УДК 621.317.421
А. А. ЖИЛЬНИКОВ, T. А. ЖИЛЬНИКОВ
A. A. ZHILNIKOV, T. A. ZHILNIKOV
СПОСОБ НЕРАЗРУШАЮЩЕЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ ВЕКТОРНОЙ
ТРЕХМЕРНОЙ МАГНИТОСКОПИИ ВНУТРЕННЕЙ СТРУКТУРЫ
ФЕРРОМАГНИТНЫХ ОБЪЕКТОВ И РЕАЛИЗУЮЩАЯ ЕГО СИСТЕМА
THE METHOD OF NONDESTRUCTIVE DIFFERENTIAL VECTOR
OF THREE-DIMENSIONAL MAGNETIC INSPECTION OF INTERNAL STRUCTURE OF FERROMAGNETIC OBJECTS AND SELLS IT SYSTEM
Применительно к неразрушающему контролю и диагностики внутренней структуры ферромагнитных материалов и их сплавов с целью выявления с последующей визуализацией внутри нее возможных нарушений целостности и однородности, предложен способ неразрушающей дифференциальной векторной трехмерной магнитоскопии. Кроме того, предложена автоматизированная система, позволяющая реализовать предложенный способ.
Ключевые слова: неразрушающая магнитоскопия, ферромагнитный объект, возбуждающая и измерительная катушки индуктивности, метод компьютерной томографии.
Applied for nondestructive testing and diagnostics of the internal structure of ferromagnetic materials and their alloys in order to identify with subsequent visualization inside it of the inside of possible violations of the integrity and uniformity, a method of nondestructive three-dimensional vector differential magnetic inspection. In addition, the proposed automated system, allowing to implement proposed by the method.
Keywords: nondestructive magnetic inspection, ferromagnetic object, creating and measuring coils, method of computed tomography.
В настоящее время изделия из ферромагнитных материалов и их сплавов находят широкое применение во всех сферах человеческой деятельности и составляют основу современной техники. Непрерывно возрастающие требования к качеству изделий из таких материалов диктуют необходимость совершенствования технологии их производства, тогда как, нарушение производственной и технологической дисциплин приводит к появлению брака продукции.
Часто возникающие дефекты внутри ферромагнитных изделий и полуфабрикатов, представляют собой нарушения целостности или однородности, образующиеся в них вследствие несовершенства технологии и низкой технологичности многокомпонентных сплавов (см. рис. 1). Они образуются при плавлении металла и получении отливок, в результате термической, электрохимической и механической обработок, в процессе соединения металлов – при сварке, пайке, и т. д. Дефекты различаются по форме, размерам и расположению, а также по своей природе происхождения.
Постоянно усложняющиеся задачи по повышению качества промышленной продукции, надежности ферромагнитных объектов требуют дальнейшего совершенствования методов и средств неразрушающего контроля и диагностики (НК и Д). Ряд новых задач НК и Д не поддается решению стандартными методами, а применение классических способов уже не эффективно. В связи с этим, процесс усовершенствования существующих и создания новых, эффективных независимо от особенностей объекта контроля устройств достаточно трудоемок и сопряжен со значительными затратами сил и материальных средств.
Из-за возникающих трудностей проникновения вглубь изделий из ферромагнитных материалов с сохранением их целостности, проблема исследования их внутренней структуры до конца остается нерешенной.
На сегодняшний день ни один из применяемых методов НК и Д не позволяет полностью охватить рассматриваемую проблему, вынуждая применять комплекс различных по физической сути методов, приемов и технических средств НК и Д, которые дополняли бы друг друга, тем самым обеспечивая максимальную гарантию качества изделия, но в тоже время, приводя процесс исследования к дополнительной и порой неоправданной затрате сил, времени и материальных средств [1]. Так, например, в случае некоторых методов магнитного НК (индукционного или магнитопорошкового) ограничиваются контролем лишь поверхностных слоев изделий, обычно не превышающих 1 –2 мм. Или в случае же радиоволновых методов контроль внутренней структуры ограничивается лишь радиопрозрачными промышленными изделиями, тем самым предоставляя ограниченные возможности его использования в ферромагнитных изделиях из-за малой проникающей способности микрорадиоволн.
Рисунок 1 – Основные виды дефектов внутри изделий
из ферромагнитных материалов и их сплавов
Таким образом, данная проблема продолжает быть весьма актуальной, оставаясь слабо освещенной в литературе, о чем свидетельствуют редкие публикации в печати [2, 3].
В этой работе предлагается оригинальный способ неразрушающей дифференциальной векторной трехмерной магнитоскопии. В рамках указанной проблематики данный способ позволяет обнаруживать и визуализировать газовые пустоты, неметаллические и шлаковые включения посредством регистрации в местах скрытых или недоступных для механического проникновения мгновенные объемные состояния распределения плотности магнитного потока. Он базируется на индукционном методе измерения магнитного поля, учитывающем необходимое условие периодичности поля во времени, к результатам которого применяется метод компьютерной томографии, адаптированный под конкретную реализацию способа.
