Author: Клюева В.В.
Tags: испытания материалов товароведение силовые станции общая энергетика техника и технические науки в целом неразрушающий контроль дефектоскопия
ISBN: 5-271-03200-6
Year: 2003
Text
НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ
СПРАВОЧНИК
НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ
Справочник в 7 томах под редакцией чл.-корр. РАН В. В. КЛЮЕВА
Том 2
А.И. Евлампиев, Е.Д. Попов, С.Г. Сажин, Л.Д. Муравьева, С.А. Добротин, А.В. Половинкин, Ю.А. Кондратьев
КОНТРОЛЬ ГЕРМЕТИЧНОСТИ
Книга!
МОСКВА “МАШИНОСТРОЕНИЕ” 2003
УДК [681.518.54+620.193(035)
ББК 30.82-5я2
Н54
Неразрушающий контроль: Справочник: В 7 т. Под общ. ред. Н 54 В.В. Клюева. Т. 2: В 2 кн. - М.: Машиностроение, 2003. - 688 с.: ил.
Контроль герметичности. Книга 1/А.И. Евлампиев, Е.Д. Попов, С.Г. Сажин, Л.Д. Муравьева С.А. Добротин, А.В. Половинкин, Ю.А. Кондратьев
Рассмотрена технология контроля герметичности. Приведены физико-химические основы течеискания, характеристики сжатого воздуха, техника получения и измерения вакуума, практически все методы контроля герметичности, метрологическое обеспечение течеискания, контроль герметичности изделий массового производства, а также потенциально опасных объектов в процессе их эксплуатации, техника безопасности, примеры промышленного использования методов и средств контроля герметичности, требования к техническим знаниям персонала по рекомендациям ICNDT Wn 21-85.
Вихретоковый контроль. Книга 2/Ю.К. Федосенко, В.Г. Герасимов, А.Д. Покровский, Ю.Я. Останин.
Изложены основы вихретокового контроля. Рассмотрены методы контроля: проходным преобразователем, накладным преобразователем, качества ферромагнитных изделий, вихретоковая дефектоскопия, структуроскопия немагнитных объектов. Приведены способы выделения информативных сигналов, вихретоковые приборы и средства контроля, их метрологическое обеспечение, аппаратура отечественных и зарубежных фирм (2002, 2003 гг.), национальные и международные стандарты по сертификации специалистов, программы обучения и аттестации, перечни вопросов для сдачи квалификационных экзаменов.
Для специалистов промышленности, работников служб контроля, эксплуатации и ремонта, а также для специалистов, обслуживающих медицинскую и таможенную технику, может быть полезен преподавателям и студентам вузов.
ISBN 5-271-03200-6(Т. 2. кн. 1, кн. 2) © НИИИН МНПО «Спектр», 2003
ISBN 5-217-03185-9 © Издательство «МАШИНОСТРОЕНИЕ», 2003
ОГЛАВЛЕНИЕ
Книга 1. КОНТРОЛЬ ГЕРМЕТИЧНОСТИ
ПРЕДИСЛОВИЕ........................ 8
Глава 1. ВВЕДЕНИЕ В ТЕХНОЛОГИЮ КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ ................... 10
1.1. Основные понятия, термины и определения.................. 10
1.2. Причины нарушения герметичности .................... 13
1.3. Назначение и области применения контроля герметичности .... 17
1.4. Классификация методов и способов контроля герметичности 18
1.5. Общая характеристика технологического процесса испытаний на герметичность.................. 22
1.6. Технология испытаний на прочность......................... 29
1.7. Технология подготовки к контролю на герметичность.... 32
Глава 2. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТОДОВ ТЕЧЕИС-КАНИЯ....................... 43
2.1. Элементы молекулярнокинетической теории газов. Понятие о давлении. Газовые законы. Количество и поток газа...... 43
2.2. Длина свободного пути молекул газа. Понятие о высоком вакууме. Области течения, свойства газов при низких давлениях. 47
2.3. Физические процессы в вакууме 51
2.4. Закономерности течения газов и жидкостей по каналам течей. 53
2.5. Физико-химическое взаимодействие при течении газов и жидкостей через микроканалы течей 61
Глава 3. ТЕХНИКА ПОЛУЧЕНИЯ И ИЗМЕРЕНИЯ ВАКУУМА........... 68
3.1. Основы процесса откачки. Вакуумные насосы. Ловушки.... 68
3.2. Вакуумные материалы..... 79
3.3. Измерение низких давлений ... 88
Глава 4. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СЖАТОГО ВОЗДУХА 97
4.1. Основные сведения о воздухе. Состав, осушка воздуха и очистка от примесей................. 97
4.2. Требования к сжатому воздуху. Методы контроля........ 101
Глава 5. МАСС-СПЕКТРОМЕТРИ-ЧЕСКИЙ МЕТОД КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ..................... 103
5.1. Принцип масс-спектрометрического метода контроля герметичности .................. 103
5.2. Схемные решения масс-спектрометрических течеискателей. 105
5.3. Способы и схемы контроля герметичности объектов...... ПО
5.4. Характеристики масс-спектро-метрических промышленных течеискателей.................. 119
5.5. Калибровка............ 121
Глава 6. ГАЛОГЕННЫЙ МЕТОД КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ........ 123
6.1. Принципиальные основы галогенного метода......... 123
6.2. Аппаратура для реализации галогенного метода......... 124
6.3. Градуировка галогенных течеискателей ................. 132
6.4. Галогеносодержащие пробные вещества................... 134
6.5. Промышленное применение галогенного метода......... 135
Глава 7. ЭЛЕКТРОНОЗАХВАТНЫЙ И ПЛАЗМЕННЫЙ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ .............................. 139
7.1. Принципиальные основы методов ....................... 139
7.2. Аппаратура для реализации методов.................... 139
7.3. Техника контроля герметичности электронозахватным и плазменным методами............ 143
Глава 8. КАТАРОМЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОД КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ ......................... 146
8.1. Основы метода......... 146
8.2. Конструктивные схемы ячеек катарометрических течеискателей 148
8.3. Виды ЧЭ............... 151
8.4. Схемы промышленных катарометрических газоанализаторов и течеискателей.............. 154
Глава 9. АКУСТИЧЕСКИЙ МЕТОД КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ............................... 157
9.1. Принципы акустического тече-искания.................... 157
9.2. Ультразвуковые течеискатели 157
4
ОГЛАВЛЕНИЕ
9.3. Акустические течеискатели непосредственного прослушивания 160 9.4. Акустические корреляционные течеискатели............... 164
9.5. Мониторинг утечек с применением акустических сенсоров. 167
Глава 10. ФОТОИОНИЗАЦИОННЫЙ МЕТОД КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ......................... 172
10.1. Физические основы метода ... 172 10.2. Основные теоретические и экспериментальные характеристики фотоионизационного газоаналитического преобразователя.... 173
10.3. Конструкции газоаналитических фотоионизационных средств контроля утечек и концентраций пробных газов.............. 176
Глава 11. МАНОМЕТРИЧЕСКИЙ И ВАКУУММЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ ........................ 181
11.1. Физические основы методов 181 11.2. Манометрический метод.. 181
11.3. Вакуумметрический метод ... 182
Глава 12. ПУЗЫРЬКОВЫЙ МЕТОД КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ.............................. 187
12.1. Физические основы метода 187
12.2. Способ опрессовки с погружением в жидкость (способ аквариума) .................... 187
12.3. Способ бароаквариума... 190
12.4. Способ опрессовки с пенопленочным индикатором......... 193
12.5. Способ опрессовки с дисперсной массой............. 196
12.6. Вакуумно-пузырьковый способ 198
Глава 13. ХИМИЧЕСКИЙ ГАЗОВЫЙ МЕТОД КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ ........................ 200
13.1. Принципиальные основы метода ...................... 200
13.2. Способ опрессовки с индикаторной лентой.............. 200
Глава 14. ЖИДКОСТНЫЕ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ ............................. 203
14.1 . Принципиальные основы методов ..................... 203
14.2 . Яркостный (ахроматический) метод...................... 203
Глава
Глава
Глава
14.3 . Цветной (хроматический) ме-
тол ........................ 206
14.4 . Химический жидкостный метод 209
14.5 . Люминесцентный метод. 213
15. МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТЕЧЕИСКА-
НИЯ......................... 216
15.1. Основные положения метрологического обеспечения течеис-кания....................... 216
15.2. Организация метрологического обеспечения........... 217
15.3. Калиброванные течи.... 223
15.4. Методы калибровки течей .... 230
16. ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНЫЙ КОНТРОЛЬ ГЕРМЕТИЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ МАССОВОГО ПРОИЗВОДСТ-
ВА ......................... 237
16.1. Назначение и области применения автоматов контроля герметичности ................... 237
16.2. Классификация АУКГ.... 240
16.3. Конструктивно-модульный принцип построения АУКГ..... 241
16.4. Схемы и конструкции АУКГ 254
16.5. Высокопроизводительный контроль герметичности малогабаритных изделий в замкнутой оболочке ...................... 269
16.6. Достоверность автоматизированного контроля герметичности изделий..................... 278
16.7. Перспективы развития автоматизированных средств контроля герметичности изделий массового производства................ 279
17. ПРИМЕРЫ ПРОМЫШЛЕННОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
МЕТОДОВ И СРЕДСТВ КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ......... 284
17.1. Контроль герметичности подземных коммуникаций....... 284
17.2. Мобильные течеискательные лаборатории................. 290
17.3. Контроль герметичности криогенной арматуры......... 293
17.4. Особенности контроля герметичности изделий при повышенных температурах............ 303
17.5. Контроль герметичности малогабаритных изделий в замкнутой оболочке................ 304
ОГЛАВЛЕНИЕ
5
Глава 18. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ ПОТЕНЦИАЛЬНО ОПАСНЫХ ОБЪЕКТОВ В ПРОЦЕССЕ ИХ ЭКСПЛУАТАЦИИ .............................. 307
18.1. Характеристика потенциально опасных объектов в химии и нефтехимии.................. 307
18.2. Сенсорные течеискательные элементы и датчики.......... 309
18.3. Распределенные автоматизированные системы течеискания и экомониторинга.............. 314
Глава 19. ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ КОНТРОЛЕ ГЕРМЕТИЧНОСТИ...................... 318
19.1. Обеспечение безопасности при контроле утечек токсичных, взрыво- и пожароопасных веществ 318 19.2. Требования безопасности при использовании баллонов со сжа-
тым газом.................... 320
19.3. Обеспечение безопасности при испытаниях на прочность и герметичность................ 322
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.................. 329
ПРИЛОЖЕНИЕ. Требования к техническим знаниям персонала по рекомендации Международного комитета по неразрушающему контролю - ICNDT WH 21-85 изм. 1............................. 331
Книга 2. ВИХРЕТОКОВЫЙ КОНТРОЛЬ
ПРЕДИСЛОВИЕ..................... 340
Глава 1. ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ
ПОЛЕ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ
ЦЕПИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА 343
1.1. Электромагнитное поле и его
основные уравнения........ 343
1.2. Характеристики электротехнических материалов......... 346
1.3. Переменный синусоидальный ‘ ток и его комплексное представле-
ние ...................... 348
1.4. Векторные диаграммы синусоидальных токов и напряжений ... 351
1.5. Закон электромагнитной индукции. Собственная и взаимная индуктивности............. 352
1.6. Активное, реактивное и полное сопротивления............. 356
1.7. Расчет электрических цепей синусоидального тока комплексным методом.................. 361
1.8* . Резонансные явления в цепях переменного тока............. 365
1.9. Несинусоидальные токи и напряжения в электрических цепях 367
Глава 2. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ВИХРЕТОКОВОМ КОНТРОЛЕ........... 370
2.1. Вихревые токи и поверхностный эффект в проводящих изделиях 370
2.2. Общая характеристика вихретокового контроля............ 371
2.3. Области применения вихретокового контроля.............. 373
2.4. Классификация вихретоковых преобразователей............. 374
2.5. Краткая история развития вихретокового контроля....... 380
Глава 3. ВИХРЕТОКОВЫЙ КОНТРОЛЬ С ПОМОЩЬЮ ПРОХОДНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕ-ЛЕЙ................................. 387
3.1. Общая характеристика наружных проходных вихретоковых преобразователей (ВТП)....... 387
3.2. Контроль цилиндрических изделий наружными проходными ВТП с однородным магнитным полем........................ 387
3.3. Контроль цилиндрических изделий внутренними проходными ВТП с однородным магнитным полем........................ 398
3.4. Контроль цилиндрических изделий экранными проходными ВТП с однородным магнитным полем........................ 399
3.5. Сопоставление наружных, внутренних и экранных проходных ВТП с однородным магнитным полем........................ 401
3.6. Контроль эллиптических цилиндров проходными ВТП с однородным магнитным полем... 402
3.7. Контроль цилиндрических изделий проходными ВТП с неоднородным магнитным полем..... 403
Глава 4. КОНТРОЛЬ С ПОМОЩЬЮ НАКЛАДНЫХ ВИХРЕТОКО-ВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ .... 406
4.1. Общая характеристика накладных вихретоковых преобразователей .............................. 406
6
ОГЛАВЛЕНИЕ
4.2. Типы накладных вихретоковых преобразователей............ 406
4.3. Начальные параметры накладного вихретокового преобразователя ....................... 408
4.4. Расчет вносимого напряжения накладных вихретоковых преобразователей .................. 410
4.5. Контроль электропроводящих изделий большой толщины..... 413
4.6. Контроль толщины диэлектрических покрытий............. 417
4.7. Контроль листов накладными вихретоковыми преобразователями 418 4.8. Контроль листов экранными накладными преобразователями ... 422 4.9. Контроль двухслойных объектов накладными вихретоковыми преобразователями........... 426
4.10. Контроль многослойных изделий накладными вихретоковыми преобразователями...... 429
4.11. Контроль объектов сложной криволинейной формы......... 430
4.12. Особенности расчета накладных ВТП с ферромагнитными сердечниками................ 434
4.13. Комбинированные накладные вихретоковые преобразователи 436
Глава 5. КОНТРОЛЬ ДВИЖУЩИХСЯ ИЗДЕЛИЙ. СКОРОСТНОЙ ЭФФЕКТ............................ 439
5.1. Контроль движущихся изделий накладными ВТП.............. 439
5.2. Контроль движущихся проводящих изделий проходными ВТП 442
Глава 6. ИМПУЛЬСНОЕ ВОЗБУЖ-ДЕНИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ 444
6.1. Импульсное возбуждение проходных преобразователей.. 444
6.2. Импульсное возбуждение накладных преобразователей.. 446
Глава 7. КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ФЕРРОМАГНИТНЫХ ИЗДЕ-ЛИЙ В СРЕДНИХ И СИЛЬНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ
ПОЛЯХ....................... 448
7.1. Связь электрических и магнитных характеристик сталей с их физико-химическими свойствами 448 12. Общая характеристика задачи о контроле ферромагнитных изделий ...................... 451
7.3. Приближенный метод анализа режимов работы преобразователей при контроле ферромагнитных изделий...................... 452
7.4. Применение нелинейных моделей для исследования процессов в проходных преобразователях 454 7.5. Анализ режимов работы проходных преобразователей с помощью численных методов........ 457
7.6. Двухчастотный метод контроля ферромагнитных изделий... 460
7.7. Годографы сигналов проходных ВТП для ферромагнитных ОК....................... 462
Глава 8. СПОСОБЫ ВЫДЕЛЕНИЯ ИНФОРМАТИВНЫХ СИГНАЛОВ С ОСЛАБЛЕНИЕМ ВЛИЯНИЯ МЕШАЮЩИХ ФАКТОРОВ........................... 467
8.1. Общие положения и классификация способов............... 467
8.2. Выбор типа измерительных преобразователей............. 468
8.3. Двухпараметровый способ выделения информации......... 469
8.4. Способы стабилизации и вариации условий контроля ..... 477
8.5. Спектральные способы анализа сигналов.................. 481
8.6. Многопараметровые способы обработки сигналов........... 485
Глава 9. ВИХРЕТОКОВАЯ ДЕФЕКТОСКОПИЯ .......................... 487
9.1. Дефектоскопия прутков, проволоки и труб проходными ВТП ... 487 9.2. Дефектоскопия накладными ВТП.......................... 497
9.3. Технология контроля с использованием накладных вихретоковых преобразователей............. 499
Глава 10. ВИХРЕТОКОВАЯ СТРУК-ТУРОСКОПИЯ НЕМАГНИТНЫХ ОБЪЕКТОВ....................... 509
10.1. Возможности структуроско-пии немагнитных объектов.... 509
10.2. Структуроскопия сплавов на основе алюминия.............. 509
10.2.1. Свойства алюминиевых сплавов 509
10.2.2. Двухкомпонентные сплавы 510
10.2.3. Многокомпонентные деформируемые алюминиевые сплавы 511
ОГЛАВЛЕНИЕ
7
10.2.4. Влияние повторного нагрева на свойства алюминиевых спла-
вов ......................... 517
10.2.5. Оценка качества термической обработки алюминиевых сплавов 519
10.2.6. Контроль листовых (плакированных) деталей............ 523
10.3. Определение марки немагнитных проводящих материалов ... 524
10.3.1. Сортировка алюминиевых сплавов по маркам............ 524
10.3.2. Сортировка титановых
сплавов...................... 528
10.3.3. Сортировка магниевых
сплавов, латуней и бронз...... 530
10.4. Контроль углеродсодержащих гибридных композитов...... 532
Глава 11. ВИХРЕТОКОВЫЕ ПРИБОРЫ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ........................... 535
11.1. Конструкции вихретоковых преобразователей............. 535
11.1.1. Общая характеристика. 535
11.1.2. Накладные ВТП........ 536
11.1.3. Проходные ВТП........ 543
11.2. Вихретоковые дефектоскопы 548 11.2.1. Классификация и технические характеристики.......... 548
11.2.2 . Дефектоскопы для работы в статическом режиме........... 550
11.2.3 . Динамические дефектоскопы ....................... 555
11.3. Вихретоковые толщиномеры 5 62
11.3.1. Классификация и основные технические характеристики толщиномеров ................... 562
11.3.2. Толщиномеры изоляционных покрытий на электропроводящих основаниях............... 563
11.3.3. Толщиномеры электропроводящих неферромагнитных слоев 565 11.3.4. Толщиномеры электропроводящих неферромагнитных покрытий на электропроводящих неферромагнитных основаниях... 568
11.4. Приборы для контроля физико-механических характеристик металлических объектов....... 569
11.5. Измерители удельной электрической проводимости металла 571
11.6. Вихретоковые универсальные приборы...................... 572
Глава 12. МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ВИХРЕТОКОВЫХ СРЕДСТВ КОНТРОЛЯ 575 12.1. Общие вопросы................ 575
12.2. Метрологическое обеспече-
ние дефектоскопов.............. 576
12.3. Метрологическое обеспечение толщиномеров и измерителей удельной электрической проводимости ......................... 582
12.4. Метрологическое обеспечение структуроскопов............ 582
ПРИЛОЖЕНИЯ
Ш. Основные уравнения, описывающие электромагнитные процессы при вихретоковом контроле 584 П2. Вывод основных уравнений вносимых напряжений и ЭДС проходных ВТП с ферромагнитным проводящим объектом цилиндрической формы................ 586
ПЗ. Вывод основных уравнений вносимых напряжений и ЭДС накладных ВТП над ферромагнитным проводящим объектом плоской формы..................... 590
П4. Сводная таблица формул, отражающих влияние объекта контроля на параметры проходных и накладных ВТП................ 594
П5. Основные уравнения электромагнетизма в системе СИ....... 599
П6. Магнитные и электрические единицы в системе единиц СИ, используемые в вихретоковом контроле....................... 603
П7. Основные термины и определения вихретокового контроля... 608
П8. Вихретоковая аппаратура отечественных и зарубежных фирм. 2002-2003 гг................... 614
П9. Удельная электрическая проводимость и плотность промышленных металлов и сплавов....... 626
П10. Национальные и международные стандарты по сертификации специалистов. Сертификация специалистов по вихретоковому контролю. Программы обучения и аттестации специалистов I, II,
II 1-го уровней по вихретоковому контролю. Перечень вопросов для сдачи квалификационных экзаменов на I, II и Ш-й уровни.. 628
П11. Перечень ГОСТов РФ и стандартов зарубежных стран в области вихретокового контроля.. 685
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ................ 686
Книга 1
КОНТРОЛЬ ГЕРМЕТИЧНОСТИ
ПРЕДИСЛОВИЕ
Во всем мире продолжается интенсивное развитие промышленности, которое связано не только с увеличением объема производства и ассортимента выпускаемой продукции, но и с растущими требованиями к ее качеству. Обеспечение высокого качества продукции неразрывно связано с повышением уровня контроля.
Контроль герметичности герметизируемой продукции (течеискание) в соответствии с ГОСТ 18353-79 прочно входит в систему неразрушающего контроля качества.
Значимость обеспечения высокого качества изделий по параметру «герметичность» и достоверного контроля герметичности трудно переоценить.
В век ракетно-космической техники, атомной энергетики и микроэлектроники наука и техника решают задачи обеспечения герметичности самых разнообразных объектов. Надежной герметизации подлежат системы самолетов, ракет, подводных и надводных кораблей, имитаторы космического пространства, термоядерные установки, хранилища газа и нефтепродуктов, и вместе с тем герметизируются малогабаритные изделия массового производства, выпускаемые химической, электронной, пищевой, автомобильной и многими другими отраслями промышленности.
В вакуумируемых изделиях герметизация осуществляется для получения и сохранения необходимого вакуума, в газонаполненных - для обеспечения заданных давления и концентрации рабочих веществ в полости изделия или для предупреждения проникновения в нее вредных
веществ. В системах жизнеобеспечения объектов, находящихся в космосе, герметизация осуществляется во избежание утечек различных рабочих сред, а также атмосферного воздуха.
Негерметичность таких изделий может привести не только к нарушению условий их эксплуатации, но и к преждевременному прекращению функционирования изделия и связанному с этим значительному материальному ущербу, а также тяжелым последствиям: взрывоопасной ситуации, возникновению пожара, отравлению окружающей среды и трагической гибели людей. По этой причине испытаниям на герметичность (течеисканию) во всех отраслях народного хозяйства придается особое значение.
Большое разнообразие выпускаемых промышленностью герметизируемых объектов, различающихся по конструкции и применяемым материалам и рабочим средам, по сроку службы и хранения, массовости выпуска, условиям эксплуатации и другим параметрам, требует развития различных методов и аппаратуры контроля герметичности, отличающихся назначением, физической сущностью, чувствительностью, быстродействием и т.п. В этой связи в промышленности разработан комплекс методов и способов испытаний, удовлетворяющий требования разработчиков к степени герметичности различных деталей, сборочных единиц и изделий в целом.
Для технически обоснованной формулировки требований к герметичности проектируемых изделий и правильного
ПРЕДИСЛОВИЕ
9
выбора метода и аппаратуры контроля разработчики герметизированных изделий должны иметь четкое представление о существующих методах и аппаратуре контроля герметичности.
Рациональные методы контроля и применяемая аппаратура могут быть определены исходя из требований к степени герметичности того или иного объекта, необходимой производительности, надежности контроля, экономической рентабельности, безопасности, условий контроля и т.п.
На этапе разработки технологии изготовления герметизируемых изделий следует правильно определить те этапы технологического процесса производства, на которых возможно и целесообразно контролировать герметичность отдельных деталей, сборочных узлов и изделий в сборе, а также разработать необходимую оснастку.
Непосредственно перед испытаниями на герметичность операторы и руководители испытательных участков должны строго следовать требованиям технологических инструкций, четко знать последовательность, режимы и параметры техно
логии контроля герметичности, понимать, чем вызваны требования к той или иной операции подготовки изделий к контролю герметичности и непосредственно контроля герметичности.
В отечественной литературе достижения промышленности в области техники течеискания не полностью обобщены и систематизированы и не получили достаточного освещения.
Предлагаемая книга как составная часть комплекса справочников, выпускаемых в системе Российского общества неразрушающего контроля, поможет специалистам, работающим в области контроля герметичности, в решении практических задач повышения качества герметизируемых объектов как при проектировании и изготовлении, так и при эксплуатации за счет эффективного применения современных методов, способов и аппаратуры контроля герметичности.
Авторы не претендуют на исчерпывающее освещение поставленной темы и с благодарностью примут замечания и предложения в отношении содержания и порядка расположения материала книги.
Глава 1
ВВЕДЕНИЕ В ТЕХНОЛОГИЮ КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ
1.1. ОСНОВНЫЕ понятия, ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
Течеискание относится к виду неразрушающего контроля качества изделий проникающими веществами (ГОСТ 18353-79). Техника течеискания - это область техники, выявляющая нарушения герметичности, связанные с наличием течей (ГОСТ 26790-85). Рассмотрим и прокомментируем некоторые принципиальные термины, приведенные в этом государственном стандарте.
Герметичность - свойство изделия или его элементов, исключающее проникновение через них газообразных и (или) жидких веществ. Абсолютная герметичность изделий недостижима и неконтролируема. Применяемые в технике материалы имеют те или иные дефекты. Поэтому герметичными принято считать изделия и конструкции, элементы которых содержат дефекты, не влияющие на сохранение технических характеристик герметизированного изделия в течение всего срока службы.
Следовательно, норма герметичности - установленный нормативно-технической документацией наибольший суммарный расход вещества через течи герметизированного изделия, обеспечивающий его работоспособное состояние и учитывающий назначение, конструкцию, срок службы, условия эксплуатации герметизированного объекта. По норме герметичности устанавливают методы и средства контроля с учетом чувствительности, надежности, производительности.
Степень герметичности изделия -характеристика герметизированного изделия, определяемая суммарным расходом вещества через его течи. Следовательно, чтобы повысить степень герметичности изделия, необходим более строгий выбор материалов при его разработке (с малой
проницаемостью, высокой прочностью, хорошей свариваемостью и т.п.), а технология изготовления должна быть на высоком, соответствующем поставленной задаче уровне.
Сквозные микродефекты в технике течеискания называют течами. Течь - канал или пористый участок изделия либо его элементов, нарушающий их герметичность.
Определение геометрических размеров течей - весьма трудная и, как правило, неразрешимая задача, поскольку течь -это канал совершенно неопределенной формы. Поэтому в технике течеискания о наличии течей судят по количеству газа или жидкости, протекающему через них в единицу времени.
Количество газа q определяется как произведение давления газа р на занимаемый им объем V:
<7 =РХ
Изменение количества газа при постоянстве занимаемого им объема определяется как
dq = V dp.
Если это изменение происходит во времени Z, то
dt
где Q - поток газа.
При постоянном изменении давления Ар во времени Аг поток газа
Д/
Поток газа в Международной системе единиц измерения СИ задается в м3 • Па/с или в ваттах (Вт). Однозначность этих единиц вытекает из следующих преобразований: поскольку Па = Н/м2, то м3 • Па/с = = Дж/с = Вт.
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ, ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
И
Физический смысл того, что поток измеряется в единицах мощности, состоит в том, что произведение давления на объем - энергия, запасенная в газе, а изменение энергии во времени - мощность.
В отечественной и зарубежной литературе и практике используются различные внесистемные единицы измерения газовых потоков. В табл. 1.1 даются пере-счетные коэффициенты из одних единиц в другие.
В зависимости от направленности потока газа в технике течеискания различают понятия «натекание» и «утечка».
Натекание - проникновение вещества через течи внутрь герметизированного изделия под действием перепада полного или парциального давления.
Утечка - проникновение вещества из герметизированного изделия через течи под действием перепада полного или парциального давления.
Натекание и утечка оцениваются потоком газа и имеют его размерность.
В технике течеискания в зависимости от назначения объекта, его конструкции, этапа технологического процесса и условий его проведения различают контроль герметичности и испытание на герметичность.
Контроль герметичности - технический контроль с целью установления соответствия изделия норме герметичности.
Испытания на герметичность - испытания на предмет оценки характеристик герметичности изделия как результата воздействия на него при его функционировании или моделировании воздействий на него.
В процессе испытаний изделий на герметичность используют пробные, индикаторные и балластные вещества.
Пробное вещество - вещество, проникновение которого через течь обнаруживается при течеискании.
Индикаторное вещество - вещество, в результате взаимодействия которого с пробным веществом формируется сигнал о наличии течи.
Балластное вещество - вещество, используемое для повышения полного давления с целью увеличения расхода пробного вещества через течь.
В качестве пробных веществ используются, как правило, газы с малой молекулярной массой, с низким их содержанием в атмосферном воздухе, с низкой сорб
1.1. Коэффициенты для пересчета потоков газа, выраженных в различных единицах
Единицы измерения см3 - атм с см3 • атм ч л • мм рт.ст. с л * мкм рт.ст. с м3 - Па с
см3 • атм с 1 3600 7,6- 10"' 760 10’*
см3 • атм ч 2,78 • 10-4 1 2,11 • 10"4 2,11 • 10"' 2,8 • 10’5
л - мм рт.ст. с 1,32 4,74 • 103 1 103 1,33- 10"'
л мкм рт.ст. с 1,32 • 1 (Г3 4,74 ю-3 1 1,33 • 10-4
м3 • Па с 10 3,6 • 104 7,5 7,5 • 103 1
12
Глава 1. ВВЕДЕНИЕ В ТЕХНОЛОГИЮ КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ
ционной способностью, нетоксичные, пожаробезопасные. В табл. 1.2 приведены сведения о некоторых используемых пробных веществах.
В ряде случаев роль пробного вещества выполняет рабочее вещество, заполняющее герметизированный объект при эксплуатации или хранении, например фреон в холодильных агрегатах. Рабочее вещество в сочетании с пробным иногда может усилить эффект индикации. В других случаях технические условия на изделия не допускают контакта рабочего вещества с пробным, и тогда процесс испытаний таких изделий усложняется.
Контрольная среда - среда, содержащая установленное количество пробного вещества. Она, как правило, представляет собой смесь пробного вещества с балластным или рабочим.
Рабочее вещество - вещество, заполняющее герметизированное изделие при эксплуатации или хранении.
При контроле герметичности изделий и объектов применяются различные аппаратура и оборудование. Основным прибором для аппаратурных методов течеискания является течеискатель - прибор или устройство для обнаружения течей. В настоящее время применяются различные течеискатели, отличающиеся областью распространения, принципом действия, габаритными размерами, чувствительностью.
Чувствительность течеискателя -отношение изменения сигнала течеискателя к вызывающему его изменению расхода пробного вещества через течи.
Порог чувствительности течеискателя - наименьший расход пробного вещества или наименьшее изменение давления, регистрируемое течеискателем.
1.2. Газы, используемые как пробные вещества
Газ Обозначение Масса молекулы, 1 • 10~24 г Молекулярная масса, г/моль Диаметр молекулы, 1 • 10-6 мм Коэффициент динамической вязкости, 1 • Ю’Пас
Точное значение Округленное значение
Гелий Не 6,65 4,003 4 0,218 198,6
Аргон Аг 66,3 39,94 40 0,367 221,6
Водород н2 32,5 2,056 2 0,275 89,2
Фреон-12 CF2C12 200,8 120,920 121 0,174 122,0
Фреон-22 chf2ci 143,6 86,470 86 0,106 126,8
Углекислый газ со2 73,1 44,01 44 0,465 149,6
Элегаз SF6 242,5 146,05 146 0,166 —
Кислород О2 53,1 32,00 32 0,364 205,9
Закись азота n2o 73,1 44,02 44 0,118 0,160
ПРИЧИНЫ НАРУШЕНИЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ
13
Соответствующие определения имеют место для чувствительности и порога чувствительности течеискания как процесса обнаружения течей в целом.
Для определения чувствительности течеискателя и оценки регистрируемых течей или суммарной негерметичности изделий применяются калиброванные течи.
Калиброванная течь - устройство, воспроизводящее определенный расход вещества через течь.
1.2. ПРИЧИНЫ НАРУШЕНИЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ
Нарушения герметичности изделий и объектов связаны с наличием сквозных дефектов в отдельных узлах или местах их сочленения. Дефекты могут образовываться как в процессе производства конструкционных материалов, так и при изготовлении отдельных деталей и изделия в целом (сборке), а также при его эксплуатации.
Дефекты изделий и объектов, являющиеся причиной утечки или натекания газовых или жидких сред (течи), могут быть разделены на четыре группы [7, 8]:
1) дефекты, возникшие в процессе первичного производства сырья, материалов, металлов и т.д.;
2) дефекты, внесенные при обработке материалов и изделий;
3) дефекты разъемных соединений;
4) эксплуатационные дефекты.
К дефектам первой группы относятся дефекты, возникающие на металлургической стадии заготовительного производства. Включение шлака, газовые пузыри, усадочные раковины, поры, расслоения, трещины, которые образуются в процессе обработки заготовок, и другие не-сплошности могут быть сквозными дефектами. Характерным дефектом такого рода являются продольные микроканалы в прокате, образованные раскаткой газовых пузырей заготовок. Детали, полученные из таких материалов различными методами
механической обработки (точение, фрезерование и т.д.), как правило, негерметичны.
Металлургические дефекты заготовок являются причиной негерметичности изделий «по сплошному материалу». При современном состоянии технологии металлургических процессов и неразрушающего контроля заготовок такая негерметичность - явление довольно редкое.
Наиболее распространенная причина негерметичности изделий - сквозные дефекты в соединениях при обработке материалов (вторая группа), в основном сборке деталей и сборочных единиц с помощью сварки и пайки.
Дефекты сварного шва имеют металлургическую природу: пористость, оксидные плены, газовые включения, рекристаллизацию основного металла в зоне термического воздействия, трещины, вызванные термическими напряжениями. Вероятная зона их появления ограничена собственно сварным швом с прилегающими участками сплошного материала, подвергающимися нагреву до 750 ... 800 К для алюминиевых сплавов и до 1000 ... 2000 К для сталей.
При этом возникающие течи могут быть самых различных величин и форм. На рис. 1.1 показан сварной шов, выполненный с помощью сварки под флюсом. При сильном увеличении видны поры этого шва, которые возникли в результате сварки деталей между собой. На рис. 1.2 виден сварной шов с кристаллизационной трещиной, а на рис. 1.3 - непровар кромок и холодная трещина в окольцованной зоне стыкового соединения, выполненного электрошлаковой сваркой деталей.
Особое место в ряду дефектов сварного шва занимают дефекты в многослойных силовых 1 и герметизирующих 4 швах (рис. 1.4), в которых возможно образование внутренних течей 5 и сквозных 3 с промежуточным объемом 2. Внутренние течи являются источником длительного
14
Глава 1. ВВЕДЕНИЕ В ТЕХНОЛОГИЮ КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ
Рис. 1.1. Сварной шов, выполненный с помощью сварки под флюсом
Рис. 1.2. Сварной шов с кристаллизационной трещиной
Рис. 1.3. Сварной шов с холодной трещиной в зоне стыкового соединения
поступления воздуха в вакуумную систему, что препятствует получению необходимого вакуума. Обнаружение таких течей - достаточно сложная и трудоемкая процедура, требующая применения специальной оснастки.
Рис. 1.4. Течи в многослойном сварном шве
Причинами возникновения дефектов сварки являются неправильный состав сварочных материалов (электродов, флюсов), неверная подготовка к сварке (выбор расстояния между заготовками), нарушение режимов сварки и т.п.
Основная причина возникновения дефекта пайки - непропай, который вызывается недостаточно тщательной очисткой припаиваемых поверхностей.
Относящиеся также ко второй группе дефекты деформационного воздействия на материал чаще всего возникают в процессе штамповки различных деталей. Образующиеся при этом течи вызываются рядом причин:
- по вине рабочего;
- несоответствием исходного материала техническим требованием по физико-механическим свойствам;
- некачественными изготовлением и ремонтом штампов;
- отступлением от технологии.
Основными дефектами штамповки являются разностенность, трещины, обрывы, складки, царапины, поры и др. Трещины и разрывы появляются из-за чрезмерной твердости металла крупнозернистой структуры и по другим причинам, а в ряде случаев - вследствие завышенной или недостаточной силы прижима заготовки. Причинами появления трещин на штампо
ПРИЧИНЫ НАРУШЕНИЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ
15
ванных деталях могут быть также плохое качество поверхности матрицы, недостаточный зазор между пуансоном и матрицей, эксцентричное расположение пуансона относительно матрицы и т.д. Царапины и задиры (иногда со сквозными трещинами и порами) на поверхности штампованных изделий возникают из-за дефектов на рабочих поверхностях инструмента, неправильной отладки инструмента и т.д. Сквозные дефекты в процессе штамповки заготовок появляются при утонении металла заготовки, которое является следствием неправильного выполнения технологического процесса изготовления изделия, например несовершенства обжига, несовпадения осей пуансона и матрицы и некоторых других причин. На рис. 1.5 приведены схемы некоторых штампованных изделий и места образования различных дефектов.
Одним из видов герметизированной продукции являются всевозможные вакуумные аппараты и установки, в процессе эксплуатации которых необходим высокий вакуум.
Для современных вакуумных установок основными конструктивными материалами служат металлы, которые должны обладать:
1) вакуумной плотностью (герметичностью);
2) низким газоотделением при повышенных температурах;
3) коррозионной и химической стойкостью;
Рис. 1.5. Схемы штампованных изделий и возможные места образования сквозных дефектов
4) способностью давать надежные вакуумно-плотные соединения при пайке и сварке.
Первым двум из этих требований удовлетворяют металлы, выплавленные в вакууме. Они содержат по сравнению с обычными металлами весьма незначительные количества газов и отличаются повышенной вакуумной плотностью. Вакуумная плотность металлов определяется их микроструктурой и наличием различных дефектов (волосовин, шлаковых включений, трещин и т.п.). Металлы с крупнозернистой структурой в большинстве случаев не обладают вакуумной плотностью, так как пространство между крупными зернами может быть незамкнутым.
Типичным примером металлов с крупнозернистой структурой может служить чугунное и цветное литье. Такие металлы из-за своей пористости в качестве конструкционных материалов, как правило, в технике высокого вакуума не применяются. Однако при сравнительно невысоком вакууме возможно применение литья, но при этом его необходимо подвергать дополнительному уплотнению (горячее лужение оловом, специальный вид покрытия из вакуумно-плотных пластмасс типа полиэтилена, фторопласта и др.).
Переработка крупнозернистого литья при помощи многократной горячей прокатки или ковки приводит к образованию более мелкой и более плотной газонепроницаемой структуры металла. Подавляющее большинство прокатанных металлов обладает вакуумной плотностью даже при небольшой их толщине. К таким металлам можно отнести листовой и сортовой прокат нержавеющей стали, большую часть проката малоуглеродистой конструкционной стали, прокат из меди, латуни, многих сортов бронзы, алюминия и его сплавов, никеля, монель-металла, серебра и др. К ним же относятся цельнокатаные, цельнотянутые и бесшовные трубы.
16
Глава 1. ВВЕДЕНИЕ В ТЕХНОЛОГИЮ КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ
Сквозные дефекты разъемных соединений (третья группа) вызваны, как правило, нарушениями технологии изготовления и сборки деталей, образующих сопрягаемые элементы соединений. Причиной негерметичности могут быть отклонения от заданной геометрической формы деталей, дефекты прокладок, инородные предметы на уплотнительных поверхностях, неправильная затяжка силовых элементов соединения, релаксация напряжений и т.д.
Потеря герметичности разъемных соединений может быть связана с недостатками в конструкции изделия. К ним относятся низкая жесткость силовых элементов соединения и неправильный выбор материалов сопрягаемых элементов (например, без учета термических напряжений при изменении температуры эксплуатации или испытаний).
Эксплуатационные сквозные дефекты (четвертая группа) могут возникать вследствие механических повреждений, атмосферной коррозии или коррозии под действием агрессивных сред, износа уплотняющих материалов и трущихся частей, воздействия внутренних и концентрированных напряжений под действием механических или термических нагрузок (дефекты усталостного типа).
Так, например, исследование реакторов для получения этилового спирта методом прямой гидратации этилена водяным паром показали, что за 6 ... 15 лет экс-
плуатации реакторов их внутренняя поверхность, несмотря на футеровку, покрылась окислами железа и солями фосфорной кислоты. Обнаружены большие очаги коррозии, глубина которых достигала 3 ...
10 мм. На отдельных участках внутренней поверхности реактора обнаружены трещины протяженностью до 100 мм, а также групповое скопление пор. При таком состоянии поверхности естественно появление сквозных дефектов.
Помимо приведенных причин образования дефектов нарушение герметичности изделий и объектов может происходить вследствие проницаемости материалов, из которых изготовляются эти изделия. Проницаемость - это свойство материала пропускать через себя различные газообразные или жидкие вещества за счет их растворения и диффузии в нем.
При этом разные газы по-разному проникают в различные материалы. Например, проницаемость сталей для водорода возрастает с ростом содержания в них углерода. Только серебро пропускает кислород. Коэффициент проницаемости веществ с кристаллической структурой (металлы) существенно ниже, чем веществ с неупорядоченной структурой (стекла, резины и т.п.). Например, проницаемость стекол оказывается тем больше, чем больше в их составе содержание стеклообразующих веществ типа SiO2. По-видимому, в неупорядоченной структуре больше «дыр», через которые могут проникнуть частицы газа, в то время как через малые зазоры кристаллической решетки они пройти не в состоянии. Это предположение подтверждается изменением проницаемости в зависимости от размера молекул газа.
В табл. 1.3 приведены значения диаметров молекул некоторых газов. Действительно, стекла обладают наибольшей проницаемостью для гелия. Однако диа
1.3. Значения диаметров молекул некоторых газов
Газ Гелий Неон Водород Кислород Аргон Азот
Диаметр молекул (1 • 1(Г8см) 2,18 2,56 2,75 3,64 3,67 3,74
НАЗНАЧЕНИЕ И ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ
17
метр - не единственный определяющий фактор. Атом неона меньше, чем молекула водорода, но проницаемость стекла по неону примерно в 5 раз меньше. Это, по-видимому, объясняется тем, что наряду с процессом диффузии внутри твердого тела проницаемость определяется растворимостью и такими поверхностными эффектами, как адсорбция, диссоциация, рекомбинация и десорбция.
Через течи газ обычно проникает гораздо быстрее, чем через основной материал. Поэтому в производственном контроле изделий невозможно одновременно обнаружить оба вида нарушения герметичности. Задачей техники течеискания является только обнаружение течей, поскольку проницаемость как свойство материала должна исключаться правильным его выбором при конструировании изделия. Применению новых материалов, проницаемость которых неизвестна, должны предшествовать специальные исследования для ее определения.
1.3. НАЗНАЧЕНИЕ И ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ
Назначение контроля герметичности определяется необходимостью обеспечения надежного функционирования герметизированных объектов по параметру «герметичность» в течение заданных сроков эксплуатации.
Значение проблемы обеспечения высокого качества герметизации и достоверности контроля герметичности трудно переоценить. В век ракетной и космической техники, атомной энергетики и микроэлектроники наука и техника решают задачи высококачественной герметизации объектов, существенно различающихся по конструкции, габаритным размерам, массовости выпуска и другим параметрам. Надежной герметизации подлежат системы самолетов, ракет, подводных и надводных судов, ускорители, имитаторы космического пространства, термоядерные
установки; вместе с тем герметизируются малогабаритные изделия массового производства, выпускаемые химической, электронной, пищевой, автомобильной и многими другими отраслями промышленности.
Предприятия > 25 отраслей промышленности выпускают продукцию, к герметичности которой предъявляются определенные требования. При этом трудоемкость производственного контроля герметичности во многих отраслях промышленности весьма значительна и составляет 15 ... 25 % от общей трудоемкости изготовления изделий. Особенно это относится к производствам, где необходим 100 %-ный контроль герметичности. Поэтому очевидна актуальность задачи создания перспективных методов и аппаратуры контроля герметичности как одного из видов неразрушающего контроля.
Большое разнообразие разрабатываемых и выпускаемых герметизируемых изделий и объектов требует развития различных методов и аппаратуры контроля герметичности, отличающихся по чувствительности, быстродействию, возможности автоматизации и т.п. Так, например, требования к герметичности ускорителей, имитаторов космического пространства, установок сверхвысокого вакуума весьма высокие. Требования к герметичности отдельных видов электровакуумных приборов в связи с их небольшими объемами и длительными сроками эксплуатации и хранения настолько высоки, что обычное применение самой чувствительной аппаратуры не обеспечивает удовлетворения заданных требований. Поэтому необходимы разработки специальных методов контроля. В то же время в массовом производстве герметизированных изделий, требования к герметичности которых не столь высоки, должна быть решена другая проблема - обеспечения высокой производительности автоматизированного контроля. Вместе с тем для всех видов герметизированных изделий и объектов не ис
18
Глава 1. ВВЕДЕНИЕ В ТЕХНОЛОГИЮ КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ
ключается необходимость разработок и совершенствования методов и приборов для точного установления местонахождения течей, поскольку это требуется для отлаживания технологии герметизации и анализа брака.
1.4. КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ И СПОСОБОВ КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ
Контроль герметичности (тече-искание) в соответствии с ГОСТ 18353-79 «Контроль неразрушающий. Классификация видов и методов» относится к виду неразрушающего контроля, основанному на обнаружении пробного вещества, проникающего через течь.
Методы течеискания предназначены для оценки степени негерметичности объекта контроля и его основных частей, а
также для локализации течей как в основном материале, так и в соединениях различного типа (сварных, паяных, разъемных и т.п.).
Их применяют при изготовлении, эксплуатации и ремонте герметизированных объектов.
ГОСТ 24054-80 «Изделия машиностроения и приборостроения. Методы испытания на герметичность. Общие требования» устанавливает классификацию методов течеискания по первичному информативному параметру, способу получения первичной информации и способу реализации методов. По первичному информативному параметру методы течеискания подразделяют на газовые и жидкостные, т.е. первичным признаком классификации является агрегатное состояние контрольного (пробного) вещества, проникающего через течь (газ или жидкость) (рис. 1.6).
Методы течеискания
——_±__
газовые жидкостные
1 Г
масс-спектро-метрический галогенный электронозахватный 1 1 1 1 1 1 химический
1 1 1 1 1 I
плазменный пузырьковый манометрический 1 1 11 11 11 яркостный (ахроматический)
11 11 1 1
вакуум-метрический химический инфракрасный 11 11 11 цветной (хроматический)
11 11 1 1
катарометрический фото-ионизационный искровой 11 11 11 люминесцентный
акустический радиоактивный полупроводниковых сенсоров 11 11 1 1 1 . J —
Рис. 1.6. Классификация методов течеискания по первичному информативному параметру
КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ И СПОСОБОВ КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ
19
Вторичный признак классификации -способ получения первичной информации при обнаружении пробного вещества, проникающего через течь, т.е. принципиальная основа метода течеискания.
Ниже даны наименования методов по способу получения первичной информации и принципиальные основы методов:
- масс-спектрометрический метод -регистрация проникшего через течи пробного газа путем разделения ионов различных газов по отношению их массы к заряду в электрическом и магнитном полях;
- галогенный метод - регистрация проникшего через течи пробного газа по увеличению эмиссии положительных ионов с накаленной металлической (платиновой) поверхности при попадании на нее галогеносодержащих веществ;
- электронозахватный метод - регистрация проникшего через течи электроотрицательного пробного газа по изменению электропроводимости разрядного промежутка детектора;
- плазменный метод - регистрация проникшего через течи электроотрицательного пробного газа по изменению частоты срывов колебаний высокочастотного генератора;
- пузырьковый метод - регистрация пузырьков пробного газа, проникшего через течи, в жидкости или индикаторном покрытии;
- манометрический метод - регистрация изменения давления, обусловленного утечкой пробного газа через течи;
- вакуумметрический метод - регистрация изменения давления, обусловленного натеканием пробного газа или пробной жидкости через течи;
- химический метод - регистрация проникшего через течи пробного газа или жидкости по эффекту цветных химических реакций с индикаторным покрытием;
- инфракрасный метод - регистрация проникшего через течи пробного газа путем избирательного поглощения инфракрасного излучения пробным газом;
- катарометрический метод - регистрация проникшего через течи пробного
газа за счет отличия его теплопроводности от теплопроводности воздуха;
- радиоактивный метод - регистрация проникшего через течи радиоактивного пробного газа или жидкости по интенсивности его излучения;
- искровой метод - регистрация мест течи по изменению цвета свечения без-электродного высокочастотного разряда;
- акустический метод - регистрация акустических волн, возбуждаемых при истечении газов через течи;
- фотоионизационный метод - регистрация паров органических пробных сред, проникших через течи, путем ионизации молекул пробной среды под воздействием ультрафиолетового излучения;
- метод полупроводниковых твердотельных сенсоров - регистрация проникшего через течи пробного вещества по изменению одной из характеристик (проводимости, порогового напряжения и т.п.) полупроводника, легированного различными соединениями;
- люминесцентный метод - регистрация контраста люминесцирующего следа, образуемого пробным веществом (жидкостью) в месте течи на фоне поверхности контролируемого объекта при ультрафиолетовом облучении поверхности;
- яркостный (ахроматический) метод - регистрация контраста ахроматического следа, образуемого в местах течей контрольной средой (пробной жидкостью) на фоне поверхности контролируемого объекта в видимом свете;
- цветной (хроматический) метод -регистрация проникающей через течи контрольной среды (пробной жидкости) по изменению цвета индикаторного покрытия за счет его растворения.
Наименования способов реализации наиболее широко применяемых в производстве методов течеискания, их пороговая чувствительность, а также используемые пробные вещества приведены в табл. 1.4. Методы и способы течеискания будут рассмотрены ниже. Здесь лишь отметим, что все известные методы течеискания можно разбить на три большие группы.
20
Глава 1. ВВЕДЕНИЕ В ТЕХНОЛОГИЮ КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ
1.4. Классификация методов течеискания
Метод Способ реализации метода Порог чувствительности, м3 • Па/с
по первичному информативному параметру по способу получения первичной информации
Газовый Масс-спектро-метрический Вакуумных камер (вакуумирования) Гелиевых камер 6,7 • 1013 по гелию
Накопления при атмосферном давлении 8,0 • 109 по гелию
Накопления в вакууме 1,3 • 10~14 по гелию
Вакуумных присосок, местных вакуумных камер 1,3 • 1О~10 по гелию
Обдува 6,7 • 10"11 по гелию
Щупа 1,3-10"9 по гелию
Галогенный 1,3 • 10~7 по фреону-12
Обдува Вакуумных камер (вакуумирования) 1,3 • 10~8 по фреону-12
Электронозахватный Щупа Накопления при атмосферном давлении 6,7 • 10 1 по элегазу
Плазменный Щупа Накопления при атмосферном давлении
Манометрический Бескамерный 1,3 • 10"3 по воздуху
Вакуумметри-ческий Камерный (повышения давления в барокамере) 1,3 • 10 по воздуху
Катарометрический Щупа 2 • 106 по гелию
Акустический 7 • 10"3 по воздуху
Пузырьковый Опрессовки с погружением в жидкость (аквариума) 1,3 • 10 6 по воздуху
Опрессовки с пенным индикатором (дисперсной массой) 1,3-10 7 по воздуху
Вакуумно-пузырьковый 5 • 107 по воздуху
Бароаквариума 6,7 • 10”9 по воздуху во фреоне-113
Химический Опрессовки с индикаторным покрытием (лентой) 1,3-10-8 по аммиаку
КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ И СПОСОБОВ КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ
21
Продолжение табл. 1.4
Метод Способ реализации метода Порог чувствительности, м3 • Па/с
по первичному информативному параметру по способу получения первичной информации
Жидкостный Яркостный (ах-роматический) Опрессовки (гидравлический) 1,3 • 10"5 по воде
Капиллярный (керосиновой пробы) 1,3 • 10-6 по керосину
Химический Хемосорбционный 1,3 • 10"7 по аммиаку
Проникающих жидкостей 1,3 • 10"7 по воде с добавками пробных веществ
Цветной (хроматический) Сольватный 1,3 • 10~7 по керосину
Люминесцент-ный Опрессовки (люминесцентно-гидравлический) 1,3 • 10-6 по воде с добавками пробных ве-ществ
Капиллярный
1. Компрессионные безаппаратурные методы, которые предусматривают заполнение под избыточным давлением испытуемых объектов газом или жидкостью, истечение которых регистрируется при испытаниях. При этом, как правило, проводится качественная оценка негерметичности (падение давления, пузырьки газа в жидкости, количество течей) и только для отдельных методов применяются косвенные, приблизительные методы количественной оценки герметичности.
Методы этой группы имеют низкую чувствительность: порядка 10"2 ... 10"5 м3 • Па/с, но при этом, как правило, не требуют сложного технологического оснащения и оборудования, отличаются простотой выполнения при незначительной затрате труда.
2. Газоаналитические методы, которые предусматривают заполнение объектов пробным веществом (гелий, фреон, криптон и т.п.) и отбор проб в местах контроля; вакуумирование испытуемого объекта с обдувом контролируемой поверхности пробным веществом; помещение испытуемого объекта в испытательную камеру с созданием внутри его избыточного
давления или вакуума с последующим отбором проб соответственно из камеры или объекта.
Эта группа методов, как правило, позволяет проводить количественную оценку герметичности посредством специальных устройсв - газоанализаторов (течеискателей). Методы газоаналитической группы обладают высокой чувствительностью: порядка 10"8 ... 10“13 м3 • Па/с, но при этом требуют применения сложного технологического оснащения и значительных затрат труда.
3. Физико-химические методы, в основе которых лежит сочетание компрессионных методов с использованием химически активных пробных сред. При этом объекты заполняются химически активными пробными средами либо рабочими (технологическими средами) и осуществляется оценка герметичности посредством специальных индикаторных средств (пенный индикатор, дисперсная масса, индикаторные ленты и т.д.). Чувствительность этой группы методов порядка 10-6 ... 10"7 м3 • Па/с. Данные методы наряду с довольно высокой чувствительностью обладают возможностью в ряде случаев
22
Глава 1. ВВЕДЕНИЕ В ТЕХНОЛОГИЮ КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ
количественной оценки и не требуют сложного технологического оснащения и больших затрат труда.
1.5. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ИСПЫТАНИЙ НА ГЕРМЕТИЧНОСТЬ
Контроль герметичности и испытания на герметичность являются заключительной стадией процесса изготовления изделия.
Испытания на герметичность сложных герметизированных объектов целесообразно проводить в три этапа:
1) определение степени герметичности объекта с целью его соответствия техническим требованиям;
2) выявление негерметичных элементов объекта для локализации течей;
3) поиск мест течей и их устранение.
Если на первом этапе натекание или утечка не зафиксированы, то можно утверждать, что испытуемый объект герметичен в пределах пороговой чувствительности проведенных испытаний. При установлении факта негерметичности объекта приступают ко второму этапу испытаний, который позволяет существенно сократить наиболее трудоемкую часть испытаний -поиск течей. Выявление негерметичного элемента является более сложной задачей, и ее должны выполнять высококвалифицированные специалисты, а поиск течей в конкретном элементе может вести оператор более низкой квалификации.
В массовом производстве герметизированных изделий, например полупроводниковых приборов, реле, радиодеталей и т.п., поэтапная проверка герметичности, как правило, не проводится. Проверка готовых изделий на финишном этапе изготовления изделий является, по существу, контролем их герметичности.
Технологический процесс испытаний в общем виде представляет собой сложную техническую систему: объект испытаний - контрольная среда (пробное вещество) - индикаторное средство - испытательное оборудование, которая включает
ряд отдельных процессов: подготовку объекта к испытаниям, заполнение его контрольной средой (пробным веществом) или вакуумирование, транспортировку пробного вещества от дефекта до индикатора, регистрацию параметров испытания.
Следует отметить, что испытания на герметичность крупногабаритных объектов - ответственная и опасная операция, от правильной организации которой и соблюдения мер предосторожности зависит не только качество изделия, но и безопасность персонала, проводящего испытания. Наиболее полно содержание технологического процесса испытаний на герметичность описывает типовая структурная схема, представленная на рис. 1.7. В зависимости от габаритных размеров объекта испытаний и других специфических особенностей те или иные процессы могут заменяться другими или не проводиться вообще в соответствии с принятой технологией их изготовления.
Объект испытания. Объект, подлежащий испытанию на герметичность, должен быть изготовлен в соответствии с требованиями технической документации, пройти испытания на прочность, быть принят службами контроля и иметь соответствующую сопроводительную документацию.
Необходимым условием для выявления микродефекта при испытаниях является его полная очистка от механических и органических загрязнений, которыми микродефект может закупориться в процессе предшествующих операций: штамповки, механической обработки, гидроиспытаний на прочность [5, 13]. По этой причине испытания на герметичность рекомендуется проводить до нанесения лакокрасочных и декоративных покрытий, кроме случаев, специально оговоренных в технической документации. Поверхность и соединения элементов и узлов объекта, подлежащие испытаниям на герметичность, должны предварительно пройти подготовку: очистку, обезжиривание, сушку, при которых удаляются различные
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ИСПЫТАНИЙ 23
Рис. 1.7. Типовая структурная схема технологического процесса испытаний на герметичность
виды загрязнений, следы моющей жидкости и влаги с внутренних и наружных поверхностей и из возможных микронеплотностей.
Методы и режимы очистки, обезжиривания, сушки внутренних и наружных поверхностей объекта устанавливаются исходя из конструктивных особенностей объекта и осуществляются в соответствии с нормативно-технической документацией (НТД) на подготовку и сушку объектов.
Следует иметь в виду, что микродефекты могут закупориваться атмосферной влагой, причем это перекрытие ненадежно: течи, не обнаруженные во время испытаний на герметичность, могут вскрыться в непредсказуемый момент времени. Поэтому срок хранения объекта или изделия после сушки или сборки до испытаний ограничивается. Этот срок оговаривается в НТД.
Контрольная среда. В процессе испытаний используются пробное вещество, контрольная среда, рабочее вещество, ко
торые по физическому состоянию могут быть газами или жидкостями.
В качестве пробных веществ применяют гелий, аргон, азот, фреон, элегаз, аммиак, водород и др.; как контрольную среду - смесь указанных газов с балластным веществом (воздухом, азотом), водные растворы бихромата калия или натрия с технологическими добавками и др. Нередко в качестве пробного вещества используется воздух, например при пузырьковом и акустическом методах.
Этиловый спирт, фреоны, изоктан, ацетон, вода, топливо и масла могут служить рабочими веществами, индикация которых возможна при испытаниях.
Концентрация пробного вещества в контрольной среде определяется из условий:
- обеспечения допустимой нормы герметичности объекта;
- отсутствия воздействия пробного вещества на конструкцию в целом или на отдельные ее элементы (например, влия
24 Глава 1. ВВЕДЕНИЕ В ТЕХНОЛОГИЮ КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ
ние гелия на радиоэлектронную аппаратуру, аммиака на медные включения);
- снижения материальных затрат на пробные вещества, стоимость которых значительно выше стоимости балластного вещества.
Пробное вещество выбирается в зависимости от метода испытания и величины испытательного давления, конструкции изделия, его назначения и нормы герметичности. Так, например, при контроле герметичности электровакуумных изделий требования высокой и сверхвысокой чувствительности выполняются применением масс-спектрометрического метода с использованием гелия в качестве пробного вещества.
При способах испытаний, предусматривающих регистрацию утечек, пробное вещество или контрольная среда вводится во внутреннюю полость объекта.
Заполнение объекта контрольной средой может осуществляться:
- раздельной подачей пробного и балластного веществ;
- подачей предварительно приготовленной смеси пробного и балластного веществ.
Заполнение объекта контрольной средой с раздельной подачей веществ рекомендуется проводить, когда:
- из-за конструктивных соображений недопустимо вакуумировать внутреннюю полость объекта;
- объект не имеет сложной внутренней поверхности и разветвленной системы трубопроводов, в связи с чем не требуется длительной выдержки для образования равномерной концентрации пробного вещества по всему объему;
- во внутренней полости объекта предусмотрена возможность установки вентилятора для ускорения образования равномерной концентрации пробного вещества в объеме объекта.
При этом давление пробного вещества определяется из выражения
Р =(^кс+98 кПа)с (1 Д)
"в 100
где рп в - давление пробного вещества в объекте, кПа; ркс - избыточное давление контрольной среды в объекте, кПа; С -концентрация пробного вещества в контрольной среде, %.
Время выдержки объекта до образования равномерной концентрации пробного вещества по объему объекта определяется технологически путем измерения концентрации пробного вещества на входе в объект и в наиболее удаленной точке от входа в него. Процесс образования равномерной смеси считают законченным, если величины концентраций пробного вещества во всех точках измерения отличаются друг от друга и от заданной в технической документации не более чем на 10 %.
При способах, предусматривающих регистрацию натекания, испытания, как правило, проводятся при вакуумировании объекта. Пробное вещество или контрольная среда подаются путем обдува объекта или посредством чехлов и камер.
Система подачи контрольной среды в объект испытаний. Для подачи контрольной среды в объект испытаний могут использоваться различные устройства, способные обеспечить в объекте необходимое давление. К ним относятся компрессоры, баллоны и емкости высокого давления, мультипликаторы, смесительные установки, гидро- и вакуумные насосы.
Установка для подачи сжатого воздуха, например, состоит из электрокомпрессора, баллонов для хранения сжатого воздуха, стенда для осушки воздуха, водо-маслоотделителей, фильтров, глушителей, арматуры трубопроводов, приборов и пультов управления. Воздух от компрессора через невозвратно-запорный клапан, водомаслоотделитель и запорные клапаны подается в баллоны. Для предохранения трубопровода и баллонов от перегрузки установлены предохранительные клапаны и электроконтактные манометры, отключающие двигатель компрессора при превышении допустимого давления воздуха в трубопроводе. Воздух от баллонов по команде с пульта управления через запорные
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ИСПЫТАНИЙ 25
клапаны и редукторы давления подается к изделию. Давление контролируется манометрами, имеющими разные пределы измерения давления.
Давление из изделия и трубопровода после испытания сбрасывается через клапаны в глушитель. Арматура управления испытанием и приборы расположены на пульте управления.
Для подачи пробного газа в изделие используются, как правило, стандартные баллоны для транспортирования и хранения сжатых, сжиженных и растворенных газов, объединенные в баллонные батареи с централизованной раздачей газа.
Система подготовки контрольной среды. Заполнение объектов предварительно подготовленной контрольной средой с применением смесительных устройств рекомендуется проводить в случае, когда возможно предварительное вакуумирование внутренней полости объекта или при испытаниях объекта в вакуумной камере при значительных испытательных давлениях (р = 10 МПа и более), когда содержащимся в объекте атмосферным воздухом можно пренебречь.
На рис. 1.8 для примера приведена принципиальная схема газосмесителя маятникового типа.
Смесительная установка состоит из двух емкостей 3, в которых поочередно создается контрольная среда, фильтров 7,
запорно-регулирующей и измерительной аппаратуры (манометров 5, клапанов 6, редуктора 7) и блока управления 2. С помощью последнего осуществляется управление установкой.
В емкость 3 через клапан 6 (7) подается пробное вещество до давления, значение которого можно определить из выражения (1.1), принимая при этом вместо рк с рабочее давление смесителя рсм.
При достижении заданного давления рп в клапан 6 (7) закрывается, срабатывает клапан 6 (2), который при достижении рабочего давления смесителя рсм закрывается и тем самым открывает и закрывает доступ в емкость балластному веществу (воздуху). Следует иметь в виду, что рабочее давление смесителя больше испытательного давления в объекте.
Вентиляторы 4 служат для ускорения образования в емкости равномерной концентрации пробного вещества.
После образования контрольной среды с заданной концентрацией она через клапан 6 (3) подается в объект испытания 8.
Пока заполняется объект контрольной средой из первой емкости, аналогичным путем приготавливается контрольная среда во второй емкости установки. Таким образом, производя раздачу контрольной среды то из одной емкости, то из другой, можно заполнять объекты больших объемов.
Рис. 1.8. Принципиальная схема газосмесителя маятникового типа
26
Глава 1. ВВЕДЕНИЕ В ТЕХНОЛОГИЮ КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ
Специализированные испытательные комплексы, как правило, имеют централизованную систему приготовления и раздачи воздушно-гелиевой смеси давлением до 35 МПа (350 кгс/см2).
Испытательное оборудование, оснастка. В зависимости от объекта испытаний и способа может применяться различное испытательное оборудование, а в ряде случаев объект испытания подсоединяется непосредственно к течеискателю.
Испытательным считается оборудование, обеспечивающее соблюдение технологических условий проведения испытаний. Это, например, вакуумные установки, вакуумные насосы, пневмогидростенды, пневмогидроэлектропульты, сушильные установки и т.п.
На рис. 1.9 для примера представлена принципиальная схема вакуумной установки.
Установка включает вакуумную камеру, систему откачки, течеискатель, контрольную течь, вакуумметры. Вакуумная камера 1 предназначена для размещения в
ней объекта испытания и создания вокруг объекта отвакуумированного пространства. На корпусе камеры установлен герморазъем 5 для подачи пробного (контрольного) вещества в объект испытаний.
Система откачки, состоящая из вакуумного затвора 6, диффузионного 7, механических 9, 15 насосов, вакуумных клапанов 4, 5, 10, 12 - 14, 16 - 18, служит для создания в объеме вакуумной камеры рабочего давления, для контроля которого установлены вакуумметры 2, 3. Контроль за проникновением пробного вещества из объекта испытания через сквозные дефекты в объем камеры осуществляется с помощью течеискателя 19. Контрольная течь 11 предназначена для определения чувствительности испытания и количественной оценки величины негерметичности. Испытуемый объект размещается в камере и может испытываться на герметичность способом вакуумных камер.
Клапаны 4, 18 служат для напуска атмосферного воздуха в камеру и откачную систему по окончании испытаний.
Атмосфера
Рис. 1.9. Принципиальная схема вакуумной установки:
1 - вакуумная камера; 2 - тепловой вакуумметр; 3 - ионизационный вакуумметр;
4, 8,10,12 - 14, 16-18- вакуумные клапаны; 5 - герморазъем; 6 - вакуумный затвор;
7 - диффузионный насос; 9, 15 - механические насосы; 11 - контрольная течь; 19 - течеискатель
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ИСПЫТАНИЙ 27
Рис. 1.10. Принципиальная схема радиационно-вакуумной сушки (общим вакуумированием):
1 - изделие; 2 - вакуумная камера; 3 - термодатчик; 4 - потенциометр; 5 - вакуумметр; 6 - вакуумный затвор; 7 - электронагреватель; 8 - вакуумный насос
На рис. 1.10 представлена принципиальная схема установки для радиационно-вакуумной сушки (общим вакуумированием).
Нагрев объекта в установке осуществляется электронагревателями. Для нагрева применяют также галогенные кварцевые лампы типа КТГ 220/600, обеспечивающие большую равномерность температур по зонам объекта.
Управление оборудованием осуществляется через пневмогидроэлектропульты, содержащие запорно-регулирующую, датчиковую и измерительную аппаратуру.
К оборудованию предъявляются особые требования. Так, оно должно соответствовать чертежам, иметь паспорт, инструкцию по эксплуатации и отвечать требованиям Правил устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением (Госгортехнадзор РФ).
Для обеспечения нормальных условий эксплуатации оборудование (испытательные стенды) должно быть снабжено:
- приборами для измерения давления;
- - предохранительными устройствами;
- запорной арматурой;
- указателями уровня жидкости и др.
Рабочие полости испытательного оборудования - барокамер, стендов, сушиль
ных камер и т.п. - должны содержаться в чистоте и проходить профилактическую обработку согласно графику, утвержденному руководством предприятия.
Применяемая при испытаниях оснастка не должна иметь:
- трещин, надрывов, повреждений, заусенцев;
- срыва граней под ключ;
- поврежденной резьбы;
- грязи, ржавчины, стружки;
- нарушения уплотнительных прокладок;
- нарушения антикоррозионных покрытий;
- какой-либо доработки без отметки в паспорте оснастки.
После каждого испытания в воде (водой) оснастку надо продуть сжатым воздухом давлением до 6 кгс/см2 до полного удаления влаги.
Трубопроводы, подводящие жидкость или газ, должны быть изготовлены из коррозионно-стойких сталей и снабжены фильтрами на выходе. Фильтры должны быть выполнены из антикоррозионного материала и иметь номинальный размер ячеек < 0,04 мм для воздуха и < 0,16 мм для жидкости, если нет других указаний в НТД.
28
Глава 1. ВВЕДЕНИЕ В ТЕХНОЛОГИЮ КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ
Средства течеискания и калибровки. Обнаружение течей осуществляется с помощью индикаторных средств и течеиска-телей.
Применяемые индикаторные средства основаны на следующих принципах:
- цветной химической реакции; примером могут служить индикация аммиака, регистрация раствора хромпика (ионов шестивалентного хрома Сг6+) дифенилкар-базидом;
- растворении красителей (регистрация масел темно-красным жирорастворимым красителем 5С);
- механической деформации пленок, суспензий (регистрация утечек воздуха, азота дисперсной массой, пенным индикатором);
- люминесценции (регистрация, например, утечек воды на основе люминесцентных индикаторов).
Индикаторные средства могут применяться в виде суспензий, порошка, лент (на бумажной и тканевой основах).
При контроле герметичности аппаратурными методами регистрация течей осуществляется в большинстве случаев течеискателями.
Промышленностью создан ряд тече-искателей, отличающихся принципами обнаружения течей. К наиболее распространенным течеискателям относятся:
- масс-спектрометрический, действие которого основано на обнаружении пробного вещества путем разделения ионов газа по отношению их массы к заряду;
- галогенный, основанный на выявлении галогеносодержащего пробного вещества по увеличению эмиссии положительных ионов нагретой металлической поверхностью;
- электронозахватный, действующий на принципе ионизации газов в камере и обнаружения электроотрицательных пробных веществ, склонных к образованию отрицательных ионов;
- плазменный, действие которого основано на обнаружении электроотрицательных пробных веществ по изменению
частоты срыва колебаний высокочастотного генератора;
- катарометрический, основанный на регистрации изменения теплопроводности газовой среды в результате поступления в нее пробного вещества;
- акустический, действие которого основано на регистрации ультразвуковых колебаний.
Для настройки средств течеискания, оценки их чувствительности и результатов испытаний приходится постоянно прибегать к средствам калибровки средств течеискания.
К ним в течеискании относятся контрольные течи и контрольные концентрации пробного вещества.
Контрольные течи предназначены для создания стабильного потока контрольного газа, который используется при настройке и оценке чувствительности те-чеискателей и индикаторных средств, оценке различных схем течеискания, качественной и количественной оценке результатов испытаний на герметичность деталей и сборочных единиц.
Контрольная концентрация пробного вещества предназначена, как и контрольные течи, для градуировки индикаторных средств и течеискателей и оценки результатов испытаний.
Для обеспечения стабильности потока течь необходимо предохранять от загрязнения и попадания влаги.
При применении контрольных течей для оценки чувствительности различного рода индикаторов (дисперсной массы, пенного индикатора, жидкостей и т.д.) необходимо обеспечить условия совместимости материалов конструкции течей и индикаторов, возможность качественного удаления индикаторов с контактируемых поверхностей течи, а также обязательное повторное измерение потока течей после применения индикаторов.
Средства защиты. Характерными опасными факторами, наличие которых возможно при разрушении объекта испытаний или оснастки в процессе испытаний, являются:
ТЕХНОЛОГИЯ ИСПЫТАНИЙ НА ПРОЧНОСТЬ
29
- ударная волна (при пневмоиспытаниях);
- струя жидкости или газа;
- статическое давление (при пневмоиспытаниях);
- осколки объекта и оснастки.
Средства защиты предназначены для защиты испытательного оборудования и обслуживающего персонала от действия опасных факторов. К ним относятся бро-некамеры, броневакуумкамеры, бронебок-сы и т.п. Конструкции и характеристики защитных устройств весьма разнообразны, однако в целом их классифицируют по характеру локализации опасных факторов (в заданном объеме или в заданном направлении) и типу защиты (укрытия) обслуживающего персонала от действия опасных факторов при разрушении объекта испытаний.
Тип защитного устройства выбирают в зависимости от вида испытаний (пневматические, гидравлические или пневмогидравлические) и характеристик (давление испытаний и объем) испытуемого объекта.
1.6. ТЕХНОЛОГИЯ ИСПЫТАНИЙ НА ПРОЧНОСТЬ
Многие герметизируемые газонаполненные объекты перед испытаниями на герметичность подвергаются испытаниям на прочность. Таким испытаниям подлежат различного рода замкнутые системы (емкости, трубопроводы, гидравлические системы и т.п.), работающие «под давлением различных рабочих сред.
Согласно требованиям Правил устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением, гидравлическим испытаниям на прочность (опрессовке) подлежат все сосуды после их изготовления. Сосуд, работающий под давлением, - это герметически закрытая емкость, предназначенная для ведения химических и тепловых процессов, а также для хранения и перевозки сжатых, сжиженных и растворенных газов и жидкостей под давлением. Баллон-сосуд име
ет одну или две горловины с отверстиями для ввертывания вентилей или штуцеров (пробок).
Упомянутые правила определяют требования к устройству, изготовлению, монтажу, ремонту и эксплуатации сосудов, работающих под давлением, и распространяются, в частности, на:
- сосуды, работающие под давлением > 0,7 кгс/см2 (без учета гидростатического давления);
- баллоны, предназначенные для перевозки и хранения сжатых, сжиженных и растворенных газов под давлением > 0,7 кгс/см2.
Правила не распространяются на:
- сосуды и баллоны емкостью < 25 л, у которых произведение емкости в литрах на рабочее давление в атмосферах составляет < 200;
- сосуды специального назначения военного ведомства.
Следуя рассматриваемым правилам, после изготовления объекта необходимо контролировать в нем сварные соединения, что включает:
- внешний осмотр;
- ультразвуковую или радиационную дефектоскопию или оба метода в комплексе с целью выявления внутренних дефектов (трещин, непроваров, пор, шлаковых включений и др.);
- механические испытания;
- металлографические исследования;
- гидравлические испытания;
- другие методы, если они предусмотрены техническими условиями.
Внешнему осмотру и измерениям подлежат все сварные соединения для выявления в них:
- трещин всех видов и направлений;
- наплывов, подрезов, прожогов, не-заваренных кратеров, непроваров, пористости и других дефектов;
- излома осей соединяемых элементов;
- смещения кромок соединяемых элементов;
30
Глава 1. ВВЕДЕНИЕ В ТЕХНОЛОГИЮ КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ
- отступлений от геометрии швов, предусмотренной чертежами (по высоте, катету, ширине шва).
Перед внешним осмотром поверхность сварного шва и прилегающих к нему участков основного металла шириной > 20 мм в обе стороны от шва должна быть зачищена от шлака и других загрязнений. Гидравлические испытания, как правило, являются заключительным этапом испытаний объекта на прочность.
Испытательное давление (пробное) при гидравлических испытаниях сосудов, работающих под давлением, кроме литых, рассчитывают, используя выражение
„ — 1 ос ^20
Рпр — 1>25 Рр,
сгт
где о2о - допустимое по пределу текучести напряжение при / = 20 °C, МПа; сгт - допустимое по пределу текучести напряжение при рабочей температуре, МПа; рр -рабочее давление сосудов, МПа.
Для литых сосудов используют выражение
„ _ 1 ^а20 „
Рпр_ ’ от Рр-
Время выдержки сосудов под пробным давлением выбирают по табл. 1.5.
1.5. Время выдержки сосудов под пробным давлением
Толщина стенки, мм т, мин
До 50 10
>50 ... 100 20
> 100 30
Литые или многослойные сосуды 60
В целях обеспечения требуемой объективности и надежности испытаний, а также для их механизации или автоматизации в производстве применяют специальные гидростенды, отличающиеся производительностью, диапазоном рабочих давлений, габаритными размерами. В качестве примера на рис. 1.11 приведена принципиальная схема гидростенда для испытаний трубопроводов высокого давления на прочность и плотность.
В гидростенде высокое давление обеспечивается гидронасосом 3, приводимым в действие электродвигателем 4. Стенд смонтирован в виде четырех блоков: гидропульта /, бронекабины //, элек-троконтактных щитков /// и контрольных манометров IV. Линия заполнения трубо
Рис. 1.11. Схема гидростенда для испытания трубопроводов на прочность и плотность
ТЕХНОЛОГИЯ ИСПЫТАНИЙ НА ПРОЧНОСТЬ
31
проводов контрольной жидкостью включает в себя клапаны /, фильтры 2, гидронасос 3 и предохранительный клапан 5. Гидропульт имеет* несколько напорных линий, каждая из которых предназначена для определенного диапазона рабочих давлений. В каждую напорную линию, расположенную в бронекабине и идущую от гребенки штуцеров к испытуемому трубопроводу, включен блокировочный элек-троконтактный манометр 6 типа ЭКМ-7; к каждому из штуцеров 8 испытуемого трубопровода подсоединены контрольные манометры 7. Давление срабатывания блокировочного манометра устанавливают по контрольному манометру в соответствии с технической документацией.
При испытаниях объектов предварительно закрывают все открывающиеся крышки люков и горловин, на патрубках устанавливают запорную арматуру. Все отверстия, за исключением отверстий для заполнения водой, выхода воздуха и присоединения гидронасоса, закрывают временными заглушками.
Для гидроиспытаний должны применяться вода и растворы в ней ингибиторов коррозии. Выбор растворов для испытаний зависит от материала, из которого
изготовлен объект, и требований к его герметичности. Для исключения возможной закупорки микродефектов при испытаниях для гидравлических испытаний на прочность объектов, которые впоследствии испытывают на герметичность с высокой чувствительностью метода (способа), обеспечивающего выявление течей < 1 • 10-5 м3 • Па/с, применяют ингибиторные растворы на основе дистиллированной, обессоленной воды и конденсата.
Если чувствительность метода контроля герметичности объекта испытаний хуже 1 • 10~5 м3 • Па/с, растворы готовят на основе технической или питьевой воды, при этом количество применяемых ингибиторов коррозии должно быть увеличено для исключения (снижения) недопустимого коррозионного воздействия растворов на конструкционные материалы объекта.
В табл. 1.6 приведены примеры составов растворов, применяемых при гидравлических испытаниях на прочность.
Испытания на прочность должны проводиться в закрытых помещениях, температура в которых должна быть в пределах 15 ... 35 °C, а перепад температур окружающей среды и воды (раствора) не должен превышать 5 °C.
1.6. Состав растворов, применяемых при гидравлических испытаниях на прочность
Материал Вода № раствора Содержание ингибитора коррозии, г/л
двухромовокислого калия или натрия гидроортофосфата натрия гексацианоферриата калия
Алюми- Дистилли- 1 0,10 ... 0,20 Не используется Не используется
ний, титан, медь и их сплавы, коррози- рованная, обессолен- 2 0,04 ... 0,06 0,04 ... 0,06
ная, конденсат 3 0,04 ... 0,065 0,03 ... 0,05 0,001 ... 0,003
онно-стойкие стали Питьевая 4 Содержание двухромово-кислого калия должно быть в 10 раз больше суммарного содержания хлор-и сульфат-ионов
32
Глава 1. ВВЕДЕНИЕ В ТЕХНОЛОГИЮ КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ
Продолжение табл. 1.6
Материал Вода № раствора Содержание ингибитора коррозии, г/л
двухромовокислого калия или натрия гидроортофосфата натрия гексацианоферриата калия
Магниевые сплавы Дистиллированная, обессоленная, конденсат 5 3,5 Не используются
Высокопрочные, среднеле-тированные и углеродистые стали 6
Питьевая 7 7 ... 10
1.7. ТЕХНОЛОГИЯ ПОДГОТОВКИ К КОНТРОЛЮ НА ГЕРМЕТИЧНОСТЬ
Надежность и длительность эксплуатации различных объектов в значительной мере определяются эффективностью выявления микродефектов в процессе испытаний на герметичность.
При изготовлении детали и узлы находятся в контакте с различными технологическими жидкостями, например смазками при штамповке, охлаждающими жидкостями при механообработке, технологическими жидкостями при травлении, проливках, опрессовке на прочность и др. Под действием капиллярных сил и избыточного давления сквозные микронеплотности объектов могут перекрываться этими жидкостями, и при проведении испытаний на герметичность их можно не обнаружить. Поэтому правильный выбор метода, средства и режима подготовки объекта перед испытаниями обеспечивает вскрытие закупоренных микродефектов и высококачественное проведение испытаний на герметичность.
Подготовка поверхностей объектов перед испытаниями на герметичность включает технологические процессы очистки, обезжиривания и сушки.
Объект считается подготовленным к испытаниям на герметичность при отсут
ствии на его поверхностях следов влаги, эмульсий, смазок и т.п., а также механических и других видов загрязнений.
Физика процессов, происходящих при подготовке к испытаниям на герметичность поверхностей объектов, заключается:
- в удалении механических и других загрязнений путем очистки поверхности;
- в удалении при обезжиривании технологических неоднородных жидкостей (жировых загрязнений) из микродефектов и замещении их однородными чистыми низкокипящими и летучими жидкостями (органическими растворителями) (рис. 1.12);
Растворитель
загрязнение
Рис. 1.12. Фазы процесса обезжиривания:
а, б, в - соответственно первая, вторая и третья
растворения
ТЕХНОЛОГИЯ ПОДГОТОВКИ К КОНТРОЛЮ НА ГЕРМЕТИЧНОСТЬ
33
Рис. 1.13. Фазы процесса сушки: а, б, в - соответственно первая, вторая и третья
- во вскрытии микродефектов при сушке от растворителей (воды) путем их испарения (рис. 1.13).
Процесс обезжиривания подразделяется на три фазы, характеризующиеся интенсивностью растворения и удаления жировых загрязнений. К первой фазе относится удаление загрязнения с поверхности микродефекта. Эта фаза имеет наивысшую интенсивность растворения и удаления жирового загрязнения, чему способствует также механическое удаление загрязняющих частиц струей растворителя, протирочными материалами и т.п.
По мере удаления загрязнения растворитель проникает в микродефект, зона разделения растворитель - жировое загрязнение перемещается в глубь канала микродефекта. Наступает вторая фаза обезжиривания. При этом загрязнение удаляется за счет молекулярной диффузии, массоперенос при которой пропорционален градиенту концентрации, времени, площади сечения канала, перпендикулярной к направлению диффузионного потока. Эта фаза характеризуется снижением интенсивности удаления загрязнений из микродефекта по мере заглубления зоны растворения. В заключительной фазе обезжиривания жировое загрязнение удалено, а канал микродефекта полностью заполнен растворителем.
При рассмотрении процесса сушки также можно выделить аналогичные фазы
удаления растворителя (воды) из микродефекта:
1) испарение растворителя с поверхности микродефекта, характеризующееся наивысшей интенсивностью удаления растворителя;
2) испарение растворителя из микродефекта при заглублении поверхности испарения, когда интенсивность удаления растворителя в зависимости от глубины расположения поверхности испарения резко снижается;
3) полное освобождение сквозного канала микродефекта от растворителя.
Очистка и обезжиривание поверхностей объектов перед испытаниями на герметичность. Рассматриваемые далее методы применяются для подготовки поверхностей объектов (емкостей, агрегатов пневматических и гидравлических систем, трубопроводов и деталей) из металлических материалов.
При этом очистку от загрязнений объектов, имеющих поверхности, не доступные для обработки в собранном виде, рекомендуется проводить в деталях перед сборкой или сваркой. В этом случае чистота внутренних полостей объекта должна быть обеспечена технологическим процессом сборки. При очистке наружных поверхностей внутренние очищенные полости объекта необходимо закрывать технологическими заглушками.
Методы очистки поверхностей объектов. По принципу разрушения связи различного вида загрязнений с поверхностью объекта различают механические и химические методы очистки. При выборе метода и средств очистки необходимо учитывать:
- конструктивные особенности объекта, технические требования, предъявляемые к нему;
- наличие оборудования и оснастки;
- вид и степень загрязнения поверхности;
- производственно-экономические факторы.
2 - 8193
34
Глава 1. ВВЕДЕНИЕ В ТЕХНОЛОГИЮ КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ
Механическую очистку поверхностей объектов производят одним из следующих методов:
- очисткой пылесосом;
- продувкой сжатым воздухом;
- протиркой;
- промывкой;
- струйной очисткой.
Очистка объектов пылесосом применяется для удаления механических частиц, при этом используются бытовые или промышленные электрические пылесосы.
Метод продувки сжатым воздухом используется в исключительных случаях для удаления видимых невооруженным глазом твердых частиц и водных пленок. При этом обычно применяют сухой сжатый воздух с точкой росы не выше -40 °C и пропущенный через фильтр с размером ячеек сетки < 20 мкм.
Метод протирки поверхностей осуществляется малярными кистями и щетками или салфетками. Материалом для салфеток могут служить хлопчатобумажные отходы, бязь, замша. Содержание синтетического волокна и капроновой щетины в кистях и щетках не допускается.
Метод промывки заключается в погружении и полоскании объекта в ванне, заполненной водным раствором. При очистке внутренних полостей объекта допускается заполнение их водным раствором.
Струйный метод предполагает очистку объекта путем воздействия струи воды на загрязненную поверхность.
При протирке, промывке и струйной очистке необходимо использовать дистиллированную или обессоленную воду или воду, содержащую ингибиторы коррозии (например, бихромат калия).
Химическая очистка заключается в обезжиривании загрязненных поверхностей фреоном-113, моющими водными растворами или органическими растворителями.
Обезжиривание применяется для очистки поверхностей объекта от физических загрязнений (органических и минеральных масел и смазок, полировочных паст, жиров).
Обезжиривание осуществляется одним из следующих методов:
- протиркой;
- промывкой;
- струйной очисткой;
- паровой очисткой;
- очисткой в качающихся барабанах.
Метод протирки применяют там, где невозможно использовать другие методы очистки ввиду конструктивных особенностей объектов (окончательно собранные объекты, наличие щелевых каналов, зазоров, глухих отверстий, труднодоступных мест и т.п.). Протирка осуществляется малярными или художественными кистями, салфетками, смоченными рабочей жидкостью (растворителем).
Обезжиривание поверхностей объекта путем протирки с использованием водного раствора проводится в такой последовательности: вначале поверхность протирается салфеткой, смоченной в подогретом до температуры 40 ... 50 °C моющем растворе; затем салфеткой, смоченной в подогретой до температуры 40 ... 50 °C дистиллированной или обессоленной воде или конденсате; наконец, салфеткой, смоченной в холодной дистиллированной или обессоленной воде или конденсате; в заключение поверхности объекта обдуваются воздухом с температурой 50 ... 60 °C в течение 3 ... 5 мин.
Промывка поверхностей осуществляется путем заполнения внутренних полостей объекта или погружением его в ванну с рабочей жидкостью (растворителем). Количество растворителя, заливаемого в объект, устанавливается технологически в зависимости от его объема.
Метод струйной очистки состоит в воздействии струи рабочей жидкости (раствора) на загрязненную поверхность.
Паровая очистка осуществляется путем подачи на загрязненную поверхность горячего моющего раствора с некоторым количеством пара под значительным давлением или выдержкой объекта в камере, насыщенной парами растворителя.
ТЕХНОЛОГИЯ ПОДГОТОВКИ К КОНТРОЛЮ НА ГЕРМЕТИЧНОСТЬ
35
Метод очистки кантованием заключается в том, что внутренняя полость объекта заполняется рабочей жидкостью, объект по определенной программе поворачивается. Изменение направления поворота объекта происходит через каждые 5 ... 10 мин.
Время очистки поверхностей органическими растворителями устанавливается технологически и составляет при промывке, струйной очистке и в качающихся барабанах 5 ... 30 мин; при протирке до 3 мин; в парах растворителя 2 ... 10 мин.
Очистка сильнозагрязненных поверхностей может идти в два этапа:
- предварительное удаление видимых загрязнений органическими растворителями или моющими водными растворами;
- окончательная очистка объектов моющими растворами с температурой 40 ... 50 °C или чистыми органическими растворителями.
После обезжиривания с применением водных растворов, содержащих поверхностно-активные вещества, необходимо проводить тщательную промывку поверхностей объекта подогретой до температуры 40 ... 60 °C и холодной проточной водой в ванне или струйным методом.
Продолжительность промывки в подогретой и холодной воде > 3 мин в каждой.
Контроль качества очистки поверхностей объектов. Контроль качества очистки поверхностей объектов от загрязнений может быть осуществлен визуальным методом: внешним осмотром, методами протирки и люминесцентным. При этом необходимо учитывать:
- габаритные размеры и конфигурацию объектов;
- степень и вид загрязненности;
- требования, предъявляемые к чистоте поверхностей;
- экономическую целесообразность.
Чувствительность метода контроля определяется наименьшим количеством загрязнений, приходящихся на единицу площади контролируемой поверхности,
уверенно фиксируемым при проверке данным методом, и выражается в миллиграммах на метр квадратный, миллиграммах на сантиметр квадратный, степень загрязненности растворителя - в миллиграммах на литр.
Визуальный метод контроля очистки заключается в определении наличия механических и грубых масляных загрязнений на открытых поверхностях путем осмотра их невооруженным глазом. Чувствительность метода очень грубая, носит субъективный характер.
Контроль чистоты методом протирки предусматривает выборочную протирку контролируемой поверхности в нескольких местах салфеткой, смоченной в ацетоне, фреоне-113 или спирте и отжатой от избытка растворителя, с последующим визуальным осмотром. Поверхность считается чистой, если на салфетке отсутствуют видимые следы жировых и других загрязнений. Чувствительность метода также достаточно груба.
Контроль чистоты поверхности люминесцентным методом основан на способности загрязнений органического происхождения излучать свет под воздействием ультрафиолетовых лучей. Контроль может быть:
- прямой;
- косвенный;
- по чистоте растворителя.
Прямой контроль люминесцентным методом осуществляется путем непосредственного облучения участков поверхности, доступных для осмотра. В этом случае помещение для очистки поверхностей объектов должно иметь изолированный затемненный участок для облучения объекта ультрафиолетовым светом. Чувствительность способа 220 ... 260 мг/м2.
Косвенный способ люминесцентного метода применяется для контроля чистоты любых поверхностей, в том числе труднодоступных для облучения и осмотра. Способ заключается в протирке контролируемой поверхности выборочно в нескольких местах салфеткой, смоченной
2*
36
Глава 1. ВВЕДЕНИЕ В ТЕХНОЛОГИЮ КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ
в ацетоне или спирте и отжатой от их избытка, с последующим осмотром ее в ультрафиолетовых лучах. О чистоте поверхности свидетельствует отсутствие свечения на салфетке. Материалом для салфетки, применяемой при косвенном контроле, могут служить фильтровальная бумага, бязь. В качестве контролирующих приборов применяются стандартные и нестандартные приборы типа УФО-4 (при прямом контроле), типов ЭФ-ЗМА, ЛК-1 (при косвенном контроле) и другие, излучающие ультрафиолетовый свет и регистрирующие люминесцентное свечение. Чувствительность контроля чистоты косвенным способом 5 ... 10 мг/м2.
Контроль по чистоте растворителя наиболее эффективен. Сущность способа контроля по чистоте растворителя состоит в том, что проверяемую поверхность подвергают повторному обезжириванию одним из органических растворителей с последующим проведением люминесцентного анализа проб растворителя путем заливки последнего во внутреннюю полость объекта или погружением объекта в ванну.
Время контакта при этом 10 ... 30 мин, а количество растворителя устанавливается технологически. Количественная оценка степени загрязненности поверхности объекта определяется сравнением интенсивности свечения растворителя после повторного (контрольного) обезжиривания с чистым растворителем.
Чувствительность контроля по чистоте растворителя 1 мг/л.
Методы и режимы сушки объектов перед испытаниями на герметичность. Сушка объектов перед испытаниями на герметичность подразделяется на два этапа:
- удаление жидкости с наружных и внутренних поверхностей объекта (общая сушка);
- удаление жидкости из микродефектов.
Промежуток времени между окончанием гидравлических испытаний и началом общей сушки согласовывается с разработчиком объекта. Обычно он составляет < 2 ч.
Жидкость с наружных и внутренних поверхностей объекта рекомендуется удалять одним или совокупностью следующих способов:
- протиркой сухими салфетками из хлопчатобумажной бязи;
- продувкой или обдувом сжатым сухим воздухом (желательно подогретым);
- сушкой.
Операция сушки рекомендуется для изделий, имеющих труднодоступные места. Продолжительность данной операции определяется технологом при отработке технологического процесса конкретно для каждого объекта.
Качество и полнота удаления жидкости с поверхности объекта обеспечиваются отработанной технологией.
Перед испытанием на герметичность манометрическим (способом спада давления) и пузырьковым методами (способом обмыливания) необходимо удалять влагу только с наружных и внутренних поверхностей, поскольку требования к степени герметичности при этих способах испытаний невысокие.
Сушка объектов с целью удаления жидкостей из микродефектов перед высокочувствительными испытаниями на герметичность проводится после полного удаления жидкости с наружных и внутренних поверхностей и труднодоступных мест. Межоперационный период после общей сушки перед удалением влаги из микродефектов устанавливается технологией.
В зависимости от требований к допустимой величине негерметичности объекты условно делят на две категории: А и Б.
К категории А относят объекты, в которых допускаются течи с потоками воздуха до 1,3 • 10~7 м3 • Па/с (1 • 1(Г3 л • мкм рт.ст./с) и более.
В категорию Б входят объекты, где допускаются течи с потоками воздуха от < 1,3 • 1 (Г7 м3 • Па/с (1 • 1(Г3 л • мкм рт.ст./с) до 1,3 • 109 м3 • Па/с (1 • 10 5 л мкм рт.ст./с) включительно.
Объекты, допустимые утечки которых > 1,3 • КГ4 м3 • Па/с (1л- мкм рт.ст./с),
ТЕХНОЛОГИЯ ПОДГОТОВКИ К КОНТРОЛЮ НА ГЕРМЕТИЧНОСТЬ
37
или объекты, испытуемые на герметичность методами течеискания с порогом чувствительности выше 1,3 • ИГ4 м3 • Па/с, сушке могут не подвергаться.
Сушку и испытания объектов рекомендуется выполнять в одном и том же производственном корпусе. Если невозможно выполнить эти условия, транспортировать малогабаритные объекты (трубопроводы, патрубки, сборочные единицы и т.п.) следует в специальной теплоизолированной, герметически закрывающейся таре. Допускаются подготовка к транспортировке и транспортировка объектов больших объемов при условиях, исключающих их загрязнение и выпадение росы на их поверхности.
При сушке объектов должны быть приняты меры, исключающие их повреждение, а также попадание загрязнения в рабочие полости. Подводящие магистрали (трубопроводы, шланги) перед подсоединением к объекту необходимо продуть сжатым воздухом с избыточным давлени-ем 0,196 ... 0,784 МПа (2 ... 8 кгс/см2) в течение 15 с.
