Технические
науки №7
Себко В.В.
канд. техн. наук, доцент каф. ХТПЭ НТУ "ХПИ"
Вихретоковый
четырёхпараметровый метод, реализуемый наружными обмотками на трубчатом изделии
и
внутренним электромагнитным датчиком
Введение
На
сегодняшний день известны вихретоковые и реализующие их устройства контактные и
бесконтактные, позволяющие контролировать магнитные и немагнитные трубчатые
изделия. Так, например, в работах [1-6] предложены двухпараметровые методы
контроля электромагнитных параметров 
и 
, ферромагнитных трубчатых изделий, а вихретоковый контроль
немагнитных трубчатых изделий (определение геометрических и электрических
параметров) описан в работе[10].Все эти методы были реализованы с помощью
трансформаторного вихретокового датчика (ТВД).
Известны
также работы, в которых описаны вихретоковые методы контроля электромагнитных
параметров и потерь мощности в ферромагнитных трубчатых и цилиндрических
изделиях, алгоритмы которых построены на базе использования параметрического
вихретокового датчика ПВД. [7]
Контактные
двухпараметровые вихретоковые методы контроля магнитных и электрических
параметров ферромагнитных трубчатых изделий, которые реализуются с помощью
контактного электромагнитного преобразователя, рассмотрены в работе [8].
В
последнее время появились контактные трёхпараметровые методы контроля геометрических,
электрических и магнитных параметров ферромагнитных трубчатых изделий [9].
Основным
недостатком работ [1-10], является то, что все методы, как контактные, так и
бесконтактные описанные в этих статьях, не учитывают температуру, при которой
измерялись электрические и магнитные параметры труб, что намного снижает
точность и эффективность контроля параметров трубчатых изделий.
В
настоящее время, появились работы, в которых описаны вихретоковые методы, которые
на ряду с магнитными и электрическими параметрами, позволяют контролировать и
температуру цилиндрического изделия. Так, например, в работе [13] исследованы
двухпараметровые методы определения электрического параметра 
и температуры 
немагнитных цилиндрических изделий, с помощью
ТВД. Особый интерес представляют экстремальные четырёхпараметровые методы
вихретокового бесконтактного совместного контроля геометрических, магнитных,
электрических параметров и температуры, реализуемые на базе ПВД и ТВД [14,16].
Метод, описанный в работе [14], является весьма сложным, так как он основан на
использовании вносимого сопротивления 
ПВД, которое всегда подвержено температурной
погрешности, вызванной изменением температуры среды, окружающей преобразователь,
а также нагревом обмотки, намагничивающим током.
Следует
отметить, что ЭДС ТВД, не так подвержена температурной погрешности, при
поддерживании постоянным намагничивающего тока [13].
Известна
также работа [15], в которой рассмотрен экспериментальный метод определения
затухания импульсного магнитного поля через медную трубу, и предложена методика
представления источника импульсного поля и трубы, в виде воздушного трансформатора.
Следует отметить, что в качестве источника магнитного поля введена первичная
обмотка трансформатора, а вторичной обмоткой, является короткозамкнутый контур,
характеризующий собой трубу. Проведены расчёты этой схемы замещения, и, показано
хорошее согласование результатов, экспериментов и расчётов, по затуханию магнитного
поля в трубе.
Недостатком работы [15] является то, что применяется
импульсное магнитное поле, а на практике интересно получить подобные результаты
с синусоидальным магнитным полем, кроме того, не определяется и стенок трубы.
В
работе [16], предложен четырёхпараметровый вихретоковый метод совместного определения
величин 
, 
,
, и ,
основанный на экстремуме мнимой части нормированной вносимой ЭДС 
ТВД, который отличается от известных
экстремальных методов на базе ТВД тем, что проводится полная компенсация ЭДС
ТВД без изделия (при реализации других экстремальных методов, осуществляется
частичная компенсация ЭДС ТВД, в зависимости от диаметра исследуемого образца,
что является очень неудобным, так как при контроле каждого образца приходится
подбирать значение ЭДС 
, чтобы осуществлять такую компенсацию).
Однако
на сегодняшний день недостаточно исследованы экранные свойства трубы. В связи с
этим, потребности таких областей промышленности Украины, как энергетическая,
нефтегазодобывающая, металлургическая и др., требуют создания новых
бесконтактных многопараметровых вихретоковых методов и реализующих их
устройств, для контроля параметров трубчатых изделий, не только в процессе
изготовления, но и эксплуатации.