Сущность реализации индукционного метода измерения предполагает наличие двух катушек индуктивности – возбуждающей, которая является источником излучения и создает однородное магнитное поле в точках исследуемого объема, и измерительной, которая индуцирует сигнал, наведенный в ней вследствие действия закона электромагнитной индукции (см. рис. 2). Ферромагнитный объект помещают в исследуемый объем возбуждающей катушки, создающей в отсутствии объекта однородное периодическое во времени магнитное поле. В результате взаимодействия поля с объектом на границах пустот и включений внутренней структуры происходит изменение распределения плотности магнитного потока изначально однородного магнитного поля, которое свидетельствует о скрытой локализации этих дефектов. Конкретные значения указанного перераспределения плотности получают благодаря периодическим магнитоиндукционным измерениям организованным посредствам предложенной реализации метода компьютерной томографии. Сущность периодических измерений состоит в том, что они осуществляются в пространстве через интервалы времени кратные периоду. И, несмотря на то, что измерения значительно разнесены во времени, исследование структуры ферромагнитных объектов проводятся для какого-то одного мгновенного состояния распределения на периоде.
Последовательно осуществляя регистрацию магнитного потока, пронизывающего поверхность измерительной катушки, после каждого ее дискретного поступательного перемещения и поворотно-вращательного движения объекта исследования относительно нее на разные зенитные и азимутальные углы θ и α в интервале от 0 до и π /2 от 0 до π, соответственно, удается получить необходимые для алгоритма компьютерной томографии проекционные данные магнитного потока.
Рисунок 2 – Суть способа, положенного в основу работы
Отличительной особенностью данной реализации метода компьютерной томографии от описанного в литературе [4] является то, что, во-первых, исходная сканируемая функция плотности потока имеет трехмерную векторную природу, во-вторых, сканирование (получение проекционных данных) осуществляется интегрированием по плоскости, а не по прямой, и в-третьих, неоднородность исходной функции выявляется дополнительно введенной процедурой дифференцирования. Перечисленное позволяет исключить механическое проникновение внутрь ферромагнитного объекта исследования и ограничивается регистрацией, проекционных данных с последующей их математической обработкой.
Способ неразрушающей дифференциальной векторной трехмерной магнитоскопии предлагается реализовать в виде автоматизированной системы. Упрощенная схема данной системы состоит из генератора периодического тока, источника излучения однородного магнитного поля, первичного измерителя, канала аналоговой обработки, аналого-цифрового преобразователя (АЦП), устройства позиционирования, устройства управления и ПЭВМ (см. рис. 3).
В этой системе ПЭВМ выдает команды на устройство управления и принимает данные через устройство сопряжения. Устройство управления осуществляет маршрутизацию команд поступающих от ПЭВМ в зависимости от их функционального назначения, синхронизируя работу генератора периодического тока, устройства позиционирования и АЦП.
Генератор периодического синусоидального или импульсного тока питает источник излучения однородного магнитного поля, выполненный в виде колец Гельмгольца, тем самым создавая однородное в пространстве и периодическое во времени магнитное поле в точках исследуемого объема.
Присутствие в системе устройства позиционирования необходимо для реализации процедуры сканирования, благодаря чему достигаются взаимные управляемые пространственные перемещения ферромагнитного объекта исследования и первичного измерителя друг относительно друга.
Рисунок 3 – Упрощенная схема системы неразрушающей дифференциальной
векторной трехмерной магнитоскопии.
Первичный измеритель представляет собой плоскую круглую измерительную катушку. Канал аналоговой обработки выполнен в виде интегратора и измерительного усилителя (см. рис. 4). Аналоговый интегратор осуществляет непрерывное интегрирование дифференциального сигнала, поступающего с выхода первичного измерителя. Проинтегрированный сигнал заводится на измерительный усилитель, предназначенный для усиления и подготовки его для аналого-цифрового преобразования. Далее сигнал поступает на вход АЦП, для преобразования аналогового сигнала в цифровой код с последующей передачей его через устройства управления на ПЭВМ, где происходит обработка данных с последующей их визуализацией.
Рисунок 4 – Преобразование дифференциального сигнала в цифровой код
Особенностью такого исследования в предложенной автоматизированной системе является то, что его можно производить без контакта первичного измерителя и ферромагнитного объекта. Их взаимодействие происходит на расстояниях, достаточных для свободного поворотно-вращательного движения объекта исследования относительно измерительной катушки индуктивности.
Применение данной системы магниооскопии удорожает продукцию при выпуске и эксплуатации, однако их использование на всех стадиях изготовления, проверки и эксплуатации существенно повышает надежность изделий и объектов, обеспечивая в конце концов громадный в масштабах страны экономический выигрыш.
Таким образом, применительно к неразрушающему контролю и диагностики внутренней структуры ферромагнитных материалов и их сплавов с целью выявления с последующей визуализацией внутри нее возможных нарушений целостности и однородности, в данной работе предлагается оригинальный способ неразрушающей дифференциальной векторной трехмерной магнитоскопии. Кроме того, предложена автоматизированная система, позволяющая реализовать предложенный способ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Неразрушающий контроль и диагностика: Справочник / , , и др.; Под ред. . 2-е изд., испр. и доп. – М.: Машиностроение, 2003. 656 с.
2. Системы комплексной электромагнитотерапии. Учебное пособие для вузов / Под редакцией , И., , Прошина Е. М. – М: Лаборатория базовых знаний, 20с.
3. , Коржова дефектоскопия. Минск: Наука и техника, 19с.
4. Клюев . Справочник в 2-х книгах. Кн. 2. М.: «Машиностроение», 1998, С. 319-326.
Рязанский государственный радиотехнический университет, г. Рязань
Аспирант кафедры «Информационно-измерительная и биомедицинская техника»
Тел.: +7(49
E-mail: *****@***ru
Академии ФСИН России, г. Рязань
К. т.н., доцент кафедры «Математика и информационные технологии управления»
Тел.: +7(49
E-mail: t. *****@***ru