На протяжении всего технологического процесса сушки рекомендуется проводить контроль, регулирование и запись температуры объекта.
Требования к допустимым режимам сушки объектов, в которых проверяются на герметичность только места уплотнения резиновыми и другими неметаллическими материалами, а также металлическими прокладками, покрытыми смазками, клеями, компаундами и прочими полимеризующимися материалами, должны быть оговорены в НТД исходя из обеспечения работоспособности конструкций.
Методы сушки объектов. Удалять жидкость из сквозных микродефектов можно одним из следующих методов сушки:
- конвективным;
- температурным;
- температурно-вакуумным (общим вакуумированием);
- односторонним вакуумированием;
- односторонним вакуумированием объекта под избыточным давлением;
- общим вакуумированием с прерывным инфракрасным нагревом.
При выборе метода сушки необходимо учитывать:
- конструктивные особенности объекта и технические требования, предъявляемые к нему;
- имеющиеся оборудование и оснастку;
- допустимые режимы технологических нагревов материала объекта.
Конвективный метод сушки заключается в сушке объекта путем обдува внутренней или внешней поверхности его горячим воздухом категории 3 с точкой росы не выше -15 °C. Допускается сушка объектов с применением цехового воздуха, подогретого до температуры > 40 °C, при этом длительность сушки должна быть увеличена на 20 %.
Объекты необходимо сушить на отдельном участке цеха или в специальной камере, оборудованной искусственной или естественной вентиляцией. При сушке объектов больших объемов (> 1 м3) конвективным методом в объекте рекомендуется устанавливать технологический рассекатель воздуха.
Температура воздуха в помещении должна быть > 15 °C, влажность < 80 %.
Конвективный метод сушки рекомендуется применять только для объектов категории А.
Температурный метод сушки заключается в сушке объекта в термокамере, термошкафу или в помещении цеха при естественных условиях.
Сушка объекта в естественных условиях или в камере должна проводиться при температуре воздуха в помещении цеха > 15 °C и относительной влажности до 60 %. Допускается сушка объектов в камере при температуре > 40 °C и относительной влажности воздуха в помещении цеха до 80 %, при этом продолжительность сушки увеличивается на 20 % по сравнению с расчетной.
38
Глава 1. ВВЕДЕНИЕ В ТЕХНОЛОГИЮ КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ
Сушильная камера должна иметь естественную или искусственную вентиляцию.
При общей сушке объектов температурным методом при температуре > 80 °C рекомендуется периодическая продувка камеры и объекта в течение 5 мин воздухом, подогретым до температуры сушки. Этим обеспечивается удаление паров жидкости из камеры и объекта.
Температурный метод годится только для объектов категории А.
Температурно-вакуумный метод (общим вакуумированием) заключается в сушке объектов в термобарокамере с обеспечением определенного вакуума и температуры объекта. При сушке данным методом сначала нужно включить нагревательное устройство, а после достижения требуемой температуры сушки включить вакуумную систему и обеспечить необходимый вакуум в термобарокамере.
Метод сушки односторонним вакуумированием заключается в сушке при таких условиях, когда вакуум создается с одной стороны стенки объекта. При этом методе объект помещают в термобарокамеру. Допускается сушка методом одностороннего вакуумирования без помещения объекта в термобарокамеру, в этом случае должен выполняться равномерный обогрев объекта. При отсутствии термобарокамеры для крупногабаритных объектов допускается по согласованию с разработчиком проводить одностороннее вакуумирование только наиболее ответственных участков, например сварных швов, для чего используют вакуумные присоски.
При сушке методом одностороннего вакуумирования сначала необходимо выйти на температурный режим, т.е. достичь заданной температуры стенки объекта, затем включить вакуумную систему и создать нужный вакуум.
Метод сушки объектов односторонним вакуумированием под избыточным давлением заключается в удалении влаги из сквозного микродефекта путем создания вакуума с внешней стороны объекта,
избыточного давления газа во внутренней полости и обеспечения заданной температуры объекта. Сушка выполняется в термобарокамере (барокамере). Сначала надо выйти на температурный режим, т.е. достичь заданной температуры стенок объекта, после чего включить вакуумную систему термобарокамеры и обеспечить необходимый вакуум в камере, затем подать избыточное давление газа, подогретого до температуры сушки, во внутреннюю полость объекта.
Метод сушки объектов общим вакуумированием с прерывным инфракрасным нагревом состоит в сушке объектов в термобарокамере и обеспечении определенных вакуума в объекте и камере и температуры объекта, когда период нагрева чередуется с периодом выдержки без нагрева. Отношение периода нагрева к периоду выдержки без нагрева обычно составляет 1 : 10.
В качестве нагревательных элементов при нагреве объекта применяются инфракрасные лампы типов КГ, КГТ, КГД в зависимости от необходимой мощности сушильной установки.
При данном методе сушки необходимо сначала в камере и объекте обеспечить заданный вакуум, после чего включением инфракрасных ламп нагреть стенки объекта до заданной температуры. Дальнейшее отключение-включение инфракрасных ламп проводится автоматически.
Режимы сушки. Температуру сушки, если она не регламентирована конструкторской документацией, следует назначать с учетом конструктивных особенностей объекта, допустимых режимов технологических нагревов материала, всех предшествующих технологических нагревов объекта и других технологических факторов. При этом температура сушки определяется из выражения
(д A Zc,
где tc - температура сушки, °C; Гд - допустимая температура технологического нагрева, °C; А/с - погрешность поддержания
ТЕХНОЛОГИЯ ПОДГОТОВКИ К КОНТРОЛЮ НА ГЕРМЕТИЧНОСТЬ
39
температуры сушки системой автоматического регулирования сушильной установки, °C.
Продолжительность сушки объекта назначается в зависимости от требований к допустимой величине негерметичности, выбранной температуры сушки, условной длины канала течи, длительности контакта объекта с жидкостью, требуемого вакуума и величины избыточного давления и устанавливается в соответствии с отраслевой нтд.
Продолжительность сушки объекта следует назначать без учета времени выхода на режим, т.е. времени, необходимого для достижения заданной температуры сушки (температуры стенки объекта), требуемого вакуума в термобарокамере или объекте при вакуумных методах сушки.
По длительности контакта с водой при гидравлических испытаниях объекты условно делят на две группы:
1) объекты, находящиеся в контакте с водой до 15 мин под давлением и 0,5 ... 5 ч без давления;
2) объекты, контактирующие с водой до 15 мин под давлением и до 30 мин без давления; объекты, не подвергавшиеся гидравлическим прочностным испытаниям и мойке с применением водных растворов.
За условную длину канала течи для механически обработанных деталей, изготовленных из штамповок, поковок, труб, литья и другими способами, в которых нет перерезания волокон, соединяющих внутренние и наружные поверхности, принимают толщину стенки в зоне сварного шва. Для объектов с перерезанными волокнами, соединяющими внутренние и наружные поверхности, условной длиной канала течи считают максимальную толщину в месте перерезания волокон (вдоль перерезанного волокна).
Для объектов со сварными стыковыми швами за условную длину канала течи принимают максимальную толщину стенки объекта в зоне сварного шва; для объ
ектов, сваренных внахлестку, - длину нахлестки плюс толщину материала в местах стыка (для объектов, контактирующих с водой) или только толщину материала в местах стыка (для объектов, не контактирующих с водой и отнесенных ко второй группе).
Для конструкций, имеющих элементы, толщина которых значительно превышает толщину основного материала объекта, условной длиной канала течи.являет-ся толщина стенки в наиболее вероятном месте возникновения дефекта. Условная длина канала течи устанавливается разработчиком объекта и отражается в НТД.
Продолжительность сушки объектов категорий А и Б по длительности контакта с водой, отнесенных к первой группе, назначается из таблиц или определяется из номограмм, исходя из значений температуры сушки и условной длины канала течи. Примеры таблиц продолжительности сушки объектов категории А конвективным и температурно-вакуумным методами приведены в табл. 1.7 и 1.8, пример определения продолжительности сушки по номограмме - на рис. 1.14.
Для объектов категорий А и Б, по длительности контакта с водой отнесенных ко второй группе, продолжительность сушки назначается из условия, что условная длина канала течи для толщины стенок > 3 мм принимается с понижающим коэффициентом:
8' = 0,598,
где 8' - условная длина канала течи для второй группы объектов; 8 - то же, для первой группы объектов категорий А и Б.
Если при гидравлических испытаниях в качестве рабочей жидкости применяются этиловый спирт, фреон-113 и объект не был в контакте с водой или был обезжирен перед испытанием фреоном-113, продолжительность сушки объекта можно уменьшить в 2 раза по сравнению со временем сушки для объекта, который находился в контакте с водой.
40
Глава 1. ВВЕДЕНИЕ В ТЕХНОЛОГИЮ КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ
1.7. Режимы сушки изделий категории А конвективным методом
G3 S -Г CL S3 о « е а s Условная длина канала течи, мм
1 2 3 4 5 6 7 8
55 о* Н Продолжительность сушки, ч
15 28,4 56,9 85,3 114,0 142,0 170,5 199,0 227,0
20 16,0 32,0 48,0 64,0 80,0 96,0 112,0 128,0
25 10,2 20,5 30,7 41,0 51,2 61,5 71,7 81,9
30 7,1 14,2 21,3 28,5 35,6 42,7 49,8 56,9
35 5,2 10,5 15,7 20,9 26,1 31,4 36,6 41,8
40 4,0 8,0 12,0 16,0 20,0 24,0 28,0 32,0
45 3,2 6,3 9,5 12,6 15,8 19,0 22,1 25,3
50 2,6 5,1 7,7 10,2 12,8 15,4 17,9 20,8
55 2,1 4,2 6,4 8,5 10,6 12,7 14,8 16,9
60 1,8 3,6 5,3 7,1 8,9 10,7 12,4 14,2
65 1,5 3,0 4,6 6,1 7,6 9,1 10,6 12,1
70 1,3 2,6 3,9 5,2 6,5 7,8 9,1 10,5
75 1,1 2,3 3,4 4,6 5,7 6,8 8,0 9,1
1.8. Режимы сушки изделий категории А температурно-вакуумным методом
8-S Условная длина канала течи, мм
1 2 3 4 5 6 7 8
а з
2S »>-» о о Продолжительность сушки, ч, при вакууме в камере 0,667 ... 6,666 кПа
Е—• (5 ... 50 мм рт.ст.)
15 0,6 2,5 4,3 6,2 8,0 9,9 11,7 13,6
20 0,5 2,3 4,1 5,8 7,6 9,3 И,1 12,9
25 0,5 2,1 3,8 5,5 7,1 8,8 10,5 12,2
30 0,5 1,9 3,5 5,1 6,7 8,3 9,9 11,5
35 0,5 1,8 3,3 4,8 6,3 7,8 9,3 10,3
40 0,5 1,6 3,0 4,4 5,9 7,3 8,7 10,1
45 0,5 1,4 2,8 4,1 5,4 6,7 8,1 9,4
50 0,5 1,3 2,5 3,7 5,0 6,2 7,5 8,7
55 0,5 1,1 2,2 3,4 4,6 5,7 6,9 8,0
60 0,5 0,9 2,0 3,1 4,1 5,2 6,3 7,4
65 0,5 0,7 1,7 2,7 3,7 4,7 5,7 6,7
70 0,5 0,6 1,5 2,4 3,3 4,2 5,1 6,0
75 0,5 0,5 1,2 2,0 2,8 3,7 4,5 5,9
ТЕХНОЛОГИЯ ПОДГОТОВКИ К КОНТРОЛЮ НА ГЕРМЕТИЧНОСТЬ
41
Рис. 1.14. Номограмма сушки изделий категории А температурно-вакуумным методом
Объекты, поверхности которых после сушки или сварки перед испытанием на герметичность подвергаются протирке тампоном, смоченным в этиловом спирте, ацетоне, фреоне-113, бензине, рекомендуется сушить в течение 30 мин в естественных условиях при температуре окружающего воздуха > 15 °C.
Объекты, прошедшие испытания на герметичность способом аквариума, перед последующими испытаниями более чувствительными способами рекомендуется сушить при следующих условиях:
- при температуре > 50 °C в течение 30 мин одним из методов сушки (если рабочая жидкость - вода или водные растворы);
- при температуре окружающего воздуха > 15 °C в течение 30 мин в естественных условиях (если рабочая жидкость -фреон-113 или спирт).
Хранение объектов после сушки. Объекты категории А допускается хранить после сушки или сварки до проведения испытаний их на герметичность в течение 30 сут. в закрытых помещениях с температурой воздуха > 10 °C и влажностью до 80 %. При этом суточные колебания температуры не должны превышать 10 °C. Срок хранения объектов категории Б в указанных условиях < 4 сут.
42
Глава 1. ВВЕДЕНИЕ В ТЕХНОЛОГИЮ КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ
При влажности в помещении до 60 % срок хранения высушенного объекта категории А не ограничивается, категории Б < 8 сут.
Не ограничивается срок хранения объектов, наддутых сжатым воздухом с точкой росы не выше -55 °C до избыточного давления от 19,6 кПа (0,2 кгс/см2) и выше в помещениях с относительной влажностью до 80 % и температурой > 10 °C при условии, что суточные колебания температуры < 10 °C.
Условия хранения высушенных объектов до испытаний на герметичность должны полностью исключать загрязнение контролируемых поверхностей и закупоривание течей влагой, механическими, физическими и другими видами загрязнений.
Методика подготовки поверхностей объектов перед испытаниями на герметичность. 1. Объекты, не контактировавшие с водой и водными растворами.
1.1. Подготовку поверхностей объектов рекомендуется проводить в такой последовательности:
- обезжиривание поверхностей органическими растворителями;
- общая сушка;
- газовые испытания на прочность в соответствии с требованиями технической документации (НТД);
- контроль качества обезжиривания; в случае обнаружения загрязнения поверхности провести повторное обезжиривание этих мест;
- сушка;
- контроль герметичности в соответствии с требованиями НТД.
1.2. Если монтаж изделия для газовых испытаний на прочность одновременно является и монтажом под испытания на герметичность, подготовку поверхностей рекомендуется проводить в следующей очередности:
- обезжиривание поверхностей органическими растворителями;
- контроль качества обезжиривания;
- сушка;
- газовые испытания на прочность в соответствии с требованиями НТД;
- контроль герметичности.
1.3. Длительность сушки в соответствии с операциями пп. 1.1 и 1.2 устанавливается сообразно с НТД (для объектов категории А - по таблицам или номограмме, для объектов категории Б - по таблицам или номограмме с учетом коэффициента 0,59 для условной длины канала неплотности).
2. Объекты, подвергаемые прочностным гидравлическим испытаниям.
2.1. Подготовку поверхностей объектов перед контролем герметичности рекомендуется проводить в такой последовательности:
- гидравлические испытания исходя из требований НТД;
- удаление остатков ингибиторов коррозии (промывкой поверхностей дистиллированной водой или конденсатами, удовлетворяющими нормам качества воды и пара в соответствии с требованиями НТД);
- общая сушка;
- обезжиривание поверхностей с учетом требований НТД;
- контроль качества обезжиривания (в случае обнаружения загрязнений на поверхности провести повторное обезжиривание этих мест);
- сушка по режимам в соответствии с НТД;
- контроль герметичности по технологии предприятия (согласно НТД).
3. Не регламентируется продолжительность сушки после протирки поверхностей ацетоном или спиртом перед испытаниями объектов способом вакуумирования.
Глава 2
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТОДОВ ТЕЧЕИСКАНИЯ
2.1. ЭЛЕМЕНТЫ МОЛЕКУЛЯРНОКИНЕТИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ ГАЗОВ.
ПОНЯТИЕ О ДАВЛЕНИИ. ГАЗОВЫЕ ЗАКОНЫ.
КОЛИЧЕСТВО И ПОТОК ГАЗА
Согласно молекулярно-кинетической теории все вещества состоят из молекул -мельчайших частиц, еще сохраняющих химические свойства данного вещества. Мельчайшей частицей простого вещества является атом. Из атомов строятся молекулы. Молекулы связаны между собой силами сцепления, и в зависимости от величины этих сил вещество находится в твердом, жидком или газообразном состоянии.
Молекулы находятся в непрерывном движении. В твердых телах они колеблются около положения равновесия, в жидкостях движутся поступательно с различными скоростями, постоянно меняя направление своего движения, а в газах силы сцепления настолько малы, что молекулы перемещаются совершенно свободно, занимая весь предоставленный газу объем.
Хаотическое движение, в котором находятся молекулы всех веществ, называется тепловым, так как средняя кинетическая энергия этого движения пропорциональна абсолютной температуре тела. Основным критерием, при помощи которого можно отнести газообразное вещество к газу или пару, является критическая температура, т.е. такая температура, выше которой вещество может находиться только в газообразном состоянии.
Испарение веществ в замкнутых объемах сопровождается обратным процессом -конденсацией.
При наличии в замкнутом объеме источника парообразования (в жидкой или твердой фазе) может установиться равновесное состояние, которое характеризует
ся равенством количеств испарившихся и сконденсировавшихся молекул. Такое состояние пара называется состоянием насыщения, а пар - насыщенным. Давление насыщенного пара зависит от окружающей температуры и устанавливается в замкнутом сосуде в соответствии с температурой наиболее холодной ее части.
Все газы и пары в вакуумной технике, вплоть до давления насыщенных паров, рассматриваются как идеальные. Принято, что газ можно считать идеальным, когда объемом его молекул можно пренебречь по сравнению с объемом, занимаемым самим газом, когда взаимодействие между молекулами ограничивается упругими столкновениями, а сами молекулы представляются упругими частицами. Чем меньше плотность газа, тем ближе он к идеальному, т.е. к разреженным газам можно применять законы идеальных газов.
Плотность - отношение массы однородного тела (газа) к его объему:
где тг - масса газа, кг; V- объем газа, м3.
Согласно молекулярно-кинетической теории состояние газа характеризуется тремя параметрами: давлением р, объемом V и температурой Т. Давление может быть определено как сила, действующая на единицу поверхности, соприкасающейся с газом. Оно обусловливается ударами молекул об эту поверхность. Очевидно, что молекулы тем сильнее воздействуют на стенки сосуда, чем больше их число, масса m и скорость движения v перед столкновением. Это отражается формулой
44
Глава 2. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТОДОВ ТЕЧЕИСКАНИЯ
где п - число молекул в единице объема; _ 2
—-----средняя кинетическая энергия мо-
лекул, или формулой
р = пк7\
где к - постоянная Больцмана (к = 1,37 х X 10 23 Дж/К).
Это выражение называют уравнением газового состояния. Если в объеме находится смесь различных газов, то для определения величины давления необходимо учесть общее изменение кинетической энергии всех молекул смеси за единицу времени:
к
Рем =^Pj-
Данное выражение известно под названием закона Дальтона: общее давление смеси химически не взаимодействующих газов равняется сумме парциальных давлений компонентов смеси.
Таким образом, парциальное давление - это давление, которое оказал бы газ,
входящий в состав газовой смеси, если бы из нее были удалены остальные составные части и газ занимал тот же объем и имел ту же температуру, что и смесь газов. В вакуумной технике в качестве единицы давления наиболее часто употребляют миллиметр или микрометр ртутного столба (мм рт.ст., мкм рт.ст.). Миллиметр ртутного столба - это давление столбика ртути высотой в 1 мм. Как известно, нормальное атмосферное давление на уровне моря 760 мм рт.ст. Это давление также иногда принимают в качестве единицы измерения и называют физической атмосферой (атм). Реже употребляются другие единицы давления: техническая атмосфера (ат), бар, торр.
Международная система единиц измерения СИ предусматривает для измерения давления единицу паскаль (ньютон / квадратный метр): 1 Па = 1 Н / м2 = 7,5 х х 10"3 торр = 10 бар.
Различные единицы измерения давления и соотношения между ними приведены в табл. 2.1.
2.1. Соотношения между единицами измерения давления
Единица измерения Торр М вод.ст. Ат Атм Па Дин / см2
1 торр = = 1 мм рт.ст. 1 0,0136 1,36- 10’3 1,31 • 10’3 133 1,33 • 103
1 м вод.ст. 73,556 1 0,1 9,68 • 10’2 9,81 • 103 9,8 • 104
Техническая атмосфера 1 ат = = 1 кге / см2 735,56 10 1 0,9678 98,1 • 103 0,981 • 106
Физическая атмосфера 1 атм = = 760 торр 760,00 10,383 1,0332 1 101,3 • 103 1,013 • 106
1 паскаль = = 1 ньютон / м2 = = 1 Н / м2 7,5 • 10'3 1,02- 10’4 1,02 10’5 9,87- Ю"6 1 10
1 бар = = 1 дин / см2 0,75 • 10’3 1,02- 10’5 1,02 • Ю*6 9,87 • 10’7 0,1 1
ЭЛЕМЕНТЫ МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ ГАЗОВ
45
Следствием уравнения состояния являются газовые законы.
Закон Авогадро. Количество вещества - число атомов, молекул, ионов или число структурных элементов, из которых состоит вещество. Т.е. равные количества вещества содержат равные массы. За единицу количества вещества принимается моль, определяемый как количество вещества, содержащее столько же атомов, молекул, ионов и других структурных элементов, сколько атомов содержится в 0,012 кг изотопа углерода С12. Это число частиц, содержащееся в моле любого вещества, называется числом Авогадро (Л\):
Wa = 0,0121 тс = 6,02 • 1023 моль’1, где тс - масса атома углерода.
Размерность единицы количества вещества в системе СИ - N. Таким образом, моль водорода Н2 содержит 2 г, моль кислорода О2 32 г, моль воды Н2О - 18 г. Согласно закону Авогадро, при постоянных давлении и температуре число молекул в единице объема всех газов одинаково, т.е. молекулярная концентрация не зависит от природы газа. Отсюда следует, что при постоянных давлении и температуре грамм-молекулы всех газов, в которых содержится одинаковое число молекул, а именно 6,02 • 1023, занимают постоянный объем.
Молярный объем - объем вещества, приходящийся на 1 моль. Единица молярного объема в системе СИ - м3/моль.
При нормальных условиях (р0 = = 105 Н/м2 и То = 273 К) молярный объем равен 22,4 • 10-3 м3/моль (22,4 л) и называется нормальным объемом.
По закону Гей-Люссака при постоянных массе и давлении объем газа прямо пропорционален его абсолютной температуре, т.е. при р = const и Nm = const
Г = Ио (1 + Ш),
где N - число молекул газа; Ео - объем газа при t = 0 °C.
По закону Шарля аналогичное соотношение существует и для давления в
функции температуры при постоянных объеме и массе газа. При V = const и NmT = = const
Р =Ро(1 + Р0.
где ро - давление газа при t = 0 °C; a = р = = 1 /273.
Закон Бойля - Мариотта рассматривает соотношение между давлением и объемом определенной массы газа при постоянной температуре:
pVm = const.
Помимо таких понятий, как давление, объем, температура, в вакуумной технике используется понятие «количество газа». Количество газа q принято выражать в единицах pV, так как количество газа в объеме V зависит от давления р, при котором находится газ:
q =PV-
В качестве единицы количества газа наиболее часто употребляется мкм рт.ст. • л, или мм рт.ст. • см3, или Па • м3. Реже используется нормальный кубический сантиметр (н. см3). Для того чтобы количество газа выразить в нормальных кубических сантиметрах, необходимо величину <7, выраженную в мм рт.ст. • см3, привести к атмосферному давлению, т.е. разделить на 760. В единицах pV можно выразить и количество газа, проходящего в единицу времени через единицу поверхности при давлении р, если газ находится в равновесном состоянии при постоянной температуре:
Q=pvt.
где Q - поток газа; Vt - объем газа, проходящего через любое сечение системы в единицу времени /; р - давление в этом сечении.
Рассмотрим систему, состоящую из вакуумной камеры с натекателем, трубопровода и вакуумного насоса (рис. 2.1). При данной степени открытия натекателя во всей системе по направлению от натекателя к насосу создается поток газа, который не меняется во времени. При этом в
46
Глава 2. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТОДОВ ТЕЧЕИСКАНИЯ
I Натека тель
\ ipyoonpodoa^ Насос
"7 к 1 Вакуумная камера
Рис. 2.1. Схема вакуумной цепи
2.2. Соотношения между единицами измерения потока газа
Единицы измерения м3 • Па/с (Вт) л ♦ мм рт.ст. с см3» атм с л • мкм рт.ст. с см3• атм ч
м3 • Па/с (Вт) 1 7,5 10 7,5 • 103 3,6 • ю4
л • мм рт.ст./с 1,33 • 10 1 1 1,33 103 4,74 • 103
см3 • атм/с 0,1 7,6 • 10“* 1 7,6 - 102 3,6 • 103
л • мкм рт.ст./с 1,33 • ю-4 103 1,33 • 10‘3 1 4,74
см3 • атм/ч 2,8 • 10 5 2,11 • 10-4 2,78 • 10"4 2,11 • 10’1 1
каждой точке системы устанавливается определенное давление, не меняющееся с течением времени. Расход газа можно выразить различными способами:
- массовым расходом - массой газа, проходящего через сечение в единицу времени;
- числом молекул, проходящих через сечение в единицу времени;
- объемным расходом - объемом газа, проходящего через сечение в единицу времени (этот объем измеряется при давлении в данном сечении).
Объемный расход может быть приведен к атмосферному (или другому характерному для данной системы) давлению. При равновесии массовый расход, число молекул, проходящих через сечение, и приведенный объемный расход являются постоянными и не зависят от давления в рассматриваемом сечении. Объемный расход критичен к давлению в данном сечении.
Поток газа Q представляет собой объемный расход, приведенный к единичному давлению.
Соотношения между наиболее употребительными единицами измерения потока газа приведены в табл. 2.2.
Массовый расход G можно выразить через поток газа следующим образом:
G = Qp=pVp, где р - плотность газа при единичном давлении и заданной температуре.
Для понимания процессов в вакуумных системах полезно использовать аналогию между вакуумной системой и электрической цепью. Поток газа Q для данной системы, находящейся в равновесии, остается постоянной величиной, в какой бы точке системы мы ни определяли значения р и V при подсчете величины Q=pV.
В связи с этим можно установить аналогию между потоком Q и силой тока в электрической цепи. Так же, как сила тока пропорциональна числу электронов, проходящих через любое сечение в единицу времени, и поток газа пропорционален числу молекул, проходящих через любое сечение в единицу времени. Потенциалу в электрической цепи соответствует давление в каждой точке рассматриваемой вакуумной системы.
ДЛИНА СВОБОДНОГО ПУТИ МОЛЕКУЛ ГАЗА. ПОНЯТИЕ О ВЫСОКОМ ВАКУУМЕ 47
2.2. ДЛИНА СВОБОДНОГО ПУТИ МОЛЕКУЛ ГАЗА. ПОНЯТИЕ О ВЫСОКОМ ВАКУУМЕ. ОБЛАСТИ ТЕЧЕНИЯ, СВОЙСТВА ГАЗОВ ПРИ
НИЗКИХ ДАВЛЕНИЯХ
Находясь в непрерывном хаотическом движении, молекулы газа сталкиваются между собой и со стенками сосуда, в котором находится газ. Чем больше число п молекул в единице объема, тем чаще происходят их взаимные соударения, тем меньший путь в среднем проходят молекулы между двумя соударениями. Среднее расстояние, которое проходят молекулы между двумя соударениями, называется средней длиной X свободного пути молекул. Соотношение между средней длиной свободного пути молекул и характерным линейным размером d сосуда, в котором заключен газ, во многом определяет характер процессов, происходящих с этим газом.
Это соотношение, характеризующее разреженность, или вакуум, имеющийся в данном сосуде, называется критерием Кнудсена:
Если средняя длина свободного пути молекулы значительно меньше линейных размеров сосуда (А « d), то молекулы чаще сталкиваются между собой, чем со стенками сосуда. Такое состояние газа называется низкой разреженностью, или низким вакуумом. Вакуум численно характеризуется разностью атмосферного и абсолютного давлений в вакуумной системе.
Разреженность газа в сосуде, при которой средняя длина свободного пути молекул значительно превышает линейные размеры этого сосуда (X » d), называется высокой разреженностью газа, или высоким вакуумом. В этом случае молекулы сталкиваются друг с другом значительно реже, чем со стенками сосуда.
Разреженность газа в сосуде, при которой средняя длина свободного пути мо
лекул представляет собой величину того же порядка, что и линейные размеры сосуда (А « d), называется средней разреженностью, или средним вакуумом (Кп~ 1).
Усредненное расстояние между столкновениями, или средняя длина свободного пути молекулы, определяется выражением
ь-А-, у/2 -710 П
гяе лег2 - эффективное сечение столкновения для твердой сферической молекулы.
В представлении модели газа, состоящего из твердых шаров диаметром о, не притягивающихся один к другому и движущихся с одинаковой скоростью в направлении, параллельном одной из координатных осей, величина ян2 представляет сечение воображаемой сферы, окружающей молекулу, внутрь которой не может проникнуть центр никакой другой молекулы.
При постоянной плотности средняя длина свободного пути не зависит от температуры; при постоянном давлении она прямо пропорциональна температуре. Очевидно, что средняя длина свободного пути молекулы обратно пропорциональна давлению. Для воздуха, например, при 20 °C она приближенно определяется по формуле
5Ю~3
Р
, см,
где р - давление, мм рт.ст.
Закономерности течения газов в вакуумной системе зависят от степени разрежения газа. С уменьшением давления характер течения изменяется: происходит переход от турбулентного, или вихревого, течения к ламинарному или вязкостному и затем к молекулярному. При относительно высоких давлениях, когда наблюдается турбулентное течение, процессы в газах подчиняются в основном тем же закономерностям, что и при нормальных давлениях.
48
Глава 2. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТОДОВ ТЕЧЕИСКАНИЯ
Обычно граница перехода от турбулентного к ламинарному режиму течения характеризуется определенным значением критерия Рейнольдса:
Re = —= 2^ v П
где w - скорость течения газа, м/с; d - характерный размер области течения, м; р -плотность, кг/м3; т] - коэффициент динамической вязкости, кг/(м2 • с); v -коэффициент кинематической вязкости, м2/с.
Как известно, при ламинарном (струйчатом) течении происходит течение отдельных слоев жидкости (газа) друг относительно друга, а между слоями возникает сила, направленная касательно к поверхности этих слоев. Единица динамической вязкости определяется силой, которую испытывает единица поверхности одного из взаимодействующих слоев со стороны другого слоя, если градиент скорости между слоями равен единице. В системе единиц СИ единица динамической вязкости т] - Па • с; в системе СГС -пуаз (П); 1 Па • с = 10 П.
Кинематическая вязкость определяется как отношение динамической вязкости к плотности жидкости, газа:
Ч v = —.
Р
В системе единиц СИ единица кинематической вязкости v - м2/с; в системе СГС - стокс, 1 Ст = 10^ м2/с.
И наконец, по определению, единица силы ньютон - это сила, сообщающая массе в 1 кг ускорение 1 м/с2; единица силы дина - сила, сообщающая массе в 1 г ускорение 1 см/с2; 1 Н = 1 кг • м/с2; 1 дина = = 1 г • см/с2; 1 Н = 10Ч 5 дин.
Установлено, что при Re > 2200 наблюдается устойчивое турбулентное течение и при Re < 1200 - устойчивое ламинарное течение.
При 2200 > Re > 1200 в зависимости от реальных условий наблюдается тот или другой режим течения.
С учетом того, что
w =
F р
р = М
кТ
где V -объемный расход газа; F - площадь сечения трубопровода, получим
_ 4/иг Q
Re =-----
лЛ7¥| d
При 20 °C для трубопровода круглого сечения
Re_ Q 0,089с/’
где Q выражено в мм рт.ст. • л/с; d в см.
Таким образом, для воздуха при Q > 200J течение турбулентное, а при Q < 100J - вязкостное.
При вязкостном течении длина свободного пробега молекул значительно меньше характерного размера трубопровода, но течение носит упорядоченный характер. При таких условиях хаотическое тепловое движение молекул подавляется макроскопическим движением всей массы газа, которое вызывается силой, пропорциональной перепаду давлений на концах рассматриваемого трубопровода.
Для вязкостного течения учет внутреннего трения в газе приводит к уравнению Пуазейля:
(рЬл2). СО
2ЭОГ|/
где Q - поток газа через цилиндрический трубопровод, м3 • Па/с; d - диаметр трубопровода, м; 7 - длина трубопровода, м; Ч - коэффициент динамической вязкости, Н • с/м2; (р2 - pi) - перепад давлений на концах трубопровода, Па.
При низких давлениях газа вязкостный режим течения переходит в молекулярно-вязкостный и затем в молекулярный, при котором определяющими являются не столкновения молекул между собой, а их столкновения со стенками трубы, когда длина свободного пробега значительно больше характерного размера трубопровода.
ДЛИНА СВОБОДНОГО ПУТИ МОЛЕКУЛ ГАЗА. ПОНЯТИЕ О ВЫСОКОМ ВАКУУМЕ 49
Теоретическая формула Кнудсена для молекулярного потока, подтвержденная экспериментально,
1 12пкТ d3/ \ о
Q = 7.------ИРг-М (2-2)
6 V 7ИГ I
где к - коэффициент постоянной Больцмана, Дж/К; Т - температура, К; тт - масса молекулы газа, кг.
Общего направленного движения всей массы газа здесь уже нет. Частицы газа перемещаются только вследствие их хаотического теплового движения. Молекулярно-вязкостное течение охарактеризовано Кнудсеном полуэмпирическим соотношением, справедливым с достаточной точностью для молекулярного, молекулярно-вязкостного и вязкостного течений газа в круглой цилиндрической трубе (здесь не приводится). Соотношение учитывает наличие и молекулярной, и вязкостной составляющих течения.
Для приближенных практических расчетов можно относить вязкостный режим течения ко всей области низкого вакуума, вплоть до атмосферного давления. Приближенно верхняя граница вязкостно
го режима течения для воздуха может быть определена условием
— = 0,1—, d Г
где d и / - диаметр и длина трубопровода соответственно, см.
С учетом приведенной выше формулы для длины среднего свободного пробега молекул воздуха при 20 °C получено, что течение будет вязкостным при условии
d
100
и молекулярным при условии
3
Для цилиндрического трубопровода точность расчета по последним двум формулам > 10 %. Для других трубопроводов можно применять эти формулы, принимая за величину d наименьший характерный размер системы.
Характеристика диапазона давлений от атмосферного до высокого вакуума представлена в табл. 2.3.
2.3. Характеристика диапазона давлений от атмосферного до высокого вакуума
Вакуум J Диапазон давлений, Па Число молекул газа в 1 см3 Режим течения газа в вакуумном аппарате Явления переноса (теплопроводность и внутреннее трение) Средняя длина свободного пробега молекул газа Температура насыщения воды, °C Критерии для выбора вакуумных насосов
Низкий 105... 133 ю'9... 1016 Вязкостный Не зависят от давления Существенно меньше размера аппарата +100 ... -17,5 Откачиваемый объем независимо от формы, длительность откачки
Средний 133 ... 1,33 • Ю'1 10'6 ... 10'3 Молеку-лярно-вязкост-ный Зависят от давления1 Меньше или равна размеру аппарата -17,5 ... -66,7 Откачиваемый объем и его форма
50
Глава 2. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТОДОВ ТЕЧЕИСКАНИЯ
Продолжение табл. 2.3
Вакуум Диапазон давлений, Па Число молекул газа в 1 см3 Режим течения газа в вакуумном аппарате Явления переноса (теплопроводность и внутреннее трение) Средняя длина свободного пробега молекул газа Температура насыщения воды, °C Критерии для выбора вакуумных насосов
Высокий 1,33 X х(КГ'...1(Г5) 1013 ... 1О10 Молекулярный Пропорциональны давлению Больше размера аппарата -66,7 ... -100 Величина и свойства поверхности2
1 Определяющим является отношение характерного размера аппарата к средней длине свободного пробега молекул газа.
2 Для быстрой откачки - 1 000 л/с на 1 м2 поверхности вакуумного аппарата, для поддержания вакуума - 100 л/с на 1 м2 той же поверхности.
И наконец, рассмотрим некоторые свойства газа, определяемые хаотическим движением молекул.
Свойство газа перемешиваться благодаря тепловому хаотическому движению молекул называют диффузией. Скорость диффузии газов пропорциональна градиенту их парциальных давлений. При большом градиенте парциального давления она велика и, наоборот, при малом градиенте мала. С увеличением температуры скорость диффузии газов увеличивается, а с повышением давления газа уменьшается. При высоком вакууме (Л, » d) перемешивание газов происходит весьма быстро, так как молекулы проникают в самые отдаленные части сосуда, не встречая на своем пути каких-либо препятствий. Влияние природы газов на скорость диффузии можно характеризовать коэффициентом диффузии газа в воздух. Коэффициенты диффузии наиболее легких газов - водорода и гелия значительно больше коэффициентов диффузии других газов.
Свойство газов передавать тепло называется теплопроводностью. Теплопроводность газов при давлениях, близких к атмосферному, обусловлена конвекцией. При более низких давлениях передача тепла происходит путем столкновения мо
лекул. При более низком давлении газа, когда X » J, молекулы, ударяясь о нагретый предмет, могут достигать стенок сосуда без столкновений с другими молекулами и, таким образом, передача тепла происходит без установления в газе градиента температуры. Теплопроводность в этой области пропорциональна давлению и разности температур между нагретым предметом и холодными стенками сосуда.
Количество тепла (энергии), которое нужно сообщить веществу (газу), чтобы изменить его температуру на 1 °C, называют теплоемкостью вещества (с> - при постоянном объеме; ср - при постоянном давлении). Для твердых тел ср » cv. Для газов
где f - число степеней свободы молекул для данного вещества; R = N^k - универсальная газовая постоянная.
Внутренняя энергия одноатомного газа, имеющего три степени свободы, т.е. /= 3, определяется кинетической энергией поступательного движения молекул. В двухатомном газе возможны другие энергетические состояния, связанные с вращательным движением молекул, что приводит к двум дополнительным степеням
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ВАКУУМЕ
51
свободы, т.е./= 5. В общем случае энергетическое состояние молекул определяется не только поступательным и вращательным их движением, но и колебательным движением и воздействием межмолекулярных сил. Характер явлений усложняют квантовые эффекты, проявляющиеся при низких температурах. Особенно сильно теплоемкость изменяется с увеличением плотности, т.е. при высоких давлениях и низких температурах.
2.3. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ВАКУУМЕ
В условиях вакуума происходят явления природы, резко отличающиеся от явлений, наблюдающихся при атмосферном давлении. Некоторые из них серьезно мешают решению технических задач при использовании вакуума, например явление десорбции газа из различных материалов. Некоторые явления используются в технике при создании различных приборов и технологий.
Теплопроводность газов. Теплопроводность газа при низком вакууме не зависит от изменения давления, поскольку молекулы газа не могут непосредственно передавать свою энергию от более нагретого тела к холодному из-за частых столкновений со встречными молекулами. В выражение для коэффициента теплопроводности
1 Л -а = — nmcvKV
3 v
входят величины, зависящие от давления: число молекул п в единице объема и длина свободного пробега X. Но п пропорционально, а X обратно пропорциональна давлению газа, т.е. чем больше переносчиков тепла (молекул), тем чаще столкновения (X мала) и тем больше тепла теряется.
Если давление газа понижено настолько, что длина свободного пробега молекул X становится больше размеров сосуда, в котором находится газ, то передача тепла от одной поверхности к другой
происходит за счет передачи молекулой, отразившейся от нагретой поверхности, избытка энергии более холодной поверхности.
При таком способе передачи тепла внутри газа нет перепада температур, поэтому понятие «теплопроводность» теряет смысл, уступая понятию «теплопередача». Количество тепла, переносимого газом, пропорционально числу ударов молекул о стенки, т.е. давлению газа.
На явлении малой теплопередачи в условиях высокого вакуума основано изготовление сосудов Дьюара. Эти сосуды имеют двойные стенки, пространство между которыми откачивается до высокого вакуума. Сосуды Дьюара предназначены для хранения сжиженных газов. Из-за плохой теплопередачи жидкость внутри сосуда получает мало тепла извне и испаряется медленно. По тем же причинам горячая жидкость в сосуде Дьюара, отдавая наружу мало тепла, остывает медленно.
Зависимость теплопроводности газов от давления в условиях среднего вакуума, когда длина свободного пробега молекул не слишком отличается от размеров сосуда, в котором заключен газ, используется в вакуумной технике при разработке тепловых вакуумметров.
Сорбция и газовыделение. В вакуумной технике большую роль играют поверхностные явления на границе газ -твердое тело, в частности при получении и измерении вакуума.
Процесс поглощения газов и паров твердыми телами называется сорбцией. Процесс поглощения газов поверхностью твердого тела называется адсорбцией, поглощение газов в объеме твердого тела -абсорбцией. Вещество, поглощающее газ, называется сорбентом, а поглощаемое вещество - сорбатом. Процесс выделения газов из твердого тела называется десорбцией.
Различают физическую адсорбцию и химическую (хемосорбция). Энергия взаимодействия молекул газа с поверхно
52
Глава 2. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТОДОВ ТЕЧЕИСКАНИЯ
стью твердого тела при физической адсорбции значительно меньше, чем при хемосорбции.
При физической адсорбции механизм поглощения газов твердыми телами заключается в поляризации молекул газа при их приближении к поверхности твердого тела на межатомные расстояния (~10 8 см) и удержании их на поверхности за счет электрического притяжения поверхностными ионами твердого тела. Отсюда следует, что количество адсорбированного газа зависит от поверхности адсорбента, поскольку чем больше его поверхность, тем больше на ней поверхностных ионов, способных удерживать своим электрическим полем молекулы газа. Поэтому высокой адсорбционной способностью обладают твердые тела с шероховатой поверхностью, например цеолиты, активированные угли и т.п.
Адсорбированные молекулы участвуют в тепловом (колебательном) движении атомов твердого тела и при достаточно большой амплитуде колебаний испаряются. Следовательно, одновременно идет процесс сорбции и десорбции газа, причем при повышении температуры преобладает процесс десорбции, а при понижении - сорбции.
При хемосорбции поглощение газов происходит также вследствие попадания молекул газа в сферу действия электрического поля поверхностных ионов. Но при хемосорбции более существенно изменяются молекулы газа, в результате чего они становятся более активными, что приводит к распространению газа в объеме твердого тела.
При абсорбции образуется твердый раствор за счет проникновения газа внутрь кристаллической решетки или вследствие химической реакции между твердым телом и газом с образованием нового химит ческого соединения в твердом виде.
В вакуумной технике явления сорбции и десорбции используются для решения практических задач. Количество поглощенного газа в материале определяется
природой материала и газов, с которыми он соприкасался главным образом при последней термической обработке. Установившаяся концентрация газов в материале определяется равновесием с окружающей его газовой средой. При создании вакуума нарушается равновесие и система газ - металл (металл является основным конструкционным материалом в вакуумной технике) стремится установить новое равновесное состояние - из материала выделяется газ, ухудшая вакуум. Поэтому при необходимости получения в вакуумной системе высокого и сверхвысокого вакуумов проводят длительное обезгажи-вание системы, причем для интенсификации процесса система подвергается прогреву при достаточно высоких температурах.
На эффекте сорбции основана работа сорбционных насосов, которые широко применяются в вакуумной технике. В этих насосах используются специальные высокоэффективные сорбенты, охлаждаемые хладоагентами (жидкий азот, жидкий кислород и т.п.).
Диффузия газов. При наличии в замкнутом объеме двух или нескольких газов они распространяются по всему объему независимо от их массы. Причем каждый газ перемешивается в сторону своей меньшей концентрации. Это явление называется взаимной диффузией газов.
Число молекул газа, диффундирующих в единицу времени в среду другого газа (dN / dt) через поверхность F, перпендикулярную к направлению диффузии /, пропорционально этой поверхности и падению концентрации на единице длины (JM / dl), т.е.
dt dl ’
где D - коэффициент диффузии.
Знак «-» в уравнении означает, что направление переноса молекул противоположно направлению увеличения концентрации.
ЗАКОНОМЕРНОСТИ ТЕЧЕНИЯ ГАЗОВ И ЖИДКОСТЕЙ ПО КАНАЛАМ ТЕЧЕЙ
53
В условиях низкого вакуума вследствие частых взаимных столкновений молекул концентрации газов выравниваются достаточно медленно.
Коэффициент диффузии пропорционален средней скорости теплового движения и средней длине свободного пути молекул. Следовательно, чем ниже давление газа, тем выше скорость диффузии.
При высоком вакууме взаимные столкновения молекул отсутствуют, поэтому газы диффундируют практически мгновенно, диффузия газов зависит только от размеров сосуда, в котором они находятся, и скорости теплового движения. Скорость диффузии с увеличением температуры резко возрастает.
В вакуумной технике явление диффузии играет большую роль. Например, оно используется в работе диффузионных насосов, которые обеспечивают быструю откачку вакуумируемых объемов за счет диффузии газа в паровую струю рабочей жидкости.
В технике течеискания необходимо учитывать возможную диффузию газов через материалы оболочек герметизированных изделий. Серьезное внимание на явление диффузии газов через конструкционные материалы следует обращать при конструировании герметизируемых изделий.
14. ЗАКОНОМЕРНОСТИ ТЕЧЕНИЯ
ГАЗОВ И ЖИДКОСТЕЙ ПО КАНАЛАМ ТЕЧЕЙ
Техника течеискания имеет дело с выявлением сквозных дефектов - течей в оболочках герметизируемых изделий при различных условиях испытаний.
Многообразие испытуемых изделий, различающихся конструкцией, материалами, способами герметизации, рабочими условиями и условиями хранения, обусловливает различные потоки газов и жидкостей через одну и ту же течь. Возникает необходимость пересчета потоков из одних условий в другие. При этом возникают трудности, связанные с возмож
ным изменением режима течения, не учитываемого определением течи в соответствии с ГОСТ 26790-85.
Закономерности течения газов. Поток газа через течи может быть турбулентным, вязкостным, молекулярным, промежуточным молекулярно-вязкостным, диффузионным. Турбулентный режим, отличающийся наличием вихрей в потоке, не рассматривается в течеискании, поскольку условие его образования
(Q - поток, м3 • Па/с; d - диаметр канала, м) позволяет считать турбулентный режим течения через течи маловероятным.
Современная техника течеискания возникла для нужд вакуумной техники, поэтому методики расчетов базировались на известных уравнениях вакуумной техники - уравнениях Кнудсена и Пуазейля соответственно для молекулярного и вязкостного режимов течения.
В связи с неопределенностью размеров и форм микроканалов расчет перетекающих через них потоков проводят путем моделирования течей типа пор - прямыми каналами круглого сечения (цилиндрическими), а течей типа щелей и трещин - вытянутыми каналами прямоугольного сечения (щелевидными) [18].
Расчеты потоков проводят по следующим формулам:
для молекулярного течения через цилиндрический канал
_ _2лг3 [вяГ, ч
бмк 3/ УлЛ/^2 Р|)
= (2-3)
для молекулярного течения через щелевидный канал
2Л52 /8АГ z х
31 V пМ
2Л52 ( \ ПАЛ
= -^-\Р2-Р\Р (2.4)
54
Глава 2. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТОДОВ ТЕЧЕИСКАНИЯ
для вязкостного течения через цилиндрический канал
<«)
для вязкостного течения через щелевидный канал
(26)
где 2м» 2в - поток газа в молекулярном и вязкостном режимах соответственно, м3 • Па/с; г - радиус круглого сечения канала, м; h - длинная сторона щелевидного сечения канала, м; 8 - короткая сторона щелевидного сечения канала, м; 7 - длина канала, м; рх - давление на выходе из канала, Па; р2 - давление на входе в канал, Па; г] - динамическая вязкость перетекающего газа, Па • с; М - молекулярная масса перетекающего газа, кг/моль; R - универсальная газовая постоянная, R = = 8,3 Па • м3 / (моль • К); Т - абсолютная температура, К; v - средняя тепловая скорость движения молекул газа, м/с.
Течи, характеризуемые потоком воздуха из атмосферы в вакуум, определяются следующими зависимостями:
5мк=2лг3ура/37; (2.7)
^к-^4Ра/1бпв/; (2.8)
Вмщ=2Л827ра/з/; (2.9)
^.щ=Л33ра2/24п/, (2.10)
где ра - атмосферное давление, ра = 1,02 х х 105 Па; т]в - вязкость воздуха, цв = 1,808 х х Ю3 Па с (при 293,1 К).
Приведенные зависимости (2.3) -(2.10) таковы, что, не зная геометрии каналов течей, можно определять соотношение потоков различных газов, перетекающих через известную течь, пользуясь формулами
(2.П) V М Ра
„ 2 2
(2.12) П Ра
где М3и М- молекулярные массы воздуха и произвольного газа, кг/моль; г|в и т] -динамические вязкости воздуха и произвольного газа, Па • с.
Однако применимость этих уравнений ограничивается существованием чистых режимов - молекулярного и вязкостного. Эти уравнения неприменимы в области существующих переходных режимов.
Форма же и размеры течи существенно влияют на режим течения и величину потока, что известно из литературы.
Моделирование течи цилиндрическим каналом может вызвать ошибки, если течи в оболочках имеют форму протяженных щелей и трещин.
Цилиндрическими каналами можно моделировать в основном течи типа пор. Такие течи весьма вероятны, например, в соединениях металла с керамикой, образуемых методом диффузионной сварки. Во многих других случаях более вероятны течи типа трещин и щелей.
Влияние формы канала течи иллюстрируется графиками на рис. 2.2, заимствованными из работы [12].
Графики, представленные на рис. 2.2, построены по формулам (2.7) - (2.10). Здесь по оси ординат отложены характерные размеры каналов течей; а (радиус поры г или раскрытие трещины 8, т.е. ее короткая сторона), а по оси абсцисс - величина течи В, Длина канала 7 течи типа пор и отношение протяженности трещины к ее длине hl Iрассматриваются как параметры.
Графики построены по уравнениям для чисто молекулярного и чисто вязкостного режимов течения для иллюстрации применимости каждого.
Исходя из характерных размеров течей а (г или 8) и условий существования различных режимов течения [6] на рис. 2.2 отмечены области, отвечающие вязкостному и молекулярному режимам течения.
ЗАКОНОМЕРНОСТИ ТЕЧЕНИЯ ГАЗОВ И ЖИДКОСТЕЙ ПО КАНАЛАМ ТЕЧЕЙ
55
Рис. 2.2. Зависимости между величинами течи и характерными геометрическими размерами их каналов различной формы сечения:
5 относится к щелевидным каналам, г - к цилиндрическим. Цифровые индексы при г обозначают длину / канала течи, см; при 8 - величину отношения hl I. Буквенный индекс «в» показывает, что зависимость построена по уравнению, описывающему течение в вязкостном режиме, индекс «м» относится к молекулярному течению; А -нормальное расстояние между молекулами
в кристаллах металлов
Область существования вязкостного режима, для которого а > 100Х (X - длина свободного пробега молекул), расположена выше линии а = 100Х, и, соответственно, область молекулярного режима течения - под линией а = X, условие существования которого а < X. Область промежуточного течения ограничена линиями X и 100Х.
Сопоставление зависимостей показывает, что характерный размер трещины оказывается значительно меньше радиуса поры, образующей такую же течь В. Отсюда следует вывод, что режим течения через трещину всегда ближе к молекулярному, чем через пору, образующую такую же течь, а область существования молекулярного режима течения распространяется на трещинообразные течи, на три-четыре порядка большие, чем цилиндрические течи.
Верхняя граница молекулярного режима течения в нормальных условиях ориентировочно оценивается так: для цилиндрических течей - 10 8 м3 • Па/с, для щелей и трещин - 10 4 м3 • Па/с.
Течение в нормальных условиях считается чисто вязкостным для течей Вк > > 10"4 м3 • Па/с и Вщ > 1 м3 • Па/с. Кроме того, существует принципиальное и существенное ограничение возможных малых течей типа трещин, связанное с приближением их характерного размера к нормальному межмолекулярному расстоянию.
Учитывая неточность, связанную с определением формы течи и реально существующего переходного режима течения, определение течи В по измеренному потоку газа Q может происходить с погрешностью, определяемой уравнением
y = ^M_ = 2k El tPl. (2.13)
Вв т) \МВ ра
Для определения потоков произвольного газа в произвольных условиях применяется обобщенное уравнение Кнудсена, учитывающее переходы между вязкостным и молекулярным режимами:
C = & + ZCm, (2.14)"
где Z - сложного вида эмпирическая функция.
56
Глава 2. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТОДОВ ТЕЧЕИСКАНИЯ
Если принять Z = 1, то ошибка, связанная с определением потока, не превышает 14 %. С учетом этой ошибки обобщенное уравнение Кнудсена можно применять в его упрощенной форме:
е=а+а.. (2.15)
Исходя из возможности решения уравнения (2.14) и результатов проведенных расчетов получена удобная для практики табл. 2.4, позволяющая оценивать характерные размеры течей (г или 5) [16].
2.4. Соотношение между значениями течей В и их характерными размерами
X, л • мкм рт.ст. • см/с Z, м3 • Па • см/с Г, см 8, см
1,0 • 10’8 1,3 • 10’12 5,0- 10" 2,1 • 10’8
5,0 • 10’8 6,7 10’12 8,5 • 10" 4,6 • 10 8
1,0- 10’7 1,3 • 10’" 1,1 • 10’5 6,5 • 10’8
5,0 • 10’7 6,7 • 10’" 1,8 • 10'5 1,5 • 10’7
1,0 - 10" 1,3 • 1О’'° 2,2 • 10’5 2,1 • 10’7
5,0 • 10" 6,7 • Ю’10 3,7 • 10’5 4,7 • 10’7
1,0 10’5 1,3 • 10’9 4,5 • 10'5 6,5 • 10’7
5,0 105 6,7 • 10"9 7,2 • 10" 1,5 • 10"
1,0 - 10"4 1,3 • 10’8 8,8 • 10’5 2,1 • 10"
5,0 • 10"* 6,7 10*8 1,4 • 10" 4,6 • 10"
1,0 - 10’3 1,3 • 10’7 1,7 • 10-4 6,4- 10"
5,0- 103 6,7 • 10’7 2,6 • 10" 1,4- 10"
1,0 - 10’2 1,3 • 10" 3,2 • 10" 2,0 • 10’5
5,0 • 10’2 6,7 • 10" 4,8 • 10" 4,1 • 10"
1,0- 10’* 1,3 • 10’5 5,7 • 10" 5,5 • 10’5
0,5 6,7 • 10’5 8,7 • 10" 1,1 • 10"
1,0 1,3 • ю-4 1,0 • 10’3 1,4 • 10"
5,0 6,7 • 10" 1,5 - 10’3 2,7 • 10"
10,0 1,3 • 10’3 1,8 • 10’3 3,5 • 10"
100,0 1,3 • 102 3,3 • 103 7,9 • 104
500,0 6,7 - 102 4,9 • 103 1,4- 103
1000,0 0,1 5,9 10’3 1,7 • 10’3
5000,0 0,67 8,8 • 10’3 3,0 • 10’3
10 000,0 1,3 1,1 • 10’2 3,8 - 10’3
Примечание. При заданных / и Uh (при условии, что /» г, 6) при / = 1 для круглого сечения и Uh = 1 для щелевидного X = В; для круглого канала радиуса г: X = ВЦ л • мкм рт.ст. х х см/с; Z = ВЦ м3 • Па • см/с; для щелевидного канала с раскрытием 8: X = Bl / h , л • мкм рт.ст. х х см/с; Z = Bl / h, м3 • Па • см/с, где г - радиус течи; 8 - узкая сторона течи типа трещины.
ЗАКОНОМЕРНОСТИ ТЕЧЕНИЯ ГАЗОВ И ЖИДКОСТЕЙ ПО КАНАЛАМ ТЕЧЕЙ
57
Зная величину В и параметры 7 и h /1 или, наоборот, по известным параметрам течей удается определять величины течей В. Зная эти величины, можно также в соответствии с графиками (см. рис. 2.2) выявить режим течения и по формулам (2.3) - (2.6) найти потоки интересующих газов.
Широко применяемые при расчетах в технике течеискания уравнения Кнудсена и Пуазейля описывают молекулярное и вязкостное течения газов под действием перепадов общих давлений.
Однако эти уравнения не позволяют описать парциальный поток одного из компонентов перетекающей смеси газов, не отражают вклад диффузии какого-либо газа в общий поток.
Затруднительна оценка газовых потоков через течи в изделиях с контролируемым газовым заполнением, герметизируемых при атмосферном давлении.
В работе [18] было предложено эмпирическое уравнение для описания газовых потоков через течи произвольной формы при произвольных давлениях на канале, общих и парциальных:
Q=QB+-^^- =
ем+ед
= (?17.£1 )рп.2 + Рп2 ~Рп1 (2.16) ар2 Ь + с{р2+рх)
Коэффициенты а, Ь, с для каналов круглого и щелевидного сечений определены соответственно формулами
16т|/ » 37 /
яг4 2nr3v 2яг2Дара
_24г|/ 3/ _ /
Ощ=й53 ; ш~2Л52у; Сщ"2й5Дара-
В этих уравнениях Q - поток газа; р -общее давление; рп - парциальное давление; Да - коэффициент диффузии; индекс «д» относит величины к диффузионному течению; ра - атмосферное давление.
Уравнение (2.16) после подстановки I него коэффициентов а, Ь, с не может быть решено элементарно. Ранее в публи
кациях были предложены номограммы и графики, позволяющие при известных значениях Q и параметров течи 7 или hll находить эквивалентные значения г или 8 или, наоборот, определять потоки газов Q через каналы с известными характерными размерами.
Особенности течения жидкостей. Методы течеискания с применением жидких проникающих веществ основаны на таких основных физических явлениях, имеющих место при взаимодействии жидкостей с твердыми телами, как смачивание, капиллярные и сорбционные явления.
Под смачиванием понимают способность жидкости образовывать устойчивую поверхность раздела на границе с твердым телом при условии, что избыточная жидкость удалена с поверхности.
Если жидкость касается твердого тела, то силы взаимодействия молекул жидкости между собой могут быть либо меньше, либо больше сил их взаимодействия с молекулами твердого тела.
В первом случае наблюдается смачивание твердого тела, во втором - несмачи-вание. При нахождении в капилляре смачивающая жидкость представляет собой вогнутый мениск, несмачивающая жидкость образует выпуклый мениск (рис. 2.3)
Рис. 2.3. Вогнутый (а) и выпуклый (б) мениски в капиллярах: а ~ смачивающая жидкость;
б - несмачивающая жидкость
58
Глава 2. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТОДОВ ТЕЧЕИСКАНИЯ
Краевой угол 0 между плоскостью, касательной к поверхности жидкости, и поверхностью стенки в точке границы смачивания называется углом смачивания. Угол отсчитывают внутрь жидкости. Мерой смачивания служит cos0, определяемый из выражения
со5е = ^т-в~СТт-ж\ ^ж-в
где сгт_в, от_ж и ож_в - коэффициенты поверхностного натяжения на границах соответственно твердое тело - воздух, твердое тело - жидкость, жидкость - воздух, Н/м.
При cosG = 1 наблюдается полное смачивание, а при cos0 = -1 - полное не-смачивание.
Лучшее смачивание обеспечивают жидкости с малым поверхностным натяжением.
Существенное влияние на смачивание оказывает шероховатость поверхности: с ее повышением смачивание улучшается. Значения коэффициентов поверхностного натяжения и динамической вязкости для некоторых жидкостей приведены в табл. 2.5.
Под влиянием поверхностного натяжения плоская поверхность жидкости стремится к сокращению.
Если поверхность не является плоской, в объеме жидкости возникает давле
ние, дополнительное к тому, которое испытывает жидкость с плоской поверхно-стью. В случае выпуклой поверхности это
давление положительно и направлено
внутрь жидкости, которая при этом испытывает сжатие. Если поверхность вогну
тая, давление отрицательно и поверхностный слой, стремясь сократиться, растягивает жидкость. Это добавочное давление рк (см. рис. 2.3) обусловливает изменение
уровня жидкости в капиллярах, поэтому
его называют капиллярным и само явление относят к числу капиллярных. В об
щем случае значение рк определяют по формуле Лапласа:
1
рк =OCOS0 —
(2.17)
где и г2 - главные радиусы кривизны поверхности жидкости.
Если мениск имеет форму цилиндрической поверхности радиусом г, то rj = г; г2 = 00.
Для сферической поверхности и = = г2 = Г.
Для сквозного цилиндрического канала радиусом г
2ocos0
Для сквозной плоской щели с раскрытием 8
2ocos0 Рк =-------•
2.5. Коэффициент о поверхностного натяжения, динамическая вязкость т|ж и плотность р жидкостей
Жидкость о, мН/м г)ж, мПа • с р, кг/м3
Ацетон 23,7 0,34 0,79
Бензин 29,9 0,53 0,879
Вода 72,8 1,06 1
Керосин 24 1,85 0,82
Этиловый спирт 22,8 1,22 0,789
ЗАКОНОМЕРНОСТИ ТЕЧЕНИЯ ГАЗОВ И ЖИДКОСТЕЙ ПО КАНАЛАМ ТЕЧЕИ
59
Смачивающие жидкости заполняют узкие полости любой формы. Необходимым условием заполнения является то, что размеры этих полостей должны быть настолько малы, чтобы жидкость могла образовать мениск сплошной кривизны без плоских участков. Под действием капиллярных сил смачивающие жидкости заполняют полости несплошностей материала. Находящийся в полостях воздух частично вытесняется из них, частично сжимается или растворяется в жидкости.
При погружении капиллярной трубки одним концом в смачивающую жидкость дополнительное давление заставляет жидкость подниматься по цилиндрическому капилляру на высоту h.
Для сквозного цилиндрического канала радиусом г
. 2ocos0 h =-------,
'Pg
где р - плотность жидкости, кг/м3; g - ускорение свободного падения, м/с2.
Для сквозной плоской щели с раскрытием 5
. 2ст cos 0 л =-------.
8pg
Таким образом, чем уже капиллярное отверстие, тем больше высота проникновения смачивающей жидкости в капилляр. ' Время проникновения жидкости через сквозные капиллярные каналы на расстояние / определяют так:
для сквозного цилиндрического канала радиусом г
т_ Лж .
го cos 0’
для щели с раскрытием 8
т- Лж 8ocos0
ч Молекулы жидкостей значительно сильнее, чем молекулы газов, связаны между собой. Для жидкостей соотношение
d будет справедливо практически как для микро-, так и для макрокапиллярных
течей. В этих случаях режим течения жидкостей через сквозные каналы (течи) является вязкостным, а расход жидкости определяется уравнением Пуазейля для жидкостей:
для цилиндрических каналов:
; (2-18)
128т]ж/ с
для щелевидных каналов:
л Л83 / \ м3
бжщ ”77 1\Р1 ’ (2-19)
12т]ж/ с
где е/, 8 и h - соответственно диаметр, короткая и длинная стороны канала, м; т]ж -динамическая вязкость жидкости, Па • с.
Следовательно, скорость истечения жидкости через сквозные микроканалы обратно пропорциональна ее вязкости и протяженности канала, прямо пропорциональна перепаду давлений и в большой степени зависит от размеров и формы поперечного сечения несплошности. Жидкость через микроканалы течей может проходить и в отсутствие внешнего перепада давлений за счет сил поверхностного натяжения и создаваемого ими капиллярного давления.
Реальные микроканалы течей характеризуются сложной геометрией и случайной формой поперечного сечения - от цилиндрической до щелевидной, причем форма и площадь сечения могут изменяться от входа до выхода из микроканала несплошности. Поэтому оценка значений потока (расхода) контрольной среды через цилиндрические микроканалы дает значения, существенно превышающие те, что имеют место в действительности.
Гидравлическое сопротивление щелевидных микроканалов является, как известно, наибольшим, следовательно, расход жидкости через них должен быть минимальным. Для того чтобы при оценке расхода жидкости через микроканал получить значения, близкие к действительным, в работе [5] в качестве модели реального микроканала выбран микроканал в виде
60
Глава 2. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТОДОВ ТЕЧЕИСКАНИЯ
правильной пирамиды, основанием которой является прямоугольная щель со сторонами 5 « h и длиной I. Такой выбор обоснован тем, что реальные микродефекты чаще всего представляют собой щели со стенками, имеющими конусность.
Для оценки расхода жидкости через сквозной микроканал, представляющий собой усеченную пирамиду, предложена следующая зависимость [5]:
(220) Т]ж/
где а0 - угол наклона стенки микроканала.
Для оценки расхода кроме размеров микроканала и свойств жидкости необходимо знать значение действующего перепада давлений.
В общем случае при течении смачивающей жидкости через микроканал возможны следующие условия движения жидкости в канале.
1. В микроканале при течении жидкости перепад давлений (р2 - р\) увеличивается на величину капиллярного давления рк, при скорости движения жидкости, большей скорости ее испарения, дополнительное сопротивление движению жидкости оказывается давлением ее пара рп, т.е. перепад давлений
ДР=Р2-Р1 +Рк~Рп-
2. При равенстве расхода текущей жидкости величине ее испарения со свободной поверхности в микроканале движению жидкости препятствует давление насыщенного пара жидкости рн, при этом могут возникнуть условия для прекращения движения жидкости в микроканале.
В этом случае перепад давлений на микроканале
&P=P2-Pi +Рк-Рн==0.
Следовательно, при определенных размерах сечения микроканала (некотором перепаде давлений) мениск жидкости в микроканале будет заглублен на величину /1 от выхода микроканала.
3. При значениях определяющего размера сечения а больше критического в микроканале происходит течение жидкости и 1\ = 0.
Чтобы жидкость перемещалась дальше, необходимо увеличить перепад давлений до величины
&Р=Р2-Р\ +Рк-Рн>0.
Достигнув конца микроканала, в зависимости от величины перепада давлений жидкость может продолжать движение, вытекая на поверхность микроканала. Вне его на расстоянии, меньшем или равном наименьшему размеру канала 8, капиллярная сила начинает препятствовать течению, так как изменяется кривизна мениска жидкости (мениск становится выпуклым). И чтобы жидкость, заполнившая канал, вытекла из него, должна быть совершена работа, равная работе формообразования замкнутой криволинейной поверхности для принятого сечения микроканала.
Перепад давлений на микроканале в этом случае должен удовлетворять неравенству
Др=Р2-Р1-Рк-Рн>0.
4. Наконец, при истечении жидкости из микроканала (х> I + а) перепад давлений на микроканале будет приблизительно равен& р= Р2~Р\-Р*~Р2-Р\ (т.е. избыточному давлению в объекте испытания), так как при растекании жидкости на поверхности капиллярное давление рк, определяемое из уравнения Лапласа (2.17), мало.
Таким образом, движение жидкости внутри микроканала имеет место при значении суммарного давления >0, прекращается движение жидкости в канале при нулевом значении перепада давлений.
Вне микроканала при значении перепада давлений Др > 0 и расстоянии, меньшем I + 8, движение жидкости может не происходить, но регистрация вытекшей жидкости возможна.
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ПРИ ТЕЧЕНИИ ГАЗОВ И ЖИДКОСТЕЙ 61
Найденные закономерности справедливы для значений 8 « 100 нм, при этом расчетным путем показано, что под действием силы поверхностного натяжения жидкость не достигает микроканала, если даже весь микроканал представляет собой одну пирамиду.
Авторы [5, 13] считают, что реальные микродефекты целесообразно рассматривать как сумму целого числа N чередующихся правильных пирамид, расположенных таким образом, что вершина первой пирамиды лежит на внутренней поверхности объекта испытаний, а основание последней - на его внешней поверхности.
Условия движения жидкости в модельном микроканале, состоящем из N пирамид при различном перепаде давлений, аналогичные описанным выше условиям, приведены в работе [5].
Численные решения задачи течения жидкости в капилляре показывают, что в зависимости от природы текущей жидкости и размеров капилляра при утечках Q < < 10"6 ... 10-5 м3 • Па/с (по газу) происходят в основном заглубление мениска в капилляре и испарение жидкости со свободной поверхности, т.е. жидкость на конец микроканала (поверхность объекта испытаний) поступает только в виде пара.
На прохождение жидкостей через микрокапиллярные каналы значительно влияет адсорбция молекул жидкости на их стенках. При этом на последних образуется граничный слой толщиной ~1СГ* мм с аномально высокой вязкостью, затрудняющей движение жидкости по каналу течи. К жидкостям, образующим адсорбционные пленки на стенках канала, относится прежде всего вода. В сочетании с отложениями загрязнений образование такого слоя может привести к зарастанию течи (облитерации), что необходимо учитывать при испытаниях объектов на герметичность.
Таким образом, на расход жидкости через микроканал влияют физико-химические свойства, капиллярное давление рк
и давление насыщенного пара рн жидкости. При этом чем меньше значения рк и рн, тем ниже сопротивление потоку жидкости и расход жидкости больше. Из уравнения Лапласа следует, что расход жидкости через микроканал увеличивается с уменьшением поверхностного натяжения, температуры насыщения и вязкости жидкости.
К уменьшению поверхностного натяжения приводит растворение в жидкости поверхностно-активного вещества (ПАВ), так как поверхность раздела жидкость - воздух заменяется поверхностью углеводород - воздух. При этом с повышением концентрации ПАВ поверхностное натяжение раствора падает до некоторого значения, оставаясь в дальнейшем практически постоянным, поэтому целесообразный диапазон концентраций 0,02 ...0,2 %.
К снижению поверхностного натяжения и увеличению смачиваемости приводит также добавление в жидкость растворяющейся в ней жидкости с меньшим поверхностным натяжением (органического растворителя). И, наконец, уменьшения вязкости чистой жидкости можно добиться растворением в ней жидкости, обладающей меньшей, чем у растворителя, вязкостью.
Таким образом, расход контрольной среды на основе воды, например, через микроканал течи можно значительно увеличить с помощью снижения ее поверхностного натяжения, вязкости и температуры насыщения путем растворения в ней неионогенного ПАВ (практически не образующего в водном растворе ионов) и органической жидкости.
2.5. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ПРИ ТЕЧЕНИИ ГАЗОВ И ЖИДКОСТЕЙ ЧЕРЕЗ
МИКРОКАНАЛЫ ТЕЧЕЙ
При течении газов и жидкостей через микроканалы течей величина расхода и кинетика процесса переноса определяются линейными размерами микроканалов и их
62
Глава 2. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТОДОВ ТЕЧЕИСКАНИЯ
геометрией, физическими свойствами протекающего вещества, а также имеющими место физико-химическими взаимодействиями между стенками микроканалов и компонентами протекающих газов и жидкостей. Влияние физического взаимодействия на перенос веществ через микроканал представлено в табл. 2.6 [5]. По характеру взаимодействия веществ с поверхностью микроканала, влияющего на массоперенос через микроканал, его можно разделить на четыре группы: воздействие поверхностных сил, скольжение жидкости, поверхностное течение и сольватацию.
Эти явления отмечались в капиллярах с радиусом <10 мкм. Поток веществ при этом может не только уменьшаться, но и увеличиваться, как, например, в случае скольжения жидкости и поверхностного течения.
В зависимости от радиуса микроканала капилляра могут переноситься только ионы (если радиус канала ~0,5 ... 1,0 нм) или только растворитель (радиус канала 1,0 ... 2,0 нм). В случае микроканалов с радиусом -10 нм наблюдается дифференциальный перенос растворителя и растворенного вещества вследствие возникновения физико-механического взаимодействия.
Чаще всего в основе взаимодействия в реальных условиях имеют место хемосорбция и химические процессы в приповерхностных пленках микроканалов дефектов.
Как правило, многие вещества, вступающие в контакт с поверхностью, образуют поверхностные соединения и за счет слабого взаимодействия, например сил Ван-дер-Ваальса, и за счет более прочной химической связи. Протекающие реакции
2.6. Влияние физического взаимодействия на перенос веществ через микроканал
Вид физического влияния Радиус или расстояние от поверхности, мкм Вид влияния на поток Изменяющиеся характеристики вещества
Поверхностные силы > 1 Неньютоновское движение; уменьшение потока Сдвиговая вяз- кость
Скольжение жид-кости > 1 При лиофобной поверхности поток увеличивается
>0,15 При лиофильной поверхности поток уменьшается Вязкость, которая увеличивается
Поверхностное течение 10 С уменьшением температуры вклад этого переноса увеличивается. Поток увеличивается в 5 ... 6 раз Структура приповерхностных слоев в жидкости
Сольватация >10 Уменьшается перенос газов и перенос ионов, снижается общий поток Уменьшается эффективное сечение течи; сольватация зависит от температуры и концентрации
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ПРИ ТЕЧЕНИИ ГАЗОВ И ЖИДКОСТЕЙ 63
могут быть обратимые и необратимые. Каждая такая реакция влияет на перенос газов и жидкостей через микроканалы течей, а результат этого влияния определяется соотношением локальной скорости потока, скоростью диффузии и сопряженных химических реакций.
На кинетику потока через микроканал основное влияние оказывают кинетические параметры сопряженных химических реакций, прежде всего скорость адсорбции и обратимость химических реакций.
Исследований непосредственно на реальных микроканалах течей или на одиночных капиллярах по выяснению влияния химических реакций, происходящих в микроканале, на течение газов и жидкостей до настоящего времени не проводилось.
Кроме химических реакций на перенос (течение) веществ через микроканалы влияет взаимодействие компонентов жидкости с веществами в приповерхностных пленках. Как правило, скорость таких реакций зависит от структуры пленок, присутствия в них ионов, природы реагирующих веществ. Наибольшее влияние на протекание реакций в пленках оказывают ионы различных металлов, которые изменяют структуру приповерхностных слоев и снижают проницаемость капиллярных дефектов. Возникающее уплотнение слоев связано с образованием координационных соединений металлов, а в водных растворах - с образованием соединений за счет водородных связей с кислородсодержащими центрами.
Таким образом, в общем на перенос газов и жидкостей через микроканалы течей влияют физико-химические свойства компонентов пробных веществ, технологических жидкостей, индикаторных составов и конструктивные материалы контролируемых объектов.
Применяемые при течеискании газы и жидкости в основном включают в себя: воздух, гелий, элегаз, фреоны, аммиак и их смеси, воду и водные растворы различных веществ, растворители, рабочие жидкости (топливо, масла, хладоагенты), а
также добавки к этим жидкостям разнообразных веществ в микроколичествах.
Воздух и гелий не должны быть влажными и содержать реакционные примеси, такие как галогеноводороды, летучие соединения серы, оксиды азота, что обеспечивается соответствующей технологией подготовки чистого воздуха (азота) и гелия.
Элегаз - гексафторид серы SF6 в чистом виде неядовит, нерастворим в воде, обладает малой реакционной способностью. Однако при некоторых условиях он может вступать в реакцию с некоторыми простыми, встречающимися в виде примесей в газах и жидкостях соединениями, образуя химически активные продукты. Такие соединения, как фтористый водород, диоксид серы, сероводород, - реакционноспособные соединения, реагирующие со многими металлами; их активность существенно повышается в микроканалах дефектов металлических конструкций, снижая проницаемость.
Фреоны, широко применяемые также в качестве растворителей, моющих жидкостей и пробных веществ, относятся к фторхлоруглеродным соединениям. В чистом виде они химически инертны, однако специально вносимые иногда во фреоны стабилизирующие присадки, а также случайные примеси менее летучи и могут привести к снижению проницаемости микроканалов течей вплоть до образования пробки из нелетучих компонентов.
Например, примеси, попадающие во фреон-113 во время мойки при подготовке объектов к испытаниям на герметичность -это продукты химической природы, которые могут не только уменьшить проводимость течей, но и реагировать с компонентами контрольных смесей и индикаторными составами. Примеси могут быть восстановителями, тогда уменьшается эффективная концентрация пробного вещества - окислителя (например, дихромата калия).
Аммиак как пробное вещество применяется при химических методах кон-
64
Глава 2. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТОДОВ ТЕЧЕИСКАНИЯ
троля герметичности. Он прекрасно растворяется в воде, в присутствии воды дает реакционноспособное соединение, реагирующее со многими веществами: кислотами, солями металлов, соединениями хрома (VI), углекислым газом; благодаря комплексообразованию с ионами металлов легко взаимодействует со сплавами цветных металлов: серебра, цинка, никеля, кобальта и др., что может снизить проводимость (расход) через микроканалы дефектов из таких сплавов.
Вода является самым простейшим устойчивым соединением водорода с кислородом. В основном водородными связями определяются свойства воды: строение жидкой воды в макро- и микрообъемах, температура кипения, теплота плавления и испарения, теплоемкость и др.
В воде хорошо растворяются многие соединения: соли, основания, органические вещества. Большую растворимость в воде имеют те газы, которые образуют с ней химические соединения (аммиак, например). В других случаях растворимость газов в воде невелика, но и тогда при нагревании или уменьшении давления выделяющийся газ может образовывать в микроканале течи газовые пробки, которые заметно снижают проницаемость дефекта для контрольных сред. По этой причине вода и водные растворы при использовании в качестве пробных веществ должны обезгаживаться.
Вода - достаточно реакционноспособное соединение. При обычных условиях она активно взаимодействует не только с такими металлами, как натрий, магний, но и с алюминием и его сплавами, если они не защищены оксидной пленкой или если пленка повреждена химическим или механическим путем. Взаимодействие усиливается в присутствии кислотных или основных оксидов, а также комплексооб-разователей, солей d-переходных металлов. Такие процессы увеличивают содержание нелетучих компонентов в микроканале и закупоривают дефекты (течи).
Получающиеся в результате взаимодействия воды с конструкционными материалами продукты реакции или случайно попавшие в водный раствор неорганические соединения могут гидролизоваться с образованием малорастворимых соединений, что часто снижает проницаемость дефектов.
В качестве контрольных сред применяют и водные растворы дихромата калия или натрия с концентрацией 0,01 ... .1,0 %. Они используются в качестве ингибиторов коррозии при испытаниях на прочность, а при совмещении операций применяются и в качестве пробных средств, так как соединения хрома (VI) являются сильными окислителями, в реакциях с их участием образуются интенсивно окрашенные соединения. При взаимодействии дихромата калия с поверхностью микроканала течи в алюминиевых сплавах происходит необратимая химическая реакция с образованием оксидов металлов сплава и соединений трехвалентного хрома. В результате снижается эффективная концентрация хрома (VI) в микроканале течи, что увеличивает время индикации истечения пробного вещества из дефекта; ухудшается также проницаемость течи из-за образования малорастворимых соединений хрома (III).
К аналогичным последствиям приводят реакции взаимодействия водных растворов дихромата калия с компонентами индикаторного состава - дифенилкарбази-дом или другим окислительно-восстановительным индикатором при их попадании в микро канал течи.
Для повышения проницаемости жидких контрольных сред часто используют синтетические ПАВ, в основном неионогенные - полиоксиэтиленовые эфиры жирных кислот или полиоксиэтиленовые эфиры алкилфенолов.
Но наряду с основными компонентами в ПАВ всегда присутствуют вещества, заметно более реакционноспособные, например полиэтиленгликоль (ПЭГ). Реаги
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ПРИ ТЕЧЕНИИ ГАЗОВ И ЖИДКОСТЕЙ 65
руя с окислителями, например дихроматом калия, ПЭГ способен к комплексообразованию с поверхностью микроканалов течей и ионами в растворах. Получаемые соединения с ионами алюминия (III) плохо растворимы, что приводит к уменьшению проницаемости микроканала.
При нагревании ПАВ до 323 К раствор мутнеет, т.е. выделяются твердые вещества. Это связано с процессами дегидратации и может снизить расход контрольной среды через микроканал течи.
На перенос пробного вещества через микроканалы течей и на эффективную концентрацию этого вещества, прошедшего через микроканал, большое влияние оказывают химические свойства микроканала дефекта, прежде всего химическая активность его поверхности по отношению к веществам, поступающим в микроканал. Активность поверхности течи зависит от причин и условий возникновения дефектов. Например, при образовании дефекта в процессе сварки алюминиевых сплавов в микроканале дефекта могут образовываться карбиды, нитриды алюминия и магния, силициды магния. Это активные соединения, легко вступающие в реакции с водой и пробными примесями.
При отсутствии защитной пленки оксида алюминия протекают реакции с участием многих веществ, в том числе и с дихроматом калия, который может реагировать с активной металлической поверхностью и восстанавливаться.
Реакционная способность поверхности твердого тела повышается с увеличением кривизны поверхности микроканала. Так как с уменьшением радиуса микроканала дефекта увеличивается доля активной поверхности к количеству пробного вещества в микроканале дефекта, то реакции, протекающие в нем, могут значительно уменьшить количество пробного вещества, прошедшего через течь к индикатору. При этом в дефекте могут образоваться твердые продукты, способные перекрыть поток пробного вещества.
К перекрытию микроканалов течи могут приводить «слабые» физические взаимодействия (также относящиеся к физико-механическим), например капиллярная конденсация летучих жидкостей, в том числе и воды. Конденсация происходит из-за уменьшения упругости пара в капилляре. Капиллярной конденсации, при которой микроканал полностью заполняется жидкостью, как правило, всегда предшествуют промежуточные стадии адсорбции пара: образование мономоле-кулярного слоя (за счет физической или химической адсорбции); формирование полимолекулярного слоя; после этих промежуточных стадий возникает капиллярная конденсация.
Процесс проникновения воды в микроканал за счет конденсации может длиться много часов. При этом на скорость образования моно- и полимолекулярного слоев влияют примеси. При наличии в газовой фазе примесей, а также загрязнений поверхности микроканала скорость адсорбции водяного пара резко уменьшается.
Анализ данных по адсорбции и капиллярной конденсации с позиций течеискания [5, 13] показывает, что все дефекты в зависимости от величины микроканала условно можно разделить на три группы:
1) дефекты с размером канала, меньшим 1,0 нм (для молекул большего размера, чем размер молекул воды, этот радиус может быть и >1,0 нм), когда капиллярная конденсация не наблюдается при любых давлениях паров; в каналах с таким радиусом происходит только мономолекулярная адсорбция;
2) дефекты с размером канала, большим 5,0 нм, когда наряду с полимолеку-лярной адсорбцией возникает капиллярная конденсация;
3) дефекты с размерами канала > 100,0 нм, когда капиллярная конденсация наблюдается лишь при упругости пара, приближающейся к давлению насыщения.
3 - 8193
66
Глава 2. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТОДОВ ТЕЧЕИСКАНИЯ
Следует отметить, что свойства жидкостей при капиллярной конденсации не изменяются, поэтому жидкости, в том числе вода, легко извлекаются из дефектов простым вакуумированием. Кроме того, капиллярная конденсация даже в капиллярах с соответствующим радиусом не происходит при низких упругостях пара.
Итак, для капиллярной конденсации воды (и других жидкостей) в дефекте необходимы довольно жесткие условия: определенный размер микроканала, сравнительно высокая влажность, отсутствие примесей, низкая температура (при температуре выше критической капиллярная конденсация не наблюдается) и достаточно длительный контакт дефекта с влажным воздухом, т.е. закрываться таким образом будут не все дефекты, а сконденсированная вода сравнительно легко может быть удалена из дефекта помещением объекта в сухой газ или вакуумированием.
В процессе образования моно- и по-лимолекулярного слоев, существование которых доказано даже для микроканалов молекулярных размеров (< 1,0 нм), вещества этих слоев могут образовать с поверхностью более прочную связь по сравнению с конденсированной жидкостью в дефекте. Образующиеся поверхностные соединения снижают эффективное сечение микроканала, приводя к уменьшению проводимости течи. Эти соединения часто удаляются из течи с большим трудом. Мономолекулярные слои играют значительную роль для дефектов с диаметром микроканалов 0,5 ... 10 нм.
Теоретические исследования по изучению свойств веществ в приповерхностных слоях показывают, что свойства веществ в тонком капилляре отличаются от таких же свойств объемной жидкости, а также от свойств тех же веществ, адсорбированных на ровной поверхности. Экспериментальные исследования соединений в тонких капиллярах немногочисленны из-за больших технических сложностей изучения таких систем. Это значительно затрудняет решение практических задач современного течеискания.
На проницаемость микроканала дефекта большое влияние может оказать процесс образования пробок различной природы за счет испарения из дефекта летучих компонентов бинарных или более сложных по составу жидкостей и концентрации менее летучих компонентов в дефекте. Пробки такого типа могут образоваться в дефектах различного размера в любом конструкционном материале.
Изучение процесса концентрации нелетучих компонентов (дихромата калия в водном растворе) в сквозных каналах капиллярного типа методом численного эксперимента показало, что концентрация нелетучего компонента увеличивается по направлению к устью капилляра вследствие испарения летучего компонента. После образования пробки прекращается испарение и, если имеется массообмен с основным объемом раствора, начинается ее растворение за счет диффузии. Соответственно, процессы закупорки и растворения последовательно повторяются, т.е. наблюдается периодический процесс закрытия и открытия микроканала дефекта. Математическая модель процесса с численным моделированием на ЭВМ была опубликована ранее [13].
Наиболее часто причиной уменьшения проницаемости и закрытия микродефектов является химическое взаимодействие, т.е. химическая реакция с образованием твердых продуктов в микроканале. Например, реакции в микроканалах из алюминиевых и низколегированных сталей с водой и многими компонентами пробных и технологических жидкостей, а также примесями, содержащимися в этих жидкостях, дают нерастворимые гидроксиды. Такие процессы, а не только капиллярная конденсация объясняют явление закупорки течей. Установлено, что 35 % течей с потоком 1 • 10~9 м3 • Па/с закупориваются и даже прогрев объекта при 423 К не позволяет раскрыть все закрытые течи [5].
К иным химическим причинам закупорки течей можно отнести и реакции образования координационных соединений.
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ПРИ ТЕЧЕНИИ ГАЗОВ И ЖИДКОСТЕЙ 67
Компоненты растворов, применяющиеся при контроле герметичности, часто образуют различно гидратированные комплексные соединения, удаление которых сопряжено с трудностями. Так, кристаллизационная вода легко удаляется при обычной или небольшой температуре, при этом кристаллическая структура соединений не изменяется. Внутрисферная вода всегда удаляется при повышенной температуре, и структура образующихся соединений отличается от исходных комплексов. Если в первом случае пробка будет проницаема для газообразных пробных веществ, например гелия, то во втором случае возможно образование газонепроницаемых соединений.
В табл. 2.7 систематизированы причины появления закупорок в микроканалах дефектов (течей) [5].
Таким образом, физико-химические свойства компонентов пробных смесей, технологических жидкостей, индикаторных составов и конструкционных материалов испытуемых объектов необходимо учитывать при разработке новых методов контроля герметичности и проведении испытаний существующими методами. Процессы с участием используемых в те-чеискании веществ и материалов испытуемых объектов могут существенным образом влиять на эффективность контроля герметичности.
2.7. Причины появления закупорок в капиллярных дефектах
Взаимодействие Вид закупорки Радиус капиллярного дефекта, мкм Методы уменьшения или ликвидации пробки
Физико-механическое Капиллярная конденсация 5 • 10’3... 0,1 Использование сухого воздуха в качестве пробного вещества и хорошо растворимых в воде пробных веществ; вакуумирование, нагрев
Физическое Мономолекулярная и полимолекуляр-ная адсорбция >1 10’3 ... 5 • 10 2 Вакуумирование, нагрев
Химическое Хемосорбция (1 ... 5)10’3 Нагрев. Возможно образование твердых продуктов
Взаимодействие с материалом конструкции Применение веществ, не взаимодействующих с материалом конструкций
Физико-химическое Твердая, в том числе кристаллическая пробка 10~2... 100 Использование веществ, хорошо растворимых. Уменьшение скорости испарения летучего компонента
3*
Глава 3
ТЕХНИКА ПОЛУЧЕНИЯ И ИЗМЕРЕНИЯ ВАКУУМА
3.1. ОСНОВЫ ПРОЦЕССА ОТКАЧКИ. ВАКУУМНЫЕ НАСОСЫ. ЛОВУШКИ
Вакуумная техника охватывает очень широкий диапазон давлений - от атмосферного (105 Па) до Па. На диаграмме (рис. 3.1) показаны области давлений, в которых наиболее рационально применяются насосы различных типов, поскольку насосом одного типа получить нужный вакуум невозможно. Пунктиром указаны давления, достигаемые при соблюдении специальных условий.
Выбор насоса для откачки объектов различного объема должен проводиться с учетом его быстроты действия.
Время откачки объекта от давления Pi до давления р2 определяется формулой
/ = 2,3—1g—, «э Р2
где V - объем откачиваемого объекта; S3 -эффективная скорость откачки объема.
Время уменьшения давления в 2,7 раза
V
Это время называется постоянной времени процесса откачки. При давлениях
< 10 Па время откачки объекта значительно превосходит рассчитанное и определяется газоотделением. Время откачки объекта от атмосферного давления до 100 Па с учетом снижения быстроты откачки при снижении давления приближенно определяется по формуле
где SH - быстрота действия насоса.
Основные параметры вакуумных насосов следующие.
Начальным давлением насоса называется такое давление, с которого он начинает нормально работать.
Из приведенной диаграммы видно, что только механические вращательные насосы начинают работать с атмосферного давления, большинство же насосов имеет начальное давление значительно ниже атмосферного, и для обеспечения их работы требуется насос предварительного разрежения.
Наибольшим выпускным давлением называется такое давление у выпускного отверстия насоса, при повышении которого насос прекращает нормальную работу вследствие прорыва газа с выпускной стороны.
Рис. 3.1. Диапазоны давлений применения вакуумных насосов различных типов
ОСНОВЫ ПРОЦЕССА ОТКАЧКИ. ВАКУУМНЫЕ НАСОСЫ. ЛОВУШКИ
69
Наибольшим давлением запуска называется такое давление у впускного отверстия насоса, при котором насос может начать работу.
Предельным давлением (предельным вакуумом) называется впускное давление насоса, достигаемое после достаточно длительной откачки вакуумной системы, не имеющей ни натеканий, ни газо-выделений.
Быстротой действия насоса при данном впускном давлении называется объем газа, поступающий в работающий насос в единицу времени.
Быстрота действия насоса 5Н определяется формулой
р
где Q - количество газа, удаляемого насосом в единицу времени; р - давление газа во впускном патрубке насоса.
Быстрота действия насоса измеряется объемом, отнесенным ко времени (л/с, м3/с).
Быстротой откачки объекта называется объем газа, поступающий в единицу времени из объекта в вакуумпровод при данном давлении в откачиваемом объекте.
Механические вращательные масляные насосы. В вакуумной технике и, в частности, в технике течеискания широко применяются вращательные насосы с масляным уплотнением трех типов: пластинчато-роторные, пластинчато-статорные и золотниковые [4, 10, 15].
На рис. 3.2 показана схема работы пластинчато-роторного насоса. Ротор /, эксцентрично расположенный в полости статора 2, при вращении вокруг своей оси прилегает к его внутренней поверхности, по которой скользят две подпружиненные посредством пружины 4 лопатки 3. При вращении ротора объем /, ограниченный лопаткой, увеличивается и газ из откачиваемого сосуда засасывается в него через впускной патрубок 5. Далее объем займет положение //, а затем ///. Дальнейшее
Рис. 3.2. Схема работы пластинчато-роторного насоса
Рис. 3.3. Схема работы пластинчато-статорного насоса:
1 - вал двигателя; 2 - ротор; 3 - прорезь в корпусе статора; 4 - пластина; 5 и 6 - впускной и выпускной патрубки соответственно;
7 - рычаг; 8 - пружина
движение ротора приводит к уменьшению объема III и сжатию находящегося в нем газа. Под давлением сжатого газа открывается клапан 6 и газ выбрасывается в атмосферу.
На рис. 3.3 показана схема работы пластинчато-статорного насоса, в статоре которого расположена одна уплотнительная пластина, скользящая по поверхности эксцентрично расположенного вращающегося ротора. Засасывание газа через впускной патрубок, его сжатие и выброс через выпускной клапан происходят так же, как в пластинчато-роторном насосе.
70
Глава 3. ТЕХНИКА ПОЛУЧЕНИЯ И ИЗМЕРЕНИЯ ВАКУУМА
Рис. 3.4. Схема работы золотникового насоса
В золотниковом насосе, схема работы которого показана на рис 3.4, используется тот же принцип, но вместо пластин применяется золотниковое устройство, посредством которого осуществляются всасывание и выброс откачиваемого газа. Цилиндрическая обойма 2, надетая на эксцентрично расположенный ротор 7, катится, скользя по стенке камеры, а закрепленный на ней патрубок движется вверх-вниз в золотнике 3. Откачиваемый газ всасывается через отверстие 4 и выбрасывается через выпускной клапан 5 в патрубке 6.
Масло, заполняющее кожух вращательных насосов, предназначается для смазки трущихся деталей и для уплотнения зазоров между ними, а также для герметизации сальника и надежности выпускного клапана. Нормальная работа вращательных насосов в значительной мере зависит от количества и качества заливаемого в них масла. Оно должно быть чистым, обладать достаточной вязкостью, не должно содержать воду и посторонние примеси.
Характер зависимости быстроты откачки механических насосов от давления газа на впускном патрубке приведен на рис. 3.5.
При эксплуатации вращательных насосов отрицательное действие на их работу может оказать наличие в вакуумных установках источников парообразования.
Рис. 3.5. Характер зависимости быстроты откачки механических насосов от впускного давления
В работающем насосе пары, подвергаясь вместе с газами сжатию, конденсируются и, смешиваясь с маслом, не удаляются из насоса. По мере установления равновесия между упругостью пара в насосе и откачиваемом объеме откачка паров прекращается. Жидкость, попавшая в масло, приводит к окислению и осмолению масла и металлических деталей насоса, в результате чего насос не только теряет работоспособность, но и может выйти из строя.
Для обеспечения нормальной откачки при выделении значительных количеств паров воды применяются насосы с газобалластным устройством, обеспечивающим в некоторый момент работы насоса напуск в камеру сжатия сухого воздуха, что предотвращает конденсацию паров.
При подсоединении механического насоса к вакуумной системе необходимо предусмотреть возможность напуска воздуха в насос при его остановке. В противном случае после остановки насоса в вакуумную систему может проникнуть масло из насоса вследствие перепада давлений в случае негерметичного корпуса насоса.
При эксплуатации механических насосов следует иметь в виду, что из-за неполной балансировки вращающихся частей насосы могут создавать вибрации каркаса установок, где они монтируются. Поэтому при монтаже нужно применять амортизаторы.
При первоначальном включении необходимо убедиться в правильности направления вращения ротора, указываемого на корпусе насоса.
