PL239841B1 - Przetwornik pomiarowy do badania materiałów przewodzących oraz sposób badania materiałów przewodzących - Google Patents

Abstract

Przetwornik pomiarowy do badania materiałów przewodzących metodą prądów wirowych, zawierający magnesy trwałe, aktuatory, wspornik, układ sterujący, charakteryzuje się tym, że ma magnesy trwałe (1) zamocowane każdy na przymocowanym do wspornika (2) aktuatorze liniowym (3), umożliwiającym każdemu z magnesów trwałych (1) ruch posuwisto - zwrotny. Magnesy trwałe (1) rozłożone są wzdłuż osi podłużnej przetwornika, zaś pod magnesami trwałymi (1) zamocowany jest na drugim, niemagnetycznym i nieprzewodzącym wsporniku (4), zespół elementów pomiarowych (5), rozmieszczonych symetrycznie wzdłuż osi podłużnej przetwornika i połączonych parami różnicowo. Każda para elementów pomiarowych (5) połączona jest z wejściem odpowiedniego wzmacniacza (6), którego wyjście połączone jest z wielokanałowym przetwornikiem analogowo - cyfrowym (7) połączonym z układem sterującym (8), który połączony jest ze sterownikiem (9). Sposób badania materiałów przewodzących przy pomocy przetwornika zawierającego magnesy trwałe, charakteryzuje się tym, że na podstawie wyników symulacji numerycznych umożliwiających określenie zmieniającego się w czasie rozkładu gęstości prądów wirowych w badanym materiale, wprawia się, przy pomocy układu sterującego, magnesy trwałe, w różnej kolejności, w zsynchronizowany ruch posuwisto - zwrotny, generujący prądy wirowe w umieszczonym bezpośrednio pod magnesami badanym materiale, które powodują zmienne pole magnetyczne indukujące napięcie w różnicowo połączonych elementach pomiarowych, a następnie wypadkowe napięcie zaindukowane w elementach pomiarowych wzmacnia się, przetwarza na postać cyfrową i zapisuje w układzie sterującym.

Description

PL 239 841 B1

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest przetwornik pomiarowy do badania materiałów przewodzących oraz sposób badania materiałów przewodzących metodą prądów wirowych.

W badaniach nieniszczących struktur przewodzących metodą prądów wirowych głównym problemem jest wykrywanie i prawidłowa identyfikacja występujących niejednorodności i nieciągłości w testowanym materiale. Jest on rozwiązywany, między innymi, poprzez zastosowanie złożonych głowic zawierających wiele elementów wzbudzających prądy wirowe oraz wielu odpowiednio umieszczonych elementów detekcyjnych.

Znane jest z patentu US 2,897,438 wykorzystanie poruszających się ruchem obrotowym magnesów trwałych do indukowania prądów wirowych w materiale w celu a badania połączeń między rurami.

Znane jest także z artykułu „Application of eddy currents induced by permanent magnets for pipeline inspection” autorstwa J. Bruce Nestleroth oraz Richard J. Davis (NDT&E International 40 (2007), DOI: 10.1016/j.ndteint.2006.07.002) wykorzystanie obracających się magnesów trwałych zamontowanych na ramionach wraz z umieszczonymi w pewnej odległości czujnikami Halla do wykrywania wad materiałowych w rurach przy wykorzystaniu znanej metody RFED (Remote Field Eddy Current Testing).

Znana jest z artykułu „Lorentz force eddy current testing: A novel NDE-technique” autorstwa Brauer, H., Porzig, K., Mengelkamp, J., Carlstedt, M., Ziolkowski, M., Toepfer, H. (COMPEL Int. J. Comput. Math. Electr. Electron. Eng. 2014, 33, DOI: 10.1108/COMPEL-11-2013-0383) metoda LET (Lorentz force eddy current testing), w której wykorzystano ruch obiektu badanego względem stałego pola magnetycznego. W tym przypadku do wykrywania niejednorodności w materiale wykorzystywana jest zmiana siły Lorentza działającej na magnes trwały (wytwarzający stacjonarne pole magnetyczne), względem którego przesuwany jest badany materiał.

Znany jest z patentu US 9,945,817 układ wieloprzetwornikowej głowicy (phased array) złożonej z przetworników ultradźwiękowych do badania połączeń śrubowych (fastener hole) i ich otoczenia. Wieloprzetwornikowa głowica składa się z szeregu czujników, z których część służy do wyrównywania głowicy nad badanym połączeniem śrubowym, a reszta służy do badania struktury w otoczeniu tego połączenia.