Целью
работы, является исследование вихретокового устройства, которое позволяет
реализовать сочетание способа по определению величин относительной магнитной
проницаемости ,
удельного электрического сопротивления rt, температуры трубы ,
путём использования внешней измерительной обмотки, со способом определения
экранных возможностей трубы, за счёт нахождения коэффициента затухания, при
помещении электромагнитного вихретокового датчика во внутреннюю полость трубы.
Задачи исследования:
1. Исследовать
многопараметровое вихретоковое устройство, сочетающее в себе использование
внешней измерительной обмотки и применение электромагнитного датчика, который
размещается во внутренней полости трубы.
2.
Привести соотношения, описывающие четырёхпараметровый вихретоковый экранный
метод.
Вихретоковый четырёхпараметровый
метод
На
рис.1 представлена схема экранного трубчатого устройства включающая в себя
внешнюю намагничивающую обмотку и экранный датчик, который находится во внутренней
полости трубы. Схема также включает в себя соленоид 
, нагреватель 
, амперметр 
, генератор синусоидальных сигналов 
, частотомер 
, катушку взаимоиндуктивности 
, фазометр 
, тонкую ферромагнитную трубу 
, 
- измерительную обмотку намотанную на трубу, вольтметры 
, 
, 
.
Рис.1
Схема для исследования четырёхпараметрового метода, реализуемая
наружными обмотками на трубчатом изделии и внутренним электромагнитным датчиком
Катушка
взаимоиндуктивности имеет те же параметры,
что и измерительная обмотка соленоида без трубы.
Концы
электромагнитного датчика соединяются с . Измерительная обмотка соединена с . Вторичная обмотка соединена с и с фазометром. По
наружному датчику определяют и, измерив ЭДС измерительной обмотки и фазовый угол сдвига
между ЭДС вторичной обмотки и ЭДС измерительной
обмотки, а по ним температуру, а коэффициент затухания определяют внутренним
электромагнитным датчиком.
Воспользовавшись
результатами работ [1-6], получим формулу для определения магнитного потока 
в стенке и внутри трубы при условии её тонкостенности
(где 
- толщина стенки; - внешний радиус трубы) и в случае низких частот 
(где 
- глубина проникновения магнитного поля в стенку трубы):
; (1)
где 
- магнитная постоянная; 
, 
-частота поля.
; (2)
где 
- внутренний радиус трубы; 
- напряженность магнитного поля вне трубы.
Принимается
длинный преобразователь соленоидного типа (
; 
-
длина намагничивающей катушки).
Фазовый
угол 
потока находят по формуле
.
(3)
ЭДС,
создаваемая потоком внутри измерительной катушки записывается в
виде формулы:
;
(4)
где 
- число витков измерительной обмотки.
ЭДС
преобразователя без трубы определяют по формуле:
; (5)
где 
- площадь поперечного сечения воздуха внутри трубы; 
.
Магнитная
индукция трубы выражается формулой:
. (6)
Тогда ЭДС, индуцированную в
измерительной катушке магнитным потоком внутри трубы, находим по формуле:
,
(7)
где индекс t означает, что данная
величина зависит от температуры.
Из (7) найдём значение 
в виде:
. (8)
Формулы
(1) и (3) дают возможность определить величину 
по формуле:
.
(9)
Значение
температуры трубы находят по формуле:
; (10)
Коэффициент
затухания магнитного поля внутри трубы можно найти по формуле [18]:
,
(11)
где 
- магнитная индукция в воздушном зазоре между обмоткой и трубой
на поверхности изделия [18]:
. (12)
На
основе (6), (11) и (12) запишем формулу для коэффициента затухания:
. (13)
Выводы
Таким
образом приведена схема включения содержащая внешнюю измерительную обмотку и
электромагнитный датчик (ЭД),который находится во внутренней полости трубы. С помощью
этой схемы реализуется вихретоковый четырёхпараметровый метод определения
магнитной проницаемости ,
удельного электрического сопротивления , температуры трубы и коэффициента
затухания 
синусоидального
магнитного поля внутри трубчатого изделия.
Литература
1.
Себко
В.П., Акшанов Б.С., Тюпа В.И. Электромагнитное поле и эквивалентные параметры
соленоида с трубой. - Журнал «Электричество» №12, издательство «Энергия», М.-
1975 с. 8.
2.