ОСНОВЫ ПРОЦЕССА ОТКАЧКИ. ВАКУУМНЫЕ НАСОСЫ. ЛОВУШКИ
71
3.1. Основные технические характеристики некоторых масляных механических насосов
Параметр Тип насоса
2НВР-5ДМ НВР-16Д ЗНВР-1Д АВЗ-20Д
Быстрота действия в диапазоне давлений на входе от атмосферного до 0,26 кПа, м3/с 0,005 0,0176 0,001 0,02
Предельное остаточное давление, Па: полное с газобалластом полное без газобалласта парциальное по воздуху 2,6 0,67 1,3 • 102 6,7 0,67 1 • 10'2 6,7 1,1 6,7 • 10’2 6,7 1,1 1,3 • 10-2
Мощность двигателя, кВт 0,55 1,7 0,25 2,2
Масса, кг 27 72 9,5 185
Технические характеристики некоторых вращательных механических насосов, выпускаемых промышленностью, представлены в табл. 3.1.
Двухроторные механические насосы. Двухроторные насосы представляют собой ротационную машину типа «Руте». В корпусе 7, имеющем овалообразное сечение, вращаются синхронно навстречу друг другу два фигурных ротора 2, по профилю напоминающие восьмерки. Между вращающимися роторами и стенками корпуса имеются небольшие зазоры, что позволяет развивать большие скорости. вращения роторов. Роторы приводятся во вращение через шестеренчатую передачу, связывающую их валы и находящуюся вне рабочей камеры. В рабочей камере насоса отсутствует смазка. Привод насоса осуществляется от электродвигателя через упругую муфту. Схема двухроторного насоса показана на рис. 3.6.
Процесс откачки в двухроторных насосах происходит захватом и переносом газа от впускного патрубка 3 к выпускному 4 непрерывно вращающимися лопастями. Неуплотненные зазоры между вращающимися деталями не позволяют применять эти насосы при значительных
перепадах давлений, поэтому для получения низких давлений они должны работать в паре с обычными механическими насосами.
Рис. 3.6. Схема двухроторного насоса: 1 - корпус; 2 - фигурный ротор;
3,4- впускной и выпускной патрубки соответственно
72
Глава 3. ТЕХНИКА ПОЛУЧЕНИЯ И ИЗМЕРЕНИЯ ВАКУУМА
Двухроторные насосы обладают большой быстротой действия при сравнительно небольших габаритных размерах. Они применяются для откачки крупногабаритных вакуумных систем.
Технические характеристики двухроторных насосов представлены в табл. 3.2.
Промышленность выпускает также двухроторные агрегаты, представляющие собой установленные на общей раме и последовательно соединенные между собой двухроторный и форвакуумный насосы. Агрегаты АВР-500 и АВР-1500 имеют быстроту действия 0,5 и 1,5 м3/с соответственно.
Турбомолекулярные насосы. Турбо-молекулярные вакуумные насосы (ТМН) являются разновидностью вращательных насосов и широко применяются в электронной, авиационной, атомной, электротехнической и других отраслях промышленности [9]. В последнее десятилетие эти насосы получают все большее распространение для высоковакуумной откачки в масс-спектрометрических течеискателях и к настоящему времени практически вы-
3.2. Основные технические характеристики двухроторных насосов
Параметр 2ДВН-500 2ДВН-1500
Быстрота действий в области давлений 5 ... 200 Па, м3/с 0,5 1,5
Предельное остаточное давление, Па 0,7
Мощность электродвигателя, кВт 7,5 11
Рекомендуемый форвакуумный насос AB3-63 АВЗ-180
Частота вращения ротора, об/мин 3000
Масса, кг 550 830
теснили пароструйные насосы. Турбомолекулярные насосы обладают существенными преимуществами перед другими высоковакуумными средствами откачки: они практически не загрязняют откачиваемый объем парами углеводородов, как диффузионные насосы; имеют большую быстроту действия при откачке легких газов; время их запуска и остановки существенно меньше, чем у диффузионных насосов; в них легко обеспечивается различная степень сжатия по легким газам, что позволяет в течеискателях осуществлять режим противотока и тем самым расширять их эксплуатационные возможности.
Единственным ощутимым недостатком ТМН является наличие быстро изнашивающихся подшипников или сложных систем подвеса ротора (электромагнитного или газодинамического). Однако современный уровень машиностроительной технологии позволяет гарантировать работу ТМН до замены подшипников в течение 5000 ... 10 000 ч.
Принцип действия ТМН основан на переносе молекул откачиваемого газа дисками вращающегося с высокой скоростью ротора, расположенными в малом зазоре между дисками статора.
Конструктивно ТМН выполняются в горизонтальном или вертикальном исполнении (рис. 3.7). В корпус 2 закреплены неподвижные статорные диски 4. Ротор /, представляющий собой вал с рабочими дисками 3, вращается в корпусе со скоростью в десятки тысяч оборотов в минуту. В рабочих дисках ротора предусмотрены косые радиальные пазы либо установлены под определенным углом лопатки. Статорные диски имеют конфигурацию, зеркально отражающую конфигурацию роторных.
Ротор насоса устанавливается в корпусе на подшипниках качения. В насосах с вертикальным расположением вала иногда применяют магнитную подвеску или газовые подшипники. Вращение ротора обеспечивается электроприводом.
ОСНОВЫ ПРОЦЕССА ОТКАЧКИ. ВАКУУМНЫЕ НАСОСЫ. ЛОВУШКИ
73
Рис. 3.7. Схема ТМН:
а - горизонтального; б - вертикального
Турбомолекулярные насосы работают в паре с форвакуумными насосами, обеспечивающими остаточное давление 0,1 ... 1 Па. При остановке и запуске ТМН необходимо предусматривать мероприятия, исключающие проникновение паров масла в насос и в откачиваемую вакуумную систему. Миграция паров масла форвакуумного насоса при остановке ТМН предотвращается напуском осушенного воздуха во всасывающий патрубок ТМН. Вращающийся ротор препятствует проникновению паров углеводородов в полость насоса, поэтому клапан, соединяющий форвакуумный насос с ТМН, открывается только после разгона ротора, а по достижении номинальной скорости вращения ротора всасывающая полость насоса соединяется с откачиваемым объемом.
Основные технические характеристики некоторых ТМН приведены в табл. 3.3.
Пароструйные масляные насосы. При давлении в откачиваемом объеме < 1 Па производительность вращательных механических насосов резко снижается, а при давлении <0,1 Па она практически равна нулю. С целью получения в вакуумируемых объектах давлений 10"1 ... 1 (Г6 Па успешно применяются пароструйные насосы. Эти насосы надежны в работе, легко поддаются ремонту и относительно дешевы.
Работа пароструйных насосов основана на откачивающем действии исте
кающих из сверхзвуковых сопел паровых струй, образованных парами специальных рабочих жидкостей [9, 10].
Пароструйные насосы подразделяются на эжекторные (105 ... 1 Па), бустерные (10 ... 10"2 Па) и высоковакуумные диффузионные (< 10"2 Па). В течеискателях длительное время применялись диффузионные насосы, и, поскольку в эксплуатации находится большое количество этих насосов, именно их и следует рассмотреть.
Диффузионные насосы предназначены для откачки газа из различных вакуумных систем до остаточных давлений ~10’s Па.
Принцип действия насосов основан на диффузии молекул газа в сверхзвуковую паромасляную струю и переносе их со струей к охлаждаемой поверхности, на которой масляный пар конденсируется, а газ откачивается вспомогательным насосом.
Схема действия трехступенчатого пароструйного насоса показана на рис. 3.8. Пары рабочей жидкости из кипятильника 9 проходят по концентрическим паропроводам и со сверхзвуковой скоростью выходят через сопла первой, второй и третьей ступеней в виде струй, направленных под углом к охлаждаемой стенке насоса, и конденсируются на ней. Проникающие через впускное отверстие молекулы газа диффундируют в струю пара первой ступени и уносятся ею. После конденсации
74
Глава 3. ТЕХНИКА ПОЛУЧЕНИЯ И ИЗМЕРЕНИЯ ВАКУУМА
3.3. Основные технические характеристики некоторых ТМН
Параметр ВМН-150 ТМН-200 01АБ-450-003 01АБ-1500-004
Быстрота действия по азоту, м3/с 0,16 0,25 0,27 0,72
Предельное остаточное давление по азоту, Па 1 • 10~7 2 • 10'7 7 10’7 6,5 • 10~7
Частота вращения ротора, об/мин 36 000 18 000 24 000 21 000
Напряжение, В 220
Потребляемая мощность, Вт 400 150 900 1200
Dy патрубка, м: входного выходного 0,125 0,04 0,160 0,05 0,16 0,04 0,250 0,07
Габаритные размеры, мм 330 х 250 х х 230 860 х 620 х х 600 0280 х 480 (вертикальный) 420 х 420 х 500
Масса, кг 20 290 44 80
пара капли рабочей жидкости стекают по стенке насоса обратно в кипятильник, а перенесенный газ диффундирует в струю пара второй ступени. Действия второй и третьей ступеней аналогичны действию первой. В результате газ переносится к выпускному патрубку и откачивается из пароструйного насоса вращательным механическим насосом.
Быстрота откачки определяется действием первой ступени. Вторая и третья ступени проводят откачку с меньшей быстротой, но обеспечивают большой перепад давлений. Если вращательный насос не может создать достаточный для работы высоковакуумного насоса вакуум, применяют два последовательно соединенных пароструйных насоса - высоковакуумный и вспомогательный (бустерный). Каждый из этих насосов имеет свои особенности: высоковакуумный отличается большой скоростью откачки, но сравнительно незначительным перепадом давлений, бустерный насос рассчитан на большой перепад давлений пара, обеспечиваемый применением специальных сопел и мощного электронагревателя.
Рис. 3.8. Схема действия трехступенчатого диффузионного насоса:
1 - рабочая жидкость; 2-4- соответственно первая, вторая и третья ступени; 5 - водяное охлаждение корпуса насоса; 6 и 7 - впускной и выпускной патрубки соответственно;
8 - концентрические паропроводы;
9 - кипятильник; 10 - электроподогреватель;
о - молекулы газа; -> - пары масла
ОСНОВЫ ПРОЦЕССА ОТКАЧКИ. ВАКУУМНЫЕ НАСОСЫ. ЛОВУШКИ
75
Рис. 3.9. Зависимость быстроты действия диффузионного насоса от впускного давления
Параметры пароструйных насосов в значительной мере зависят от различных факторов. Зависимость быстроты действия диффузионного насоса от впускного давления показана на рис. 3.9. В широком диапазоне давлений быстрота действия диффузионных насосов остается постоянной (область II). Для некоторых насосов этот диапазон превышает два порядка.
При низких давлениях (область I) спад быстроты действия происходит вследствие противодиффузии молекул газа через паровую струю со стороны более низких ступеней, вылета из струи и миграции в откачиваемый объем молекул легких газов, десорбции газа со стенок насоса.
Уменьшение быстроты действия диффузионных насосов при увеличении
впускного давления (область III) связано с перетеканием газа из области предварительного разрежения в высоковакуумную из-за нарушения уплотнения паровой струи и отрыва ее от стенок насоса.
Быстрота действия диффузионных насосов зависит также от рода рабочей жидкости, рода откачиваемого газа, конструкции насоса, мощности подогревателя, температуры откачиваемого газа. Она прямо пропорциональна квадратному корню из абсолютной температуры откачиваемого газа.
На рис. 3.10 показана зависимость быстроты действия диффузионного насоса от мощности подогревателя, имеющая явно выраженный максимум, соответствующий оптимальной мощности подогревателя. При малой мощности происходит компенсация различных тепловых потерь и насос практически не работает. С повышением подводимой мощности часть ее затрачивается на парообразование и формирование струи - насос начинает работать. При оптимальной мощности быстрота действия насоса максимальна. Дальнейшее повышение мощности нарушает стабильность струи, и быстрота действия насоса снижается.
Зависимость быстроты действия диффузионных насосов от рода рабочей жидкости связана с различными термодинамическими и физико-химическими характеристиками жидкостей. Жидкость обычно выбирают исходя из требований к
Рис. 3.10. Зависимость быстроты действия диффузионного насоса от мощности нагревателя
76
Глава 3. ТЕХНИКА ПОЛУЧЕНИЯ И ИЗМЕРЕНИЯ ВАКУУМА
вакуумной системе и, соответственно, к применяемым откачным средствам. При этом учитывают необходимый уровень предельного вакуума; остаточную среду в вакуумной системе; вероятность окисления жидкости и т.п. Повышенное содержание рабочей жидкости так же ухудшает параметры насоса, как и пониженное. Оптимальное количество определяют при разработке и конструировании насоса.
В качестве рабочей жидкости в пароструйных насосах могут использоваться ртуть, органические и 1фемнийорганиче-ские масла. В связи с вредным воздействием паров ртути на здоровье обслуживающего персонала в настоящее время ртуть практически не используют. В табл. 3.4 приведены марки и основные характеристики масел, которые применяются в качестве рабочих жидкостей в пароструйных насосах.
Для охлаждения стенок в пароструйных насосах служит водопроводная вода,
протекающая по змеевику, закрепленному на корпусе насоса с внешней стороны. В случаях невозможности использования водяного охлаждения (в передвижных вакуумных установках, например в масс-спектрометрических течеискателях) применяются насосы с воздушным охлаждением. На корпусе таких насосов устанавливаются радиаторы, рассеивающие тепло, а принудительный поток воздуха обеспечивается вентилятором, смонтированным на кронштейне корпуса насоса.
При эксплуатации пароструйных насосов надо внимательно следить за исправностью системы охлаждения корпуса насоса, поскольку отсутствие охлаждения даже на короткое время приводит к подгоранию масла и потере им необходимых для работы насоса свойств. Попадание атмосферного воздуха на разогретое масло вызывает его окисление и выход насоса из строя.
3.4. Рабочие жидкости пароструйных насосов
Рабочая жидкость Упру-гость пара при 293 К, Па Кинематическая вязкость при 323 К, сСт Предельное остаточное давление, Па Плотность при 20 °C, кг/м3 Молярная масса, г/моль Теплота парообразования, кДж/кмоль
ВМ-1 (ОСТ 3801402-86) 5 • 10"... 3 • 10" 65 ... 69 2- 10" 1,15 105
ВМ-2 4- 10" 870 450 1,0 - 105
ВМ-5 (ОСТ 3801402-86) 1 • 10"... 1 • 10" 68 ... 74 1 • ю" 1,2 • 105
ПФМС (ТУ 6-02-1-274-74) 6 • 10"... 9 • 10 5 8 ... 13 1 • 10" 1000 570
ФМ-1 (ТУ 6-02-758-73) ~1 • 10" 35 ... 37 1 • 10"... 1 • 10" 1096 547 1 • Ю5
ФМ-2 (ТУ 6-02-286-76) 10"° 55 ... 62 5 • 10" 1105 690
5Ф4Э (ТУ 6-09-06-307-76) 1 • 109 130 5 • 10" 1200 446 1,2 - 105
Алкарен-24 5 • 10" 50 ... 60 8 • 10" 915 420 1 • 105
ОСНОВЫ ПРОЦЕССА ОТКАЧКИ. ВАКУУМНЫЕ НАСОСЫ. ЛОВУШКИ
77
В процессе эксплуатации пароструйных насосов необходимо периодически проводить профилактические и ремонтные работы: зачистку и промывку паропровода, смену масла, смену уплотнительных прокладок и др.
При работе с диффузионными насосами надо соблюдать правила вакуумной гигиены, периодичность профилактики, правила повседневной эксплуатации.
Чистота насоса и рабочей жидкости определяющим образом влияет на время получения предельного вакуума. Во избежание окисления масла и вследствие этого выхода насоса из строя нельзя допускать прорыва атмосферного воздуха в насос. Для эффективной работы насоса рабочая жидкость должна выбираться в соответствии с условиями эксплуатации насоса. Например, если требуется получить давление < 10-6 Па, следует вместо наиболее распространенного и дешевого масла ВМ-1 использовать масла ФМ-1 и 5Ф4Э. Если по условиям работы в насос периодически может попадать атмосферный воздух, нужно применять полисилоксановые жидкости: ПФМС или ПЭС-В-1.
Для присоединения насоса к откачиваемой системе следует использовать возможно более короткие и широкие патрубки.
В процессе эксплуатации насосов иногда возникает необходимость в откачке определенных газов. Эффективность откачки легких газов можно повысить увеличением мощности подогрева насоса.
Существенную роль при эксплуатации диффузионных насосов играет охлаждение корпуса. Поэтому нужно следить за тем, чтобы расход охлаждающей воды или поток охлаждающего воздуха соответствовал паспортным данным.
Работа диффузионных насосов в значительной степени определяется работой форвакуумных насосов. Поэтому форвакуумный насос надо выбирать строго по рекомендациям, изложенным в паспорте, а при эксплуатации - контролировать его работу.
Выбор насоса для той или иной вакуумной системы осуществляется при проектировании исходя из требуемого вакуума, рабочего объема системы, необходимого времени выхода на режим, суммарного газового потока и т.п.
Современные пароструйные насосы обеспечивают получение вакуума до ЦТ6 Па, а быстрота откачки достигает 20 м3/с.
Основные технические характеристики некоторых диффузионных насосов представлены в табл. 3.5.
Ловушки. Предельное давление пароструйных высоковакуумных насосов ограничено помимо указанных ранее причин обратным потоком паров рабочей жидкости из насоса в откачиваемый объект. Для уменьшения этого потока применяются ловушки: конденсирующие, каталитические, сорбирующие и др.
Простейшим видом конденсирующих ловушек является механический отражательный колпачок (рис. 3.11), устанавливаемый у входного патрубка насоса. По припаянной снаружи колпачка трубке циркулирует вода, что обеспечивает охлаждение колпачка и более эффективную конденсацию паров масла. Устройство крепится на фланце, на наружной стороне которого имеются два штуцера для подключения к системе охлаждения. Такие отражатели позволяют в 20 ... 30 раз уменьшить обратный поток паров рабочей жидкости, не снижая быстроты откачки насоса.
Конденсирующие ловушки различной конструкции широко применяют в большинстве высоковакуумных систем. Схемы некоторых таких ловушек показаны на рис. 3.11. Для эффективной работы ловушки в подавляющем большинстве охлаждают. В качестве хладоагента используют лед с СаС12, твердую углекислоту со спиртом, фреон, жидкий кислород, но чаще всего жидкий азот. Это объясняется его наиболее низкой температурой среди хладоагентов, удобством работы с ним, простотой получения и низкой стой-
3.5. Технические характеристики некоторых диффузионных паромасляных насосов
Параметр Н-0,025 НВДС-63-40 НВД-0,15 НВД-400 НВД-1400 НВДМ-160 НВ ДМ-630 НСВДМ-160 НСМВ ДМ-250
Быстрота действия в диапазоне впускных давлений 10"3 ... 10’1 Па, м3/с 0,01 0,05 0,08 0,4 1,4 0,7 16,2 0,7 1,7
Предельное остаточное давление, Па 10‘5 2,5 • 10"4 10’5 6,5 • I0 5 6,5 • 10-6
Наибольшее выпускное давление, Па 92 65 33,3 26,6
Расход охлаждающей воды при температуре 283 ... 293 К и давлении 1,5 • 105 Па, л/ч Вентилятор 50 30 60 600 85 155
Мощность 'электронагревателя, кВт 0,27 0,25 0,45 1,0 2,2 0,8 9,0 1,2 2,2
Напряжение, В 220 380/220
Масса, кг 4,6 4,0 9,0 13,0 25,0 16 280 16,2 45
Требуемая быстрота действия форвакуумного насоса 0,25 0,5 1,5 3,0 5,0 3,0 5,0 4,0 10
Глава 3. ТЕХНИКА ПОЛУЧЕНИЯ И ИЗМЕРЕНИЯ ВАКУУМА
ВАКУУМНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
79
Рис. 3.11. Схема конденсирующих ловушек:
а — отражательный колпачок; б — коническая дисковая; в — охлаждаемая стеклянная; г - охлаждаемая металлическая
мостью. Жидкий азот при нормальных условиях быстро испаряется. Поэтому для транспортировки и хранения его заливают в сосуды Дьюара.
Основным недостатком охлаждаемых ловушек является то, что они не удаляют из вакуумной системы конденсируемые вещества, а только удерживают их на охлажденной поверхности. При нагреве поверхности ловушки (когда охлаждающее вещество испаряется) пары снова распространяются в вакуумной системе. Емкость ловушек увеличивают путем расширения охлаждаемой поверхности или введением в конструкцию ловушки адсорбентов, таких как активированный уголь, цеолит и т.п., которые способны поглощать значительные количества паров и некоторых газов. Это - сорбционные ловушки.
3.2. ВАКУУМНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
При конструировании вакуумных систем и герметизированных изделий по
мимо обычных требований к материалам -прочности, технологичности и т.п. - вакуумная техника выдвигает ряд дополнительных специфических требований к ним:
- упругость паров при рабочей температуре значительно ниже рабочего давления;
- минимальные газовыделение и газопроницаемость при рабочем давлении;
- коррозионная стойкость, немагнит-ность, герметичность при малых толщинах, легкость обезгаживания.
Применяющиеся в вакуумной технике материалы имеют различные физико-химические свойства, их можно разделить на три основные группы:
- металлы;
- стекло;
- технологические материалы (резина, клей, смазки, пластмассы и т.п.).
Металлы. При создании современных вакуумных установок основными
80
Глава 3. ТЕХНИКА ПОЛУЧЕНИЯ И ИЗМЕРЕНИЯ ВАКУУМА
конструкционными материалами являются различные металлы (нержавеющая сталь, медь, сплавы алюминия, сплавы бронзы, титан, молибден, тугоплавкие металлы и др.). Применяемые металлы достаточно прочны и выдерживают перепады рабочих давлений, они допускают высокотемпературный прогрев. Однако далеко не все металлы могут использоваться в установках среднего и высокого вакуума. Так, например, металлы с крупнозернистой структурой не обладают необходимой вакуумной плотностью. К этой категории относятся чугунное и цветное литье. Поэтому чугун идет иногда только на изготовление корпусов оборудования, работающего при низком вакууме, и то при некоторой дополнительной обработке или дополнительном уплотнении. Цветное литье также подвергается дополнительной обработке - пайке, лужению.
При конструировании вакуумных систем среднего и высокого вакуума, как правило, применяется прокат, который даже при малой толщине обладает хорошей вакуумной плотностью. Сортовой прокат нержавеющей и малоуглеродистой стали, прокат меди, латуни, сплавов алюминия, никеля и др. являются наиболее широко применяемыми металлами.
Помимо вакуумной плотности существенно влияет на степень получаемого вакуума выделение металлом газов, поглощенных им ранее. Количество поглощенных газов зависит от природы газов и металла, соприкасающихся между собой при выплавке и разливе металла. В условиях высокого вакуума состояние равновесия концентрации газов в металле с окружающей средой нарушается.
Система газ - металл стремится к установлению нового равновесного состояния, в результате чего в вакуумную систему может выделиться значительное количество газов. При комнатных температурах процесс диффузии газов в металле проходит очень медленно, поэтому обез-гаживание вакуумной системы в таких условиях может идти крайне долго. По
скольку при повышенных температурах процесс диффузии ускоряется, в вакуумной технике широко используют термическое обезгаживание вакуумных систем. Следует отметить, что газы в металлах могут находиться в свободном состоянии, заполняя различные дефекты, и в химических соединениях. Удалять газы, находящиеся в свободном состоянии, гораздо легче. Для удаления газов, находящихся в связанном состоянии, необходимо вначале обеспечить разложение соединений, а затем уже удалять газ из толщи металла.
Количество растворенных в металле газов и время обезгаживания вакуумной системы зависят также от чистоты поверхности металла, обращенного в вакуум, от шероховатости поверхности, ее пористости, наличия раковин и т.п., поэтому при сборке вакуумных систем или вакуумных приборов детали должны подвергаться чистке, промывке и механической обработке с высокой степенью чистоты.
Существуют различные приемы чистки, травления и промывки деталей вакуумных систем. Так, детали из нержавеющей стали и меди можно обрабатывать азотной кислотой с последующей обильной промывкой водой, очистку деталей от масла следует проводить последовательной промывкой в бензине, ацетоне и спирте. Для этих целей используют также фреон-1 13, нефрас.
Температура и длительность обезгаживания вакуумных систем зависят от свойств металла и требований к рабочему вакууму. Обезгаживание низковакуумных установок часто проводят непродолжительное время и при комнатной температуре. Детали, работающие в высоком и сверхвысоком вакууме, обезгаживают в течение длительного времени при температурах до 600 °C. Особенно высокие требования к чистоте и обезгаживанию предъявляются к деталям, входящим в конструкцию малогабаритных электровакуумных приборов, поскольку даже небольшое выделение газа в отпаянном приборе малого объема вызывает значитель
ВАКУУМНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
81
ное повышение давления в нем и выводит прибор из строя.
Стекло. Стекло является одним из основных вакуумных* материалов. На заре развития вакуумной техники все экспериментальные вакуумные установки изготовляли из стекла. В настоящее время при конструировании различных вакуумных систем металлы изрядно потеснили стекло, но элементы вакуумных систем и различные электровакуумные приборы из стекла находят самое широкое применение в вакуумной технике. Такое положение обусловлено прекрасными вакуумными свойствами стекла. Важнейшими достоинствами стекла являются:
- малое давление насыщенного пара;
- высокая вакуумная плотность;
- незначительная газопроницаемость практически по всем газам (исключение составляет гелий);
- легкое обезгаживание;
- хорошая электроизоляция;
- легкость очистки поверхности;
- способность принимать нужную форму;
- надежность спаев с некоторыми металлами.
Несмотря на отличные вакуумные свойства, стекло при неправильной его обработке может вызвать нежелательные явления. Например, из-за плохой теплопроводности в стекле после его обработки при температуре размягчения и самопро
извольного охлаждения возникают внутренние напряжения, в результате чего стекло может треснуть. Во избежание таких явлений охлаждать стекло надо очень медленно. Операция снятия внутренних напряжений в стекле или предохранения от их возникновения называется отжигом стекла.
По величине температуры отжига стёкла делятся на легкоплавкие (температура размягчения 470 ... 580 °C) и тугоплавкие (температура размягчения 575 ... 800 °C).
Особое место занимает наиболее тугоплавкое стекло - кварцевое. Температура начала его размягчения 1125 °C. Это стекло обладает высокой прочностью, оно прозрачно для ультрафиолетовых лучей.
В табл. 3.6 приведены температуры размягчения и отжига технического стекла.
Наряду со стеклом в производстве герметизированных изделий часто применяют керамику. По многим свойствам керамика превосходит стекло. Прочность керамики гораздо выше, газовыделение значительно ниже, чем из стекла. Стабильность свойств керамики при температурах до 1200 К обеспечивает длительную работоспособность керамических изделий. Керамика образует прочные вакуумные соединения с различными металлами и сплавами (медь, алюминий и др.).
Технологические материалы. В вакуумной технике широко применяются резина, пластмасса, клей, смазки и другие мате
3.6. Температурные характеристики стекла
Стекло Температура размягчения, К Температура отжига, К
С37-2 863 . .. 893 693 .. .. 823
С39-1 903 .. 923 678 . .. 823
С40-1 893 683 .. .. 803
С47-1 853 .. .. 873 683 .. .. 838
С49-1 843 .. .. 863 673 .. .. 823
С89-5 803 770.. .. 790
С87-1 753 .. .. 773 623 .. .. 733
82
Глава 3. ТЕХНИКА ПОЛУЧЕНИЯ И ИЗМЕРЕНИЯ ВАКУУМА
риалы, которые, не являясь конструкционными материалами, входят в состав вакуумных установок и герметизированных изделий как вспомогательные. Среди этих материалов наибольшее распространение получили резины. Они применяются в виде толстостенных шлангов для подсоединения механических насосов и других соединений трубопроводов на стороне форвакуума. Из резиновых пластин изготовляются прокладки, в ряде производств используются литые формованные прокладки. При этом выбирается резина, обладающая определенными физико-химическими и механическими характеристиками. Так, например, белая резина 7889 наиболее пластична, но имеет ряд недостатков по проницаемости, термостойкости и другим параметрам.
Физико-механические характеристики некоторых резин, применяемых в технике течеискания, приведены в табл. 3.7.
В качестве прокладок широко применяется также фторопласт-4, по ряду свойств даже превосходящий резину. Он отличается значительно большей термостойкостью (рабочая температура до 500 К) и химической устойчивостью, благодаря высокой пластичности позволяет уплотнять даже шероховатые поверхности. Газовыделение фторопласта-4 в 10 и более раз меньше, чем у лучших резин.
Клеевые соединения также применяются в вакуумной технике достаточно широко. Для приклеивания резины к металлу,
стеклу и другим материалам используются клеи 88-Н, КТ-30. Для склеивания различных сталей, сплавов титана и приклеивания к ним многих неметаллических материалов служат клеи ВК-2, К-300-61. Металлы и неметаллы склеивают клеем ФЛ-4С.
В ряде производств для герметизации отдельных узлов и мест нарушения герметичности в последнее время используются анаэробные уплотняющие герметики. Последние представляют собой жидкие составы различной вязкости, быстро отверждающиеся в узких зазорах с образованием прочного полимерного слоя. Анаэробные герметики применяются для пропитки пористого литья, сварных швов, прессованных изделий с целью устранения микродефектов. Для устранения дефектов < 0,07 мм применяются низковязкие герметики анатерм-1 и анатерм-1У, при наличии дефектов > 0,07 мм проводится комбинированная пропитка. Анатерм-1 отверждается в дефектах при температуре 20...25°C за24 ч, анатерм-1У-за 1... 5 ч. Диапазон рабочих температур загерметизированных изделий анатермом-1 -196 ... +150 °C, анатермом-1У -196 ... +200 °C. Эти герметики наносятся на дефектный участок поверхности капельницей или кистью. Перед нанесением герметика поверхность тщательно очищается механическим путем, масляные и другие загрязнения удаляются с помощью растворителей: ацетона, бензина, фреона-113.
3.7. Характеристики некоторых резин
Показатель 7889 9024 ИРП-1345 ИРП-2043
Интервал рабочих температур, К 281 ... 343 253 ... 363 240 ... 470 -
Стойкость по отношению к маслу и бензину Нестойкая Маслостойкая Маслобен-зостойкая Маслостойкая
Удельный поток газовы-деления, м3 • Па/(м2 • с) 5,3 • 10~5 2,7 • 10’5 2,7 • Ю’5 2,4 • 10’5
Проницаемость при 298 К и давлении 105 Па, м3 • Па/(м2 • с) по азоту 2,3 • 10’7 2,5 108 2,4 • 10’8 6 • 10 9
ВАКУУМНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
83
Способы сочленения элементов вакуумных систем. Различные элементы вакуумных систем соединяются между собой трубопроводами, изготовляемыми из бесшовных труб. В зависимости от условий эксплуатации применяют трубы из углеродистой, легированной и нержавеющей сталей, а также из латуни и меди. В качестве трубопроводов используют и толстостенные шланги из вакуумной резины с внутренним диаметром 3 ... 30 мм (с шагом в 3 мм) и такой же толщиной стенки. Применение толстостенных шлангов обусловлено предохранением их от пережатия атмосферным воздухом при откачке внутренних полостей. Материал трубопровода выбирают исходя из специфики рабочих процессов. Например, при откачке агрессивных газов или паров воды трубопроводы выполняют из нержавеющей стали; на стороне низкого вакуума чаще всего используют резиновые шланги и т.п. Для обеспечения небольших перемещений в качестве трубопроводов часто применяют гибкие сильфоны.
В зависимости от назначения вакуумной системы и удобства ее монтажа отдельные элементы и узлы соединяются между собой посредством неразборных и разборных соединений. К неразборным соединениям относятся паяные и сварные.
Пайке, как правило, подвергаются трубы небольшого сечения и малой длины. При этом в зависимости от применяемых материалов пайка осуществляется мягким, средним и твердым припоями.
Особое направление представляет пайка стекла и керамики с металлом. Этот вид пайки широко распространен в вакуумной технике, поскольку в эксплуатации находится огромное количество элементов из стекла.
При осуществлении неразборных соединений гораздо чаще используется сварка. Соединение трубопроводов с фланцами, соединение их между собой, присоединение к трубопроводу или вакуумной камере различных патрубков, штуцеров, вакуумной арматуры производятся различными
видами сварки: газовой, электродуговой в защитной атмосфере газа, точечной, шовной, роликовой, лазерной и др.
Вакуумные соединения должны обеспечивать герметичность соединяемых деталей, близкую к герметичности сплошного материала. Разборные соединения существенно облегчают эксплуатацию вакуумных установок, поскольку обеспечивают возможность ремонта вышедших из строя элементов.
Разборные соединения получают с помощью резиновых шлангов, штуцерных и фланцевых соединений с резиновым уплотнением, таких же соединений с металлическими уплотнениями различного профиля. Выбор того или иного соединения определяется назначением вакуумной установки, условиями ее эксплуатации, требуемым вакуумом, температурным режимом и т.п.
Простейшее разъемное соединение трубопроводов 1 и 2 показано на рис. 3.12. Резиновый шланг выбирается так, чтобы его внутренний диаметр был меньше диаметра патрубков в 1,5 раза. Концы металлических патрубков желательно изготовлять в виде «оливок». При надевании шланга его внутреннюю полость необходимо смазать смазкой Рамзая или форвакуумным маслом.
Для присоединения к системе трубок небольшого сечения (до 30 мм) очень широко применяется в вакуумной технике «грибковое» разборное соединение (рис. 3.13). Труба вставляется в гнездо, и при навинчивании гайки 2 металлическое кольцо 3 сжимает и деформирует кольцевую резиновую прокладку 7, которая уплотняет трубу.
Рис. 3.12. Разъемное соединение трубопроводов
84
Глава 3. ТЕХНИКА ПОЛУЧЕНИЯ И ИЗМЕРЕНИЯ ВАКУУМА
Рис. 3.13. «Грибковые» уплотнения: а - стационарные (d = 30 мм);
б - съемные (d - 4 ... 20 мм)
В вакуумной технике получили большое распространение фланцевые соединения различной модификации. В большинстве случаев в одном из соединительных фланцев протачивается канавка, в которую укладывается резиновая или фторопластовая прокладка, выступающая над поверхностью на нужную высоту (определяется ГОСТом). Резиновые прокладки вырезаются из резиновых пластин или склеиваются из шнура прямоугольного или круглого сечения. Формованные резиновые уплотнители дают наилучшие результаты. Фланцы соединяются посредством болтов или другого крепления.
Для прогреваемых высоковакуумных систем применяются фланцевые соединения канавочного клинового типа с металлическими плоскими прокладками из алюминия, меди. Такие соединения предусматривают проточку в одном из фланцев фигурной канавки, а в другом «зуба». Прокладка укладывается в канавку под «зуб». Размеры всех соединительных деталей определяются ГОСТом. Помимо канавочно-клинового соединения применяются и другие, подробно описанные в ГОСТах и справочной литературе по вакуумной технике. Металлические прокладки практически непроницаемы для газов, а газовыделение их в сотни раз меньше, чем у резин. Для
повышения надежности уплотнения металлические прокладки предварительно отжигают в вакуумной или водородной печи, а иногда в пламени газовой горелки с охлаждением на воздухе с последующими травлением и промывкой.
В вакуумной технике для перекрытия газовых потоков широко используется различная запорная арматура: зажимы, клапаны, затворы.
Зажимы применяются для перекрытия резиновых толстостенных шлангов, соединяющих элементы вакуумной установки. Зажимы выполняются в виде струбцин различной конструкции. Два вида удобных в эксплуатации ручных зажимов показаны на рис. 3.14, а и б.
Большое количество клапанов и затворов из разнообразных материалов и видов уплотнителей (резиновые, фторопластовые, металлические), разного проходного сечения и различных механизмов привода подвижных частей подробно рассмотрены в соответствующих стандартизирующих документах по вакуумной арматуре и литературе по вакуумной технике.
Вакуумная арматура подразделяется на клапаны (диаметр условного прохода до 100 мм) и затворы (диаметр условного прохода > 100 мм).
По конструкции клапаны и затворы классифицируются на угловые (газовый поток меняет направление на 90°) и проходные (без изменения направления газового потока), по типу привода - на ручные, электромеханические, электромагнитные, электропневматические.
Основными эксплуатационными характеристиками клапанов и затворов являются:
- степень герметичности, которая определяется натеканием газа через уплотнительную пару и в зависимости от назначения клапана или затвора лежит в преде-лах 10’" ... 10~7м3 - Па/с;
- проводимость в открытом положении, определяемая отношением диаметра условного прохода к перепаду давлений на клапане;
ВАКУУМНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
85
Рис. 3.14. Приспособления для пережатия резиновых шлангов:
1 - рукоятка; 2 - зажимные планки; 3 - эксцентрик; 4 - резиновый шланг
- быстродействие, зависящее от времени перекрытия с обеспечением заданной герметичности;
- ресурс работы, определяемый числом циклов перекрытия с обеспечением заданной герметичности.
В зависимости от типа вакуумной системы и требуемого рабочего давления в ней применяется непрогреваемая и прогреваемая вакуумная арматура. Непрогре-ваемые клапаны и затворы выполнены с резиновыми прокладками и используются в установках, работающих при температуре до 70 °C (в отдельных случаях при использовании силиконовых прокладок до 150 °C) и при давлении > 5 • 10"5 Па. Прогреваемые клапаны и затворы могут работать при температуре до 450 °C и применяются в высоковакуумных установках при давлении <5 ... 10”5 Па. Непрогреваемая арматура изготовляется из алюминия, стали, нержавеющей стали Х18Н10Т, материалом уплотнителя служит резина марок 7889, 9024. Прогреваемая арматура производится из коррозионно-стойкой нержавеющей стали 12Х18Н10Т. В каче
стве материала уплотнителя используется металл (в основном медь) с малым газо-выделением.
На рис. 3.15 - 3.18 показаны конструкции различных современных клапанов и затворов, применяемых в вакууумных установках, откачных постах, течеискателях.
Рис. 3.15. Вакуумный клапан с ручным приводом
86
Глава 3. ТЕХНИКА ПОЛУЧЕНИЯ И ИЗМЕРЕНИЯ ВАКУУМА
245
Рис. 3.16. Вакуумный клапан с ручным эксцентриковым приводом
В ручном клапане ДУ-25 (см. рис. 3.15) с винтовым приводом 2 и сильфонным уплотнением штока усилие уплотнения создается вращением маховика 7. Для удобства сборки и ремонта привод смонтирован на фланце 3 и представляет собой съемный узел. Уплотнение седла клапана обеспечивается резиновым уплотнителем 4.
На рис. 3.16 показан клапан с ручным эксцентриковым приводом. Усилие уплотнения создается эксцентриком 7, перемещение которого по вертикали ограничивается направляющей 2. Тем самым обеспечена возможность исключения пружины и надежной герметизации при возникновении давления с любой стороны тарелки клапана 3 на уплотнитель 4.
Электромагнитные клапаны по конструкции сложнее ручных, но обладают рядом технических характеристик, получить которые в ручных клапанах невозможно. Время срабатывания электромагнитных клапанов —0,1 с, что делает их незаменимыми в качестве блокировочных
элементов в автоматизированных установках, в том числе в течеискателях.
На рис. 3.17 приведена конструкция электромагнитного клапана КС-25, применяемого в последних моделях отечественных масс-спектрометрических течеи-скателей. Клапан состоит из корпуса 2, электромагнита 9 с катушкой 7, якоря 8, штока 7, пружины 5, заслонки клапана 4, гайки 6, кнопки сигнализации 10, крестовины 3. При подаче напряжения на электромагнит втягивается якорь, а вместе с ним шток и заслонка. Клапан открыт. При втягивании якоря срабатывает кнопка сигнализации. Прекращение подачи напряжения в цепь катушки электромагнита возвращает якорь со связанной с ним заслонкой в исходное положение. В клапане предусмотрена возможность регулировки усилия уплотнения заслонки по седлу, создаваемого пружиной. Для точности сопряжения седла и заслонки предусмотрена направляющая деталь - крестовина.
ВАКУУМНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
87
Рис. 3.17. Электромагнитный клапан КС-25
Рис. 3.18. Высоковакуумный затвор
88
Глава 3. ТЕХНИКА ПОЛУЧЕНИЯ И ИЗМЕРЕНИЯ ВАКУУМА
Для перекрытия трубопроводов больших сечений применяют вакуумные затворы. Схема высоковакуумного затвора показана на рис. 3.18. В открытом положении тарелка 2 расположена вертикально в корпусе 1. При вращении эксцентрикового валика 3 тарелка поворачивается на 90° и занимает горизонтальное положение. При продолжающемся вращении эксцентрикового валика выдавливается фиксатор 4, а рычаг 5 вдвигается в рамку 7. Затем эксцентриковый валик опускает левое плечо рычага 5 и через подшипник 6 прижимает тарелку к резиновому уплотнителю. Валик 3 приводится во вращение электроприводом или вручную.
Для регулировки напуска газов в вакуумную систему применяются различной конструкции натекатели с ручным, электромеханическим и электромагнитным приводами.
Конструкция игольчатого натекателя с ручным управлением показана на рис. 3.19. Погружение вращением гайки 7 тонкой стальной конической иглы 8 в отверстие медного седла 3 регулирует величину потока газа. Подвижное уплотнение иглы обеспечивается металлическим сильфоном 4. Сильфонный узел уплотняется с корпусом через резиновую прокладку 5. Натека-тель устанавливается на вакуумной системе через патрубок 7, соединяемый с корпусом 6 посредством гайки 2, и обеспечивает напуск газа величиной потока 1,3 х X 10-8 м3 • Па/с.
Все описанные вакуумные материалы, арматура, трубопроводы и способы их присоединения применяются не только при сборке вакуумных систем, но и при контроле герметичности этих систем, отдельных изделий, приборов и узлов. Те или иные материалы выбираются исходя из тех же принципов: надежности соединений, получения необходимого вакуума, минимального газовыделения, удобства эксплуатации. При выборе запорной арматуры из большой номенклатуры выпускаемых клапанов и затворов целесообразно руководствоваться стандартизирующими документами.
Рис. 3.19. Игольчатый натекатель
3.3. ИЗМЕРЕНИЕ НИЗКИХ ДАВЛЕНИЙ
Приборы для измерения давлений ниже атмосферного называются вакуумметрами. Вакуумная техника охватывает весьма широкий диапазон давлений, при которых эксплуатируются оборудование и приборы, - от атмосферного до 10~12 Па. Измерение давлений каким-либо одним вакуумметром в таком огромном диапазоне невозможно. Поэтому разработано и эксплуатируется большое количество вакуумметров, различающихся по принципу действия: жидкос’гные, компрессионные, деформационные, тепловые (термопарные и сопротивления), ионизационные (электронные и магнитные электроразрядные) [9, 12].
ИЗМЕРЕНИЕ НИЗКИХ ДАВЛЕНИЙ
89
Жидкостные, компрессионные и деформационные вакуумметры относятся к приборам прямого действия. Их показания не зависят от рода газа, т.е. они измеряют непосредственно давление газа, поэтому их часто называют абсолютными. Остальные типы вакуумметров относительные, так как в их работе используется зависимость параметров физических процессов от давления в вакуумной системе. Неабсолютные вакуумметры обычно состоят из вакуумметрического преобразователя и измерительного блока. Они подвергаются периодической градуировке по компрессионному вакуумметру или на специальной градуировочной установке.
Жидкостные U-образные вакуумметры, Диапазон давлений, измеряемых U-образными вакуумметрами, лежит в пределах 10 ... 104 Па. Конструктивно вакуумметр выполнен в виде изогнутой стеклянной трубки U-образной формы (рис. 3.20). В трубку заливают рабочую жидкость (ртуть или вакуумное масло) так, чтобы уровень в обоих коленах доходил до начального уровня измерительной части, нанесенной на корпус вакуумметра. Через открытый кран, смонтированный на входе, откачиваются оба колена вакуумметра, после чего они изолируются одно от другого. При изменении давления в системе уровни жидкости смещаются. Разность уровней жидкости в коленах характеризует измеряемое давление:
р = А - В = AHg, где А и В - отсчеты в коленах трубок; AHg - разность уровней.
При заполнении трубки ртутью результат измерения давления выражается в мм рт.ст. При заполнении трубок маслом для выражения давления в мм рт.ст. разность уровней необходимо умножить на отношение удельного веса масла (0,8 г/см3) к удельному весу ртути (13,6 г/см3), т.е.
Рис. 3.20. Жидкостные U-образные вакуумметры: а - с открытым коленом; б - с закрытым коленом
Рис. 3.21. Деформационный вакуумметр
Деформационн ы е вакуумметры.
Принцип действия деформационных (механических) вакуумметров (рис. 3.21) основан на деформации гибких элементов под действием разности давлений. В качестве деформационных элементов используются изогнутая полая и закрытая с одного конца пружина (трубка Бурдона), мембраны, сильфоны и т.п. Вакуумметр через трубку 4 подсоединяется к вакуумной системе. Наружная поверхность трубки Бурдона 2 всегда подвергается действию ат
90
Глава 3. ТЕХНИКА ПОЛУЧЕНИЯ И ИЗМЕРЕНИЯ ВАКУУМА
мосферного давления. Если внутри трубки также атмосферное давление, то стрелка манометра 7, прикрепленная через механизм поворота 3 к трубке, стоит на нуле шкалы. При понижении давления в вакуумной системе с подсоединенным вакуумметром под действием разности давлений, действующих на наружную и внутреннюю поверхности, трубка сжимается и подвижной конец пружины перемещается, заставляя перемещаться стрелку. Показание шкалы п, против которого остановилась стрелка, определяет разность давлений атмосферного ра и внутри трубки р. Следовательно, давление в вакуумной системе
р — рл — п.
Аналогично работают вакуумметры с другими деформационными элементами с разницей лишь в механическом устройстве перемещения стрелки.
Деформационные вакуумметры менее точны по сравнению с жидкостными, но они находят большее применение в производстве благодаря своей прочности, малым габаритным размерам и удобству в эксплуатации. Выпускаются такие вакуумметры как для измерения вакуума, так и для измерения избыточных давлений.
Компрессионный вакуумметр. Принцип работы компрессионного вакуумметра основан на применении закона Бойля -Мариотта. Вакуумметр относится к числу абсолютных, но из-за неудобства в эксплуатации его применение ограничено решением лабораторных задач, в частности градуировкой относительных вакуумметров.
Вакуумметр (рис. 3.22) состоит из стеклянного баллона 3 с измерительным капилляром 2, верхний конец которого запаян. К нижней части баллона припаяна трубка, через которую вакуумметр подсоединяется к вакуумной системе. Трубка имеет ответвление - сравнительный капилляр 7, внутренний диаметр которого одинаков с измерительным.
Рис. 3.22. Компрессионный вакуумметр
К нижнему концу трубки присоединяется приспособление 4, содержащее ртуть и обеспечивающее ее поднятие в процессе измерения давления.
При измерении давления осуществляется подъем ртути в измерительном капилляре до определенного уровня. Зная объем измерительной полости (градуируется при изготовлении манометра) и измеряя объем сжатого газа, по закону Бойля-Мариотта определяется давление в вакуумной системе:
рУ\ = (Al - h2)V2 или Р =уг(л1 ~h2 )•
При градуировке выбирают метку / на измерительном капилляре, до которой поднимают ртуть, и определяют постоянную вакуумметра
тогда р = с (А] - /z2)«
Тепловые вакуумметры. Тепловые вакуумметры состоят из измерительного блока и преобразователя.
Принцип действия тепловых преобразователей основан на зависимости теплопередачи через разреженный газ от дав
ИЗМЕРЕНИЕ НИЗКИХ ДАВЛЕНИЙ
91
ления. Передача теплоты происходит от тонкой металлической нити к баллону, в котором расположена электродная система преобразователя.' Металлическая нить нагревается в вакууме путем пропускания тока.
К тепловым относятся термопарный преобразователь и преобразователь сопротивления. Схемы их включения показаны на рис. 3.23.
Термопарный преобразователь представляет собой стеклянный или металлический баллон, в котором на вводах смонтированы подогреватель и приваренная к нему термопара. Подогреватель нагревается током, регулируемым переменным сопротивлением и измеряемым миллиамперметром.
Температура нагреваемой нити измеряется термопарой 3. При неизменном токе накала нити вследствие изменения давления в баллоне 1 преобразователя, присоединенном к вакуумной системе, изменяется температура нити и, соответственно, термо-ЭДС, по величине которой определяют давление.
Преобразователь сопротивления выполнен в виде стальной трубки, внутри которой натянута нить накала. Пропускаемый через нить ток регулируется переменным сопротивлением и измеряется миллиамперметром.
В преобразователе сопротивления используется зависимость сопротивления нити от температуры, а следовательно, от давления. Ток накала нити измеряется миллиамперметром, включенным последовательно с ней в мостовую схему измерения. При неизменном токе накала нити вследствие изменения давления в баллоне преобразователя изменяется ее температура и, соответственно, сопротивление, вызывающее разбаланс моста, по величине которого определяют давление.
Тепловые преобразователи градуируют по компрессионному вакуумметру или на специальной градуировочной установке по сухому воздуху или азоту. Тепловые преобразователи могут работать в режиме как постоянного тока, так и постоянной температуры нити. Градуировочные кривые показаны на рис. 3.24.
Показания тепловых преобразователей зависят от рода газа. Для регистрации давлений чистых газов, отличных от воздуха, можно пользоваться типовой градуировочной кривой (приводится в паспорте преобразователя) для сухого воздуха, умножая полученные по этой кривой величины давления на соответствующие коэффициенты, приведенные в табл. 3.8.
Рис. 3.23. Электрические схемы питания термопарного (а) и терморезисторного (б) преобразователей:
1,4- термопарный и терморезисторный преобразователи соответственно;
2 - нагреваемая нить; 3 - термопара
92
Глава 3. ТЕХНИКА ПОЛУЧЕНИЯ И ИЗМЕРЕНИЯ ВАКУУМА
Рис. 3.24. Градуировочные кривые теплового преобразователя: а - при постоянном токе накала;
б - при постоянной температуре нити
3.8. Значения пересчетного коэффициента для некоторых чистых газов
Газ Коэффициент
Азот (воздух) 1,0
Аргон 1,56
Ацетилен 0,6
Водород 0,67
Гелий 1,12
Криптон 2,3
Метан 0,61
Неон 1,31
со 0,97
Сернистый газ 0,77
Углекислый газ 0,94
Этилен 0,79
Тепловой преобразователь электрическим кабелем соединяется с измерительным блоком, образуя тепловой вакуумметр.
Тепловые вакуумметры - самые распространенные приборы для измерения давления, они просты в эксплуатации и весьма надежны.
Преимуществом тепловых вакуумметров является возможность непрерывного измерения давления.
Инерционность показаний, связанная с тепловой инерцией нити, изменяется от нескольких секунд при низких давлениях до нескольких миллисекунд при высоких давлениях.
Технические характеристики современных тепловых вакуумметров приведены в табл. 3.9.
Ионизационные вакуумметры. Ионизационные вакуумметры относятся к неабсолютным вакуумметрам. Они состоят из измерительного блока и преобразователя, соединенных электрическим кабелем.
Принцип действия ионизационных преобразователей основан на пропорциональности между давлением в баллоне преобразователя и ионным током, образованным ионизацией остаточных газов. Ионизационные преобразователи подразделяются на электронные, в которых ионизация газа осуществляется термоэлектронами; магниторазрядные, где измеряемое давление пропорционально разрядному току в магнитном поле; радиоизотопные, в которых ионизация газа обеспечивается излучением радиоизотопных источников.
Ионизационные преобразователи применяются для измерения давления в интервале 10"8... 10° Па.
Электронные ионизационные преобразователи. Конструктивно преобразователи и схема их включения напоминают обычный триод (рис. 3.25). Накаленный катод К эмитирует электроны, которые ускоряются электрическим полем положительно заряженной сетки С. Поскольку витки сетки относительно редки, большинство электронов пролетает ее и отталкивается отрицательно заряженным коллектором К]. Совершая колебательные движения около сетки, электроны сталкиваются с молекулами остаточных газов и ионизируют их. Положительно заряженные ионы собираются отрицательно заряженным коллектором, выполненным в виде цилиндра.
ИЗМЕРЕНИЕ НИЗКИХ ДАВЛЕНИЙ
93
3.9. Основные технические характеристики тепловых вакуумметров
Тип вакуумметра . Тип преобразователя Диапазон измерений, Па Относительная погрешность, %
ВТБ-1 ПМТ-6-3 0,7 ...4- 103 -40, +60
13BT3-003 (ВТБ-2) 1,3 ... 4- 103 -50, +70
РВТ-2М -40, +60
РВТ-3
ВТ1-4
УКВ-3/7-001 -50,+100
УКВ-3/6-002
УКВ-3/7-003
ВТБ-2/3-002 ПДТ-18 6- 10’2...4- 103 -50, +80
ВТ-2 ПМТ-2 1 ... 10 ±30
ПМТ-4М 10"' ... 20
ВТ-3 ПМТ-2 0,1 ... 7 - 102 ±30
ПМТ-4М ±50
ВИТ-3 (термопарная часть) ПМТ-2 0,1 ... 7- 102 ±30
ПМТ-4М ±50
ВТ-6 ПМТ-2 0,1 ... 7 • 102 ±30
ПМТ-4М 0,1 ... 10 ±60
ВТЦ-1 ПДТ-8 10’2... 102 ±(15 ... 20)
ПДТ-9 10’3... 10 ±(15 ... 25)
Рис. 3.25. Схема электронного ионизационного преобразователя
Величина ионного тока /и определяется уравнением ионизационного преобразователя:
4 4 А
где 4 - электронный ток; - чувствительность ионизационного преобразователя; р - давление газа.
Отсюда следует, что пропорциональность ионного тока измеряемому давлению обеспечивается при поддержании постоянного значения электронного тока.
Пределы измеряемых давлений такого преобразователя 10~5 ... 1 Па. Верхний предел ограничен нарушением линейности градуировочной характеристики, когда средняя длина свободного пути электрона становится меньше пути электрона между электродами. Расширение верхнего предела измерений возможно при уменьшении расстояний между электродами.
94
Глава 3. ТЕХНИКА ПОЛУЧЕНИЯ И ИЗМЕРЕНИЯ ВАКУУМА
Существуют приборы, верхний предел измерения которых доведен до 10 Па. Во избежание перегорания прямонакального вольфрамового катода в таких приборах используются катоды из окислов редкоземельных металлов.
Нижний предел измерения ограничен фоновыми токами (рентгеновское излучение сетки, ультрафиолетовое излучение с катода, автоэлектронная эмиссия с катода). Для уменьшения фоновых токов предложен преобразователь с осевым коллектором, в котором катод, выполненный в виде петли, расположен вне сеточного анода. Это расширило нижний предел измерения давления до 1 (Г8 Па.
На рис. 3.26 показана конструкция электронного ионизационного преобразователя с охватывающим и осевым коллекторами.
Электродная система ионизационных преобразователей монтируется либо в стеклянной колбе с патрубком, либо на внутренней поверхности фланца. Установка стеклянных преобразователей на
вакуумную систему осуществляется грибковым или фланцевым соединением.
Ионизационные преобразователи соединяются с регистрируемым блоком электрическим кабелем, образуя вакуумметр.
Технические характеристики современных вакуумметров с ионизационным преобразователем приведены в табл. 3.10.
Магниторазрядные манометрические преобразователи. Принцип действия магниторазрядных преобразователей основан на зависимости тока самостоятельного газового разряда в скрещенных электрическом и магнитном полях от давления газа в вакуумной системе. Электродные системы этих преобразователей бывают нескольких видов:
ячейка Пенинга (рис. 3.27, а) состоит из двух дисковых катодов 1 и цилиндрического анода 2;
магнетронный преобразователь (рис. 3.27, б) также имеет цилиндрический анод 2, а катодные диски 1 в нем соединены между собой центральным стержнем;
Рис. 3.26. Электронные ионизационные преобразователи с охватывающим (а) и осевым коллекторами (бу.
1 - катод; 2 - сетка; 3 - коллектор
ИЗМЕРЕНИЕ НИЗКИХ ДАВЛЕНИИ
95
3.10. Основные технические характеристики некоторых электронных ионизационных вакуумметров
Тип вакуумметра Тип преобразователя Диапазон измерений, Па Относительная погрешность, %
ВИТ-2А (ионизационная часть) ПМИ-2 ±30
ВИТ-2АП (ионизационная часть) ЛМ-З-2 10" ... io"
ВИТ-3 (ионизационная часть) ПМИ-2
ЛМ-З-2 10'5 ... 1 ±60
ПМИ-10 10'3 ... 100
ВИ-14 ИМ-12, МИ-12-8, ПМИ-27 7- 10’8... 10" ±55
ВИЦ-9/0-001 ПМИ-55 7 - 10’9... 1 ±25 (10“7... 1 Па); ±55 (7 • 10’9 ... 10’7 Па)
ВИЦ-2/7-002 ПМИ-51 7 • 10'9 ... 10 ±40 (7 • 10~5... 10"Па); (1 ... 10 Па); ±35(10"... 10" Па); ±60(10" ... 1 Па)
Рис. 3.27. Электродные системы магниторазрядных преобразователей
в инверсно-магнетронном преобразователе (рис. 3.27, в) центральный стержень выполняет роль анода, а наружный цилиндр - катода.
Все электроды находятся в постоянном магнитном поле. Положительное напряжение 2 ... 6 кВ подается на анод, катод заземлен и соединяется с входом усилителя постоянного тока.
Эмитируемые в результате автоэлектронной эмиссии электроны при соударениях с молекулами остаточных газов ионизируют их с потерей энергии и перемещаются к аноду. Образовавшиеся положительные ионы движутся к катоду и при соударении с ним выбивают вторичные
электроны, ток которых пропорционален ионному току. Пренебрегая фоновым током автоэлектронной эмиссии, можно считать, что разрядный ток магниторазрядного преобразователя
/ = /и + /вт = ^п,
где а = 10" ... 10", A/Па; п = 1 ... 1,4 -постоянные.
Верхний предел измерения ограничивается необходимостью снижения максимального разрядного тока во избежание возникновения дугового разряда и фоновым током. Для облегчения зажигания разряда в сверхвысоком вакууме на экранных пластинах устанавливают иголки, способствующие автоэлектронной эмиссии, или используют нагревательные элементы, включение которых повышает давление.
Магниторазрядные преобразователи, как и электронные ионизационные, имеют неодинаковую чувствительность к различным газам. Поэтому при измерениях давления чистых газов, отличных от воздуха, необходимо учитывать коэффициен-
96
Глава 3. ТЕХНИКА ПОЛУЧЕНИЯ И ИЗМЕРЕНИЯ ВАКУУМА
ты относительной чувствительности, пользуясь выражением
п _Рь Рг =---’
Яг
где рв - показания вакуумметра при измерении давления воздуха; рг - давление чистого газа; qr - коэффициент относительной чувствительности преобразователей к данному газу.
Относительная чувствительность ионизационных преобразователей приведена в табл. 3.11.
Преимуществом магниторазрядных преобразователей перед другими ионизационными преобразователями является более высокая надежность в работе в связи с заменой накаленного катода холодным, недостатком - нестабильности, связанные с колебаниями работы выхода электронов при загрязнении катодов.
Отечественная промышленность выпускает различные магниторазрядные вакуумметры, их технические характеристики приведены в табл. 3.12.
Конструктивно измерительные блоки тепловых, ионизационных и магниторазрядных вакуумметров выполняют или в виде переносных настольных приборов, или в панельном оформлении, хорошо вписывающемся во внешний вид измерительных стоек промышленных установок. Блоки обеспечивают подачу необходимых
напряжений на электроды преобразователей и измерение выходных параметров. Они содержат схемы питания, схемы стабилизации напряжений, усилитель постоянного тока и другие вспомогательные схемы и узлы. Многие вакуумметры имеют блокировки, обеспечивающие при повышении давления в вакуумной установке выше заданного отключение собственных накальных элементов, а также отключение от сетевого напряжения приборов, могущих при этом выйти из строя.
3.11. Относительная чувствительность ионизационных преобразователей к одноатомным газам
Газ Тип преобразователя
ионизационный магнитный
Азот 1 1
Водород 0,43 0,43
Гелий 0,16 0,15
Аргон 1,3 1,4
со2 1,6 1,3
Кислород 0,85 0,86
Ксенон 2,8 3,5
Неон 0,27 0,26
со 1,04 -
3.12. Основные технические характеристики некоторых магниторазрядных ионизационных вакуумметров
Тип вакуумметра Тип преобразователя Диапазон измерений, Па Относительная погрешность, Па
ВМБ-8 ПММ-32 1 • 10’7... 1 • 10” -40 ... +80
ВМБ-11 ПММ-46
ВМЦБ-12 ПММ-32-1 1 • 10”... 10’1 -50;+100
ВМБ-14 10’7 ... 1 -40; +80
ВМБ-12 ПММ-44 10” ... 1 -50; +80
ВМБ-16 ПММ-46 ю”... 10” -40; +80
ВМБ-10 ПММ-38 10” ... 1 ±60
Глава 4
ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СЖАТОГО ВОЗДУХА
4.1. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ВОЗДУХЕ. СОСТАВ, ОСУШКА
ВОЗДУХА И ОЧИСТКА ОТ ПРИМЕСЕЙ
Воздух представляет собой газообразную оболочку, окружающую земной шар, и состоит из смеси различных газов: в основном азота и кислорода, а также небольшого количества аргона, углекислого газа, водорода, гелия, неона, криптона, ксенона и других природных и промышленных газов (табл. 4.1).
В воздухе содержится некоторое количество пыли. Для ориентировочных расчетов можно принять, что концентрация пыли (в мг/м3) над морем 1; над городами 3; над промышленными центрами 5 (от 20 000 пылинок на литр в атмосфере крупных промышленных центров до 10 ... 14 пылинок в лесу).
Содержание водяного пара в воздухе зависит от температурных условий, а также от происходящих в атмосфере процессов тепло- и массообмена, конденсации, испарения, выпадения осадков.
Плотность воздуха на небольших высотах (до 100 км) рассчитывается по уравнению состояния на основании прямых измерений давления и температуры.
Средняя молекулярная масса воздуха
где т, - масса молекулы Z-го компонента; и, - концентрация молекул /-го компонента.
Средняя плотность воздуха
р = тп,
где т и п - соответственно средние значения массы и концентрации молекул компонентов воздуха.
4.1. Основной состав воздуха атмосферы Земли
Газ Химическая формула Состав по объему, % Парциальное давление, торр Критическая температура, °C Масса молекул 1 • 1026, кг
Азот n2 77 585 -147 4,65
Кислород о2 20,5 156 -119 5,313
Вода Н2О* 1,57 12 374 2,90
Аргон Аг 0,88 6,7 -122 6,631
Углекислый газ СО2 0,03 2,3 • 10’* 31 7,308
Неон Ne 1,8 10-3 1,3 • 10‘2 -229 3,35
Гелий Не 5,2 • Ю'4 3,95 • 10’3 -268 0,66
Криптон Кг 1,0 • 10"4 7,6 • 10-4 -64 13,9
Вода Н2О 5 • 10~5 3,8 • IO”4 -92 7,3
Водород н2 5 • 10‘5 3,8 • 10"* -240 0,33
Ксенон Хе 8 • 10"6 6,1 • 10'5 16,7 21,8
* Влажность 50 %-ная при 25 °C.
4 - 8193
98
Глава 4. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СЖАТОГО ВОЗДУХА
При большой влажности воздуха для его осушки существуют следующие основные способы:
- механическая осушка при помощи сепараторов влаги (водоотделителей);
- осушка путем конденсации влаги на холодных поверхностях;
- осушка с использованием физико-химических поглотителей.
Механическая осушка применяется в тех случаях, когда воздух пересыщен влагой и содержит воду в виде мельчайших взвешенных частиц, т.е. его состояние определяется точкой, лежащей в области, расположенной ниже линии ф = 1 на диаграмме i - d (в этом случае в воздухе находится капельная влага). Точка росы характеризует содержание воды в воздухе в виде паров при данных температуре и давлении в состоянии полного насыщения водяными парами (ф = 1). Механическая сепарация сконденсировавшейся в воздухе влаги, находящейся в виде мельчайших капелек, практически невозможна. Поэтому вначале эти капельки должны быть укрупнены путем коагуляции, для чего влажный воздух пропускают через специальные сетки и фильтры - коагуляторы. Затем методами механической сепарации (при резком повороте потока, ударе его о препятствие и т.п.) укрупненные капли
влаги отделяются от воздуха и удаляются во вне. При осушке влагосодержание воздуха уменьшается, а влажность воздуха может при этом уменьшаться, оставаться неизменной или увеличиваться.
Так, если осушка происходит при постоянной энтальпии воздуха (процесс АВ, рис. 4.1), то она сопровождается возрастанием температуры воздуха и уменьшением влажности; когда осушка проводится при постоянной температуре воздуха (процесс АС), то наблюдается уменьшение его энтальпии и влажности; при одновременном уменьшении энтальпии и температуры (процесс AD) осушка может сопровождаться как увеличением, так и уменьшением влажности; наконец, энтальпию воздуха можно уменьшать, сохраняя влажность неизменной, при этом температура воздуха будет понижаться.
Если на диаграмме i - d прямая процесса осушки АК пересекается с кривой ср = /, то на участке КК\ осушку можно осуществить путем контакта воздуха с охлаждаемой поверхностью, температура которой ниже точки росы. При весьма низкой температуре охлажденной поверхности выпадение влаги будет происходить не только на этой поверхности, но и в прилегающем к ней слое воздуха.
Рис. 4.1. Процессы осушки воздуха на диаграмме / - d
ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ВОЗДУХЕ. СОСТАВ, ОСУШКА ВОЗДУХА
99
Для отделения образовавшейся воды или льда от осушенного воздуха в этом случае необходимо применять дополнительные сепараторы, иначе конечное вла-госодержание воздуха может оказаться выше заданного. Процесс охлаждения путем конденсации на холодной поверхности в энергетическом отношении наиболее выгоден.
Для осушки воздуха посредством физико-химического поглощения в качестве поглотителей применяют водные растворы солей и твердые поглотители.
Осушка водными растворами солей основана на том, что упругость пара в пограничном слое над поверхностью солевого раствора при одной и той же температуре меньше, чем над поверхностью воды. Способность раствора поглощать влагу из воздуха определяется физико-химическими свойствами растворенного вещества и его концентрацией. В качестве осушителей воздуха могут использоваться растворы СаС12, MnCl2, NaOH, ZnCl2, LiCl и др.
Осушка воздуха твердыми поглотителями влаги происходит в результате физико-химического взаимодействия паров воды с сорбентом: сорбции влаги, образования гидратов и растворения. Из физики поверхностных явлений известно, что давление насыщенного пара над выпуклой поверхностью выше, а над вогнутой ниже, чем над плоской поверхностью, в соответствии с формулой Томсона, которая справедлива для капилляров, радиус которых находится в пределах
0,5 • 10'7 см < г < 10-5 см.
Для капилляров с радиусом > 10"5 см давление насыщенного пара над мениском практически равно давлению насыщенного пара над плоской поверхностью. Капилляры подобных размеров или макрокапилляры имеются в пористых телах, как, например, уголь или силикагель. Если упругость пара в пространстве, окружающем материал, выше упругости насыщенного пара над вогнутой поверхностью ме
ниска, то пар из свободного пространства диффундирует в капилляр. Стенки капилляра адсорбируют пар и покрываются слоем (пленкой) влаги, которая, осаждаясь, образует мениск. С появлением мениска возникает капиллярная конденсация, или сорбция, пара. Макрокапилляры не сорбируют влагу из влажного воздуха, а, наоборот, отдают ее, даже в атмосфере, полностью насыщенной водяными парами ((р = 1).
Внутренняя поверхность микрокапилляра очень велика и значительно превышает поверхность макрокапилляра. Так, например, поверхность микрокапилляров с радиусом г = 10"7 см у активированного угля 900 ... 1500 м2/г, а поверхность макрокапилляров с радиусом г = 10-4 см 0,35 ... 8,7 м2/г. Средняя поверхность капилляров -400 м2/г.
Наиболее часто в качестве осушителей применяют гели или природные сорбенты, при этом осушка происходит главным образом путем адсорбции и последующей капиллярной конденсации воды в разветвленной пористой структуре осушителя. К таким осушителям относятся силикагель, алюмогель, феррогель и др.
Силикагель - продукт обезвоживания геля кремниевой кислоты, получаемый воздействием серной или соляной кислоты или растворов различных солей на раствор силиката натрия (так называемое жидкое стекло), отличается однородностью пор по величине и равномерностью их распределения.
При достижении силикагелем равновесной влажности адсорбция влаги прекращается и осушитель больше не работает. Для дальнейшего использования силикагель необходимо активировать, для чего либо его прокаливают на металлических листах, либо через него пропускают горячий воздух с температурой 200 ... 240 °C. После активации силикагель продувают холодным воздухом. Применять силикагель при температуре > 35 °C нецелесообразно.
Алюмогель - активированный алюминий - состоит в основном из оксида
100
Глава 4. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СЖАТОГО ВОЗДУХА
алюминия А12О3. Адсорбционная способность алюмогеля ниже, а степень осушки воздуха выше, чем у силикагеля. Алюмогель применяется при температуре воздуха < 25 °C.
В некоторых случаях для осушки используют активированный уголь, хотя по ряду причин его целесообразнее применять для поглощения паров органических веществ, чем паров воды.
В общем, существует три вида примесей, которые необходимо удалять из воздуха (газов): пары воды, пары масла, газовые примеси. Количество водяных паров и масла зависит от способа получения газа и от типа применяемого компрессора. Количество газообразных примесей также определяется способом получения исходното продукта. Так, в техническом гелии содержится 0,5 ... 0,8 % примесей (главным образом водород и азот), в гелии высокой чистоты примесей -0,1 %.
Известны разные способы очистки от примесей: химический метод, физическая адсорбция, конденсация и вымораживание. Наиболее просто удаляются пары влаги и масла. В установках наибольшей и средней производительности влага чаще всего удаляется адсорбцией с помощью алюмогеля или силикагеля при комнатных температурах. Возможно также применение химических поглотителей NaOH, КОН. Для того чтобы избежать попадания масла в систему, желательно применять компрессоры без масляной смазки: винтовые, поршневые с графитовыми или пластмассовыми кольцами.
При наличии смазки капельное масло улавливается обычными маслоотделите-лями: в них резко уменьшается скорость потока, вследствие чего капли оседают на поверхности насадки, заполняющей объем сосуда. Для улавливания паров масла применяют фильтры, заполняемые стекловолокном, активированным углем или другим поглотителем с развитой поверхностью.
На более крупных установках очистку от влаги и масла осуществляют путем низкотемпературной конденсации.
Очистка от газообразных примесей более сложна, чем очистка от влаги и масла. Наиболее распространен при удалении газообразных примесей адсорбционный метод очистки - с применением адсорбентов (активированного угля, силикагеля, алюмогеля). В основе метода лежит физическая адсорбция - поглощение молекул газа поверхностью твердого тела в результате взаимодействия сил притяжения между молекулами твердого тела и газа. Этот процесс ведет к образованию сначала одного, а затем нескольких молекулярных слоев на поверхности твердого тела и продолжается до тех пор, пока не произойдет полного насыщения поверхности. Количество адсорбированного газа зависит от таких факторов, как структура адсорбента, температура процесса, давление газа, состав адсорбируемой смеси газов. Снижение температуры приводит к уменьшению кинетической энергии молекул газа, что облегчает их захват поверхностью адсорбента и значительно увеличивает количество адсорбируемого газа. Увеличение давления также благоприятно сказывается на процессе адсорбции.
Поглотительная способность адсорбента характеризует, какой объем газа может быть поглощен единицей массы адсорбента при данных давлении и температуре. По отношению к различным компонентам газовой смеси она неодинакова. В первую очередь и наиболее интенсивно поглощаются молекулы газа, температура конденсации которого близка к температуре процесса адсорбции. Например, такие примеси, как О2, N2, СО, СН4, имеют значительно более высокую температуру конденсации, чем водород и гелий; следовательно, прежде всего именно они будут поглощаться адсорбентами. Аналогичным образом, из смеси гелия и водорода сначала поглощается водород. Строго говоря, избирательная способность поглощения определяется не только температурой, но и парциальным
ТРЕБОВАНИЯ К СЖАТОМУ ВОЗДУХУ. МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ
101
давлением примеси, а также размерами пор адсорбента, размерами и типом молекул адсорбируемого газа.
Чаще всего очистка водорода и гелия от газовых примесей осуществляется адсорбцией на температурном уровне жидкого азота (Т » 77 К), адсорбенты - активированный уголь и силикагель.
Поступающий к потребителю технический гелий в баллонах под давлением 150 кгс/см2 содержит не более 0,5 ... 0,8 % примесей.
4.2. ТРЕБОВАНИЯ К СЖАТОМУ ВОЗДУХУ. МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ
В производственных условиях для пневматических испытаний объектов (деталей и сборочных единиц), а также для обдува и продувки объектов, наддува и продувки стендовых питающих систем и емкостей, используемых при испытаниях этих объектов, применяют сжатый воздух и газообразный азот с давлением до
400 кгс/см2. Наибольшее допустимое содержание воды, масла, механических примесей (твердых частиц), газообразных щелочей и кислот в сжатом воздухе и газообразном азоте, а также методы контроля устанавливаются отраслевой нормативно-технической документацией.
В зависимости от допустимого значения примесей, например, газы в ОСТ 92-1577-78 «Воздух сжатый и азот газообразный. Технические требования и методы контроля» подразделяют на четыре категории.
Категорию газа для испытаний конкретных изделий назначают исходя из технических особенностей изделий, специфики их эксплуатации, видов проводимых работ и указывают в конструкторской документации.
Показатели чистоты газа, приведенные к нормальным условиям ГОСТ 24484-80, должны соответствовать нормам, указанным в табл. 4.2.
4.2. Показатели чистоты сжатого воздуха и газообразного азота
Вид примеси Контролируемый показатель чистоты Допустимые нормы категорий
первой второй третьей четвертой
Вода Точка росы, °C, не выше: при давлении 1 атм -55 -40 Устанавливаются методикой предприятия
при давлении 50 кгс/см2 -22 -10
Масло Содержание в виде паров, аэрозоли, жидкости, мг/м3 <3 <5 <25
Механи-ческие примеси Содержание, мг/м3 <0,1 <0,4 У станавл иваются методикой предприятия
Максимальный размер частиц, мкм <20 <40
Кислород в азоте Содержание, об. доли, не более II сорт по ГОСТ 9293-74 III сорт по ГОСТ 9293-74 Не нормируются
Газообразные кислоты и щелочи Цвет окраски индикатора Следы Не нормируются
102
Глава 4. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СЖАТОГО ВОЗДУХА
Контроль газов на содержание примесей проводят со следующей периодичностью:
- механических примесей не реже одного раза в 10 дней;
- воды в виде паров (точка росы) ежедневно;
- масла один раз в неделю;
- газообразных кислот и щелочей не реже одного раза в 3 мес.;
- кислорода в азоте один раз в смену.
Чистоту газов следует контролировать на выходе распределительного коллектора компрессорной установки (станции). Необходимость дополнительного контроля в точках подсоединения изделий к магистральным трубопроводам в объеме требований табл. 4.2 полностью или отдельных показателей чистоты и периодичность контроля устанавливает предприятие, потребляющее газы. Контроль чистоты газов осуществляют службы, назначенные распоряжением по предприятию. Результаты этого контроля должны быть записаны в специальный журнал учета чистоты газов.
Содержание водяных паров в газах следует определять приборами кулонометрического типа (КИВГ, «Байкал») классом точности не ниже 10 по ГОСТ 17142-78 или приборами конденсационного типа (ДДН-1 и др.) при давлениях в измерительной камере, соответствующих давлениям, для которых точка росы указана в табл. 4.2. Газы четвертой категории проверяют на наличие влаги пропусканием газов на фосфатированную пластину по методике предприятия. Содержание влаги не допускается.
Присутствие масла в виде паров и жидкости определяют люминесцентным методом приборами типа ЭФ-3 МА или методом инфракрасной спектроскопии с
помощью фотометрического анализатора «Донец». Газы четвертой категории проверяют на наличие масла пропусканием газов на фосфатированную пластину или фильтровальную бумагу по методике предприятия. Наличие масла не допускается.
Контроль содержания механических примесей в газах первой и второй категорий разрешается проводить одним из двух методов.
1. Оптический (дисперсный) метод заключается в определении максимального размера частиц путем отбора проб газа по методике ГОСТ 24484-80 «Промышленная чистота. Сжатый воздух. Методы измерения загрязненности».
2. Весовой метод по методике ГОСТ 24484-80 состоит в использовании фильтров АФА-ВП, при этом необходимо газ редуцировать с рабочего давления до давления < 6 кгс/см2.
Газы третьей категории проверяют на содержание механических частиц путем пропускания 60 л газа со скоростью 1 ... 2 л/мин через стеклянную гофрированную трубку длиной 60 ... 80 мм, диаметром 20 мм, заполненную по всему сечению гигроскопической ватой. При визуальном просмотре в лупу с пяти - семикратным увеличением примеси не должны быть видны.
Газы четвертой категории проверяют на наличие механических примесей пропусканием на фильтровальную бумагу, вату или хлопчатобумажную салфетку по методике предприятия. Наличие механических примесей не допускается.
Контроль содержания кислорода в азоте следует проводить по ГОСТ 9293-74 «Азот газообразный и жидкий», допускается применение автоматических газоанализаторов, встроенных в рабочую газовую сеть.
Глава 5
МАСС-СИЕКТРОМЕТРИЧЕСКИИ МЕТОД КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ
5.1. ПРИНЦИП МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКОГО МЕТОДА КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ
Масс-спектрометрический метод контроля герметичности является наиболее совершенным и широко применяемым в самых разных отраслях промышленности. Это обусловлено его высокой чувствительностью и избирательностью к пробному газу, универсальностью. Метод позволяет выделить любое пробное вещество: твердое, жидкое, газообразное - из общей смеси веществ вне зависимости от присутствия в ней других компонентов.
Метод основан на разделении по массам сложной смеси газов и паров в электрическом и магнитном полях. В принципе, любой масс-спектрометр пригоден для поиска течей и любая система, содержащая квадрупольный масс-спектрометр, омегатрон или другой измеритель парциальных давлений, может быть проверена на герметичность без применения специальных течеискателей. По составу остаточных газов вакуумной системы можно судить о натекании в систему воздуха или каких-либо газов. Подавая на отдельные участки поверхности проверяемой системы пробное вещество и фиксируя определенные пики масс-спектра, можно выявлять негерметичные участки и локализовать места течей.
Тем не менее, развитие техники обусловило необходимость создания специализированных масс-спектрометрических течеискателей, не применяемых для газового анализа, но обладающих рядом существенных преимуществ по сравнению с газоаналитическими масс-спектрометрами и измерителями парциальных давлений,
если речь идет о поиске течей. Эти преимущества состоят в следующем.
Масс-спектрометрический течеиска-тель имеет собственную откачную систему, что обеспечивает возможность проверки любых вакуумных систем и объемов, откачанных до глубокого вакуума; готовых замкнутых изделий и изделий со штенгелем; отдельных узлов и деталей (замкнутых и незамкнутых), а также позволяет проверять на герметичность объекты, содержащие пробный газ, путем отбора проб из окружающего их пространства.
Большинство масс-спектрометрических течеискателей настроено на регистрацию одного пробного газа - гелия, при этом они могут регистрировать гелий-4 и гелий-3. Гелий в весьма малых количествах содержится в атмосфере (3,8 мкм рт.ст.) и отсутствует в продуктах газовыделения вакуумных систем. Поэтому фоновые эффекты при работе с ним сказываются значительно меньше, чем в случае применения других веществ. Малая молекулярная масса гелия и относительно большое его отличие от эффективной массы ионов, образующих соседние пики в масс-спектре (водород Н3 и углерод С ++), позволяют снизить требования к разрешающей способности анализатора и применить достаточно простой малогабаритный 180-градусный магнитный анализатор с малым рабочим радиусом и широкими щелями. Благодаря этому чувствительность анализатора весьма высока (7,5 • 10"6 A/Па), что соответствует возможности регистрации парциального давления гелия pmin = 1 • 1О'10 Па. Принцип действия 180-градусного магнитного анализатора показан на рис. 5.1 и сводится к следующему.
104 Глава 5. МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОД КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ
Рис. 5.1. Схема работы масс-спектрометрического анализатора:
1 - катод; 2 - ионизатор; 3 - входная диафрагма; 4 - ионный пучок; 5 - выходная диафрагма;
6 - коллектор; Н- магнитное поле; СЭ - стабилизатор эмиссии;
В - выпрямитель, обеспечивающий напряжение, ускоряющее ионы;
У - усилитель постоянного тока с выходным прибором
Масс-спектрометрический анализатор работает при давлении р < 1 • 10"2 Па в поле постоянного магнита с индукцией 0,17 ... 0,2 Тл. Газы, поступающие из испытуемого объекта в анализатор, в ионизаторе 2 под действием электронного тока с катода 1 превращаются в положительные ионы с зарядом е. Образовавшиеся ионы ускоряются продольным электрическим полем, образуя слаборасходящийся пучок с энергией, соответствующей приложенной разности потенциалов U, составляющей обычно несколько сотен вольт. Начальная энергия ионов, связанная с их тепловым движением, мала (~0,1 В), и ею можно пренебречь.
По массам ионы анализируются в постоянном магнитном поле. При попадании в поперечное магнитное поле они начинают двигаться по окружностям, радиус г которых определяется из условия равновесия силы Лоренца, равной Hev, и центро-
w w mv2 z
бежнои силы, равной ------ (т - масса
г заряженных частиц; v - их скорость,
v= /----; е - заряд электрона). Таким
V т/е образом,
(5.1)
Это уравнение называют уравнением масс-спектрометра.
Зависимость (5.1) может быть приведена к практически более удобному виду:
144 I-
—ylMU, н
(5.2)
где г - радиус траектории ионов, см; Н -напряженность магнитного поля, Э; U -„ и* ускоряющее напряжение, В; А/=— -е эффективная масса ионов.
Абсолютные значения единичной массы и единичного заряда в формуле (5.2) вынесены в константу.
В результате ионный пучок разлагали тт ется на компоненты по значениям —. Че-е рез выходную диафрагму 5 на коллектор 6 попадают лишь ионы с определенным от-ношением —. Ионный ток в цепи коллек-е
тора характеризует парциальное давление пробного газа. Коллектор соединен с землей через высокоомное сопротивление
СХЕМНЫЕ РЕШЕНИЯ МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКИХ ТЕЧЕИСКАТЕЛЕЙ
105
1012 Ом, на котором слабые токи (10“7 ... 10"12 А) создают значительные напряжения. Для измерения малых токов используются электрометрические усилители постоянного тока с отрицательной обратной связью, выполненные на полевых транзисторах или на интегральной микросхеме, с последующими каскадами усиления.
5.2. СХЕМНЫЕ РЕШЕНИЯ МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКИХ ТЕЧЕИСКАТЕЛЕЙ
Схема построения масс-спектрометрического течеискателя определяется необходимостью обеспечения рабочих условий анализатора, возможно бблыпим отбором газа из испытуемого объекта в анализатор и измерением парциального давления гелия с максимально возможной чувствительностью.
Долгие годы все модели выпускавшихся течеискателей были созданы по одной вакуумной схеме, представленной на рис. 5.2.
Эта схема применяется и в современных течеискателях, поскольку обеспечивает высокочувствительные испытания.
В такой схеме поток газа Q от изделия подается непосредственно в анализатор, который реагирует на парциальное давление гелия, зависящее от быстроты откачки высоковакуумного насоса S:
п -Q
PHe
Величину £ можно уменьшить путем регулирования дросселирующего клапана 16 и получить достаточно высокое давление гелия.
В высоковакуумной части течеискателя, обычно на азотной ловушке, располагается манометрической преобразователь с холодным катодом, контролирующий вакуум и служащий датчиком блокировки (выключение накала катода, перекрытие входного клапана) при ухудшении вакуума за пределы рабочего давления анализатора.
Применяющийся в течеискателях ПТИ-10 (снят с производства), ТИ1-14 и ТИ1-15 паромасляный насос Н-0,025 обладает стабильной откачкой легких газов. Флюктуации парциального давления гелия на входе насоса не превышают 1 %. В качестве форвакуумного насоса служит
Рис. 5.2. Вакуумная схема масс-спектрометрического течеискателя, работающего в режиме прямого потока:
1 - масс-спектрометрический анализатор; 2 - клапан откачки анализатора; 3 - азотная ловушка;
4 - манометрический преобразователь; 5 - калиброванная течь; 6 - клапан течи;
7 - манометрический преобразователь; 8 - входной фланец; 9 -электромагнитный клапан;
10 - дросселирующий клапан; И - манометрический преобразователь; 12 - напускной клапан;
13 - механический насос ЗНВР-1Д; 14 -изолирующий клапан; 15 - пароструйный насос;
16 - дросселирующий клапан
106 Глава 5. МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОД КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ
обычный однолитровый механический насос ЗНВР-1Д. Применяемая азотная ловушка в схеме прямого потока очень важна. Помимо защиты анализатора от паров масел откачной системы ловушка хорошо адсорбирует пары воды, постоянно поступающие в течеискатель при смене испытуемых изделий.
В вакуумной схеме течеискателя ТИ1-15 параллельно пароструйному насосу присоединен цеолитовый насос. Применение этого насоса позволило сразу повысить чувствительность течеискателя в 100 и более раз. Впервые такая схема была предложена в течеискателях СТИ-8, СТИ-11, замененных впоследствии течеи-скателем ТИ1-15 [17]. В этих течеискателях предусмотрены два режима испытаний: предварительный (при откачке анализатора и испытуемого изделия паромас-ляным насосом) и высокочувствительный (при откачке анализатора и изделия цео-литовым насосом).
Цеолитовый насос с цеолитом марки 5А хорошо откачивает все активные газы
и практически не откачивает гелий. Это позволило применить методику селективного накопления гелия при постоянном общем давлении. В соответствии с этой методикой при работе в режиме высокочувствительных испытаний перекрывается паромасляный насос, в результате чего начинает линейно нарастать гелиевый фоновый сигнал, поскольку быстрота откачки гелия цеолитом равна нулю. Это дало возможность применить новый способ регистрации течей - по изменению скорости нарастания фонового сигнала течеискателя. При подаче гелия на испытуемое изделие, в котором имеются течи, происходит изменение (увеличение) скорости нарастания сигнала (рис. 5.3). Как видно из рис. 5.3, изменяется угол наклона линейно нарастающего сигнала течеискателя. Тангенс угла наклона этой прямой характеризует величину поступающего через течи гелия и, соответственно, величину течи.
Рис. 5.3. Запись на ленте самопишущего потенциометра сигнала течеискателя фонового и при передаче гелия на изделие с течью при испытаниях в режиме высокочувствительных испытаний на течеискателе СТИ-11:
1 - перекрыт паромасляный насос; 2 - нарастание фонового сигнала; 3 - открыта течь «Гелит» с величиной потока гелия Q = 2 • КГ12 м3 • Па/с; 4 - перекрыта течь «Гелит»;
5 - открыт паромасляный насос
СХЕМНЫЕ РЕШЕНИЯ МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКИХ ТЕЧЕИСКАТЕЛЕЙ
107
Для удобства испытаний в течеиска-телях СТИ-11 и ТИ1-15 применена электрическая компенсация линейно нарастающего фонового сигнала, благодаря чему удалось как бы «положить» нарастающую фоновую прямую и поиск течей проводить на постоянном фоновом сигнале, по величине близком к нулю.
Новый способ регистрации течей исключает влияние разброса фоновых характеристик от измерения к измерению, наблюдающегося практически в любой откачиваемой системе. Таким образом, измерение проводится на одной фоновой прямой.
Способ селективного накопления широко применяется в различных вариантах при вакуумных и атмосферных испытаниях (см. разд. 5.3). В качестве селективных средств откачки могут быть использованы кроме цеолитового угольный, геттерный, криогенный насосы.
Методика селективного накопления позволяет обнаруживать потоки гелия 10’14... 1(Г15 м3 • Па/с.
В последних моделях течеискателей (ТИ1-14М, ТИ1-20, ТИ1-22) и во всех те-чеискателях зарубежных фирм вместо па-ромасляного насоса применен турбомоле-кулярный насос (ТМН). Применение ТМН оказалось возможно благодаря созданию в 70-х годах прошлого века нового поколения надежных малогабаритных насосов, выпускаемых ведущими фирмами по производству вакуумной продукции.
Применение в течеискателях ТМН улучшило их характеристики и значительно расширило возможности течеискания, в первую очередь позволив применить новую схему испытаний - схему противотока.
Схема противотока была впервые предложена Л.Е. Левиной и В.В. Пименовым на основании результатов исследований системы откачки течеискателя ПТИ-7, в которую входил паромасляный насос НВО-40. Снижая мощность подогрева насоса с номинальной 450 Вт до 220 Вт, можно было получить условия, при которых быстрота откачки насоса по воздуху
оставалась практически неизменной, а по гелию снижалась в 10 раз. Это происходило в результате изменения структуры паровой струи насоса, при малой мощности подогрева становящейся «прозрачной» для гелия в результате снижения коэффициента компрессии.
На основе этого явления была предложена новая схема испытаний - схема противотока. В соответствии с этой схемой испытуемое изделие (или щуповое устройство) присоединяется не к анализатору через азотную ловушку, а на выхлоп высоковакуумного насоса. Такая схема обладает рядом преимуществ по сравнению со схемой прямого потока.
Течеискание проводится при давлении на входном фланце до 25 Па с чувствительностью, сравнимой с чувствительностью, получаемой в обычной схеме (см. рис. 5.2).
Клапанную систему течеискателя можно упростить, так как испытуемое изделие откачивается только до форвакуумного давления. Из схемы может быть исключена азотная ловушка, а габаритные размеры течеискателя уменьшены.
При работе по схеме противотока к насосам течеискателя предъявляются особые требования. Требования к высоковакуумному насосу противоречивы: он должен иметь высокий коэффициент компрессии по воздуху (> 107) и низкий по гелию (< 102). При этом насос должен обеспечивать достаточную быстроту откачки гелия для его удаления после испытаний.
В схеме противотока повышаются требования к форвакуумному насосу. Он должен стабильно откачивать гелий, при этом не иметь «памяти» по гелию (быстро освобождаться от остаточного гелия) и по своим характеристикам сочетаться с высоковакуумным насосом; насос должен быть герметичным.
Первые модели малогабаритного масс-спектрометрического течеискателя, работающего по схеме противотока с па-ромасляным насосом Porta Test 925-40,
108 Глава 5. МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОД КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ
936-40, 936-60 и т.п., были выпущены фирмой “Varian” (США) в 80-х годах прошлого столетия.
Более эффективным оказалось применение в схеме противотока ТМН. Коэффициент компрессии насоса зависит от молекулярной массы газа и может регулироваться изменением скорости вращения ротора.
Серьезные ограничения принципа противотока связаны с необходимостью оперативного удаления гелия из анализатора после попадания в него значительного количества гелия. В схеме противотока быстрота откачки гелия из испытуемого объекта и анализатора в основном определяется быстротой откачки форвакуумного насоса.
В первом отечественном течеискате-ле ТИ1-14М, работающем в двух ре
жимах - прямого потока и противотока, -применены ТМН с быстротой откачки 150 л/с и форвакуумный насос 2НВР-5ДМ с быстротой откачки 5 л/с.
В настоящее время в зарубежных течеискателях применены специальные ТМН с промежуточной полостью между ступенями насоса. В них одна ступень (верхняя) ТМН служит насосом с противотоком для откачки анализатора. При этом общее давление и фон в анализаторе не возрастают, так как вторая ступень насоса с высоким коэффициентом компрессии защищает его от влияния форвакуумного насоса и от попадания из него паров масла. В этом случае повышается стабильность сигнала и уменьшается постоянная времени течеискателя. Упрощенная схема течеискателя с ТМН показана на рис. 5.4.
Рис. 5.4. Вакуумная схема течеискателя, работающего по схеме противотока:
1 и 2 - входные фланцы для присоединения изделий; 3 - анализатор; 4 - ТМН со средней точкой;
5 - механический форвакуумный насос; 6 - калиброванная течь; 7 - манометрические преобразователи; 8 - вход для напуска воздуха
СХЕМНЫЕ РЕШЕНИЯ МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКИХ ТЕЧЕИСКАТЕЛЕЙ
109
Рис. 5.5. Вакуумная схема масс-спектрометрического течеискателя, работающего по схеме замкнутого контура:
1 - масс-спектрометрический анализатор; 2 - диффузионный насос; 3 - форвакуумный насос;
4 - выхлоп насоса; 5 - входной фланец течеискателя; VI - V4 - изолирующие клапаны; V5 - диафрагма или клапан
Большой вклад в создание нового поколения ТМН и течеискателей с их применением внесли швейцарская фирма “Balzers” и фирма “Arthur Pfeiffer Vakuum Technik” (ФРГ).
Турбомолекулярные насосы с двумя входами позволяют частично решить проблему защиты испытуемых изделий от паров масла. Более полное решение проблемы безмаслянности осуществлено введением в качестве второй ступени ТМН молекулярного насоса (насоса Хальвека). Такие насосы могут работать при давлении на выходе до 3 • 103 Па. Поэтому в качестве предварительных могут быть использованы «чистые» насосы мембранного или поршневого типа.
Высокая чувствительность течеискания обеспечивается при работе течеискателя по схеме замкнутого контура (рис. 5.5). Это схема усиления потока, т.е. накопления пробного газа во время переходного режима.
При измерениях после установления потока гелия в системе сначала перекрывают клапан КЗ, а затем К2, так что поток Q идет от входа 5 к выхлопу 4. При этом гелий накапливается в объеме между выхлопом 4 и клапаном КЗ, причем диффузионный насос препятствует обратной диффузии гелия в анализатор. После накопления открывается клапан КЗ и гелий измеряется анализатором.
Сравнение трех схем испытаний -прямого потока, противотока и замкнутого контура, проведенное в [29], показывает, что наибольшая чувствительность обеспечивается схемой замкнутого контура при давлениях на входе < 1 Па. При более высоких давлениях характеристики этой схемы близки к характеристикам схемы противотока (рис. 5.6).
Давление гелия р в анализаторе для различных схем испытаний определяется Q как р = — - для прямого потока;
S2
Q 1 Q
р = —--------для противотока; р = ——
*$! ^Не
Рис. 5.6. Сравнительная чувствительность течеискателей, работающих по различным схемам:
1 - схема прямого тока; 2 - схема замкнутого контура; 3 - схема противотока
110 Глава 5. МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОД КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ
для схемы замкнутого контура, где Si и S2 - быстрота откачки соответственно форвакуумного и паромасляного насосов; Кцс - коэффициент компрессии паромасляного насоса по гелию.