Znany jest z patentu US 10,209,223 układ do prowadzenia badań nieniszczących złożony z macierzy czujników ultradźwiękowych oraz zespołu czujników (jednej lub kilku parcewek wzbudzających prądy wirowe oraz cewek pomiarowych) do badań metodą prądów wirowych. Przedstawiony tam układ rejestruje sygnały z czujników ultradźwiękowych (ułożonych w postaci jedno albo dwuwymiarowej matrycy) i umożliwia przedstawienie ich w formie C-skanu dla wybranego obszaru. Natomiast czujnik do badań metodą prądów wirowych dostarcza takich informacji o badanym obiekcie, jak grubość i przewodność. Informacje te uzupełniają dane uzyskane z badań metodą ultradźwiękową oraz dodatkowo mogą być wykorzystane do automatycznego strojenia systemu pomiarowego.

Przetwornik pomiarowy do badania materiałów przewodzących metodą prądów wirowych, według wynalazku, zawierający magnesy trwałe, wspornik i układ sterujący, charakteryzuje się tym, że ma magnesy trwałe zamocowane każdy na przymocowanym do wspornika aktuatorze liniowym, umożliwiającym każdemu z magnesów trwałych ruch posuwisto-zwrotny. Magnesy trwałe rozłożone są wzdłuż osi podłużnej przetwornika, zaś pod magnesami trwałymi zamocowany jest na drugim, niemagnetycznym i nieprzewodzącym wsporniku, zespół elementów pomiarowych. Elementy pomiarowe rozmieszczone są symetrycznie wzdłuż osi podłużnej przetwornika i połączone parami różnicowo. Każda para elementów pomiarowych połączona jest z wejściem odpowiedniego wzmacniacza, którego wyjście połączone jest z wielokanałowym przetwornikiem analogowo-cyfrowym połączonym z układem sterującym, który połączony jest ze sterownikiem.

Sposób badania materiałów przewodzących przy pomocy przetwornika, zawierającego magnesy trwałe, według wynalazku, charakteryzuje się tym, że na podstawie wyników symulacji numerycznych umożliwiających określenie rozkładu gęstości prądów wirowych w badanym materiale zmieniającego się w czasie, wprawia się, przy pomocy układu sterującego, magnesy trwałe, w różnej kolejności, w zsynchronizowany ruch posuwisto-zwrotny, generujący prądy wirowe w umieszczonym bezpośrednio pod magnesami badanym materiale które powodują zmienne pole magnetyczne indukujące napięcie w różnicowo połączonych elementach pomiarowych.

Wypadkowe napięcie zaindukowane w różnicowo połączonych elementach pomiarowych, po wzmocnieniu i przetworzeniu na postać cyfrową rejestruje się w układzie sterującym, co pozwala zlokalizować i ocenić występujące w materiale niejednorodności.

Claims (2)

1. PL 239 841 B1

   Zaletą rozwiązania według wynalazku jest możliwość badania dużych fragmentów materiału w krótkim czasie, w związku z wykorzystaniem matrycy elementów pomiarowych i zmiennej w czasie gęstości indukowanych prądów wirowych. Możliwość kształtowania rozkładu gęstości prądów wirowych i ich koncentrowania w różnym miejscu w różnym czasie umożliwia badanie różnych fragmentów materiału bez konieczności przesuwania przetwornika. Ponadto, użycie magnesów trwałych zamiast cewek wzbudzających umożliwia zastosowanie wynalazku w strefach zagrożonych wybuchem, w których układy silnoprądowe stanowią istotne zagrożenie dla bezpieczeństwa.

   Rozwiązanie według wynalazku przedstawione jest w przykładzie wykonania i na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat poglądowy przetwornika, fig. 2 przedstawia schematycznie przetwornik w widoku aksonometrycznym, fig. 3 przedstawia symulacje numeryczną rozkładu prądów wirowych w badanym materiale (aluminium) przy wybranym założonym sposobie poruszania się magnesów dla różnych czasów.

   Przetwornik pomiarowy ma magnesy trwałe 1 zamocowane każdy na przymocowanym do wspornika 2 osobnym liniowym aktuatorze 3, umożliwiającym każdemu z magnesów trwałych 1 ruch posuwisto-zwrotny. Magnesy trwałe 1 rozłożone są wzdłuż osi podłużnej przetwornika, zaś pod magnesami trwałymi 1 zamocowany jest na drugim wsporniku 4 zespół elementów pomiarowych 5. Elementy pomiarowe 5 rozmieszczone są symetrycznie wzdłuż osi podłużnej przetwornika i połączone są parami różnicowo. Każda para elementów pomiarowych 5 połączona jest z wejściem wzmacniacza 6, którego wyjście połączone jest z wielokanałowym przetwornikiem analogowo-cyfrowym 7 połączonym z układem sterującym 8, który połączony jest ze sterownikiem 9.