Себко
В.П., Баштанников Л.А. Контроль прочностных свойств бурильных и обсадных труб.-
Журнал «Газовая промышленность», изд-во Министерства газовой промышленности,
М.- 1981,- 312,- с. 6.
3.
Пантелеев
М.С., Себко В.П. К теории работы двухпараметрового вихретокового преобразователя
для контроля трубчатых проводящих изделий.- Харьков, Деп. В УКРНКИНТИ,- 1985,
№1560.- Деп- 21с.
4.
Себко
В.П., Пантелеев М.С. Бесконтактное измерение магнитных и электрических параметров
трубчатых изделий в переменных магнитных полях. Тезисы докладов VII Всесоюзной
научно-технической конференции: «Проблемы магнитных измерений и магнитоизмерительной
аппаратуры»,- Ленинград,- 1989, с.146, 147.
5.
Себко
В.П., Хоменко В.Г. Электромагнитный многопараметровый метод контроля трубчатых
изделий //Технічна електродинаміка, Тематичний випуск, ч. 2,- 1999,
с. 39-42.
6.
Себко В.П., Горкунов Б.М., Хоменко В.Г.
Метод и устройство для определения физических параметров труб, используемых в
строительстве// Доклады
международной практической конференции «Сооружения, конструкции, технологии и
строительные материалы XXI века»,- ч. 1,- Белгород,- 1999,- с. 96-101.
7.
Себко
В.П., Мохаммад Махмуд Мохамад Дарвиш, Александров Е.Е. Вихретоковый метод
определения электромагнитных параметров и потерь мощности в цилиндрических изделиях.-
Технічна електродинаміка.- Тем. Випуск.- ч. 1.- Київ, 2000.- с. 67-70.
8.
Себко В.П., Тюпа И.В. Установка для
контроля параметров ферромагнитных трубчатых изделий на основе контактного
электромагнитного преобразователя. Информационные технологии: наука,
технология, образование, здоровье: сб. научн. Трудов.- Харьков: НТУ “ХПИ”,
2001.- вып. 5.- с. 162-165.
9.
Себко В.П., Тюпа И.В., Филоненко Д.В.
Многопараметровый экстремальный электромагнитный метод контроля труб.- Анотації
конференції “Інформаційні технології: наука, техніка, технологія, освіта,
здоров'я, XII Міжнародна науково-практична конференція, - НТУ “ХПІ”.- Харків:-
2004,- ст. 390.
10.
Себко В.П.. Константин Б. Бесконтактное определение параметров
трубчатых немагнитных изделий.- Дефектоскопия,- №5,-1992,- с. 36-41.
11.
Луцик Я.Т., Буняк Л.К., Рудавський Ю.К.,
Стадник Б.І. Енциклопедія термометрії.- Видавництво Національного університету.-
“Львівська політехніка”,- Львів.- 2003,- с. 410.
12.
Спектор
С.А. Электрические измерения физических величин.- Л.: Энергоатомиздат, 1987,-
с. 320.
13.
Себко
В.П., Багмет О.Л. Повышение точности измерений температуры цилиндрических
изделий электромагнитным преобразователем. Весник НТУ «ХПИ», - т. 1,- 2003,-с.
28-31.
14.
Горкунов
Б.М., Котуза А.И. Многофункциональный электромагнитный преобразователь для
контроля физических параметров изделий//Технічна елекртодинаміка. Тем. Випуск.
Моделювання електронних, енергетичних та технологічних систем, - К.: Інститут
електродинаміки,- 1999,- ч.2.- с. 85-88.
15.
Себко
В.П., Беззапонная В.М. О диффузии затухающих магнитных полей в металлическую
камеру.//Електротехніка і електромеханіка - НТУ “ХПІ”- Харків:-
2005,- вип. 4.- с. 61-63.
16.
Себко
В.В. Многофункциональное вихретоковое устройство для совместного измерения
радиуса, магнитной проницаемости, удельного электрического сопротивления и
температуры цилиндрического проводящего изделия //Технічна
електродинаміка.- Київ: Ін-т електродинаміки НАНУ.- 2002.- Тем. Випуск, ч. 3,-
с. 101-104.
17.
Себко
В.В. Контроль четырёх
параметров вихретокового параметрического датчика на основе кратных частот
поля.- Технічна електродинаміка.- Тем. Випуск. Ч.- 2,- Київ,-
2006.- ст. 67-68.
18.
Кифер И.И. Испытания ферромагнитных
материалов,- М.: Энергия.- 1969.- 360с.