По оси ординат чувствительность отложена в произвольных единицах.
5.3. СПОСОБЫ И СХЕМЫ КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ ОБЪЕКТОВ
Разнообразие испытуемых объектов по объему, конфигурации, рабочим характеристикам, требуемой чувствительности испытаний обусловливает необходимость применения различных модификаций масс-спектрометрического метода.
Эффективность применения масс-спектрометрических течеискателей - возможность обнаружения и локализации малых течей, оперативность контроля и надежность получаемых результатов -достигается не только благодаря их высоким техническим характеристикам, но и в
результате правильного выбора способа и схемы испытаний.
Ниже будут приведены способы и схемы испытаний, которые на практике могут быть изменены за счет применения иного откачного оборудования, введения дополнительных линий откачки и применения различной коммутирующей арматуры.
Способ обдува, гелиевых чехлов (камер). Способ обдува, гелиевых чехлов (камер) применяется при испытаниях вакуумных установок, непрерывно откачиваемых объектов, изделий на штенгеле, их узлов и деталей, элементов вакуумных систем.
Способом обдува обычно определяются места течей, локализуются текущие участки, а суммарная герметичность -гелиевым чехлом или камерой. В последнем случае повышается надежность выявления течей, особенно скрытых течей и течей с большой постоянной времени.
Для применения способа обдува или чехлов (камер) может быть применена одна из вакуумных схем, представленных на рис. 5.7.
Рис. 5.7. Схема испытаний вакуумных объектов малого (л) и большого (б) объемов: 7 - масс-спектрометрический течеискатель; 2, 6 - механические форвакуумные насосы;
3 - калиброванная течь типа «Гелит»; 4 - испытуемый объект;
5 - высоковакуумный пароструйный или другого типа насос;
7-9- манометрические преобразователи;
И/ - V5 - вакуумные клапаны
СПОСОБЫ И СХЕМЫ КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ ОБЪЕКТА
ш
Пунктиром на рис. 5.7 показаны дополнительные элементы, включаемые в схему, для высокочувствительных испытаний способом накопления.
При испытаниях по схеме 5.7, а испытуемый объект 4 предварительно откачивается механическим насосом 2, затем соединяется с течеискателем через его входные клапаны. Перед началом испытаний система калибруется по течи «Гелит». В результате определяется цена деления выходного прибора течеискателя:
_ /д м3 - Па / z_ se=0T/AaT, —-—/мВ, (5.3)
где QT - величина течи «Гелит»; Аат - изменение сигнала выходного прибора течеискателя, обусловленное поступлением гелия от течи «Гелит».
При отсутствии больших течей в изделии и при незначительном газовыделе-нии входной дросселирующий клапан течеискателя открывается полностью, а клапан VI перекрывается с тем, чтобы весь газ из объекта поступал в течеискатель и обеспечивалась максимальная чувствительность испытаний. После стабилизации фонового сигнала течеискателя на внешнюю оболочку изделия подается гелий. Величина течи определяется по значению регистрируемого потока гелия Q от изделия:
£> = scAa, (5.4)
где Аа - изменение сигнала течеискателя над уровнем фона при подаче гелия на изделие.
Реакция течеискателя на обнаруженную течь определяется изменением парциального давления гелия в анализаторе Ар. Величина Ар зависит от параметров течеискателя, вспомогательного оборудования, проверяемого объекта и условий проверки. При отключенном вспомогательном насосе
Др = ^1-е‘^, (5.5)
где 5Э - эффективная быстрота откачки гелия из анализатора; t - время поступления гелия через течь; т - постоянная времени, характеризующая инерционность изменения сигнала,
^у, + у< + у
(5.6)
где Ит - объем высоковакуумной части течеискателя; Vc - объем вспомогательной системы; К- объем проверяемого изделия.
При длительной подаче гелия, когда
давление гелия в анализа-
торе может быть увеличено путем уменьшения 8Э дросселирующим клапаном течеискателя (клапан 16 на рис. 5.2). Дросселирование эффективно для изделий с незначительным газовыделением и фоновым потоком. При этом быстрота откачки уменьшается не более чем в 5 ... 10 раз и
значительно увеличивается т, что следует учитывать при выборе времени подачи гелия на изделие. Увеличение т приводит к тому, что изменение давления гелия в анализаторе становится независимым от быстроты откачки S3, уравнение (5.5) приобретает вид
Ар,-.....-
ит+кс + и
(5.7)
и режим испытаний переходит в режим накопления.
Для испытаний небольших изделий с повышенной чувствительностью вспомогательную систему дополняют адсорбционным цеолитовым насосом (5 на рис. 5.7, а) или другим селективным средством откачки. Цеолитовый насос позволяет поддерживать во вспомогательной системе и течеискателе низкое давление остаточных газов при дросселировании откачки, что способствует стабильной работе масс-спектрометрического анализатора.
При наличии в проверяемом изделии больших течей или при большом газовы-делении, когда общий газовый поток пре
112 Глава 5. МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОД КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ
вышает максимальный рабочий поток течеискателя (~ 10ц м3 • Па/с), испытания эффективнее проводить в режиме противотока. Режим противотока предусмотрен в течеискателях ТИ1-14М, ТИ1-20 и ТИ1-22. Чувствительность испытаний в режиме противотока примерно в 100 раз хуже чувствительности в режиме прямого потока. При испытаниях течеискателем ТИ1-14М в режиме противотока увеличивается инерционность сигнала, поскольку в данном случае постоянная времени т определяется отношением объема изделия V к эффективной быстроте откачки S' из него гелия механическим насосом Г у 1
т = — . При применении течеискателя к Sj)
ТИ1-22 инерционность сигнала в режиме противотока снижается за счет откачки гелия из изделия нижней ступенью ТМН.
Если при испытаниях применяется течеискатель ТИ1-14 или течеискатели старых моделей, а также при большом газовыделении или наличии больших течей в плохо откачиваемом изделии, которые необходимо обнаружить, испытания проводятся при откачке изделия вспомогательным насосом 2 (рис. 5.7). Чувствительность снижается, но появляется возможность выявления больших течей.
Область применения схемы рис. 5.7, а ограничивается объектами небольшого объема (не более нескольких десятков литров). Для объектов большого объема целесообразно применение схемы рис. 5.7, б. В схеме предусмотрены две линии предварительной откачки - механическим насосом и высоковакуумным. Течеискатель подключен к линии форвакуумной откачки высоковакуумного насоса. Такое присоединение позволяет при малом газовыделении и натекании отсоединить насос предварительного разрежения и весь газ из проверяемого объекта направить в течеискатель. В случае большой газовой нагрузки испытания ведутся при работающем механическом насосе.
Преимущество схемы на рис. 5.7, б перед схемой на рис. 5.7, а заключается в значительном снижении инерционности сигнала течеискателя при испытаниях объектов большого объема за счет значительной быстроты откачки S', обеспечи-( , К ваемой пароструйным насосом т = —- .
I J
При прокачке всего газа через течеискатель
т'( 1-е х' j — т| 1 — ех I
Др = Т~—---------7—---------> (5-8)
SL т -т
где т = —---- не зависит от объема про-
5Э
веряемого объекта.
В схеме на рис. 5.7, б требования, предъявляемые к насосу предварительного разрежения, определяются главным образом общей газовой нагрузкой. Пределы обнаружения течей, реально достигаемые при испытаниях, определяются общим газовыделением проверяемого объекта и фоновым потоком гелия, выделяемого всеми элементами системы испытаний.
Для получения высокой чувствительности при испытаниях объектов большого объема система должна тщательно готовиться, необходима длительная откачка, а если требуется, и термическое обезгажи-вание; в присоединительной оснастке, во всех соединениях системы течи должны отсутствовать.
Способ накопления в вакууме. Способ основан на накоплении пробного газа - гелия, проникающего через течи в изделии; откачке всех накопившихся активных газов селективным средством откачки; регистрации гелия анализатором течеискателя по изменению его сигнала. Этот способ применяют для обнаружения малых потоков гелия (до 10"14 м3 • Па/с).
Известно несколько вариантов реализации способа накопления, отличающихся местом расположения селективного сред
СПОСОБЫ И СХЕМЫ КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ ОБЪЕКТА
113
ства откачки, способом поступления накопленного гелия в анализатор и способом его регистрации.
Выбор того или иного* варианта зависит от проверяемого изделия - его нормы герметичности, объема, условий испытаний.
В течеискателях СТИ-11 и ТИ1-15 (сняты с производства) для испытаний изделий в высокочувствительном режиме применен цеолитовый насос, присоединенный параллельно основному паромас-ляному насосу. Гелий накапливается в объеме анализатор - цеолитовый насос -испытуемое изделие. Поток гелия измеряется по изменению скорости нарастания сигнала течеискателя после подачи гелия на изделие (см. рис. 5.3) в соответствии с формулой
е=5₽к«7Г’ (5-9)
Д'н
Да где------изменение скорости нарастания
Д/н
сигнала течеискателя за время накопления, мВ/с; Ин - объем накопления, м3; sp -цена деления выходного прибора течеискателя, Па/мВ.
Порог чувствительности в режиме высокочувствительных испытаний определяется формулой
у
0mjn =2Даф5р-*-, (5.10)
где Даф - максимальная амплитуда флюктуаций нарастающего фонового сигнала, мВ.
В этих условиях время накопления не превышает 10 ... 15 мин.
Практически при малых амплитудах колебаний нарастающего фонового сигнала порог чувствительности течеискателя принимается равным 2 % от фонового потока:
&п = 2%еФ. (5.11)
Для повышения чувствительности испытаний, особенно в условиях высокого фона, может быть применен другой вариант накопления, в котором накопление
гелия проводят в объеме изделия или вакуумной камере, где размещено заполненное гелием изделие. В этом случае время накопления может быть увеличено, по крайней мере, в 10 ... 20 раз. При этом анализатор откачивается основным насосом в течение всего времени накопления, и только перед началом и во время перепуска накопленных в изделии газов его отсоединяют от основного насоса, продолжая откачку цеолитовым насосом. Перепускаемые газы вызывают сначала всплеск сигнала течеискателя, а после откачки всех активных газов цеолитовым насосом устанавливается определенная скорость нарастания гелиевого сигнала.
На рис. 5.8 приведена запись на ленте самопишущего потенциометра сигнала течеискателя, иллюстрирующая перепуск накопленной порции газа с гелием из изделия с течью в режиме накопления.
В соответствии с рис. 5.8 в точке 1 перекрыт паромасляный насос, происходит линейное нарастание фонового сигна-
Даф
ла —— ; в точке 2 проведен перепуск на-Д/
копленных в изделии газов; в точке 3 устанавливается нарастание гелиевого сигнала с несколько большей скоростью, чем фонового сигнала; в точке 4 присоединен паромасляный насос.
О степени негерметичности судят по разности нарастающих сигналов течеискателя Да: минимального, установившегося после перепуска накопленных газов, и фонового, определенного в тот же момент после перепуска путем экстраполяции фоновой прямой.
Поток гелия и в этом варианте вычисляют по формуле (5.9), а порог чувствительности - в соответствии с формулой
sn
(5.12).
где ад - минимальный достоверный сигнал от течи, поддающийся регистрации, мВ, ад = 25аф - разброс фоновых сигналов
114 Глава 5. МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОД КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ
24
23
22
21
20
19
Рис. 5.8. Запись сигнала течеискателя фонового и при перепуске накопленных газов из изделия с течью
при перепуске, мВ; s4 - цена деления выходного прибора течеискателя, м3 • Па/с.
При малых значениях 8аф величину 0Сд принимают равной 2 % от шкалы регистрации.
Если в вакуумной системе течеискателя отсутствует селективное средство откачки, испытания способом накопления могут быть проведены по схеме рис. 5.7, а с присоединением селективного насоса 5. Накопление может быть проведено в нескольких изделиях одновременно с небольшим интервалом начала накопления в каждом изделии для последующего поочередного перепуска накопленных газов в анализатор.
Накопление гелия, как и в предыдущем варианте, осуществляется в объеме испытуемых изделий. По окончании накопления газы перепускают в объем цеоли-тового насоса 5, и после установления равновесного давления быстрым вскрытием клапана V3 (см. рис. 5.7, а) накопленный гелий перепускают в анализатор течеискателя. Анализатор при всех операциях постоянно находится под откачкой.
Сигнал регистрируют по его максимальному значению в момент перепуска.
Степень негерметичности определяют по разности максимальных сигналов течеискателя в результате перепуска накопленных газов при подаче гелия и фонового накопления.
Порог чувствительности вычисляют по формуле (5.12).
Способ вакуумной камеры. Этот способ применяют при проверке суммарной герметичности газонаполненных изделий, работающих при избыточном давлении или при давлении ниже атмосферного. На практике этот способ часто называют барокамерным. Он годится для широкого круга объектов - от миниатюрных изделий приборостроения до космических аппаратов.
Для испытаний проверяемое изделие помещают в откачиваемую камеру. Вакуумная камера присоединяется к откачной установке по одной из схем на рис. 5.7 (аналогично проверяемому изделию), герметично закрывается, откачивается и соединяется с течеискателем. Иногда одновременно с камерой откачивается и внутренняя полость изделия, если это предусматривается процессом испытаний. Вакуумирование полости изделия в после
СПОСОБЫ И СХЕМЫ КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ ОБЪЕКТА
115
дующем облегчает доступ гелия к течам, расположенным в труднопродуваемых полостях. В ряде случаев одновременная откачка камеры и изделия проводится с целью избежания деформации последнего. После стабилизации в камере общего давления и фонового сигнала течеискателя в изделие вводится гелий. Величина утечки гелия из изделия определяется по формуле (5.4). Систему испытаний калибруют по калиброванной течи «Гелит», установленной на камере.
Чувствительность испытаний может быть повышена путем накопления гелия в вакуумной камере при отключенном основном средстве откачки и присоединенном селективном насосе (см. схему на рис. 5.7, а).
Возможности обнаружения течей способом вакуумной камеры лимитируются в основном теми же факторами, что и при испытаниях гелиевой камерой. Инерционность системы в этом случае зависит не от объема внутренней полости изделия, а от свободного объема вакуумной камеры.
Способ вакуумных присосок и местных вакуумных камер. Данный способ является разновидностью способа вакуумной камеры и применяется для испытаний газонаполненных объектов (как правило, крупногабаритных) и незамкнутых элементов. Этим способом проверяются отдельные элементы и участки проверяемого объекта.
Присоску устанавливают на проверяемый участок поверхности, с противоположной стороны которой подают гелий. На незамкнутые элементы гелий подается с помощью полиэтиленового (наклеиваемого на поверхность, например, липкой лентой) или резинового чехла. Присоску предварительно уплотняют, откачивают механическим насосом и соединяют с течеискателем. Небольшой ее объем позволяет проводить испытания по схеме на рис. 5.7, а с использованием вспомогательного насоса небольшой производительности.
Порог чувствительности способа присосок оценивается по формуле (5.13) и
в значительной мере зависит от величины Лаф. Последняя определяется как разность максимального и минимального фоновых сигналов течеискателя при многократных переуплотнениях присоски на заведомо герметичном участке проверяемой поверхности:
Cmin = 2Даф5р. (5.13)
Сложная конфигурация испытуемых объектов требует набора различных присосок, обеспечивающих проверку плоских, цилиндрических и сферических поверхностей различного радиуса.
Присоски представляют собой жесткие металлические пластины различной формы с резиновыми уплотнительными элементами. Если состояние поверхностей и швов не позволяет получить под присоской давление < 1 Па, применяют присоски с двойными уплотнительными элементами, пространство между которыми откачивают вспомогательным механическим насосом. Из-за недостаточно хорошей герметизации присосок на проверяемой поверхности чувствительность испытаний способом присосок невысока.
Для испытаний кольцевых швов применяют разъемные вакуумные камеры, соединяемые с течеискателем. В камере создается вакуум, а в объект, например трубопровод, подается гелий под избыточным давлением.
Типичные конструкции вакуумной присоски и вакуумной камеры показаны соответственно на рис. 5.9 и 5.10.
Рис. 5.9. Общий вид вакуумной присоски:
1 - металлический корпус; 2 - уплотнительный элемент; 3 - штуцер (олива); 4 - ручки
116 Глава 5. МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОД КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ
Рис. 5.10. Общий вид местной (разъемной) вакуумной камеры:
1 - корпус; 2 - резиновые прокладки;
3 - штуцер (олива)
Способ щупа. Он применяется для локализации течей в изделиях, работающих под избыточным давлением и содержащих в наполнении гелий, а также для определения негерметичности изделий в ходе испытаний способом накопления в чехлах при атмосферном давлении с локализацией текущих участков.
Вакуумная схема испытаний способом щупа представлена на рис. 5.11.
Щуп представляет собой засасывающее устройство с определённой проводимостью, присоединяемое ко входу течеискателя прямого потока или противотока, которое обеспечивает прохождение через него в течеискатель потока газа величиной 2 • 10“2 м3 • Па/с, являющегося оптимальным для испытаний.
Вспомогательный механический насос 2 обеспечивает прокачку через щуп
потока, в 50 ... 100 раз превышающего максимальный рабочий поток течеискателя. Это обеспечивает максимальный захват гелиевого облака из окружающего пространства и уменьшает время реакции течеискателя на изменение концентрации гелия в отбираемом газе.
Если требование к чувствительности испытаний не обеспечивается, она может быть повышена путем присоединения между щупом и течеискателем цеолитового насоса. Механический насос на время испытаний отключается. Цеолитовый насос поглощает большинство газов, отбираемых щупом, кроме гелия, который поступает в течеискатель. Давление на входе в течеискатель существенно снижается, так что при низком фоне гелия можно полностью открыть входной дросселирующий клапан течеискателя и задросселировать откачку анализатора. При стабильном фоновом сигнале его удается скомпенсировать для работы на чувствительных шкалах течеискателя.
Применение цеолитового насоса позволяет повысить порог чувствительности течеискания до 5 • 10-11 м3 • Па/с.
В комплект течеискателя ТИ1-15 входит цеолитовая колонка со специальным переходным фланцем, дающим возможность присоединять ее между щупом и течеискателем.
Рис. 5.11. Вакуумная схема испытаний способом щупа:
1 - масс-спектрометрический течеискатель; 2 - механический форвакуумный насос; 3 - щуп;
4 - цеолитовый насос; 5 - манометрический преобразователь;
V - изолирующий вакуумный клапан
СПОСОБЫ И СХЕМЫ КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ ОБЪЕКТА
117
В простейшем случае такая колонка представляет собой наполненную адсорбентом (цеолитом,. активированным углем) U-образную трубку, охлаждаемую жидким азотом.
Если при испытаниях не требуется столь высокая чувствительность, щуп можно присоединить к линии противотока течеискателя ТИ1-14М или ТИ1-22.
Щуп входит в комплект всех масс-спектрометрических течеискателей и является регулируемым клапаном-натекате-лем, который с помощью гибкого вакуумного шланга соединяется с течеискателем.
Щуп с соединительным шлангом может быть заменен более простым и удобным капиллярным щупом. Последний представляет собой длинный гибкий капилляр с распределенным вакуумным сопротивлением, изготовленный из материала с малой сорбционной способностью по гелию, например из нержавеющей стали, пластмассы и т.п. При длине 2 ... 5 м оптимальная проводимость капиллярного щупа достигается при диаметре отверстия 0,1 ... 0,2 мм. Капиллярный щуп не требует регулировки и обеспечивает высокую стабильность газового потока.
Для уменьшения фонового сигнала течеискателя, вызываемого гелием, содержащимся в окружающем воздухе, изготовляют специальные конструкции щупов с газовой завесой. Такой щуп имеет два концентрических канала, внутренний из которых служит для отбора газа в течеискатель, а по наружному в контролируемую зону подается газ, не содержащий гелий. Такое устройство облегчает испытания и позволяет обнаруживать места течей величиной < 10"9 м3 • Па/с.
При испытаниях щуп с определенной скоростью перемещают вдоль проверяемой поверхности. Повышенная концентрация гелия у входа в щуп вызывает изменение сигнала течеискателя и свидетельствует о наличии течи в данном месте изделия.
Чувствительность и объективность испытаний способом щупа зависят от скорости перемещения щупа и от взаимного расположения щупа и течи. Это связано с тем, что концентрация пробного газа в пространстве, окружающем течь, резко снижается с удалением от течи. На рис. 5.12 приведен типовой график снижения реакции течеискателя в зависимости от расстояния между течью и щупом.
Рис. 5.12. Изменение реакции течеискателя в зависимости от расстояния между щупом и калиброванной течью
118 Глава 5. МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОД КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ
Шероховатость сварных швов, наплывы, углубления препятствуют приближению щупа к течи.
Невоспроизводимость результатов испытаний обусловливается изменением концентрации гелия в окружающем воздухе, работой вентиляции и другими факторами. Поэтому нельзя рассчитывать на достоверную количественную оценку обнаруженной утечки.
Влияние перечисленных факторов может быть уменьшено, если применять щупы со специальными насадками, повторяющими профиль контролируемой поверхности и образующими замкнутую полость у течи. Эффективно также использование специальных объемов накопления - чехлов.
Система щупа калибруется по течи типа «Гелит» со специальной насадкой или по газовой смеси (разд. 15.3).
Способ накопления в чехлах при атмосферном давлении. Этот способ применяется для определения суммарной негерметичности изделия или выявления негерметичных участков поверхности. Он применим в основном для испытаний крупногабаритных газонаполненных объектов, которые нельзя разместить в вакуумной камере.
Способ предусматривает помещение изделия в чехол или перекрытие отдельных участков контролируемой поверхности чехлами, уплотняемыми на ней так, что образуются замкнутые полости. Чехлы, как правило, изготовляются из эластичных пластмасс, но иногда применяются и менее удобные жесткие чехлы.
Величина утечки определяется по изменению концентрации гелия в чехле, регистрируемой щупом течеискателя в начале и конце накопления.
На контролируемом участке поверхности может существовать несколько течей, от величины и места расположения которых будет зависеть распределение концентраций в объеме чехла. Можно
считать, что в результате диффузионного обмена в объеме чехла установится некоторое распределение концентраций, «профиль» которого не меняется во времени при изменении абсолютных величин концентраций. В общем случае изменение парциального давления гелия в каждой точке пространства чехла рч во времени будет происходить по экспоненциальному закону. При условии рч « ръ = ратм, реализуемом на практике, изменение давления гелия можно считать линейным.
О наличии течи и ее величине можно судить по изменению концентрации гелия в любой точке изолированного пространства. Чтобы выяснить, имеется в изделии одна или несколько течей, необходимо измерять концентрацию гелия в нескольких точках.
Изменение абсолютного давления гелия в каждой точке пространства под чехлом при его накоплении на уровне установившегося профиля концентрацией определяется выражением
Ap4=|LAZH, (5.14)
где QT- величина суммарной утечки гелия; Кч - объем чехла; /н - время накопления.
Парциальное давление гелия рч в каждой точке чехла в общем виде можно характеризовать уравнением
Рч =^(x,y,z)+^-t„+N, (5.15)
где U(x, у, z) - функция распределения гелия в объеме чехла; N - постоянная, определяемая проницаемостью материала чехла для гелия и качеством уплотнения чехла на поверхности.
Нетрудно показать, что минимальная регистрируемая течеискателем со щупом утечка гелия может быть записана в виде
Даж V
й™п=— (5.16)
аф 'н
ХАРАКТЕРИСТИКИ МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКИХ ТЕЧЕИСКАТЕЛЕЙ
119
Даж
где —— - относительная нестабильность <*ф
фонового сигнала течеискателя; ув - концентрация гелия в воздухе.
Как видно из формулы (5.16), предельные возможности способа чехлов лимитируются уровнем и стабильностью фона системы щупа и чехла, а также временем накопления, зависящим от качества уплотнения чехла и проницаемости его материала для гелия.
Ограничения, связанные с возможным временем накопления, могут быть „ АаФ
сведены к минимуму. Отношение —— «ф можно сделать небольшим, совершенствуя откачную систему. Принципиальные ограничения связаны с величиной ув. Для устранения этого ограничения объем чехла продувают газом, не содержащим гелия, например чистым азотом. Практика показывает, что для чехлов, заполненных воздухом, достигается значение £?min « « 8 • 10 9 м3 • Па/с, а для чехлов с азотом £?min « 1,5 • IO’10 м3 • Па/с.
5.4. ХАРАКТЕРИСТИКИ МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКИХ ПРОМЫШЛЕННЫХ ТЕЧЕИСКАТЕЛЕЙ
Масс-спектрометрические гелиевые течеискатели с самой первой модели ПТИ-1 выпускались и выпускаются до сих пор заводом «Измеритель» (г. С.-Петербург), преобразованным в последние годы в ОАО «Завод “Измеритель”».
В настоящее время завод выпускает пять моделей масс-спектрометрических течеискателей: ТИ1-14, ТИ1-14М, ТИ1-15, ТИ1-22 и ТИ1-20. Внешний вид течеискателя ТИ1-14 представлен на рис. 5.13, а технические характеристики перечисленных течеискателей приведены в табл. 5.1.
Прибор ТИ1-14 выполнен в настольном варианте в виде двух блоков: блока с вакуумной системой СВ и регистрирующего блока УР, соединенных между собой кабелем.
Рис. 5.13. Внешний вид течеискателя ТИ1-14
Прибор ТИ1-14М выпускается с транспортной тележкой, в верхней части которой установлен непосредственно течеискатель с ТМН, а в нижней расположен форвакуумный насос ЗНВР-5ДМ, вынесенный из вакуумной системы СВ и примененный взамен насоса ЗНВР-1Д. Габаритные размеры течеискателя ТИ1-14М остались теми же, что и у течеискателя ТИ1-14. Отличия этих двух моделей состоят также в замене паромасляного насоса 150-литровым ТМН отечественного производства и введением еще одного рабочего режима - режима противотока.
Внешний вид течеискателя ТИ1-22 аналогичен внешнему виду течеискателя ТИ1-14М и расположен также на транспортной тележке. В вакуумной схеме течеискателя ТИ1-22 применен ТМН типа АТН-30+ фирмы “Alcatel” (Франция).
Миниатюрный гибридный насос АТН-30+ включает в себя турбомолеку-лярную ступень и ступени Хольвека, меж-
120 Глава 5. МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОД КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ
5.1. Основные технические характеристики промышленных масс-спектрометрических течеискателей
Параметр ТИ1-14 ТИ1-14М ТИ1-15 ТИ1-22 ТИ1-20
Порог чувствительности, м3 • Па/с: при вакуумных испытаниях при атмосферных испытаниях 7 10’12 10 7 7 • Ю"12; 7 • 10-14* 5 10" 7- 10~12 К 1 • 10'12 г7
Максимальный регистрируемый поток гелия, м3 • Па/с 5 • 10"6 КГ1 > 10 ю2
Время запуска, мин 60 5 60 5
Постоянная времени, с < 1
Степень автоматизации Запуск и выключение Запуск и выключение, программное управление при испытаниях Запуск и выключение Полная
Питание, В 380 (50 Гц) 220 или 380 (50 Гц)
Потребляемая мощность, кВт 0,75 0,95 1 0,95 1
Габаритные размеры, мм Система вакуумная 398 х 667 х х 470; устройство регистрирующее 270 х х 325 х 338 580 х 672 х х 1525 (с тележкой) Система вакуумная 608 х 665 х х 547;устройство регистрирующее 270 х х 325 х 338 580 х 672 х х 1410 580 х 672 х х 1525
Масса, кг Система вакуумная 75; устройство регистрирующее 20 60 (без тележки) Система вакуумная 93; устройство регистрирующее 20 125 145
* 7 • 10 12 - в режиме предварительных испытаний; 7 • 10 14 - в режиме высокочувствительных испытаний (накопление).
ду которыми предусмотрена промежуточная полость. Благодаря этому насосу в течеискателе реализуются три режима работы: прямого потока, промежуточного противотока и противотока.
Течеискатель ТИ1-15 по своим возможностям является уникальным прибором. Он обладает высокой чувствительностью при вакуумных и атмосферных испытаниях благодаря применению в схемах
КАЛИБРОВКА
121
испытаний цеолитового насоса. Кроме того, в комплектацию течеискателя входит фильтр с полиэтилентерефталатной мембраной. Фильтр устанавливается на входном фланце течеискателя, и испытания проводятся без предварительной откачки изделий, при этом значительно расширяется диапазон регистрируемых течей в сторону больших величин.
Течеискатель ТИ1-20 - последняя выпускаемая заводом модель, новый широкодиапазонный автоматизированный гелиевый прибор.
ОАО «Завод “Измеритель”» постоянно проводит работы по совершенствованию выпускаемых течеискателей с целью повышения надежности и улучшения их эксплуатационных характеристик.
5.5. КАЛИБРОВКА
Калибровка течеискателей проводится для возможности количественной оценки чувствительности и величины обнаруживаемых течей.
Для калибровки течеискателей применяются калиброванные течи «Гелит-Ь> и «Гелит-2», обеспечивающие постоянные, стабильные потоки гелия в диапазоне КГ8... 10" Вт.
Устройство течей «Гелит» и их калибровка описаны в разд. 15.3. Течь «Гелит» входит в состав всех отечественных масс-спектрометрических течеискателей. Кроме того, в комплектацию течеискателя входит «Гелит-1» с максимальным потоком гелия (~ 10~8 Вт) и со специальной насадкой, обеспечивающей точечный источник гелия с потоком той же величины, что указана в паспорте на течь. Эта течь предназначена для калибровки способа щупа.
В результате калибровки определяют чувствительность течеискателя К:
ат -ал
К= —-----(5.17)
ет
где QT - поток гелия от калиброванной течи, м3 • Па/с; ат - установившийся сиг
нал течеискателя при измерении гелиевой течи, мВ; аф - фоновый сигнал течеискателя, мВ.
На практике удобно пользоваться ценой деления sq выходного прибора течеи-w 1 скателя, равной —.
Порог чувствительности течеискателя - минимальный поток пробного газа, регистрируемый течеискателем:
£>min = гдаф^ м3 • Па/с, (5.18) где Даф - максимальная амплитуда флюктуаций фонового сигнала, мВ.
Если Даф = 0, то вместо 2Даф следует применять минимальный достоверный сигнал, поддающийся отсчету.
Чувствительность и порог чувствительности течеискателя могут отличаться от аналогичных величин системы испытаний, поскольку они зависят кроме чувствительности течеискателя от характеристик испытуемого объекта: объема, газо-выделения, параметров вспомогательного оборудования, способа и схемы испытаний, способа и времени подачи пробного газа на течь. С учетом этого при испытаниях, особенно крупногабаритных объектов и установок, калиброванную течь следует устанавливать на контролируемом изделии или вспомогательном оборудовании по возможности ближе к контролируемому участку.
В случае испытаний способом накопления, когда отсутствует откачка гелия, чувствительность характеризуют минимальным количеством гелия, поддающимся регистрации:
м3 • Па/с, (5.19) К]
где Aamin - минимальный достоверный сигнал течеискателя, мВ; Кх - чувствитель-а-осф ность анализатора, мВ/Па, Кх =-------—,
Рт
(рт - парциальное давление гелия, Па); Ин - объем накопления, м3.
122 Глава 5. МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОД КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ
Если общий газовый поток контролируемого изделия Qz велик и превышает максимально допустимый поток для течеискателя, при испытаниях способом щупа часто чувствительность течеискания
определяют минимальной регистрируемой концентрацией ymin. Калибровку в этом случае осуществляют с помощью аттестованных калиброванных смесей с известной концентрацией гелия.
Глава 6
ГАЛОГЕННЫЙ МЕТОД КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ
6.1. ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ ГАЛОГЕННОГО МЕТОДА
Галогенный метод возник в период широкого промышленного освоения холодильников с использованием фреонов в качестве хладоагента. Но вскоре метод начал быстро развиваться и применяться в различных отраслях промышленности. В настоящее время он является одним из наиболее распространенных аппаратурных методов течеискания, уступая первенство лищь масс-спектрометрическому. Метод широко применяется в авиации, судо-, приборо- и ракетостроении, энергетике, других отраслях промышленности. Методу отдается предпочтение при контроле герметичности больших объемов или систем с разветвленными коммуникациями, газонаполненных кабелей и трубопроводов, герметизируемых систем, не поддающихся вакуумированию. Особенно эффективно применение галогенного метода при контроле изделий, в которых галогеносодержащие вещества используются в качестве рабочих (аэрозольные упаковки, холодильники, кондиционеры).
Реализуется галогенный метод контроля герметичности на базе галогенных течеискателей. Действие этих приборов основано на свойстве накаленной до 800 ... 900 °C платины резко увеличивать эмиссию положительных ионов в присутствии галогеносодержащих веществ. Этот эффект, открытый Райсом в 1910 г., реализуется в двухэлектродной системе, состоящей из коллектора и накаленного эмиттера, между которыми создается электрическое поле. Эффект наблюдается как при атмосферном давлении, так и в вакууме. При разности потенциалов между электродами 200 ... 250 В эмитируемые ионы переносятся на коллектор, образуя электрический ток во внешней цепи, регистрируемый индикатором [10].
Фоновый и активированный токи при галогенном эффекте обусловлены ионами щелочных металлов, образующимися в результате ионизации на поверхности платины атомов щелочных металлов, диффундирующих из глубины платины или поступающих на ее поверхность в результате испарения из разогретого керамического основания эмиттера. При поступлении к поверхности эмиттера галогенов последние реагируют с ионами щелочных металлов и поверхность в большей или меньшей степени освобождается от адсорбированных ионов. Работа выхода эмиттера увеличивается, соответственно, увеличивается эффективность ионизации и возрастает ионный ток. Когда поступление галогенов прекращается, поверхность эмиттера снова покрывается слоем щелочных ионов, работа выхода эмиттера снижается и ионный ток уменьшается до фонового значения.
Степень поверхностной ионизации, т.е. отношение ионов М к числу нейтральных молекул No, покидающих поверхность за 1 с, выражается формулой Ленгмюра - Саха:
N+ / No = р ехр [(-еИ + Ф) / АТ], (6.1) где р - константа, зависящая от рода газа и металла; Ф - работа выхода электрона из металла; е - заряд электрона; V - потенциал ионизации молекул газа; к - постоянная Больцмана; Г - абсолютная температура эмиттера.
Величина ионного тока
J = eN+ = eTVoP ехр [(-еГ + Ф) / кТ ]. (6.2)
Запас щелочных примесей в платине невелик, и стабильность эффекта поддерживается в основном поступлением на поверхность платины нейтральных атомов щелочных металлов с керамического основания, контактирующего с эмиттером.
124
Глава 6. ГАЛОГЕННЫЙ МЕТОД КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ
При поступлении к эмиттеру большего количества галогенов наблюдается явление «отравления» - частичное или полное исчезновение галогенного эффекта, который восстанавливается при работе эмиттера в атмосфере чистого воздуха.
Со времени своего появления галогенные течеискатели постоянно совершенствовались с целью стабилизации фонового сигнала и снижения вероятности отравления эмиттера.
Большое внимание уделяется технологии приготовления керамики и ее составу. В частности, возможно применение керамики на основе Р-АЬОз, допускающей использование датчика при пониженных температурах (300 ... 600 вместо 800 °C в случае использования керамики из стеатита). При этом стабилизируется фоновый ток, уменьшая опасность отравления. Изменяя конструкцию датчика, осуществля
ют предварительную подготовку пробы для стабилизации температурного режима датчика, достижения селективности последнего по отношению к различным типам фреонов, снижения опасности отравления. Ионизационную эффективность датчика повышают с помощью формирователя потока газа на его эмиттер.
6.2. АППАРАТУРА ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ ГАЛОГЕННОГО МЕТОДА
В настоящее время отечественная промышленность выпускает вакуумноатмосферный течеискатель ТИ2-8 (рис. 6.1) и атмосферный с автономным питанием БГТИ-7 (рис. 6.2). В эксплуатации у потребителей находится большое количество вакуумно-атмосферных течеискателей ГТИ-6 (рис. 6.3), длительное время выпускавшихся серийно. Эти течеискате-
Рис. 6.1. Вакуумно-атмосферный галогенный течеискатель ТИ2-8
Рис. 6.2. Атмосферный галогенный течеискатель БГТИ-7
АППАРАТУРА ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ ГАЛОГЕННОГО МЕТОДА
125
Рис. 6.3. Вакуумно-атмосферный галогенный течеискатель ГТИ-6
5 1 2
Рис. 6.4. Амосферный преобразователь течеискателей ТИ2-8 и ГТИ-6
ли представляют собой переносные приборы, состоящие из регистрирующего блока и преобразователей, соединенных между собой электрическим кабелем.
Галогенные течеискатели ТИ2-8 и ГТИ-6. Течеискатели ТИ2-8 и ГТИ-6 снабжены двумя преобразователями - вакуумным и атмосферным, БГТИ-7 - только атмосферным.
Конструктивно атмосферные преобразователи течеискателей ТИ2-8 и ГТИ-6 одинаковы. Они выполнены в виде легкого пистолета, удобно удерживаемого в руке (рис. 6.4). В передней части пластмассового корпуса размещен чувствительный элемент (ЧЭ) /, через который расположенным за ним вентиляционным устройством 2 просасывается воздух. В хво
126
Глава 6. ГАЛОГЕННЫЙ МЕТОД КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ
стовой части преобразователя находится световой индикатор наличия течей, включающий в себя неоновую лампу 4 под прозрачным колпаком 3. С целью отвода тепла от разогреваемой эмиттером поверхности в передней части преобразователя размещен радиатор 5.
В процессе контроля герметичности преобразователь проносят над поверхностью контролируемого объекта. При прохождении преобразователя вблизи дефектного места концентрация пробного вещества в потоке воздуха через ЧЭ повышается, что и фиксируется течеискателем.
Вакуумный преобразователь (рис. 6.5), смонтированный на фланце ДУ-50, устанавливается на вакуумной системе, поверхность которой при испытаниях обдувается струей пробного вещества. Преобразователь включает в себя ЧЭ, идентичный применяемому в атмосферном преобразователе (предусмотрена взаимозаменяемость); кислородный инжектор 4 и
штепсельный разъем. ЧЭ своим керамическим основанием крепится в обойме (на рисунке не показана), приваренной к трем стойкам 7, закрепленным вертикально на внутренней поверхности фланца 6. К тем же стойкам тремя винтами коаксиально с коллектором ЧЭ 2 крепится кислородный инжектор 4.
Конструктивно он выполнен в виде малогабаритного кольцевого цилиндрического стакана из нержавеющей стали, закрывающегося крышкой. Внутренняя стенка стакана в верхней части имеет отверстия. Ниже уровня этих отверстий стакан заполнен марганцово-кислым калием 5, высыпанию которого через отверстия препятствует стекловолокно, закладываемое под крышку. При работе преобразователя под действием развиваемого им тепла КМпО4 разлагается с выделением кислорода, необходимого для стабильной работы эмиттера в вакууме. Токовводы ЧЭ уплотняются в отверстиях фланца 6 фторопластовыми уплотнениями.
Рис. 6.5. Вакуумный преобразователь течеискателей ТИ2-8 и ГТИ-6:
1 - эмиттер; 2 - коллектор; 3 - керамический каркас эмиттера; 4 - кислородный инжектор;
5 - марганцово-кислый калий; 6 - фланец; 7 - стойки
АППАРАТУРА ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ ГАЛОГЕННОГО МЕТОДА
127
Рис. 6.6. ЧЭ галогенных течеискателей ГТИ-6 и ТИ2-8
собой коаксиальный диод, состоящий из коллектора и эмиттера, закрепленных на керамической шайбе-основании. Коллектор 1 выполнен в виде трубки диаметром 7 мм из платиновой фольги толщиной 0,1 мм, вваренной внутрь цилиндрической втулки из нержавеющей стали, развальцованной в керамическом основании 3. Эмиттер 2 состоит из керамического каркаса, на который намотана спираль из платиновой проволоки диаметром 0,2 и длиной 380 мм. Коллекторный и эмиттерные токовводы 4 выведены через основание 3 для монтажа ЧЭ в преобразователе. Спираль нагревается переменным током. Чувствительность течеискателя регулируется изменением напряжения питания эмиттера, а также изменением чувствительности усилителя постоянного тока (УПТ).
Схема питания атмосферного преобразователя ГТИ-6 показана на рис. 6.7. В случае вакуумного преобразователя уменьшенное напряжение накала снимается с клемм 7 и 9, а клеммы 3-5 остаются незадействованными. Ионный ток с преобразователя усиливается УПТ и регистрируется стрелочным прибором (ГТИ-6 или БГТИ-7) или светящимся столбиком на светодиодах (ТИ2-8) с одновременной индикацией световым и акустическим индикаторами.
Чувствительный элемент течеискателей ТИ2-8 и ГТИ-6 (рис. 6.6) представляет
—I Контакт Цепь Абрее
С \ 1 Коллектор ГТИ-6 34/1
1
1 2 Экран ГТИ-6 34/2
1 3 СВетобой индикатор ГТИ-634/3
л! Р —
“Л\ ) С дЧ 4 дВиеатель ГТ И-634/4
т + 5 + 56 В ГТИ-634/5
6 ГТИ-634/б
7 + 230 В накал эмиттера ГТИ-634/7
—
8 Корпус ГТИ-634/6
9 ГТИ-634/9
10 Накал эмиттера датчика Выносного щупа ГТИ-634/10
Рис. 6.7. Схема питания атмосферного преобразователя ГТИ-6
128
Глава 6. ГАЛОГЕННЫЙ МЕТОД КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ
Схемы питания, измерения и индикации галогенных течеискателей размещены в регистрирующих блоках. На лицевую панель блока выведены основные ручки управления течеискателем. В сторону задней панели обращены вспомогательные органы управления и разъемы для подсое
динения электрических кабелей питания и вспомогательных приборов.
На рис. 6.8 приведен внешний вид панелей течеискателя ТИ2-8.
Диапазоны измеряемого ионного тока при различных положениях переключателя 6 показаны в табл. 6.1.
1 2
Рис. 6.8. Внешний вид передней (а) и задней (б) панелей течеискателя ТИ2-8.
На передней панели:
1 - разъем для подключения выносного щупа или вакуумного датчика; 2 - разъем для подключения внешнего измерительного прибора; 3 - индикаторы большого уровня компенсации и нуля усилителя; 4 - линейная шкала индикации уровня течи; 5 - ручка-регулировка громкости звукового индикатора; 6 - переключатель для установки диапазона измерения; 7 - регулятор для установки нуля усилителя; 8 - ручка для установки начального тока датчика; 9 - ручка для компенсации начального тока датчика.
На задней панели:
7 - тумблер для включения течеискателя; 2 - электрохимический счетчик машинного времени;
3 - клемма корпуса течеискателя; 4 - зажим для защитного заземления корпуса течеискателя;
5 - предохранители «1,0 А»; 6 - кабель с вилкой сетевого питания; 7 - регулятор для настройки звукового генератора
АППАРАТУРА ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ ГАЛОГЕННОГО МЕТОДА
129
6.1. Диапазоны измеряемого ионного тока
Положение переключателя Диапазон входного тока, мкА Относительная чувствительность УПТ
1 10 1
2 1 10
3 0,1 100
4 0,02 500
В измерительной схеме течеискателя ТИ2-8 при определенном положении переключателя шкалы предусмотрена возможность присоединения к УПТ разделительного конденсатора. В течеискателе ГТИ-6 для этого предназначен дополнительный тумблер. Без подключения конденсатора в результате реакции на пробное вещество измеряются фоновый и активированный токи. При подключении конденсатора постоянная составляющая тока не фиксируется, тем самым регистрируется только изменение активированного тока. Такое включение, устраняя фоновые сигналы, позволяет повысить реальную чувствительность испытаний. При необходимости непрерывного наблюдения за уровнем фонового сигнала, например в случае присутствия больших количеств галогеносодержащих веществ, могущих вызвать отравление эмиттера, работают без подключения конденсатора. В этих условиях предусмотрена возможность электрической компенсации фонового сигнала в широких пределах.
Порог чувствительности течеискателей ТИ2-8 и ГТИ-6 с атмосферным преобразователем 1 • КГ7 м3 • Па/с.
Отличительные особенности течеискателя БГТИ-7. Портативность и наличие автономного питания делают течеискатель БГТИ-7 незаменимым при испытаниях крупногабаритных и протяженных объектов: трубопроводов, кабелей связи, хранилищ сырья и т.п. в полевых условиях. Течеискатель допускает непрерывную работу в течение 4 ч без смены аккумуляторных батарей. Входящие в комплект течеискателя сменный блок аккумулято
ров и зарядное устройство позволяют увеличить время непрерывной работы до полной рабочей смены.
Преобразователь течеискателя БГТИ-7 внешне аналогичен преобразователям ГТИ-6 и ТИ2-8. Его отличительной особенностью является наличие в передней части, перед ЧЭ, специальной втулки, образующей лабиринт для потока засасываемого при полевых испытаниях воздуха с целью его подогрева теплом работающего эмиттера перед поступлением в ЧЭ. Применение в эмиттере платиновой проволоки диаметром 0,16 мм снизило потребляемую мощность преобразователя почти в 2 раза.
Течеискатель БГТИ-7 имеет два вида индикации: по стрелочному прибору и звуковую. Для удобства работы при внешнем шуме в комплектацию прибора входят головные телефоны, включаемые в расположенные на лицевой панели гнезда.
Регистрирующий блок БГТИ-7 совместно с комплектом аккумуляторных батарей, преобразователем и необходимыми аксессуарами размещается в переносной сумке. При этом общая масса прибора 12 кг. В рабочем положении регистрирующий блок, преобразователь и один из блоков аккумуляторов, соединенных между собой, образуют рабочий комплект прибора. Входящее в комплектацию зарядное устройство обеспечивает подзарядку свободного комплекта аккумуляторов. Порог чувствительности БГТИ-7 к потоку фреона составляет 9 • 10~7 м3 • Па/с.
В табл. 6.2 приведены технические характеристики отечественных галогенных течеискателей.
5-8193
130
Глава 6. ГАЛОГЕННЫЙ МЕТОД КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ
6.2. Технические характеристики галогенных течеискателей
Техническая характеристика ГТИ-6 БГТИ-7 ТИ2-8
Пороговая чувствительность к потоку фреона-12, м3 • Па/с (г/год) 1 • 10'7 (0,2) 9 10’7 (1,5) 1 • 10’7 (0,2)
Быстродействие течеискателя с атмосферным преобразователем, с 1,5 3 1,5
Пороговая чувствительность течеискателя с вакуумным преобразователем к парциальному давлению фреона-12, Па IO45* Атмосферный вариант 10^*
Индикаторы течи Стрелочный, звуковой, световой Стрелочный, звуковой Звуковой, световой с возможностью количественной оценки течи
Потребляемая мощность, Вт 85 35 65
Габаритные размеры, мм 360 х 160x200 188 х 326 х 348 200 х 180x260
Масса, кг:
- атмосферного регистрирующего блока 10 2,5 6,5
- преобразователя с электрическим кабелем 1,3 0,7 1,3
- вакуумного преобразователя 1,2 — 1,2
♦ Соответствует чувствительности к потоку фреона-12 - 10‘9 м3 • Па/с при эффективной скорости откачки 1 л/с.
В приведенных моделях течеискателей порог чувствительности ограничен указанной величиной, исходя из следующих факторов:
- повышение температуры эмиттера до значения > 850 °C способствует увеличению ионного тока, но при этом непропорционально возрастают флюктуации фонового и активированного токов, а следовательно, выбранная температура эмиттера близка к оптимальной;
- увеличение поверхности эмиттера в разработанных промышленных моделях
течеискателей неэффективно, поскольку даже незначительное повышение чувствительности требует существенного увеличения габаритных размеров преобразователя;
- повышение коэффициента усиления УПТ также нецелесообразно, потому что одновременно возрастает и фоновый ток ЧЭ, так что ’ отношение сигнал/шум не увеличивается;
- система прокачки анализируемого газа через ЧЭ на уровне 0,6 ... 0,7 л/мин в промышленных моделях течеискателей
АППАРАТУРА ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ ГАЛОГЕННОГО МЕТОДА
131
также близка к оптимальной. Как и следовало ожидать, увеличение времени пребывания галогенов в объеме ЧЭ при снижении скорости прокачки через него анализируемой смеси газов повышает чувствительность течеискателя. Однако при этом снижается быстродействие, а также интенсифицируется отравление ЧЭ.
Представленные на рис. 6.9 кривые зависимости реакции течеискателя на калиброванную течь от скорости прокачки газа через ЧЭ экспериментального преобразователя показывают, что снижение расхода газа вплоть до 0,05 л/мин повышает эффективность ионизации и, соответственно, сигнал течеискателя и его чувствительность. При расходе < 0,05 л/мин вследствие увеличения времени контакта галогенов с эмиттером определяющим становится отравление эмиттера и на кривых наблюдается спад сигнала.
Эффективность ионизации повышается и с увеличением температуры эмиттера. Однако, как показывает сдвиг вправо максимума кривых, сильнее нагретый эмиттер более склонен к отравлению. Оп
тимальное соотношение между чувствительностью и отравляемостью преобразователя определили выбор рабочих режимов.
Согласно приведенным графикам максимальная чувствительность достигается при расходе газа через ЧЭ 0,05 ... 0,2 л/мин, однако при этом заметно отравление эмиттера. Кроме того, даже незначительные колебания расхода газа приводят к большим изменениям ионного тока. Поэтому выбран и заложен в конструкцию атмосферного преобразователя расход газа через ЧЭ, равный 0,6 ... 0,7 л/мин, при котором быстродействие прибора <1 с, достигается высокая чувствительность и не наблюдается заметного отравления эмиттера.
Простота, надежность, высокая чувствительность, низкая стоимость и малые габаритные размеры галогенных течеискателей, доступность и низкая стоимость пробных веществ привлекают разработчиков герметизированных изделий и производства к применению галогенного метода.
Рис. 6.9. Изменение сигнала течеискателя в зависимости от расхода воздуха через ЧЭ при различной температуре эмиттера:
1-5- при температурах соответственно 750; 775; 800; 825 и 850 °C
5*
132
Глава 6. ГАЛОГЕННЫЙ МЕТОД КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ
6.3. ГРАДУИРОВКА ГАЛОГЕННЫХ ТЕЧЕИСКАТЕЛЕЙ
Галогенные течеискатели с атмосферным преобразователем градуируют по калиброванной течи «Галот» (рис. 6.10). Принцип действия течи заключается в равновесном истечении пара через постоянно открытое выходное отверстие из объема, содержащего летучее химически чистое порошкообразное вещество - гек-сахлорэтан. По своему воздействию на ЧЭ течеискателя истечение пара эквивалентно потоку фреона-12 в заданных пределах.
Течь представляет собой металлический баллон диаметром 40 и высотой 100 мм, к верхней части которого приварена крышка с наконечником. В центре наконечника имеется резьбовое отверстие диаметром 3,5 мм для размещения сменных насадок. Через выходные отверстия насадок истекает пар рабочего вещества, находящегося в баллоне течи в твердой фазе. Течь комплектуется двумя насадками с диаметром отверстий 0,3 и 1,7 мм, что в совокупности с применением течи без насадки обеспечивает ступенчатое изменение величины потока в пределах, соответствующих эквивалентному по реакции течеискателя потоку фреона-12: 1 • 1(Г7... 1 • 1(Г6м3 • Па/с.
Рис. 6.10. Калиброванная течь «Галот-1»
Рабочее вещество распределено по всей внутренней поверхности баллона, что гарантирует большую площадь испарения при пренебрежимо малой площади выходного отверстия. Поэтому в объеме течи создается равновесное давление пара рабочего вещества, близкое к насыщенному, и из выходного отверстия происходит постоянное во времени его истечение.
Поскольку величина эквивалентного потока течи зависит только от физико-химических свойств рабочего вещества, окружающей температуры и размеров выходного отверстия, при ее промышленном выпуске оказалось возможным ограничиться выборочной градуировкой течи, ведя лишь строгий контроль за точностью изготовления отверстий в насадках. При точности изготовления насадок ±0,05 мм по диаметру обеспечивается приемлемая сходимость индивидуальных характеристик течей с типовой. Это дает точность, вполне достаточную для практических целей.
При градуировке течеискателя патрубок его преобразователя устанавливается в наконечнике течи соосно с ее выходным отверстием. Во избежание нарушения равновесного давления пара в объеме течи за счет откачивающего действия преобразователя в наконечнике течи предусмотрены прорези и упор, обеспечивающие необходимый зазор между патрубком и выходным отверстием течи. Фиксированное взаимное расположение течи и патрубка преобразователя обеспечивает воспроизводимые условия градуировки, необходимые в практике течеискания.
Цена деления выходного прибора sq определяется по формуле
Sy = • -, м3 • Па/с,
паг
где QT - величина течи «Галот»; сст - сигнал течеискателя, делений; п - значение коэффициента приведения.
Течь «Галот» входит в комплектацию современных галогенных течеискателей и
ГРАДУИРОВКА ГАЛОГЕННЫХ ТЕЧЕИСКАТЕЛЕЙ
133
обладает большим сроком службы: завод-изготовитель гарантирует ее надежную работу в течение 5 лет.
Градуировку течеискателей с вакуумным преобразователем производят с помощью специальных схем по методикам, изложенным в паспорте течеискателя.
Представленная на рис. 6.11 схема обеспечивает возможность калибровки течеискателя по парциальному давлению пробного вещества. Схема предусматривает размещение преобразователя в контролируемом объекте, откачанном до давления р < 6,5 • 10~2 Па, и параллельную регистрацию сигналов преобразователя и ионизационного вакуумметра при напуске фреона в вакуумную камеру из баллона WG через натекатель или регулируемый клапан /. Механический насос NI обеспечивает предварительную откачку соединительных коммуникаций.
Исходя из результатов измерений цена деления наиболее чувствительной шкалы выходного прибора течеискателя по парциальному давлению оценивается по формуле
5 = р $п\а.к ’
Рис. 6.11. Схема калибровки течеискателя по парциальному давлению пробного вещества:
WG - баллон с фреоном; VI, V2 - клапаны; РТ - термопарный преобразователь; РА - ионизационный преобразователь;
I - натекатель; GL - преобразователь течеискателя; CV- вакуумная камера
где - изменение давления, зарегистрированное ионизационным вакуумметром; Р - коэффициент относительной чувствительности ионизационного вакуумметра по пробному веществу, для фреона-12 определенный величиной Р = 5,3; п - коэффициент приведения, учитывающий соотношение цены деления рабочей и самой чувствительной шкалы (табл. 6.3); Аак -сигнал течеискателя на выбранной рабочей шкале.
Цена деления наиболее чувствительной шкалы по потоку пробного вещества $о по данным градуировки может быть определена при известной эффективной быстроте откачки 5Э:
Sp S3.
Регистрируемый в процессе контроля герметичности сигнал а предварительно откалиброванного течеискателя позволяет оценить величину индицируемого потока:
Q = sq а п.
Прямую калибровку по потоку пробного вещества обеспечивает схема, представленная на рис. 6.12.
Поток газа или пара, поступающего в вакуумную систему, однозначно определяется геометрией диафрагмы F и перепадом давлений на ней, фиксируемым в момент градуировки по вакуумметрам, например термопарному и ионизационному. Пересчетный коэффициент р для ионизационного вакуумметра определен выше.
6.3. Значения коэффициента приведения для течеискателей ТИ2-8 и ГТИ-6
Коэффициент приведения п Положение переключателя шкал
ТИ2-8 ГТИ-6
500 1 1
50 2 2
5 3 3
1 4 4
134
Глава 6. ГАЛОГЕННЫЙ МЕТОД КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ
Рис. 6.12. Схема калибровки течеискателя по потоку пробного вещества:
М - механический насос; WG - баллон с фреоном; VI -V3- клапаны; 1 - натекатель; F- диафрагма; РТ- термопарный преобразователь; РА - ионизационный преобразователь; GL -преобразователь течеискателя; CV - вакуумная камера
6.4. Значения коэффициентов для различных фреонов, необходимых при градуировке галогенных течеискателей
Наименование фреона Химическая формула Л/, г/моль Точка кипения, °C Y q
Фреон-12 cci2f2 12,1 -29,8 1,14 0,63
Фреон-13 CC1F3 104,5 -81,4 1,14 0,59
Фреон-22 CHC1F2 86,5 -40,8 1,2 0,75
Показания термопарного вакуумметра р могут быть приведены к истинному давлению фреона пересчетом по формуле
РФ = <7Л где
4 9 у + 1 ]_е-о.24л/л7’
Молекулярная масса М и отношение
Ср теплоемкостей у = —зависят от вида
Сг
фреона. Необходимые для расчета данные сведены в табл. 6.4.
Методика калибровки течеискателя по потоку пробного вещества сложнее, чем по парциальному давлению, но она более универсальна и пригодна при установке преобразователя в любом месте вакуумной системы - как на стороне высокого вакуума, так и в форвакуумной линии.
6.4. ГАЛОГЕНОСОДЕРЖАЩИЕ ПРОБНЫЕ ВЕЩЕСТВА
При контроле герметичности объектов галогенным методом в качестве пробных веществ чаще всего используют гало-гензамещенные углеводороды: фреон-12 (CC12F2), фреон-13 (CC1F3), фреон-22 (CHC1F2). Применяют также элегаз, четыреххлористый углерод, хлористый метил и другие галогеносодержащие вещества. При жидкостных испытаниях наиболее эффективен фреон-113. В последние годы разработан новый безопасный для озонового слоя хладоагент - фреон-134А. Со временем этот фреон должен заменить в холодильных агрегатах фреон-12. Очевидно, фреон-134А следует также считать новым галогеносодержащим пробным веществом. Его молекулярная масса 102 г/моль, точка кипения -26,5 °C.
Давление пробного вещества, создаваемое в полости контролируемого объек-
ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ГАЛОГЕННОГО МЕТОДА
135
6.5. Упругость пара фреонов при различных температурах
г, °C Давление, 1 • 105 Па
фреона-12 фреона-13 фреона-22
-50 0,4 4,22 0,65
-40 0,65 6,07 1,05
-30 1,02 8,45 1,64
-20 1,53 11,48 2,46
-10 2,23 15,15 3,55
0 3,14 19,68 4,98
10 4,31 25,16 6,81
20 5,77 31,76 9,09
30 7,58 Данные П,9
неизвестны
40 9,77 То же 15,31
та, ограничивается упругостью пара вещества при температуре контроля. Поэтому при выборе пробного вещества наряду с другими характеристиками необходимо принимать во внимание и этот немаловажный параметр. Например, при температуре контроля 20 °C и давлении 0,6 МПа фреон-12 сжижается, поэтому контроль в этих условиях следует проводить с использованием фреона-22, сжижение которого происходит при давлении, превышающем 0,9 МПа, или фреона-13, упругость пара которого превышает 31 МПа.
В табл. 6.5 приведена упругость пара наиболее часто используемых фреонов при различных температурах.
6.5. ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ГАЛОГЕННОГО МЕТОДА
Галогенный метод реализуется различными способами в зависимости от технико-экономических и конструктивных особенностей контролируемых объектов.
Способ щупа. Его применяют для регистрации утечек пробного вещества из газонаполненных объектов, находящихся
под избыточным давлением. Способ щупа используется в подавляющем большинстве случаев применения галогенного метода контроля.
Галогенные течеискатели - весьма чувствительные приборы. Поэтому при наличии в контролируемом объекте больших течей воздух производственного помещения загрязняется примесями пробного вещества, что отражается на работоспособности течеискателя - повышается и становится нестабильным фоновый сигнал, а при сильном загрязнении происходит частичная потеря чувствительности -отравление ЧЭ.
Поэтому перед заполнением объекта пробным веществом определяют наличие грубых течей более грубыми методами (опрессовкой сжатым воздухом с регистрацией течи акустическим методом, ультразвуковым течеискателем, манометрическим способом - по падению давления и т.п.). Затем, после устранения грубых течей, объект заполняют пробным веществом до давления выше атмосферного. Контроль галогенным методом осуществляют при хорошей вентиляции помещения, а в условиях конвейерного производства (например, холодильные агрегаты бытовых холодильников) участок контроля оборудуют в виде кабины с приточновытяжной вентиляцией, в которой одновременно могут находиться не более двух-трех агрегатов.
Контроль способом щупа основан на сканировании поверхности контролируемого объекта атмосферным преобразователем галогенного течеискателя. С особой тщательностью «обнюхиваются» сварные и паяные швы, разъемные соединения и т.п. При утечке на поверхности объекта вблизи места течи образуется облако фреона, которое захватывается перемещающимся преобразователем и, перетекая через ЧЭ течеискателя, вызывает его реакцию.
Поскольку фреон тяжелее воздуха, во избежание ложных отбраковок контроль начинают с верхних участков объекта.
136
Глава 6. ГАЛОГЕННЫЙ МЕТОД КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ
При испытаниях имеет место некоторое запаздывание сигнала с момента захвата пробного вещества в месте его утечки, обусловленное постоянной времени течеискателя, а также временем транспортирования пробы к ЧЭ. Поэтому для точного определения местоположения течи в крупногабаритных объектах щуп перемещают с ограниченной скоростью: ~ 5 ... 10 мм/с. При этом для сохранения высокой чувствительности контроля преобразователь должен находиться как можно ближе к поверхности объекта. Если контролируемая поверхность имеет шероховатости или углубления, препятствующие приближению преобразователя к течи, то чувствительность снижается.
Контроль с помощью щупа выполняется как чистым фреоном, так и смесью его с воздухом. Контроль крупногабаритных объектов чистым фреоном рекомендуется проводить по схеме рис. 6.13.
Контролируемые объекты 7-9 откачивают форвакуумным насосом 10, открыв клапаны 3-6, клапаны 1, 2, 13 при этом закрыты. Затем закрывают клапан 3, открывают клапан 1 и через открытые клапаны 4 - 6 из баллона 14 нагнетают фреон в объект контроля до давления выше атмосферного и клапан 7 закрывают. После этого с помощью щупа, соединенного с регистрирующим блоком течеискателя, обследуют подозреваемые на течь места. Начинать испытания рекомендуется при пониженной чувствительности, для чего снижают ток накала эмиттера или загрубляют УПТ. Устранив грубые течи,
повышают чувствительность и проводят высокочувствительные испытания. По окончании испытаний фреон собирают обратно в баллон 14 с помощью компрессора 11 и конденсатора 12 через открытые клапаны 2, 13, после чего в объекты подают чистый воздух с последующей его откачкой. Двукратная откачка обеспечивает остаточное содержание фреона в объекте в пределах 10~5 мг/м3.
При контроле с использованием смеси фреона с воздухом применяют схему, показанную на рис. 6.14.
Через клапаны 1,3, 7, 8 в контролируемые объемы 4-6 вводят некоторое количество фреона и закрывают клапаны. Подачей сжатого воздуха через клапан 11 устанавливают давление смеси, необходимое для обеспечения требуемой чувствительности контроля. Преобразователем-щупом обследуют подозреваемые на течь места контролируемых объектов. По окончании контроля объекты продувают воздухом через клапаны 3, 7-9, 77, а остатки фреоно-воздушной смеси откачивают насосом 10 через клапан 2.
Оценка величины потока фреона Q через течь проводится по формуле
Q = Sq ап / С,
где
s
а ^ср
цена деления выходного прибора течеискателя, отградуированного по течи «Га-
м3 - Па /
лот», -------/деление; а - сигнал тече-
с /
Рис. 6.13. Схема испытаний способом щупа с использованием чистого фреона
Рис. 6.14. Схема испытаний способом щупа с использованием смеси фреона с воздухом
ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ГАЛОГЕННОГО МЕТОДА
137
искателя при обнаружении течи в объекте контроля; С - концентрация фреона (£т -величина калиброванной течи «Галот», м3 • Па/с; аср - среднее значение сигнала течеискателя от течи «Галот»).
Величина обнаруженной течи зависит от давления и концентрации пробного вещества в контролируемом объекте и оценивается по выражению
g — Ра
где р - давление пробного вещества, Па; /?а - атмосферное давление, Па; С - концентрация; {?min - минимальный поток, регистрируемый течеискателем.
Из формулы в явном виде следует, что повышение чувствительности испытаний обеспечивается, во-первых, улучшением пороговой чувствительности аппаратуры и, соответственно, уменьшением 2mm и, во-вторых, методическим подходом -увеличением давления заполнения и концентрации пробного вещества. Давление можно поднять закачкой пробного вещества под повышенным давлением или повышением температуры испытуемого изделия с введенным в его внутреннюю полость пробным веществом. Увеличение давления за счет нагрева эффективно в случае применения жидких пробных веществ, например фреона-113.
Так, при нагреве изделия до температуры 125 °C давление газообразного пробного вещества повышается в 1,43 раза (пропорционально отношению абсолютных температур), а при использовании жидкого пробного вещества, например фреона-113, - в 18 раз в соответствии с изменением упругости пара от 0,46 • 105 до 8,1 • 105 Па.
Предельные возможности испытаний способом щупа при паспортной чувствительности течеискателя и использовании различных фреонов характеризуются кривыми, показанными на рис. 6.15.
Рис. 6.15. Зависимость минимальной обнаруживаемой течи от суммарного давления фреоносодержащей смеси в испытуемом объекте:
1 - фреон-113; 2 - фреон-12; 3 - фреон-22;
4 -фреон-13
Галогенный метод контроля герметичности способом щупа особенно эффективен при контроле объектов и изделий, в которых галогеносодержащее вещество является рабочим, например холодильных агрегатов домашних холодильников и крупногабаритного холодильного оборудования складского и торгового назначения.
Способ накопления. Способ накопления при атмосферном давлении применяется также для контроля газонаполненных объектов, обеспечивая более высокую чувствительность и надежность по сравнению со способом щупа.
Контролируемое изделие помещают в изолированную камеру, объем которой незначительно превосходит объем изделия. В камеру вводят атмосферный преобразователь течеискателя и фиксируют фоновый сигнал. Затем заполняют контроли
138
Глава 6. ГАЛОГЕННЫЙ МЕТОД КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ
руемое изделие пробным веществом до давления выше атмосферного, выдерживают изделие в течение заданного времени, после чего в камеру снова вводят преобразователь. Превышение сигнала над фоновым свидетельствует о наличии суммарных течей с оценкой величины. Роль камер могут выполнять полиэтиленовые чехлы.
Способ накопления при атмосферном давлении часто используют для предварительных испытаний сложных объектов. Вначале убеждаются в негерметичности объекта, а затем более трудоемким способом щупа приступают к поиску течей.
Вакуумные испытания. Способ обдува. Способ обдува применяют для контроля герметичности и определения места течей в вакуумируемых объектах. Для сохранения высокой чувствительности вакуумный преобразователь предпочтительно присоединять к высоковакуумной части контролируемого объекта, откачиваемого до давления р < 10~2 Па (рис. 6.11). При таком присоединении обеспечиваются более стабильная температура эмиттера и, соответственно, отсутствие колебаний фонового сигнала течеискателя, чем при установке преобразователя на форвакууме. Кроме того, при таком расположении существенно снижается загрязнение преобразователя парами масла механического насоса и увеличивается его срок службы. Нормальная работа вакуумного преобразователя на стороне высокого вакуума обеспечивается непрерывным обогащением среды кислородом в месте расположения преобразователя за счет наличия в нем кислородного инжектора.
Обдув подозреваемых на течь участков вакуумной системы начинают смесью фреона с воздухом концентрации 0,1 ...
10 %, так как при наличии больших течей обдув чистым фреоном увеличивает вероятность отравления ЧЭ. Испытания рекомендуется также начинать при пониженной чувствительности течеискателя. По мере устранения больших течей повышают концентрацию фреона в смеси и чувствительность течеискателя. Время обдува контролируемого участка выбирают в зависимости от параметров вакуумной системы в пределах
Г/5э<т<ЗГ/5э,
где V - объем контролируемого объекта, м3; S3 - эффективная скорость откачки объекта, м3/с; т - время обдува, с.
Вакуумные испытания. Способ фреоновых камер. Способ фреоновых камер (чехлов) применяют для повышения объективности контроля, уменьшения расхода пробного вещества и снижения загазованности помещений, где проводится контроль на герметичность. При этом способе на изделие или его участок надевают специальную камеру или полиэтиленовый чехол, куда подают пробное вещество, или, наоборот, пробное вещество подают в изделие, а преобразователь размещают в камере. Таким образом выявляют суммарную негерметичность изделия или его негерметичный участок. После определения факта негерметичности сокращением площади, охватываемой чехлом, или обдувом определяют точное местоположение течи. Эффективность контроля повышается, если камеру (или изделие) перед напуском в нее пробного вещества вакуумировать. В этом случае повышаются концентрация пробного вещества при контроле и его распространение по всей камере.
Глава 7
ЭЛЕКТРОНОЗАХВАТНЫИ И ПЛАЗМЕННЫЙ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ
7.1. ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ МЕТОДОВ
Электронозахватный и плазменный методы контроля герметичности основаны на регистрации проникающего через течи электроотрицательного пробного вещества. Реализация методов обеспечена разработкой и выпуском электронозахватных течеискателей (13ТЭ-9-001, ТИЭ-2) и плазменных (ТПЗ, ТП4).
Физическая основа этих течеискателей состоит в том, что параметры низкотемпературной плазмы, возбужденной электрическим полем между двумя электродами в камере ионизации, существенно зависят от концентрации газов, имеющих сродство к электрону, молекулы которых способны захватывать свободные электроны, превращая их в электроотрицательные ионы. В роли пробных веществ используются элегаз (SF6), фреоны и другие электроотрицательные газы.
Элегаз в качестве пробного наиболее предпочтителен, так как чувствительность течеискателей к этому газу максимальна, что позволяет создать высокочувствительную технологию испытаний на герметичность. С использованием элегаза течеискатели обеспечивают возможность обнаружения течей до 1(Г10 м3 • Па/с с точностью установления местоположения течей до 0,5 ... 1 мм. Чувствительность при использовании фреонов на один-полтора порядка хуже. Электронозахватные и плазменные течеискатели обладают высоким быстродействием, стабильностью работы, простотой эксплуатации, экономичностью, малыми размерами и массой, быстрой подготовкой к работе.
7.2. АППАРАТУРА ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ МЕТОДОВ
Электронозахватные течеискатели (13ТЭ-9-001 и ТИЭ-2) [11, 23] конструк
тивно состоят из регистрирующего блока и преобразователя, соединенных между собой электрическим кабелем и гибким шлангом, через который подается газ-носитель - азот или аргон. В передней части преобразователя (рис. 7.1) имеется полая игла-зонд, через который непрерывно отбирается воздух в детектор. В корпусе преобразователя расположен чувствительный элемент - электронозахватный детектор. Последний представляет собой двухэлектродную ионизационную камеру, через которую постоянно продувается газ-носитель.
Под действием радиоактивного бета-излучения трития (оно полностью поглощается металлическими стенками преобразователя, что обеспечивает безопасность персонала при эксплуатации) в камере детектора происходит ионизация молекул газа-носителя и образуются положительные ионы азота (или аргона) и медленные вторичные электроны. Под влиянием приложенного к стержневому аноду и цилиндрическому катоду напряжения электроны и ионы перемещаются к соответствующим электродам, вследствие чего в цепи возникает электрический ток. При попадании в камеру чувствительного элемента (ЧЭ) газа, содержащего молекулы, обладающие сродством к электрону, в результате захвата ими свободных электронов образуются малоподвижные отрицательные ионы, которые рекомбинируют с положительными ионами газа-носителя. Это в итоге приводит к уменьшению числа заряженных частиц, попадающих на электроды, и, соответственно, к уменьшению ионизационного тока. Уменьшение силы тока при прохождении через ЧЭ газа-носителя с примесью пробного газа служит мерой его количества.
140
Глава 7. ЭЛЕКТРОНОЗАХВАТНЫЙ И ПЛАЗМЕННЫЙ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ
Газ-носитель
Рис. 7.1. Функциональная схема преобразователя электронозахватного течеискателя
Преобразователь помимо ЧЭ 3 содержит дроссель 4 для регулирования отбора смеси газов и эжекторное устройство, через которое подается газ-носитель. Перед диффузором 2 эжектора струей несущего газа создается некоторое разрежение, что обеспечивает отбор воздуха (или смеси его с пробным газом) через полую иглу-зонд 1 и подачу его в ЧЭ 3.
В связи с тем что содержащийся в воздухе кислород, являющийся электроотрицательным газом, вызывает возрастание фонового сигнала течеискателя, отбор воздуха вынужденно ограничивается. Отбор воздуха регулируется изменением взаимного расположения всасывающего сопла (иглы-зонда) и диффузора эжектора, а также расходом газа-носителя. Чувствительность течеискателя к кислороду зависит от вида газа-носителя. При испытаниях способом щупа применение аргона эффективнее, чем азота: повышенный отбор воздуха при использовании аргона увеличивает быстродействие течеискателя и повышает стабильность фонового сигнала, что в конечном счете повышает динамическую чувствительность прибора.
Регистрирующий блок течеискателя, выполненный в виде переносного портативного прибора настольного типа, обеспечивает механическую очистку, регулирование и контроль расхода газа-носителя, подаваемого в преобразователь, а также измерение электропроводности детектора
преобразователя и подачу необходимых напряжений на элементы электрической схемы.
Газ-носитель подводится от внешнего источника (от баллона или газовой магистрали) к штуцеру «Вход газа», расположенному на задней панели блока. Далее газ-носитель через регулятор потока «Расход газа», фильтр и выходной штуцер «Датчик», выведенный на лицевую панель, подается в подключаемую к этому штуцеру газоподводящую трубку преобразователя. Расход газа-носителя контролируется по показаниям манометра, измеряющего перепад давлений на фильтре.
Электрическая схема регистрирующего блока содержит следующие устройства:
- стабилизированный источник питания анодной цепи детектора;
- высокоомный вольтметр с системой автоматической компенсации показаний и выходом на внешнее записывающее устройство;
- звуковой генератор сигнализации течи;
- компаратор с регулируемым порогом срабатывания, обеспечивающий включение световой сигнализации и замыкание цепи внешнего исполнительного устройства;
- источники питания вольтметра, компаратора и звукового генератора.
АППАРАТУРА ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ МЕТОДОВ
141
Электрическая схема действует следующим образом. Стабилизированное напряжение 30 В поступает на нагрузочный резистор анодной цепи детектора.
Повышение концентрации электроотрицательного вещества в детекторе приводит к увеличению его электрического сопротивления, вследствие чего возрастает падение напряжения на детекторе, измеряемое высокоомным вольтметром.
Напряжение полученного сигнала поступает на вход повторителя и, далее, через кнопочный переключатель пределов измерения подается в цепь выходного измерительного прибора.
Компаратор помимо обеспечения автокомпенсации сигнала и включения звуковой сигнализации позволяет регулировать напряжение, подаваемое в анодную цепь детектора, и изменять напряжение сигнала, что оказывается полезным для загрубления чувствительности течеискателя в тех случаях, когда из-за слишком большого сигнала не удается установить точное местоположение течи в контролируемом изделии.
Регистрирующий блок включается кнопочным выключателем. При этом напряжение питания через предохранители поступает на первичную обмотку трансформатора, с которого необходимые напряжения снимаются на элементы схемы.
На лицевой панели регистрирующего блока расположены выключатель и сигнальный диод «Сеть», разъем «Датчик», измерительный прибор, переключатель пределов измерения, выключатель «Комп», регулятор «Расход газа-носителя», манометр «Расход газа-носителя», штуцер фильтра «Датчик». В сторону задней панели обращены вспомогательные органы управления, а также зажим защитного заземления.
Внешний вид течеискателя ТИЭ-1 показан на рис. 7.2.
Принцип действия плазменных течеискателей основан на том, что при поступлении в ионизационную камеру течеискателя электроотрицательного проб-
Рис. 7.2. Внешний вид электронозахватного течеискателя ТИЭ-1
ного газа изменяется скорость ионизации и последующей рекомбинации носителей зарядов (электронов, ионов) в камере, что регистрируется высокочастотным (ВЧ) генератором. Частота срыва колебаний генератора является функцией концентрации электроотрицательного газа в газовой смеси.
Функциональная схема плазменного течеискателя ТП-3 представлена на рис. 7.3.
Через натекатель и стеклянную трубку (ионизационную камеру), находящуюся между обкладками конденсатора, входящего в контур ВЧ генератора, прокачивается с постоянной скоростью газовая смесь. При давлении в камере ионизации 100 ... 200 Па между обкладками конденсатора возникает тлеющий разряд (плазма), шунтирующий контур и срывающий генерацию. Отсутствие ВЧ напряжения на обкладках конденсатора приводит к рекомбинации ранее образованных ионов. Уменьшение количества ионов между обкладками конденсатора повышает добротность контура генератора, и последний снова возбуждается, ионизируя газ внутри трубки. При прохождении через камеру ионизации чистого воздуха, не содержащего пробный газ, указанный процесс повторяется с частотой > 10 кГц.
Появление в воздухе пробного электроотрицательного газа увеличивает скорость рекомбинации носителей зарядов, частота срыва генерации возрастает про-
142
Глава 7. ЭЛЕКТРОНОЗАХВАТНЫЙ И ПЛАЗМЕННЫЙ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ
Натекатель /Гонденсатор Шланг
Рис. 7.3. Функциональная схема плазменного течеискателя ТПЗ
порционально увеличению концентрации смеси пробного газа с воздухом и может достигать 200 кГц.
С выхода генератора импульсы через буферный усилитель и делитель частоты, который понижает частоту до звукового диапазона, подаются на ключ. Одновременно сигнал с делителя частоты поступает на частотомер, на выходе которого предусмотрены стрелочный индикатор и схема компенсации фонового сигнала, обеспечивающая компенсацию фона до нулевого значения.
Компаратор напряжения при отсутствии напряжения на индикаторе имеет на своем выходе отрицательный потенциал, закрывающий ключ. Закрытый ключ не пропускает сигнал с выхода делителя частоты на схему звуковой индикации.
При появлении в воздухе, прокачиваемом через камеру ионизации электроотрицательного газа (элегаза), возрастет частота срыва генерации, которая пропорциональна концентрации электроотрицательного газа в смеси, и на стрелочном индикаторе появится сигнал. Это изменит знак напряжения на выходе компаратора на положительный, ключ откроется и пропустит сигнал с выхода делителя частоты на схему звуковой индикации.
Конструктивно течеискатель ТПЗ (рис. 7.4) состоит из ручного щупа-пистолета, которым сканируют поверх
ность объекта испытаний; переносного электронного блока, индицирующего течь, а также вакуумного насоса.
Щуп выполнен в виде пистолета со съемной рукояткой. В трубке щупа установлена ионизационная стеклянная камера, соединенная спереди с игольчатым регулируемым натекателем. Вокруг ионизационной камеры расположены обкладки конденсатора, являющегося составной частью встроенного в щуп ВЧ генератора. Щуп подсоединяется к электронному блоку с помощью кабеля длиной 5 м.
Натекатель заканчивается снаружи конусом, на который могут монтироваться различные приспособления (насадки, игла от шприца и т.п.). На трубке имеется штуцер для закрепления вакуумного шланга, который заканчивается ниппелем с накидной гайкой.
Рис. 7.4. Внешний вид плазменного течеискателя ТПЗ
ТЕХНИКА КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ
143
Регистрирующий блок изготовлен как переносной прибор. Каркас его состоит из передней и задней панелей, соединенных боковыми стяжками. На каркасе установлены печатная плата с элементами схемы и сигнальная лампа. На передней панели расположены стрелочный индикатор, ручки переключения диапазона измерения, компенсации фонового сигнала и громкости звуковой индикации. На задней панели находятся резистор «Установка шкалы», штепсельные разъемы для подключения питания, щупа и самописца типа КСП, держатель предохранителя и клемма заземления. Снизу и сверху каркас закрывается крышками с перфорацией для охлаждения. Для переноски и установки на столе регистрирующий блок снабжен ручкой-скобой, фиксируемой в шести положениях.
Вакуумный насос типа ЗНВР-1ДМ предназначен для создания разрежения в ионизационной камере и прокачки через щуп газовой смеси. Чувствительность течеискателя максимальна при газовом потреблении 100 ... 150 мм3/с.
Необходимые газовое потребление и давление в камере при постоянной производительности откачки достигаются за счет регулировки натекателя. Большое газовое потребление делает прибор практически безынерционным. При длине шланга между щупом и вакуумным механическим насосом 5 м инерционность ~ 1 с.
Высокая чувствительность и малая инерционность плазменного и электронозахватного течеискателей позволяют повысить эффективность локального течеискания. Экспериментально установлено, что при скорости перемещения щупа течеискателя 15 мм/с и зазоре между торцом щупа и поверхностью объекта < 1 мм исключается пропуск течей величиной 1 • 10-9 м3 • Па/с [26].
Высокая чувствительность течеискателей к концентрации в воздухе SF6 (7 • 108 об. долей) позволяет успешно использовать их для контроля суммарной герметичности способом накопления газа в атмосфере.
Результаты сравнительных испытаний течеискателей ТПЗ и 13ТЭ-9-001 с ГТИ-6 показали, что плазменные и электронозахватные течеискатели в ~10 раз чувствительнее к фреонам, в том числе к фреону-22. Это позволяет рекомендовать данные течеискатели для контроля на герметичность бытовых холодильников компрессионного типа. Тем более, они стабильнее в работе, не теряют чувствительности после воздействия высоких концентраций фреонов.
7.3. ТЕХНИКА КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ ЭЛЕКТРОНОЗАХВАТНЫМ И ПЛАЗМЕННЫМ МЕТОДАМИ
Принципиальные схемы испытаний на герметичность способами щупа и накопления при атмосферном давлении с использованием плазменного ТПЗ и электронозахватного 1ЗТЭ-9-001 течеискателей не отличаются от приведенных выше схем для масс-спектрометрического метода.
Испытания способом щупа осуществляют следующим образом.
Подготавливают течеискатель к работе согласно инструкции по эксплуатации и оценивают его чувствительность к потоку пробного газа Q, для чего:
• устанавливают переключатель «Ослабление» в положение «1 : 1»;
• подносят щуп к капиллярной контрольной течи типа ТК с потоком пробного газа в 5 ... 10 раз больше пороговой чувствительности; записывают показания выходного прибора1 ад
• подносят щуп к капиллярной контрольной течи типа ТК с потоком пробного газа в 100 ... 150 раз больше пороговой чувствительности, при необходимости загрубив чувствительность, т.е. установив
1 Микроамперметр показывает уменьшенный в соответствии с положением переключателя «Ослабление» ток.
144
Глава 7. ЭЛЕКТРОНОЗАХВАТНЫЙ И ПЛАЗМЕННЫЙ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ
переключатель «Ослабление» в положение, при котором стрелка выходного прибора установится в пределах 13 ... 50 мкА; записывают значение а2;
• строят в логарифмических координатах график а = f (0 [зависимость а = =f(Q) линейна];
• оценивают по графику чувствительность течеискания к потоку пробного газа при значении а, равном 5 мкА, для плазменного течеискателя или минимальное достоверное значение для электронозахватного.
Затем ищут места негерметичности объекта, перемещая щуп на расстоянии 1 ... 2 мм от контролируемой поверхности объекта, заполненного пробным газом или смесью пробного газа с воздухом.
Значение величины негерметичности при заполнении объекта пробным газом
определяют по построенному графику; при заполнении смесью пробного газа с воздухом значение, полученное по построенному графику, умножают на значение, обратно пропорциональное концентрации смеси.
По окончании работы прибор выключают согласно инструкции по эксплуатации.
При испытаниях способом накопления при атмосферном давлении для оценки чувствительности часто используют контрольную концентрацию пробного газа в смеси контрольного (у).
Контрольную концентрацию можно приготовить следующим образом.
1. Промыть любым моющим средством и просушить емкости для приготовления смеси и заполнить их воздухом.
Рис. 7.5. Типовые графики а =/(С)иа=/(Т):
1 - для элегаза; 2 - для фреона-22; 3 - для сжиженного нефтяного газа
ТЕХНИКА КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ
145
2. Для приготовления концентрации смеси >1 • 10 3 об. долей ввести в емкость объемом > 0,003 м3 объем пробного газа, вычисленный по формуле
V^CV/C^ (J.V) где Ипр - объем пробного газа, вводимого в емкость, м3; С — концентрация приготовляемой смеси, об. доли; V - объем емкости, м3; Спр - концентрация вводимой смеси, об. доли.
По истечении 24 ч контрольная концентрация смеси готова к применению.
3. Концентрацию смеси <1 • 10~3 об. долей можно приготовить в следующем порядке.
3.1. Приготовить промежуточную концентрацию смеси по п. 2.
3.2. По истечении 24 ч в емкость объемом > 0,003 м3 ввести объем промежуточной концентрации смеси, приготовленной по п.3.1, вычисленный по формуле (7.1).
Через 24 ч концентрация смеси готова к применению. Число проб < 30.
На рис. 7.5 приведены ориентировочные зависимости показаний микроамперметра плазменного течеискателя (ос) от потока пробного газа Q и величины концентрации пробного газа в смеси контрольного газа (у).
Пороговая чувствительность электронозахватного и плазменного методов испытаний на герметичность с использованием элегаза в качестве пробного газа способами щупа и накопления при атмо-
Рис. 7.6. Внешний вид плазменного течеискателя ТП4
сферном давлении составляет 1,3 • 10 9 ... 6,7 • 10’10 м3 • Па/с.
В настоящее время промышленностью разработан портативный плазменный течеискатель ТП4 (рис. 7.6), в котором для создания разрежения в ионизационной камере и прокачки через щуп газовой смеси применен малогабаритный вакуумный насос типа НВР-0,1Д. Насос встроен в электронный блок течеискателя, называемый блоком управления и контроля.
Течеискатель выпускается в двух вариантах напряжения питания: переменный ток 220 В и постоянный ток 27 В.
Глава 8
КАТАРОМЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОД КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ
8.1. ОСНОВЫ МЕТОДА
Катарометрический метод контроля герметичности основан на индикации утечек пробных газов, прошедших сквозь течи объекта контроля, теплопроводность которых отличается от теплопроводности воздуха.
На основе метода возможно построение течеискательных устройств, которые можно использовать как самостоятельные переносные течеискатели или как датчики в автоматизированных системах обнаружения утечек рабочей среды технологического оборудования.
Несмотря на наличие более чувствительных методов, катарометрический метод течеискания находит применение благодаря невысокой стоимости течеискателя, простоте в эксплуатации, портативности, возможности применения рабочих сред в качестве пробных веществ при контроле оборудования прямо на месте эксплуатации без его остановки. Кроме того, этим методом можно проводить предварительный контроль объектов перед применением высокочувствительных методов контроля.
Перспективно использование катарометрических течеискателей для проверки газопроводов с горючими и взрывоопасными газами (водородом, природным газом, пропаном, бутаном и т.д.).
Возможности практического использования катарометрических течеискателей определяются отношением теплопроводности газа, утечка которого оценивается, и воздуха.
В табл. 8.1 приведены данные о теплопроводности некоторых газов.
Сравнение теплопроводности отдельных газов и воздуха показывает, что использование катарометрического метода предпочтительно для определения утечек
8.1. Теплопроводность некоторых газов и паров при температуре О °C и давлении 98,1 кПа
Газ Хг • 104, Вт/(м • К)
Воздух 244
Водород 1740
Гелий 1457
Метилхлорид 92
Фреон-12 84
Хлор 79
водорода, хлора, фреона и других аналогичных газов.
Для практического применения зависимость теплопроводности газовой смеси от состава описывается уравнением, аддитивным относительно теплопроводностей отдельных компонентов смеси:
^см = cAi + + ... + (8.1)
где с2, ..., сп - концентрации компонентов в долях единицы; Х2, ..., - теп-
лопроводности компонентов.
Катарометрический метод неизбирателен, он может быть использован для контроля бинарных и квазибинарных пробных газов, для которых соотношение (8.1) может быть приведено к виду
^см = К С„ + (1 - с„) Хср, (8.2) где сп - объемная доля газового компонента; Хср - средняя теплоемкость суммы неопределяемых компонентов (например, в воздухе). При этом X » Хср.
Как следует из уравнения (8.2), для бинарной газовой смеси ее теплопроводность - однозначный критерий потока газа.
В табл. 8.2 приведены отношения теплопроводностей газов и паров к теплопроводности воздуха при О °C.
ОСНОВЫ МЕТОДА
147
8.2. Отношение теплопроводности газов и паров к теплопроводности воздуха при О °C
Газ Химическая формула Относительная теплопроводность
Азот n2 0,996
Диоксид азота no2 1,978
Закись азота n2o 0,660
Оксид азота NO 0,952
Амиловый спирт С5НцОН 0,443
Аммиак NH3 0,897
Аргон Ar 0,676
Ацетилен C2H2 0,776
Ацетон (CH3)2CO 0,398
Бензол C6H6 0,377
Бромистый метил CH3Br 0,257
Бутан С.Ню 0,513
Бутиловый спирт C4H9OH 0,453
Водород H2 7,150
Воздух — 1,000
Гексан C6H14 0,460
Гелий He 5,900
Гептан C7H16 0,439
Диэтиловый эфир (C2H5)2O 0,533
Кислород o2 1,015
Криптон Kr 0,364
Ксенон Xe 0,214
Метан CH4 1,250
Метиловый спирт CH3OH 0,524
Неон Ne 1,900
Октан C8HI8 0,400
Пары воды H2O 0,620
Пентан c5H12 0,505
Пропан c3H8 1 0,624
Пропиловый спирт C3H7OH 0,472
Сернистый ангидрид so2 0,344
Сероуглерод cs2 0,285
Толуол C6H5CH3 0,529
Диоксид углерода co2 0,605
Оксид углерода co 0,960
Хлор C12 0,322
148
Глава 8. КАТАРОМЕТРИЧЕСКИИ МЕТОД КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ
Для измерения теплопроводности газовой смеси используется нагреваемый током проводник, помещенный в камеру, заполненную анализируемой смесью. Если теплоотдача от проводника к стенкам камеры осуществляется в результате теплопроводности, то имеет место следующая зависимость:
& = 2л/Хсм(/п - /0) / 1п(Г> / d), (8.3)
где QT - количество теплоты, отдаваемое проводником в секунду; /, d - длина и диаметр проводника; D - диаметр камеры; Хсм - теплопроводность смеси газов; гп, to -температуры проводника и стенок камеры.
При постоянстве отдаваемой проводником теплоты и температуры стенок камеры /о, зависящей от температуры окружающей среды, теплопроводность газовой смеси будет однозначно определять температуру проводника, а следовательно, и его сопротивление, которое включено в цепь мостовой измерительной схемы. На основе этой зависимости выполняются катарометрические течеискатели и устройства.
8.2. КОНСТРУКТИВНЫЕ СХЕМЫ ЯЧЕЕК КАТАРОМЕТРИЧЕСКИХ
ТЕЧЕИСКАТЕЛЕЙ
Существует множество конструктивных решений детекторов, применяемых в
катарометрических течеискателях. Это в первую очередь касается чувствительных элементов и ячеек, в которых они расположены.
Известно, что ячейки детектора бывают проточные и диффузионные. В проточных ячейках газовый поток омывает чувствительный элемент - ЧЭ (рис. 8.1, а); в них достигаются большая чувствительность и быстродействие, но в то же время и большая чувствительность к изменениям скорости потока газа. В диффузии через специальный канал (рис. 8.1, б) ЧЭ малочувствительны к колебаниям потоков, но более инерционны (постоянная времени может доходить до 20 с).
С учетом сказанного тип ячейки выбирают в соответствии с поставленными целями или применяют проточнодиффузионные камеры с усредненными характеристиками (рис. 8.1, в).
Датчик течеискателя состоит из корпуса / с двумя параллельными проточными каналами (рис. 8.2), в которые вмонтированы две тонкие металлические нити 2, выполняющие функции электрического сопротивления.
Сопротивления 2, изготовленные в виде тонких нихромовых нитей, включаются в плечо мостовой измерительной схемы (рис. 8.3).
Рис. 8.1. Наиболее часто применяемые ячейки катарометров: а - проточная; б - диффузионная; в - проточно-диффузионная
3*-Воздух
- Смесь ’ ызод
Рис. 8.2. Конструктивная схема датчика газоанализатора
1
КОНСТРУКТИВНЫЕ СХЕМЫ ЯЧЕЕК КАТАРОМЕТРИЧЕСКИХ ТЕЧЕИСКАТЕЛЕЙ 149
Рис. 8.3. Схема термокондуктометрического течеискателя:
/, 2 - проточные камеры соответственно для газовой смеси и для воздуха; 3,4- нихромовые нити; 5 - усилитель; 6 -регистрирующий прибор
Настройка газоанализатора и проверка его на нуль проводятся при одновременной подаче в проточные камеры воздуха.
Вследствие одинаковой теплоотдачи с поверхности сопротивлений R3 и R4 мостовая схема находится в равновесии, а стрелка прибора - против нулевой отметки. Если в дальнейшем в газовой смеси, пропускаемой через камеру 7, появляется водород и другой газ, теплопроводность которого отличается от теплопроводности воздуха, то это изменяет величину сопротивления R3. Возникает разбаланс моста, и на шкале прибора регистрируют значение концентрации водорода.
На рис. 8.4 представлены другие конструктивные решения распространенных типов ячеек для различных ЧЭ. Газопровод в ячейку может осуществляться с торца камеры (рис. 8.4, а); по касательной к цилиндрической поверхности (рис. 8.4, б); по всей длине через отверстия или проницаемые для анализируемого газа стенки (рис. 8.4, в).
Диффузионная ячейка (рис. 8.4, г) может представлять собой спиральную
канавку, образованную зазорами между цилиндрическими корпусом и держателем; поверхность последнего имеет вид резьбы, в которой уложены термоэлементы в виде бифилярно намотанной проволоки. Диффузионная ячейка может реализовывать и другие, совершенно нестандартные решения.
Проточные камеры, как правило, менее сложны конструктивно. Смесь обычно входит в них через отверстие с одной стороны камеры (чаще всего с торца), омывает ЧЭ и выходит через отверстие на противоположной стороне. При создании ячейки всегда стремятся уменьшить объем камеры для того, чтобы предотвратить свободную конвекцию. В этом случае увеличивается доля передаваемого тепла от нагретого элемента к стенке камеры за счет теплопроводности. С этой же целью уменьшают расход смеси через камеру, применяют пробные вещества с теплопроводностью, максимально отличающейся от теплопроводности воздуха, а также стремятся исключить различные тепловые потери, например через соединения ЧЭ с проводами, подводящими ток.