   Zasada działania przetwornika polega na tym, że rozłożone wzdłuż osi podłużnej przetwornika magnesy trwałe 1, za pomocą aktuatorów liniowych 3 wprawiane są w różnej kolejności w ruch posuwisto-zwrotny. Sposób poruszania się poszczególnych magnesów (czas rozpoczęcia ruchu, kierunek i prędkość poruszania się określany jest przez komputerowy układ sterujący 8. Efektem ruchu magnesów jest generowanie prądów wirowych w badanym materiale 10, umieszczonym bezpośrednio pod magnesami trwałymi 1 i niemagnetycznym, nieprzewodzącym drugim wspornikiem 4. W związku z indywidualnie określonym sposobem przemieszczania się poszczególnych magnesów, powstające w materiale prądy wirowe mają lokalnie zmieniającą się w czasie gęstość. Największa gęstość prądów wirowych osiągana jest w okolicach magnesu trwałego 1, który aktualnie znajduje się najbliżej badanego elementu 10. W trakcie trwania pomiaru kolejne magnesy przemieszczane są w kierunku materiału badanego, a inne wycofywane są w kierunku pozycji początkowej. Ruch magnesów może być dobrany w taki sposób, że obszar występowania maksimum gęstości prądów wirowych przesuwa się wzdłuż osi podłużnej przetwornika od pierwszego do ostatniego magnesu trwałego. Na fig. 3 pokazano zmiany rozkładu gęstości prądów wirowych zaindukowanych w badanym materiale w związku z ruchem magnesów. Sposób przesuwania magnesów trwałych 1 opracowany na podstawie wcześniej wykonanych symulacji numerycznych pozwala na wygenerowanie zmiennego w czasie, zgodnego z wymaganiami rozkładu gęstości prądów wirowych w materiale badanym 10. Za pomocą elementów pomiarowych 5 służących do pomiaru zmiennego pola magnetycznego rejestruje się wartości chwilowe indukcji magnetycznej wzdłuż długości całego przetwornika. Elementy pomiarowe 5 połączone są parami w sposób różnicowy. W przypadku występowania lokalnej zmiany przewodności elektrycznej lub przenikalności magnetycznej badanego materiału, powstaje różnica w wartości indukcji magnetycznej rejestrowanej przez jeden lub kilka elementów pomiarowych 5, co w konsekwencji powoduje narastanie sygnału różnicowego, który jest wzmacniany przez wzmacniacz pomiarowy 6, przetwarzany na postać cyfrową za pomocą przetwornika analogowo-cyfrowego ADC 7 i zapisywany wraz z informacją dotyczącą aktualnego położenia magnesów i przetwornika przez układ sterujący 8.

   Zastrzeżenia patentowe

   1. Przetwornik pomiarowy do badania materiałów przewodzących metodą prądów wirowych, zawierający magnesy trwałe, wspornik, układ sterujący, znamienny tym, że ma magnesy trwałe (1) zamocowane każdy na przymocowanym do wspornika (2) aktuatorze liniowym (3), umożliwiającym każdemu z magnesów trwałych (1) ruch posuwisto-zwrotny, przy czym magnesy trwałe (1) rozłożone są wzdłuż osi podłużnej przetwornika, zaś pod magnesami trwałymi (1) zamocowany jest na drugim, niemagnetycznym i nieprzewodzącym wsporniku (4) zespół elementów pomiarowych (5), rozmieszczonych symetrycznie wzdłuż osi podłużnej przetwornika

   PL 239 841 B1 i połączonych parami różnicowo, a każda para elementów pomiarowych (5) połączona jest z wejściem odpowiedniego wzmacniacza (6), którego wyjście połączone jest z wielokanałowym przetwornikiem analogowo-cyfrowym (7) połączonym z układem sterującym (8), który połączony jest ze sterownikiem (9).
2. 2. Sposób badania materiałów przewodzących przy pomocy przetwornika zawierającego magnesy trwałe, znamienny tym, że na podstawie wyników symulacji numerycznych umożliwiających określenie rozkładu gęstości prądów wirowych w badanym materiale zmieniającego się w czasie, wprawia się, przy pomocy układu sterującego, magnesy trwałe, w różnej kolejności, w zsynchronizowany ruch posuwisto-zwrotny, generujący prądy wirowe w umieszczonym bezpośrednio pod magnesami badanym materiale, które powodują zmienne pole magnetyczne indukujące napięcie w różnicowo połączonych elementach pomiarowych a następnie wypadkowe napięcie zaindukowane w elementach pomiarowych wzmacnia się, przetwarza na postać cyfrową i rejestruje w układzie sterującym.