными приборами, либо разными методами. Иногда может быть полезной поверка нуля и чувствительности измерительного прибора путем повторной аттестации прибора по образцовым мерам.

К систематическим погрешностям можно отнести большинство дополнительных погрешностей, являющихся не изменяющимися во времени функциями вызывающих их влияющих величин (температура, частота, напряжение и т. п.). Эти погрешности благодаря постоянству во времени функций влияния также могут быть скорректированы введением дополнительных корректирующих преобразователей, воспринимающих влияющую величину и вводящих соответствующую поправку в результат преобразования основного преобразователя.

Прогрессирующими называются погрешности, медленно изменяющиеся с течением времени. Эти погрешности, как правило, вызываются процессами старения тех или иных деталей аппаратуры (разрядка источников питания, старение резисторов, конденсаторов, деформация механических деталей, усадка бумажной ленты в самопишущих приборах и т. д.). Особенностью прогрессирующих погрешностей является то, что они могут быть скорректированы без выяснения вызвавших их причин введением поправки, лишь в данный момент времени. Далее они вновь монотонно возрастают. Поэтому в отличие от систематических погрешностей прогрессирующие погрешности требуют непрерывного повторения коррекции, и тем более частого, чем менее желательно их остаточное значение. Другая особенность прогрессирующих погрешностей состоит в том, что с точки зрения теории вероятностей их изменение во времени представляет собой нестационарный процесс и не может быть описано в рамках хорошо разработанной теории стационарных процессов.

Случайными называются неопределенные по своему значению или недостаточно изученные погрешности, в появлении различных значений которых нам не удается установить какой либо закономерности. Они определяются сложной совокупностью причин, трудно поддающихся анализу. Их частные значения не могут быть предсказаны, а для всей их совокупности может быть установлена закономерность лишь для частот появления их различных значений. Присутствие случайных погрешностей (в отличие от систематических) легко обнаруживается при повторных измерениях в виде некоторого разброса результатов. В подавляющем большинстве случаев процесс появления случайных погрешностей есть стационарный случайный процесс. Поэтому размер случайных погрешностей характеризуют указанием закона распределения их вероятностей или указанием параметров этого закона, разработанных в теории вероятностей и теории информации.

В зависимости от условий возникновения погрешностей их подразделяют на основные и дополнительные.

Основная погрешность — это погрешность, свойственная преобразователю при нормальных условиях его применения, т. е. в условиях, когда влияющие величины (например, температура, частота и т. п.) имеют нормальные значения или находятся в пределах нормальной области их значений. Влияющей называют величину, которая непосредственно данным преобразователем не преобразуется, однако влияет на значение информативного параметра выходного сигнала преобразователя

Дополнительная погрешность — это составляющая погрешности ИП, вызванная отклонением одной из влияющих величин от нормального значения или выходом ее значения за пределы нормальной области Пределы допускаемых отклонений условий работы преобразователей нормируются и ограничиваются рабочей (расширенной) областью значений влияющей величины, в пределах которой также нормируется дополнительная погрешность.

Обобщенной характеристикой, определяющей пределы допускаемой основной и дополнительной погрешностей, является класс точности. Классы точности измерительных преобразователей нормируются стандартом ГОСТ 8.401—80, согласно которому пределы допускаемых значений основной и дополнительной погрешностей для каждого класса точности устанавливаются в виде абсолютных, относительных или приведенных значений. Нормирование погрешности сводится к представлению ее в виде одночленной и двухчленной формул и указанию полосы погрешностей в диапазоне преобразований.

Вариация выходной величины. Важной характеристикой ИП является вариация выходной величины, которая определяется как разность между значениями выходной величины, соответствующими одному и тому же действительному значению преобразуемой величины при двух направлениях медленных изменений последней в процессе подхода к определенной точке диапазона преобразования.

2.2 Измерение магнитных величин Магнитные измерения тесно связаны с электрическими измерениями, так как электрические и магнитные явления представляют собой части единого электромагнитного процесса. В большинстве случаев при определении той или иной магнитной величины измеряется практически электрическая величина, значение которой представляет собой функцию измерения магнитной величины. Сама же магнитная величина определяется расчетным путем на основании соотношений, связывающих магнитные и электрические величины. Посредством магнитных измерений решается ряд задач, к которым относятся исследование магнитных свойств веществ и материалов, атомов и атомного ядра; контроль качества магнитных материалов и изделий из них; измерение магнитных полей постоянных магнитов и электромагнитов; исследование магнитного поля Земли и других планет; изучение физических свойств материалов по их магнитным характеристикам. Каждая из этих областей исследований предъявляет свои требования к диапазону и точности измерений, частотному диапазону, условиям измерения и к средствам измерения.

Измерение магнитного потока. При создании приборов для измерения магнитного потока обычно используется явление электромагнитной индукции. При изменении магнитного потока в измерительной катушке (ИК) возникает ЭДС. Измерительная катушка является преобразователем, с помощью которого магнитные величины (магнитный поток Ф. магнитная индукция В, напряженность магнитного поля Н) могут быть преобразованы в ЭДС и измерены. Магнитоизмерительный преобразователь в виде ИК можно использовать для измерения параметров постоянного и переменного магнитных полей. В зависимости от характера измеряемой величины к ИК предъявляются различные требования относительно ее формы, размеров, расположения и т. д. Основной характеристикой ИК является ее постоянная, определяемая через произведение числа витков на площадь витка.

Для измерения постоянного магнитного потока используют баллистический гальванометр (БГ) или веберметр. Основные характеристики БГ — его постоянная и период свободных колебаний. Погрешность измерения составляет 0,5… 1,0%. Баллистический гальванометр обеспечивает высокую чувствительность и точность, является прибором магнитоэлектрической системы с неградуированной шкалой и требует определения постоянной при каждом измерении.