150
Глава 8. КАТАРОМЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОД КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ
а)
б)
В)
Рис. 8.4. Ячейки катарометров
Так как абсолютное измерение тепловых потерь от нагретого элемента трудноосуществимо, обычно применяется разностный метод измерения, причем два ЧЭ объединяются в один блок. Одна камера, через которую пропускается чистый газ-носитель, называется сравнительной, а другая, в которую поступает поток смеси газа-носителя с пробным газом, - рабочей. Чаще всего они включены в двухплечевую мостовую схему. Применяются и четырехплечевые схемы, отличающиеся тем, что в сравнительную и рабочую линии введены по два ЧЭ. При этом повышаются чувствительность и стабильность показаний детектора.
Однако большее увеличение числа ЧЭ часто не дает желаемого повышения чувствительности, так как возрастает расстояние между каналами, что приводит к временному сдвигу сигналов от каждого ЧЭ. Для уменьшения этого эффекта ЧЭ
располагают по винтовой линии вокруг центрального канала (пять-шесть ЧЭ на каждой из камер).
Известны детекторы, содержащие только один ЧЭ. Рабочий и сравнительный потоки смеси попеременно проходят через ячейку, меняясь с частотой, задаваемой генератором. Поскольку оба потока измеряются одним и тем же ЧЭ, при применении такой ячейки устраняется дрейф, вызванный не вполне идентичным тепловым режимом ЧЭ, помещенных в различных камерах, обусловленным неточностью их установки.
Для того чтобы уменьшить подобный дрейф нулевой линии, увеличить соотношение сигнал/шум, а значит, повысить чувствительность, в течеискателе с двумя (или четырьмя) каналами применяют различные способы компенсации в электрической схеме прибора, например изменением сопротивления компенсирующего
ВИДЫ ЧЭ
151
резистора или элемента подстройки, включенного в то же плечо моста, и т.п.
Выбор режима питания ЧЭ влияет на чувствительность детектора теплопроводности. Она увеличивается с повышением напряжения питания моста, однако при этом возрастает мощность, рассеиваемая на термосопротивлении, который при этом нагревается, что вносит погрешность в работу прибора.
Замечено, что при стабилизации питания моста по току воспроизводимость измерения, стабильность работы прибора и его чувствительность повышаются по сравнению с режимом стабилизации по напряжению. Кроме традиционного способа питания мостовой схемы постоянным током иногда используется вариант поддержания на заданном уровне постоянной температуры нитей ЧЭ. Подобные схемы питания эффективно защищают ЧЭ от перегрева и благодаря этому увеличивают срок эксплуатации прибора.
В катарометрах используются также схемы, в которых ЧЭ нагреваются переменным током. Чувствительность может быть повышена и в том случае, если на терморезисторы, включенные в мостовую схему, подается импульсное напряжение, причем для поддержания постоянной чувствительности в широком диапазоне измерений регулируют скважность импульсов.
8.3. ВИДЫ ЧЭ
Как было отмечено выше, ЧЭ катарометров чаще всего изготовляют в виде спиральных нитей из материала с высоким температурным коэффициентом сопротивления (платина, празеодил - платина, вольфрам). Друг от друга они отличаются лишь диаметром нити, способом намотки, материалом, из которого эта нить выполнена, а также наличием примесей, благодаря которым стремятся улучшить характеристики данных приборов. Известно, что чем выше сопротивление ЧЭ, тем лучше чувствительность прибора.
Однако существуют некоторые недостатки ЧЭ, сужающие область применения катарометров:
- разогретая нить имеет значительные шумы;
- если газ горючий, то разогретую спираль (а ее температура может достигать 600 ... 700 °C) использовать нельзя;
- окисляется материал нити;
- быстродействие 10 ... 20 с;
- существует необходимость применения массивного корпуса и термостата и др.
Для того чтобы ослабить воздействие окружающей среды, уменьшить окисление материала нити и предотвратить углеродистые отложения на ней, ЧЭ покрывают слоем защищающего вещества, например слоем кремния, оксида кремния, стекла (рис. 8.4, в), либо просто помещают в стеклянную капсулу. При этом увеличивается срок службы прибора, но уменьшаются чувствительность и быстродействие.
Чувствительными элементами могут также служить термисторы в виде остеклованной бусинки, изготовленные из оксидов марганца, никеля или кобальта со специальными добавками, и т.п. Температурный коэффициент сопротивления термисторов примерно на порядок выше температурного коэффициента сопротивления платиновых или вольфрамовых нитей. При комнатной температуре термисторы значительно чувствительнее проволочных сопротивлений, но при повышении температуры чувствительность заметно снижается. Термисторный детектор имеет малый рабочий объем, однако постоянная времени термистора (1 ... 10 с) выше, а линейность значительно ниже, чем у катарометра.
В табл. 8.3 показаны температурные характеристики термисторов и спиральных нитей, употребляемых в качестве ЧЭ в детекторах по теплопроводности. Однако наряду с целым рядом положительных качеств полупроводниковые термисторы имеют недостаточную стабильность характеристик и значительный разброс параметров от образца к образцу, что существенно ограничивает область их применения.
8.3. Характеристики температурных датчиков
Тип датчика Материал Чувствительность на 1 °C Температурная характеристика ВАХ*
Спиральные нити Платина, вольфрам (с добавлением никеля, меди и др-) 0,004 ... 0,008 об. доли (0,4 ... 0,8 %) R
Термисторы Fe2O3, Zn2TiO4, MgTiO4 и др. 3 ... 5% R м .Га -
Транзисторы: биполярные Германий, кремний 1,5 ... 4 мВ 1 1 — 1 const L
полевые 25 ... 35 мВ » т 1с ♦ const 1
* Вольт-амперная характеристика.
Глава 8. КАТАРОМЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОД КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ
ВИДЫ ЧЭ
153
Кроме этих наиболее часто используемых ЧЭ возможно использование и других полупроводниковых приборов, у которых нет подобных недостатков.
Был проведен сравнительный анализ различных датчиков, в том числе полупроводниковых структур, отбираемых по чувствительности к температурным изменениям, по низкому коэффициенту шума с позиций их применения в качестве ЧЭ датчиков по теплопроводности. Основные температурные, вольт-амперные и метрологические характеристики подобных датчиков приведены в табл. 8.3.
Рассмотренные полупроводниковые приборы могут удовлетворять требованиям, предъявляемым к датчикам; многие из них высокочувствительны к температурным изменениям, обладают идентичностью характеристик разных образцов, стабильностью термометрических параметров, малыми габаритными размерами и инерционностью; высокими вибро- и уда-роустойчивостью, низкой стоимостью и технологичностью изготовления (особенно при применении серийных элементов).
Исторически сложилось так, что первым параметром диодов и транзисторов, на который обратили внимание, рассматривая его температурные изменения, является обратный ток этих приборов. Однако выяснилось, что, несмотря на высокую чувствительность, его использование не позволяет получить необходимую точность измерения, так как характеристики обратных токов нелинейны и не обладают идентичностью из-за большого числа составляющих, причем каждая из них имеет свою температурную зависимость.
Существенными преимуществами прямых характеристик диодов и транзисторов перед обратными являются линейность температурной зависимости, широкий диапазон рабочих температур. А их чувствительность оказалась не хуже, чем у обратных характеристик.
Диоды конструктивно более просты, чем транзисторы, и для их подсоединения не требуется трехпроводная линия, однако
большинство исследованных диодов имеет очень большой разброс параметров от экземпляра к экземпляру. Транзисторы обладают хорошей идентичностью характеристик, которые в меньшей степени зависят от сопротивления высокоомной части /7-л-перехода и эффективной диффузионной длины пробега неосновных носителей, чем характеристики диодов. Чувствительность датчика на основе транзисторов превосходит чувствительность диодных датчиков. Известен ряд работ, посвященных вопросу измерения и регулирования температуры при помощи полупроводниковых транзисторов (как правило, биполярных) в качестве термочувствительных элементов.
Исследования свойств четырехслойных структур показали ярко выраженную зависимость их параметров от изменения температуры среды. Температурная зависимость чувствительности по напряжению переключения датчиков на основе различного типа тиристоров составляет до 20 В и более на 1 °C. Однако такая чувствительность наблюдается при температуре > 120 °C, а рабочая температура катарометра близка к нормальным условиям (16 ... 20 °C); при этой температуре чувствительность мала (до 0,8 мВ / °C).
Кроме диодов, включенных в прямом смещении, линейные температурные характеристики характерны для стабилитронов, инжекционных диодов и полевых транзисторов. Последние обладают самой высокой температурной чувствительностью (до 35 мВ / °C), которая превышает чувствительность остальных приборов почти на порядок.
Наряду с хорошей чувствительностью, а также линейностью и однозначностью температурной характеристики в требуемом диапазоне температур у приборов данного типа наблюдаются малый уровень шумов, высокое быстродействие (особенно в бескорпусном исполнении), стабильность и идентичность параметров различных образцов, воспроизводимость показаний и т.д.
154
Глава 8. КАТАРОМЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОД КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ
8.4. СХЕМЫ ПРОМЫШЛЕННЫХ КАТАРОМЕТРИЧЕСКИХ ГАЗОАНАЛИЗАТОРОВ И
ТЕЧЕИСКАТЕЛЕЙ
В промышленных термокондуктометрических газоанализаторах ЧЭ и схемы измерений выполняются в соответствии с рис. 8.5.
Анализируемый и вспомогательный газы поступают из блока подготовки газов 9 с постоянными объемными расходами соответственно в соединенные последовательно камеры 2, 6 и 8, 7 (см. рис. 8.5, а). Размещенные в этих камерах измерительные Яи и сравнительные Яср терморезисторы включены в неравновесный мост, для питания которого служит стабилизированный источник питания 11.
Напряжение питания подбирают таким, чтобы терморезисторы были нагреты
до температуры 50 ... 200 °C. Резистор RQ служит для настройки начального уровня сигнала неравновесного моста, резистор Ra -для настройки коэффициента передачи.
Тепловая энергия, выделяющаяся на терморезисторах 7?и, отводится в общем случае за счет теплопроводности через слой газа, конвекции, излучения и теплопроводности в тонких креплениях терморезистора. Режим работы терморезисторов подбирают так, чтобы теплопередача в камерах детектора происходила практически полностью за счет теплопроводности через слой газа.
Когда теплопроводности анализируемого и сравнительного газов одинаковы, с помощью резистора Ro на измерительной диагонали моста устанавливается нулевое значение сигнала. При изменении теплопроводности смеси условия теплопередачи в камерах 2 иб изменяются, а в
а)
Вспомогагпелъ-
Анализи-
ный газ
Во
12
в
13
Вспомогательный
9
газ
Вспомога—
Анализируй емый газ
Л»
тельный газ
Кд'
Рис. 8.5. Схемы термокондуктометрического детектора (а) и газоанализатора (6)
СХЕМЫ ПРОМЫШЛЕННЫХ КАТАРОМЕТРИЧЕСКИХ ГАЗОАНАЛИЗАТОРОВ 155
камерах 7 и 8 остаются прежними. Это вызывает изменение сопротивлений терморезисторов RK. В результате на измерительной диагонали моста возникает разбаланс, часть которого с резистора R^ поступает в промежуточный преобразователь 12, вырабатывающий унифицированный сигнал. Этот сигнал воспринимается автоматическим потенциометром 13.
Камеры 2, 6 - 8 с размещенными в них ЧЭ 3 расположены в массивном корпусе 1. Необходимое электропитание подается через токовводы 4, смонтированные в изоляторах 5.
В термокондуктометрических анализаторах аналитическое устройство 10 обычно термостатируется либо применяются дополнительные устройства, корректирующие показания анализатора в зависимости от его температуры. Иногда камеры 7 и 8 выполняют герметичными и заполняют газом с теплопроводностью, соответствующей нижнему пределу измерений газоанализатора.
В качестве примера промышленного термокондуктометрического газоанализатора можно привести прибор типа «Диск-ТК» (ЗАО «Энал», г. Москва).
Преобразователь «Диск» представляет собой унифицированный стационарный прибор непрерывного действия. Он предназначен для измерения водорода в смесях водорода с аммиаком на химических, нефтехимических и металлургических производствах, а также для использования в системах автоматического экомониторинга. Диапазон измерения 0 ... 1 об. доля с погрешностью ±10 %.
Промышленность до недавнего времени выпускала катарометрический течеискатель типа ТП-7101, в котором в качестве ЧЭ были использованы спирали из платиновой проволоки, которые включались в плечи мостовой измерительной схемы. Чувствительность течеискателя по гелию составляла 1,8 • 10-4 м3 • Па/с. Постоянная времени 1,5 с. Течеискатель, к сожалению, был снят с производства без замены на новую конструкцию. Работы по
созданию катарометрических течеискателей продолжаются.
Разработан детектор по теплопроводности, в котором в качестве ЧЭ использован полевой бескорпусной транзистор с /?-л-переходом типа 2П201. Размеры кристалла 1 х 1 мм с гибкими золотыми выводами. Его использование позволяет обеспечить высокое быстродействие, большую чувствительность к температурным измерениям. Кристалл полевого транзистора (ПТ) не имеет кристаллодержате-ля, который может нагреваться в процессе работы. В ПТ приняты меры для стабилизации и защиты поверхности структуры от воздействия внешней среды. Созданный датчик течеискателя состоит из латунного корпуса, в котором размещены проточные ячейки с ПТ.
На рис. 8.6 приведена дифференциальная схема датчика, включающая ПТ 1 и 2, расположенные в измерительной 3 и сравнительной 4 проточных камерах.
Чувствительные элементы (ПТ) включены симметрично в два каскада сравнительного и измерительного каналов, которые составляют дифференциальную измерительную схему. В цепи тока каждого из ПТ включены резистивные делители 5 и 6 управления коэффициентом преобразования по температуре, а также нагрузочные сопротивления R4 и R5. Схема дополнительно снабжена резистивным делителем симметрирования схемы 7, состоящим из сопротивлений Rl - R3, служащих для первоначальной установки параметров режима работы схемы. В измерительную диагональ схемы включено устройство обработки информации 8 с предварительными усилителями 9.
При подаче в измерительную камеру 3 смеси газа с компонентами, концентрацию которых необходимо измерить, теплоотвод от рабочего и измерительного ЧЭ 1, 2 становится разным вследствие различия теплопроводности воздуха и газовой смеси. Это сопровождается изменением температуры измерительного ЧЭ 1, а следовательно, и его электрических парамет-
156
Глава 8. КАТАРОМЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОД КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ
Е1
Рис. 8.6. Принципиальная схема термокондуктометрического течеискателя
ров, что приводит к разбалансу измерительной схемы.
На основе рассмотренной схемы создан термокондуктометрический течеискатель типа ТТК-34В, имеющий:
- порог чувствительности по водороду 5,4 • 10"7 м3 • Па/с; по гелию - 8 х X КГ8 м3-Па/с;
- время отклика 0,5 с;
- диапазон рабочих температур -20...+35 °C.
Катарометричесие течеискатели в силу их простоты и удобства в эксплуатации достаточно перспективны, а область применения их расширяется. В ближайшие годы на рынок течеискателей поступят новые разработки катарометрических течеискателей.
Глава 9
АКУСТИЧЕСКИЙ МЕТОД КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ
Акустические методы течеискания занимают важнейшее место в контроле герметичности трубопроводов, технологического оборудования, арматуры и других изделий. Достоинство этих методов - в их простоте, надежности, бесконтактности и возможности дистанционного контроля.
Акустические течеискатели как средство оценки степени герметичности оборудования и коммуникаций развиваются динамично.
В настоящей главе не рассматриваются акустические расходомеры, хотя в ряде случаев они успешно используются для локализации дефектной трубы в сложной системе подземных трубопроводов и для количественной оценки величины утечки.
9.1. ПРИНЦИПЫ АКУСТИЧЕСКОГО ТЕЧЕИСКАНИЯ
В основе принципов акустического течеискания лежит физический эффект формирования звуковых или ультразвуковых колебаний при истечении жидких или газовых струй из отверстий и щелей.
Чувствительными элементами акустических течеискателей являются ультразвуковые или виброакустические микрофоны, работающие в звуковом диапазоне частот.
Спектр газовой струи довольно широкополосный и в ультразвуковом частотном диапазоне достигает частоты 200 кГц. Акустические колебания при истечении газа вызываются как срывом струи газа на выходной кромке сквозного дефекта, так и столкновением вытекающих молекул газа с менее подвижными молекулами внешней среды.
Принцип ультразвукового метода контроля герметичности изделий и оборудования заключается в создании избыточного давления внутри изделия и обследо
вании снаружи негерметичных мест ультразвуковым течеискателем.
Принцип работы акустических течеискателей непосредственного прослушивания состоит в том, что на трубе, находящейся под давлением, при утечке возникает шум от трения вытекающей струи о кромку дефекта и от удара струи о грунт (в подземных трубопроводах). Этот шум утечки хорошо распространяется по трубе и через грунт. Акустические течеискатели непосредственного прослушивания через грунт улавливают этот шум и по максимуму принятого сигнала определяют место утечки.
Принцип действия акустических корреляционных течеискателей заключается в следующем. Шум, вызываемый утечкой, распространяется в обе стороны по самой трубе и по находящейся в ней жидкости. Установленные на трубе или арматуре виброакустические датчики (с двух сторон от предполагаемого места утечки) воспринимают этот шум и преобразуют его в электрический сигнал. В зависимости от расстояния до места утечки этот шум воспринимается датчиками в разное время. Коррелятор измеряет разницу времени и на основании этого вычисляет расстояние до места утечки от каждого из датчиков и показывает его в графическом или цифровом виде.
9.2. УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ ТЕЧЕИСКАТЕЛИ
Одним из первых акустических течеискателей был ультразвуковой. В его основе лежит физический эффект формирования ультразвуковых колебаний при истечении газовых струй из отверстий и щелей. Газовая струя в этом случае может быть представлена в виде распределенного источника акустических колебаний. Спектр газовой струи охватывает звуковой
158
Глава 9. АКУСТИЧЕСКИМ МЕТОД КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ
и ультразвуковой частотные диапазоны (до 200 кГц).
Физически возникновение акустических колебаний газовых струй объясняется как срывом струи газа на выходной кромке сквозного дефекта, так и столкновением вытекающих молекул с менее подвижными молекулами внешней среды.
Принцип ультразвукового метода контроля на герметичность изделий или оборудования заключается в их опрессовке с помощью соответствующей газовой среды и обследовании негерметичных мест ультразвуковым течеискателем, чувствительным элементом которого является микрофон. При наличии в проверяемом объекте сквозных дефектов возникает шум в ультразвуковом диапазоне. Применяемые для контроля герметичности микрофоны преобразуют акустические колебания в электрический сигнал, который прослушивается с помощью наушников и фиксируется измерительным прибором.
Ультразвуковые течеискатели могут быть использованы для обнаружения дефектов в емкостях химического производства, системах сжатого воздуха, вакуумных системах и водонепроницаемых перегородках. Кроме того, течеискатели можно применять для предварительного контроля на герметичность разъемных соединений и мест уплотнений технологического оборудования перед контролем их высокочувствительными методами.
На основе использования акустических свойств газовых струй разработано несколько разновидностей ультразвуковых течеискателей, применяемых для контроля герметичности оборудования.
Одним из наиболее известных отечественных течеискателей подобного класса является прибор типа ТУЗ. Он имеет несколько модификаций (ТУЗ-2, ТУЗ-З М, ТУЗ-9 и др.).
Течеискатель состоит из пьезоэлектрического датчика, полосового усилителя ультразвуковых частот, детектора, фильтра, усилителя низкой частоты и телефонов.
Электронная часть течеискателя размещена в цилиндрическом корпусе диаметром 32 и длиной 200 мм. Прибор имеет автономное питание от аккумулятора типа 7ГД, который вставляется в специальный держатель цилиндрического корпуса. Регулятор чувствительности и выключатель вынесены из прибора и установлены на шнуре головных телефонов.
Прибор имеет несколько насадок, предназначенных для различных случаев применения. Так, например, с помощью насадки, выполненной в виде конического рупора длиной 120 мм и наибольшим выходным диаметром 90 мм, осуществляется открытый поиск дефектов. С использованием насадки в форме трубки диаметром 8 ... 15 и длиной 20 ... 80 мм ведется поиск дефектов в труднодоступных местах. Насадка в виде короткой трубки позволяет достаточно точно определять место дефекта.
Технические характеристики течеискателя ТУЗ
Диаметр обнаруживаемой неплотности, мм ....... 0,1
Дальность действия прибора^ .................... 0,5 ... 0,7
Избыточное давление внутри объема, кгс/см2...... 0,15 ... 0,25
Точность обнаружения дефекта, мм............... 2 ... 3
Потребляемый ток, мА.... 5
Габаритные размеры, мм.. 32x210
Масса с телефонами и источником питания, г.... 350
Другой течеискатель - УЗД-01 также состоит из пьезоэлектрического датчика, полосового усилителя ультразвуковых частот, детектора, фильтра, усилителя низкой частоты и головных телефонов.
Течеискатель имеет те же насадки, предназначенные для различных случаев применения, что и в приборах типа ТУЗ.
Рабочие условия эксплуатации: температура окружающей среды 283 ... 308 К (10 ... 35 °C); относительная влажность
УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ ТЕЧЕИСКАТЕЛИ
159
воздуха до 80 % при температуре 298 К (25°C); атмосферное давление 96... 104 кПа (720 ... 800 мм рт.ст.).
Из ультразвуковых течеискателей, характеризующихся высокой чувствительностью и универсальностью функций, можно отметить многопрофильный акустический течеискатель МАТ-2К, содержащий тракт корреляционной обработки сигнала.
Течеискатель выполнен во взрывобезопасном исполнении, имеет дополнительно тракт слуховой индикации, схему компрессии сигнала, расширяющую динамический диапазон прибора на 40 ... 50 дБ.
Технические характеристики течеискателя МАТ-2К
Диапазон рабочих частот, кГц.................... 20...240
Число узкополосных частотных фильтров........ 8
Порог чувствительности по электрическому входу (без корректора), мкВ.. 2
Потребляемая мощность, Вт..................... 0,96
Время непрерывной работы от автономного источника питания, ч, не менее.. 45
Габаритные размеры, мм ... 165 х 65 х 225
Масса, кг.............. 2,9
Способ индикации....... Визуальный
и звуковой
Течеискатель предназначен для оперативного обнаружения утечки аммиака, фреона, водорода, хлора, азота, воздуха, пара и других газов через сквозные дефекты технологических коммуникаций, оборудования и арматуры.
Он находит применение при контроле герметичности холодильного оборудования, компрессоров, на предприятиях химической промышленности при оценке степени герметичности химико-технологического оборудования, на предприятиях энергетики при проверке герметичности
коммуникаций перед запуском их в эксплуатацию, а также при изготовлении технологического герметизируемого оборудования для испытания его на герметичность и в ремонтных цехах в ходе оперативных испытаний отремонтированного оборудования.
Возможна регистрация утечки через уплотнительные элементы компрессоров, арматуры, баллонов, цистерн и других устройств.
Утечка определяется дистанционно и непосредственно в процессе эксплуатации систем и устройств, находящихся под давлением или разрежением. Дополнительно течеискатель позволяет:
• в контактном режиме'.
- обнаруживать протечки любых рабочих сред различных запорных устройств;
- фиксировать утечки среды через дефекты трубопроводов, в том числе расположенных под землей;
• в микрофонном режиме'.
- определять протечки неопрессо-ванных трубопроводов и аппаратов при размещении в них имитатора акустических сигналов.
Течеискатель состоит из двух акустических датчиков (для работы в микрофонном и контактном режимах) и блока обработки сигналов. Датчики содержат пьезопреобразователи и предварительный усилитель сигнала акустической эмиссии.
На рис. 9.1 представлена схема испытаний технологических аппаратов на герметичность. В технологическом аппарате 1 создается испытательное избыточное давление (0,05 ... 0,1 МПа). При наличии сквозного дефекта 2 в аппарате при истечении любого газа или паров жидкости формируются акустические колебания 3 частотой 25 ... 200 кГц, воспринимаемые пьезоэлектрическим приемником 4 (преобразователем), преобразующим их в электрический сигнал, который после усиления блоком 5 создает в наушниках 6 звучание мощностью, зависящей от вели-
160
Глава 9. АКУСТИЧЕСКИЙ МЕТОД КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ
Рис. 9.1. Схема испытаний технологического объекта на герметичность акустическим течеискателем
чины утечки. На панели течеискателя загорается лампочка 7.
Течеискатель имеет три режима работы:
1) контактный, позволяющий определять утечки жидкости и газообразных веществ через запорные устройства, трубопроводы, фланцевые соединения при наличии избыточного давления в контролируемых системах;
2) микрофонный бесконтактный, дающий возможность обнаруживать утечки газов из систем с избыточным давлением или разрежением;
3) микрофонный бесконтактный с применением имитатора-излучателя акустической энергии в системах и объектах, которые нельзя опрессовать, но можно разместить в них имитатор-излучатель.
Акустический течеискатель МАТ-2К показал широкие возможности для испытания на герметичность различных аппаратов и агрегатов. Он был испытан на котлоагрегатах, насосах, паровых задвижках. На химических комбинатах успешно проведены испытания на холодильных машинах, ректификационных колоннах, трубопроводах природного газа, хранилищах
жидкого аммиака. Всюду в условиях работающего технологического оборудования химических цехов течеискатель, выполненный во взрывобезопасном исполнении, оказывается эффективным средством оперативного контроля на герметичность технологического оборудования и коммуникаций. Наличие акустического течеискателя у операторов технологических цехов позволяет снизить или предотвратить утечки опасных технологических сред и повысить уровень экологической безопасности.
9.3. АКУСТИЧЕСКИЕ ТЕЧЕИСКАТЕЛИ НЕПОСРЕДСТВЕННОГО ПРОСЛУШИВАНИЯ
Эффективное обнаружение утечек предполагает наличие точной и достоверной информации о расположении элементов подземной трубопроводной сети. При дефектах труб, которые сложно обнаружить, отклонение от точного местоположения трубопровода менее чем на 1 м уже может привести к неудаче. Поэтому использованию течеискателя должно обязательно
АКУСТИЧЕСКИЕ ТЕЧЕИСКАТЕЛИ НЕПОСРЕДСТВЕННОГО ПРОСЛУШИВАНИЯ 161
предшествовать определение трассы трубопровода при помощи трассоискателя.
Вытекающая из места повреждения трубы жидкость вызывает в зависимости от давления жидкости внутри трубы, а также вида и размера повреждения более или менее широкий спектр акустических частот с некоторыми особо выделяющимися на общем фоне частотами. Распространение этих звуковых волн зависит от длины волны и от вида и плотности грунта, окружающего место повреждения трубы. В большинстве случаев шумы, вызванные повреждением, распространяются шарообразно, причем их интенсивность достигает измеримого максимума на вертикальной линии, проходящей через место повреждения.
Изначально генерируемый частотный спектр подвергается определенной фильтрации в зависимости от свойств и плотности грунта, так что зачастую лишь определенные частоты достигают поверхности земли.
Многолетние исследования показали, что при нормальных геологических условиях, как правило, это частоты до 500 Гц, поскольку более высокие частоты сильно ослабевают при прохождении через слой грунта. Вызываемые звуковыми волнами чрезвычайно слабые колебания грунта улавливаются сейсмическими микрофонами и, проходя через фильтр и усилитель, превращаются в слышимые и индицируемые оптическим путем сигналы. Особые трудности возникают при улавливании этих шумов, так как шумы от ходьбы и движения транспорта тоже находятся в диапазоне низких частот. Поэтому приходится применять специальные микрофоны и прежде всего усилители, которые улавливают и передают только интересующие испытателя частоты.
Технология проведения измерений весьма доступна для понимания и обычно хорошо усваивается в самый короткий срок.
В зависимости от свойств поверхности используют тот или иной микрофон.
Рис. 9.2. Распространение звукового поля от утечки
Их устанавливают точно над локализованной трассой трубопровода. Перемещая микрофоны при каждом измерении на ~1 м (зависит от материала трубы), можно определить местонахождение утечки по максимальному уровню характерного сигнала. На рис. 9.2 представлена диаграмма распространения звукового поля от утечки в трубе.
Далее приводятся краткие описания и основные технические характеристики некоторых акустических течеискателей непосредственного прослушивания.
Портативный течеискатель ПТ-14 {МНПО «Спектр», Москва). Портативный течеискатель ПТ-14 (рис. 9.3) предназначен для дистанционного обнаружения мест утечки воды из трубопроводов горячего и холодного водо- и теплоснабжения как канальной, так и бесканальной прокладки без вскрытия грунта на глубине до 5 м, при давлении воды в трубопроводе >0,2 МПа.
Основные технические характеристики течеискателя ПТ-14
Условия эксплуатации:
- температура окру-
жающего воздуха, °C ... -30 ... +50 - относительная влажность при температуре
25 °C, %............. 98
- атмосферное давле-
ние, кПа.............. 84 ... 106,7
6 - 8193
162
Глава 9. АКУСТИЧЕСКИЙ МЕТОД КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ
Рис. 9.3. Портативный течеискатель ПТ-14
Рабочий диапазон частот усилителя, Гц........... 80 ... 2600
Число наборных фильтров (в произвольной комбинации) ................... 5
Собственные шумы усилителя, приведенные ко входу при подключении конденсатора 1000 пФ в диапазоне рабочих частот, нвД/Гц , не более....... 30
Питание................. От Ni-Са-ак-
кумулятора
Время непрерывной работы, ч, не менее......... 16
Отображение уровня принимаемого сигнала....... Акустическое
и визуальное
Габаритные размеры, мм:
электронного блока... 227 х 75 х 220
датчиков.............. 080 х 160;
0145 х 185
Масса, кг: электронного блока <2,5 датчиков............... <1,5, <5
Акустический течеискатель ТА 12 (фирма «АКА-Гео», Москва). Работа течеискателя (рис. 9.4) основана на непосредственном прослушивании участка поверхности над трубопроводом с помощью геомикрофона, устанавливаемого над обследуемой трассой, и головных телефо-
Рис. 9.4. Акустический течеискатель ТА12
нов. При поиске места утечки регистрируется шум вытекающей под давлением жидкости из трубопровода. Конструктивно прибор выполнен в виде переносного блока и подключаемого к нему гибким силиконовым кабелем датчика, а также головных телефонов. На лицевую панель электронного блока выведены органы управления. Всеми режимами работы управляет встроенный процессор.
Течеискатель ТА 12 имеет высокоизбирательные третьоктавные фильтры, подавляющие мешающие внешние шумы, встроенный спектроанализатор, режим автоматического запоминания последней настройки прибора, режим «Трасса», по
АКУСТИЧЕСКИЕ ТЕЧЕИСКАТЕЛИ НЕПОСРЕДСТВЕННОГО ПРОСЛУШИВАНИЯ 163
зволяющий проводить обследование в полуавтоматическом режиме.
Специализированный течеискатель АЭТ-1МСС {НИИ интроскопии, г. Томск). Назначение этого течеискателя (рис. 9.5):
- определение местоположения сквозных дефектов (трещин, свищей) на речных и болотных трубопроводах при гидравлических испытаниях на герметичность в процессе их сооружения и при эксплуатации;
- выявление местоположения утечек жидкости и газа на подземных трубопроводах.
С помощью этого прибора обнаруживают:
- места частичных закупорок трубопроводов (при образовании парафинированных или ледяных пробок, при остановке очистных устройств);
- протечки в запорной арматуре, а также контролируют прохождение объектов, перемещаемых внутри трубопроводов (скребков, разделителей, приборов внут-ритрубной диагностики) в произвольных точках трассы трубопровода (с задвижек, приводов задвижек, вантузов, грунта).
Прибор укомплектован сейсмоприемником. Это позволяет при работе в режиме контроля за прохождением объектов, перемещаемых по трубопроводам, «прослушивать» и регистрировать их про-
Рис. 9.5. Течеискатель АЭТ-1МСС
хождение путем установки сейсмоприемника на поверхности грунта над нефтепроводом, обнаруживать приближение движущегося объекта за 1000 м и более от точки контроля. Возможна регистрация из автотранспорта на удалении до 50 м от оси трубопровода.
Принцип действия - регистрация акустического шума, возникающего при истечении жидкости или газа через сквозной дефект при наличии перепада давлений. Показания регистрируются с помощью стрелочного прибора. Поиск утечек в подводных трубопроводах осуществляется бесконтактно (через слой воды до 30 м); в болотных и подземных трубопроводах -контактно с интервалом измерений 100 ... 300 м. Пороговая чувствительность прибора (по расходу воды через калиброванное отверстие) 8 ... 25 л/ч. Контроль за прохождением объектов внутри трубопроводов выполняется встроенным устройством с таймером, цифровым индикатором и устройством звуковой сигнализации.
“Hydrolux HL 4000" (фирма “Seba КМТ\ Германия). Это наиболее современный акустический течеискатель (рис. 9.6), обладающий техническими характеристиками и возможностями, превосходящими аналоги.
Рис. 9.6. Течеискатель “Hydrolux HL 4000”: 1 - блок усиления, индикации, фильтрации и обработки сигнала; 2 - наземный микрофон для мягкого грунта; 3 - соединительный кабель; 4 - наушники; 5 - наземный ветрозащищенный микрофон для жесткого грунта; 6 - контактный микрофон для прослушивания задвижек
6*
164
Глава 9. АКУСТИЧЕСКИЙ МЕТОД КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ
Основные технические характеристики течеискателя “Hydrolux HL 4000”
Максимальная глубина обнаружения утечки, м ... 6 Режим анализа спектра принятого акустического сигнала............... Есть
Число акустических фильтров.............. По 9 фиксиро-
ванных или свободно устанавливаемых
Диапазон рабочих частот, Гц.................... 40 ...4000
Течеискатель фиксирует постоянный и мгновенный уровни шума в каждой точке измерения, что позволяет по максимуму постоянного уровня шума с большей вероятностью определить место утечки, память уровня сигнала в точках измерения - по минимуму (постоянный уровень шума) и максимуму (мгновенное значение уровня шума) сигнала (девять последних значений).
Прибор имеет жидкокристаллический индикатор, работоспособный до -10 °C, позволяет регистрировать шум утечки на фоне шумов проезжей части и на фоне импульсных помех, может записывать уровень шумов в течение 30 мин.
Этот течеискатель содержит датчики с высокой чувствительностью, которые
обладают хорошей защитой от посторонних шумов (шумов компрессоров, трамваев, большегрузного транспорта). Также обеспечена защита датчиков от электрических наводок. Возможна работа вблизи силовых, телефонных кабелей и электросварочных установок.
9.4. АКУСТИЧЕСКИЕ КОРРЕЛЯЦИОННЫЕ ТЕЧЕИСКАТЕЛИ
Эти приборы предназначены для определения координат утечек в подземных напорных трубопроводах систем тепло- и водоснабжения независимо от глубины их прокладки, вида грунта, интенсивности шума среды.
Принцип их работы следующий. На концах диагностируемого участка трубопровода, находящегося под давлением, оператор устанавливает виброакустиче-ские датчики, улавливающие шум утечки, которая должна находиться между датчиками. Принимаемые сигналы усиливаются и по каналам связи (кабельным или радио) передаются в блок обработки (рис. 9.7). Исходной информацией для течеискателя, которую вводит оператор, являются длина диагностируемой секции трубопровода и табличные значения скорости распространения акустических сигналов в трубах из различного материала и с разным диаметром. Принцип действия тече-
Рис. 9.7. Схема установки акустических корреляционных течеискателей
АКУСТИЧЕСКИЕ КОРРЕЛЯЦИОННЫЕ ТЕЧЕИСКАТЕЛИ
165
искателя основан на обнаружении когерентных сигналов на каждом из датчиков и вычислении разницы времени приема этих сигналов на одном датчике относительно другого. При этом вычисляется взаимная корреляционная функция. Максимум этой корреляционной функции и соответствует месту утечки, при этом автоматически вычисляется расстояние от одного из датчиков до места утечки.
Далее приводятся краткие описания и основные технические характеристики некоторых акустических корреляционных течеискателей.
Течеискатель “ MicroCorr 6 DKL 1506” (фирма “Seba КМТ\ Германия). Особенности течеискателя “MicroCorr 6 DKL 1506” (рис. 9.8):
- интегрированная таблица с данными о скоростях звука в трубах;
- автокорреляция при использовании одного передатчика;
- многократные измерения для определения скорости звука;
- способность измерять смешанные трассы (до шести участков);
- мощные передатчики;
- сменная с визуальным контролем установка фильтров;
- новые, активные датчики с расширенным диапазоном частот, используемые в большей степени для поиска утечек на полиэтиленовых трубах;
Рис. 9.8. Течеискатель “MicroCorr 6 DKL 1506”
- постоянная корреляция для обнаружения слабых шумов утечки и закрывающихся утечек;
- область двойной корреляции времени и быстрое преобразование Фурье;
- очень низкая частота датчика (5 Гц) для надежного поиска утечек на хлорвиниловых трубах;
- быстрое и четкое построение корреляции на экране;
- возможность оптимального выбора фильтров при трудных утечках;
- возможность использования в качестве акустического течеискателя непосредственного прослушивания.
Технические характеристики корреляционного течеискателя “MicroCorr 6 DKL 1506”
Чувствительность пьезо-
керамических датчиков, pC/g.................. 1000
Наличие радиоканалов ... 2
Длина связи по радиоканалу, км.............. До 2
Частота радиоканалов (УВЧ), МГц............ 433/434
Мощность передачи, мВт 500
Емкость памяти корреляционных диаграмм...... До 70
Интерфейсы: для принтера и компьютера ............... RS-232
для внешнего монитора .............. Видеоадаптер
Напряжение питания, В: от встроенного аккумулятора .............. 12
внешнее............ =12
Время работы без подзарядки аккумуляторов, ч >8 Температурный диапазон, °C: блоков обработки и радиоканалов.......... -10 ... +50
датчиков........... -65 ... +300
Диаметр контролируемо-
го трубопровода, мм... 25 ... 1500
166
Глава 9. АКУСТИЧЕСКИЙ МЕТОД КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ
Длина контролируемого
участка трубопровода, м До 1500
Диапазон рабочих частот,
Гц..................... 5... 5000
Число участков трубопро-
вода (максимальное).... 6
Ввод данных............ Встроенная
клавиатура
Габаритные размеры, мм: блока обработки........ 150 х 330 х 230
блоков радиоканалов 240 х 140 х 160 датчиков............ 032 х 78
Масса, кг: блока обработки........ 4,5
блоков радиоканалов 2,6 датчиков............ 0,6
Течеискатель “Aqualux SCL 5” (фирма “Seba KMT”, Германия). В данном приборе (рис. 9.9) функция коррелятора соединена с функциями акустического течеискателя непосредственного прослушивания и регистратора данных. Два блока прибора можно использовать раздельно или вместе. Благодаря использованию инфракрасного интерфейса между двумя блоками прибора улучшается передача сигнала и нет проблем, которые возникали при радиосвязи. Прибор может осуществлять не только корреляцию, но и прослушивание, измерение зон, а также регистрацию расхода и давления с датчиков в течение длительного времени. Блок регистрации данных, например, в течение нескольких дней может задокументировать
Рис. 9.9. Течеискатель “Aqualux SCL 5”
результат измерения давления, в то время как в другом месте мультифункциональ-ным блоком осуществляется прослушивание.
Технические характеристики течеискателя “Aqualux SCL 5”
Дисплей ..........
Ввод данных........
Г незда............
Напряжение питания, В постоянного тока ... Датчики............
Габаритные размеры, мм:
мультифункцио-нального блока .... блока регистрации данных..........
Масса, кг: мультифункцио-нального блока .... блока регистрации данных ............
128 х 128 мм, графический жидкокристаллический с фоновой подсветкой
Клавиатура
(18 пленочных клавиш)
IP68
6 х 1,5 (миньон) Акселерометры или гидрофоны
285 х 165 х 88
220 х 140 х 50
1,9
1,3
Течеискатель «А-Корр» (фирма «АКА-Гео», Москва). Этот прибор (рис. 9.10) разработан с использованием современных цифровых сигнальных процессоров и высокопроизводительных алгоритмов обработки сигналов. Он работает в трех режимах.
Рис. 9.10. Течеискатель «А-Корр»
МОНИТОРИНГ УТЕЧЕК С ПРИМЕНЕНИЕМ АКУСТИЧЕСКИХ СЕНСОРОВ
167
1. В качестве корреляционного течеискателя, определяет отрезок истечения воды с точностью до 0,2 м непосредственно на месте проведения работ. Режим корреляционного течеискателя основан на определении разности времен прихода сигнала течи с помощью нахождения максимума корреляционной функции и последующего пересчета в координаты точки утечки.
2. В роли акустического течеискателя, уточняет место истечения воды с поверхности грунта на отрезке, определенном в режиме корреляционного течеискателя. В режиме акустического течеискателя используется принцип поиска точки над трассой с максимальным уровнем шума, создаваемого истечением воды.
3. Как регистратор, записывает акустические сигналы трубопровода на встроенный накопитель. В блок оператора встроен накопитель информации, позволяющий записать до 256 участков «шумовой картины» состояния трубопровода в цифровом виде. Записи используются для последующей обработки.
Технические характеристики течеискателя «А-Корр»
Диаметр контролируемого трубопровода, мм......... 25 ... 1500
Длина контролируемого участка трубопровода, м.. До 1000
Абсолютная погрешность определения места утечки, м 0,2 Диапазон рабочих частот, Гц 300 ... 3500 Число участков трубопровода (максимальное)........ 3
Питание.................. От встроен-
ного аккумулятора
9.5. МОНИТОРИНГ УТЕЧЕК С ПРИМЕНЕНИЕМ АКУСТИЧЕСКИХ
СЕНСОРОВ
Приборы мониторинга необходимы для предварительного обнаружения утечки, т.е. для отыскания дефектной ветви трубопровода в сложной разветвленной
системе. Прибор GPL 99 состоит из шести автономных датчиков-регистраторов и одного интерфейсного устройства, служащего для перезаписи информации с датчиков на компьютер, а также являющегося зарядным устройством для датчиков и дискеты с программным обеспечением.
Прибор работает следующим образом. Автономные датчики устанавливаются на ветвях трубопровода, в которых предполагается утечка, и в течение 2 ч (в основном в ночное время, когда внешние шумы минимальны) один раз в 2 с регистрируют амплитуду шума (в определенной полосе частотного спектра), возникающего на водопроводной трубе. После окончания записи в течение суток датчики снимают с труб и через интерфейсное устройство переписывают всю информацию в компьютер.
После обработки этой информации на дисплее компьютера отображается статистическое распределение амплитуды шума, воспринятой шестью датчиками с исследуемых труб, по которому и судят о наличии утечки. Определяющими параметрами при оценке наличия утечки на данной ветви трубопровода являются ширина этого графика, по которой определяют количество различных амплитуд шума на трубе, и амплитуда наиболее повторяющегося шума. Утечка - это постоянный шум, т.е. в определенной полосе частотного спектра его амплитуда с определенным допуском постоянна. И на ветви трубопровода, где есть утечка, датчик в основном воспринимает эту амплитуду шума, т.е. чем уже ширина графика и больше амплитуда наиболее повторяющегося шума, тем ближе датчик расположен к утечке. Так, например, датчик (логгер) № 6 (рис. 9.11) ближе всех датчиков расположен к утечке - ширина графика 5 дБ, амплитуда наиболее повторяющегося шума 49 дБ.
Другая акустическая система мониторинга утечек - система “Permalog” (рис. 9.12). Это экономически выгодная стационарная система мониторинга утечек жид-
168
Глава 9. АКУСТИЧЕСКИЙ МЕТОД КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ
Рис. 9.11. Статистическое распределение амплитуды шума
Рис. 9.12. Система мониторинга утечек “Permalog”
кости в распределительных сетях трубопроводов. Она в стандартном исполнении состоит из 15 автономных датчиков (лог-геров) и одного считывающего устройства (патроллера). Количество датчиков для одного патроллера может быть нарощено до нескольких тысяч.
Система “Permalog” дает возможность специалистам регистрировать уровни шумов скрытых утечек и за счет этого эффективно снижать потери жидкости. Эффективность применения системы подтверждается многими пользователями.
Достоинства системы:
- проблемные участки сети постоянно контролируются;
- утечки быстро выявляются, и за счет этого снижается потеря жидкости;
- простота монтажа: регистрирующие устройства (логгеры) просто ставятся на фитинги на магнитной присоске;
- работа системы не мешает снабжению жидкостью потребителей;
- быстро реагирует на появление новых утечек;
- экономически более эффективна, чем традиционные средства обследования;
- независима от структуры сети (не требует разбивки на участки, дает хорошие результаты в сочетании с измерением расхода);
- высокая производительность достигается путем быстрого обследования больших участков сети;
- отличается проверенной технологией, >50 000 этих систем эксплуатируется по всему миру;
- может также применяться как исследовательский инструмент;
- долгий срок работы без технического обслуживания (~7 лет);
- не требует высококвалифицированных специалистов для работы.
МОНИТОРИНГ УТЕЧЕК С ПРИМЕНЕНИЕМ АКУСТИЧЕСКИХ СЕНСОРОВ
169
Система “Permalog” применяется для обнаружения утечек в распределительных сетях трубопроводов. Логгеры устанавливаются на фитинги трубопровода через смотровые колодцы и удерживаются на месте с помощью встроенного магнита. Они снабжены источниками питания, обеспечивающими их работоспособность в течение 7 лет. Логгеры имеют степень защиты IP68 и могут работать даже в затопленных камерах, радиосигнал хорошо проходит через железобетонные кольца и металлическую крышку колодца.
Принцип работы датчиков системы “Permalog” аналогичен принципу работы датчиков GPL 99, но рассматриваемые датчики не надо снимать с трубы, так как информация с них считывается при помощи патроллера на расстоянии <50 м по радиоканалу (рис. 9.13).
При помощи программного обеспечения информация о номере датчика, ширине графика статистического распределения амплитуды шума, амплитуда наиболее повторяющегося шума и вывод о наличии утечки на данной ветви трубопровода с патроллера могут быть переписаны в персональный компьютер и с него об
ратно на патроллер (рис. 9.14). Это необходимо для создания определенной базы данных для мониторинга утечек на трубопроводах.
После обнаружения дефектной ветви трубопровода переходят к локализации места утечки. Для этого предназначены другие группы акустических течеискателей. Характеристики утечки (уровень шума и разброс уровней шумов) также передаются по радиоканалу на считывающее устройство (патроллер). Информация со всех логгеров поступает на патроллер. Положение логгеров, перешедших в режим «Утечка», соответствует ориентировочному месту утечки.
Рис. 9.13. Работа системы “Permalog”
Южное предприятие транспортировки и реализации питьевой воды
Seba Dynatron/c Patroller V5.0.7
Номер Адрес Дата Статус Уровень Ширина
4012401 Дровяная ул.< наб.р. Пряжка 17.10.01 L 66 3
4012405 Наб.р. Пряжка, 56 < Мясная ул. 17.10.01 N 19 12
4012396 Наб.р. Пряжка, 56 < Мясная ул. 17.10.01 N 25 11
4012399 Наб.р. Пряжка, 56 < Мясная ул. 17.10.01 L 52 8
4012402 Наб.р. Пряжка, 56 < Мясная ул. 17.10.01 N 25 15
4012391 Дровяная ул.< наб.р. Пряжка 17.10.01 L 36 11
4012394 Дровяная ул.< наб.р. Пряжка 17.10.01 L 35 4
4012395 Дровяная ул.< наб.р. Пряжка 17.10.01 L 62 6
4012397 Наб.р. Пряжка, 56 < Мясная ул. 17.10.01 N 27 21
4012398 Наб.р. Пряжка, 56 < Мясная ул. 17.10.01 N 25 14
4012400 Наб.р. Пряжка, 56 < Мясная ул. 17.10.01 L 31 14
4012403 Наб.р. Пряжка, 56 < Мясная ул. 17.10.01 N 29 17
4012404 Наб.р. Пряжка, 56 < Мясная ул. 17.10.01 N 24 37
Рис. 9.14. Пример информации, выводимой с патроллера на персональный компьютер
170
Глава 9. АКУСТИЧЕСКИМ МЕТОД КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ
Поступающая на патроллер информация отображается на дисплее и сохраняется в памяти. Ее можно распечатать на принтере или передать на компьютер. Дальнейшему обследованию с помощью традиционных приборов течеискания подлежат только «проблемные» участки сети. Время на обследование хороших участков сети не тратится.
Эксплуатационные преимущества системы “Permalog” следующие:
- обследование 100 % распределительных сетей;
- быстрая установка логгеров, которые в короткий срок могут быть переставлены в другое место по усмотрению оператора;
- больше утечек обнаруживается скорее, чем традиционными методами;
- сразу реагирует на новые утечки;
- автоматически обнаруживает утечки, что обеспечивает нахождение утечек, которые могли быть пропущены из-за ошибки оператора;
- работает независимо от размеров, структуры и сложности обследуемой сети;
- не мешает водоснабжению потребителей;
- позволяет опытным специалистам сконцентрироваться на нахождении неизвестных утечек и избежать потери времени на местах, где утечек нет;
- быстро и легко проверяет качество сделанного ремонта;
- рассчитана на работу в течение 7 лет, обеспечивает при этом поддержание низкого уровня утечек.
Рассмотрим программные средства системы. Система “Permalog” снабжена программой, совместимой с Windows. Запись о местонахождении каждого логгера хранится в базе данных системы. Это сделано для того, чтобы во время считывания информации моментально найти положение каждого логгера.
Программа дает возможность сохранить дату считывания информации и сравнить текущие результаты с выявленными ранее для определения местонахождения новых утечек. Данные, полученные от логгеров, могут быть рассортированы и сохранены в базе данных системы “Permalog”.
Место скрытой утечки может быть установлено в течение суток. Раньше на это уходили недели.
Технические характеристики системы “Permalog”
Патроллер
Габаритные размеры, мм...............
Масса, кг.............................
Материал корпуса......................
Защита от воздействия окружающей среды
Стандартная антенна...................
Пользовательский интерфейс...........
Источник питания.....................
Индикация ...........................
290 х 150x82
1,8
ABS
IP65
Автомобильная, снабженная магнитным держателем, с трехметровым кабелем
Из клавиатуры и жидкокристаллического дисплея с подсветкой
Перезаряжаемая/заменяемая батарея; автомобильный аккумулятор напряжением 12В
Звуковой сигнал режимов «Утечка», «Нет утечки»; последовательный порт RS-232 для подключения компьютера или принте-
Габаритные размеры, мм
ра; разъем для подключения антенны Логгер
................ 060 х 135 (включая антенну)
МОНИТОРИНГ УТЕЧЕК С ПРИМЕНЕНИЕМ АКУСТИЧЕСКИХ СЕНСОРОВ
171
Длина антенны (стандартная), мм..........
Масса, кг...............................
Источник питания ....•...................
Материал корпуса........................
Защита от воздействия окружающей среды
Рабочая частота, МГц....................
Средства коммуникации
55 (зависит от частоты)
1
Встроенная батарея, рассчитанная на 7 лет работы (в зависимости от конфигурации), заменяемая после окончания срока работы
Пластмасса, нержавеющая сталь
IP68
173, 315, 433, 464 (в зависимости от разрешенных частот в стране эксплуатации); возможны другие частоты по специальному запросу
Сигнал «Утечка» / «Нет утечки». Уровень шума и разброс уровней шумов, дБ. Светодиодный индикатор режима («Начало», «Утечка», «Нет утечки»)
Глава 10
ФОТОИОНИЗАЦИОННЫЙ МЕТОД КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ
10.1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТОДА
Работа фотоионизационного газоаналитического преобразователя утечки основана на непрерывном измерении электрического тока, проходящего через газовую смесь при образовании в ней частично ионизированной плазмы. Ионизация атомов и молекул в анализируемой газовой смеси осуществляется ультрафиолетовым (УФ) излучением. Впервые фо-тоионизационный метод был упомянут в 1955 г., а конструкция детектора была опробована в 1960 г.
Детектор содержит (рис. 10.1) два основных узла: лампу УФ излучения и ионизационную камеру, в которую поступает анализируемая газовая смесь. Образующиеся под действием УФ излучения ионы и электроны дрейфуют в электрическом поле между двумя электродами ионизационной камеры, создавая электрический ток. В случае наличия в анализируемой газовой смеси молекул пробного газа, потенциал ионизации которых не превышает энергию квантов ионизирующего излучения, величина тока в газоразрядном промежутке возрастает пропорционально концентрации этого газа.
С достаточной для практики точностью при рассмотрении принципа работы фотоионизационного детектора можно учитывать только процессы, представленные в табл. 10.1.
Фотоионизационный детектор относится к классу концентрационных детекторов.
Рис. 10.1. Фотоионизационный газоаналитический детектор: 1 — 3 — электроды УФ лампы; 4 - УФ лампа; 5 - окно; 6 - измерительный электрод (к усилителю); 7 - потенциальный электрод (к источнику питания); 8 - вход анализируемого газа; 9 - выход газа из детектора; 10- ионизационная камера
10.1. Кинетические процессы в фотоионизационном детекторе
Схема процесса Описание процесса
Пр + Av —> Пр+ + е Ионизация примесей (Пр) УФ излучением
ПГ + Av -» ПГ+ + е Ионизация пробного газа (ПГ) УФ излучением
ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ 173
Продолжение табл. 10.1
Схема процесса Описание процесса
Пр+ + катод -> е~ + анод -> >осф Сбор зарядов в ионизационной камере с формированием фонового тока
ПГ+ + катод -> е~ + анод -» * ссп Сбор зарядов в ионизационной камере с формированием полезного сигнала
Условные обозначениям - электрон; hv - квант УФ излучения; аф - фоновый сигнал детектора; ап - полезный сигнал.
10.2. ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
ФОТОИОНИЗАЦИОННОГО ГАЗО АНАЛИТИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
Концентрация пробного газа в камере детектора связана с величиной утечки следующим образом:
c = q/Q, (10.1) где с - концентрация пробного газа; q -утечка пробного газа; Q - расход анализируемого газа через детектор.
При этом уравнение статической характеристики будет иметь вид
an=J0FSHT] 1-е , (10.2)
V 7
где Л - начальная плотность потока фотонов, поступающего в ионизационную камеру детектора от источника УФ излучения; F - число Фарадея; £и - площадь поперечного сечения ионизационной камеры; т] - эффективность ионизации молекулы квантом УФ излучения; а,- - сечение фотоионизации молекулы газа; УА - постоянная Авогадро; L - длина ионизационной камеры (длина газового промежутка, через который проходит УФ излучение).
Нелинейный характер статической характеристики определяется распределением плотности потока фотонов в анализируемом газе в соответствии с законом Бугера - Ламберта - Бера.
Как видно из уравнения (10.2), увеличение расхода газа-носителя будет приводить к уменьшению нелинейности статической характеристики, однако при этом станет снижаться ионизационный ток.
Уравнение линеаризованной статической характеристики будет иметь вид
а„ =Уо^ит]о^аА-^.
(10.3)
Следовательно, чувствительность детектора пропорциональна интенсивности потока УФ излучения, эффективному объему ионизационной камеры и сечению ионизации молекулы газа. Типичные значения сечений фотоионизации для ряда веществ находятся в пределах (1 ... 100)10-18 см2. Существует прямо пропорциональная зависимость сечения фотоионизации О/ от энергии фотона и ионизационного потенциала молекулы, что определяет селективность детектора к различным химическим соединениям. Для органических веществ установлено, что чувствительность детектирования повышается с увеличением углеродного числа для определенного гомологического ряда соединений. В зависимости от класса веществ чувствительность возрастает по следующим закономерностям:
• алканы -» алкены —> ароматики;
• л-алканы -> спирты эфиры-альдегиды -> кетоны;
• фтор—> хлор—> бром—> подзамещенные соединения.
174
Глава 10. ФОТОИОНИЗАЦИОННЫЙ МЕТОД КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ
Экспериментально определенные статические и динамические характеристики фотоионизационного детектора, изученные на примере утечки пропана из газонаполненных терморегуляторов с порогом отбраковки 108 м3 • Па/с, показаны на рис. 10.2 - 10.6, где использованы следующие условные обозначения: Т - температура детектора; S - коэффициент пре-
образования (чувствительность детектирования утечки); tK - длительность контакта детектора с пробным газом; t - время; N - количество сорбированного пробного газа материалом ионизационной ячейки; тд - постоянная времени процесса десорбции пробного газа из материала ионизационной ячейки.
Рис. 10.2. Статическая характеристика детектора утечки: Т = 80 °C; Q = 60 мл/мин
Рис. 10.3. Зависимость чувствительности детектора по потоку пропана: верхняя кривая - Q = 20 мл/мин; □ - Q = 40 мл/мин; 0 - Q = 60 мл/мин; О - Q = 80 мл/мин
ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ 175
О 25 50 75 100 i,C
Рис. 10.4. Изменение концентрации пропана в камере детектора по заднему фронту сигнала:
£2-80 мл/мин; Г- 80 °C; tK = 60 с
Рис. 10.5. Кривые десорбции:
/ - tK = 10 с; 2 - tK = 60 с; q = 5 • 10-8 м3 • Па/с
Динамика заднего фронта сигнала (рис. 10.4) имеет характерную для газоаналитических средств контроля затяжку сигнала, обусловленную десорбцией пробного газа из материала ионизационной ячейки. Время контакта детектора с пробным газом определяет постоянную времени десорбции (рис. 10.5, 10.6).
Пределы детектирования некоторых веществ при использовании фотоионизационного детектора составляют: пропана 5 • 10“9 мг/с, бензола 2 • 10~13 г/с, масла в воздухе 2 • 109 об. доли, тетраэтилсвинца 150 пг, арсина 5 • 10”8 об. доли, фосфина
Рис. 10.6. Влияние количества сорбированного пропана на постоянную времени десорбции: Г= 50 °C; N • 1012 / тд = 5,35 ± 0,42
3 • 10~7 об. доли. Все классы пестицидов хорошо детектируются на уровне ниже нанограммов. Детектор чувствителен ко всем органическим веществам, исключая метан с потенциалом ионизации 12,99 эВ, а также к неорганическим веществам, например H2S, РН3, AsH, I, CS2, NO, NH3. При помощи детектора, имеющего УФ лампу с энергией фотонов 10,2 эВ, можно определять в воздухе >500 летучих химических соединений, причем для наиболее характерных веществ установлены калибровочные коэффициенты, приводимые ниже.
Калибровочные относительные коэффициенты фотоионизационного детектора с УФ лампой с энергией фотонов 10,2 эВ
Ацетон........................ 1,31
Бензол....................... 0,56
Бутадиен..................... 1,01
Бутилацетан.................. 2,54
Дисульфид углерода............ 1,47
Этанол....................... 8,62
Этилацетат................... 3,55
и-Гептан..................... 1,77
176
Глава 10. ФОТОИОНИЗАЦИОННЫЙ МЕТОД КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ
л-Гексан..................... 4,50
Сероводород.................. 4,10
Изопропанол.................. 5,71
Метилизобутан-кетон.......... 0,94
Перхлорэтилен................ 0,57
Пропан....................... 1,66
Стирол....................... 0,42
Толуол....................... 0,54
Трихлорэтилен................ 0,55
Винилхлорид.................. 2,14
10.3. КОНСТРУКЦИИ ГАЗО АНАЛИТИЧЕСКИХ ФОТОИОНИЗАЦИОННЫХ СРЕДСТВ
КОНТРОЛЯ УТЕЧЕК И КОНЦЕНТРАЦИЙ ПРОБНЫХ ГАЗОВ
С начала 80-х годов XX века рядом фирм освоен выпуск портативных фотоио-низационных газоаналитических средств контроля утечек и концентраций различных веществ в виде переносных хроматографов, газоанализаторов и течеискателей.
Первичный преобразователь такого средства содержит два основных узла: источник электромагнитного излучения и ионизационную камеру, в которую в потоке анализируемого воздуха поступает
пробное вещество. В качестве источника электромагнитного излучения используются герметичные УФ лампы тлеющего разряда со средними энергиями фотонов 8,3 ... 11,7 эВ. С увеличением энергии фотонов чувствительность датчика возрастает, однако селективность уменьшается.
Миниатюрный (масса 325 г) фотоио-низационый детектор фирмы “Drager” (Германия) для обнаружения утечек и наличия в воздухе многочисленных (> 300) токсичных паров и газов, таких как ацетон, бензин, бутадиен, пропан, винилхлорид и т.д., показан на рис. 10.7.
Прибор снабжен УФ лампой с энергией фотонов 10,6 эВ. Для прокачки воздуха используется встроенный насос (вентилятор). Предел обнаружения по различным веществам колеблется от 10~5 до 5-10^ об. доли. Результат измерения индицируется на дисплее. Стандартную калибровку осуществляют с помощью баллона (рис. 10.8) с калибровочным газом «изобутен + воздух». Результаты стандартной калибровки можно использовать и при измерении концентрации других веществ, для чего служат относительные коэффициенты чувствительности.
Вкл/выкл Дисплей
Рис. 10.7. Внешний вид газоаналитического средства “Рас PID”
КОНСТРУКЦИИ Г АЗО АНАЛИТИЧЕСКИХ ФОТОИОНИЗАЦИОННЫХ СРЕДСТВ 177
Рис. 10.8. Набор для калибровки детектора
Рис. 10.9. Комплект поставки
Полный комплект поставки (рис. 10.9) включает в себя фотоионизационный детектор; сменный блок питания на 230 В; зарядное устройство; набор для очистки воздуха, необходимый для установки нулевой точки при калибровке; баллон с калибровочным газом и приспособления для калибровки; редуктор давления для повторного заполнения баллона калибровочным газом.
Фотоионизационный газоанализатор “HNU Model PI-101” фирмы “HNU Systems Inc.” (США) для определения следовых концентраций газов в воздухе используется для непрерывного мониторинга воздуха, а также как течеискатель.
На его передней панели установлен переключатель режимов: «Ожидание», «Контроль батареи», «Измерение» и «Выключение». В режиме «Измерение» работает переключатель диапазона шкалы: 0 ... 2; 0 ... 20; 0 ... 200 и 0 ... 2000 ppm. Батарея напряжением 12 В обеспечивает непрерывную работу в течение 10 ч без подзарядки. Прибор комплектуется УФ лампами с энергией фотонов 9,5; 10,2; 11,7 эВ. Типичный предел обнаружения ряда веществ 2 • 10“7 об. доли. Линейный динамический диапазон третьего-четвертого порядка. Время отклика на полную шкалу (0 ... 2000 ppm) < 5 с. Дрейф нуля обычно составляет 1 % на каждые 10 ч. С помощью электронной схемы можно устанавливать стрелку прибора на нуль в нулевой концентрационной точке, для чего не требуется источник чистого воздуха. Масса газоанализатора 4,1 кг. Возможно подключение регистратора, выходной аналоговый сигнал прибора 0 ... 5 В.
Установка контроля герметичности (рис. 10.10) с фотоионизационным детектором предназначена для контроля утечки пропана из конца капиллярной трубки термосистемы датчиков-реле температуры, выпускаемых ЗАО «Орлэкс» (г. Орел). В состав автоматизированной установки контроля герметичности (АУКГ) входят блоки детектирования, усиления, связи, а также измеритель расхода газа. Блоки имеют унифицированную конструкцию корпуса.
Конструктивно фотоионизационный детектор и камера пробоотбора находятся в блоке детектирования. Перед поступлением газа-носителя в камеру осуществляются его очистка, стабилизация давления и расхода. Регулятор расхода газа обеспечивает плавную регулировку воздуха в пределах 10 ... 100 мл/мин. Блокуправле-
178
Глава 10. ФОТОИОНИЗАЦИОННЫЙ МЕТОД КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ
Воздух, В атмос-0,2 МПа Ф?ру
Рис. 10.10. Структурная схема АУКГ:
КИ- контролируемое изделие; БД- блок детектирования; ИРГ- измеритель расхода газа; БУ - блок управления; Р - регистратор; БС - блок связи; - пневматическая линия;
-> - электрическая линия
ния отвечает за питание фотоионизационного детектора постоянным напряжением 300 В, а также выполняет предварительное усиление выходного электрического сигнала, получаемого с детектора. Для стабильной работы детектор и камера термо-статируются с помощью терморегулятора, находящегося в блоке управления. Блок связи предназначен для приема аналогового сигнала, преобразования его в цифровую форму и передачи оцифрованного сигнала в персональный компьютер. Программное обеспечение производит обработку и отображение принимаемого сигнала, а также хранит полученные результаты в базе данных. Результаты контроля могут документироваться на регистраторе или принтере.
Технические характеристики аппаратно-программного комплекса обработки сигнала
Число каналов ввода аналоговой информации.................... 1
Диапазон входного сигнала, В.. 0 ... 1
Уровень флуктуационных шумов, приведенных ко входу, мкВ.... 0,5
Дрейф базовой линии входного сигнала, мкВ/ч, не более...... 50
Скорость обмена данными, бод.. 9600
Внешний вид установки показан на рис. 10.11.
Технические характеристики АУКГ
Порог отбраковки, м3 • Па/с............ 10’8
Длительность цикла контроля, с............... 10
Потребляемая мощность, Вт.................... 300
Габаритные размеры (без компьютера), мм....... 360 х 240 х 240
Масса, кг............. 25
Конструкция используемого в установке фотоионизационного детектора изображена на рис. 10.12. В режиме измерения утечки пропана конец капиллярной трубки контролируемого изделия вводится через резиновую прокладку 22 в канал 13 штуцера 12 детектора. Поток воздуха, поступающий через трубку 14, обдувает запаянный конец контролируемого изделия, смешивается с утечкой пропана и поступает затем в ионизационную камеру 10. Она представляет собой цилиндрическую камеру высотой 5. и диаметром 8 мм, объем камеры 0,3 см3. Камера ограничена тремя фторопластовыми прокладками, а с верхнего торца - «окном» (кристаллом MgF2) УФ лампы.
КОНСТРУКЦИИ ГАЗОАНАЛИТИЧЕСКИХ ФОТОИОНИЗАЦИОННЫХ СРЕДСТВ 179
Рис. 10.11. Внешний вид установки
Рис. 10.12. Конструкция фотоионизационного детектора: 1 - разъем высокочастотного питания;
2 - крышка;
3 - катушка с высокочастотной спиралью;
4 - корпус;
5 - УФ лампа КрРВ;
6 - прижимная гайка;
7 - кристалл MgF2 лампы;
8 -фторопластовые изоляторы;
9 -кольцевые электроды;
10 - ионизационная камера;
11 - трубка выхода газа;
12 - штуцер;
13 - газовый канал;
14 - трубка входа газа-носителя;
15 - разъемы «Питание» и «Сигнал»;
16 - экран;
17 - дроссели;
18 - анод к разъему «Питание»;
19 - катод к разъему «Сигнал»;
20 - канавки и отверстия;
21 - нагреватель;
22 - резиновая прокладка;
23 - гайка «Камера»
180
Глава 10. ФОТОИОНИЗАЦИОННЫЙ МЕТОД КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ
Резонансная высокочастотная лампа 5 типа КрРВ со средней энергией фотонов 10,2 эВ представляет собой безэлектрод-ную стеклянную трубку, заполненную криптоном. Остаточное давление газа в ней 3 ... 4 мм рт.ст. С торца трубки приклеен кристалл MgF2 толщиной 1 мм, обеспечивающий прохождение жесткого ультрафиолета в камеру фотоионизацион-ного детектора. Под действием высокочастотного напряжения, подаваемого на резонансную спиральную катушку, в УФ лампе формируется плазменный разряд, обеспечивающий на выходе лампы плотность фотонов до 1015 фотон / (с • см2).
В углублениях цилиндрической поверхности камеры параллельно расположены два кольцевых электрода (анод и катод) из нержавеющей стали. Нижний электрод (катод) соединен с разъемом «Сигнал». Верхний электрод (анод) связан с разъемом «Питание», через который для сбора электрозаряженных частиц в ионизационной камере подается с блока управления поляризующее напряжение 300 В. Фоновый и информативный токовые сигналы передаются от нижнего электрода (катода) детектора к разъему «Сигнал» блока детектирования, откуда поступают в блок управления, а потом в блок связи. Вход газа в камеру осуществляется по
осевому каналу штуцера детектора. Для выхода газа из фторопластовой камеры в аноде и фторопластовых прокладках выполнены отверстия и канавки. С выхода детектора газовая смесь через трубку 11 сбрасывается в атмосферу.
Преимущества фотоионизационного метода в целом (универсальность, высокая чувствительность, широкий линейный динамический диапазон, простота обслуживания и стабильность работы аппаратуры) открывают перспективы его использования для оперативного контроля концентраций и утечек технологических веществ в химической, нефтехимической, лакокрасочной, холодильной и других отраслях промышленности. В сфере добычи, транспортировки и хранения углеводородного сырья возможно применение метода для контроля герметичности оборудования (трубопроводов, компрессоров, хранилищ, бутановых газозаправочных станций и т.д.). Также перспективно его применение для контроля примесей при производстве высокочистых газов, в экологическом мониторинге воздуха. Таким образом, дальнейшая разработка газоаналитического фотоионизационного метода течеискания является весьма важной как по достижимым результатам, так и по их практическому использованию.
Глава 11
МАНОМЕТРИЧЕСКИЙ И ВАКУУММЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ
11.1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТОДОВ
Манометрический и вакуумметриче-ский методы контроля герметичности заключаются в регистрации изменения либо величины испытательного давления контрольного или пробного вещества в объекте, либо остаточного давления в объекте после его откачки в результате наличия течей в нем в течение некоторого промежутка времени. Этими методами испытывают газонаполненные и вакуумируемые системы-резервуары, различные гидравлические, газовые, вакуумные системы, их элементы и др. В зависимости от требований к объектам в качестве контрольных веществ применяют жидкости (воду, рабочие жидкости) и газы (воздух, азот, аргон и др.). Наличие течей определяют по показаниям манометров и вакуумметров.
11.2. МАНОМЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОД
Испытания по манометрическому методу бескамерным способом (спада давления) сводятся к созданию в испытуемом объекте избыточного давления контрольного газа и измерению величины давления в нем в начале и конце определенного промежутка времени.
Уменьшение первоначально измеренной величины давления свидетельствует о негерметичности объекта.
Принципиальная схема испытаний показана на рис. 11.1.
Контрольный газ через клапаны 5 и 6 поступает из сети в испытуемый объект 4. Сначала опрессовывают объект давлением, превышающим рабочее и устанавливаемым нормативно-технической документацией (НТД) на объект. Значение давления имеряют манометром 1. После опрессовки давление контрольного газа снижают до испытательного и выдерживают в течение установленного НТД времени. Обычно значение испытательного давления составляет 1 ... 1,2 величины рабочего давления. Время выдержки под давлением может достигать нескольких десятков часов.
Например, оборудование, используемое в химическом или нефтяном машиностроении, считают герметичным, если падение давления за 1 ч < 0,1 % для токсичных и < 0,2 % для пожаро- и взрывоопасных веществ при испытаниях новых аппаратов и < 0,5 % при периодических испытаниях уже работающих аппаратов [14].
Рис. 11.1. Принципиальная схема испытаний способом спада давления
182
Глава 11. МАНОМЕТРИЧЕСКИЙ И ВАКУУММЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОДЫ
Падение давления измеряют контрольным манометром 2 высокого класса точности (> 0,01 МПа), например типа ОБМ-1-ЮО. Сброс давления из объекта осуществляют с помощью клапана 3.
При испытаниях следует стремиться к минимальному объему присоединяемых магистралей, увеличивающих контролируемый объем.
Запорная арматура, технологическая оснастка и их соединения, применяемые при испытаниях, должны быть герметичными.
На каждый испытуемый объект, если позволяет его конструкция, должно быть установлено не менее двух приборов, измеряющих давление контрольного газа. Давление измеряют на входе и выходе испытуемого объекта или в местах, наиболее удаленных друг от друга.
При заполнении объекта контрольным газом может происходить его разогрев, что отражается на точности результатов испытаний. Для охлаждения газа дается выдержка. Ее продолжительность устанавливается опытным путем в зависимости от объема и конструктивных особенностей объекта.
При испытаниях следует также учитывать, что падение давления в объекте существенно зависит от температур контрольного газа и окружающей среды и атмосферного давления. Изменение этих факторов в процессе испытаний может внести существенные погрешности в результаты измерений, особенно при больших выдержках. При этом надо следить за тем, чтобы разность температур окружающей среды и контрольного газа не превышала значения, допускаемого для контрольного манометра (например, для манометра с классом точности 0,1 допускаемая разность температур составляет ± 1 °C).
Величина негерметичности объекта определяется по формуле
Q = V—, (11.1)
т
где V - внутренний объем объекта и технологической оснастки, м3; т - время выдержки объекта под давлением, с; Ар -изменение давления в объекте в течение времени т, Па.
Фактическое падение давления в объекте определяют по соотношению
Ap = Pi-p2f1+-0"<i2; \ <1L2)
где р\ и р2 - соответственно начальное и конечное абсолютное давление в объекте, Па; t\ и t2 - температура в начале и конце испытаний соответственно, °C*.
Чувствительность способа вычисляют по формуле
2 = (сГам)/т, (11.3) где с - коэффициент, учитывающий соотношение между единицами измерения течей; И - объем испытуемого объекта и элементов контрольно-испытательной системы; осм - цена деления шкалы контрольного манометра; т - время выдержки.
Способ спада давления рекомендуется для определения суммарной герметичности объектов и их сборочных единиц, к которым не предъявляются повышенные требования по герметичности (до 1,3 • 10 3 м3 • Па/с) и которые имеют небольшие объемы (0,1 ... 100 л).
Способ не следует применять, когда:
- объект содержит конструктивные материалы или элементы, способные выделять (поглощать) контрольную среду;
- температура объекта изменяется в процессе испытаний.
11.3. ВАКУУММЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОД
Вакуумметрическим методом испытывают на герметичность в основном ва
*В случае установки нескольких манометров негерметичность объекта определяется как средняя арифметическая величина.
ВАКУУММЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОД
183
куумные системы, имеющие собственные средства откачки и измерения вакуума. Для определения суммарного натекания вакуумную систему откачивают до некоторого остаточного давления, разобщают со средствами откачки и регистрируют вакуумметром изменение давления во времени. Затем строят график изменения давления во времени.
Возможны три рода характеристических кривых изменения давления в системе (рис. 11.2) [10].
Кривая 1 свидетельствует о сильном натекании, т.е. наличии грубых течей в системе. Кривая 2 характеризует изменение давления от р0 до рх как результат натекания и газовыделения. В дальнейшем изменение давления в системе, вызванное натеканием, соответствует линейной зависимости. Зная объем системы и изменение давления Ар за промежуток времени Дт, можно рассчитать величину натекания, пользуясь выражением (11.1).
Кривая 3 свидетельствует об отсутствии натекания, рост давления в начальный период объясняется внутренним газовы-делением, которое уменьшается по мере возрастания давления. По достижении динамического равновесия в системе давление стабилизируется.
Рис. 11.2. Характеристические кривые изменения давления во времени в изолированной вакуумной системе
Снятие характеристик, подобных приведенным на рис. 11.2, позволяет определить, с чего следует начинать испытание: с поиска течей или с обезгаживания испытуемой системы. Можно отличить натекание от газовыделения по некоторым вспомогательным признакам.
Заливка жидкого азота в охлаждаемую ловушку насоса несущественно влияет на давление в негерметичной вакуумной системе, но способствует его снижению в «газящей» системе. При газовыде-лении в процессе длительной откачки происходит медленное снижение давления вследствие обезгаживания стенок объекта, что не наблюдается при течах в системе. Если в изолированной на длительное время откачанной системе наблюдается увеличение давления до значения, близкого к атмосферному, и при включении механического насоса возникает характерный хлюпающий звук, то это свидетельствует, как правило, о негерметичности системы. Однако все эти признаки могут привести к ошибочному заключению, если имеют место внутренние течи, способные имитировать натекание извне в течение многих часов, дней и месяцев.
Если тем или иным способом установлено наличие натекания и газовыделения, то начинать испытания следует с обнаружения течей, так как для их устранения необходимо вскрывать вакуумную систему. Однако при малых натеканиях, которые в присутствии газовыделения обнаруживать весьма затруднительно, после устранения больших течей приходится обезгаживать объект, а затем повторять процесс течеискания. При испытаниях систем вакуумметрическим методом можно использовать и пробные вещества - различные жидкости или газы. При этом выявление течей сводится к следующему. Подозреваемое в натекании место обдувают пробным газом или опрыскивают пробной жидкостью. Изменение показаний вакуумметра свидетельствует о наличии течи.
184
Глава 11. МАНОМЕТРИЧЕСКИЙ И ВАКУУММЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОДЫ
Наибольший эффект дает применение жидкостей (эфира, ацетона, спирта), поскольку даже небольшое количество пробной жидкости, проникшей в вакуумную систему через течь, испаряясь в вакууме, резко увеличивает общее давление в системе. Это объясняется тем, что соотношение потоков пробной жидкости и пробного газа (воздуха) через один и тот же канал в соответствии с уравнением Пуазейля может быть значительным (>100).
Изменение показаний вакуумметра при перекрытии течи пробной жидкостью носит следующий характер. Сначала отсчет уменьшается: поступление воздуха через течь прекратилось, а фронт жидкости еще не успел пройти по каналу течи. Последующее резкое увеличение отсчета сигнализирует о попадании жидкости в откачанный объем. Однако поиск течей с помощью жидких пробных веществ не следует рекомендовать для широкого применения. Подъем жидкости по капилляру (для малых течей) занимает большой промежуток времени (до нескольких часов и более). В связи с этим вакуумметр может среагировать на пробное вещество в тот момент, когда будет обследоваться уже другой участок поверхности объекта, т.е. возникает ложное представление о месте течи. Поэтому, чтобы убедиться в правильности обнаружения течи, необходимо удалить пробное вещество и после установления давления в системе повторить испытания. При работе с жидкостями возможно также их замерзание в канале или засорение канала твердыми частицами, взвешенными в жидкости.
Кроме того, использовать эти жидкости нежелательно из-за их пожароопасности и токсичности. Порог чувствительности метода 1 (Г4 ... 10~5 м3 • Па/с.
Работа с газообразными пробными веществами менее эффективна вследствие меньших изменений показаний вакуумметра, однако реакция на появление пробного газа происходит практически мгновенно в силу высокой проникающей спо
собности газов. Чувствительность метода в значительной степени зависит от рабочих свойств применяемых манометров (вакуумметров).
Наибольшая чувствительность достигается в случае применения неабсолютного вакуумметра, показания которого зависят от рода газа. Изменение его сигнала в случае замены потока воздуха через течи потоком пробного газа может быть обусловлено тремя факторами:
- различной скоростью перетекания воздуха и пробного газа через течи
< Св у
- различной быстротой откачки насо-
с
к ПР7
- неодинаковой чувствительностью вакуумметра к воздуху и пробному газу к А
—~ = Рпр (относительная чувствитель-I К* )
ность вакуумметра по пробному газу).
Рекомендуется применять такое пробное вещество, для которого все три фактора действовали бы в одну сторону, вызывая увеличение или уменьшение показаний вакуумметра. Желательно, чтобы ^пр 5 Спр
все отношения ——, —— и —— значите snp ев
тельно отличались от единицы.
Наряду с вакуумметрами испытания на герметичность могут быть проведены и с помощью различных насосов, быстрота откачки которых зависит от рода газа, например магниторазрядных, гетероионных, турбомолекулярных.
Известно, что чувствительность испытаний на герметичность с применением вакуумметров и насосов существенно зависит от уровня давления: чем выше в проверяемой системе вакуум, тем меньшее изменение давления может быть зарегистрировано.
При отсутствии специальных течеискателей на основе вакуумметрических
ВАКУУММЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОД
185
датчиков и насосов к вакуумметрам и блокам питания насосов создаются приставки, позволяющие компенсировать большие ионные потоки, с тем, чтобы регистрировать их изменения на чувствительных шкалах измерительных блоков.
Возможности применения для течеискания различных вакуумметров и насосов, а также создания на их базе течеискателей подробно проанализированы в работе [12].
При наличии вакуумных систем, имеющих собственные средства откачки и измерения вакуума, вакуумметрический метод может быть применен для испытаний объектов на герметичность камерным способом (способом повышения давления в барокамере).
Способ повышения давления в барокамере. Испытания повышением давления в барокамере сводятся к определению сначала величины общего суммарного натекания барокамеры и объекта без давления QK (первый этап), затем величины общего натекания барокамеры и объекта под давлением испытания £?общ (второй этап).
По разности полученных натеканий судят о герметичности объекта:
боб^еобш-ек. (11.4)
Способ повышения давления в барокамере применяется для предварительного контроля герметичности, а также для контроля объектов с порогом чувствительности < 10-5... 10-6 м3 • Па/с.
Общее натекание барокамеры должно быть < 50 % от величины допустимой негерметичности изделия. Откачку барокамеры при определении ее собственного натекания необходимо проводить до тех пор, пока значения натекания барокамеры, полученные в начале и конце промежутка времени, равного времени между указанными этапами испытания, не будут отличаться более чем на 20 %.
С целью снижения влияния газоотде-ления вакуумной установки на результаты испытаний рекомендуется применять азотные ловушки.
Принципиальная схема испытаний повышением давления в барокамере приведена на рис. 11.3.
Рис. 11.3. Принципиальная схема испытаний повышением давления в барокамере:
1,4,7,10- клапаны; 2 - манометр (мановакуумметр); 3 - вакуумметр; 5 -вакуумная камера;
6 - изделие; 8 - вакуумный насос; 9 - предохранительный клапан; 11 - азотная ловушка
186
Глава II. МАНОМЕТРИЧЕСКИЙ И ВАКУУММЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОДЫ
Испытания проводят следующим образом.
Монтируют испытуемый объект внутри барокамеры и проверяют места соединения технологических трубопроводов с объектом и барокамерой на герметичность способами, более чувствительными, чем способ повышения давления в барокамере.
Открыв клапаны 7, 10, откачивают барокамеру до давления 10“’ ... 10 2 Па, а объект до 102 ... 103 Па; объект, испытуемый при больших давлениях (> 1 МПа), допускается не вакуумировать.
Охлаждают ловушку 11 жидким азотом, и при достижении указанного давления в барокамере закрывают клапаны 7, 10 и снимают показания вакуумметра в начале и конце промежутка времени Дт0, который назначают в зависимости от объема барокамеры и величины натекания.
Определяют величину натекания барокамеры по формуле
м3 • Па/с, (11.5) Дт0
где Vq = VK - Коб - внутренний свободный объем барокамеры, м3 (здесь Кк - внутренний объем барокамеры, м3; - объем,
занимаемый объектом, м3); Др0 - разность значений давлений, измеренных в начале и конце промежутка времени Лт0, Па; Дт0 -время натекания барокамеры с объектом, не заполненным контрольным газом, с.
Затем открывают клапан /, заполняют объект контрольным газом до давления испытаний и, открыв клапан 7, вновь от
качивают барокамеру до первоначального значения давления, после чего закрывают клапан 7 и снимают показания вакуумметра в начале и конце промежутка времени Дт - времени натекания барокамеры с объектом, заполненным контрольным газом, с; Дт назначают исходя из тех же условий, что и Дт0. Величину общего натекания барокамеры и объекта определяют по формуле
еобш=К0-^, м3-Па/с, (11.6) Дт
где Др - разность значений давления в барокамере, измеренных в начале и конце промежутка времени Дт, с объектом, заполненным контрольным газом, Па.
После испытаний сбрасывают давление в объекте, открывают клапан 4, напускают воздух в барокамеру и извлекают из нее объект.
Величину негерметичности объекта находят по формуле
боб = м3-Па/с. (11.7)
I Ат J
Способ рекомендуется для определе-ния суммарной герметичности объектов и их сборочных единиц, не допускающих контакта с гелием, фреонами.
Способ не годится, когда:
- контролируемый объект не допускает вакуумирования;
- конструкционные материалы объекта имеют высокий уровень газовыделения;
- требуется высокая чувствительность контроля герметичности.
Глава 12
ПУЗЫРЬКОВЫЙ МЕТОД КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ
12.1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТОДА
Сущность пузырькового метода контроля герметичности заключается в регистрации локальных утечек в объекте по появлению пузырьков контрольного газа в индикаторной жидкости или на индикаторном покрытии. Метод применяют для контроля герметичности газонаполненных неоткачи-ваемых объектов-емкостей, элементов гидравлических и газовых систем и др., работающих под давлением и имеющих сравнительно небольшие размеры.
Наиболее эффективно его использование для испытаний металлических объектов, прочность которых допускает создание в них значительных избыточных давлений. Метод предусматривает опрессовку объекта избыточным давлением и затем погружение его в жидкость (способ аквариума) либо нанесение на его поверхность пенообразующих веществ (способ с пенным индикатором, способ с дисперсной массой). В обоих случаях образование пузырьков газа на поверхности объекта свидетельствует об истечении из него газа и, следовательно, о местонахождении дефекта. По скорости образования и величине пузырьков можно судить о величине негерметичности.
В качестве контрольного газа в пузырьковом методе чаще всего применяют сжатый воздух или газообразный азот.
12.2. СПОСОБ ОПРЕССОВКИ С ПОГРУЖЕНИЕМ В ЖИДКОСТЬ
(СПОСОБ АКВАРИУМА)
Способ аквариума - один из наиболее распространенных в промышленности способов контроля на герметичность, в частности соединений и основного материала объектов.
Испытуемый объект наполняют контрольным газом до предварительного дав
ления и затем полностью погружают в ванну с жидкостью, называемой индикаторной (технологической), на глубину 50 ... 200 мм. Ванна с жидкостью находится под атмосферным давлением.
Если при погружении объекта в жидкость на его поверхности образуются воздушные пузыри, их необходимо снять кистью. После этого объект заполняют контрольным газом (обычно воздухом) до давления, равного испытательному, и выдерживают в жидкости в течение времени, достаточного для осмотра объекта, но > 3 мин. Появление газовых пузырьков свидетельствует о течах в объекте испытаний.
Принципиальная схема установки для испытаний способом аквариума приведена на рис. 12.1.
Для безопасности работ и исключения закупорки микронеплотностей жидкостью как погружение, так и извлечение объекта из ванны необходимо проводить под небольшим избыточным давлением контрольного газа, равным 10 ... 20 % от испытательного, но не превышающим
Рис. 12.1. Принципиальная схема установки для испытаний способом аквариума:
1 - объект испытаний; 2 - ванна (броневанна);
3 - манометр; 4 - пневмоклапан;
5 - предохранительный клапан
188
Глава 12. ПУЗЫРЬКОВЫЙ МЕТОД КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ
2 кгс/см2. При испытаниях с большими давлениями, когда используются манометры с ценой деления шкалы >2 кгс/см2, допускается предварительный наддув объекта до первого деления шкалы манометра.
После извлечения испытуемого объекта из жидкости его внешние поверхности необходимо протереть сухой салфеткой или обдуть сухим сжатым воздухом давлением < 6 кгс/см2 до полного удаления влаги (что контролируется визуально), после чего можно сбросить давление из объекта.
Места течей фиксируют поворотом объекта негерметичным участком к зеркалу рабочей жидкости и отметкой мест, выделяющих пузырьки. Для улучшения условий обнаружения пузырьков контрольного газа применяют подсветку поверхности индикаторной жидкости.
С целью уверенного определения негерметичности объекта следует понаблюдать за образованием не менее трех пузырьков после обнаружения первого в месте предполагаемой течи.
При необходимости величину утечки контрольного газа через единичную течь рассчитывают по формуле
2 = 5,32- lO'Vn/T, м3 • Па/с, (12.1) где d - диаметр пузырька в момент отрыва, м; п - число пузырьков, выделившихся за время т; т - время наблюдения, с.
Рассмотрение законов образования пузырьков в жидкости позволяет определить связь потока Q газа через течь с размерами и частотой образования пузырьков [10]. Силы, приводящие к образованию пузырька газа, должны преодолеть сопротивление всех сил, противодействующих этому образованию. Поэтому давление газа в пузырьке должно быть, по крайней мере, равно суммарному давлению на пузырек извне. Оно слагается из атмосферного давления рат, гидростатического давления столба жидкости рг и капиллярного давления рк.
Они равны
Рг = pg/»,
где р - плотность жидкости; g - ускорение силы тяжести; h - высота столба жидкости;
где о - коэффициент поверхностного натяжения; d - диаметр пузырька.
Коэффициент поверхностного натяжения жидкости определяется отношением силы, которую испытывает каждая граница жидкой пленки, к длине этой границы.
Единица коэффициента поверхностного натяжения в системе СИ - Н/м (ньютон на метр), в системе СГС - дин/см (дина на сантиметр).
Внутреннее давление в пузырьке
где Q - поток газа через течь; V - объем пузырька; т - время натекания газа в объем V пузырька.
Из равенства рвн = + рг + рат следу-
ет выражение для потока:
7tdr\ 4су ,
С = —+ Pg/?+/’ar > (12.2)
6то {dQ J
где нулевой индекс относит все величины к моменту отрыва пузырька, происходящего через время т0 после начала его образования.
В реальных условиях испытаний первый и второй члены суммы малы в сравнении с третьим, поэтому поток газа через течь можно с достаточной точностью определить из уравнения
е=-^-рэт- (12.з)
6т0
При частом появлении пузырьков целесообразно вести подсчет их количества п за определенный промежуток времени Дт. Тогда
л mtdrx
Q = —г~Рт- (12-4)
6Дт
СПОСОБ ОПРЕССОВКИ С ПОГРУЖЕНИЕМ В ЖИДКОСТЬ (СПОСОБ АКВАРИУМА) 189
Образование пузырька газа на выходе капиллярного канала течи сопровождается искривлением ограничивающего его поверхностного слоя жидкости. Поверхностное натяжение этого слоя определяет силу Fn, удерживающую пузырек у поверхности, причем
F„ = 2лго, где г - радиус капиллярного канала течи у выхода на поверхность; о - коэффициент поверхностного натяжения жидкости.
Величина с зависит от химического состава жидкости и наличия в ней примесей.
Силе поверхностного натяжения противодействует архимедова сила FA, стремящаяся вытолкнуть образовавшийся пузырек. Если пренебречь плотностью газа по сравнению с плотностью жидкости, то эта сила равна
nd3
gP- (12.5)
о
Исходя из равенства силы поверхностного натяжения и архимедовой силы в момент отрыва пузырька получают уравнение для его диаметра dG в этот момент:
</0=з|12—. (12.6)
V SP
Следовательно, размер образующихся пузырьков зависит, причем весьма слабо, от параметров жидкости (а и р) и радиуса г капилляра течи у поверхности. Чаще всего в качестве контрольного газа при испытаниях способом аквариума применяют воздух или азот, индикаторной жидкостью служит вода или спирт.
При использовании в качестве индикаторной жидкости воды теоретическая чувствительность контроля способом аквариума достигает 10~7 м3 • Па/с (при наблюдении пузырьков диаметром ~0,5 мм и частоте их появления, равной одному пузырьку за 30 с). Применяя спирт, можно выявлять пузырьки воздуха примерно в 1,5 раза меньшего размера при прочих равных условиях; чувствительность спо
соба при этом возрастает, что объясняется втрое меньшим значением поверхностного натяжения спирта по сравнению с водой.
Повышение давления в объекте испытаний также позволяет увеличить чувствительность испытаний. Использование газов с меньшей, чем у воздуха, вязкостью тоже позволяет повысить чувствительность испытаний (например, в 2 раза при применении водорода). Применение гелия при опрессовке выигрыша не дает, поскольку его вязкость даже несколько превышает вязкость воздуха, а молекулярная масса здесь роли не играет.
Иногда в качестве индикаторной жидкости служит подогретое масло. Применение низкотемпературных жидкостей (уайт-спирит, антифризы и т.д.) позволяет проводить испытания при отрицательных температурах окружающей среды. Промывку ванны, смену жидкости в ней рекомендуется осуществлять по утвержденному графику или по мере загрязнения, но не реже одного раза в месяц.
В производственных условиях порог чувствительности способа аквариума достигает 1,3 • 10-6 м3 • Па/с.
Способ рекомендуется для испытаний объектов, объем которых не превышает 150 ... 200 л, а их внешние поверхности не имеют глубоких, плохо просматриваемых впадин.
При контроле герметичности объектов типа клапанов, редукторов, уплотнений и т.п., проверяемые полости которых непосредственно не контактируют с жидкостью, возможны испытания способом мундштука. Сущность способа заключается в том, что резиновый шланг (трубка) одним концом подсоединяется к выходному штуцеру испытуемого объекта, а другим погружается в жидкость рядом стоящей ванны.
По выделяющимся из шланга пузырькам судят о герметичности объекта испытаний.
Диаметр (внутренний) шланга должен быть 4 ... 6 мм, его длина < 600 мм, глубина погружения шланга в жидкость
190
Глава 12. ПУЗЫРЬКОВЫЙ МЕТОД КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ
< 10 мм. Конец шланга следует опускать в жидкость только после того, как в объекте установится давление, равное испытательному.
В случае необходимости величина утечки контрольного газа через единичную течь, когда визуальный подсчет образующихся пузырьков и измерение их диаметра не вызывают затруднений, рассчитывается по формуле (12.1). Если невозможно подсчитать количество выделившихся пузырьков или определить их диаметр, допускается применение мерной емкости, заполненной индикаторной жидкостью и установленной над местом течи так, что нижний открытый конец ее охватывает место выделения пузырьков и находится ниже уровня жидкости в ванне. Уровень жидкости в мерной емкости должен превышать уровень жидкости в ванне. Выделившийся контрольный газ при натекании в мерную емкость вызывает понижение уровня жидкости в ней.
Величина утечки определяется по формуле
g = 7,9810~s - м3 • Па/с, (12.7)
где d - внутренний диаметр мерной емкости, м; Ль h2 - первоначальный и конечный уровни жидкости в мерной емкости соответственно, м; тн - время наблюдения, с.
12.3. СПОСОБ БАРОАКВАРИУМА
Способ бароаквариума заключается в определении мест течей на объекте, находящемся под избыточным или атмосферным давлением контрольного газа и помещенным в ванну с жидкостью, над поверхностью которой создается вакуум. Контроль герметичности осуществляется визуально: по выделяющимся из объекта пузырькам газа. Способ позволяет установить место течей по всей поверхности контролируемого объекта, доступной для визуального осмотра. Возможна количественная оценка величины локальной негерметичности визуальным сравнением с потоком от калиброванной течи.
В качестве контрольного газа применяют воздух, газообразный азот или смеси этих газов. Индикаторной (технологической) жидкостью при контроле герметичности способом бароаквариума служат вода дистиллированная и обессоленная, конденсат, растворы поверхностно-активных веществ в воде с концентрацией 0,2 ... 0,3 г/л, этиловый спирт и его водные растворы, фторхлоруглеродные растворители (фреоны). Принципиальная схема установки для испытаний способом бароаквариума приведена на рис. 12.2.
Испытания осуществляют следующим образом.
Рис. 12.2. Принципиальная схема установки для испытаний способом бароаквариума: 1 - рабочая емкость; 2 - объект испытаний; 3, 6 - вакуумметры; 4,5,8, 10- вакуумные клапаны; 7 - вспомогательная емкость; 9 - водяной фильтр; 11 - манометр
СПОСОБ БАРОАКВАРИУМА
191
1. Открывают клапан 5, обезгажива-ют технологическую жидкость во вспомогательной емкости 7. Разрежение над поверхностью жидкости при обезгаживании > 1,33 • 104 Па. Длительность обезгажива-ния зависит от типа и температуры применяемой жидкости при обезгаживании и испытаниях; устанавливается технологически.
2. Помещают объект 2 в рабочую емкость бароаквариума 7, подключают к нему линии подачи и измерения давления, заполняют объем контрольным газом до рабочего давления, проверяют герметичность технологической оснастки.
3. В рабочую емкость бароаквариума 7 в нескольких зонах по высоте устанавливают капиллярные контрольные течи типа ТК. Число зон осмотра определяется максимальной высотой Н слоя жидкости над течью, при которой возможно ее надежное выявление.
4. Герметизируют рабочую емкость 7 и, открывая клапан 4, вакуумируют рабочую емкость до давления < 6,65 • 103 Па (50 мм рт.ст.). Продолжают вакуумирование в течение 5 ... 20 мин для обезгажива-ния поверхностей объекта и стенок рабочей емкости.
5. Открывая клапан 10, заполняют рабочую емкость жидкостью до уровня, превышающего верхнюю точку контролируемого объекта на величину > 100 мм; затем перекрывают линию откачки вспомогательной емкости, закрыв клапан 5.
6. Выводят бароаквариум на рабочий режим, который характеризуется следующими условиями:
- отсутствием газовыделения с поверхности объекта;
- удовлетворительной видимостью пузырьков газа, выходящих из контрольной течи.
Видимость пузырьков из контрольной течи считают удовлетворительной, если они выходят с частотой не менее одного пузырька в секунду, при подъеме увеличиваются в размерах и достигают поверхности жидкости.
Производительность откачки при рабочем режиме испытания должна быть минимальной, допускается после создания рабочего вакуума в бароаквариуме прекратить вакуумирование.
7. Проводят контроль герметичности объекта путем осмотра всей поверхности; объект считают герметичным, если выделение пузырьков газа с его поверхности не наблюдается или регистрируемая величина потока меньше потока от калиброванной течи.
При контроле герметичности крупногабаритных объектов осмотр проводят по зонам, начиная с верхней. Высота зоны осмотра должна соответствовать толщине слоя жидкости Н, которая зависит от требуемой чувствительности контроля. При осмотре каждой последующей зоны уровень жидкости понижают на величину Н и выводят бароаквариум на рабочий режим. Для улучшения условий визуального наблюдения применяют длиннофокусные оптические приборы со степенью увеличения (2 ... 4)х.
8. По окончании испытаний технологическую жидкость перекачивают во вспомогательную емкость, закрывают клапан 10, осушают поверхность объекта путем вакуумирования при давлении в рабочей емкости < 6,65 • 103 Па, закрывают клапан 4 и напускают в рабочую емкость воздух; затем сбрасывают давление из объекта испытаний и извлекают последний из рабочей камеры бароаквариума.
При испытаниях необходимо выдерживать следующие режимы и условия.
1. Давление над поверхностью жидкости при контроле герметичности зависит от ее температуры и определяется давлением ее паров. Значения рабочих давлений при заданной температуре не должны быть выше кривых равновесного давления насыщенных паров указанных жидкостей.
2. Температура рабочей жидкости при обезгаживании и испытаниях: воды и воды с ПАВ < 50 °C; спирта и водноспиртового раствора (30 ... 50 %) 20 °C; фреона-113 <40 °C.
192
Глава 12. ПУЗЫРЬКОВЫЙ МЕТОД КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ
3. При испытаниях в режиме предельной чувствительности (1,3 • 10~8 ... 7 • 10~9 м3 • Па/с) необходимо непрерывное вакуумирование в режиме перегрева жидкости без снижения ее температуры.
4. Освещенность в помещениях, где установлена рабочая емкость бароаквариума, должна быть > 200 лк.
5. Предельно допустимая концентрация (ПДК) паров в воздушной среде помещения не должна превышать 100 мг/м3 для спирта и 3000 мг/м3 для фреона-113.
Рассмотрение законов образования пузырей в жидкости при вакуумировании пространства над нею показывает, что уравнение (12.6), определяющее размер пузырьков, справедливо и здесь. Однако существенно меняется количество содержащегося в таком пузырьке газа, а с ним вместе и минимальная регистрируемая течь, т.е. в случае вакуумирования уравнение (12.2), если пренебречь упругостью пара над жидкостью, принимает вид
ndl
_ 7ia0 I 4а .
6 = 7“^ —+ PgAo , 6то V“0 7
(12.8)
6т0
и при неизменности предельно малого поддающегося наблюдению размера пузырька и частоты его появления выигрыш в чувствительности по сравнению со способом аквариума пропорционален отношению
4а
—+ Pg^)
и достигает величины 20х.
Кроме того, в условиях атмосферного давления изменение размеров пузырька газа при перемещении его к поверхности, определяемое вторым членом суммы уравнения (12.2), незначительно и его можно не принимать во внимание. В случае откачки пространства над жидкостью определяющим оказывается гидростатическое давление (pgA0) и расширение пузырьков при подъеме с больших глубин
погружения объекта может стать значительным.
Из уравнения (12.8) можно получить зависимость диаметра d пузырька на поверхности от dQ при условии неизменности количества газа в пузырьке при его подъеме:
d = (12.9)
V 4а
Согласно этой зависимости в случае, например, погружения объекта в воду на глубину 0,5 м и откачки пространства над жидкостью пузырек диаметром dQ = 1 мм расширится при подъеме примерно в 2,5 раза, т.е. величина минимального регистрируемого потока может быть уменьшена еще в 2,5 раза.
Чувствительность способа изменяется также и с изменением свойств жидкости. Поэтому в производстве при испытаниях в качестве индикаторной (технологической) жидкости применяют не воду, а хорошо обезгаживаемые жидкости с малой упругостью пара и малым поверхностным натяжением, например фторхлоруглеродные растворители (фреоны). Но предельно высокая чувствительность обеспечивается при перегреве жидкости.
Перегрев жидкости - такое ее мета-стабильное состояние, при котором давление паров над ее поверхностью ниже равновесного давления насыщенных паров при данной температуре жидкости. В принципе, жидкость можно перевести в перегретое состояние как понижением давления при постоянной температуре, так и повышением температуры при неизменном давлении. В бароаквариуме для этого используется понижение давления над зеркалом жидкости. В метастабильном состоянии жидкость может находиться ограниченное время, после чего она спонтанно вскипает и возвращается в равновесное состояние в результате возрастания давления или понижения температуры.
Во время испытаний способом бароаквариума при наличии утечки контрольного газа происходят инициирование за
СПОСОБ ОПРЕССОВКИ С ПЕНОПЛЕНОЧНЫМ ИНДИКАТОРОМ
193
родышевых паровых пузырьков в перегретой жидкости и их дальнейший рост в жидкости за счет расширения пузырька и испарения жидкости при его подъеме. В результате течь локализуется по расположению цепочки пузырьков или мощной паровой струи, увеличивающейся при подъеме к границе раздела жидкости.
Порог чувствительности способа зависит от вида применяемой жидкости, размеров контролируемого изделия и составляет (в м3 • Па/с), например, для объектов с габаритными размерами 500 х 500 х х 500 мм при использовании:
- воды 1,3 • 10~7;
- воды с ПАВ 6,7 • 10 8;
- водно-спиртового раствора 6,7 х х 10"8;
- спирта 1,3 • 10-8.
При использовании в качестве индикаторной жидкости фреона-113 порог чувствительности способа достигает 6,7 х х 10~9 м3 • Па/с.
12.4. СПОСОБ ОПРЕССОВКИ С ПЕНОПЛЕНОЧНЫМ ИНДИКАТОРОМ
Сущность способа опрессовки с пенопленочным индикатором состоит в следующем: на контролируемые поверхности объекта, находящегося под избыточным давлением, наносят тонкий слой специального пенопленочного индикатора. Контрольный газ, проникая через микродефекты объекта, оказывает механическое воздействие на пленку (пену) индикатора и, накапливаясь в месте дефекта, деформирует ее. При этом образуются пузырьки или пенные вздутия, мелкие пенные «шапки», оголенные участки поверхности, которые фиксируются визуально.
Данный способ - это усовершенствованный широко применяющийся в промышленности способ обмыливания.
Отличие в закономерности образования пузырьков на мыльной пленке по сравнению со случаем погружения объекта в жидкость определяется, во-первых,
отсутствием в уравнении (12.2) гидростатического давления и, во-вторых, повышенным капиллярным давлением рк. Это давление для пузырьков в газовой среде, окруженных двусторонней пленкой, равно
но, так как и здесь рк « рат, поток продолжает определяться уравнением (12.3).
Устойчивость мыльных пузырьков при испытании способом обмыливания поверхности обеспечивается увеличением вязкости жидкости, а не ее поверхностного натяжения. Вязкая жидкость медленно стекает под действием своей массы, и утонение мыльной пленки происходит не так быстро и, наоборот, чем меньше поверхностное натяжение, тем меньше та сила, которая стремится разорвать пленку, и тем устойчивее пузырьки. Чистая вода - жидкость с большим коэффициентом поверхностного натяжения а и малой динамической вязкостью ц. Пена на ней не образуется. Растворение в воде мыла уменьшает ее поверхностное натяжение и увеличивает вязкость. Для большей вязкости мыльного раствора к нему добавляют глицерин.
Пенопленочный индикатор представляет собой раствор синтетического поверхностно-активного вещества (ПАВ), пленкообразователя и влагоудерживающего компонента, полученный в результате полного растворения всех компонентов при периодическом перемешивании с нагревом.
Применение вместо мыла водных растворов синтетических ПАВ позволяет повысить чувствительность контроля за счет низкого поверхностного натяжения ПАВ (о = 27 ... 35 мН/м), их высокой смачивающей и пенообразующей способности.
Индикаторную эмульсию в виде пены (пенный индикатор) готовят непосредственно перед применением в смесителях путем взбивания первоначально приготовленной индикаторной эмульсии в виде жидкости (раствора) до момента увеличения ее объема в 2 ... 2,5 раза. При этом
7 - 8193
194
Глава 12. ПУЗЫРЬКОВЫЙ МЕТОД КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ
резко возрастает вязкость эмульсии. Возможно применение индикатора в виде пены из аэрозольной упаковки. Специфической особенностью пенного индикатора являются низкий удельный вес (0,5 ... 0,8 г/см3), высокая структурная вязкость, пеноячеистая структура за счет низкого значения коэффициента поверхностного натяжения.
Чувствительность индикатора в виде пены регламентируется диаметром элементарной ячейки, толщиной слоя пенной массы и ее живучестью. Так как толщина слоя пенной массы зависит от размеров элементарной ячейки, то чем больше ячеек, тем прочнее, устойчивее пена. Следовательно, при испытаниях потребуется меньшая толщина слоя массы.
Приготовленную индикаторную эмульсию проверяют на содержание водородных ионов pH и на устойчивость к сползанию.
Водородный показатель pH, характеризующий активность растворов электролитов, равен взятому с обратным знаком логарифму активности или эквивалентной концентрации ионов водорода (измеренной в грамм-эквивалентах на литр). Так как концентрация водорода в воде (и химически нейтральных средах) равна 10-7, то для воды pH = 7.
В кислых средах концентрация ионов водорода выше и, соответственно, pH < 7, а в щелочных, наоборот, pH > 7. Значение pH индикаторной эмульсии должно быть таким, чтобы она не вызывала коррозионного поражения конструкционных материалов; рекомендуется pH = 6 ... 7.
Устойчивость эмульсии к сползанию проверяют путем нанесения ее слоем 2 ... 5 мм на предварительно обезжиренную металлическую пластинку, установленную вертикально. Сползанием считают появление оголенных участков металла за промежуток времени до 10 мин.
Чувствительность индикаторной эмульсии на утечку контрольного газа проверяют непосредственно перед испытаниями на контрольной течи, настроен
ной на величину 1,3 • 10"7 м3 • Па/с. При этом после нанесения эмульсии толщиной 1,5 ... 2 мм на контрольную течь должна быть четко зафиксирована негерметичность, т.е. после выдержки в течение 10 мин должны появиться единичный пузырек, или пенное образование, или оголенная поверхность материала (для индикатора в виде пены) диаметром > 1,5 ... 2,0 мм.
Испытания способом опрессовки с пенопленочным индикатором проводят следующим образом.
Готовят индикаторную эмульсию из расчета 0,1 ... 0,2 л на 1 м2 испытуемой поверхности. Для контроля на герметичность сплошного материала объектов и неразъемных соединений пенопленочный индикатор применяют в виде раствора, для контроля на герметичность разъемных соединений, имеющих щели, - в виде пены.
Перед нанесением индикатора испытуемый объект выдерживают под испытательным давлением в течение 3 ... 5 мин, если время выдержки не оговорено в нормативно-технической документации (НТД) на объект. При высоких испытательных давлениях в объект сначала подают предварительное давление, равное 10 ... 20 % от испытательного, затем после нанесения эмульсии - испытательное.
Наносят индикатор в виде пленки или пены на контролируемую поверхность объекта мягкой кисточкой или распылителем (для раствора) ровным тонким слоем без пропусков, участками длиной до 400 мм. Если слой пены на контролируемой поверхности окажется толстым (> 3 мм), то время выдержки объекта под давлением увеличивают в 2 раза. В случае образования ложных пузырьков на контролируемой поверхности при нанесении эмульсии их удаляют салфеткой или кистью. На место удаленного ложного пузырька вновь наносят эмульсию.
При нанесении эмульсии на каждый участок контролируемой поверхности необходимо наблюдать за его состоянием,
СПОСОБ ОПРЕССОВКИ С ПЕНОПЛЕНОЧНЫМ ИНДИКАТОРОМ
195
так как течи >1 • 10 4 м3 • Па/с выявляются через 2 ... 3 с; для выявления малых течей (~1 • 10 7 м3 • Па/с) объект выдерживают под испытательным давлением 15 мин. После выдержки осматривают места нанесения эмульсии с целью обнаружения пузырьков, пенных образований или оголенных участков поверхности, появляющихся в местах течей. В сомнительных случаях повторно наносят эмульсию и наблюдают процесс деформации пленки. Повторное появление пузырьков свидетельствует о наличии течи.
В случае контроля ниппельных соединений эмульсию наносят с обеих сторон накидной гайки. Контроль проводят визуальным осмотром мест нанесения эмульсии в процессе самого нанесения и после него в течение 3 ... 5 мин (до 15 мин).
В ходе контроля фланцевых соединений эмульсию наносят в межфланцевый зазор, под головки болтов и резьбовую часть болтов, со стороны гайки. Контроль осуществляют визуальным осмотром через 3 ... 5 мин после нанесения эмульсии (до 15 мин).
После контроля снижают давление в объекте до значения, соответствующего 10 ... 20 % от испытательного, но не превышающего 2 кгс/см2, и удаляют индикаторную эмульсию с контролируемой поверхности путем протирки осмотренных мест чистой салфеткой (мягкой кистью), смоченной в теплой воде, или промывкой водой с помощью волосяных щеток с последующим обдувом поверхности сжатым воздухом давлением 4 ... 6 кгс/см2 до полного удаления влаги.
Качество удаления эмульсии с поверхностей и соединений, проверяемых на герметичность, контролируют визуально. Наличие следов эмульсии после удаления не допускается. По окончании испытаний сбрасывают избыточное давление в объекте до нуля.
В процессе работы индикаторную эмульсию в виде пены необходимо взбивать с интервалом 30 мин механическим
7*
путем. Хранят эмульсию в закрывающихся сосудах из материалов, не поддающихся коррозии. Состав индикатора в зависимости от предъявленных к испытаниям требований может быть весьма различен. Промышленностью для испытаний объектов созданы индикаторные составы, обеспечивающие испытания при температурах +30 ... -30 °C. Пример состава (в процентах) приведен ниже.
Состав индикаторной эмульсии для контроля герметичности
Сульфоэтоксилат (ПАВ)..... 2,0
Поливиниловый спирт....... 1,0
Глицерин.................. 20,0
Вода..................... Остальное
Порог чувствительности способа 1,3 х х 10~7 м3 • Па/с.
Введение в состав специальных стабилизирующих добавок обеспечивает длительную живучесть пенных вздутий, пузырьков, что позволяет осуществлять контроль дистанционно. При этом нет ограничений по давлению испытаний, за исключением прочностных свойств объектов.
На рис. 12.3 показан пример регистрации утечек способом опрессовки с пенным индикатором.
Рис. 12.3. Пример регистрации утечек опрессовкой с пенным индикатором
196
Глава 12. ПУЗЫРЬКОВЫЙ МЕТОД КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ
Область применения способа - контроль локальной герметичности сплошного материала объектов, сварных швов, разъемных соединений.
12.5. СПОСОБ ОПРЕССОВКИ С ДИСПЕРСНОЙ МАССОЙ
Сущность и область применения его аналогична способу пенопленочного индикатора. Основное отличие заключается в составе, структуре массы и ее технологических свойствах.
Составы дисперсных масс, применяемых для контроля герметичности в промышленности, приведены в табл. 12.1 [13].
Дисперсная масса, в общем, содержит водный раствор пенообразователя, влагоудерживающий компонент, наполни
тель, краситель, ингибитор коррозии.
Порошкообразный наполнитель, образующий в жидкой фазе устойчивую суспензию, вводят в состав дисперсной массы для повышения вязкости. Наличие наполнителя позволяет также получить контрастное изображение пузырька на общем фоне цветного слоя массы при контроле герметичности.
Цвет массы следует выбирать в зависимости от формы и размеров объекта испытаний. При контроле больших поверхностей рекомендуется применять зеленую или голубую массу, так как эти цвета наименее утомляют зрение. Отдельные соединения и небольшие участки предпочтительнее контролировать черной массой, так как она обеспечивает более четкую и контрастную индикацию течей.
12.1. Составы дисперсных масс для контроля герметичности
Компонент Содержание компонентов, %
ДМ-1 ДМ-2 ДМ-3 ДМ-4
Голубой фон Зеленый фон Голубой фон Черный фон
Сульфонат (алкилсуль-фонат) 12 11
Глицерин дистиллированный 34
Диоксид титана (пигментный) 8 —
Каолин обогащенный 20 —
Белила цинковые — 25 24 21
Хромат цинка - 6 5
Краситель органический: - метиловый голубой хлоргидрат 0,2
легкосмываемый зеленый — 0,3 ... 0,4 —
Сажа марки ПМ-15 — 6
Лазурь желтая (сухая) - 2 -
Дихромат калия (хромпик) 0,15 —
Дистиллированная вода 25,65 23,6 23
СПОСОБ ОПРЕССОВКИ С ДИСПЕРСНОЙ МАССОЙ
197
Коррозионное воздействие массы на материалы, из которых изготовляются объекты испытаний, исключают путем введения в ее состав в качестве ингибитора коррозии хромпика.
При изготовлении дисперсной массы используют основные компоненты в виде жидкой фазы и порошкообразный наполнитель. Рецептура и технология приготовления дисперсной массы определяются назначением и условиями применения. Например, в глицерин вводят наполнитель (диоксид титана и каолин или цинковые белила и хромат цинка), смесь тщательно перетирают до образования однородной мелкодисперсной массы. В полученную массу вводят водный раствор ПАВ и красителя, тщательно перемешивают, не допуская интенсивного вспенивания, затем отфильтровывают через металлическую сетку с размером ячейки < 140 мкм.
После приготовления дисперсной массы проверяют ее вязкость на вискозиметре ВЗ-4; вязкость дисперсной массы должна находиться в пределах 30 ... 50 с (4 ... 6 сСт). В случае отклонения вязкости от указанных пределов ее следует скорректировать.
После хранения массы более 30 дней допускается увеличение ее вязкости до 80с(10сСт).
Чувствительность дисперсной массы следует проверять сразу же после ее получения. Чувствительность дисперсной массы проверяют на имитаторе течи со стеклянным капилляром. Имитатор течи настраивают на утечку контрольного газа, равную 1 • 10 7 м3 • Па/с. Дисперсную массу наносят на имитатор течи мягкой кистью. Через 15 мин должно появиться пенное вздутие или полусфера диаметром > 2 мм, что соответствует чувствительности дисперсной массы 1 • 10-7 м3 • Па/с. Повторная проверка вязкости и чувствительности массы допускается через 30 дней со дня изготовления.
Испытания способом опрессовки с дисперсной массой проводят следующим образом.
В испытуемом объекте создают предварительное давлениер = (0,1 ... 0,5)/?исп, где рисп - испытательное давление. Это необходимо для предотвращения закупорки микродефектов в процессе нанесения массы на контролируемые поверхности.
Индикаторную массу наносят на контролируемую поверхность объекта - сварные швы и (или) целый материал. В зависимости от условий испытаний и конструктивных особенностей объекта можно наносить массу малярными пистолетами -распылителями или мягкими кистями (например, беличьей). Массу наносят равномерным сплошным слоем без пропусков, подтеков и газовых пузырьков. Нужная толщина слоя массы обеспечивается исходя из расхода массы 50 ... 100 мл на 1 м2 поверхности. Для определения крупных течей (1 • 10"5 м3 • Па/с) необходимо внимательно наблюдать за слоем массы в момент ее нанесения. При подозрении на течь наносят массу на предполагаемое место течи вторично.
После нанесения массы удаляют из испытательного помещения (бокса) обслуживающий персонал, а давление в объекте повышают до испытательного. Испытательное давление в объекте можно создать в ряде случаев через несколько часов после нанесения массы, но < 3 ч.
Объект выдерживают под испытательным давлением в течение времени, определяемого заданной чувствительностью испытаний. При испытании сварных швов и целого материала с чувствительностью 1 • КГ7 м3 • Па/с время выдержки следует принимать > 15 мин.
В случае испытаний разъемных соединений время выдержки под испытательным давлением предварительно определяют на имитаторах конкретных соединений. Имитаторы настраивают на утечку, равную заданной чувствительности испытаний при давлении, указанном в НТД; в имитатор подают давление и наносят на испытуемую поверхность имитатора массу, затем определяют время образования пузырька, пенного вздутия или незатяги-
198
Глава 12. ПУЗЫРЬКОВЫЙ МЕТОД КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ
вающегося кратера диаметром > 1 мм. Это время и является временем выдержки испытательного объекта под давлением.
После выдержки сбрасывают давление из объекта до р = (0,1 ... 0,5) рисп, но < 2 кгс/см2 и осматривают объект с целью выявления течей. Объект считают герметичным, если на контролируемой поверхности не будут зафиксированы изменение и нарушение слоя массы. О наличии течи свидетельствуют пенные вздутия, единичные пузырьки или незатягивающиеся кратеры. При подозрении на течь повторно наносят массу с помощью мягкой кисти и выдерживают объект под наблюдением 5 мин. Повторное изменение состояния слоя индикаторной массы свидетельствует о наличии течи.
После осмотра испытуемого объекта удаляют индикаторную массу с его поверхности струей воды. При невозможности использовать струю воды массу удаляют влажной салфеткой, которую периодически прополаскивают в проточной воде или большом объеме воды и отжимают. Дисперсная масса может быть удалена с поверхности контролируемого объекта салфеткой, смоченной в спирте или ацетоне.
Качество удаления массы с поверхности объекта и соединений контролируют визуально (по отсутствию цветного оттенка на поверхности и протирочной салфетке). Качество удаления считают удовлетворительным, если при протирке одной салфеткой без промывки 1 м2 поверхности на салфетке не появится цветной оттенок по цвету массы.
После удаления дисперсной массы поверхность объекта протирают салфеткой или обдувают сжатым воздухом давлением 4 ... 6 кгс/см2 с целью удаления влаги, затем сбрасывают избыточное давление из испытанного объекта до нуля.
Чувствительность способа контроля опрессовкой с индикаторной массой можно определить по формуле
Q =
T^min 6т0
Ратм ’
(12.10)
где Q - наименьший регистрируемый поток через течь, м3 • Па/с; dmin - диаметр наименьшего различимого пузырька в конкретных условиях, м; т0 - время с момента образования пузырька до его исчезновения, с; ратм - атмосферное давление, Па.
Порог чувствительности способа 1,3 • 10“7м3 Па/с.
Способ применяется для определения локальной негерметичности сварных швов, целого материала и разъемных соединений. Номинальный температурный диапазон применения дисперсной массы 10 ... 35 °C.
12.6. ВАКУУМНО-ПУЗЫРЬКОВЫЙ СПОСОБ
Вакуумно-пузырьковый способ контроля герметичности заключается в регистрации пузырьков, образуемых при утечке воздуха в вакуумируемую полость через имеющиеся течи, например в сварном шве, предварительно смоченном пенообразующим составом. Схема контроля вакуумно-пузырьковым способом показана на рис. 12.4.
На испытуемый объект 1 устанавливается камера 2, которая затем вакуумируется с помощью механического насоса 8 и уплотняется на участке контролируемой поверхности. Камера выполняется в виде присоски и представляет собой металлический каркас 7 с прозрачной крышкой 5.
Рис. 12.4. Схема контроля герметичности вакуумно-пузырьковым способом
ВАКУУМНО-ПУЗЫРЬКОВЫЙ СПОСОБ
199
На торце камеры закреплен уплотнитель из мягкой резины 6. Камера соединяется с вакуумным насосом посредством гибкого трубопровода и вакуумного трехходового клапана 4, установленного на внешней стороне камеры. Для контроля создаваемого в камере разрежения на внешней стороне расположен вакуумметр 3.
Герметичность объекта контролируют следующим образом: на контролируемый участок наносят пенообразующий раствор, устанавливают камеру и включают насос. После вскрытия клапана на контролируемом участке создается перепад давлений воздуха атмосфера - вакуум. Воздух, проникая через течи в камеру, образует пузырьки в пенообразующем растворе. Оператор через смотровое стекло наблюдает за образованием пузырьков визуально и регистрирует их появление в случае негерметичности участка. После окончания контроля трехходовой кран ставят в соответствующее положение для отсоединения камеры от насоса и напуска в нее воздуха.
Производительность контроля с применением переносных камер 50 ... 60 м/ч. На рис. 12.5 показана зависимость величины минимальной регистрируемой течи от создаваемого в камере вакуума.
В промышленности применяются камеры различного объема и самой разнообразной конфигурации в зависимости от поверхности контролируемых объектов. На рис. 12.6 показаны камеры для контроля герметичности продольных и кольцевых сварных швов.
Рис. 12.5. Зависимость минимальной регистрируемой течи от остаточного давления в вакуумной камере
Рис. 12.6. Вакуумные камеры для контроля на герметичность продольных и кольцевых сварных швов
Способ применяется для контроля герметичности объектов с односторонним доступом к контролируемой поверхности.
Глава 13
ХИМИЧЕСКИЙ ГАЗОВЫЙ МЕТОД КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ
13.1. ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ МЕТОДА
Принцип действия химического метода испытаний на герметичность основан на цветной химической реакции контрольного (пробного) вещества с компонентами индикаторного состава, наносимого на поверхность контролируемого объекта. Течи обнаруживают визуально по локальному изменению цвета индикаторного состава (средств индикации) на поверхности объекта испытаний.
Для контроля локальной герметичности сварных швов, труднодоступных мест и разъемных соединений в качестве средств индикации применяют индикаторные ленты.
Наибольшее распространение получили методы с использованием кислотно-основных реакций, в которых пробным веществом служат соединения кислотноосновной природы, например аммиак, углекислый газ. В местах утечки пробного газа (аммиака или углекислого газа) изменяется окраска индикаторного состава за счет смещения кислотно-основного равновесия.
13.2. СПОСОБ ОПРЕССОВКИ С ИНДИКАТОРНОЙ ЛЕНТОЙ
Сущность способа заключается в том, что на наружную поверхность контролируемого объекта накладывают индикаторные ленты, а внутрь подают контрольную среду (газ) до испытательного давления. В местах утечки среды (газа) через микронеплотности объекта изменяется цвет индикаторной ленты. Контроль герметичности сводится к фиксированию цветных пятен на ленте в конце испытаний.
Состав индикаторных лент определяется физико-химическими свойствами контрольных сред или их паровой фазы. Если контрольные среды содержат реакционноспособный компонент, например аммиак, углекислый газ, то для приготовления индикаторных лент применяют раствор реагентов, дающих с реакционноспособным компонентом цветную индикаторную реакцию, в раствор также вводят технологические добавки, обеспечивающие оптимальные условия осуществления химической реакции, а следовательно, высокую чувствительность обнаружения течей (табл. 13.1) [13].
13.1. Индикаторные реакции для химического метода контроля герметичности
Пробное вещество Индикатор Изменение окраски в месте утечки Чувствительность, м3 • Па/с
Аммиак Фенолфталеин С пурпурной на бесцветную 1 • 10“7
Бромфеноловый синий С фиолетовой на желтую 1 • 10’8
Конго красный С красной на синюю
Антрахиновый ярко-синий С синей на красную 1 • ю4
Бромкрезоловый красный С фиолетовой на оранжевую
Углекислый газ Бромтимоловый синий С желтой на синюю
СПОСОБ ОПРЕССОВКИ С ИНДИКАТОРНОЙ ЛЕНТОЙ
201
Наиболее широко применяют индикаторные ленты, реагирующие на утечки аммиака. Последний применяется как в качестве рабочей среды (например, в тепловых трубах, холодильных агрегатах), так и в роли контрольной среды. В этом случае используется азотно-аммиачная или воздушно-аммиачная смесь.
Индикаторная лента для индикации утечек аммиака представляет собой тонкий хлопчатобумажный материал (батист, мадаполам, шифон), пропитанный спиртовым раствором, содержащим индикатор бромтимоловый синий, глицерин и хлористый кальций, и покрытый защитным газовлагонепроницаемым прозрачным слоем.
Состав раствора (в граммах на литр) для пропитки индикаторных лент, применяемых при индикации утечек аммиака
Индикатор бромтимоловый синий................... 9 ... 10
Хлористый кальций....... 50 ... 60
Дистиллированный глицерин..................... 175... 190
Едкий натр.............. 0,5 ... 1,0
Дистиллированная вода... 200
Этиловый спирт.......... 600 (до 1 л)
Раствор индикатора готовят в химической лаборатории. Готовый раствор имеет красно-бурый цвет, без осадка, pH раствора в пределах 4,3 ... 4,8. Для приготовления индикаторных лент разрезанный на необходимые полосы материал погружают в раствор индикатора и выдерживают в нем до полной пропитки в течение 2 ... 5 мин. После отжатия ленту необходимо просушить при температуре 15 ... 35 °C в течение 0,5 ... 2 ч.
Готовая индикаторная лента должна быть желтого или оранжевого цвета. Приготовленную индикаторную ленту хранят в виде рулонов в темном месте в сухой закрытой таре до 6 мес. При использовании индикаторных лент без покрытия (чувствительность при этом снижается в 10 раз) их закрепляют на поверхности объекта с помощью резинового клея или
липких лент, помещая их на края индикаторной ленты.
Индикаторные ленты с защитным покрытием готовят к испытаниям путем наклейки их на липкий слой полиэтиленовой ленты. Липкая полиэтиленовая лента должна быть несколько шире индикаторной. Липкие полосы полиэтиленовой ленты на краях индикаторной ленты позволяют закрепить последнюю на поверхности испытуемого объекта. Защитное покрытие позволяет повысить чувствительность испытаний за счет исключения диффузионных потерь аммиака в окружающую среду, а также устраняет влияние загазованности окружающей среды на результаты испытаний.
Контроль чувствительности индикаторных лент следует проводить после приготовления, после хранения > 6 мес или при нарушении условий хранения. Его осуществляют с помощью контрольного раствора, приготовленного добавлением одной капли 25 %-ного раствора аммиака к 300 мл дистиллированной воды. На образец ленты необходимо нанести каплю контрольного раствора; лента считается пригодной, если на ней сразу появляется визуально заметное синее пятно.
Технологический процесс контроля герметичности методом индикаторных лент осуществляют следующим образом.
Собирают схему пневмоиспытаний; обезжиривают контролируемые поверхности объекта испытаний, например фреоном-113, и продувают магистральные трубопроводы подачи аммиака и сжатого воздуха (азота); плотно накладывают подготовленные индикаторные ленты на контролируемую поверхность и заполняют объект контрольным газом с заданной концентрацией аммиака до испытательного давления.
Теперь объект выдерживают под испытательным давлением > 15 мин; затем сбрасывают избыточное давление до нуля и проводят визуальный осмотр индикаторных лент с целью выявления на них синих пятен.
202
Глава 13. ХИМИЧЕСКИЙ ГАЗОВЫЙ МЕТОД КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ
После осмотра удаляют индикаторные ленты с объекта испытаний (при наличии течей отмечают места течей), обезжиривают места наложения лент (фреоном-1 13) и продувают объект сжатым воздухом или азотом до полного удаления аммиака из испытуемого объекта.
Качество удаления аммиака из объекта контролируют наложением индикаторной ленты на выходной штуцер объекта, лента при этом не должна изменять первоначальный цвет. Допускается удаление аммиака из объекта вакуумированием с последующими наддувом до допустимого давления, выдержкой и стравливанием избыточного давления.
Порог чувствительности способа индикаторных лент с защитным покрытием в зависимости от концентрации аммиака и времени выдержки приведен в табл. 13.2.
Устойчивость синих пятен на ленте, т.е. время, в течение которого сохраняется синяя окраска пятна после полного сброса
13.2. Порог чувствительности способа индикаторных лент, м3 • Па/с
Концентрация аммиака в контрольном газе, об. доли Время выдержки объекта под давлением, мин
15 30
0,01 6,7- 10‘8 1,3 • 10’8
0,02 1,3 • 10 8 6,7 • 10’9
0,03 6,7 • 10’9 1,3 • 10’9
давления, > 1 ч. Это позволяет проводить испытания дистанционно.
Предельно допустимая концентрация аммиака в воздухе производственных помещений 0,02 мг/л. Контроль этой концентрации обеспечивается технологическим процессом, так как индикаторные ленты при наличии аммиака в воздухе >0,01 мг/л сразу изменяют цвет от желтого к синему.
Глава 14
ЖИДКОСТНЫЕ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ
14.1. ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ МЕТОДОВ
При испытаниях на герметичность объектов, работающих под воздействием жидкостей, в качестве контрольного вещества часто используют рабочую или технологическую жидкость, например воду с соответствующими добавками. Жидкостные методы контроля герметичности заключаются в заполнении объекта испытаний жидкой контрольной средой под давлением (смачивании ею контролируемых соединений с одной стороны) и регистрации контраста следов контрольной жидкости, образуемых в местах течей на контролируемых поверхностях объекта испытаний.
Яркостный (ахроматический) метод предполагает регистрацию ахроматического следа контрольной жидкости (воды) на фоне поверхности контролируемого объекта в видимом свете. Для повышения эффективности контроля герметичности на контролируемую поверхность объекта испытаний предварительно наносят специальные индикаторные средства. Места течей в этом случае выявляют при визуальном осмотре в видимом свете по локальному изменению яркости или цвета индикаторного средства (покрытия) в месте дефекта.
Локальное изменение цвета индикаторного покрытия в месте дефекта может происходить за счет химической реакции специального индикатора, введенного в состав покрытия, с контрольной средой (химический жидкостный метод) или вследствие растворения специального красителя, введенного в состав индикаторного покрытия, при взаимодействии с контрольной средой (цветной хроматический метод).
При использовании в составе контрольной жидкости специальных люми
несцентных веществ, светящихся под действием ультрафиолетового света, места течей устанавливают по свечению люминофоров при ультрафиолетовом облучении контролируемых поверхностей объекта (люминесцентный метод).
Испытания гидравлическим давлением позволяют одновременно с контролем герметичности оценивать и прочность контролируемого объекта. Испытания избыточным гидравлическим давлением с целью контроля прочности объекта и (или) соединений называют также опрессовкой. Испытательные давления на прочность и герметичность /?исп, а также давления осмотра роем и опрессовки его ропр перед испытаниями на герметичность задаются нормативно-технической документацией (НТД) (конструкторской документацией).
Контрольная среда, допустимая утечка (норма герметичности), время выдержки под испытательным давлением и другие параметры испытаний на прочность и герметичность также должны соответствовать требованиям НТД. При жидкостных методах контроля герметичности важно обеспечить условия для проникновения контрольной жидкости через микронеплотности объекта испытаний, а также надежный контакт контрольной жидкости (ее паров) с индикаторными средствами.
14.2. ЯРКОСТНЫЙ (АХРОМАТИЧЕСКИЙ) МЕТОД
Яркостный (ахроматический) метод в практике течеискания чаще реализуется способом опрессовки и капиллярным способом.
Способ опрессовки. Он заключается в опрессовке объекта контрольной жидкостью, выдержке под давлением в течение определенного времени и последующем
204
Глава 14. ЖИДКОСТНЫЕ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ
визуальном осмотре поверхности объекта. Течи обнаруживают по появлению на поверхности объекта струй, капель, потеков контрольной жидкости.
Принципиальная схема установки (гидростенда) для испытаний способом опрессовки приведена на рис. 14.1.
Испытания осуществляют следующим образом.
Испытуемый объект заполняют технологической жидкостью до тех пор, пока она не будет переливаться через край штуцера, расположенного в самой верхней точке объекта; для отделения пузырьков воздуха после заполнения жидкостью испытуемый объект рекомендуется обстучать снаружи резиновым молотком, не допуская деформации объекта.
Предварительно опрессовывают всю гидравлическую систему стенда для проверки герметичности ее соединений. Предварительную опрессовку рекомендуется проводить давлением рпред. опр = = (0,1 ... 0,2)£>исп, но < 30 кгс/см2.
Рис. 14.1. Принципиальная схема установки для испытаний способом опрессовки: 1 - мерник; 2 - гидронасос;
3,4- пневмоклапаны (нормально закрыты);
5 - манометр; 6 - изделие; 7 - технологическая емкость с жидкостью; 8 - вентиль
При испытании объектов больших объемов рекомендуется применять два гидронасоса, один из которых способен обеспечивать быстрое заполнение объекта, а другой - создавать необходимое избыточное давление. Выдерживают объект под давлением 5 ... 10 мин, проводят визуальный осмотр мест соединения гидравлической системы. В случае обнаружения течей снижают давление до нуля, устраняют негерметичность и повторно проверяют гидравлическую систему.
После предварительной опрессовки объекта рекомендуется удалить следы влаги с его поверхности и с технологической оснастки. Затем плавно повышают давление жидкости до давления /?исп, под которым объект выдерживают, время выдержки и скорость повышения давления устанавливаются НТД (конструкторской документацией). Скорость нагружения объекта при гидравлических испытаниях должна быть такой, чтобы исключить гидроудары.
После выдержки давление жидкости в объекте снижают до давления осмотра 7?осм и осматривают объект с целью обнаружения следов жидкости на его поверхности. Течи, потеки жидкости на стенках и сварных швах свидетельствуют о негерметичности объекта. После обнаружения мест течей и их регистрации стравливают давление жидкости в объекте, сливают жидкость из объекта, объект продувают сухим сжатым воздухом и сушат в соответствии с требованиями НТД.
Порог чувствительности способа 1,3 • 10’5 м3 Па/с.
Капиллярный (керосиновой пробы) способ. Капиллярный способ испытаний объектов на герметичность основан на проникновении жидкостей в сквозные неплотности под действием капиллярных сил.
При испытаниях на герметичность капиллярным способом на контролируемую поверхность объекта с одной стороны наносят тонкий слой индикаторного покрытия и после его высыхания с противоположной стороны подают (наносят) кон
ЯРКОСТНЫЙ (АХРОМАТИЧЕСКИЙ) МЕТОД
205
трольную жидкость. Последняя под действием капиллярных сил проникает через сквозные микронеплотности контролируемого объекта и, соприкасаясь с индикаторным покрытием, образует на нем контрастные пятна, по наличию которых судят о герметичности объекта.
Предельная высота капиллярного подъема жидкости зависит от ее свойств и размеров канала микродефекта в соответствии с формулой
, 4QCOS0 IX
А = —7-------v м, (14.1)
^(Рж-Рг)
где d - диаметр микроканала, м; g - ускорение силы тяжести, м/с2; рж, рг - соответственно плотность жидкости и газа, заполняющих канал, кг/м3; о - коэффициент поверхностного натяжения жидкости, Н/м; 6 - краевой угол, характеризующий смачиваемость стенок микроканала.
Капиллярный способ, при котором в качестве проникающего вещества используют керосин (керосиновая проба), получил довольно широкое распространение благодаря своей простоте и сравнительно высокой чувствительности. С помощью керосина контролируют открытые объекты: емкости, элементы гидравлических и газовых систем. В ряде случаев этот метод используют и при испытании закрытых систем: топливных отсеков, баков, а также сварных соединений различных объектов. Высокая проникающая способность керосина обусловлена тем, что он не является полярно-активной жидкостью, имеет сравнительно низкую вязкость, хорошо растворяет пленки жира и устраняет пробки в несплошностях дефектов.
В качестве индикатора используют меловую обмазку (белого цвета), которая состоит из двух компонентов: природного обогащенного мела и питьевой воды. Меловую обмазку приготовляют в цеховых условиях: мел сушат в течение 1 ч при температуре 60 ... 80 °C в термошкафу, просеивают через сито с сеткой № 0,4, затем высыпают в емкость для приготов
ления и вливают туда соответствующее количество питьевой воды из расчета 1,3 кг мела на 1 л воды. Компоненты меловой обмазки механически перемешивают до получения однородной массы, взвесь процеживают через сетку № 0,4.
Приготовленную меловую обмазку контролируют на однородность (на ощупь; попадание крупных кусочков мела не допускается) и на смачивающую способность путем нанесения на пластину с соответствующей чистотой обработки объекта, установленную в вертикальное положение, с помощью мягкой волосяной кисти. Меловая обмазка считается годной по смачиваемости, если в течение 15 мин на поверхности пластины не наблюдается потеков и участков чистого металла.
Испытания на герметичность капиллярным способом осуществляют следующим образом. На места контроля, предназначенные для осмотра, наносят тонким слоем приготовленную меловую обмазку с помощью волосяной кисти, затем ее сушат одним из следующих способов: естественной сушкой в течение 1 ч или обдувом сухим воздухом с температурой 60 ... 70 °C продолжительностью > 30 мин. Качество нанесения и сушки меловой обмазки контролируется визуально: по отсутствию отслоений, трещин, зон чистого металла на поверхности.
При появлении ложных жировых пятен на поверхности меловой обмазки, свидетельствующих о неудовлетворительном качестве обезжиривания, необходимо удалить некачественную обмазку с поверхности, обезжирить загрязненные места согласно требованиям НТД и повторить операции нанесения и сушки меловой обмазки.
Противоположную сторону объекта несколько раз смачивают керосином либо укладывают на нее ленту или кусок ткани, смоченные керосином. После выдержки в течение времени в соответствии с требованиями НТД на объект проводят его осмотр. Места течей выявляют по образовавшимся хорошо заметным жирным пят
206
Глава 14. ЖИДКОСТНЫЕ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ
нам керосина цвета ржавчины на меловой обмазке. Обычно визуальный осмотр проводят сразу после нанесения керосина, через 20 ... 30 мин для объектов с толщиной стенки до 6 мм и через 40 ... 50 мин, если толщина стенки объекта до 25 мм.
По окончании испытаний удаляют при необходимости следы керосина с контролируемой поверхности согласно НТД. Меловую обмазку с проверяемой поверхности удаляют путем промывки мест ее нанесения чистой питьевой водой с использованием кисти или бязевой салфетки с последующим обдувом поверхности сухим сжатым воздухом, желательно подогретым до температуры 30 ... 40 °C.
Иногда для повышения чувствительности контроля керосин окрашивают, растворяя в нем краски ярких цветов.
В целях улучшения чувствительности контроля и ускорения выявления дефектов после смачивания керосином объект обдувают струей сжатого воздуха под давлением 0,3 ...0,4 МПа, устанавливают на объект со стороны меловой обмазки местные вакуумные камеры, воздействуют на него ультразвуковыми колебаниями для ускорения проникновения керосина в микронеплотности.
Чувствительность способа существенно зависит от чистоты керосина. Примеси, растворяемые керосином, повышают его вязкость, что приводит к уменьшению потока через течь, а при малых размерах она может закупориться. Особенно на чувствительность испытаний влияют компоненты смазок, применяемых при сборке гидро- и газовых систем и вымываемых керосином из объектов в процессе контроля. Использование загрязненной проникающей жидкости может привести к не-обнаружению скрытых дефектов, которые в дальнейшем, при эксплуатации объекта, могут проявиться в виде значительных течей. Порог чувствительности контроля зависит от времени выдержки и достигает величины 1,3 • 10"6 м3 • Па/с.
14.3. ЦВЕТНОЙ (ХРОМАТИЧЕСКИЙ) МЕТОД
В основе цветного (хроматического) метода контроля герметичности лежит цветная реакция, происходящая при взаимодействии различных жидкостей, в том числе рабочих, со специальным индикаторным покрытием, наносимым на контролируемую поверхность объекта испытаний. О местонахождении дефекта (течи) судят по изменению цвета индикаторного покрытия в процессе испытаний.
Отличительной чертой сольватного способа контроля герметичности является то, что в нем в качестве индикаторного средства используют суспензию красителя, который растворяется в контрольной жидкости с образованием яркой окраски в месте дефекта - от белой (розовой) до ярко-красной.
Сольватный способ. Сущность способа заключается в следующем: на поверхность испытуемого объекта, заполненного контрольной жидкостью и находящегося под избыточным давлением, наносят суспензию красителя; контрольная жидкость, проникая на поверхность через сквозные дефекты и контактируя с индикаторным средством, образует на нем окрашенные пятна или кольца, которые являются «следами» течей в результате растворения красителя контрольной жидкостью.
Для контроля герметичности сольватным способом разработаны индикаторные суспензии (составы), которые позволяют контролировать утечки следующих жидкостей: фреона-113, масла РМ, керосина, спирта, ацетона, жидкости 7-50С-3. При разработке составов суспензии [5] подобраны красители, имеющие наибольшую растворимость в контрольной жидкости и наименьшую в воде; определены оптимальные концентрации красителя и наполнителя, а также использованы различные гелеобразные вещества, которые увеличивают адгезию суспензии к металлу, но не влияют на чувствительность индикации.
ЦВЕТНОЙ (ХРОМАТИЧЕСКИМ) МЕТОД 207
Для увеличения смачиваемости суспензии в нее введено поверхностноактивное вещество (ПАВ), а в случае применения легколетучих контрольных жидкостей обоснована необходимость введения в индикаторное средство глицерина. Это приводит к увеличению времени высыхания суспензии и тем самым снижает потери контрольной среды в окружающую атмосферу.
Состав разработанных суспензий и результаты обнаружения локальных течей различных жидкостей приведены в табл. 14.1.
Приготовляя индикаторное средство, важно обеспечить равномерное распределение красителя во всем объеме средства. Технология приготовления индикаторного
средства и оборудование зависят от необходимого объема индикатора с учетом того, что на 1 м испытуемой поверхности его необходимо 150 ... 200 г. Например, свежеприготовленный индикатор для определения утечек керосина представляет собой суспензию белого цвета сметанообразной консистенции.
Готовую индикаторную суспензию хранят в закрытой емкости из коррозионно-стойких материалов. Срок хранения суспензии до 3 мес при t = 15 ... 20 °C в зависимости от состава. При хранении суспензия может увеличивать первоначальную вязкость и изменять цвет, что не является признаком непригодности, так как вязкость корректируют добавлением воды или наполнителя.
14.1. Состав индикаторный суспензии и результаты обнаружения утечки жидкостей
Состав индикаторной суспензии, масс, доли Контрольная жидкость Величина утечки контрольной жидкости, м3 • Па/с Время четкой фиксации утечки, мин
Каолин косметический (0,3 ... 0,4); краситель жирорастворимый темно-красный 5С (2 • 10-3); натрийкарбоксиметилцеллюлоза (5 • 10-3); глицерин дистиллированный (0,1); синтанол ДС-10 (ПАВ) (5 • 10-4) Фреон-113 4,3 • 10м 10
3,3 • 10м 20
1 • 10м
5 • 10’7
1,6 - 10’7 30
Каолин косметический (0,3 ... 0,4); краситель жирорастворимый темно-красный «Ж» (2 • 10’3); декстрин (5 • 10’3); ПАВ ДС-10 (1 • юм) Масло РМ, керосин 4 • 10’5 5
2,1 • 10-6 20
1,3 • 10м 15
4,3 • 10’7 30
Каолин косметический (0,3 ... 0,4); краситель спирторастворимый ярко-красный «С» (1,5 • 10"3) или ацетонорастворимый алый «С»; поливиниловый спирт (1 • 10 2) Спирт (ацетон) 4,1 • 10’5 5
3,3 • 10”6 10
2,5 • 10-6
Каолин косметический (0,3 ... 0,4); декстрин (5 • 10"3); краситель антрахиновый зеленый (1,5 • 10~3); ПАВ ДС-10 (1 • 10’3) Жидкость 7-50С-3 1 • 10’5
1,6 • 10-6
Примечание. Остальное в указанных составах - дистиллированная вода.
208
Глава 14. ЖИДКОСТНЫЕ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ
Перед применением суспензии ее проверяют на вязкость и чувствительность к действию контрольной жидкости. Вязкость определяют на вискозиметре ВЗ-4, она должна быть в пределах 20 ... 60 с (13 ... 81 сСт) (в зависимости от способа нанесения), а чувствительность проверяют действием капли контрольной жидкости на сухой слой индикаторной суспензии. Суспензия считается пригодной, если на ней появляется окрашенное пятно, четко выделяющееся на общем фоне.
Индикаторное средство, применяемое в сольватном способе, в отличие от других средств не реагирует на паровую фазу контрольной жидкости. Поэтому для контроля герметичности сольватным способом с высокой чувствительностью необходимо обеспечить условия, при которых контрольная среда, проникающая в дефекты, вступает в контакт с индикаторным средством, находясь в жидкой фазе.
Во избежание потерь контрольной жидкости, проникающей в дефекты изделий в виде паров, и для их конденсации в индикаторное средство вводят компоненты, обладающие адсорбционными, влагоудерживающими и пленкообразующими свойствами. Конкретный состав индикаторного средства зависит от физико-химических свойств контрольной жидкости. Так, для индикации жидкостей, имеющих температуру кипения > 100 °C, например керосина, в суспензию красителя вводят только наполнитель и связующее. Для жидкостей же с низкой температурой кипения, например фреона-113, ацетона, спирта, в суспензию красителя вносят дополнительно пленкообразующие и влагоудерживающие компоненты.
Принципиальная схема испытаний сольватным способом и последовательность операций аналогичны способу проникающих жидкостей. Перед нанесением индикаторной суспензии на контролируемую поверхность для предотвращения ее затекания в микронеплотности в объект испытаний подают некоторое избыточное давление, которое в зависимости от усло
вий испытаний может составлять 10 ... 50 % от рабочего давления.
На поверхность наносят индикаторную суспензию сплошным ровным слоем с помощью пистолетов-распылителей или мягкой кисти. После нанесения суспензии в объект подают испытательное давление, при этом если в качестве контрольной среды используют жидкости с высокой температурой кипения, то давление можно подавать сразу после нанесения; в случае жидкостей с низкой температурой кипения испытательное давление подают спустя определенное время после высыхания слоя суспензии.
В зависимости от чувствительности испытаний и свойств контрольной жидкости объект выдерживают под рабочим давлением 30 ... 60 мин. При этом контрольная жидкость, проникая на поверхность изделия, растворяет краситель индикаторного средства, образуя на нем цветные пятна (от белого до ярко-красного в местах утечек керосина).
После визуального осмотра и сброса избыточного давления индикаторную суспензию удаляют с поверхности объекта при помощи салфеток, смоченных в воде. Качество удаления суспензии оценивают при визуальном осмотре осушенной поверхности. При повышенных требованиях к чистоте поверхности качество удаления суспензии контролируют дополнительно. Для этого протирают выборочно до 0,5 м2 поверхности белой салфеткой, смоченной в контрольной жидкости. Отсутствие окрашивания на салфетке свидетельствует о полном удалении суспензии с контролируемых поверхностей.
На рис. 14.2 показан пример регистрации утечек сольватным способом.
Рассмотренный сольватный способ контроля герметичности предусматривает контроль герметичности под избыточным давлением контрольной жидкости, т.е. способом опрессовки, и позволяет совмещать испытания на прочность и герметичность. Возможен контроль герметичности сольватным способом и без повышения
ХИМИЧЕСКИЙ ЖИДКОСТНЫЙ МЕТОД
209
Рис. 14.2. Регистрация утечек сольватным способом
давления контрольной жидкости, например открытых емкостей, заполненных нефтепродуктами, а также без заполнения объекта контрольной жидкостью. В этом случае индикаторную суспензию наносят на контролируемую поверхность с одной стороны и после ее высыхания на противоположную сторону объекта наносят контрольную жидкость, которая проникает к сольватному индикатору за счет капиллярных сил (капиллярный способ).
Время выдержки при контроле герметичности заготовок без перепада давлений (контрольная жидкость - керосин) с толщиной стенки материала до 1 мм - до 30 мин, свыше 1 мм в течение 1 ч.
Порог чувствительности сольватного способа испытаний на герметичность 1,3 • 10’7 м3 • Па/с.
Сольватный способ рекомендуют для испытаний на герметичность соединений и целого металла таких изделий, которые позволяют равномерно наносить индикаторную суспензию на поверхность, удалять ее после испытаний и осматривать все контролируемые места.
14.4. ХИМИЧЕСКИЙ ЖИДКОСТНЫЙ МЕТОД
В основе химического метода контроля герметичности лежит цветная химическая реакция, протекающая между реакционноспособным соединением, вводимым в состав контрольной жидкости при испытаниях, и специальными индикаторными средствами, наносимыми на контролируемую поверхность объекта испытаний. По локальному изменению цвета индикаторных средств в процессе испытаний судят о местонахождении дефекта (течи).
Для контроля суммарной герметичности объектов, заполненных химически активными средами, осуществляют индикацию паров жидкости, проникающей через микродефекты, специальным устройством, называемым химическим течеискателем. О герметичности объекта в этом случае судят по изменению цвета индикатора течеискателя, также происходящему в результате химической реакции.
Способ проникающих жидкостей. Этот способ основан на использовании при опрессовке испытуемого объекта в качестве контрольной среды водного раствора ингибитора коррозии (калий двухромово-кислый К2Сг2О7) с добавками ПАВ. Ион шестивалентного хрома, входящий в дихромат калия, обладает высокой реакционной способностью и дает ряд цветных реакций. Поэтому индикацию утечек дихромата калия можно осуществлять с помощью химических реакций на ион хрома. Исследования свойств известных индикаторов показали, что наиболее чувствителен из них дифенилкарбазид, который изменяет свой цвет с бесцветного на малиновый, реагируя с ионом хрома. Экспериментально установлено, что визуально обнаруживаемый минимум пары ион хрома - дифенилкарбазид составляет 3 - 10 8 г элемента на 1 мл раствора.
Индикаторные средства на основе дифенилкарбазида выполняют в виде индикаторных лент или масс.
210
Глава 14. ЖИДКОСТНЫЕ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ
В состав индикаторной массы входят влагоудерживающие компоненты, регулятор pH, наполнитель, растворитель индикатора и ПАВ. Индикаторную массу приготовляют в смесителе. Перед ее употреблением корректируют значение показателя водородных ионов pH, которое должно быть < 4. На контролируемые поверхности индикаторную массу наносят кистью или пистолетом-распылителем. Пример состава индикаторной массы приведен ниже.
Состав индикаторной массы (в %) для контроля герметичности способом проникающих жидкостей
Каолин...............
Глицерин.............
Синтанол (ПАВ).......
Дифенилкарбазид......
Этиловый спирт.......
Фосфорная кислота....
Вода.................
32 ...30
25 ... 30
0,15
0,5 ... 0,6
9 ... 10
ДорН = 3...4
Остальное
Индикаторные ленты, пропитанные раствором, содержащим дифенилкарбазид, применяются как вспомогательное средство в тех случаях, когда в силу конструктивных особенностей объекта испытаний нанесение и удаление массы связа
но с технологическими трудностями. Индикаторные ленты изготовляются из тонкой хлопчатобумажной ткани, разрезанной на полосы, ширина которых определяется размерами контролируемой поверхности. С помощью индикаторных лент, накладываемых на контролируемые поверхности объекта испытаний, испытывают герметичность сварных швов. Пример состава раствора для пропитки индикаторных лент дан ниже.
Состав раствора (в %) для пропитки индикаторных лент
(способ проникающих жидкостей)
Дифенилкарбазид......
Ацетон...............
Крахмал..............
Фосфорная кислота....
Вода.................
0,3 ... 0,5
5 ... 7
2,5 ...3,0
До pH = 3 ...4
Остальное
Способ проникающих жидкостей дает возможность совмещать контроль герметичности с испытаниями на прочность.
Принципиальная схема установки для испытаний на герметичность способом проникающих жидкостей с совмещением испытаний на прочность представлена на рис. 14.3.
Рис. 143. Принципиальная схема установки для испытаний на герметичность способом проникающих жидкостей:
1 - хранилище чистой воды; 2,11,12,14 - задвижки; 3,10 - насосы; 4 - пульт подачи индикаторной массы; 5 - бронезащитное устройство; 6 - душирующее устройство;
7 - пистолет-краскораспылитель; 8 - объект испытаний; 9 - хранилище контрольной жидкости; 13 - слив в очистные устройства
ХИМИЧЕСКИМ ЖИДКОСТНЫЙ МЕТОД 211
Испытания проводят следующим образом.
Готовят индикаторную массу и водный раствор ингибитора коррозии. Расход индикаторной массы 0,1 ... 0,2 кг/м2 поверхности. Непосредственно перед испытаниями проверяют чувствительность индикаторной массы. Для этого на обезжиренную металлическую пластину наносят кистью индикаторную массу и помещают на нее каплю контрольной жидкости, разбавленной водой в соотношении 1 : 10. Индикаторную массу считают кондиционной по чувствительности, если после выдержки в течение 1 мин на ней появится яркое малиновое пятно. (Аналогично проверяют чувствительность индикаторной ленты.)
Объект испытаний заполняют водным раствором ингибитора коррозии до испытательного давления на прочность Рпроч; при переливе жидкости через расположенный в верхней точке объекта штуцер в момент заполнения не допускается ее попадание на испытуемые поверхности, в противном случае поверхности объекта тщательно промывают водой до полного удаления хромпика. Полноту его удаления контролируют индикаторной массой.
Проводят испытания на прочность в соответствии с требованиями НТД, затем снижают испытательное давление до давления осмотра росм, не превышающего рабочего давления, и наносят индикаторную массу на контролируемые поверхности объекта испытаний. После этого в течение 1 ч объект выдерживают под давлением контроля герметичности рк г, равным рабочему давлению, затем снижают давление в объекте испытаний до давления Роем и осматривают объект испытаний с целью выявления малиновых пятен, свидетельствующих об утечке водного раствора ингибитора коррозии через микронеплотности.
Зафиксировав места течей, удаляют индикаторную массу с контролируемых поверхностей объекта испытаний поливом водой или протиркой влажными салфет
ками. Для шероховатых поверхностей или труднодоступных мест рекомендуется одновременно с поливом водой пользоваться волосяными щетками.
После удаления массы поверхность объекта испытаний осушают обдувом струей сжатого воздуха, протиркой салфетками или естественной сушкой. Качество удаления индикаторной массы контролируют визуальным осмотром по отсутствию белого налета наполнителя (каолина) на поверхности. В сомнительных случаях полноту удаления массы контролируют выборочно по отсутствию на поверхности объекта индикатора. Для этого смачивают белую хлопчатобумажную салфетку ацетоном (спиртом) и протирают участок испытуемой поверхности. Затем на салфетку наносят каплю контрольной жидкости. Если в течение 1 мин цвет капли не изменится, то качество удаления массы считают удовлетворительным.
По окончании испытаний сбрасывают давление, сливают контрольную жидкость из объекта испытаний, промывают внутренние поверхности и сушат объект испытаний.
Порог чувствительности испытаний зависит от физико-химических свойств контрольной среды и индикаторной массы и составляет 6,7 • 10”6 м • Па/с. При добавлении в состав контрольной жидкости смачивателей (растворителей с низким значением коэффициента поверхностного натяжения, например ацетона) порог чувствительности способа достигает 1,3 • 10“7 м3 • Па/с при контроле сварных соединений и сплошного материала. Способ применяется для испытаний емкостей, шар-бал л онов и т.п.
Хемосорбционный способ. При испытаниях некоторых объектов, заполненных химически активными жидкими средами, необходимо определить их суммарную герметичность. Для этого используют хемосорбционный способ, сущность которого заключается в осаждении паров вытекающей из дефектов объекта контрольной среды на индикаторное средство, их хи
212
Глава 14. ЖИДКОСТНЫЕ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ
мическом взаимодействии и изменении цвета индикатора, свидетельствующем о наличии утечки.
В качестве контрольной среды при испытаниях на герметичность хемосорб-ционным способом используются рабочие жидкости: спирт, ацетон, аммиак, фторор-ганические жидкости и др.
В качестве индикаторного средства применяют специальный химический течеискатель, содержащий устройство в виде прозрачной стеклянной трубки, заполненной индикатором, сорбирующим пары контрольной жидкости и вступающим с ними в химическую цветную реакцию. Для каждой контрольной жидкости подбирают свой индикатор, при этом определяющей является способность контрольной среды вступать в цветные химические реакции с индикатором. Если контрольная среда непосредственно не реагирует с индикатором с цветовым эффектом, то используют различные приемы:
- разложение контрольной среды на реакционноспособные соединения с индикацией полученных продуктов разложения;
- применение контрольной среды в качестве катализатора, а индикаторного средства - в виде реакционноспособной пары вещество - реагент; контрольная среда, действуя на эту пару, приводит ее во взаимодействие с цветовым эффектом;
- использование свойства некоторых контрольных сред увеличивать растворимость красителей и люминофоров, вызывая окрашивание или свечение индикаторного средства.
Одним из основных физических свойств контрольной среды, влияющих на ее проникающую способность, является температура кипения. Для хемосорбцион-ного способа эта характеристика особенно важна, так как вместе с коэффициентом диффузии она определяет возможность переноса паров контрольной среды в индикаторное средство.
Поэтому для жидкости с низкой температурой кипения высокая чувствительность испытаний может быть обеспечена при нормальной температуре, а для высо-кокипящей контрольной среды - при нагреве, близком к ее температуре кипения.
. Для достижения высокой чувствительности также необходимо обеспечить надежный контакт контрольной среды с индикаторным средством, что достигается различными приемами. При контроле герметичности малогабаритного объекта испытаний индикаторное средство рекомендуется помещать непосредственно в камеру накопления утечек контрольной среды.
При контроле герметичности крупногабаритных объектов, когда утечка контрольной среды значительно разбавляется технологическим газом, находящимся в камере накопления, или затруднен перевод контрольной среды в парообразное состояние, рекомендуется эвакуировать ее из камеры накопления в индикаторное средство продувкой или вакуумированием.
Индикаторное средство представляет собой порошок, содержащий адсорбент (силикагель), реагент и компоненты, обеспечивающие оптимальные условия осуществления цветной химической реакции. Индикаторный порошок готовит химическая лаборатория.
Принципиальная схема установки для испытаний на герметичность хемо-сорбционным способом представлена на рис. 14.4.
Испытания осуществляют следующим образом.
Заполняют объект испытаний контрольной жидкостью (спиртом, ацетоном, аммиаком). Пары этих жидкостей вступают в цветную химическую реакцию с индикатором непосредственно.
Готовят индикаторную трубку, наполненную индикаторным порошком для индикации соответствующей жидкости (высота столба порошка 30 мм) и устанавливают ее в химический течеискатель.
ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫМ метод
213
Рис. 14.4. Принципиальная схема установки для испытаний на герметичность хемосорбционным способом:
/ - объект испытаний; 2 - камера накопления; 3 - штуцер; 4,9,10, 13 - клапаны; 5 - индикаторная трубка; 6 - ротаметр; 7 - вакуумный насос; 8 - камера сгорания; 11 - кислородная подушка;
12 - химический течеискатель
С поверхностей объекта испытаний и технологической оснастки удаляют загрязнения и следы рабочей жидкости путем протирки соответствующим растворителем, обработанные поверхности обдувают сухим воздухом в течение 5 мин с целью удаления паров растворителя. Затем объект испытаний 1 устанавливают в камеру накопления 2, заполняют кислородную подушку 11 сухим чистым воздухом или газом (азот, аргон) и проверяют наличие фона в камере накопления и технологической оснастке. Для этого открывают клапаны 4, 10, 13 и продувают систему сухим чистым воздухом или газом (азот, аргон) с помощью вакуумного насоса 7 со скоростью 0,05 ... 0,1 л/мин по ротаметру 6 в течение 10 мин.
Изменение цвета индикаторного порошка в индикаторной трубке 5 не допускается, в противном случае операции по удалению загрязнений и продувке необходимо повторить.
Закрывают клапаны 4, 10, 13, устанавливают в химический течеискатель новую индикаторную трубку и создают в объекте испытаний давление контроля герметичности ркт; при этом давлении объект выдерживают в течение времени,
установленного НТД, при этом клапан 4 должен быть открыт.
Включают вакуумный насос 7, открывают клапаны 10, 13 и, отрегулировав расход газа по ротаметру 6, вакуумируют систему с одновременной продувкой со скоростью 0,05 л/мин в течение 10 мин.
Теперь осматривают индикаторную трубку 5. Изменение первоначального цвета индикаторного порошка является признаком негерметичности объекта. Измерив длину окрашенного столбика индикаторной трубки, определяют величину негерметичности, например по тарировоч-ному графику для конкретной контрольной (рабочей) жидкости (рис. 14.5).
Порог чувствительности способа 1,3 • 1(Г7м3-Па/с.
14.5. ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЙ МЕТОД
Люминесцентный метод контроля герметичности основан на применении в контрольной жидкости в качестве пробного вещества специальных люминесци-рующих веществ (люминофоров), светящихся под действием ультрафиолетового (УФ) облучения. По свечению люминофоров устанавливают места течей.
214
Глава 14. ЖИДКОСТНЫЕ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ
Рис. 14.5. Тарировочный график зависимости длины окрашенного столбика индикаторного порошка от величины утечки ацетона
Люминесцирующие вещества (люминофоры) - это вещества, имеющие особую молекулярную структуру, которые при определенных условиях становятся источниками светового излучения (люминесценции). Люминесценция возникает при воздействии на такое вещество ренгенов-ским, гамма- или УФ излучением, а также при его бомбардировке заряженными частицами, вследствие чего атомы, молекулы и ионы вещества возбуждаются. Их последующее возвращение в нормальное, стабильное состояние сопровождается испусканием света в видимой части спектра электромагнитных колебаний.
Глаз человека видит свет в диапазоне длин волн 400 ... 800 нм, что соответствует переходу цвета излучения от фиолетового до красного; УФ излучение глазом невидимо. Различают две области УФ излучения: длинноволновую с длинами волн 280 ... 320 нм; коротковолновую с длинами волн 180 ... 280 нм. При люминесцентном методе контроля используют длинноволновое излучение.
Интенсивность УФ излучения оценивают по УФ облученности, представляющей собой отношение УФ потока к площади облучаемой поверхности и выражаемой в ваттах / метр квадратный.
Облученность также оценивают по создаваемой УФ потоком освещенности
контролируемого объекта видимым светом, выражаемой в люксах. Наивысшая чувствительность зрения достигается при яркостях в диапазоне 250 ... 1000 лк.
Наиболее распространенными люминофорами, применяемыми при испытаниях на герметичность, являются жирорастворимые люминофоры (керосин, минеральное и трансформаторное масла, нори-ол, шубекол), люминесцирующие жидкости типа ЛЖ (на основе керосина, бензина и других органических веществ), люминесцирующие вещества на водной основе.
В последнее время в качестве люминофора используют неонол - раствор ЛЖ-15 в керосине. Он имеет ярко-зеленое свечение и обладает большой проникающей способностью.
Проникающая способность люминофоров на водной основе ниже, чем жирорастворимых, однако жирорастворимые люминофоры имеют и недостатки: желтоголубое свечение не соответствует максимальной чувствительности человеческого глаза; цвет светящегося люминофора одинаков с цветом жировых загрязнений, имеющихся на контролируемой поверхно^ сти, что затрудняет поиск течей.
В качестве источников УФ излучения применяют ртутные лампы типов ПРК, ДРШ и др. Для освещения сравнительно небольших поверхностей с хорошим дос
ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЙ МЕТОД
215
тупом наиболее рационально применение маломощных источников излучения. Крупногабаритные объекты и поверхности с плохим доступом требуют использования более мощных источников.
Различают также два способа люминесцентного метода контроля: капиллярный и люминесцентно-гидравлический (опрессовки).
При капиллярном способе на одну из поверхностей объекта наносят раствор люминесцирующей жидкости. Через определенное время, установленное НТД, на противоположную поверхность в темноте воздействуют УФ излучением. По свечению люминофоров в виде светящихся точек и линий определяют места течей. Светящуюся точку считают заметной при ее диаметре > 0,2 мм. Для лучшей выявляемое™ дефектов на контролируемую поверхность наносят порошок оксида магния или талька, который, пропитываясь контрольной жидкостью, увеличивает размер светящихся пятен в местах течей.
При осмотре поверхностей следует иметь в виду возможность ложных сигналов. Так, жировые загрязнения в УФ лучах светятся голубоватым светом. Для их устранения объект перед испытаниями тщательно очищают от посторонних веществ и обезжиривают. Иногда над контролируемой поверхностью для повышения чувствительности создают разрежение порядка 5 • 104 Па в течение 5 ... 10 с. Порог чувствительности капиллярного способа составляет (1 ... 5)10-5 м3 • Па/с. Время выдержки при испытаниях зависит от требований к объекту и для объектов с толщиной стенок до 4 мм составляет 15 мин, а с толщиной > 4 мм - 30 мин. Его следует увеличивать на 3 ... 5 мин на каждый миллиметр толщины стенки.
При контроле объектов сложной формы, а также объектов из литого или многослойного материала время выдержки достигает одного или даже нескольких часов. Например, для энергетических установок с толщиной стенок 5 ... 40 мм оно составляет 15 мин ... 14 ч.
При люминесцентно-гидравлическом способе (опрессовке) крупногабаритные закрытые объекты заполняют контрольной жидкостью, содержащей люминесцирую-щие вещества, и нагружают испытательным давлением в соответствии с требованиями НТД. Затем объект выдерживают под этим давлением в течение определенного времени, после чего места контроля подвергают воздействию УФ излучения.
Необходимое время выдержки определяют из уравнения Пуазейля:
128И ц /
_ * 714 Z*
4 ( \
\Рц ~~ Рат )
где т - время, необходимое для проникания контрольной жидкости в количестве, обеспечивающем получение достаточно яркого сигнала, с; Кж - объем проникающей жидкости, м3; цж - коэффициент динамической вязкости жидкости, Па • с; Z и d - длина и диаметр микроканала соответственно, м; р„ - испытательное давление, Па; рат - атмосферное давление, Па.
Испытания проводят при температуре окружающей среды > 10 °C и относительной влажности воздуха < 70 %. Допускается проведение испытаний при относительной влажности воздуха до 90 %, но при этом разность температур контрольной жидкости и окружающей среды не должна превышать 5 °C.
В качестве пробного вещества чаще используют водорастворимые люминофоры. Так, при использовании в роли контрольной жидкости водного раствора флуоресцина испытания на герметичность совмещают с испытаниями на прочность.
Порог чувствительности 1,3 • КГ6 м3 х х Па/с.
Люминесцентный метод контроля имеет следующие недостатки: при осмотре больших поверхностей из-за усталости и ослабления внимания можно пропустить дефекты; метод не обеспечивает высокой чувствительности вследствие низкой разрешающей способности человеческого зрения.
Глава 15
МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТЕЧЕИСКАНИЯ
15.1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ МЕТРОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТЕЧЕИСКАНИЯ
Одним из основных параметров любого герметизированного изделия, определяющим его работоспособность и срок сохраняемости, является степень герметичности. Это определяет целесообразность количественной оценки результатов испытаний на герметичность. Вместе с тем в настоящее время вся течеискательная аппаратура у нас в стране и за рубежом выпускается как индикаторная, она не проходит метрологическую аттестацию в органах Госстандарта, и погрешность определения величины потока пробного вещества при испытаниях не нормируется.
В общем плане проблема метрологического обеспечения неразрушающего контроля, частью которого является контроль герметичности, рассматривалась неоднократно [12, 25]. Как и при других видах неразрушающего контроля, эта проблема включает в себя организационные и технологические вопросы. Среди организационных вопросов немаловажную роль играет разработка стандартов (как государственных, так и отраслевых) на методы контроля герметичности, на типовые методы измерения основных метрологических характеристик течеискателей. К организационным вопросам относятся также важнейшая задача подготовки квалифицированных кадров и их периодическая аттестация.
Но в основном проблема метрологии течеискания требует решения технических вопросов, заключающихся в переводе течеискательной аппаратуры в разряд измерительных приборов, в обеспечении их средствами поверки, в изучении влияния на достоверность измерения потоков течей параметров контролируемых изделий и условий отбора пробного вещества в течеискатель и т.п.
Вместе с тем оценка величин потоков пробного вещества, регистрируемых те-чеискателем, осуществляется и сейчас. Комплектация масс-спектрометрических и галогенных течеискателей контрольными калиброванными течами серийного производства соответственно типов «Гелит» и «Галот» обеспечивает возможность градуировки течеискателей. По результатам градуировки определяется величина регистрируемых потоков течей в контролируемых объектах.
Однако принятую процедуру оценки величин регистрируемых потоков течей нельзя рассматривать как измерения, поскольку метрологические возможности течеискателей не изучены, а контрольные течи, как правило, не проходят государственной метрологической аттестации и точность измерения их величин не нормируется. Исключение составляют контрольные гелиевые течи типа «Гелит», которые промышленно калибруются на метрологической установке второго разряда, аттестованной органами Госстандарта РФ. Поэтому течи «Гелит» являются мерами потока гелия с нормированной погрешностью ± 20 %.
Таким образом, контроль герметичности изделий масс-спектрометрическим методом наиболее достоверен, а величины регистрируемых потоков поддаются количественной оценке.
Другие типы течеискателей - катарометрические, электронозахватные, плазменные, акустические и др. - обычно градуируются по методикам разработчиков с применением капиллярных, пористых, диафрагменных контрольных течей.
Применяемые методики градуировки тейеискательной аппаратуры, способы испытаний, способы калибровки контрольных течей, аттестация течеискателей в некоторых отраслях промышленности
ОРГАНИЗАЦИЯ МЕТРОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ
217
регламентируются отраслевыми документами или стандартами предприятий.
Градуировка течеискателей позволяет снизить систематические погрешности измерений, связанные с медленными изменениями характеристик течеискателя, происходящими в результате различных физико-химических воздействий на чувствительный элемент. Градуировка течеискателей по известному потоку снижает также погрешности, вызываемые дрейфом характеристик систем питания и измерения.
Разнообразные контрольные течи воссоздают потоки различных пробных веществ в разных диапазонах величин с неодинаковой стабильностью воспроизводимых ими потоков. Так, капиллярные, пористые, диафрагменные контрольные течи могут создавать потоки различных веществ в достаточно широком диапазоне: 10 8... 10“5 м3 • Па/с. Но воспроизводимые ими потоки нестабильны и могут изменяться вследствие засорения или окисления каналов, при изменении перепада давлений на них и т.п.
Наиболее стабильны диффузионные контрольные течи, принцип действия которых основан на избирательном проникновении пробного газа через мембрану с селективной проницаемостью, они характеризуются хорошей воспроизводимостью величин потоков.
Подробное описание некоторых типов контрольных течей будет дано в разд. 15.3.
15.2. ОРГАНИЗАЦИЯ МЕТРОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ
Метрологическое обеспечение при контроле герметичности осуществляется посредством ведомственной аттестации и периодической поверки течеискательной аппаратуры с оценкой потоков контрольных течей.
Основными задачами метрологической аттестации течеискательной аппаратуры являются:
- определение метрологических характеристик, подлежащих контролю при эксплуатации и влияющих на результат поверки по основному параметру - чувствительности;
- определение порядка проведения аттестации методов, средств и периодичности поверки.
Все течеискатели, находящиеся в эксплуатации и хранении, следует подвергать периодической поверке в соответствии с календарным графиком, утвержденным руководителем предприятия или лицом, уполномоченным на это приказом.
Течеискатели, вышедшие из ремонта, подвергают аттестации и первичной поверке на соответствие требованиям ГОСТ 8.326-78.
Течеискатели поверяют на специальных пультах (ППТ). В различных ведомствах ППТ могут иметь различные схемные и конструктивные решения, но они, безусловно, должны быть исправны и аттестованы.
Периодичность поверки масс-спектрометрических, плазменных и электронозахватных течеискателей - не реже одного раза в год, галогенных - не реже 2 раз в год.
Аттестацию и поверку течеискательной аппаратуры и контрольных течей проводит метрологическая служба предприятия, персонал которой прошел обучение и аттестацию на право работы с течеискательной аппаратурой.
Средства, применяемые при аттестации и поверке, должны иметь действующее свидетельство или действующее клеймо ведомственной поверки.
При аттестации и поверке должны соблюдаться следующие условия:
- температура окружающей среды 20 ± 10 °C;
- относительная влажность воздуха 65 ± 15%;
- атмосферное давление 100 ± 4 кПа (750 ± 30 мм рт.ст.);
- напряжение питающей сети 220 ± ± 2,2 и 380 ± 3,8 В;
- частота питающей сети 50 ± 0,5 Гц.
218
Глава 15. МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТЕЧЕИСКАНИЯ
Перед аттестацией и поверкой необходимо выполнить профилактические работы согласно инструкции по эксплуатации течеискателя.
Перечень операций, выполняемых при аттестации и поверке масс-спектро-метрических, галогенных, плазменных и электронозахватных течеискателей представлены в табл. 15.1 - 15.3.
15.1. Перечень операций, выполняемых при аттестации и поверке гелиевых масс-спектрометрических течеискателей
Операция Средство аттестации и поверки Обязательность проведения операции
при ремонте при эксплуатации
Внешний осмотр - Да Да
Опробование
Поверка блока измерения ионного тока Пульт поверки течеискателей (ППТ). Погрешность ± 3 %
Поверка блока питания камеры ППТ
Определение предельного форвакуума Нет
Определение предельного высокого вакуума Да
Определение избирательности Нет
Определение внутреннего фона при рабочем давлении
Определение рабочих флюктуаций
Определение чувствительности Гелиевая течь «Гелит». Погрешность ± 20 % Да
15.2. Перечень операций, выполняемых при аттестации и поверке галогенных течеискателей
Операция Средство аттестации и поверки Обязательность проведения операции
при ремонте при эксплуатации
Внешний осмотр - Да Да
Опробование
Определение чувствительности электрической системы Пульт поверки галогенных течеискателей (ППГТ). Погрешность ± 3 %
ОРГАНИЗАЦИЯ МЕТРОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ
219
Продолжение табл. 15.2
Операция Средство аттестации и поверки Обязательность проведения операции
при ремонте при эксплуатации
Определение погрешности измерения напряжения коллектора ППГТ Да Нет
Определение погрешности измерения напряжения накала датчика
Определение погрешности измерения напряжения мотора датчика
Определение постоянной времени Контрольная течь, секундомер Да
Определение чувствительности Контрольная течь
Определение цены деления шкалы выходного прибора
Проверка инерционности Контрольная течь, секундомер
Проверка работы светового и акустического индикаторов
15.3. Перечень операций, выполняемых при аттестации и поверке плазменных течеискателей
Операция Средство аттестации и поверки Обязательность проведения операции
при ремонте при эксплуатации
Внешний осмотр - Да Да
Опробование
Проверка электрической прочности и сопротивления изоляции Пульт проверки плазменных течеискателей (ПППТ) Нет
Определение чувствительности Контрольная смесь 1 • 10”5 % элегаза Да
Проверка инерционности Контрольная смесь 1 • 10-5 % элегаза, секундомер
Проверка работы акустического индикатора -
Проверка работоспособности при изменении напряжения электропитания ПППТ, контрольная смесь 1 • 10~5 % эле- газа Нет
Проверка продолжительности непрерывной работы Контрольная смесь 1 • 10-5 % элегаза
220
Глава 15. МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТЕЧЕИСКАНИЯ
Результаты измерений, выполненных в процессе аттестации и поверки, заносят в протокол и журнал утвержденной формы. На течеискатель, прошедший аттестацию с положительными результатами, оформляют свидетельство о метрологической аттестации, и на лицевой панели наклеивают бирку с указанием срока очередной поверки по форме, установленной на предприятии.
В случае получения отрицательных результатов при проведении отдельных операций следует прекратить поверку. На такой течеискатель выдают извещение о непригодности его к применению.
Для решения вопроса о пригодности течеискателя к применению в соответствии с его назначением должны быть организованы ремонт и дополнительные испытания.
Ниже приведен рекомендуемый порядок ведомственной метрологической аттестации и поверки масс-спектрометрических течеискателей.
1. Внешний осмотр. При внешнем осмотре устанавливают соответствие комплектности течеискателя требованиям технической документации. Течеискатели не должны иметь механических повреждений. Все ручки управления и переключатели должны быть закреплены без перекосов, действовать безотказно и обеспечивать надежность фиксации.
2. Опробование. При опробовании течеискателя проверяют общую работоспособность, а также возможность выполнения операций сообразно с инструкцией по эксплуатации.
3. Определение (контроль) метрологических характеристик.
3.1. Поверка усилителя постоянного тока (УПТ).
3.1.1. Для контроля установки опорных напряжений течеискателя необходимо:
- соединить соответствующие гнезда течеискателя с образцовым прибором ППТ;
- на образцовом приборе ППТ установить задаваемый предел измерения.
Действительное значение напряжения определяют по образцовому прибору ППТ. Допустимая приведенная погрешность ± 1,5 %.
3.1.2. Определение дрейфа и амплитуды флюктуаций нуля УПТ. После 2 ч работы течеискателя наблюдают за показаниями выходного прибора на шкале 0,1 В. Дрейф нуля не должен превышать ± 2 мВ (4 мВ - при одностороннем уходе) в течение 20 мин. Амплитуда флюктуаций нуля УПТ не должна превышать ± 2 мВ.
3.1.3. Определение погрешности показывающего прибора. На ППТ переключатель «Линейность УПТ» поставить последовательно в положения 30; 10; 3,0; 1,0; 0,3; 0,1 В. С помощью ППТ потенциометрами «Регулировка напряжения на входе УПТ», «Грубо-плавно» устанавливают стрелку показывающего прибора течеискателя на конец шкалы каждого диапазона; действительное значение напряжения определяют по образцовому прибору ППТ. Допустимая приведенная погрешность ± 2 %.
3.1.4. Определение линейности УПТ. С помощью ППТ подают напряжение на блок УПТ и на образцовом приборе ППТ устанавливают задаваемый предел измерения. Пользуясь ручками потенциометров «Грубо-плавно», на ППТ переводят последовательно стрелку поверяемого прибора на отметки шкалы течеискателя 3,0; 10; 20; 30 В. О действительном значении напряжения судят по показаниям образцового прибора ППТ. Допустимая приведенная погрешность ± 4 %.
3.2. Поверка блока питания камеры.
3.2.1. Для определения погрешности измерения тока эмиссии необходимо:
- на образцовом приборе ППТ установить задаваемый предел измерения;
- переключатель «Измерение» ППТ поставить в положение «Ток эмиссии»;
- переключатель «Ток эмиссии» течеискателя перевести поочередно в каждое положение пределов измерения.
Действительное значение тока эмиссии определяют по образцовому прибору
ОРГАНИЗАЦИЯ МЕТРОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ
221
ППТ. Допустимая приведенная погрешность ± 3 %.
3.2.2. Для определения .погрешности измерения ускоряющего напряжения следует:
- на образцовом приборе ППТ установить задаваемый предел измерения;
- переключатель «Измерение» ППТ поставить в положение «Ускоряющее напряжение»;
- переключатель «Измерение» течеискателя установить в положение «Ускоряющее напряжение»;
- с помощью потенциометра «Ускоряющее напряжение» течеискателя проверить диапазон регулировки ускоряющего напряжения, указанный в паспорте течеискателя, и определить погрешность измерения ускоряющего напряжения.
Действительное значение ускоряющего напряжения определяют по образцовому прибору ППТ. Допустимая приведенная погрешность ± 3 %. Аналогично выявляют погрешность измерения супрессорного напряжения.
3.3. Контроль предельного форвакуума. Контролируют давление по выходному прибору течеискателя, которое должно быть < 6,7 Па (5 • 10"2 мм рт.ст.).
3.4. Контроль предельного высокого вакуума.
3.4.1. Для определения погрешности измерения тока магнитного манометра необходимо:
- на образцовом приборе ППТ установить задаваемый предел измерения;
- переключатель «Измерение» ППТ поставить в положение «Ток магнитного манометра»;
- тумблер или переключатель «Измерение» течеискателя перевести в положение, соответствующее измерению магнитного манометра;
- потенциометром «Ток магнитного манометра» течеискателя установить поочередно стрелку поверяемого прибора на оцифрованные точки шкалы (значения магнитного манометра).
Действительные значения тока поверяемого прибора определяют по образцо
вому прибору ППТ. Допустимая приведенная погрешность ± 3 %.
3.4.2. Проверяют давление по выходному прибору течеискателя, которое должно быть < 1 • 10"3 Па.
3.5. Определение воздушного пика гелия. Для этого необходимо:
- включить катод ионного источника течеискателя согласно инструкции по эксплуатации;
- с помощью азотного натекателя установить на выходном приборе максимально допустимое рабочее давление;
- потенциометром «Ускоряющее напряжение» настроить течеискатель на пик гелия.
Показания выходного прибора УПТ должны быть не менее установленного значения.
3.6. Определение избирательности течеискателя. Потенциометром «Ускоряющее напряжение» течеискателя изменяют ускоряющее напряжение на ± 10 % от значения, полученного при настройке на пик гелия, при этом показание выходного прибора УПТ должно измениться не менее чем на ± 10 % от значения воздушного пика гелия.
3.7. Определение внутреннего фона течеискателя при рабочем давлении. Входной штуцер азотного натекателя соединяют вакуумным шлангом с заливной горловиной азотной ловушки течеискателя. С помощью натекателя устанавливают максимально допустимое рабочее давление течеискателя. Фон контролируют по выходному прибору течеискателя. Показание выходного прибора УПТ должно быть < 50 % от установленного значения воздушного пика гелия.
3.8. Определение рабочих флюктуаций течеискателя. Для этого следует:
- входной штуцер течеискателя соединить вакуумным шлангом с заливной горловиной азотной ловушки течеискателя;
- с помощью натекателя установить максимально допустимое рабочее давление течеискателя;
222
Глава 15. МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТЕЧЕИСКАНИЯ
- тумблер «Компенсация» течеискателя поставить в положение «Вкл.»;
- переключателем «Предел измерений» и ручкой потенциометра «Компенсация плавно» течеискателя выбрать шкалу, удобную для отсчета флюктуаций течеискателя, которая должна быть не более 5 % от воздушного пика гелия.
3.9. Определение порога чувствительности течеискателя. Для этого необходимо:
- вывести течеискатель на режим согласно инструкции по эксплуатации;
- порог чувствительности течеискателя определить по формуле
Oun = -^=—Даф, (15.1) ат-аф
где £)min - порог чувствительности течеискателя, м3 • Па/с; - поток гелиевой течи, м3 • Па/с; ост - установившееся значение сигнала от гелиевой течи, мВ; сифоновый сигнал, мВ; Даф - амплитуда флюктуаций фонового сигнала, мВ, которую вычисляют по формуле
Асеф = осФ шах ОСф min>
где <Хф тах, <Хф min - максимальное и минимальное значения скомпенсированного фонового сигнала, мВ.
Порог чувствительности течеискателя должен быть не хуже указанного в паспорте.
Аналогично с помощью пульта поверки галогенных течеискателей (ППГТ)
осуществляют ведомственную метрологическую аттестацию и поверку галогенных течеискателей.
Ведомственную поверку плазменных течеискателей, отличающуюся от типовой, выполняют с применением следующих средств измерений (рис. 15.1):
- генератора импульсов Г5-60;
- ампервольтметра типа Ц-4311 кл. 0,5;
- секундомера типа СОП пр-2а-3-221;
- капиллярной течи типа ТК с потоком элегаза, фреона (1,3 ... 4)10-8 м3 • Па/с (100%).
Порядок поверки плазменных течеискателей приведен далее.
1. Внешний осмотр.
2. Опробование.
3. Определение (контроль) метрологических характеристик.
3.1. Поверка делителя частоты. Для поверки делителя частоты необходимо:
- установить на выходе генератора напряжение положительного импульса 5 В длительностью 2 мкс и частотой 1,8 ... 1,9 кГц;
- поставить переключатель течеискателя «Ослабление» в положение “1 : Г”;
- перевести потенциометр «Компенсация» в крайнее правое положение;
- ручкой настройки частоты генератора Г5-60 установить стрелку регистрирующего прибора течеискателя на конец шкалы.
Рис. 15.1. Электрическая схема соединений плазменного течеискателя ТП со средствами поверки
КАЛИБРОВАННЫЕ ТЕЧИ
223
Действительное значение частоты 2 кГц определяют по стрелочному прибору генератора. Приведенная погрешность ±2%.
Аналогично выявляют действительное значение частоты генератора 8, 32, 128 кГц при соответствующих положениях переключателя «Ослабление» «1 : 4»; «1 : 16»; «1 : 64».
3.2. Контроль компенсации фоновых сигналов. Для этого необходимо:
- установить частоту генератора 8 кГц;
- переключатель течеискателя «Ослабление» поставить в положение «1 : 4»;
- перевести потенциометр «Компенсация» в крайнее левое положение.
Контролируют отсутствие напряжения с помощью регистрирующего прибора.
3.3. Поверка стабилизатора напряжения. На ампервольтметре Ц-4311 устанавливают предел измерения постоянного напряжения 75 В и определяют действительное значение напряжения 45 В. Приведенная погрешность ± 2 %.
3.4. Определение порога чувствительности течеискателя. Для этого необходимо:
- установить переключатель «Ослабление» в положение «1 : 1»;
- поднести щуп течеискателя к выходному отверстию капиллярной течи с потоком элегаза 1,3 • 10’8 м3 • Па/с или фреона 1,3 • 10"7 м3 • Па/с. Контролируют показания регистрирующего прибора течеискателя; они должны быть > 50 мкА.
3.5. Определение цены деления шкалы регистрирующего прибора течеискателя. Для этого нужно:
- поднести щуп течеискателя к выходному отверстию капиллярной течи с потоком элегаза (фреона) 0Т и зафиксировать значение показания течеискателя а в микроамперах;
- повторить эту операцию 4 ... 6 раз и определить среднее арифметическое значение отсчета течеискателя аср.
Цену деления шкалы sq находят по формуле
Цена деления шкалы регистрирующего прибора должна быть < 2,6 • 1О-10 м3 • Па/(с • мкА).
3.6. Контроль постоянной времени течеискателя. Подносят щуп течеискателя к выходному отверстию капиллярной течи с потоком элегаза 1,3 • 10"8 м3 • Па/с или фреона 1,3 • 10-7 м3 • Па/с; включают секундомер и отмечают время до момента отклонения стрелки регистрирующего прибора течеискателя. Постоянная времени не должна превышать 1 с.
3.7. Контроль акустического индикатора. Для этого следует:
- установить переключатель «Ослабление» в положение «1 : 1»;
- вращая ручку «Компенсация», установить нулевое показание регистрирующего прибора, затем показание, равное 2 мкА.
Течеискатель считают выдержавшим контроль, если при нулевом показании стрелочного прибора сигнал звукового индикатора отсутствует, а при показании, равном одному делению, имеется сигнал звукового индикатора.
15.3. КАЛИБРОВАННЫЕ ТЕЧИ
В практике течеискания контролю герметичности подвергаются самые разнообразные изделия. При этом регистрируются течи в весьма широком диапазоне величин: от 10"14 до нескольких м3 • Па/с. Поэтому устройства для градуировки методов и аппаратуры (калиброванные контрольные течи) должны воспроизводить потоки различных пробных веществ в таком же диапазоне. Совершенно очевидно, что не может быть создана универсальная течь, способная удовлетворить этому требованию. Разработаны и широко применяются на практике различные контрольные течи, различающиеся по назначению, принципу
224
Глава 15. МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТЕЧЕИСКАНИЯ
действия, стабильности воспроизводимого потока, габаритным размерам и т.п.
Калиброванные течи диффузионного типа. Контрольные калиброванные течи диффузионного типа наиболее удобны в эксплуатации, они широко применяются в практике течеискания и обеспечивают количественную оценку степени герметичности изделий как при вакуумных, так и при атмосферных испытаниях. Принцип действия диффузионных течей основан на избирательной проницаемости пробного газа через мембрану, выполненную из соответствующего материала. Процесс диффузии считается наиболее стабильным, поэтому течи данного типа воспроизводят постоянные потоки пробного газа в течение длительного времени.
Наиболее известны и широко распространены гелиевые диффузионные течи с мембраной из плавленого кварца или молибденового стекла. Отечественная промышленность выпускает течи «Гелит-1» с кварцевой мембраной, создающие потоки гелия в диапазоне 1 • ИГ10 ... 6,5 • 10 8 м3 • Па/с, а также «Гелит-2» с мембраной из молибденового стекла. Поскольку проницаемость последнего существенно меньше проницаемости кварца, течи «Гелит-2» воссоздают меньшие потоки (1012... 1О~10 м3 • Па/с).
Конструктивно течь «Гелит» (рис. 15.2) представляет собой металлический баллон с патрубком, служащим для присоединения течи к испытуемой системе. Баллон течи изготовляется из нержавеющей стали. В один из торцов баллона вварена чашка со впаянным капилляром, через который осуществляются откачка баллона при изготовлении течей и заполнение его гелием. В другой торец вварена чашка с патрубком. На конец патрубка, входящего внутрь баллона, напаяна стеклянная молибденовая или кварцевая трубка, конец которой раздут в тонкостенную мембрану толщиной 0,1 ... 0,15 мм. Открытый конец патрубка служит выходом течи. Баллон течи заполняется гелием до давле-ния(1,3 ... 9,3)104Па.
Рис. 15.2. Диффузионная гелиевая течь:
1 - колпачок; 2 - патрубок; 3 - мембрана из кварцевого или молибденового стекла;
4 - корпус течи; 5 - этикетка
Поток гелия Q в соответствии с формулой
0^pS I ’
где D - коэффициент диффузии гелия в воздухе, при неизменной толщине мембраны / определяется поверхностью мембраны 5 и перепадом давлений на ней Ар. Поэтому величина воспроизводимого течью потока при изготовлении регулируется изменением поверхности мембраны и в значительно большей степени изменением давления заполнения.
Относительное изменение величины потока течи со временем обусловливается убылью гелия в баллоне и может быть определено из соотношения
5С =—Ю0%, рУ
КАЛИБРОВАННЫЕ ТЕЧИ
225
где Qt - количество гелия, вытекающее через мембрану за время t при величине потока течи Q, м3 • Па/с; pV - количество гелия в баллоне при заполнении, м3 • Па; р - первоначальное давление гелия в баллоне, Па; V - объем баллона, м3.
Для потока Q = 10 8 м3 • Па/с при объеме И = 2 • 10"4 м3 и давлении 9 • 104 Па изменение величины течи за год не превышает 2,1 %. С учетом такого изменения течь может работать длительное время -вплоть до полного истечения гелия. Необходима лишь периодическая ее рекалибровка, причем межповерочный интервал может составлять несколько лет.
Диапазон потоков, воспроизводимых контрольными течами типа «Гелит», ограничен со стороны малых величин сложностью их калибровки и снижением точностных характеристик. Со стороны больших потоков диапазон ограничен сложностью изготовления тонкостенных мембран большой площади, невозможностью создания высокого давления гелия в баллоне течи из-за хрупкости мембраны, а также существенным изменением величины потока во времени вследствие убыли газа из баллона течи. Так, при возрастании величины течи в 10 раз ее изменение за год составит уже 20 %.
Известны попытки преодолеть трудности в создании диффузионных течей большой величины. В частности, предлагают в конструкцию таких течей ввести прогреваемый проницаемый элемент. Этот элемент представляет собой набор кварцевых трубок, впаянных в стеклянный баллон течи. Баллон течи, прогреваемый до 200 °C, вместе с подпитывающим резервуаром, содержащим гелий под большим давлением, размещается в термостате. Такая течь воссоздает потоки гелия на уровне 10-4 м3 • Па/с. Введение в конструкцию течи подпитывающего резервуара с гелием обеспечивает возможность сокращения расхода гелия за счет подачи его на проницаемый элемент только на время вос
произведения потока, что повышает стабильность потока во времени и существенно увеличивает срок службы течи. Однако эксплуатация такой течи крайне неудобна даже в лабораторных условиях.
В отечественной практике тоже применялись прогреваемые гелиевые течи. В конструкцию одной из них входил проницаемый элемент в виде раздутой до 0,1 мм кварцевой трубки с расположенным на ней нагревателем в виде спирали. Такая течь воспроизводила поток гелия вплоть до 10 6 м3 • Па/с при нагреве мембраны до 150 °C.
Образцы больших гелиевых и водородных течей создавались на основе проницаемого элемента из полиэтилентерефталатной пленки. Большие потоки (вплоть до 6,5 • 107 м3 • Па/с), воспроизводимые течью с полиэтилентерефталатной пленкой, могут быть получены без прогрева мембраны при толщине пленки 20 ... 60 мкм, рабочей поверхности 5 ... 20 см2 и давлении заполнения 1 атм.
Ограниченный запас гелия в больших течах, не снабженных подпитывающим резервуаром, не обеспечивает постоянства потока во времени, поэтому для оценки величины воспроизводимого потока в конструкцию течи можно рекомендовать вводить манометр для измерения давления заполнения в любой момент и снабжать течи градуировочными характеристиками, определяющими взаимосвязь давления газа в баллоне и величины создаваемого потока.
Таким образом, большие течи диффузионного типа различной конструкции с разными материалами проницаемого элемента создать можно, однако все они достаточно громоздки, сложны в изготовлении, дороги. Большинство из них нестабильно во времени и имеет небольшой срок службы.
Созданные контрольные диффузионные течи ТК лишены указанных недостатков. Эти течи достаточно компактны (га
8 - 8193
226
Глава 15. МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТЕЧЕИСКАНИЯ
баритные размеры сравнимы с течами типа «Гелит»), относительно просты в изготовлении, обладают широким диапазоном воспроизводимых потоков, стабильны во времени. Проницаемый элемент течей ТК выполнен из синтетического капилляра, через который помимо гелия могут диффундировать водород и аргон.
Течь ТК представляет собой заполненный пробным газом (или смесью газов) баллон с патрубком, в котором герметично укреплен петлеобразный проницаемый элемент из фторопластового капилляра. Открытые концы капилляра во избежание закупорки влагой и пылью воздуха обращены в баллон. Газ через открытые концы поступает в капиллярную петлю и диффундирует через стенки капилляра.
Выполнение проницаемого элемента в виде капиллярной петли позволяет упростить конструкцию и технологию изготовления калиброванной течи, повысить ее надежность в эксплуатации. Фторопластовые капилляры обладают высокой прочностью и при большой рабочей поверхности способны выдерживать избыточное давление вплоть до 107 Па. При этом они устойчивы к изменению температуры (-60 ... +120 °C), к воздействию агрессивных сред и механических нагрузок. Величина течи регулируется при изготовлении изменением длины петли и давления заполнения. Гелиевые потоки 10"12 ... 10“7 м3 • Па/с воспроизводятся на проницаемом элементе с капилляром КФ-100 при длине его петли 7 мм и давлении заполнения 10-1 ... 106 Па, а потоки 10~6 м3 х х Па/с - при длине петли 70 мм и давлении заполнения 106 Па.
Стабильность во времени величин потоков, создаваемых течами ТК, обеспечивается стабильным процессом диффузии и запасом пробного газа, достаточно большим для того, чтобы убыль газа в течение срока службы была много меньше общего его содержания в баллоне. Например, в случае больших потоков пробного газа (10-7 м3 • Па/с) убыль его за год из
баллона течи объемом 2,9 • КГ4 м3 не превышает 1,5 % от исходного запаса.
Течи ТК заполняются не только чистыми газами: гелием, водородом, аргоном, но и их смесями. Диапазоны значений воспроизводимых потоков (в м3 • Па/с) составляют:
- гелиевых 5 • 10“13 ... 1 • 10 6;
-водородных 1 • 10~9 ... 1 • 1(Г7;
-аргоновых 1 • 10 9 ... 1 • 10~7.
Контрольные диффузионные течи [11], входящие в комплектацию всех выпускающихся масс-спектрометрических течеискателей, длительное время применяли только для градуировки вакуумных испытаний. Попытка прямого применения течи «Гелит» в качестве устройства, имитирующего утечку гелия в атмосферу, для градуировки испытаний способом щупа не увенчалась успехом. При расположении щупа перед патрубком течи сигнал течеискателя настолько мал, что он соизмерим с фоновым сигналом, обусловленным гелием, содержащимся в помещении. Это связано с тем, что на выходе течи образуется размытое поле концентрации гелия, с небольшого участка которого через щуп он отбирается в течеискатель.
Если градуировку течеискателя, работающего по способу щупа, проводить погружением наконечника щупа в глубину патрубка течи «Гелит», сигнал течеискателя оказывается достаточно большим. Однако количественные оценки в этом случае тоже невозможны из-за отсутствия однозначной зависимости между паспортной величиной течи и сигналом течеискателя, меняющимся при изменении глубины погружения наконечника щупа в патрубок течи (рис. 15.3).
Если на выходном патрубке течи «Гелит» разместить насадку, вакуумноплотно перекрывающую патрубок и имеющую для выхода газа отверстие, диаметр которого значительно меньше диаметра всасывающего канала щупа, то можно получить точечный источник гелия. При соответствующем выборе разме-
КАЛИБРОВАННЫЕ ТЕЧИ
227
Рис. 15.3. Зависимость сигнала течеискателя от глубины погружения наконечника щупа в патрубок течи «Гелит»
ров отверстия обеспечивается равенство потока гелия, вытекающего через отверстие насадки, паспортной величине течи.
В самом деле, в полости патрубка после перекрытия его насадкой медленно повышается парциальное давление гелия -вплоть до наступления равновесия между потоком гелия через кварцевую мембрану и потоком через отверстие в насадке. При этом суммарное давление в патрубке остается равным атмосферному.
Поскольку диаметр патрубка течи «Гелит» много меньше его длины (d = = 0,8 см, 7=8 см), перепадом парциального давления гелия на патрубке можно пренебречь. Считая, что парциальное давление гелия в атмосфере значительно ниже, чем в патрубке течи, запишем
jDP2=u(Pl-p2), (15.2)
где U - пропускная способность диффузионной кварцевой мембраны течи, опреде
ляемая ее геометрическими размерами, проницаемостью кварца для гелия и температурой, см3/с; рх и р2- давление гелия соответственно в баллоне течи и в патрубке, Па; F и I - площадь сечения и длина канала отверстия в насадке, см2 и см соответственно; D - коэффициент диффузии гелия в воздухе, см2/с.
Если установившееся парциальное давление в патрубке течи р2 остается много меньше его давления в баллоне течи т.е. р2 « рх, настолько, что не искажаются условия диффузии гелия через кварцевую мембрану, то поток через отверстие в насадке оказывается равным паспортному значению течи. С ошибкой, заведомо лежащей в пределах точности измерения течи «Гелит» при калибровке, условие р2 «р\ будет выполняться, если
Р\ >20р2.
Как следует из исходного равенства
потоков через отверстие насадки и через мембрану,
Р2 =
Ур\
F
— D + U
I
Отсюда с учетом рх > 20 р2 получим
— >19—, 7 D
т.е. при такой конфигурации отверстия в насадке поток через него будет равен паспортному.
Поскольку
Ст
Р\ ’
то
£>19-01_ / PxD
где Qv - паспортное значение течи «Гелит».
На основании приведенных соображений и экспериментальных подтверждений масс-спектрометрические течеискате-ли комплектуются устройством для гра-
8*
228
Глава 15. МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТЕЧЕИСКАНИЯ
Рис. 15.4. Насадка к течи «Гелит»:
1 и 5 - гайки; 2 - штуцер; 3 - уплотнитель;
4 - кольцо
дуировки испытаний методом щупа, представляющим собой течь «Гелит-1» с насадкой, показанной на рис. 15.4.
Контрольные течи капиллярного, пористого и диафрагменного типов. Капиллярные, пористые и диафрагменные течи широко применяются в практике течеискания. Их принцип действия основан на истечении пробных газов соответственно через канал капилляра, отверстие в диафрагме, каналы многочисленных пор.
Достоинством таких течей является их способность создавать потоки любых газов. Значения образуемых ими потоков зависят от ряда факторов: рода газа, поступающего на проводящий элемент; проводимости этого элемента и перепада давлений на нем; режимов течения. Потоки регулируются изменением перепада давлений на концах проводящего элемента.
Капиллярные течи весьма разнообразны по конструкции и материалам капилляров. Одна из разновидностей таких течей представляет собой металлический баллон диаметром 50 и длиной 250 мм с закрепленным в нем оттянутым стеклянным или металлическим капилляром. Внутренний диаметр капилляра 0,05 ... 0,15 мм. Баллон заполняется пробным газом через ниппель и заглушается резьбовой заглушкой с уплотнителем. Течи подвергаются периодической рекалибровке в соответствии с установленным в докумен-
Рис. 15.5. Капиллярная течь:
1 - колпачок; 2 - шайба; 3 - прокладка;
4 - капилляр; 5 - корпус; 6 - табличка;
7 - заправочный клапан; 8 - гайка;
9 - заглушка; 10 - пломба
тации межповерочным интервалом. Диапазон потоков, создаваемых капиллярными течами, 10“9 ... 10“5 м3 • Па/с.
На рис. 15.5 показан общий вид капиллярной течи со стеклянным капилляром. Такая течь выпускается промышленно, ее межповерочный интервал 6 мес.
В практике течеискания применяются также обжимные капиллярные течи с металлическим капилляром, размещаемым в металлическом баллоне с запорным клапаном. Необходимый поток пробного газа получают механическим обжимом выходного конца капилляра.
Стабильность капиллярных течей относительно невелика. К нежелательному
КАЛИБРОВАННЫЕ ТЕЧИ
229
изменению проводимости капилляра и, следовательно, потока пробного газа могут приводить: изменение перепада давлений на капилляре; изменение температуры окружающей среды; сорбция стенками капилляров атмосферной влаги; засорение пылью и т.п. Стеклянные капилляры, как показывает опыт, обладают более стабильной проводимостью, чем металлические, которые помимо перечисленных выше недостатков подвержены коррозии.
Обжимные капиллярные течи с металлическим капилляром при их эксплуатации, например в производстве холодильников, калибруют ежедневно. При полном или частичном перекрытии капилляра влагой его проводимость может быть восстановлена путем прогрева до температуры 120 ... 140 °C.
Потоки диафрагменных течей тоже весьма существенно могут изменять свою величину вследствие изменения перепада давлений на диафрагме, изменения геометрических размеров отверстия под воздействием температуры, перекрытия (частичного или полного) отверстия механическими частицами и т.п. Как и для капиллярных течей, диапазон потоков, создаваемых диафрагменными течами, ограничен со стороны малых значений. Это связано с технологическими трудностями изготовления капилляров и диафрагм малых размеров. Создавать диафрагменные течи малых потоков (~ 10 7... 106 м3 • Па/с) можно применением двух диафрагм и двух объемов, содержащих пробный газ, соединенных последовательно.
В пористых течах в качестве проницаемого элемента используют пористые мембраны из стекла, металла, керамики, фосфора и т.п., имеющие поры размером о
вплоть до 1 А. В связи с малыми размерами пор проводимость пористых мембран не зависит от перепада давлений на них, так как поток носит молекулярный характер. Она прямо пропорциональна
площади мембраны и обратно пропорциональна толщине, а также квадратному корню из молекулярной массы перетекающего газа. Вероятность закупоривания пористых течей меньше, чем одиночных капилляров с эквивалентной проводимостью.
Переносных пористых течей в настоящее время нет. Сказанное выше относится к мембранам, вмонтированным в элементы вакуумных систем и поэтому хорошо защищенным от засорения механическими частицами и закупорки пор атмосферной влагой. При создании пористых переносных течей, снабженных собственным баллоном с газом, необходимо предусматривать защиту мембраны от засорения.
Величина пористых течей имеет ограничения: со стороны малых потоков из-за технологических трудностей изготовления мембран проводимостью < 1012 м3 • Па/с; со стороны больших потоков -вследствие тех же трудностей, что и для любых других типов течей, - необходимости восполнения убыли пробного газа из баллона.
В практике течеискания применяются также механические регулируемые течи. Принцип действия таких течей основан на истечении контрольного газа через регулируемый зазор, образуемый парой седло - игла.
Конструктивно течь представляет собой металлический корпус с коническим отверстием, являющимся седлом. Внутри корпуса расположен шток, способный перемещаться вдоль его оси. Коническая часть штока выполнена в виде иглы. Перемещая шток, можно изменять зазор между седлом и иглой и тем самым регулировать поток контрольного газа. Диапазон потоков, создаваемых такими течами, КГ6... 7- 10’2м3 Па/с.
Общий вид механической регулируемой течи приведен на рис. 15.6.
230
Глава 15. МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТЕЧЕИСКАНИЯ
Рис. 15.6. Регулируемая механическая течь:
1 - корпус; 2 - штифт; 3 - заглушка; 4 - уплотнение; 5 и 8 - гайки; 6 - пробка; 7 - пломба;
9 - шайба; 10 - втулка; 11 - игла; 12 - колпачок
15.4. МЕТОДЫ КАЛИБРОВКИ ТЕЧЕЙ
Измерение потоков контрольного газа через течи осуществляется метрологической службой предприятия.
При измерении потоков течей необходимо соблюдать следующие условия:
- течь надо установить в рабочем положении согласно требованиям НТД;
- температура окружающей среды должна быть 15 ... 35 °C с отклонением в процессе измерения не более чем на ± 1 °C;
- относительная влажность окружающего воздуха не должна превышать 80 %;
- атмосферное давление должно составлять 97 ± 7 кПа (730 ± 50 мм рт.ст.);
- давление контрольного газа не должно отклоняться от значений, указанных в паспорте на течь;
- в качестве течей сравнения следует использовать контрольные течи, имеющие суммарную относительную погрешность потока не более ± 30 %;
- температуры поверяемой течи и течи сравнения не должны отличаться более чем на ± 1 °C;
- измеряемый поток и поток от течи сравнения не должны отличаться друг от друга более чем в 10 раз.
По окончании измерения потоков в паспорт на течь вносятся:
- наименование контрольного газа и его давление;
- значение потока контрольного газа;
- температура, при которой измерялся поток;
- дата проведения измерения потока;
- метод (способ) измерения потока;
- суммарная относительная погрешность измерения;
- дата последующего измерения потока.
Срок периодического измерения потоков течей устанавливается метрологической службой предприятия, и для течей регулируемых механических; капиллярных со стеклянным капилляром; капиллярных с металлическим капилляром и диффузионных гелиевых он не должен превышать соответственно 8 ч; 6 мес; 3 мес; 3 лет.
Метод (способ) измерения потоков течей следует выбирать в зависимости от
МЕТОДЫ КАЛИБРОВКИ ТЕЧЕИ
231
величины потока, требуемой точности измерения, свойств контрольного газа, назначения и особенностей эксплуатации отдельной течи.
Далее приведены описания методов измерения потоков течей, применяемых на практике.
Калибровка течей пузырьковым методом. При калибровке пузырьковым методом (способом аквариума) поток от течи определяют измерением при атмосферном давлении объема пузырька газа, образующегося в жидкости на выходе из канала контрольной течи за время т.
Схема установки для измерения потоков данным методом представлена на рис. 15.7.
На выход канала течи устанавливают ванночку, в которую заливают дистиллированную воду для течей со стеклянным капилляром или ацетон для течей с металлическим капилляром. Уровень жидкости в ванночке должен быть на 3 ... 6 мм выше торца выходного отверстия капилляра и не иметь выраженного мениска.
Для наблюдения за образованием пузырьков газа используют микроскоп типа
Рис. 15.7. Принципиальная схема установки для измерения потоков течей пузырьковым методом:
/ - ванночка; 2 - пузырек; 3 - осветитель;
4 - микроскоп; 5 - штатив; 6 - стол; 7 - течь
«Мир-2». При необходимости подключают осветитель. Он должен быть достаточно удален от измеряемой течи с целью исключения нагрева жидкости и течи.
Перед началом измерения потока контрольного газа от течи определяют атмосферное давление посредством баро-метра-анероида метрологического типа БАММ-1.
В момент отрыва с отверстия течи газового пузырька включают механический секундомер и наблюдают через микроскоп за образованием очередного пузырька. Когда наружный диаметр пузырька достигнет размера > 0,7 мм, в момент отрыва пузырька выключают секундомер. Величину потока контрольного газа определяют по формуле
/3
ет=0,524Ратм—, (15.3)
т
где QT - поток контрольного газа, м3 • Па/с; Атм ~ атмосферное давление, Па; d - диаметр пузырька в момент измерения, м; т - время образования пузырька, с.
Поток газа от течи определяют 3 ... 4 раза и вычисляют среднее арифметическое значение потока.
Результаты калибровки заносят в паспорт КТ.
Погрешность измерения потока пузырьковым методом не более ± 30 %. Диапазон измеряемых потоков газа 1,3 • 10 8... 1,3 • 10’5 м3 • Па/с.
Калибровка течей способом повышения давления. При данном способе поток контрольного газа определяют измерением изменения давления газа в предварительно отвакуумированном объеме накопления за определенный промежуток времени.
Установка для измерения потоков состоит из объема накопления, калиброванной емкости, средств откачки, системы трубопроводов с клапанами. Принципиальная схема установки приведена на рис. 15.8.
232
Глава 15. МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТЕЧЕИСКАНИЯ
Рис. 15.8. Принципиальная схема установки для измерения потоков течей способом повышения давления:
1 - калиброванная емкость; 2, 7, 9,10, 12,14 - клапаны; 3 - ионизационный вакуумметр;
4 - тепловой вакуумметр; 5 - криогенная ловушка; 6 - деформационный вакуумметр; 8 - течь; 11 - механический насос; 13 - паромасляный насос
Объем накопления представляет собой часть установки между клапанами 2, 7, 9, 14 и предназначен для измерения потоков газа. Калиброванная емкость 1 служит для количественной оценки объема накопления. Она также может использоваться в качестве дополнительного объема к объему накопления при определении больших потоков.
Объем накопления должен быть герметичным и иметь минимальное газоотде-ление. Для оценки герметичности вместо контрольной течи на штуцер устанавливают заглушку, вакуумный объем откачивают до давления < 6,7 Па (5 • 10"2 мм рт. ст.), от объема накопления перекрытием клапана 14 (клапаны 2 и 9 закрыты) отсоединяют вакуумный насос, дают выдержку в течение 5 мин и наблюдают по вакуумметру 4 за изменением давления. Давление не должно увеличиваться. В противном случае необходимо определить места негерметичности, устранить их и повторить операцию по оценке герметичности объема накопления.
Количественно объем накопления оценивают следующим образом:
- предварительно отвакуумированные объем накопления и калиброванную емкость через клапан напуска 10 соединяют с атмосферой, при этом клапаны 7, 12 закрыты, клапаны 2 и 9 открыты;
- барометром-анероидом определяют атмосферное давление;
- откачивают объем накопления (клапан 2 перекрыт) до давления рх, равно-го (2,5 ... 4,9)104 Па (0,25 ... 0,5 кгс/см2);
- полость калиброванной емкости соединяют с полостью объема накопления, по деформационному вакуумметру 6 определяют установившееся давление р2 и вычисляют объем накопления по формуле
ин (15.4)
Р1~ Р\
где Гн - объем накопления, м3; Ик - объем калиброванной емкости, м3; ратм - атмосферное давление, Па; рх и р2 - первоначальное и установившееся давления в объеме накопления соответственно, Па.
Значение объема накопления определяют 3 ... 4 раза и находят его среднее арифметическое значение.
МЕТОДЫ КАЛИБРОВКИ ТЕЧЕЙ
233
Объем накопления измеряют после каждой разборки вакуумной системы или замены вакуумметров.
Поток контрольного газа от течи вычисляют по формуле
ет=ес-ег, (15.5) где Q, - поток газа от течи, м3 • Па/с; Qc -суммарный поток газоотделения и натекания в объем накопления, м3 • Па/с; Qr -поток собственного газоотделения и натекания объема накопления, м3 • Па/с.
Для определения величины собственного газоотделения и натекания объема накопления Qr откачивают объем накопления до давления р3 < 6,7 • 10-3 Па (5 х х 105 мм рт.ст.), отсоединяют от него откачные средства, дают выдержку в течение времени т (т = 20 ... 30 мин), после чего определяют в объеме накопления новое давление р4.
Величину газоотделения и натекания объема накопления подсчитывают по формуле
Qr = !h(p4Z Рз_\ (15.6) т
где р3 - начальное давление в объеме накопления, Па; р4 - давление в объеме накопления после выдержки в течение времени т, Па; т - время накопления, с.
Для уменьшения потока газоотделения целесообразно в объеме накопления использовать криогенные ловушки. Полости установки также при ее нерабочем положении должны находиться под вакуумом.
Для определения потока контрольного газа от калибруемой течи необходимо
снять заглушку со штуцера установки и подсоединить течь. Объем накопления и патрубок течи откачивают до давления р5 (< 6,7 • 10"3 Па), отсоединяют от них откачные средства, дают выдержку в течение времени ть после чего определяют давление р6 и подсчитывают суммарный поток газоотделения и натекания Qc по формуле
2С = (15 7)
Т1
где Гп - объем патрубка от течи до клапана, м3; р5 - начальное давление в объеме накопления, Па; р6 - давление в объеме накопления после выдержки в течение времени Ть Tj - время накопления, с.
Давления р5 и р6 должны определяться с учетом коэффициента относительной чувствительности К манометрического преобразователя к пробному газу по формуле
Д5,6) ~Рв К, (15.8)
где р(5, 6) - фактическое давление, Па; рв -давление по показанию вакуумметра, отградуированного по воздуху, Па.
Значения коэффициентов относительной чувствительности термопарного (ПМТ-2) и ионизационного (ПМИ-2) преобразователей к различным газам приведены в табл. 15.4.
Коэффициент относительной чувствительности манометрического преобразователя для смеси пробного газа и воздуха с концентрацией Сг определяют по формуле
Ксм= > 100/Гг-------- (15.9)
см Кг(100-Сг)+Сг
15.4. Коэффициенты относительной чувствительности преобразователей ПМТ-2 и ПМИ-2 к газам
Коэффициент Пробный газ
Гелий Аргон Фреон-12 Воздух, азот
М1МТ-2 1,12 1,56 0,58 1,0
^ПМИ-2 5,26 0,73 0,34 1,0
234
Глава 15. МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТЕЧЕИСКАНИЯ
где Ксы иКг - коэффициент относительной чувствительности манометрического преобразователя соответственно к смеси пробного газа с воздухом и к пробному газу; Сг - концентрация пробного газа в смеси, %.
Операции по определению потока собственного газоотделения и натекания объема накопления, а также суммарного потока газоотделения и натекания выполняют 2 ... 3 раза, находят их средние арифметические значения и по формуле (15.5) подсчитывают поток контрольного газа от течи.
Суммарная относительная погрешность измерения потока от течи способом повышения давления ± 30 %.
Способ применяется для измерения потоков газа в пределах 6,65 • 10 8... 6,65 х х 10"2 м3 • Па/с.
Калибровка течей способом сравнения с потоком газа. Измерение потока газа при данном способе осуществляют посредством сравнения показаний течеискателя от потока измеряемой течи и от заранее известного потока течи сравнения.
Поскольку способ сравнения с потоком газа является одним из способов масс-спектрометрического метода (способ щупа, способ вакуумирования в вакуумной камере), он применяется для измерения потоков гелиевых, азотных, аргоновых и водородных течей, предназначенных для натекания в атмосферу или вакуум.
В качестве течей сравнения следует использовать течи с погрешностью измеренного потока не более ±30 %. Потоки измеряемой течи и течи сравнения не должны отличаться друг от друга более чем в 10 раз.
Принципиальная схема установки представлена на рис. 15.9.
Величину потока от течи определяют в следующим порядке:
- течеискатель подготавливают к работе согласно инструкции по эксплуатации; открывают клапаны 4, 5, 7;
- трубопровод и патрубки течей механическим насосом течеискателя 9 откачивают до давления 6,65 Па (5 • 10"2 мм рт. ст.), закрывают клапан 7 и открывают входной клапан течеискателя 2;
Рис. 15.9. Принципиальная схема установки для измерения потоков течей способом сравнения с потоком газа:
1 - течеискатель типа ПТИ; 2, 4,5,7 - клапаны; 3 - поверяемая течь; 6 - течь сравнения; 8 - тепловой вакуумметр; 9 - механический насос течеискателя
МЕТОДЫ КАЛИБРОВКИ ТЕЧЕЙ
235
- после стабилизации давления в камере масс-спектрометра закрывают клапаны течей 4 и 5, фиксируют установившееся показание течеискателя аф, соответствующее остаточному фону пробного газа;
- открывают клапан 5 течи сравнения 6 и записывают установившееся показание течеискателя ос0, отвечающее натеканию в систему потока пробного газа от течи сравнения и остаточному фону;
- закрывают клапан 5 и определяют новое значение фона пробного газа в системе осф;
- открывают клапан 4 и фиксируют показание течеискателя ат, соответствующее натеканию в систему потока пробного газа от течи 5 и новому остаточному фону;
- значение потока пробного газа от течи находят по формуле
Qo(ат — ссТ)
----фу, (15.10)
а0“аф
где Qo - поток пробного газа от течи сравнения, м3 • Па/с; а0 - реакция течеискателя на поток пробного газа от течи сравнения и остаточный фон, В; ат - то же, от поверяемой течи и новый остаточный фон, В;
аф, аф ~ фоновые значения пробного газа в системе.
Поток измеряют 3 ... 4 раза и вычисляют его среднее арифметическое значение. Результаты измерения вносят в паспорт на течь.
Суммарная относительная погрешность измерения потока от течи способом сравнения с потоком газа для течей с натеканием в вакуум ± 30 %, для течей с натеканием в атмосферу ± 40 %.
Область измеряемых потоков данным способом составляет 1,3 • 1О~10 ... 1,3 • 10"6 м3 • Па/с.
Способом сравнения с известным потоком пробного газа измеряют потоки гелиевых течей типа «Гелит» (мер потока) при их серийном производстве на измерителе контрольных гелиевых течей (ИГТК) II разряда.
Измеритель ИГТК является потоко-мером на базе масс-спектрометрического гелиевого течеискателя и состоит (рис. 15.10) из четырех основных функциональных узлов: масс-спектрометрического течеискателя ТИПИ, вакуумного поста, устройства питания и управления, термостатов.
Рис. 15.10. Измеритель типа ИГТК
236
Глава 15. МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТЕЧЕИСКАНИЯ
В основе работы измерителя лежит способ сравнения неизвестного потока, создаваемого калибруемой течью, с известным потоком, создаваемым калиброванной течью, - образцовой мерой потока. Характеристики образцовой меры потока определяются органами Госстандарта РФ и подтверждаются с определенным межповерочным интервалом.
Измеритель обеспечивает измерение гелиевых потоков в диапазоне 6,65 х х Ю~п ... 1 • 10-6 м3 • Па/с (динамический режим, предусматривающий измерение потоков под откачкой) и 5 • 10“13 ... 1 х х 10"9 м3 • Па/с (режим накопления в вакууме).
Производительность ИГТК - 18 течей за рабочую смену.
Предельная относительная погрешность определения значения потоков откалиброванных течей при доверительной вероятности 0,95:
- в динамическом режиме ± 15 %;
- в режиме накопления ± 30 %.
Вакуумный пост измерителя, соединенный с течеискателем ТИ1-15 посредством быстродействующего клапана с электромагнитным приводом, состоит из механического и пароструйного насосов, системы ловушек для защиты от проникновения масла в систему и системы электромагнитных клапанов, коммутирующих отдельные узлы, а также подсоединяющих течи к системе в определенной последовательности.
Течи - девять калибруемых и одна образцовая мера потока известного значения - устанавливаются в вакуумные гнезда на столешнице измерителя. Для поддержания строго определенной температуры течей при калибровке они размещаются в индивидуальных термостатах, обеспечивающих точность поддержания температуры ± 0,2 °C.
Измеритель ИГТК подвергается ежегодной аттестации органами Госстандарта.
Глава 16
ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНЫЙ контроль ГЕРМЕТИЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ МАССОВОГО ПРОИЗВОДСТВА
16.1. НАЗНАЧЕНИЕ И ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ АВТОМАТОВ КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ
При массовом производстве изделий электронной, машиностроительной, химической и других отраслей промышленности одной из важнейших задач контроля качества является проверка их герметичности.
При необходимости широкой интенсификации промышленного производства задача высокоэффективного контроля качества продукции, надежности контроля, исключения субъективизма в оценке степени герметичности не может быть решена без его автоматизации и механизации. Внимание к проблеме автоматизированного контроля герметичности изделий объясняется также возросшими требованиями к степени герметичности многих видов промышленных изделий, выпускаемых серийно на промышленных предприятиях. Наконец, актуальность проблемы повысилась в последние годы еще и в связи с тем, что разработчики изделий, стремящиеся к снижению издержек на их производство и улучшению технических характеристик изделий, все в большей степени используют материалы, отличающиеся невысокой герметичностью: пластмассу или материалы тонкого сечения. Поэтому герметичность изделий должна контролироваться в ритме производства, а установки для контроля герметичности, являющиеся частью комплекса технологического оборудования, должны быть высокопроизводительными и автоматизированными.
Под высокопроизводительным оборудованием для контроля герметичности изделий будем понимать промышленные автоматизированные установки, машины и стенды, предназначенные для испытания изделий поточного производства на гер
метичность с производительностью, равной или большей производительности основной технологической линии. В дальнейшем будем называть это оборудование автоматизированными установками для контроля герметичности изделий (АУКГ). Основные функции АУКГ состоят в 100 %-ном или выборочном контроле изделий на герметичность и выбраковке изделий, не соответствующих требованиям технических условий по степени герметичности.
Испытание на герметичность деталей, агрегатов и готовых изделий, как правило, происходит последовательно - начиная с отдельных деталей и кончая готовым изделием. Необходимость пооперационного контроля диктуется прежде всего экономическими соображениями, в соответствии с которыми целесообразно контролировать герметичность деталей и узлов по ходу процесса. Обнаружение негерметичности изделий на стадии окончательной сборки приводит к их разборке, поиску негерметичных деталей, их ремонту или замене, дополнительной сборке изделий и окончательной проверке.
Например, при выявлении на стадии окончательных испытаний негерметичности малогабаритного теплообменника возникает необходимость его частичной разборки, замены негерметичных трубок, новой сборки и испытаний. Это связано со значительным увеличением затрат на изготовление и испытание такого изделия, а экономические потери в этом случае становятся достаточно ощутимыми. Кроме того, при производстве массовой продукции пооперационный контроль изделий позволяет своевременно корректировать производственные операции при появлении негерметичных изделий. При этом устанавливаются обратные связи, превращающие процесс контроля из пассивного
238 Глава 16. ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНЫЙ КОНТРОЛЬ ГЕРМЕТИЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ
(регистрирующего) в активный (регулирующий).
Объектами контроля герметичности АУКГ являются, как правило, изделия массового производства, выпускаемые предприятиями многих отраслей промышленности.
Примеры контролируемых изделий, изготовляемых предприятиями ведущих отраслей промышленности, приведены в табл. 16.1. Здесь же определены задачи производственного контроля герметичности изделий.
16.1. Примеры отраслей, выпускающих изделия массового производства
Отрасль Примеры контролируемых изделий Задачи производственного контроля
Химическое и нефтяное машиностроение Уплотнения, арматура, клапаны, сильфоны, насосы, трубопроводы, сосуды Дьюара и другие изделия 1. Герметизация технологического оборудования. 2. Снижение загазованности рабочих помещений. 3. Повышение надежности работы основного оборудования
Химическая промышленность Детали, узлы и сборки средств индивидуальной защиты; аэрозольные упаковки для лаков, красок и других продуктов; полимерные и другие изделия 1. Гарантированная герметичность устройств для индивидуальной защиты человека. 2. Обеспечение заданной герметичности упаковок для хранения продуктов в течение гарантийного срока
Автомобильная промышленность Золотники и арматура, баки распределителей, элементы и узлы систем сжатого воздуха и др. Обеспечение надежной работы узлов автомобиля
Пищевая промышленность Тара для продуктов; тюбы; полимерные упаковки Обеспечение сохранности продуктов в течение гарантийного срока
Производство бытовых агрегатов Детали, узлы и сборки холодильников и другие изделия Обеспечение надежной работы агрегата в течение гарантийного срока
Газовая про- мышленность Детали и узлы газовых плит; детали и узлы приборов газовой автоматики; газовая арматура; газовые трубопроводы 1. Обеспечение требуемой герметичности. 2. Обеспечение надежной работы приборов газовой автоматики
Авиационная промышленность Детали и узлы систем топлива, сжатого воздуха, масла; корпуса , отсеки и другие изделия 1. Обеспечение высокой надежности узлов и сборок самолетов. 2. Обеспечение гарантийного ресурса работы узлов
Судостроение Арматура, трубопроводы, элементы и узлы Обеспечение надежной работы приборных систем, узлов, двигателей судов и кораблей
НАЗНАЧЕНИЕ И ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ АВТОМАТОВ КОНТРОЛЯ
239
Продолжение табл. 16.1
Отрасль Примеры контролируемых изделий Задачи производственного контроля
Электронная промышленность Миниатюрные изделия и их сборки, электровакуумные приборы Обеспечение надежной работы в течение заданного ресурса
6
Рис. 16.1. Функциональная схема АУКГ
Могут быть сформулированы общие признаки, характеризующие изделия, проверяемые на герметичность на АУКГ. Прежде всего они имеют сравнительно малый объем (1 ... 500 см3). Это одно из условий обеспечения высокой производительности контроля при сохранении приемлемых габаритных размеров АУКГ. Большинство контролируемых изделий выполняются из металлических материалов (сталь, дюралюминий, чугун и т.д.). Толщина стенок объектов контроля колеблется в пределах 0,05 ... 3 мм. Многие изделия имеют технологические горловины и отверстия, степень герметизации которых в процессе контроля должна быть достаточно надежной.
Большинство АУКГ выполняется на основе синтеза блоков, определяющих работоспособность испытательных автоматизированных систем. На рис, 16.1 представлена типовая функциональная схема АУКГ с основными связями между блоками.
Степень герметичности определяется с помощью косвенных параметров, таких как расход, концентрация или давление газа, который, проникая через сквозной дефект, способствует формированию одного из параметров.
Как видно из рис. 16.1, АУКГ состоит из узла подачи изделий на испытательную позицию для их фиксации и герметизации 7; испытательного блока 2, в котором размещается и герметизируется изделие 3; блока разбраковки изделий по результатам контроля 4. Испытательная камера связана с блоком первичного преобразования величины утечки 5, формирующим однозначно зависимый от величины утечки сигнал и используемым в дальнейшем для обработки информации и воздействия на дополнительные органы. Взаимосвязь работы всех блоков обеспечивается микропроцессорным контроллером 6, в состав которого входит в ряде случаев блок обработки информации, в том числе система компенсации фонового сигнала. Опреде
240 Глава 16. ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНЫЙ КОНТРОЛЬ ГЕРМЕТИЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ
ляющими блоками АУКГ являются испытательный блок и блок преобразования величины утечки. По результатам проверки изделий на герметичность их общее количество N распределяется на две группы: годные Nr и негерметичные Убр- Механическая связь между блоками показана двойными линиями, электрическая - линиями ai - а6.
6.2. КЛАССИФИКАЦИЯ АУКГ
Изучение отечественных и зарубежных установок и устройств для высокопроизводительного контроля герметичности изделий позволяет выявить их общие особенности и классифицировать их [5, 7, 20].
Прежде всего АУКГ предназначены, как правило, для 100 %-ного контроля на герметичность изделий поточного производства. В связи с этим они должны иметь высокую производительность. По виду контролируемого параметра АУКГ относятся к числу высокопроизводительных микрорасходомеров, весьма чувствительных газоанализаторов или измерителей давления. Установки обычно многопозиционные со сложным циклом контроля, дискретные или непрерывные.
В цепи технологического оборудования АУКГ обычно завершают процесс изготовления и испытания изделий. Это придает особую ответственность контролю герметичности изделий, а достоверность контроля изделий на АУКГ относят к важнейшим параметрам установок.
Другими основными параметрами АУКГ являются производительность и чувствительность. Во многих случаях возникает необходимость в одновременном сочетании высоких значений производительности, чувствительности и достоверности контроля. Приведенные особенности отличают АУКГ от других измерительных испытательных комплексов и подтверждают вывод о развитии самостоятельного вида технологических машин.
По первичным классификационным признакам АУКГ подразделяют следующим образом. В зависимости от метода контроля АУКГ делят на масс-спектро-метрические, манометрические, галогенные, ионизационные и др.; по уровню автоматизации - на автоматические, автоматизированные (например, полуавтоматы) и механизированные. По использованию измерительной информации установки могут быть измерительные, пороговые и комбинированные; по использованию дефектоскопической информации они могут классифицироваться на определяющие место расположения дефектов, общую герметичность изделия, а также комбинированные. По способу герметизации изделий АУКГ бывают с полной герметизацией открытых горловин изделий при помощи специальных герметизирующих устройств, с частичной герметизацией изделий (например, локальных участков контроля) и без герметизации собственно изделия. Конструктивно они подразделяются на одно- и многопозиционные. Последние, в свою очередь, бывают карусельные, роторные, конвейерные, стендовые и др.
По функционально-производственным признакам классификация АУКГ может быть выполнена на основе классификации технологических машин, разработанной С.И. Артоболевским. В соответствии с этим предлагается подразделять АУКГ на три класса:
1) установки, в которых контролируемое изделие, размещенное в узле герметизации или вне его, не перемещается (например, в стендовых установках);
2) установки, где контролируемое изделие перемещается периодически, с остановками, вместе с узлом герметизации или независимо;
3) установки, в которых контролируемое изделие движется непрерывно, без остановок, вместе с узлом герметизации или вне его.
Дополнительно АУКГ каждого класса могут быть подразделены на группы.
КОНСТРУКТИВНО-МОДУЛЬНЫЙ ПРИНЦИП ПОСТРОЕНИЯ АУКГ
241
Классификационные признаки
Метод* контроля герметичности изделия
Уровень автоматизации
Метод обработки информации
По использованию дефектоскопической информации
По способу герметизации изделий
Конструктивное оформление
Виды установок
Масс-спектрометрические
Манометрические
Ионизационные
Г алогенные
Полуавтоматические Автоматические
Механизированные
Измерительные Пороговые С суммированием числа бракованных и годных ________изделий________ С вычислением ошибок разбраковки
Комбинированные С указанием места дефекта
Без указания места дефекта
С отметкой краской бракованных изделий
Комбинированные
С полной герметизацией открытых горловин изделия С частичной герметизацией локальных участков
Без герметизации изделия Однопозиционные Многопозиционные
Рис. 16.2. Классификация АУКГ
Полная классификационная схема АУКГ по функционально-производственным признакам приведена на рис. 16.2.
163. КОНСТРУКТИВНО-МОДУЛЬНЫЙ ПРИНЦИП ПОСТРОЕНИЯ АУКГ
С целью ускорения разработки, внедрения и серийного освоения АУКГ широкое применение получил конструктив
но-модульный принцип их создания. В соответствии с этим принципом новые устройства создаются на основе функциональных конструктивных модулей, имеют унифицированные присоединительные размеры и входят в нормализованный ряд устройств, предназначенных для контроля герметичности изделий массового производства [5, 19].
242 Глава 16. ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНЫМ КОНТРОЛЬ ГЕРМЕТИЧНОСТИ ИЗДЕЛИИ
Рассмотрение основной структурной схемы АУКГ, взаимосвязи и последовательности операций при высокопроизводительном контроле герметичности изделий позволяет определить следующие конструктивные модули:
• первичного преобразования величины утечки газа;
• герметизации контролируемых изделий и испытательной камеры;
• клапанных переключающих элементов;
• обработки результатов контроля;
• механизированной разбраковки изделий на одну или несколько категорий по степени герметичности;
• механизированной загрузки изделий;
• программного управления АУКГ;
• источников сжатого газа и вакуумирования.
Перечисленные модули составляют конструктивную основу АУКГ. Кроме них в состав АУКГ входят вспомогательные блоки, которые выбираются в зависимости
от условий работы АУКГ. К ним относятся счетчик изделий, блок дистанционной сигнализации и т.д.
Рассмотрим и проанализируем некоторые из принципиальных схем модулей и на этой основе синтезируем принципиальную типовую схему АУКГ.
Модули первичного преобразования утечки газа. Модули первичного преобразования величины утечки газа предназначены для регистрации потока газа через сквозные дефекты контролируемого изделия и преобразования его в пороговый или непрерывный сигнал.
Как было сказано выше, все модули первичного преобразования утечки подразделяются на две большие группы: газоаналитические модули и модули общего давления. Работу модулей целесообразно проанализировать в совокупности со вспомогательными элементами, обеспечивающими функционирование модулей. На рис. 16.3, а приведена принципиальная схема галогенного модуля с защитой входного канала последнего от внешней среды.
Рис. 16.3. Принципиальная схема галогенного модуля (а) и пример записи сигнала модуля на ленте самопишущего прибора (0
КОНСТРУКТИВНО-МОДУЛЬНЫЙ ПРИНЦИП ПОСТРОЕНИЯ АУКГ
243
Модуль включает галогенный чувствительный элемент (ЧЭ) 4, блок питания 19, усилитель 6 и регистратор 20. Чувствительный элемент 4 с целью исключения отравления электродов при больших концентрациях фреона продувается газом-носителем, расход которого поддерживается постоянным. Размещение ЧЭ в потоке газа-носителя способствует полной изоляции электродов элемента от внешней среды, в составе которой могут находиться следы фреона. Это обеспечивается вспомогательной системой, включающей регуляторы расхода 12, 14, 16, клапаны 3,7 -9, 15, 17, ресивер 10, блок очистки газа 13 и ротаметр 5. Давление подаваемого газа измеряется манометрами 11.
На рис. 16.3, б приведена запись сигнала модуля на самопишущем потенциометре КСП-4. Запись, характеризующая реальные условия испытаний, показывает, что общее время контроля герметичности изделий 2 в камере 1, включающее время реагирования и время восстановления, < 30 с. На основе галогенного модуля создаются автоматизированные устройства
для контроля герметичности аэрозольных упаковок, холодильных агрегатов и других изделий.
Еще одна разновидность газоаналитического модуля представлена на рис. 16.4.
В состав модуля входят пламенноионизационный детектор 12 как ЧЭ, пятиходовой кран 3, дозатор 9.
Газ-носитель подается в камеру /ив кран 3 через входные краны 10.
Автоматический кран 3 осуществляет дозирование пробы, продувку модуля и подключение испытательной камеры 1 с изделием 2 к дозатору, а последнего к детектору, с помощью которого регистрируется величина утечки в виде пробы. Детектор состоит из водородной горелки 7, смонтированной в нижней части корпуса 8, электродов 4, запрессованных в изоляторах 5 и 6, и порогового элемента И. Порог чувствительности модуля 5 • 10“8 м3 • Па/с. Ионизационные модули внедрены в составе двухпозиционной опытнопромышленной установки типа ПКГ-И на предприятии Минхимпрома РФ.
Рис. 16.4. Принципиальная схема ионизационного модуля
244 Глава 16. ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНЫЙ КОНТРОЛЬ ГЕРМЕТИЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ
Рис. 16.5. Принципиальная схема струйно-мембранного модуля
Среди модулей общего давления применительно к задаче автоматизированного контроля выделим струйно-мембранный модуль, принципиальная схема которого приведена на рис. 16.5.
Модуль 1 включает мембранный элемент 3 и струйные элементы 5 и 6. Утечка газа поступает под мембрану 4 через канал 2. Вспомогательные элементы 7-9 обеспечивают редуцирование воздуха и его очистку. При создании струйномембранного модуля использован новый способ воздействия на основную струю элемента, заключающийся в создании подпора в зоне выхода струи. Модуль испытан на ряде промышленных установок и внедрен самостоятельно на предприятиях Минхимпрома РФ.
Порог чувствительности 5 • 10-6 м3 х х Па/с. В его составе отсутствуют электрические элементы.
Модули герметизации контролируемых изделий и испытательной камеры.
При автоматизированных испытаниях изделий на герметичность возникает задача герметизации каждого изделия и испытательной камеры на период контроля. Совершенно очевидно, что в процессе каждого цикла должна быть обеспечена надежная герметизация контролируемых изделий. В этом состоит одна из отличительных особенностей автоматизированного контроля герметичности изделий, имеющих одну и более открытых полостей.
Разнообразие контролируемых изделий и требований, предъявляемых к условиям испытаний, обусловливает большое количество конструкций герметизирующих устройств. Эффективному решению вопроса выбора устройства герметизации будет способствовать предлагаемая на рис. 16.6 классификация.
Рассмотрим элементы, входящие в классификацию. Привод предназначен для открывания и закрывания камеры, созда-
КОНСТРУКТИВНО-МОДУЛЬНЫЙ ПРИНЦИП ПОСТРОЕНИЯ АУКГ
245
Рис. 16.6. Классификация средств герметизации изделий
ния необходимого усилия герметизации, а в некоторых случаях и для перемещения контролируемого изделия. Приводы подразделяются на автоматические (сервоприводы) и ручные. Тип сервопривода (гидравлический, пневматический или электрический) в большинстве случаев соответствует командному сигналу, вырабатываемому блоком управления. Если такое соответствие отсутствует или мала мощность командного сигнала, дополнительно ставятся различные усилители и преобразователи (электропневматические, пневматические и т.п.). Наибольшее распространение в установках контроля герметичности получили пневматические, поршневые, мембранные и сильфонные сервоприводы, обладающие рядом преимуществ: плавностью хода, малым временем срабатывания (0,5 ... 3 с), легко регулируемым усилием герметизации,
простотой конструкции и надежностью в работе.
На рис. 16.7 показана конструкция узла герметизации для плоских изделий. Изделие уплотняется с помощью прокладок 11 и 9 (если имеется центральное отверстие). Усилие прижима создается с помощью пневмоцилиндра /, поршень 2 которого связан со штоком 3. Шток оканчивается втулкой 5, служащей для крепления сменных головок 6. Нижняя поверхность головок 6 предназначена для крепления упругих прокладок 9. Втулка 5 жестко связана с кольцом 10, которое с помощью прокладки 11 уплотняет изделие по его краю. Для исключения недопустимого прогиба изделий типа «мембрана» головка 6 выполнена подвижной. Выбирая упругость пружины втулки 5, обеспечивают надежную герметизацию и минимальный прогиб центра изделия. Рассмат-
246 Глава 16. ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНЫЙ КОНТРОЛЬ ГЕРМЕТИЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ
Рис. 16.7. Узел герметизации плоских изделий
риваемый узел уплотнения снабжен устройством для съема изделий после их проверки. Это устройство состоит из рычагов 7, пружины 89 закрепленной в стойке, и направляющих 4.
Работает устройство следующим образом. При движении штока 3 вниз рычаги 7 своими нижними выступами захватывают край изделия (крышки, мембраны). После окончания цикла шток 3 движется вверх и вместе с рычагами 7 поднимает изделие вверх. Верхние выступы рычагов 7, передвигаясь вдоль направляющих 4, сходятся к оси штока. Изделие постепенно освобождается и падает на лоток для дальнейшей обработки. Как видно, узел выполняет две функции: главную - уплот
нение изделия в период контрольного цикла и вторую, вспомогательную - механизированный съем изделия после окончания его проверки.
Надежность уплотнения во многом зависит от выбора резиновых прокладок 11 и 9 и усилия прижима.
Электрический сервопривод представляет собой механизм на основе быстродействующего электромагнитного соленоида, электродвигателя с редуктором или копиром. Ручной привод осуществляется с помощью различных механических (кулачковых, рычажных и т.п.) фиксаторов и самоуплотняющихся камер, например с использованием вакуумных присосок. В зависимости от вида (проточные или
КОНСТРУКТИВНО-МОДУЛЬНЫЙ ПРИНЦИП ПОСТРОЕНИЯ АУКГ
247
непроточные) камеры имеют различные форму, объем, материал стенок и, соответственно, различные способы герметизации камеры и изделия в ней. Герметизировать камеру и изделие можно одновременно, порознь и через подвижный элемент. В последнем случае элемент, передающий усилие на изделие, делают неподвижным относительно камеры, что позволяет герметизировать изделия с большим разбросом размеров.
Модули клапанных переключающих элементов. Важнейшим модулем автоматизированных средств контроля герметичности являются клапаны. Они применяются для включения, переключения или автоматического управления механизмами АУКГ. В зависимости от схемы управления применяются электромагнитные клапаны, золотниковые устройства с электрическими или пневматическими приводами, а также монолитные клапанные блоки.
На рис. 16.8 показан электромагнитный клапан типа КЭ.
Клапан состоит из корпуса 7, в котором помещается электромагнитная катушка 2. Внутри катушки расположен сердечник 3 с запрессованным в него уплотнительным кольцом 4 из фторопласта-4. Воздух поступает через штуцер 6 и сопло
5 на выход штуцера 8. Напряжение постоянного тока подводится к катушке 2 через клеммную коробку 7.
Клапан работает следующим образом. При отсутствии тока в обмотке 2 сердечник 3 под действием пружины закрывает сопло 5. При подаче тока в обмотку катушки сердечник, преодолевая сопротивление пружины, втягивается в катушку и открывает сопло, соединяя штуцер 6 со штуцером 8.
Напряжение питания клапана 27 В. Он может работать в длительном режиме. Потребляемая мощность до 8 Вт. Допустимое рабочее давление среды до 627,27 х х 104 Па (до 64 кгс/см2). Масса клапана 1,8 кг.
Управление пневмоцилиндрами в полуавтоматах осуществляется, как правило, с помощью электромагнитных золотниковых распределителей.
Одна из конструкций распределителей приведена на рис. 16.9. Он состоит из двух основных узлов: электромагнита и распределительно-золотникового узла.
Электромагнит 1 типа МИС-1100 размещен в корпусе 2. Его сердечник 3 с помощью тяги 4 связан с плунжером 5 золотникового узла 7. Воздух для переме-
Рис. 16.8. Двухходовой электромагнитный клапан
248 Глава 16. ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНЫЙ КОНТРОЛЬ ГЕРМЕТИЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ
Рис. 16.9. Электромагнитный золотниковый распределитель
щения пневмоцилиндра поступает на вход золотникового узла 9 в зависимости от положения плунжера 5 либо на выход 6, либо на выход 8. В положении, указанном на схеме, вход 9 связан с выходом 8. Корпус 2 и электромагнит 1 жестко соединяются с распределительно-золотниковым узлом. Распределитель используется в системах с давлением до 4,9 • 104 Па. Ход золотника 15 мм. Диаметр проходных отверстий 6 мм.
Характеристики распределителей воздуха приводятся в табл. 16.2.
В многопозиционных масс-спектро-метрических автоматах контроля герметичности в связи с наличием большого числа клапанов целесообразно использовать монолитный блок вакуумных клапанов (БВК). С помощью БВК осуществляется поочередное подключение испыта
тельных камер к форвакуумному, высоковакуумному насосам, к течеискателю и системе продувки.
Использование совмещенного блока клапанов позволило получить более компактную вакуумную систему, избавиться от большого числа резиновых уплотнений и повысить ресурс работы по сравнению с серийно выпускаемыми индивидуальными вакуумными клапанами. В корпусе блока клапанов имеются три канала. Форвакуумный коллектор соединен с механическим насосом и с термопарным манометрическим датчиком; высоковакуумный коллектор - с паромасляным насосом и электромагнитным манометрическим датчиком. Контрольный коллектор связан с вакуумной системой течеискателя. Узлы герметизации каждой контрольной позиции присоединяются сверху к двум кол-
КОНСТРУКТИВНО-МОДУЛЬНЫЙ ПРИНЦИП ПОСТРОЕНИЯ АУКГ
249
16.2. Характеристики распределителей воздуха
Параметр Типы преобразователей с пневматическим управлением
В63-13 В63-14 В64-13 В64-14
Расход воздуха, м3/мин 0,4 0,9 0,4 0,9
Рабочее давление, Па (19,6 ... 58,8)104
Число двойных ходов золотника в минуту 250 50
Диаметр условного прохода, мм 10 15 10 15
лекторам. Три клапана отделяют коллектор каждой позиции от форвакуумного, высоковакуумного и контрольного коллекторов. Каждый из шести клапанных узлов, установленных в блоке, состоит из собственно клапана с уплотнительным кольцом из вакуумной резины, штока с сильфонным вводом поступательного движения и пневмопривода. В нормальном состоянии клапан закрыт. С помощью клапанов осуществляются напуск и продувка коллекторов позиции инертным газом - азотом.
Модули обработки результатов контроля. Некоторые виды течеискателей, например масс-спектрометрический, требуют соответствующей обработки дефектоскопической информации. В дальнейшем информация по алгоритму выдается на внешние исполнительные устройства (клапаны, двигатели, сигнальные лампы и т.д.). Приведем укрупненную алгоритмическую структуру автоматизированного масс-спектрометрического контроля герметичности.
После пуска программы проверяются сигналы с внешних устройств, подтверждающих или нет, что параметры комплекса находятся в допустимых пределах. Затем проводятся герметизация изделия и откачка его или камеры вакуумными насосами. Если заданная величина вакуума на какой-либо из двух ступеней откачки не достигнута, контролируемое изделие бракуется как имеющее большой сквозной дефект.
На стадии контроля делают выдержку для спада фонового сигнала до приемлемого уровня. Величина потока через дефект в изделии после подачи пробного газа определяется по разности измеренного и прогнозируемого сигналов в предположении, что на данный момент времени дефект отсутствует.
По среднему значению сигнала судят о величине потока через течь. Полученное значение потока сравнивается с пороговым, и на внешнее исполнительное устройство выдается сигнал о наличии дефекта.
Для обеспечения точности перевода сигнала течеискателя в величины потока предусматривается периодическая калибровка. Она проводится при подключении к газовой испытательной системе калиброванной гелиевой течи «Гелит-1» с известным по паспорту потоком.
Проверка надежности отбраковки заключается в периодическом контроле эталонных годных и бракованных изделий с канальными течами. Результаты контроля герметичности сравниваются с независимым сигналом от эталона. Этот сигнал можно получить, например, с помощью устройства, регулирующего встроенные в эталонные изделия магниты. При несовпадении сигналов выполнение программы останавливается, проводятся проверка и переналадка параметров устройства.
В последнее время получают все большее развитие и находят широкое применение микропроцессорные устройства контроля, измерения и управления
250 Глава 16. ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНЫЙ КОНТРОЛЬ ГЕРМЕТИЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ
различными процессами. Большие возможности микропроцессорных устройств определяются тем, что они позволяют обработать любой закон изменения фонового и полезного сигналов.
В связи со сказанным для повышения надежности работы, снижения порога отбраковки негерметичных изделий, установления скорости дрейфа фонового сигнала, определения его заданного порогового значения, компенсации фона и, соответственно, повышения производительности контроля за счет автоматизации указанных операций подготовительного цикла масс-спектрометрического метода контроля в АУКГ используются блоки компенсации фона, обработки информации и разбраковки изделий. Подобные блоки предназначены для работы в составе АУКГ изделий с использованием масс-спектрометрического течеискателя типа ПТИ-10 или ТИ1-14.
Блоки имеют несколько зависимых входов. Схемы блоков разработаны с применением элементов микропроцессорной техники. Обработка и преобразование сигналов ведутся в цифровом виде. В блоках предусмотрены несколько выходов, клавиатура с функциональными клавишами и цифровой индикатор.
Блоки выполняют следующие функции: считывание сигнала с аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и преобразование кодов, дифференцирование сигналов, фильтрацию шумов с заданными параметрами фильтрации, анализ уровня и скорости изменения сигнала с установленными контрольными значениями, отслеживание заданных интервалов времени, измерение соответствующего уровня течи с использованием градуировочного коэффициента, выдачу команд на выходы управления в зависимости от режима работы блока и состояния входного сигнала, индикацию текущего значения и ввод нового значения параметра настройки блока, автоматическое тестирование функциональных узлов, выдачу результатов дифференцирования в цифроаналоговый преобразователь с учетом заданного коэффициента деления.
Блок позволяет контролировать различные изделия в широком диапазоне путем перенастройки и ввода новых параметров.
Микропроцессорный контроллер (МПК) как модуль обработки результатов контроля выполняется на основе однокристальной микроЭВМ (рис. 16.10), имею
Рис. 16.10. Принципиальная схема МПК
КОНСТРУКТИВНО-МОДУЛЬНЫЙ ПРИНЦИП ПОСТРОЕНИЯ АУКГ
251
щей в составе таймер-счетчик, арифметико-логическое устройство (АЛУ) и оперативное запоминающее устройство (ОЗУ). Для организации связи МПК с АУКГ дополнительно имеются три программируемых приемопередатчика, через которые организован ввод/вывод с 32 линий. МПК включает АЦП.
Ввод данных с клавиатуры и вывод информации на светодиодный индикатор осуществляются через микросхему интерфейса.
Особенностью программного обеспечения МПК является введение в список команд инструкций обработки аналогового сигнала по сложным алгоритмам. Сложность обработки заключается в том, что сигнал с масс-спектрометрического течеискателя имеет большой динамический диапазон (> 10 000). При этом необходимо измерять приращение малого сигнала на большом фоновом смещении и с большим дрейфом, что требует большой разрядности АЦП и применения программ вычислений с длиной слова в 24 разр.
Модули разбраковки контролируемых изделий на одну или несколько категорий по степени герметичности. Назначение большинства АУКГ состоит в оценке степени герметичности каждого изделия и их разбраковке по результатам контроля на одну или несколько категорий. В связи с этим в АУКГ используются устройства механизированного распределения изделий на несколько потоков (как правило, два: герметичный и негерметичный).
В зависимости от конфигурации изделий, их объемов и других факторов применяют различные варианты модулей механизированной разбраковки.
Барабанный автомат контроля герметичности металлических днищ (рис. 16.11) имеет модуль разбраковки, состоящий из наклонной поверхности 4, заслонки 5, тары 7 для накопления герметичных изделий и тары 6 - для негерметичных изделий. Изделие 2 падает с барабана 1 на лоток 4, когда пневмоцилиндр 3 поднимает изделие с узлом герметизации вверх. В этот момент происходит поворот барабана на 45° и изделие под собственным весом Ри падает на лоток 4.
Рис. 16.11. Схема АУКГ с узлом разбраковки проконтролированных изделий (узел с открывающейся заслонкой)
252 Глава 16. ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНЫЙ КОНТРОЛЬ ГЕРМЕТИЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ
В автоматах контроля герметичности цилиндрических изделий разбраковка происходит при их движении по наклонной плоскости. В зависимости от результатов контроля герметичные изделия прокатываются на ленточный транспортер или, если они оказываются негерметичными, по лотку попадают в тару негерметичных изделий.
Анализ рассмотренных в качестве примеров модулей разбраковки изделий показывает широкие возможности для разделения потока контролируемых изделий на две или более партий в зависимости от степени герметичности.
Модули механизированной загрузки изделий. Механизированная загрузка изделий в АУКГ считается одной из сложных операций, связанных с ориентацией изделий и последовательной подачей на позицию герметизации с необходимой точностью. С появлением роботизированных комплексов и манипуляторов эта операция становится более реализуемой, так как роботы, как правило, отличаются достаточно высокой степенью позиционирования.
Сравнительно легко в АУКГ загружают цилиндрические изделия и трубы, используя их естественное движение по наклонной плоскости. Именно таким образом построена загрузка в АУКГ при испытании на герметичность металлических банок. Их поочередная подача на позицию герметизации осуществляется системой рычагов и отсекателем.
В качестве примера, иллюстрирующего возможность применения робота в конкретном процессе, рассмотрим технологию контроля герметичности изделий в форме полого цилиндра, наружную поверхность которого (а в необходимых случаях и внутреннюю) можно использовать в качестве поверхности захвата при загрузке-разгрузке. Следует обратить внимание на расчет усилия захвата, нижний предел величины которого определится массой и габаритными размерами контролируемого изделия, а верхний может быть
определен его недостаточной жесткостью либо особыми требованиями к шероховатости поверхности, выбранной в качестве захватной.
В отличие от загрузки, которая возлагается на манипулятор, герметизация заключается в придании внутренней полости трубы замкнутого объема на некоторое необходимое для контроля время и выполняется отдельно смонтированным пневмоцилиндром. Это связано с тем, что герметизирующий элемент должен большую часть контрольного цикла обеспечивать необходимое стабильное осевое усилие на трубу и занимать при этом статичное положение, что для исполнительной системы любого робота малопривлекательно.
Высвободив таким образом схват манипулятора, его используют в качестве конструкции, несущей чувствительные элементы и, значит, непосредственно участвующей в основной операции контроля. При этом разработчику необходимо решать задачу конструктивного плана по созданию универсального схвата, способного обеспечить надежную фиксацию изделия и быть базой для размещения датчиков. Для реализации прямолинейных траекторий, каковой может быть траектория схвата в процессе контроля по длине трубы, конечно, предпочтительнее роботы с декартовой координатной системой.
По окончании контроля схват манипулятора выполняет разгрузку контрольной позиции с последующей разбраковкой. В данном случае, очевидно, необходимо применить двухпозиционный выход, одна из позиций которого (например, для годных деталей) может быть объединена конструктивно со входом, а другая (для брака) выполнена как отдельный элемент. В последующем подобные манипуляции повторяются с очередной трубой.
При выборе для решения задачи того или иного типа робота, обеспечивающего весьма протяженные траектории манипулирования, следует выполнить условия перекрытия зон, что возможно только при
КОНСТРУКТИВНО-МОДУЛЬНЫМ ПРИНЦИП ПОСТРОЕНИЯ АУКГ
253
определенных диапазонах перемещения манипулятора по каждой из его степеней подвижности.
Выбор компоновочной схемы роботизированного комплекса, являясь вопросом комплексным, учитывающим целый ряд подчас противоречивых факторов, предусматривает проработку других возможных вариантов с последующим их сравнением.
Модули программного управления АУКГ. Согласованная работа всех механизмов АУКГ обеспечивается модулем программного управления. В автоматизированных течеискательных устройствах используются три вида модулей управления: электромеханический, электронный и пневматический. Электромеханический модуль программного управления, как правило, выполняется на базе серийного блока КЭП-12У, выходные цепи которого соединены с исполнительными элементами АУКГ. Такой модуль прост в наладке, но ненадежен в работе.
Наибольшее применение в АУКГ в настоящее время нашли электронные модули на базе интегральных схем и пневматические модули на основе мембранных и струйных логических элементов.
Перевод автоматизированного оборудования на управление с помощью микропроцессорной техники в сочетании с адаптивными алгоритмами управления позволяет обеспечить максимальную эф
фективность и надежность эксплуатации.
Для построения электронных модулей управления на основе МПК используют наборы микросхем сер. К580. Типовой МПК включает в себя следующие основные элементы (рис. 16.12): микропроцессор (МП) 7; запоминающее устройство (ЗУ) 2, которое может содержать оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) и перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство (ППЗУ); устройства связи с объектом (УСО) 3, обеспечивающие цифровой ввод-вывод данных через согласующие устройства, АЦП и диалого-цифровой преобразователь (ДЦП); устройство индикации, регистрации, контроля и общения с оператором (УИ) 4.
Алгоритмическое и программное обеспечение МПК должно обеспечивать реализацию всех необходимых функций управления автоматом контроля герметичности (АУКГ) по заданной программе через дискретные входы-выходы, измерение и анализ аналогового сигнала, вызванного течью на фоне шумов и дрейфа.
В функции МПК входят ввод, проверка правильности и редактирование программ пользователя под конкретное изделие, настройка АУКГ по введенной программе в пошаговом режиме под управлением оператора, работа в автоматическом режиме по заданной программе.
Рис. 16.12. Принципиальная схема типового МПК
254 Глава 16. ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНЫЙ КОНТРОЛЬ ГЕРМЕТИЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ
Особенностью программного обеспечения МПК является введение в список команд инструкций обработки аналогового сигнала по сложным алгоритмам. Сложность обработки заключается в том, что сигнал имеет большой динамический диапазон, при этом необходимо измерять приращение малого сигнала на большом фоновом смещении с большим дрейфом, что требует большой разрядности АЦП и применения программ вычислений с длиной слова в 24 разр.
МПК выполнен на базе однокристальной микроЭВМ КР1816ВЕ35, имеющей в составе восьмиразрядное АЛУ, ОЗУ емкостью 64 байта, таймер-счетчик и порты ввода-вывода. Применение данной микроЭВМ позволяет уменьшить размеры МПК и снизить потребляемую мощность.
В автоматическом режиме МПК после нажатия клавиши «Пуск» выполняет введенную программу до нажатия клавиши «Стоп» или до появления в программе команды «Останов», после чего выполнение программы прерывается до следующего нажатия клавиши «Пуск».
Большое влияние на результаты контроля оказывает изменение фонового сигнала течеискателя. Основная составляющая фонового сигнала определяется выделением пробного газа из элементов газовой испытательной системы. Для снижения влияния фона на величину полезного сигнала от течи в программу обработки выходного сигнала течеискателя входят фильтрация шумов и дифференцирование сигнала, анализ его уровня и скорости изменения.
Пробный газ не подается, пока эти параметры не придут в соответствие с заданными. Затем определяется разница между линейно аппроксимируемым фоновым сигналом и сигналом течеискателя от предполагаемой течи. Полученное приращение сигнала сравнивается с заданным пороговым значением параметра величины течи. При превышении порогового уровня устанавливается выходной сигнал «Брак», в противном случае - «Годен».
Погрешность в определении величины индицируемой течи при этом зависит в основном от погрешности аппроксимации фонового сигнала.
16.4. СХЕМЫ И КОНСТРУКЦИИ АУКГ
Автоматизированные установки контроля герметичности (АУКГ), используемые для испытания массовой продукции на герметичность, сегодня все чаще начинают применяться не только на испытательных станциях, но и в составе технологических линий.
АУКГ должны обладать необходимым для данного изделия порогом чувствительности, требуемой производительностью, соответствующей производительности основной технологической линии; достоверностью испытаний, соответствующей степени ответственности изделия.
Порог чувствительности испытаний по ГОСТ 26790-85 определяется минимальным количеством пробного вещества, вызывающим видимое изменение указателя отсчетного устройства. В современных АУКГ порог чувствительности в значительной мере зависит от их производительности и колеблется от 1 • 102 до 5 х X 1О’10 м3 • Па/с.
Производительность АУКГ определяется по формуле
У = 60п/Тц, где п - число изделий, контролируемых в течение одного цикла; Тц - продолжительность цикла.
Как видно из формулы, производительность АУКГ может возрастать с увеличением количества одновременно проверяемых изделий и уменьшением времени цикла.
Современные АУКГ имеют производительность от нескольких контролируемых изделий до сотен изделий в минуту.
Наконец, достоверность испытаний оценивают ошибками первого и второго рода (браковка годных изделий и пропуск
СХЕМЫ И КОНСТРУКЦИИ АУКГ
255
негерметичных изделий в партию годных). В формировании этого обобщенного параметра участвует много факторов. Наиболее существенные из них - точность измерения величины утечки, надежность и помехоустойчивость работы всех устройств и блоков, производительность контроля и т.д.
А У КГ первого класса. Многофункциональные АУКГ первого класса конструктивно состоят из неподвижных модулей герметизации, а также модулей подготовки газов, регистрации и схемы управления.
Неподвижность модуля герметизации упрощает конструкцию и эксплуатацию установок и одновременно отличает их от установок контроля герметичности (УКГ) других классов. В то же время эта особенность конструкции является сдерживающим фактором при создании многопозиционных устройств, снижает возможность их использования непосредственно в технологических линиях. Устройства первого класса выполняются, как правило, стендовыми, с небольшим числом испытательных позиций. Режим работы установок непрерывно-дискретный. Это достигается за счет программирования всех операций УКГ. Производительность УКГ первого класса определяется прежде всего длительностью цикла одной испытательной позиции. В ряде случаев отдельные операции испытаний могут быть совмещены.
Масс-спектрометрическое промышленное устройство типа ПКГ-МсЗ. Устройство предназначено для контроля герметичности сильфонных узлов приборов, отличающихся по конструкции и габаритным размерам.
Устройство двухпозиционное. Это позволяет одну испытательную позицию настраивать на контроль герметичности изделий одного вида, а другую позицию -на проверку герметичности изделий другого вида. Устройство позволяет определять место расположения локальных течей.
Все узлы и блоки УКГ типа ПКГ-МсЗ смонтированы на сварной раме. Течеискатель типа ПТИ соединен переходником с блоком вакуумных клапанов. Сильфонные контролируемые узлы устанавливаются в узлы герметизации. Г ерметизирующие камеры приводятся в движение пневмоприводом. В нижней части рамы расположены блок вакуумных насосов и блок управления.
Испытание каждого сильфонного узла включает несколько операций. Последовательность проведения операций, а также осуществление сигнализации и логических переключений выполняются с помощью блока автоматического управления.
Кроме операций загрузки, выгрузки изделий все операции контроля проводятся в автоматическом режиме. Циклограмма работы устройства представлена на рис. 16.13.
Цикл работы устройства складывается из типовых основных и вспомогательных операций и составляет 2,5 мин. Операции высоковакуумной откачки (поз. 3), контроля (поз. 5) и подачи гелия (поз. 4) частично совмещены. К вспомогательным операциям относятся загрузка изделий (поз. /) и продувка системы азотом (поз. 2).
Рис. 16.13. Циклограмма полуавтомата
256 Глава 16. ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНЫЙ КОНТРОЛЬ ГЕРМЕТИЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ
Рис. 16.14. Принципиальная схема пневмовакуумной системы
Принцип работы устройства проследим с помощью пневмовакуумной схемы (рис. 16.14).
Полуавтомат ПКГ-МсЗ, как видно из схемы, двухпозиционный. Обе позиции (/ и II) устройства работают по идентичной программе, но со смещением операции по времени в пределах цикла на 50 %.
Рассмотрим работу УКГ на примере первой испытательной позиции. После загрузки оператором в узел герметизации I контролируемого сильфонного узла происходит одновременное уплотнение камеры 3 и узла. При открытом клапане К4 коллектор испытательной позиции 4 и камера продуваются азотом. Это снижает начальный фоновый сигнал течеискателя, возникающий после контроля сильфонных узлов с большими потоками гелия. В установке предусмотрена автоматическая компенсация фонового сигнала в каждом цикле контроля. Это позволяет контролировать сильфонные узлы с заданной чувствительностью вне зависимости от величины фонового сигнала.
Для проверки чувствительности контроля и оценки величины регистрируемых течей установка снабжена изделиями -эталонами с калиброванными капилляр
ными течами. Эти изделия периодически в процессе работы и при наладке используются для проверки работоспособности установки. Одной из особенностей установки является то, что с помощью гелиевого обдувателя на ней можно находить место сквозного дефекта. Определение мест течи в контролируемых изделиях является преимуществом установки ПКГ-МсЗ. Это расширяет ее функциональные возможности.
После загрузки сильфонных узлов клапан К4 закрывается, открывается клапан и начинается создание форвакуума в изделии. Когда предварительный вакуум в испытательной системе достигнет 5 х х 10"2 мм рт.ст., клапан Ki закрывается, открывается клапан К2 и проводится высоковакуумная откачка до создания в испытательной системе вакуума 5 • 10“5 мм рт.ст. Затем открывается клапан К3 и сильфонный узел соединяется с вакуумной системой течеискателя 5. Через клапан Л*5 в камеру узла герметизации, где находится контролируемый сильфонный узел 2, подается пробный газ (гелий). При наличии течи гелий проникает через дефект в вакуумную систему и на регистраторе течеискателя 5 появляется сигнал,
СХЕМЫ И КОНСТРУКЦИИ АУКГ
257
пропорциональный величине течи. По окончании контроля клапаны Л*3, К5, К2 закрываются, вновь открывается клапан и в сильфонный узел напускается азот.
Технические характеристики устройства ПКГ-МсЗ
Производительность, изде-лий/ч...................... 60
Порог чувствительности,
м3 • Па/с:
к потоку гелия (в режиме наладки)................ 5 • 10-11
в автоматизированном ре-
жиме ................... 1 • Ю"1 ...
5 • 10~9
В связи с внедрением устройства типа ПКГ-МсЗ в цехе по производству сильфонных узлов пересмотрена технология их испытаний с заменой длительных операций контроля герметичности (до 20 сут) на масс-спектрометрический метод контроля герметичности с циклом 2,5 мин.
Установка для контроля герметичности изделий радиоэлектронной аппаратуры (РЭА). Эта однопозиционная установка универсальна и может использоваться как в производственных целях, так и для различных исследовательских работ по контролю герметичности изделий РЭА. Сменные узлы герметизации, возможность
работы способами щупа, обдува, камерным, наличие блока заполнения изделий технологическим и пробным газами позволяют применять установку для контроля герметичности изделий различных номенклатуры и объемов - от долей миллилитра до десятков литров.
Пороговая чувствительность установки в автоматизированном режиме 3 • 10~9 м3 • Па/с при производительности до 50 микросборок/ч.
Пороговая чувствительность к потоку гелия не хуже 1 • 10-11 м3 • Па/с обеспечивается в ручном режиме работы.
Конструктивно все узлы и блоки установки (рис. 16.15) смонтированы на одном сварном каркасе. Каркас закрыт легкосъемным кожухом. На верхней плоскости каркаса устанавливается сменный узел герметизации изделий. Внутри каркаса расположены блок вакуумных клапанов, блок управления и подготовки газов, высоковакуумный насос, два механических вакуумных насоса, вакуумметры, вспомогательный блок автоматизированных клапанов, электропневмоклапаны и другие элементы. Течеискатель подсоединяется через подвижный сильфонный узел.
Пневмовакуумная схема установки контроля герметичности изделий РЭА представлена на рис. 16.15.
Рис. 16.15. Принципиальная схема пневмовакуумной системы установки
9 - 8193
258 Глава 16. ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНЫЙ КОНТРОЛЬ ГЕРМЕТИЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ
Основными элементами схемы являются гелиевый масс-спектрометрический течеискатель 1 типа ПТИ-10, монолитный блок 2 вакуумных клапанов 3-9, механический насос 10 для создания форвакуума и паромасляный насос 11 в паре с механическим насосом 12 для создания высокого вакуума. Пробный газ - гелий и технологический - азот подаются из баллонов через клапаны 13 и 14. Атмосферный воздух на продувку поступает из проточной вентиляционной системы через клапан 15. Величина форвакуума контролируется термопарным блокировочным вакуумметром 16 и 17 типа 13-BT3. Для контроля высокого вакуума используется электро-разрядный магнитный блокировочный вакуумметр 18 типа ВЭМБ-1 с самоочищающимся преобразователем ПММ-28. Контроль давления азота, гелия, разрежения в контролируемых изделиях проводится контактными манометрами 19, 20 типа ОБМ-2. К входам А - Г в зависимости от способа контроля подсоединяются камера 21, изделие, щуп, обдуватель и другие вспомогательные устройства.
Работой установки управляет программное устройство, принципиальная схема которого изображена на рис. 16.16.
От серии счетчиков 1 вакуума, давления гелия, азота, воздуха, протока воды, наличия изделия, тока накала сигнал готовности поступает на схему пуска, останова, синхронизации 2 и запускает счетчик импульсов 3.
В программном блоке 4 в зависимости от набранной программы и сигналов со схемы логики 5 выдаются команды на тиристорный блок 6 включения клапанов и других исполнительных устройств 7.
Блок 8 предназначен для индикации всех проводимых логических операций и результатов контроля. На схему логики 5 подаются преобразованные сигналы с термопарных вакуумметров 9, 10 и от контактных манометров //, 12. Выходной сигнал течеискателя 13 предварительно поступает на блок обработки сигналов 14. В нем происходят отделение фонового сигнала от полезного и сравнение с пороговым значением отбраковки изделий по потоку.
Структурная схема блока показана на рис. 16.17.
На входе блока стоит ограничитель 1 напряжения, предназначенный для защиты электронной схемы течеискателя и подачи через триггер 2 сигнала на прерывание цикла работы установки. Останов проведения операций необходим для снижения величины фона и более точной его компенсации. С ограничителя 1 сигнал подается на два симметричных входа дифференциального усилителя 3. При любом фоновом сигнале на его выходе получается нуль.
Выделение полезного сигнала начинается по управляющему сигналу на размыкание ключа 4. От имитатора фонового сигнала 5 на один из выходов дифферен-
Рис. 16.16. Программное устройство установки
СХЕМЫ И КОНСТРУКЦИИ АУКГ
259
Рис. 16.17. Структурная схема блока отбраковки изделий
циального усилителя 3 поступает напряжение, имитирующее фоновый сигнал. Имитатор 5 выполнен в виде переменной ЯС-цепочки, разряжаемой по закону, близкому к закону спада фона. На другое плечо дифференциального усилителя продолжает поступать опорное напряжение, отслеживающее выходной сигнал течеискателя. При несовпадении этих двух напряжений, а это происходит при наличии в выходном сигнале кроме фона полезной составляющей сигнала, т.е. сигнала от течи, на выходе дифференциального усилителя выделяется разностный полезный сигнал. Этот сигнал можно регистрировать подключением измерительного прибора 6. В автоматическом режиме сигнал поступает в предварительно настроенное на определенный уровень срабатывания пороговое устройство, включающее делитель 7 и компаратор 8. Уровень срабатывания порогового устройства определяется необходимым порогом отбраковки контролируемых изделий по потоку. С компаратора 8 нормализованный логический сигнал подается на выход и далее в блок управления или исполнительные устройства. Схема блока снабжена световым индикатором 9 и 10 сигнала «Брак».
Автоматизированная установка «МС-Турбо-1». Эта установка универсальна и может использоваться как в производственных целях, так и для различных исследовательских работ по отработке
технологии производства никель-водородных аккумуляторов (НВА).
Сменные узлы герметизации, возможность работы как камерным способом, так и способом щупа позволяют применять установку для контроля герметичности НВА различной номенклатуры.
Основные технические характеристики установки «МС-Турбо-Ь>
Пробный газ................. Гелий
Давление пробного газа в испытуемом изделии, МПа......... До 1
Минимальный регистрируемый поток гелия, м3 • Па/с...... 1 • 1О~10
Производительность, изделий/ч, не ниже..................... 40
Время подготовки к работе, мин 15
Конструктивно установка состоит из следующих основных частей: вакуумного поста; стойки приборов; пульта оператора.
Вакуумный пост смонтирован на сварном металлическом каркасе, закрытом легкосъемными крышками.
На верхней плоскости каркаса установлен узел герметизации с приводом. Внутри каркаса размещены турбомолеку-лярный насос (ТМН), форвакуумный насос (ФВН), вакуумные клапаны, масс-спектрометрическая камера, электропневмоклапаны, калиброванная гелиевая течь «Гелит-1».
В вакуумном посте находятся также реле давления воздуха и гелия, реле про
9*
260 Глава 16. ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНЫЙ КОНТРОЛЬ ГЕРМЕТИЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ
тока охлаждающей ТМН воды, датчики форвакуумного и высоковакуумного давлений и элементы силового электрооборудования, содержащего вводный автоматический выключатель, а также автоматический выключатель и магнитный пускатель, служащие для управления и защиты трехфазного электродвигателя ФВН.
В стойке приборов размещены блок сопряжения контроллера с сильноточной нагрузкой, блок питания вакуумных клапанов, вакуумметры для измерения форвакуумного и высоковакуумного давлений. Там же установлен преобразователь частоты, питающий синхронный гистерезисный электродвигатель ТМН напряжением повышенной частоты.
На пульте оператора расположены мнемосхема, отражающая положение клапанов и насосов полуавтомата и позволяющая диагностировать отмену цикла контроля; программируемый микроконтроллер (ПМК), выполняющий функции управления установкой и обработки дефектоскопического сигнала; панели оперативного управления.
Как уже отмечалось, управление установкой и обработку дефектоскопического сигнала, являющегося основанием для принятия решения «Брак-годен», осуществляет специализированный блок - ПМК, выполненный на средствах микропроцессорной техники.
В функции блока входят считывание сигнала течеискателя и функциональных узлов автоматизированной установки; выдача команд на выход управления; ввод, проверка правильности и редактирование программ под конкретное изделие; настройка автоматизированной установки путем выполнения введенной программы в пошаговом режиме; работа в автоматическом режиме по заданной программе; автоматическое тестирование.
В основу схемно-конструктивных решений положен функционально-модульный принцип. Блок содержит микроЭВМ и аналого-цифровой преобразователь, клавиатуру с 24 функциональными
клавишами, девятиразрядный люминесцентный индикатор, интерфейсный модуль, плату ключей и светодиодов.
МикроЭВМ состоит из центрального микропроцессора на базе БИС типа КР580ИК80, системного контроллера, постоянной программируемой памяти, ОЗУ, схемы приоритетного маскируемого прерывания, каналов приема-передачи и прямого доступа к памяти.
Достоинством установки «МС-Тур-бо-1» с рассматриваемой системой управления является возможность быстрой смены алгоритма контроля и регистрации дефектоскопического сигнала непосредственно с приемника ионов масс-спектрометрической камеры, так как в состав системы входит усилитель на микросхеме КР544УД1А.
Число входов: дискретных 16, частотных 1, аналоговых 4; выходов: дискретных 16, частотных 1, аналоговых 1. При необходимости регистрации результатов контроля в систему может быть включено малогабаритное печатающее устройство.
В процессе работы блок находится в следующих режимах: пуска; ожидания; ввода, проверки и редактирования программ; пошагового функционирования; автоматической работы.
В режиме пуска после включения питания микроЭВМ осуществляет установку внутренних регистров, тестирование всех узлов блока и программы. При отсутствии нарушений в работе блок из режима пуска переходит в режим ожидания, в противном случае включается светодиод «Авария» и индицируется код ошибки.
В режиме ожидания блок пребывает до ввода с клавиатуры кода перевода в одном из основных режимов.
В режиме ввода осуществляются ввод программ с клавиатуры и индикация их на цифровом индикаторе, проверка правильности введенной программы и ее исправление.
В пошаговом режиме выполняется только одна команда. Это позволяет про
СХЕМЫ И КОНСТРУКЦИИ АУКГ
261
верить правильность составления программы и функционирования автоматизированной установки на каждом шаге.
В автоматическом режиме после нажатия клавиши «Пуск» блок выполняет введенную программу до нажатия клавиши «Стоп» или до появления в программе команды «Останов».
На результаты контроля сильно влияет изменение фонового сигнала течеискателя. Основная составляющая фонового сигнала определяется выделением пробного газа из элементов газовой испытательной системы. Для снижения влияния фона на величину полезного сигнала от течи в программу обработки выходного сигнала с масс-спектрометрической камеры (МСК) входят фильтрация шумов и дифференцирование сигнала, анализ его уровня и скорости изменения.
Пневмовакуумная схема установки «МС-Турбо-1» (рис. 16.18) включает в себя вакуумные насосы: пластинчатороторный NI для откачки испытательной камеры CV и создания форвакуума в линии предварительной откачки высоковакуумного насоса и турбомолекулярный NR для высоковакуумной откачки масс-спектрометрической S и испытательной камер. Для напуска атмосферного воздуха при выключении форвакуумного насоса
/V/ предусмотрен клапан УЕ5.
Контролируемое изделие герметизируется в испытательной камере с помощью пневмопривода 77. Коммутация вакуумных и пневматических магистралей осуществляется клапанами с электрическим и пневматическим приводами. Гелиевая течь А служит для калибровки испытательной системы и подключается к
ней с помощью клапана КЕ6 с ручным управлением. Давление воздуха и гелия контролируется манометрическими датчиками Р1 и Р2, форвакуумное давление в испытательной системе - тепловым вакуумметром РТ, высоковакуумное - магнитным вакуумметром РМ.
Кратко рассмотрим работу составных частей установки в цикле контроля. Исходное состояние клапанов: открыты УР3 - УР5, остальные закрыты.
Затем открываются клапан УРХ и ФВН и откачивается испытательная камера, в это время клапан УР4 закрыт. Если в изделии нет грубых течей, клапан УР4 открывается и в изделие через клапан УЕХ подается пробный газ - гелий. В случае наличия течей в изделии он противотоком через ТМН проникает в масс-спектрометрическую камеру, где индицируется. ТМН в этот период имеет максимальную частоту вращения для повышения степени сжатия с целью недопущения попадания боль
шого количества гелия в масс-спектромет
Рис. 16.18. Принципиальная схема пневмовакуумной системы установки
262 Глава 16. ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНЫЙ КОНТРОЛЬ ГЕРМЕТИЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ
рическую камеру. Окончательный контроль проводится по прямотоковой схеме: закрывается открывается VP2, на период откачки испытательной камеры ТМН временно закрывается ИР3.
После завершения контроля клапан VEX закрывается, гелий из изделия удаляется через клапан VE2 эжекторным насосом NH. На время открываются клапаны VE3 и КЕ4, создавая по обе стороны от изделия атмосферное давление. Изделие разгерметизируется и выгружается из ка
меры.
Все операции цикла, за исключением загрузки-разгрузки изделия, автоматизированы. Последовательность проведения операций обеспечивается специальным микропрограммируемым контроллером (МКП), установленным на пульте оператора.
С учетом большой номенклатуры контролируемых на установке изделий и разных требований по герметичности разработано несколько алгоритмов работы установки.
На рис. 16.19 представлена укрупненная блок-схема алгоритма, реализую-
Расчет величины сигнала от потока Ad = az- аф
Рис. 16.19. Схема алгоритма работы установки
СХЕМЫ И КОНСТРУКЦИИ АУКГ
263
16
25, 26
г17--------1----------
Г Герметизация изделия
-18 ... 1— —
Форвакуумная откачка испытательной камеры
Г19-------*-----------
Измерение давления в испытательной камере
[Разгерметизация изделия
—28------*---------
Переход системы в исходное состояние п ~ п max
Да ^29*----1
—<^Очередное изделие?
20 Контроль наличия^. Да в изделии грубых ?>~" течей?
г-ЗО------*--------
Отключение катода
гелия в изделие
•—31-----1---------
| Отключение ФВН
22 Контроль наличия да в изделии больших
ч течей (противоток)?/^
—32------*---------
Частотное торможение
________ТМН
г—33-----1—
I Останов ТМН
г23-------1---------
Переход на прямотоковую схему
Нет 24 Контроль наличия в изделии течей?
,а
25 Годен /Брак
Рис. 16.19. Продолжение
щего способ контроля. В алгоритме можно выделить пять блоков операций, каждый из которых выполняет определенные функции: первый блок (операции 1 - 4) -пуск установки; второй блок (операции 5 -10) - калибровку; третий блок (операции 11 - 16) - самодиагностику; четвертый блок (операции 17 - 28) - контроль; пятый блок (операции 29 - 33) - останов установки.
В том случае, когда требуется провести испытание с более высокой производительностью, но с менее высоким порогом чувствительности (до 1 • 10 9 м3 х х Па/с), применяется алгоритм, при кото
ром предусматривается окончательный контроль по противотоковой схеме.
АУКГ второго класса. В соответствии с основным классификационным признаком в устройствах контроля герметичности второго класса контролируемое изделие в процессе контроля герметичности перемещается периодически с остановками. Перемещение изделий вызвано необходимостью уменьшить время подготовительных операций и, следовательно, повысить производительность контроля. С этой целью применяются барабанные, роторные, конвейерные и другие механизмы, с помощью которых изделие, предваритель
264 Глава 16. ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНЫЙ КОНТРОЛЬ ГЕРМЕТИЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ
но установленное на испытательную позицию, перемещается на позицию герметизации. Дополнительно решается задача: обеспечить безопасную работу оператора, исключив необходимость загрузки изделия в зоне действия силового механизма. Высокая производительность контроля герметичности изделий достигается за счет многопозиционности установки и, как это будет видно из дальнейшего, многие из них имеют три - восемь испытательных блоков.
Масс-спектрометрическое полуавтоматическое устройство типа ПКГ-Мс2. Это устройство позволяет контролировать полые негерметизированные изделия объемом до 1000 см3. Оно выполнено в виде последовательно соединенных однотипных блоков и снабжено изделиями-образцами с калиброванными капиллярными течами для периодической проверки работоспособности устройств в процессе их эксплуатации.
Устройство ПКГ-Мс2 объединяет четыре основных функциональных модуля: модуль управления, измерительный преобразователь, модуль контрольных позиций и вакуумный модуль, включающий ФВН и высоковакуумный насос. В состав вакуумного модуля входят также различные вспомогательные элементы и узлы: вентили, вакуумные датчики, аккумулирующие емкости и т.д. Для предварительной подготовки вакуума в системе течеискания применяется дополнительный блок насосов. Установка снабжена калиброванной течью. Каждая из четырех контрольных позиций имеет прижимное устройство, обеспечивающее одновременную герметизацию полостей изделия и гелиевой камеры. В блок контрольных позиций входит также узел разбраковки изделий по степени герметичности.
В установке четыре прижимных герметизирующих устройства, каждое из которых включает две камеры (нижнюю и верхнюю) и пневмопривод. Контролируе
мое изделие помещается в нижнюю камеру и затем с помощью пневмопривода герметизируется по двум плоскостям. Загрузка изделий осуществляется в положении герметизирующего устройства, исключающего случаи травматизма при герметизации изделий.
Все операции, связанные с подготовкой изделия к контролю, сам процесс контроля, анализ его результатов, выгрузка и разбраковка изделий по степени герметичности автоматизированы. В задачу оператора входит только ручная загрузка изделий в испытательные камеры. Новым в работе автомата является способ разбраковки изделий. Отбраковка по степени герметичности проводится в три этапа:
1) предварительная отбраковка изделий с большими газовыми потоками -осуществляется по изменению давления в форвакуумном коллекторе, что свидетельствует о наличии очень грубых дефектов;
2) предварительная отбраковка изделий по изменению давления в высоковакуумном коллекторе;
3) контроль остальных изделий, когда полость изделия подсоединяется к вакуумной системе течеискателя, а в испытательную камеру подается пробный газ (гелий) и течеискателем фиксируется истечение гелия через имеющиеся микродефекты.
При сигналах с вакуумметров ВИТ-3 и ВЭМБ-Ш о нарушении вакуумного режима, а также с ПТИ-7А о превышении допустимого предела истечения гелия блок автоматической разбраковки подает сигнал на включение бракующего механизма и изделие поступает в партию бракованных. Герметичные изделия попадают в партию годных. Некоторые операции контроля в соответствии с программой совмещены. Так, например, когда на первой контрольной позиции осуществляется контроль, на других позициях происходят предварительные операции (создание форвакуума; высокого вакуума).
СХЕМЫ И КОНСТРУКЦИИ АУКГ
265
Технические характеристики устройства типа ПКГ-Мс2
Производительность контроля, шт./ч........................ 200
Размеры испытательной камеры, мм:
высота..................... 100
диаметр.................... 150
Пороговая чувствительность установки по гелию, м3 • Па/с. 1 • 10-11
Верхний предел отбраковки по потоку гелия в автоматизированном режиме.................... 5 • 10~9
Манометрическое полуавтоматическое устройство типа ПКГ-Ф2. Устройство ПКГ-Ф2 отличается от ПКГ-Ф1 конструктивным исполнением и выполнено в виде стационарной конструкции с восемью независимыми испытательными блоками, работающими последовательно.
На рис. 16.20 показана одна из рабочих испытательных позиций восьмипози
ционного устройства последовательного действия типа ПКГ-Ф2.
В сварном металлическом каркасе 1 все восемь позиций устройства расположены в ряд по фронту и обслуживаются одним оператором. Изделия в блок контроля загружаются вручную, все остальные операции, включая разбраковку, осуществляются автоматически.
Испытательная рабочая позиция включает в себя устройство герметизации 2, золотник управления 3, клапан впуска 4, клапан разобщения 5, датчик 6, электромагниты управления 7 и соединительные трубки с арматурой. Устройство 2 предназначено для герметизации контролируемого изделия 8 посредством уплотнителя 13 с помощью пневмоцилиндра 9, съема и сброса проверенных изделий на разбраковку. Рычаги 14 для захвата изделия разжимаются упорами 15 при опускании головки вниз, а для сброса на разбраковку -упорами 16.
Рис. 16.20. Конструкция манометрического полуавтомата типа ПКГ-Ф2
266 Глава 16. ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНЫЙ КОНТРОЛЬ ГЕРМЕТИЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ
Основание 11 всегда прижимается к упору 17 пружиной 18. Чтобы вынести зону установки изделий на контроль за пределы герметизации, основание 11 выполнено поворотным. Поворот осуществляется посредством тяги 79, связанной с основанием, которая перемещается в результате воздействия верхней камеры 10 на упор тяги 20.
Датчик снабжен электродвигателем 27 с винтовым приводом 22 для перемещения каретки 23 с фотоэлектрическим устройством 24. Каретка передвигается вдоль трубки микроманометра 25 по направляющим.
При разбраковке изделия сбрасываются на лоток 26, с которого они скатываются в ящик 27 для бракованных изделий (если заслонка 28 открыта) или на ленту транспортера 29, если изделия являются годными.
Питание устройства сжатым воздухом происходит через коллектор 30. На лицевой панели устройства смонтировано световое табло «Изделие - брак», «Неисправность». В правой части устройства размещается панель, на которой расположены все органы управления, тумблеры и приборы.
Для управления всеми органами устройства предусматривается блок, размещенный в специальном шкафу.
Работает устройство типа ПКГ-Ф2 следующим образом. После загрузки изделий в блок герметизации включается электромагнит управления золотником 3, в результате чего шток пневмоцилиндра вместе с камерой 10 и рычагами 14 опускается вниз, а основание под действием пружины возвращается в исходное (вертикальное) положение. При подходе к контролируемому изделию захваты, наталкиваясь своими выступами на упоры 75, разжимаются и захватывают изделие, которое имеет в верхней части небольшой уступ. Воздух в измерительную систему впускается при включенном клапане 4 и открытом клапане разобщения 5. Затем клапан 4 закрывается и делается выдержка
в течение нескольких секунд для распределения давления.
По окончании выдержки клапан разобщения 5 закрывается, разделяя измерительную систему на две полости, и дается команда на нахождение исходного уровня жидкости. В конце измерения дается команда на разбраковку. При этом, если изделие было не герметично, жидкость в микроманометре 25 переместится по трубке вверх и фотоэлектрическое пороговое устройство датчика 6 выдаст сигнал «Изделие - брак». Срабатывает электромагнит 7 привода заслонки брака 28, которая при этом поднимается.
Если контролируемое изделие герметично, то уровень жидкости в трубке микроманометра остается в первоначальном положении, а фотоэлектрическое устройство по истечении установленного времени контроля выдает сигнал «Изделие годное», при котором заслонка находится в опущенном положении. По окончании измерения электромагнит 7 привода золотника отключается и золотник 3 под действием пружины перемещается вниз. Воздух из сети начинает поступать под поршень пневмоцилиндра 9. Происходит разжим, при котором камера 10 поднимается вверх, увлекая своими захватами 14 контролируемое изделие. Захваты 14, двигаясь вверх, проходят откидные упоры 75, а затем наталкиваются на неподвижные упоры 16 и разжимаются. При этом изделие падает в лоток 26, по которому оно скатывается или на ленту транспортера 29 или в ящик бракованных изделий при поднятой заслонке, если изделие - брак.
Устройство предназначено для проверки герметичности малогабаритных изделий объемом 100 ... 200 см3, диаметром 60 ... 80 мм. Производительность устройства 960 деталей / ч при общем цикле контроля 30 с.
А УКГ третьего класса. В установках этого класса контролируемое изделие перемещается непрерывно, без остановок и, как правило, совместно с узлом герметизации. Реализация этого принципа позволяет обеспечить высокую производитель
СХЕМЫ И КОНСТРУКЦИИ АУКГ
267
ность испытаний и лучшие условия для надежной герметизации изделий. Повышенная чувствительность испытаний в этом случае достигается благодаря накоплению пробного газа в течение всего периода перемещения контролируемого изделия.
Автоматизированная установка для контроля герметичности аэрозольных упаковок. При производстве аэрозольных упаковок (АУ) их качество определяется в основном по результатам испытания на герметичность. Несмотря на высокую производительность имеющихся и вновь проектируемых технологических линий по выпуску препаратов в аэрозольном заполнении (до 200 шт./мин и более), контроль герметичности проводится пузырьковым способом в обогреваемой водяной ванне, которая не отвечает современным требованиям производства вследствие активного коррозирующего воздействия, высоких энергозатрат на ведение процесса и субъективности контроля.
Автомат для контроля герметичности АКГ-Гл предназначен для испытания на герметичность клапанного узла в цельнотянутых АУ. В качестве датчика утечки газовой фазы из баллона используется чувствительный элемент (ЧЭ) галогенного течеискателя ГТИ-6. В связи с требованиями пожаровзрывобезопасности производства датчик выполнен во взрывобезопасной оболочке, имеет взрывобезопасный уровень взрывозащиты и маркировку по взрывозащите IExIIBT4. Измерительный блок, работающий в комплекте с датчиком, устанавливается вне взрывоопасного помещения.
В связи с опасностью отравления датчика контроль проводится в два этапа. На первом этапе выявляются и отбраковываются изделия, имеющие большие течи, на втором контроль ведется с заданной чувствительностью.
Установка состоит из двух блоков (грубого и тонкого брака) и измерительной стойки (рис. 16.21). Блок грубого брака крепится непосредственно на конвейе
ре, блок тонкого брака представляет собой восьмипозиционный модуль роторного типа. Контроль на каждом этапе осуществляется двумя датчиками, работающими попеременно. Переключение датчиков на участке тонкого брака происходит после контроля каждой упаковки, а на участке грубого брака - по факту брака. С целью восстановления чувствительности нерабочий датчик в блоке грубого брака продувается струей заведомо чистого воздуха.
Для снижения флюктуации фонового сигнала и более быстрого восстановления чувствительности датчика после контактирования с фреоном, вытекающим через дефекты АУ, в электрической схеме течеискателя имеется система обратной связи, подавляющая медленные отклонения фонового сигнала от нулевой линии путем регулирования тока накала ЧЭ. Пороговое значение скорости изменения фонового сигнала, приводящее к изменению тока накала, регулируется. В связи с загрязненностью воздуха производственного помещения фреоном ЧЭ в блоке тонкого брака частично изолируются от окружающего объема с помощью кожуха, выполненного из оргстекла, под которым поддерживается небольшое избыточное давление чистого воздуха.
Испытания на герметичность производятся следующим образом. Аэрозольные упаковки /, находящиеся на конвейере 2, поступают в блок грубого брака 3. При наличии брака выходной сигнал течеискателя ГТИ сравнивается пороговым устройством ПУ с заданными значениями, при превышении его преобразуется электропневмопреобразователем ПП в пневматический. Бракованные баллоны удаляются автоматически в бункер «Брак» с помощью пневмоцилиндра 4. Управление пневматическими импульсами осуществляется логической схемой, собранной из элементов струйной пневмоавтоматики. Исполнительные импульсы усиливаются до 1 атм пневмоусилителями. Чувствительность контроля на этом этапе составляет 0,5 м3 • Па/с. Изделия, признанные
268 Глава 16. ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНЫЙ КОНТРОЛЬ ГЕРМЕТИЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ
Рис. 16.21. Схема роторного автомата контроля АУ
годными на этом этапе, продолжают движение по конвейеру. У блока тонкого брака 5 упаковки захватываются звездочкой 6 и, прижимаясь к блоку турникетов 7, подаются на позицию I ротора 8. При перемещении баллона с позиции / на позицию II его клапанная часть закрывается камерой под действием толкателя, который перемещается вдоль кулачка. На позиции /// происходит накопление пробы под камерой, на позиции IV изделия контролируются так же, как на этапе грубого брака. После позиции IV высота кулачка уменьшается и камера вместе с толкателем под действием пружины поднимается. На позициях V и VI происходит ориентация изделий для перемещения их на конвейер. С позиции VII звездочка 9 помещает изделие на конвейер. Позиция VIII остается свободной.
Для настройки чувствительности и контроля работоспособности автомата применяется калиброванная течь, заполненная фреоном-12. Установка предназна
чена для контроля АУ диаметром 45 мм и высотой 145 мм. Контроль баллонов других типоразмеров может осуществляться после перемонтажа звездочек и толкателя.
Основные технические характеристики автомата АКГ-Гл
Порог чувствительности по
потоку фреона-12, м3 • Па/с 7 • 10-6 Число датчиков........... 4
Кинематическая производительность, шт./мин....... 60 ... 120
Время контроля, с......... 0,2
Потребляемая мощность (общая), кВт, не более...... 1
Габаритные размеры, мм... 1420 х 745 х
х 705
Масса, кг, не более...... 400
Применение’ автоматизированной установки АКГ-Гл позволяет повысить достоверность контроля, продлить срок хранения АУ, сократить трудовые и материальные затраты, улучшить условия труда.
ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНЫЙ КОНТРОЛЬ ГЕРМЕТИЧНОСТИ
269
16.5. ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНЫЙ КОНТРОЛЬ ГЕРМЕТИЧНОСТИ
МАЛОГАБАРИТНЫХ ИЗДЕЛИЙ В ЗАМКНУТОЙ ОБОЛОЧКЕ
Первые автоматы и автоматизированные установки для контроля герметичности изделий в замкнутой оболочке были ориентированы на масс-спектрометрический метод, поскольку требования к герметичности таких изделий, как интегральные микросхемы, полупроводниковые приборы, резонаторы и т.п., достаточно высоки. В начале 60-х годов прошлого века в связи с развитием массовых производств подобных изделий первые образцы автоматов уже внедрялись на промышленных предприятиях.
Первый автомат такого типа АКГМ-1 обеспечивал возможность контроля герметичности изделий диаметром 12,5 мм и длиной до 50 мм с верхним пределом обнаружения течей до 5 • 10-11 м3 • Па/с при производительности 300 проверок/ч.
Технология контроля герметичности замкнутых изделий предусматривает предварительную их опрессовку в среде гелия для введения пробного газа в полость негерметичных изделий с последующей регистрацией утечек.
Конструктивно автомат выполнен на базе течеискателя ПТИ-6, соединенного с вакуумно-механической системой и со стойкой управления. Контролируемые изделия поштучно или партиями размещаются в специальных гильзах цилиндрической формы, которые уплотняются на рабочей позиции вакуумно-механической системы с помощью механического прижима. На позицию контроля гильзы подаются путем их поочередного скатывания по наклонной плоскости из кассеты, содержащей 150 ... 200 шт. Посредством кулачкового распределительного устройства обеспечивается автоматическое программирование вакуумных операций: откачка гильз до форвакуумного давления, откачка на высокий вакуум, соединение с течеискателем, напуск воздуха. После контроля напуском воздуха гильза разуплотняется, по сигналу течеискателя открывается соответствующая заслонка и
гильзы с негерметичным изделием скатываются в бункер брака, а годные - в приемник годной продукции. Уровень разбраковки устанавливается с учетом требований к герметичности изделий при известной чувствительности течеискателя, контролируемой по течи «Гелит».
Надо отметить, что 100 %-ный контроль полупроводниковых приборов, который был проведен с помощью первых автоматов, показал высокий уровень брака по негерметичности (до 60 %). Это заставило разработчиков и производственников принять меры по улучшению технологии герметизации приборов, и в очень короткий срок брак был снижен до 10 %, а затем еще ниже.
За рубежом в это время ориентировались на опасный в серийном производстве радиоактивный метод контроля. Однако вскоре фирмы также обратились к масс-спектрометрическому методу и до настоящего времени выпускают специализированные автоматизированные течеискатели.
В годы, следующие за 1963 г., в отечественной практике происходило непрерывное совершенствование аппаратуры автоматизированного масс-спектрометрического контроля герметичности: расширение ее возможностей, повышение чувствительности и реальной производительности. Реальная производительность может отличаться от номинальной в сторону снижения тем больше, чем выше процент выявляемого брака, поскольку отбраковка связана с задержкой цикла контроля.
Для контроля герметичности малогабаритных изделий с замкнутыми оболочкам и последовательно разрабатываются новые модели автоматов сер. АКГМ: АКГМ-2, АКГМ-3, АКГМ-4 и УКГМ-2.
На рис. 16.22 показана типовая вакуумная схема этих автоматов. В отдельных моделях введены дополнительно или отсутствуют те или иные элементы, но принципиальная основа вакуумных схем остается одинаковой.
Вакуумно-механическая система автоматов работает следующим образом. На позиции загрузки в рабочую камеру по-
270 Глава 16. ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНЫЙ КОНТРОЛЬ ГЕРМЕТИЧНОСТИ ИЗДЕЛИИ
Рис. 16.22. Типовая вакуумная схема автоматов типа АКГМ
штучно или партиями загружаются контролируемые изделия. Камеры расположены на вращающейся карусели. Число камер в разных моделях различно.
Для расширения номенклатуры контролируемых изделий в последующих за АКГМ-1 моделях разработчики отказались от применявшихся в АКГМ-1 гильз для транспортировки изделий на позицию контроля. В автоматах АКГМ-2 и АКГМ-3 изделия из загрузочного бункера, представляющего собой вращающийся в горизонтальной плоскости барабан с 24 пазами, поступают в один из восьми стаканов (рабочих камер). Стаканы расположены на диске, совершающем прерывисто-вращательное движение в вертикальной плоскости. На позиции контроля стаканы надежно уплотняются посредством подпружиненного ползуна.
При повороте карусели рабочая камера 8 с загруженным в нее изделием приходит на рабочую позицию и вакуумно-плотно соединяется с вакуумной системой. Посредством кулачкового механизма вакуумно-механической системы открывается клапан 9 и проводится откачка камеры форвакуумным насосом 14. Давление измеряется преобразователем 13. После получения необходимого форвакуума автоматически закрывается клапан 9, открывается клапан 6 и продолжается откачка диффузионным насосом 75,
работающим в паре с форвакуумным насосом 77, изолируемым клапаном 16. В высоковакуумной системе автоматов всегда используется азотная ловушка 3. Затем клапан 6 закрывается, открывается клапан 4 и камера соединяется с течеискателем 7. Осуществляется контроль, после чего клапан 4 закрывается и через клапан 10 в камеру напускается воздух - происходят ее разуплотнение и перемещение на позицию выгрузки изделий. Клапан 5 (нормально закрытый) открывается для оперативного удаления гелия после контроля изделия с большой течью. При этом в автоматах обеспечивается задержка цикла контроля для снижения фонового сигнала течеискателя. На позиции выгрузки изделия автоматически разделяются на годные и брак. Отбраковка осуществляется с помощью электромагнитного сортировочного механизма, управляемого по сигналу течеискателя. Чувствительность автоматов контролируется по калиброванной течи «Гелит» 77, поток гелия которой подается вскрытием клапана 72.
Механическая система автоматов приводится в действие с помощью электропривода. Посредством кулачкового устройства и ряда блокировок обеспечивается остановка привода при аварийных ситуациях: ухудшении вакуума в течеи-скателе, сгорании или выключении катода, поступлении сигнала «Большая течь» и
ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНЫЙ КОНТРОЛЬ ГЕРМЕТИЧНОСТИ
271
т.п., причем остановка происходит в определенном месте кулачкового механизма, гарантируя безопасную позицию вакуумных клапанов. В автоматах при разбраковке изделия включается световая сигнализация, а если требуется вмешательство оператора, - световая и звуковая.
Автомат АКГМ-2 контролирует герметичность изделий диаметром 28 и длиной 120 мм с чувствительностью к потоку гелия 5 • 10 11 м3 • Па/с. Производительность контроля 300 проверок/ч. Пределы автоматической отбраковки 8 • 10"11 ... 1,3 • 10~7м3 Па/с.
В автомате АКГМ-3 благодаря введению ступени предварительной манометрической отбраковки существенно расширен диапазон отбраковки в сторону регистрации больших течей. Внешний вид и конструктивное оформление автомата аналогичны АКГМ-2.
Манометрическая отбраковка осуществляется путем регистрации всплеска давления при поступлении камеры с изделием, имеющим большую течь, на позицию откачки камеры. При этом вакуумметр по реакции преобразователя 7 (см. рис. 16.22) выдает бракующий сигнал на срабатывание исполнительного механизма, а также сигнал на нормально открытый электромагнитный клапан 2, установленный на входе течеискателя, для его перекрытия. Таким образом, течеискатель защищен от проникновения в него большого количества гелия. После откачки газа из соединительных коммуникаций электромагнитный клапан на входе течеискателя по команде вакуумметра с преобразователем 7 снова открывается и работа автомата продолжается практически без его остановки и снижения производительности. При отсутствии сигнала вакуумметра клапан на входе течеискателя постоянно открыт.
В автомате АКГМ-3 введена система автокомпенсации фонового сигнала течеискателя, что значительно повысило надежность регистрации малых течей. Автомат АКГМ-3 контролирует герметич
ность изделий тех же размеров с диапазоном разбраковки 8 • КГ11 ... 3 • КГ6 м3 • Па/с и производительностью 300 проверок/ч.
При разработке каждой новой модели автоматов типа АКГМ повышалась степень автоматизации процессов контроля, которая достигла наибольшей полноты в автомате АКГМ-4 (рис. 16.23). Этот автомат предназначен для включения в конвейерную линию производства полупроводниковых диодов. В нем полностью автоматизирован весь процесс контроля -начиная от забора изделий, заполненных гелием, с конвейера и кончая возвратом их на конвейер со счетом по результатам разбраковки годных и забракованных изделий с выдачей информации на собственные счетчики и в цеховую систему статистического контроля. Загрузка в рабочую камеру с регулировкой количества одновременно загружаемых изделий ведется автоматически из вибробункера, установленного над вакуумно-механической системой автомата. В автомате предусмотрено восемь камер-стаканов, располагающихся на поворотном диске. В рабочем цикле предусмотрен автоматический контроль качества уплотнения камеры на позиции контроля по давлению, достигаемому спустя фиксированное время после начала ее откачки.
В АКГМ-4 усовершенствована система манометрической отбраковки изделий с большими течами, что позволило еще более расширить диапазон регистрируемых течей.
В качестве датчика разбраковки в АКГМ-4 применен течеискатель ПТИ-7. Максимальная производительность автомата при индивидуальной разбраковке 300 шт./ч, возможен групповой контроль с регулировкой числа изделий в группе от одного до шести.
Автомат обеспечивает разбраковку диодов диаметром до 30 и длиной до 120 мм с диапазоном регистрируемых те-чей 4- 1Г11 ... 1 • 10~2м3Па/с.
272 Глава 16. ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНЫЙ КОНТРОЛЬ ГЕРМЕТИЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ
Рис. 16.23. Автомат контроля герметичности АКГМ-4
Годные приборы выгружаются автоматически с помощью элеваторного устройства, перегружающего приборы на конвейер.
Промышленность длительное время выпускала серийно установку контроля герметичности малогабаритных замкнутых изделий УКГМ-2. Эта установка, как и описанные выше автоматы, создана на основе масс-спектрометрического течеискателя, принцип ее действия, вакуумная и электрическая схемы, по существу, аналогичны рассмотренным ранее. Все операции цикла контроля автоматизированы, кроме операций загрузки и выгрузки изделий, проводимых вручную.
Установка состоит из масс-спектрометрического течеискателя, вакуумно-механической системы и стойки управления (рис. 16.24). Над поверхностью стола вакуумно-механической системы на крестовине расположены три рабочие камеры для размещения в них контролируемых изделий. Крестовина имеет прерывисто- вращательное дв ижение в горизонтальной плоскости. Оператор за
гружает в камеру изделие (чаще группу изделий), после поворота крестовины на 120° выполняется загрузка изделий в следующую камеру, первая камера уплотняется на рабочей позиции и автоматически проводятся операции подготовки к контролю и контроль в соответствии со схемой (см. рис. 16.22). После полного поворота крестовины оператор выгружает изделия, определяя результат контроля (брак - годные) по световому индикатору.
Установки УКГМ-2 многие годы эксплуатировались на предприятиях, выпускающих различные малогабаритные замкнутые изделия, обеспечивая контроль герметичности изделий, размеры которых не превышают 50 х 50 х 70 мм. Пороговая чувствительность 4 • 10 й м3 • Па/с, производительность 360 проверок/ч.
При контроле герметичности малогабаритных замкнутых изделий высокочувствительный контроль приходится дублировать пузырьковым методом для надежной отбраковки изделий с большими течами, поскольку через большие течи пробный газ может вытечь из изделия на
высокопроизводительный контроль герметичности
273
Рис. 16.24. Установка контроля герметичности УКГМ-2
этапе вылежки до момента контроля. Введение пузырькового метода - вынужденная и нежелательная мера, поскольку применяемые жидкости токсичны, а сам метод носит субъективный характер (регистрация пузырьков проводится визуально), его автоматизация крайне сложна и неэффективна.
Поэтому промышленность поставила перед разработчиками оборудования задачу: создать метод и аппаратуру контроля герметичности малогабаритных замкнутых изделий, обеспечивающих широкий диапазон выявляемых течей в едином цикле с высоким уровнем автоматизации. В результате проведенных разработок предложены два новых метода, позволяющих с высокой надежностью контролировать малогабаритные замкнутые изделия в требуемом диапазоне обнаружения течей от Ю10 м3 • Па/с до видимых невооруженным глазом сквозных дефектов в виде щелей и отверстий, легко обнаруживаемых при контроле внешнего вида изделий.
Один из них - диффузионно-магниторазрядный метод (ДМР метод) - осно
ван на последовательной регистрации гелия, вытекающего из негерметичного предварительно опрессованного изделия в откачанную рабочую камеру, соединяемую последовательно с двумя датчиками разбраковки: для отбраковки изделий с грубыми и малыми течами [11, 22].
Преобразователь ДМР индикатора представляет собой миниатюрный магниторазрядный насос, отпаянный при высоком вакууме. На входе преобразователя имеется мембрана из кварцевого стекла, проницаемого для гелия. Изменение парциального давления гелия на входе преобразователя приводит к изменению давления в его объеме, что вызывает соответствующее изменение разрядного тока.
Предложенный метод реализован с помощью разработанной автоматизированной установки контроля герметичности малогабаритных замкнутых изделий УТГША [22], которая состоит из вакуумно-механической и электрической частей. Принципиальная схема установки представлена на рис. 16.25, а на рис. 16.26 - ее внешний вид.
274 Глава 16. ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНЫЙ КОНТРОЛЬ ГЕРМЕТИЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ
Рис. 16.25. Принципиальная схема установки типа УТГША
в
Рис. 16.26. Установка контроля герметичности малогабаритных замкнутых изделий УТГША
ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНЫЙ КОНТРОЛЬ ГЕРМЕТИЧНОСТИ
275
На поворотном диске расположены восемь рабочих камер с двумя (верхней и нижней) автоматически открывающимися крышками. Размеры‘камер: диаметр 30, высота 10 мм. Над поворотным диском размещено устройство дополнительной опрессовки УДО, предназначенное для восполнения гелия в изделиях с большими течами, через которые может происходить утечка газа перед контролем при технологической вылежке изделий.
Предварительно опрессованные контролируемые изделия при загрузке попадают в УДО для дополнительной кратковременной (~15 с) опрессовки, после чего через открытую верхнюю крышку поступают в рабочую камеру на позицию 1. Рабочая камера закрывается и на позиции 2 соединяется с устройством разбраковки УР-1. Устройства разбраковки УР-1 и УР-2 изолируются от откачки только при подсоединении к ним рабочих камер. При наличии больших течей в изделии УР-1 фиксирует повышение концентрации гелия в рабочей камере и на позиции 3 открывается нижняя крышка - отбракованное изделие падает в бункер брака. При отсутствии грубых течей в изделии камера откачивается насосом НВР-0,25, затем изолируется от откачки и изделие выдерживается в течение 15 ... 20 с в камере для накопления гелия, вытекающего из негерметичного изделия. На позиции 6 камера соединяется с устройством разбраковки УР-2, которое фиксирует наличие или отсутствие гелия в камере, и на позиции 7 происходит разбраковка изделий: в отсутствие гелия в камере изделие через открывающуюся нижнюю крышку по желобу стекает в бункер годных, при фиксации гелия в камере открывается дополнительная заслонка и негерметичное изделие падает в бункер брака. Управляет механической частью автомата кулачковый механизм.
Электрическая часть установки выполнена в виде двух отдельных блоков: блока питания и управления и измерительного блока. Блок питания и управления обеспечивает подачу необходимых
напряжений на отдельные элементы установки (привод вакуумно-механической части, механический вакуумный насос, устройства разбраковки, узлы блока измерения и т.д.), а также обеспечивает по заданной программе коммутацию узлов вакуумной схемы, остановку привода и т.п.
Блок измерения предназначен для усиления сигналов магниторазрядных преобразователей, их преобразования и выдачи на исполнительные механизмы.
Основные технические характеристики УТГША
Производительность, про-верок/ч................. 600
Максимальные размеры контролируемых изделий, мм: диаметр................. 29
высота............... 10
Диапазон регистрируемых
утечек гелия, м3 • Па/с. От 1 • 10-9 до
видимых невооруженным глазом отверстий и трещин
Наличие ручных операций Загрузка Потребляемая мощность, кВт..................... 0,6
Время непрерывной работы, ч................... 16
Габаритные размеры, мм 760 х 650 х х 1150
Другой метод - электронозахватный -основан на регистрации двух пробных веществ, одно из которых является компонентом воздуха. Электронозахватный детектор способен регистрировать наличие всех элекроотрицательных веществ. Кислород, являясь электроотрицательным газом, также регистрируется детектором, правда, с гораздо меньшей чувствительностью, чем элегаз (SF6). Минимальная регистрируемая концентрация элегаза Ю-11 об. доли; кислорода 10-6 об. доли. Поэтому электронозахватный метод кон
276 Глава 16. ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНЫЙ КОНТРОЛЬ ГЕРМЕТИЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ
троля герметичности изделий с замкнутыми оболочками предусматривает предварительную опрессовку изделий в элегазе. В результате технологической вылежки перед контролем в изделиях с большими течами происходит замена утекшего элегаза воздухом. В результате при контроле изделия с малыми течами отбраковываются по утечке элегаза, а с большими - по кислороду воздуха [11, 23].
Электронозахватный метод реализован созданием и промышленным освоением автоматизированного оборудования: установок 12 ГАЭ-1000-004 и УКГЭ [11].
Полуавтомат 12 ГАЭ-1000-004 представляет собой 18-позиционное карусельно-шлюзовое устройство, обеспечивающее автоматический высокопроизводительный контроль по заданной программе.
На рис. 16.27 представлена принципиальная схема механического узла полуавтомата в плоском развернутом изображении.
Барабан 2 из композиционного материала с 18-ю сквозными отверстиями -рабочими камерами - совершает прерывистое вращение между металлическими подпружиненными верхней 5 и нижней 4 крышками. Рабочие камеры на поз. II и III и детектор 10 постоянно по каналу 6 продуваются газом-носителем (чистым азотом). Контролируемые изделия загружаются в рабочие камеры посредством загрузочного механизма через отверстие в верхнем диске. Выгрузка происходит выпадением изделий через отверстие в нижнем диске на сортировочный механизм 9,
обеспечивающий разбраковку изделий на годные и брак в соответствии с выходным сигналом течеискателя.
Полуавтомат работает следующим образом. На позиции загрузки I контролируемое изделие 7 поштучно поступает в рабочую камеру 3. Затем камера перемещается в сектор продувки, где она продувается газом-носителем с целью удаления из нее воздуха. Расход газа-носителя регулируется таким образом, чтобы в камере после продувки концентрация кислорода была небольшая и не вызывала повышенного фонового сигнала течеискателя.
Далее камера поступает в сектор накопления, где изолируется от продувки. В случае негерметичного изделия в полости камеры накапливается пробный газ. При перемещении камеры на последнюю позицию она коммутируется с линией подачи газа-носителя в детектор 10. Накопленный в камере газ захватывается потоком газа-носителя и переносится в детектор, который при негерметичном изделии регистрирует наличие электроотрицательного газа, и течеискатель выдает сигнал на срабатывание сортировочного механизма 9 с включением светового и звукового сигналов о браке на панели управления. На последней позиции изделие через открытое в нижнем диске камеры окно поступает на сортировочный механизм, который посредством срабатывания электромагнита забракованное изделие направляет в бункер брака, а годное по наклонному лотку - в сборник годных.
Рис. 16.27. Схема механического узла полуавтомата 12 ГАЭ-1000-004
|
ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНЫЙ КОНТРОЛЬ ГЕРМЕТИЧНОСТИ
277
Длительность полного цикла контроля (полный оборот карусели) составляет 43 с, при этом затраты времени на контроль одного изделия < 2,4 с, что обеспечивает высокую производительность полуавтомата: 1500 проверок/ч.
В связи с тем что в оборудовании, реализующем электронозахватный метод, отсутствуют вакуумируемые детали, задача изоляции отдельных узлов от внешней среды и друг от друга существенно упрощается. Поэтому основу уплотнения составляют стальные закаленные диски и диск из композиционного материала с низким коэффициентом трения. Для предотвращения газового обмена между камерами в дисках предусмотрены канавки 8, через которые постоянно продувается газ-носитель под давлением, обеспечивающим в щели между дисками вязкостный поток, направленный из канавки в атмосферу.
Во избежание ложной отбраковки и с целью надежного удаления следов пробного газа, сорбированного на стенках камеры, в полуавтомате предусмотрена блокировка, не позволяющая загружать камеру, при контроле которой в предыдущем цикле сработала система отбраковки. При этом остальные камеры работают в обычном режиме.
Внешний вид полуавтомата показан на рис. 16.28. На рабочем столе смонтированы блок управления, электронозахватный течеискатель, панель газового распределения, карусельно-шлюзовое устройство. Электропривод смонтирован под столешницей полуавтомата и механически связан с каруселью. Над столом имеется светильник, обеспечивающий нормальную освещенность рабочего места оператора.
Основные технические характеристики
полуавтомата 12 ГАЭ-1000-004
Производительность, проверок/ч .................... 1500
Максимальные габаритные размеры контролируемых изделий, мм............... 20 х 20 х 3
Рис. 16.28. Полуавтомат контроля герметичности 12 ГАЭ-1000-004
Диапазон регистрируемых
течей, м3 • Па/с.......... От 1 • 1011
до видимых невооруженным глазом отверстий и щелей
Наличие ручных операций Загрузка
Потребляемая мощность, кВт...................... 0,4
Габаритные размеры, мм ... 1050 х 800 х
х 1400
Следующая модель оборудования -автоматизированная установка УКГЭ - по принципу действия аналогична полуавтомату 12 ГАЭ-1000-004 с небольшими конструктивными изменениями. Установка отличается тем, что загрузка и выгрузка изделий выполняются в ней манипулятором через верхнюю уплотнительную крышку. Поэтому отпала необходимость в нижней уплотнительной крышке, что позволило еще более упростить конструкцию.
278 Глава 16. ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНЫЙ КОНТРОЛЬ ГЕРМЕТИЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ
Установка УКГЭ представляет собой 18-позиционное золотниково-карусельное устройство со временем полного оборота карусели 54 с. Такт работы установки составляет 3 с, ее производительность 1200 проверок/ч.
Золотниково-карусельное устройство состоит из двух дисков. Рабочие камеры расположены в нижнем металлическом диске, жестко связанном с механизмом привода, обеспечивающего последовательный переход камер с позиции на позицию посредством поворота диска на угол 20° за один такт работы установки. Верхний неподвижный диск, выполненный из композиционного материала, плотно прилегает к торцовой поверхности металлического диска, оставляя открытыми две из 18 камер в секторе загрузки и выгрузки изделий. Натеканию в камеры атмосферного воздуха, как и в предыдущей модели, препятствует постоянная продувка газа-носителя через защитные канавки в соприкасающихся поверхностях дисков.
Поштучная загрузка и выгрузка изделий осуществляется манипулятором робота, снабженным специальным захватом, позволяющим одновременно загружать изделие для контроля и выгружать изделие, прошедшее цикл контроля. Годные изделия выгружаются на кассету, вращение которой обеспечивает их равномерное размещение по всей ее поверхности. В случае негерметичного изделия по сигналу течеискателя манипулятору выдается команда на дополнительное движение-поворот и изделие сбрасывается в накопитель брака. Установка снабжена необходимыми блокировками и системой автокомпенсации фона. Автоматическая запись сигнала течеискателя облегчает ее наладку и проверку технического состояния.
Технические характеристики установки аналогичны характеристикам полуавтомата 12 ГАЭ-1000-004, кроме производительности, которая достигает 1200 проверок/ч.
Внешний вид установки УКГЭ показан на рис. 16.29.
Рис.16.29. Внешний вид установки УКГЭ
16.6. ДОСТОВЕРНОСТЬ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ
ИЗДЕЛИЙ
Автоматизированный контроль герметичности является составной частью многих технологических процессов и осуществляется в ритме процесса. Производственные установки для контроля герметичности входят в комплекс основного технологического оборудования.
В качестве обобщенных параметров процесса контроля принимают производительность, чувствительность и достоверность. Объектом исследования выбрана достоверность:
£)=1-(а + р), (16.3)
где а - вероятность ошибки первого рода (отбраковка годных изделий); Р - вероятность ошибки второго рода (пропуск негерметичных изделий в партию годных).
В формировании этого обобщенного параметра участвует много факторов. Наиболее существенные из них - точность измерения величины утечки, надежность и помехоустойчивость работы всех устройств и блоков, производительность контроля и т.д., т.е. достоверность процесса контроля - функция от многих переменных.
В зависимости от производственной ситуации возможны разные требования к комбинации обобщенных параметров. Наиболее часто в промышленности ставится задача обеспечения максимальной
ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СРЕДСТВ КОНТРОЛЯ 279
производительности контроля при заданных чувствительности и ограничениях на ошибки первого и второго рода. В ряде отраслей промышленности при производстве ответственной продукции решительно не допускается пропуск негерметичных изделий в партию герметичных, т.е. на первый план выдвигается задача достижения минимума ошибки второго рода при достаточно высокой степени достоверности результатов контроля.
Для достижения высокого уровня достоверности контроля важно рассматривать все стадии конструкторской разработки, изготовления и настройки АУКГ.
С целью получения функций ошибок разбраковки в зависимости от основных параметров процесса организуется полный факторный эксперимент.
В качестве основных регулируемых параметров процесса контроля приняты парциальное давление пробного газа (гелия) в изделии pi, время цикла t2 и пороговое значение разбраковочного устройства Q3. С учетом экономических соображений и технической целесообразности выбирается следующая область факторного пространства [21]:
G{Pi е [ро... рк], МПа; /2 е [4 ••• 4], с;
Сз е [бо ••• 0к], м3 • Па/с}, (16.4) где ро, to, Qo - начальные значения величин давления, времени контроля и величины утечки; рк, tK, QK - конечные значения этих величин.
Задача оптимизации настроечных параметров установки контроля герметичности по критерию достоверности рассматривается как задача минимизации Мо в пространстве (хь х2, х3) функции yi (второго рода) при условии наложения ограничения на функцию (ошибка первого рода).
У1(А/0) < л(хь х2, х3); у2{М0) < а^, (16.5) где - критическая величина ошибки первого рода.
Задача решалась на ЭВМ. В основу программы расчета был положен алгоритм
глобального поиска для функций многих переменных и алгоритм внешних штрафных функций для учета ограничений.
Таким образом, задача оптимальной настройки установки распадается на три самостоятельные последовательные задачи:
• выбор критерия оптимизации;
• выражение целевых функций через параметры установки (в работе для этой цели использованы методы планирования экстремальных экспериментов); формирование критерия оптимизации;
• решение задачи нахождения условного минимума (или максимума) функции многих переменных.
16.7. ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СРЕДСТВ КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ
ИЗДЕЛИЙ МАССОВОГО ПРОИЗВОДСТВА
Методы испытаний и виды испытательного оборудования, существующие в настоящее время, как было сказано ранее, достаточно разнообразны и в основном отвечают возрастающей необходимости в заводских испытаниях по обнаружению течей.
Автоматизация контроля герметичности является одной из наиболее важных задач течеискания. Анализ публикаций и патентных материалов свидетельствует о все более широком применении автоматизированных устройств, предназначенных для контроля герметичности, в промышленности. Возрастает число публикаций с описанием полностью автоматических установок, т.е. таких, в которых автоматически осуществляются отбор изделий из технологического потока и загрузка их на позицию герметизации, вакуумирование или опрессовка, измерение степени герметичности и разбраковка изделий по результатам контроля. Создаются полуавтоматические устройства с достаточно высокой степенью механизации и автоматизации. При этом наибольшие трудности представляет автоматизация не собствен
280 Глава 16. ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНЫЙ КОНТРОЛЬ ГЕРМЕТИЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ
но контроля герметичности, а подготовительных операций к нему (отбор, ориентация, загрузка изделий на контрольные позиции).
В основе манометрических устройств контроля герметичности лежит метод контроля изменения давления в испытуемом изделии или во вспомогательной камере. Согласно многочисленным публикациям, манометрический АУКГ эксплуатируется в пищевой, нефтехимической, машиностроительной, автомобильной и других отраслях промышленности. Большинство работ направлено на совершенствование систем загрузки комбинируемых изделий, а также разработку пороговых устройств, преобразующих величину изменения общего давления в выходной сигнал.
Процесс испытаний делится на три стадии: герметизацию, опрессовку и регистрацию изменения давления за определенное время. Однако при высокочувствительных испытаниях возникает необходимость в стабилизации температуры газа и изделия. Для процесса испытания изделий манометрическим методом стабилизация температуры является решающим этапом. Он заключается в следующем.
Сжатый воздух нагревается в результате адиабатического процесса, затем температура его снижается до температуры изделия, что приводит к спаду давления. Период стабилизации температуры служит надежной гарантией того, что данный спад давления не вызван утечкой. Температурные процессы при манометрическом методе контроля значительно ограничивают порог чувствительности устройства.
В связи с этим для манометрических устройств контроля герметичности необходимо создавать схемы компенсации температуры, когда устройство работает вблизи границы порога чувствительности.
При анализе работ по манометрическому методу нельзя пройти мимо работ сотрудников ЦНИИ роботизации при ЛПИ (ныне С.-Петербургский государственный технический университет), в которых они исследовали возможности использования микроЭВМ при контроле герметичности
крупногабаритного оборудования на базе манометрического метода с учетом температуры и других факторов.
Следует отметить тенденцию создания автоматизированных АУКГ, способных работать в составе поточных автоматических линий. Так, в СКБ автоматизированных систем (С.-Петербург) создан автомат контроля герметичности изделий, основанный на манометрическом методе контроля. Автомат снабжен манипулятором, который обеспечивает его взаимодействие с основной технологической линией. Датчик - контактно-манометрический.
Можно также упомянуть об устройстве для контроля герметичности клапанов аэрозольных упаковок. Устройство работает в составе технологической линии. Датчик - рычажно-манометрический. Создана установка для группового контроля изделий на герметичность.
Продолжается поиск новых преобразователей утечки газа, основанных на манометрическом методе контроля.
Предлагаются чувствительные к изменению давления элементы, сигнализирующие о моменте, когда изменение давления превышает заданное. От известных мембранных преобразователей такой чувствительный элемент отличается отсутствием механизмов, передающих перемещение мембраны. Задача решена таким образом, что одна сторона мембраны покрыта тонким электропроводящим слоем.
Предложен ряд решений манометрических преобразователей, основанный на свойствах подвижной мембраны и струйного элемента. Проводилась работа по поиску наиболее оптимальных схемных и конструктивных решений, направленных на разгрузку мембраны от воздействующих на нее усилий и уменьшение ее смещения. Работы эти продолжаются.
Завершая рассмотрение манометрических автоматизированных устройств, сформулируем основные задачи по развитию этого класса автоматов.
Манометрические устройства и автоматы и в дальнейшем будут находить ши
ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СРЕДСТВ КОНТРОЛЯ 281
рокое применение в промышленности. Это связано прежде всего с тем, что в качестве пробного газа используется воздух, а для контроля величины изменения давления применяются несложные по устройству преобразователи утечки, в том числе серийные блоки и датчики (элементы Универсальной системы электропневмоавтоматики, дифманометры).
Основные усилия разработчиков манометрических преобразователей, на наш взгляд, должны быть сконцентрированы на поиске нового подхода к созданию манометрических датчиков, на отработке систем, компенсирующих действие температуры, и эластомеров, герметизирующих устройства в процессе контроля.
Работы в областаи контроля герметичности методами повышения давления, понижения давления, перепада давлений, с применением воздуха в качестве пробного газа продолжаются. В ряде работ получены формулы, характеризующие влияние изменений температуры и объема измерений давления, а следовательно, и ошибку определения потока через течь. Для повышения точности и достоверности контроля в аппаратуру вводится автоматическая температурная компенсация изменений давления, предлагается использовать микропроцессоры.
В последние годы появилось много сообщений об автоматизированных газоаналитических устройствах. К их числу относятся установки, основанные на использовании масс-спектрометрических, галогенных, электронозахватных и других течеискателей.
Применение газоаналитических автоматов и полуавтоматов контроля герметичности объясняется прежде всего высокими требованиями к степени герметичности выпускаемой продукции.
В ряде случаев их применение связано с контролем герметичности продукции, заполненной соответствующим технологическим веществом (например, холодильные агрегаты, упаковки с аэрозолями и др.).
Гелиевые масс-спектрометрические АУКГ сравнительно легко вписываются в
автоматизированные технологические линии производства изделий, дают воспроизводимые результаты контроля, допускают автоматическую оценку результатов измерений. Масс-спектрометрический метод контроля герметичности позволяет выявлять течи до 1 • 1(Г11 м3 • Па/с. В XX в. в СССР, США, Франции и некоторых других странах был налажен серийный выпуск некоторых видов в основном специализированных, масс-спектрометрических АУКГ.
Известны масс-спектрометрические автоматы типов АКГМ и УКГМ, созданные в НИИ им. С.А. Векшинского. Разработкой таких автоматизированных устройств занимались также специалисты и других организаций страны.
Анализ зарубежных и отечественных масс-спектрометрических автоматов позволяет выявить тенденции их развития и совершенствования, предпринимаются попытки повышения надежности такого вида АУКГ и расширения их функциональных возможностей. Предусматривается контроль самого течеискателя после контроля определенного количества изделий. С помощью калиброванной течи автоматически проверяется его чувствительность. В случае снижения чувствительности течеискателя АУКГ отключается. После каждого негерметичного изделия контролируется остаточное давление в испытательной системе.
Намечается тенденция широкого внедрения в автоматизированный контрол ь герметичности микропроцессоров. Микропроцессорная система контроля автоматически регулирует соотношение скорости откачки и подачи газа для установления и поддержания требуемого давления. Имеются сведения об автоматизированной системе, в которую входит масс-спектрометрический течеискатель в сочетании с микропроцессорной техникой программного управления. Система управления на микропроцессорах, вакуумная система и встроенное градуировочное устройство выполнены в виде стандартных модулей.
282 Глава 16. ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНЫЙ КОНТРОЛЬ ГЕРМЕТИЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ
В тех случаях, когда необходимо защитить вакуумную камеру от воздушного балласта, предлагается использовать селективные проницаемые мембраны, полые волокна и другие материалы. Автоматизированные установки с использованием таких элементов разрабатывались в ряде отечественных организаций. Интерес к этому не ослабевает. Так, в США предложены конструкции трубчатых полупроницаемых элементов для масс-спектрометрических автоматов. Проницаемость элементов по гелию в 20 раз выше, чем для других газов, внутренний диаметр 1,25, толщина стенок 0,01 мм. Они обеспечивают высокую чувствительность автомата и надежную работу.
Необходимо отметить еще одну тенденцию, которая просматривается в масс-спектрометрическом течеискании. Речь идет об использовании турбомолекуляр-ных насосов, служащих для откачки вакуумных камер автоматов контроля герметичности. Они имеют регулируемую частоту вращения. С помощью обратной связи автоматически устанавливается такое число оборотов, при котором пик гелия составлял бы заранее заданную величину, а о величине течи судят по скорости вращения турбомолекулярного насоса.
Во многих патентах Великобритании также рассматриваются масс-спектро-метрические течеискатели с турбомолеку-лярными насосами.
Принципиальным моментом в развитии масс-спектрометрического автоматизированного контроля можно считать значительное расширение областей их применения. Если ранее традиционной отраслью, в которой широко применялись АУКГ, была радиоэлектроника, то в наши дни они начинают внедряться в автомобильной и других отраслях промышленности, в частности большую экономию дает внедрение масс-спектрометрических АУКГ на автомобильных предприятиях. При этом достигается производительность до 600 изделий/ч.
Интересно, что на VIII Конгрессе по вакуумной технике в 1980 г. в Париже рас
сматривался вопрос о производственном опыте работы с полностью автоматизированными масс-спектрометрическими установками и были сформулированы задачи масс-спектрометрического автоматического течеискания. Наиболее важными из них мы считаем возможность быстрой замены чувствительных элементов течеискателя, повышения порога чувствительности и стабильности результатов, снижение фоновых эффектов и расширение функциональных возможностей течеискателя.
Характерно, что общепромышленные масс-спектрометрические автоматы в отличие от специализированных более универсальны, имеют несколько ступеней отбраковки, в них используются общепромышленные комплектующие изделия.
К такому типу масс-спектрометрических автоматизированных установок относятся полуавтоматы типа ПКГ-Мс для контроля герметичности изделий. Порог чувствительности полуавтоматов типа ПКГ-Мс составляет 1 • 10 8 м3 • Па/с, производительность до 200 изделий/ч, они имеют три ступени отбраковки.
Таким образом, масс-спектрометрические автоматы контроля герметичности и в дальнейшем будут оставаться основными в ряду других газоаналитических автоматизированных установок. Это объясняется их высокой пороговой чувствительностью (до 1 • 10-12 м3 • Па/с); большим приобретенным опытом их создания, разработки и эксплуатации; они базируются на серийных гелиевых течеискателях, в качестве пробного газа в них применяется гелий, обладающий хорошей проникающей способностью.
Однако как у нас, так и в других странах стали применяться другие газоаналитические методы контроля герметичности.
Длительное время галогенный метод контроля герметичности не использовался при создании автоматизированных установок. Объясняется это особенностью галогенных течеискателей, связанной с резкой потерей чувствительности галогенного датчика при воздействии на него боль
ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СРЕДСТВ КОНТРОЛЯ 283
шого количества галоидосодержащих веществ. Однако в последнее время такие работы начаты. Одной из первых работ, в которой излагаются* результаты исследований галогенного устройства применительно к задаче автоматизированного контроля герметичности, является публикация в журнале «Дефектоскопия» № 6 за 1978 г. Предлагался способ повышения помехоустойчивости галогенного контроля за счет дополнительного обдува датчика течеискателя.
В 80-е гг. прошлого века появились первые галогенные автоматы контроля герметичности, которые применялись в составе технологических линий для контроля герметичности аэрозольных изделий (Италия, СССР).
В последние годы проводились работы по созданию автоматизированных установок, основанных на акустическом, электронно-оптическом, электронозахватном, диффузионно-магниторазрядном и других методах. Перспектива промышленного внедрения АУКГ, основанных на указанных методах, будет ясна после их длительных испытаний на промышленных предприятиях. Однако уже сейчас можно отметить промышленный выпуск АУКГ на основе электронозахватного метода.
Метод контроля герметичности выбирается, как правило, с учетом вида контролируемых изделий, требований к чувствительности и производительности. В некоторых случаях разработчики сочетают несколько методов контроля, вводя в состав автоматизированного испытательного оборудования соответствующее число устройств. Таким образом удается обеспечить надежный и достоверный по-стадийный контроль.
Рассматривается комплексное оборудование, включающее три автоматизированные установки. В первой манометрическим методом обнаруживаются течи до 1 • КГ4 м3 • Па/с. К дифманометру подсоединяются заведомо герметичное и испытуемое изделия. Отбраковка происходит по скорости падения давления. Второе устройство - камерного типа, его чувстви
тельность 1 • 10“5 м3 • Па/с. В герметичную камеру помещается изделие, заполненное воздухом под избыточным давлением. О степени герметичности судят по повышению давления в камере. Третье устройство, в котором реализуется масс-спектрометрический метод контроля, обладающее наибольшей чувствительностью (10~8 м3 • Па/с), предназначено для испытаний большого числа разнообразных промышленных изделий.
Таким образом, автоматизация контроля герметичности изделий - перспективное направление, позволяющее снизить трудоемкость контрольных операций, повысить качество выпускаемой продукции и культуру производства. Многие сообщения свидетельствуют о быстрой окупаемости даже самого дорогого автоматизированного оборудования.
Хорошо зарекомендовало себя комплексное автоматизированное оборудование, включающее ряд испытательных устройств, реализующих различные методы испытаний герметичности.
В условиях массового выпуска промышленных изделий наилучшие показатели дают автоматы, в составе которых есть программные механизмы, микропроцессоры, позволяющие обеспечить высокую производительность и достаточную чувствительность контроля.
Намечается тенденция использования более широкого круга методов контроля герметичности при создании высокопроизводительных испытательных установок. Другие тенденции развития АУКГ связаны с созданием новых типов датчиков утечки, основанных на регистрации фоновых эффектов, использовании обратных связей в системах контроля, волоконно-оптических преобразований, полупроводниковых эффектов и других явлений. Можно сделать вывод, что основные тенденции развития АУКГ нельзя рассматривать в отрыве от общего состояния науки и техники, в том числе неразрушающего контроля качества изделий и, в частности, течеискания как научно-технического направления.
Глава 17
ПРИМЕРЫ ПРОМЫШЛЕННОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ
17.1. КОНТРОЛЬ ГЕРМЕТИЧНОСТИ ПОДЗЕМНЫХ КОММУНИКАЦИЙ
В настоящее время в нашей стране в эксплуатации находятся подземные трубопроводы и газонаполненные кабели связи протяженностью в миллионы километров. При расчете на общую протяженность трубопроводов потери нефти, природного газа и других продуктов, подаваемых потребителям, вследствие наличия сквозных дефектов могут достигать тысяч тонн в год. Эти дефекты могут возникать как в процессе первичного производства коммуникаций, так и при их эксплуатации.
Газонаполненные кабели связи представляют собой многожильный пучок проводов, заключенный в герметичную оболочку. При нарушении герметичности оболочки проникающая через дефекты влага нарушает изоляцию проводников и из-за этого качество связи резко снижается. Поэтому при эксплуатации кабеля в его оболочку под избыточным давлением подается инертный газ или воздух.
Приведенные примеры показывают, насколько важен контроль герметичности подземных коммуникаций при их введении в действие и при эксплуатации.
Разработанные для этой цели в середине 50-х гг. прошлого века портативный галогенный течеискатель с автономным питанием БГТИ-5, а позднее БГТИ-7 и методика контроля герметичности подземных кабелей связи длительное время были единственным средством обнаружения дефектов в данном объекте. Позже метод был распространен и на контроль герметичности трубопроводов. Галогенный метод как наиболее высокочувствительный и сейчас с успехом применяется для контроля подземных коммуникаций.
Сущность метода состоит в следующем. В полевых условиях вдоль трассы
пролегания кабеля или трубопровода с дистанцией ~30 ... 50 м роют шурфы на глубину, не доходящую до объекта на 20 ... 40 см. В городских условиях роль шурфов выполняют технологические колодцы. В полость контролируемого объекта под избыточным давлением нагнетают галогеносодержащее пробное вещество -обычно смесь фреона с воздухом. Во избежание образования воздушной пробки при подаче пробной смеси противоположный конец кабеля или трубопровода (их длина может достигать нескольких километров) должен быть открыт до появления реакции течеискателя на вытекающий газ, а затем заглушен.
При наличии сквозного дефекта в контролируемой оболочке пробное вещество вытекает через течь, диффундирует сквозь грунт и скапливается в шурфах. Пробы отбирают из шурфов с помощью щупа течеискателя, снабженного удлинительными насадками. Повышенная концентрация пробного вещества в шурфе, регистрируемая течеискателем, свидетельствует о нарушении герметичности кабеля или трубопровода вблизи данного шурфа. Точное место дефекта определяется при непосредственном обследовании объекта после его раскопки на небольшом участке, прилегающем к шурфу с повышенной концентрацией пробного вещества.
Методика особенно эффективна при контроле трубопроводов, по которым перепускаются галогеносодержащие вещества.
Выпускаемый серийно отечественный галогенный течеискатель БГТИ-7 допускает непрерывную работу в течение 4 ч без смены аккумуляторных батарей. Входящие в комплектацию течеискателя сменный блок аккумуляторов и зарядное устройство позволяют увеличить время непрерывной работы до полной рабочей смены.
КОНТРОЛЬ ГЕРМЕТИЧНОСТИ ПОДЗЕМНЫХ КОММУНИКАЦИЙ
285
Достоинством описанной методики является высокая чувствительность контроля, оперативная оценка величины обнаруживаемых течей. Недостаток методики состоит в том, что перед контролем кабеля или трубопровода требуется введение в их полость пробного вещества.
В наши дни при контроле герметичности подземных коммуникаций более широко применяются акустические средства течеискания благодаря своей простоте и надежности в эксплуатации. Методика их применения не требует каких-либо сложных специальных приспособлений, использования специальных пробных веществ и не нарушает основные технологические процессы.
Существует несколько групп акустических приборов, каждая из которых соответствует определенному методу акустического течеискания.
Первая группа - это расходомеры. Они служат для оценки наличия утечки на данном участке трубопровода, а точное место утечки определяется другими приборами. Для контроля герметичности трубопроводов при помощи расходомера в него под избыточным давлением постоянно подается жидкость (вода), а другой конец трубопровода герметично перекрывается, и по показаниям расходомера, установленного в начале этого контролируемого трубопровода, судят о наличии и размере утечки, т.е. факт утечки фиксируется по абсолютной или относительной величине расхода воды.
При этом в основном используют расходомеры двух типов. Первый тип -расходомеры с проточными измерительными секциями. Расход определяется, как правило, по разности времени прохождения ультразвуковым импульсом «наклонного» сечения трубопровода по направлению потока жидкости и против него. Конструкция канала расходомера показана на рис. 17.1. Проточные ультразвуковые расходомеры обладают малым гидросопротивлением, легко монтируются в технологических трубопроводах.
Рис. 17.1. Канал расходомера:
7 - корпус; 2,3- ультразвуковые датчики;
4 - ультразвуковой сигнал
Второй тип - так называемые переносные бесконтактные ультразвуковые расходомеры, в которых преобразователи непосредственно не контактируют с протекающей в трубе жидкостью. Преобразователи устанавливают на наружную поверхность трубы, что позволяет оперативно проводить измерения без каких-либо вмешательств в технологический процесс. Для измерения расхода чистых жидкостей (содержание твердых частиц и пузырьков газа не должно превышать 2 %) используют приборы, реализующие обычный вре-мяимпульсный метод. Для загрязненных жидкостей (содержание твердых частиц и пузырьков газа > 2 %) следует применять доплеровские расходомеры. Основной недостаток бесконтактных расходомеров -невысокая точность (2 ... 3 %).
Технические характеристики бесконтактных ультразвуковых расходомеров, выпускаемых зарубежными фирмами, представлены в табл. 17.1.
Вторая группа приборов - течеиска-тели GPL 99 и система мониторинга утечек “Permalog” фирмы “Seba Dinatronic” (Германия) - регистраторы шумов утечки. Эти приборы необходимы для предварительного обнаружения утечки, т.е. для отыскания дефектной ветви трубопровода в сложной разветвленной системе.
Прибор GPL 99 состоит из шести автономных датчиков-регистраторов и одного интерфейсного устройства, служащего для перезаписи информации с датчиков на компьютер, а также выполняющего роль
286 Глава 17. ПРИМЕРЫ ПРОМЫШЛЕННОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ
17.1. Технические характеристики бесконтактных ультразвуковых расходомеров зарубежного производства
Тип; изготовитель Диапазон измерений, м/с Диаметр труб, мм Диапазон температуры датчиков, °C
“Transport РТ 868”; “Panametrics” (США) 0,01 .. 12,2 12,7 ... 5000 -20 .. . +260
“Portaflow”; “Fuji Tekom” (Япония) Данных нет 200 ... 6000 -20 . .. +50
PDEM-III; “Greyline Instruments” (Канада) 0,08 .. . 12,2 25 . .. 4500 -40. .. +93
“Portaflow MK-IIR”; “Micronics” (Великобритания) До 12,0 12 . ..2000 -35 .. . +200
UDM 100; “Seba Dynatronic” (Германия) 0,1 . .. 20 25 .. 50. .. 1000; .. 3000 -30 .. . +200
зарядного устройства для датчиков и программного обеспечения.
Прибор работает следующим образом. Автономные датчики устанавливаются на ветвях трубопровода, в которых предполагается утечка, и в течение 2 ч (в основном в ночное время, когда внешние шумы минимальны) один раз в 2 с регистрируют амплитуду шума (в определенной полосе частотного спектра), возникающего на водопроводной трубе. После окончания записи в течение суток датчики снимают с труб и через интерфейсное устройство перезаписывают всю информацию в компьютер.
После обработки этой информации на дисплее компьютера отображается статистическое распределение амплитуды шума, воспринятой шестью датчиками с исследуемых труб, по которому и судят о наличии утечки. Определяющими параметрами при оценке наличия утечки на данной ветви трубопровода являются ширина этого графика (по ней определяют количество различных амплитуд шума на трубе) и амплитуда наиболее повторяющегося шума. Утечка - это постоянный шум, т.е. в определенной полосе частотного спектра его амплитуда с определенным допуском постоянна. И на ветви трубопро
вода, где есть утечка, датчик в основном воспринимает эту амплитуду шума, т.е. чем уже ширина графика и больше амплитуда наиболее повторяющегося шума, тем ближе датчик расположен к утечке.
Система мониторинга утечек “Permalog” в стандартном исполнении состоит из 15 автономных датчиков (логгеров) и одного считывающего устройства (патроллера). Количество датчиков для одного патроллера может быть нарощено до нескольких тысяч. Датчики стационарно закрепляются на трубе и работают без подзарядки в течение 7 ... 10 лет (5 лет гарантия). Принцип работы датчиков системы “Permalog” аналогичен принципу работы датчиков GPL 99, однако датчики рассматриваемой системы не надо снимать с трубы, так как информация с них считывается при помощи патроллера на расстоянии < 50 м по радиоканалу.
Датчики абсолютно герметичны, работают в полностью залитых колодцах, и радиосигнал хорошо проходит через железобетонные кольца и металлическую крышку колодца.
При помощи программного обеспечения информация о номере датчика, месте его установки, ширине графика статистического распределения амплитуды шу
КОНТРОЛЬ ГЕРМЕТИЧНОСТИ ПОДЗЕМНЫХ КОММУНИКАЦИЙ
287
ма; амплитуда наиболее повторяющегося шума и вывод о наличии утечки на данной ветви трубопровода с патроллера могут быть переписаны в компьютер и с него обратно на патроллер. Это необходимо для создания определенной базы данных для мониторинга утечек на трубопроводах.
После обнаружения дефектной ветви трубопровода переходят к локализации места утечки. Для этого предназначены следующие группы акустических течеискателей.
Третья группа течеискателей - акустические корреляционные приборы. Схема применения корреляционного течеискателя приведена на рис. 17.2. Датчики устанавливают на концах контролируемого участка непосредственно на трубу или на детали запорной арматуры. Они принимают акустические сигналы, возникающие в результате истечения жидкости из трубы. Усиленные сигналы передаются по кабелю или радиоканалу в блок обработки, где вычисляется их взаимная корреляционная функция. Положение пика
корреляционной функции соответствует положению места утечки.
Достоинства корреляционных течеискателей заключаются в том, что они обеспечивают контроль протяженных участков трубопроводов, и их результаты практически не зависят от наличия внешних акустических шумов.
Приборы выполнены в переносном исполнении, имеют радиоканал, автономное питание, возможность подключения цветного монитора, принтера и клавиатуры.
Технические характеристики корреляционных течеискателей представлены в табл. 17.2.
Рис. 17.2. Установка датчиков корреляционного течеискателя
17.2. Технические характеристики корреляционных течеискателей
Тип; изготовитель Длина диагностируемого участка, м Полоса рабочих частот, кГц Электропитание Г абаритные размеры, мм Масса, кг
«Коршун-8 Р»; МП* «Дисит» (Украина) 3000 90. .. 4500 12 В, 2,0 А 330 х 360 х 250 8
“Portacolor LG-2100”; “Fuji Tecom” (Япония) 1000 20 .. . 10 000 9 В 395 х 375 х 235 12
DKL 1506; “Seba Dynatronic” (Германия) 1500 5 .. . 5000 12 В, 0,5 А 150x 330x 230 4,5
TCL 1600; “Seba Dynatronic” 20 . .. 3500 12 В, 0,8 А 460 х 330 х 160 12
“Correlux Pl”; “Seba KMT” 2000 5 .. . 4000 12 В; 0,5 А 270 х 130x240 3,3
* МП - малое предприятие.
288 Глава 17. ПРИМЕРЫ ПРОМЫШЛЕННОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ
Четвертая группа приборов - акустические течеискатели, работающие по методу непосредственного прослушивания шума утечки с поверхности земли. Прибор состоит из геомикрофона, блока усиления и обработки, а также наушников. Перемещаясь по поверхности грунта непосредственно над заглубленной трубой, оператор определяет место утечки по характерному, возрастающему по амплитуде шуму. Например, прибор HL 4000 (рис. 17.3) оснащен анализатором спектра шума, девятью фильтрами, и имеется возможность запоминания уровня акустического сигнала в девяти точках контроля. Контролируемая труба должна быть заполнена жидкостью. Для надежного определения места утечки давление жидкости в трубе должно быть > 1,5 атм, так как акустические течеискатели улавливают именно акустический сигнал, возникающий при трении жидкости о кромку дефекта и при ударе жидкости о грунт при бесканальной прокладке трубопровода или о канал при прокладке в канале, т.е. чем больше давление, тем больше амплитуда акустического сигнала, создаваемого утечкой, и тем легче он улавливается прибором.
Максимальная глубина обнаружения утечки зависит от давления в трубе, характера повреждения, типа почвы и других условий и на практике достигает 4 ... 5 м.
Основное преимущество течеискателей данной группы заключается в том, что
Рис. 17.3. Акустический течеискатель HL 4000:
а - акустический датчик; б - электронный блок
они обеспечивают обнаружение места повреждения трубы с высокой точностью без вскрытия грунта. Однако ввиду большой трудоемкости процесса контроля с их помощью невозможно оперативно обследовать протяженный отрезок трубопровода. Поэтому, как правило, приборы третьей и четвертой групп применяют в совокупности: сначала посредством корреляционного течеискателя определяют отрезок трубы с предполагаемым местом повреждения, а затем с поверхности грунта локализуют дефект.
Технические характеристики акустических течеискателей непосредственного прослушивания представлены в табл. 17.3.
17.3. Технические характеристики акустических течеискателей
Тип; изготовитель Полоса рабочих частот, Гц Число и тип фильтров Число датчиков разного типа Электропитание, В Габаритные размеры, мм Масса, кг
ПТ-14; МНПО «Спектр» (Россия) 100 ... 2500 5, независимые наборные 2 12 от аккумуляторного блока 225 х 220 х х 75 2,2
“Quartex”; «Кварта стар» (Россия) 70 ... 1600 8, полосовые 2 одинаковых 9 от аккумуляторного блока 194 х 195 х х 56 3,4
КОНТРОЛЬ ГЕРМЕТИЧНОСТИ ПОДЗЕМНЫХ КОММУНИКАЦИЙ
289
Продолжение табл. 17.3
Тип; изготовитель Полоса рабочих частот, Гц Число и тип фильтров Число датчиков разного типа Электропитание, В Г абаритные размеры, мм Масса, кг
HG-10; “Fuji Те-сот” (Япония) 100 ... 1200 9, комбинационные 3x3 1 1,5 х 7 от батарей (7 шт.) 350 х 153 х х 65 1,8
FD-7; “Fuji Те-сош” 100 ... 1000 Не имеет 7,2 от батареи Нет данных 2
«Поиск-Т4»; МП* «Абигар» (Россия) 500 ... 1500 Набор, полосовые 12 от батареи 3
“Hydrolux HL 98”; “Seba Dynatronic” (Германия) 120 ... 3000 6, полосовые 3 250 х 115 х х 160 1,4
“Hydrolux HL 400”; “Seba Dynatronic” 40 ... 3500 9, полосовые 1,5
“Hydrolux HL 4000”; “Seba Dynatronic” 40 ... 4000 9, цифровые перестраиваемые
* МП - малое предприятие.
Пятая группа приборов - течеискатели ЕО-2000 фирмы «Seba Dynatronic» (рис. 17.4), ДШ-02 ЗАО «МНПО ’’Спектр”» (Россия), обеспечивающие контроль герметичности запорной арматуры.
Прибор ЕО-2000 состоит из специального датчика и блока обработки. Запорная арматура контролируется контактным способом по уровню шума, создаваемого при- просачивании жидкости через некачественное запорное устройство. Приборы этой группы используют для контроля любой запорной арматуры и трубопроводов, имеющих внутреннее давление, отличное от наружного.
Рис. 17.4. Акустический течеискатель ЕО-2000
10 - 8193
290 Глава 17. ПРИМЕРЫ ПРОМЫШЛЕННОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ
Все перечисленные приборы для поиска мест утечек воды применимы только для напорных трубопроводов, т.е. для тех, в которых вода находится под определенным давлением.
Для поиска места утечки в ненапорных неметаллических трубопроводах, например в канализационных каналах, предназначены электромагнитные течеискатели. Один из них - электромагнитный течеискатель AMS 4 (“Seba Dynatronic”). Прибор содержит (рис. 17.5) излучающий электромагнитные колебания зонд, кабельную лебедку с электродвигателем и измерительным блоком, протягивающую канатную лебедку с электродвигателем, заземляющий штырь с кабельным барабаном и программное обеспечение.
Течеискатель AMS 4 работает следующим образом. Излучающий зонд протягивается по каналу при помощи кабельной лебедки; при этом создается электромагнитный поток. Электронный блок, подключенный к персональному компьютеру, воспринимает от заземляющего штыря ток утечки, прошедший через грунт, который возрастает, когда зонд проходит дефектное место трубопровода. График изменения интенсивности электромагнитного поля в зависимости от местоположения зонда отображается на экране дисплея персонального компьютера. Зонд измеряет также температуру жидкости в трубопроводе, по которой можно судить о попадании через дефектное место в трубопровод сточных вод или же вытекании из него канализационной жидкости. Эти сведения очень важны для экологов.
Рис. 17.5. Электромагнитный течеискатель AMS4
17.2. МОБИЛЬНЫЕ ТЕЧЕИСКАТЕЛЬНЫЕ ЛАБОРАТОРИИ
Для сокращения времени обнаружения дефекта и повышения точности его локализации используют передвижные лаборатории для поиска мест утечек в трубопроводах (рис. 17.6).
Рис. 17.6. Мобильные лаборатории поиска мест утечек:
а - УАЗ 33036; б - «Газель» - ГАЗ 2705-44; в - «Мерседес-Бенц 308»
МОБИЛЬНЫЕ ТЕЧЕИСКАТЕЛЬНЫЕ ЛАБОРАТОРИИ
291
С помощью лаборатории также можно количественно оценить потери жидкости, что необходимо для определения срочности ремонта. Все операции по анализу потерь жидкости и локализации места утечки осуществляются без отключения потребителей.
Лаборатории могут быть собраны на любом шасси и включать в свой состав различные приборы и оборудование.
Приведем пример мобильной лаборатории поиска мест утечек воды из подземных трубопроводов на шасси ГАЗ 2705. Рассмотрим функциональные возможности лаборатории и краткие технические характеристики приборов, входящих в ее состав.
1. Предварительная локализация участка сети водопровода, имеющего утечку (измерение расхода жидкости без врезки в трубопровод, определение направления движения воды), осуществляется с помощью ультразвукового расходомера с накладными датчиками типа UDM 100 (рис. 17.7).
Технические характеристики расходомера UDM 100
Наружный диаметр трубопроводов, мм........ 25 ... 1000
Диапазон измерения
объемного расхода, л/м 5 ... 100 000
Погрешность измерения, %..................... 3
Рис. 17.7. Расходомер UDM 100
Т емпература окружающей среды, °C.......... 0 ... 50
Питание................ От встроенного
Габаритные размеры, мм
Масса, кг.............
аккумулятора
270 х 100 х 180
3,5
2. Мониторинг сети трубопроводов на наличие утечки проводится посредством системы “Permalog” (рис. 17.8), описанной выше.
Система “Permalog” дает возможность специалистам регистрировать уровни шумов скрытых утечек и за счет этого эффективно снижать потери жидкости.
3. Для поиска подземных трасс и определения глубины залегания трубопровода применяется трассопоисковая установка “Ferrolux FL 10” (рис. 17.9) немецкой фирмы “Seba Dynatronic”.
В установке предусмотрен генератор звуковых частот - три кварцованные рабочие частоты: 480, 1450 и 9820 Гц. Выходная мощность установки 10 Вт. Имеется универсальный приемник с акустической и визуальной индикацией, работающий по методам минимума, максимума и супермаксимума, отличающийся высокой чувствительностью. Предусмотрены возможность работы в пассивном режиме по наводке от токов промышленной частоты; цифровое измерение глубины залегания.
Рис. 17.8. Система мониторинга утечек “Permalog” (патроллер в руках оператора)
ю*
292 Глава 17. ПРИМЕРЫ ПРОМЫШЛЕННОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ
Рис. 17.9. Трассопоисковая установка “Ferrolux FL 10”: а - приемник; б - генератор
Максимальная глубина залегания трубопровода, при которой возможна успешная трассировка, < 6 м; дальность трассировки от места подключения лаборатории > 1 км (в зависимости от условий прокладки трассы и наличия отводов).
4. Поиск крышек колодцев и шпинделей задвижек (под снегом, песком, асфальтом и т.д.) осуществляется металлоискателем FM 880-В фирмы “Seba Dynatronic” (рис. 17.10).
Рис. 17.10. Металлоискатель FM 880-В
При приближении прибора к металлическим предметам отклоняется стрелка индикатора и срабатывает акустическая индикация. Исполнение прибора вибро-устойчивое и влагостойкое.
Технические характеристики металлоискателя
Глубина поиска крышки колодца, см............ До 100
Напряжение питания, В ... От двух бата-
рей по 9
Габаритные размеры, мм 1100 х 60 х 38
Масса, кг.............. 1
5. Для предварительной локализации места утечки служит корреляционный течеискатель “MicroCorr 6 DKL 1506” фирмы “Seba Dynatronic”, внешний вид и технические характеристики которого даны в гл. 9 на с. 165.
6. Точная локализация места утечки жидкости и контроль запорной арматуры обеспечиваются акустическим течеискателем HL 4000, внешний вид и технические характеристики которого приведены в гл. 9 на с. 163.
КОНТРОЛЬ ГЕРМЕТИЧНОСТИ КРИОГЕННОЙ АРМАТУРЫ
293
17.3. КОНТРОЛЬ ГЕРМЕТИЧНОСТИ КРИОГЕННОЙ АРМАТУРЫ
Неотъемлемой частью оборудования и многих видов продукции, работающих при низких температурах, является запорная и регулирующая арматура. Это клапаны различного назначения, регуляторы давления и т.п.
Один из показателей качества изготовления арматуры - степень герметичности как отдельных элементов, например пары клапан - седло, так и конструкции в целом при криогенной температуре.
Известно, что при глубоком охлаждении в материале конструкции происходят сложные изменения первоначальной структуры материала, сопровождающиеся изменением его физических характеристик. При этом экспериментально установлено наличие изменения характера микродефектов как в целом материале, так и в сварных швах и разъемных соединениях. Под воздействием криогенных температур могут возникать сквозные микродефекты конструкций, механизм образования и поведения которых непредсказуем. Из ранее проведенных исследований видно, что при криогенных температурах расход криогенной среды через микродефект по сравнению с расходом при нормальной температуре увеличивается. Особенно резко он возрастает при переходе режима истечения криогенной среды с газообразного на жидкостный [28].
Определить истинную величину утечки через соединения арматуры в условиях, адекватных эксплуатационным, можно при испытаниях, используя в качестве контрольной криогенную среду.
В целях обеспечения требуемой герметичности объекта (изделия) при эксплуатации и сравнительно небольших затрат на испытания целесообразно следующее построение технологии испытаний:
1) испытания на этапе отработки конструкции изделия с применением рабочих криогенных сред;
2) заводские или приемосдаточные технологические испытания в условиях серийного производства с применением других контрольных сред (технологических), позволяющих значительно снизить затраты на испытания в сравнении с затратами на испытания рабочими криогенными средами. При этом необходимо знать соотношение потоков рабочих и технологических сред через один и тот же микродефект изделия. В качестве технологических сред могут использоваться как газы (например, гелий), так и жидкости (например, жидкий азот).
Криогенные испытания на герметичность с захолаживанием объекта испытаний до заданной температуры рабочей или технологической криогенной жидкостью можно реализовать двумя путями: 1) заполнением объекта испытаний газом, не конденсирующимся при данной температуре; 2) заполнением объекта испытаний непосредственно рабочей или технологической криогенной жидкостью. Первый путь реализуется в большинстве случаев с использованием традиционных методов контроля герметичности, второй требует применения специальных методов и средств контроля, что повышает трудоемкость и стоимость испытаний, но дает ряд преимуществ, особенно когда используется рабочая криогенная жидкость.
К преимуществам относится то, что:
- герметичность изделия определяется в условиях, максимально приближенных к эксплуатационным, т.е. моделируются температурные деформации, а также деформации, обусловленные массой рабочей среды;
- повышается чувствительность испытаний за счет увеличения массового расхода жидкости через дефект по сравнению с газами;
- сокращается цикл конструкторской отработки изделий, так как испытания на герметичность можно проводить непосредственно в процессе функциональных испытаний.
294 Глава 17. ПРИМЕРЫ ПРОМЫШЛЕННОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ
В данном случае это процессы испытаний арматуры на прочность, функционирование и герметичность.
В промышленности для контроля герметичности арматуры с использованием криогенной жидкости применяют три способа испытаний: объемный, накопления и вакуумирования [6, 28].
Объемный способ предназначен для измерения больших утечек криогенной жидкости. Сущность способа состоит в следующем. Используемый объект помещают в криостат, который заполняют криогенной жидкостью. В напорную полость объекта также подают криогенную жидкость с заданным давлением. При наличии негерметичности в контролируемом соединении, например паре клапан - седло, жидкость проникает в полость натекания, где испаряется под воздействием принудительного подвода тепла к полости натекания. Негерметичность выявляют путем измерения величины испарившейся в полости натекания криогенной жидкости. В целях достоверности измерения необходимо для каждого объекта найти конструктивное решение и определить, сколько требуется подвести тепла, чтобы полностью испарилась жидкая фаза утечки в полости натекания объекта. Необходимо также измерять температуру образующегося при испарении газа на входе в средство измерения и проводить пересчет величины негерметичности, например, к нормальным условиям. В качестве средств измерения используют ротаметры, газовые счетчики и мерные цилиндры.
Способ накопления основан на измерении концентрации контрольной среды в замкнутом объеме, заполненном газом-носителем. Реализуется он примерно так же, как и объемный, но криогенную жидкость в напорную полость объекта подают на определенное время, а полость натекания продувают с помощью побудителя расхода циркулирующим в замкнутом контуре газом, например гелием. Часть
контура размещают вне криостата, за счет чего подводят нужное количество тепла для газификации утечки криогенной жидкости в зоне контролируемого соединения.
Другой функцией, выполняемой газом-носителем, является выравнивание концентрации контрольной среды в объеме накопления. Негерметичность определяют по изменению концентрации контрольной среды в замкнутом объеме контура до и после подачи давления в напорную полость объекта испытаний. В качестве средств измерения концентрации используют газоанализаторы, а для более чувствительных испытаний - хроматографы.
Для испытаний способом накопления также необходимо определить ряд технологических параметров для конкретного объекта испытаний: объем контура, время получения равномерной концентрации для конкретного контура, давление и температуру отбора проб на входе в средство измерения.
При контроле герметичности способом вакуумирования напорную полость объекта испытаний, помещенного в криостат, нагружают давлением криогенной жидкости, а полость натекания вакуумируют. При наличии дефекта в контролируемом соединении криогенная жидкость поступает в полость натекания и регистрируется масс-спектрометрическим тече-искателем. В этом случае давление в полости натекания регламентировано работоспособностью масс-спектрометра течеискателя. Давление значительно ниже давления насыщения криогенных жидкостей при температуре процесса. Обычно испытания проводят при температуре, близкой к температуре кипения среды при атмосферном давлении (объект находится в криостате, дренаж которого соединен с атмосферой). Следовательно, испарение утечки в данном случае гарантировано.
Все три способа криогенных испытаний на герметичность можно совместить в одной установке и проводить испытания в
КОНТРОЛЬ ГЕРМЕТИЧНОСТИ КРИОГЕННОЙ АРМАТУРЫ
295
широком диапазоне утечек: 1 • 10 7 ... 100 м3 • Па/с, в том числе объемным способом, способом накопления и вакуумированием соответственно в диапазонах 3 • 10'3 ... 100; 1,3 • 10~5 ... 4 • 10'2; 1,3 х х 10“7... 1,3 • 10’5м3 • Па/с.
Объемный способ и способ накопления в замкнутом контуре предназначены для испытаний на герметичность с применением в качестве контрольных сред азота, водорода и кислорода. При этом потоки 3 • 10 3 ... 1 м3 • Па/с регистрируют с помощью мерных цилиндров, потоки 5,5 • 101 ... Юм3 - Па/с - с помощью газового счетчика.
Здесь важно отметить, что использование жидкого водорода при испытаниях требует соблюдения специальных мер по технике безопасности, в частности обеспечения дистанционного управления измерительными средствами и дистанционной передачи информации о результатах испытаний. Так, например, применение эжектора для подъема столба жидкости в мерном цилиндре и блока фотодиодов позволяет автоматизировать процесс измерения скорости перемещения столба жидкости в мерном цилиндре, а наблюдение за показаниями измерительных средств можно осуществить дистанционно с помощью телевизионной системы.
При испытаниях способом накопления основным средством измерения концентрации контрольных сред в объеме накопления является газовый хроматограф, например типа ЛХМ-8МД. Достоинствами прибора являются большой диапазон измерения концентраций, простота в эксплуатации и относительно небольшая длительность проведения анализов. Ввод дозы и переключение делителя выходного сигнала усилителя постоянного тока при испытаниях с использованием водорода также осуществляются дистанционно.
Минимальная концентрация водорода, регистрируемая с помощью хроматографа, 5 • 10-5 об. долей, а диапазон измерения утечки водорода способом накопле
ния 1,3 • 10"5 ... 4 • 10"2м3 • Па/с. В качестве рабочего детектора использован детектор по теплопроводности. Минимальная регистрируемая концентрация азота и кислорода хроматографом З Ю-5 об. долей, а диапазон регистрируемых утечек 1,3 х х 10~5... 1,3 • 10”2м3-Па/с.
Для анализа содержания кислорода в газе-носителе также используются промышленный стационарный автоматический самопишущий газоанализатор типа ТП-5004 У4, предназначенный для непрерывного измерения и регистрации объемной концентрации кислорода в газе-носителе с диапазоном измерения 0 ... 10 %. Диапазон утечки кислорода, регистрируемый с помощью газоанализатора, 1,3 х х 10-4 ... 7,0 • 10-1 м3 • Па/с. Повышение чувствительности возможно за счет использования аналогичного газоанализатора с диапазоном измерения 0 ... 0,5 %.
Способ вакуумирования предназначен для регистрации малых утечек водорода и азота: 1,3 • 10"7 ... 1,3 • 10~5 м3 х х Па/с. В качестве течеискателя при этом используются специальные течеискатели на базе масс-спектрометрического течеискателя, перестроенные на регистрацию водорода и азота, с возможностью дистанционного управления приборами.
Диапазон измерения утечек водорода способом вакуумирования 1,3 • 10 7 ... 3,0 • 10~5 м3 • Па/с, диапазон измерения утечек азота 5,0 • 10“7 ... 1,3 • 10~5м3 • Па/с.
Испытания на герметичность объемным способом. Принципиальная схема стенда для криогенных испытаний объемным способом приведена на рис. 17.11.
Объект испытаний 15 помещают в криостат /, заполняемый жидкой криогенной средой через клапан 13 (10); дренаж из криостата осуществляется через клапан 14. Объект испытаний соединен с линией подачи криогенной среды, включающей фильтр 3, клапаны 4, 11, 12, редуктор 9, и с линией дренажа через клапан 5.
296 Глава 17. ПРИМЕРЫ ПРОМЫШЛЕННОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ
Дренаж <НХ
Азот
/2
18
Гелий
26
30
Азот Водород (кислород)
Азот
31 ЧХ
Азот Водород
/
39
Дренажу------
ад 2/ JO-----
10
13
X—< Водород
19
&<$-£>Дренаж
Дренаж
Рис. 17.11. Принципиальная схема стенда для криогенных испытаний объемным способом: / - криостат; 2, 8, 17, 24, 28- датчики температуры; 3 - фильтр; 4, 5, 10- 14, 16, 18, 19, 22, 23, 26, 27,31, 33, 35, 37, 38 - клапаны; 6, 7, 20, 25, 29 - датчики давления; 9 - редуктор; 15 - объект испытаний; 21 - мерный цилиндр; 30 - ротаметр; 32 - газовый счетчик; 34 - ванна; 36 - эжектор;
39 -теплообменник-испаритель
В случае негерметичности объекта испытаний 15 жидкая фаза криогенной среды стекает в обогреваемую полость теплообменника-испарителя 39, где испаряется за счет тепла, приносимого потоком гелия с температурой 293 К через клапан 18.
Газообразная фаза криогенной среды поступает из теплообменника-испарителя 39 через клапан 16 в блок измерения утечек, регистрирующий поток газообразной криогенной среды с помощью ротаметра, газового счетчика или мерного цилиндра при использовании одной из трех соответствующих автономных линий.
Порядок проведения испытаний. 1. Монтаж испытательного стенда в соответствии с принципиальной схемой, представленной на рис. 17.11, испытания на герметичность систем стенда в соответствии с инструкцией по эксплуатации. В исходном положении все клапаны закрыты.
2. Продувка систем стенда сухим газообразным азотом1. Вначале продувают
1 При испытаниях на жидком водороде системы блока измерения утечки после продувки азотом продувают газообразным водородом.
КОНТРОЛЬ ГЕРМЕТИЧНОСТИ КРИОГЕННОЙ АРМАТУРЫ
297
линию подачи, для чего открывают клапан 72, настраивают редуктор 9 на давление 0,15 МПа (1,5 кгс/см2), открывают клапан 4 и подают давление в линию подачи и объект испытаний 75, затем клапан 72 закрывают. Дают выдержку в течение 30 ... 35 с, открывают клапан 5 и сбрасывают давление до атмосферного. Закрывают клапан 5. Затем продувают блок измерения утечек. Для этого открывают клапаны 22, 27, 31 и 35, продувают линию ротаметра 30 в продолжение 30 ... 35 с, при этом контролируют поток газа по положению поплавка ротаметра 30. Закрывают клапаны 22, а затем 27 и 31. Открывают клапаны 22, 23 и 33, продувают линию газового счетчика 32 в течение 30 ... 35 с, при этом контролируют поток газа по счетчику 32. Закрывают клапаны 22, 23 и 33, открывают клапаны 19, 22 и 38, продувают линию мерного цилиндра 27 около 30 ... 35 с, при этом контролируют поток газа по положению уровня жидкости в мерном цилиндре. Закрывают клапаны 19 и 22. Устанавливают рабочее положение уровня жидкости в мерном цилиндре 27 с помощью эжектора 36, для чего открывают клапан 37. Закрывают клапаны 35, 37 и 38.
3. Захолаживание криостата 7. Для этого открывают клапаны 14 и 10, захолаживают криостат 7 охлажденным газооб-2
разным азотом , одновременно на линии дренажа контролируют соответствие величины содержания кислорода в азоте установленным требованиям. Клапан 10 закрывают, открывают клапан 73 и подают в криостат 7 жидкий водород; уровень жидкого водорода определяют по показаниям датчиков температуры 2. Клапан 73 закрывают.
4. Определение фонового потока водорода (азота) в системе. Открывают клапан 18, подают в теплообменник 39 гелий, затем открывают клапаны 16,27, 31 и 35,
2 При испытаниях на жидком азоте за-
полнение им криостата проводят после захолаживания газообразным азотом.
фиксируют показания ротаметра 30 - а0, давление по датчику 29, температуру по датчику 28. Клапаны 27 и 37 закрывают.
Фоновый поток газообразного водорода (азота), прошедшего через ротаметр, подсчитывают по формуле
ефр= 228А (17.1)
7Р
где ^ф.р ~ фоновый поток водорода (азота), м3 • Па/с; а0 - показание ротаметра, л/с; Тр - температура перед ротаметром, К.
Если измеряемая величина фонового потока находится за пределами диапазона измерений ротаметра 30, измерение проводят газовым счетчиком 32, для чего открывают клапаны 23 и 33, фиксируют показание газового счетчика 32, давление и температуру соответственно по датчику давления 25 и датчику температуры 24, клапаны 23 и 33 закрывают.
Величину фонового потока газообразного водорода (азота), прошедшего через газовый счетчик, вычисляют по формуле
Сф.г.с =293-, (17.2)
Дт7;с
где £2ф.гс - фоновый поток водорода (азота), м3 • Па/с; И - объем газа, прошедшего через счетчик, м3; р - давление перед газовым счетчиком, Па; Ат - время прохождения газа через счетчик, с; Ггс - температура газа перед счетчиком, К.
Если измеряемый поток водорода (азота) не фиксируется газовым счетчиком 32, продолжают измерение с помощью мерного цилиндра 27, для чего открывают клапаны 19 и 38, фиксируют скорость изменения уровня жидкости в мерном цилиндре 27 и температуру газа по датчику температуры 77. Клапаны 19, 35 и 38 закрывают, клапан 26 открывают.
Величину фонового потоки водорода (азота) находят по формуле
Сф.м.ц=293^/-(1 + ФД (17.3) Ат Тм ц
298 Глава 17. ПРИМЕРЫ ПРОМЫШЛЕННОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ
где 0ф.м.ц - фоновый поток водорода (азота)3, прошедшего через мерный цилиндр 21, м3 • Па/с; Н - рабочий отрезок мерного цилиндра, м; £ - площадь поперечного сечения внутренней полости мерного цилиндра за вычетом площади поперечных сечений трубопроводов внутри мерного цилиндра, м2; р - барометрическое давление в момент испытания, Па; <р, - безразмерный коэффициент, для мерного цилиндра объемом 1000 см3 равный 0,03; Тм ц - температура газа перед мерным цилиндром, К.
5. Определение герметичности объекта испытаний. Для этого открывают клапан 11 (при работе с азотом открывают клапан 72), настраивают редуктор 9 на испытательное давление объекта испытаний согласно требованиям конструкторской документации, открывают клапан 4 и подают в объект испытаний 75 жидкий водород (азот). Клапан 77 (72) закрывают, закрывают клапан 26 и определяют величину потока газа Qn, повторив операции, связанные с определением фонового потока.
Величину негерметичности объекта вычисляют по формуле
Со.и = Сп-Сф, (17.4)
где Qo и - значение негерметичности объекта испытаний, м3 • Па/с; Qn - величина потока газа от объекта и фона системы, м3 • Па/с; (?ф - фоновый поток газа в системе, м3 • Па/с.
По окончании испытаний приводят испытательный стенд в исходное положение: открывают клапан 5, сбрасывают давление из объекта до атмосферного, сливают жидкость из криостата 7, открывают клапаны 12 и 10 и продувают линию подачи, объект 75 и криостат 7 газообразным азотом до нормальной температуры. Закрывают все клапаны установки.
3 Значения фонового потока газообразного водорода (азота) должны быть меньше допустимых значений £>доп (£>ф < 2Д0П).
Испытания на герметичность способом накопления. При испытаниях способом накопления жидкая криогенная среда в случае негерметичности объекта испытания натекает в герметичный кольцевой контур, заполненный циркулирующим под давлением газом-носителем -гелием.
Концентрацию газообразной фазы криогенной среды в газе-носителе определяют с помощью газоаналитических приборов, например хроматографа ЛХМ-8МД или газоанализатора типа ТП-5004 У4. Хроматограф ЛХМ-8МД и газоаналитический течеискатель ТП-5004 У4 на одном газе-носителе (гелии) позволяют регистрировать газообразные азот, водород и кислород.
Порядок испытаний с использованием хроматографа ЛХМ-8МД. 1. Монтаж испытательного стенда согласно принципиальной схеме, показанной на рис. 17.12, а также испытания на герметичность систем стенда в соответствии с инструкцией по эксплуатации. В исходном положении все клапаны закрыты.
2. Контроль содержания применяемой криогенной среды (азот, водород, кислород) в гелии. Открывают клапаны 18, 27, заполняют контур накопления гелием до избыточного давления 0,05 МПа (0,5 кгс/см2), закрывают клапан 18 и включают побудитель расхода 16 на 6 мин. Открывают клапаны 25, 26, измеряют давление р^ в емкости для отбора проб 23 по мановакуумметру 24, клапан 26 закрывают. Открывают клапаны 27 и 22 и наполняют емкость для отбора проб гелием до давления 0,2 МПа, клапаны 27, 22, 25 закрывают. Отстыковывают в точках А и Б емкость для отбора проб 23 и подстыковывают ее к хроматографу 35 в точках В и Г, затем в последний подают пробу гелия и измеряют высоту пика4 h\ на ленте потенциометра 34. Переключа-
4 При высоте пика hx > 2 мм следует заменить гелий и повторить контроль.
КОНТРОЛЬ ГЕРМЕТИЧНОСТИ КРИОГЕННОЙ АРМАТУРЫ
299
Дренаж <МХ
Азот Водород (кислород) Азот
Водород
Рис. 17.12. Принципиальная схема стенда для криогенных испытаний способом накопления с использованием хроматографа ЛХМ-8МД:
1 - криостат; 2,8- датчики температуры; 3 - фильтр; 4, 5, 10 - 14, 17 - 22, 25 - 29, 31, 32 - клапаны; 6, 7 - датчики давления; 9 - редуктор; 15 - объект испытаний;
16 - побудитель расхода; 23 - емкость для отбора проб; 24, 33 - мановакуумметры; 30 - дозатор;
34 - потенциометр; 35 - хроматограф
тель шкалы делителя выходных сигналов хроматографа 35 должен быть установлен в положение «1», т.е. тх = 1.
После контроля отстыковывают емкость для отбора проб в точках В и Г и подсоединяют ее к контуру накопления в точках А и Б. Затем открывают клапан 18, заполняют гелием контур накопления до давления 0,05 МПа (0,5 кгс/см2) и закрывают клапан 18.
Открывают клапаны 20, 22, 25, вакуумируют емкость для отбора проб 23 до давления 11 Па (8 • 10"2 мм рт.ст.), затем клапаны 20 и 22 закрывают.
3. Введение дозы применяемой криогенной среды в объем накопления. Для этого закрывают клапаны 28 и 32, открывают клапан 31 и подают в дозатор 30 криогенное вещество до давления 0,3 МПа (3 кгс/см2). Открывают клапан 29, продувают дозатор 30 в течение 3 мин; клапаны 29 и 31 закрывают и по мановакуумметру 33 фиксируют давление рабочего вещества рд в дозаторе 30. Закрывают клапан 27, открывают клапаны 28, 32 и включают побудитель расхода 16; через 6 мин клапаны 28, 32 закрывают и открывают клапан 27.
300 Глава 17. ПРИМЕРЫ ПРОМЫШЛЕННОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ
4. Контроль содержания криогенной среды в гелии. Включают побудитель расхода 16, открывают клапан 26, измеряют давление р2 в емкости для отбора проб 23 по мановакуумметру 24', клапаны 25, 26 закрывают. Аналогично п. 2 наполняют емкость для отбора проб гелием до давления 0,2 МПа и подстыковывают ее к хроматографу 35.
Подают пробу гелия в хроматограф, измеряют высоту пика h2 на ленте потенциометра 34 и фиксируют номер т2 шкалы делителя выходных сигналов хроматографа.
Вновь устанавливают емкость для отбора проб 23 в контур накопления и заполняют криостат 1 жидкой криогенной средой.
5. Определение герметичности объекта испытаний. С этой целью включают побудитель расхода 16, дают выдержку на время накопления тн, которое находят по формуле
V тн>20-^-, (17.5)
х/доп
где 0ДОП - допустимая величина негерметичности, м3 • Па/с; Кн - емкость объема накопления, м3.
По истечении времени накопления тн побудитель расхода 16 выключают. Затем открывают клапан 26, фиксируют давление в емкости для отбора проб 23 по мановакуумметру 24, клапан 26 закрывают. Аналогично п. 2 наполняют емкость для отбора проб гелием до давления 0,2 МПа и подстыковывают ее к хроматографу 35. Подают пробу гелия в хроматограф, измеряют высоту пика на ленте потенциометра 34 и фиксируют номер т3 шкалы делителя выходных сигналов хроматографа.
Величину негерметичности объекта Qo и вычисляют по формуле
п
Vo. и
тн
1,5 • 105 m3h3 - p3m2h2 ~ /п2Л2Л(1,5 105Ин+РдГд)-"’
...------------------------, м3 • Па/с,
-^1А1Р2Рз^н
(17.6) где рд, Кд - давление и объем дозы, вводимой в объем накопления, соответственно Па и м3; h\, h2, h3 - высоты пиков азота (водорода, кислорода), полученных при анализе фонового содержания их в объеме накопления, дозы, вводимой в объем накопления, и пробы, подаваемой в объем накопления после выдержки объекта испытаний в течение времени тн, мм; т}, т2, т3 - множители шкал, на которых зарегистрированы соответственно пики hx,h2, h3, Р\~ Рз ~ давления, полученные при заполнении емкости 23 из объема накопления, Па.
По окончании испытаний испытательный стенд приводят в исходное положение.
Порядок проведения испытаний с использованием газоанализатора ТП-5004 У4. 1. Монтаж испытательного стенда согласно принципиальной схеме, изображенной на рис. 17.13, испытания на герметичность систем стенда в соответствии с инструкцией по эксплуатации. В исходном положении все клапаны закрыты.
2. Заполнение криостата 1 криогенной средой.
3. Заполнение контура накопления гелием до атмосферного давления р. Открывают клапан 18, контролируют давление5 по мановакуумметру 20, клапан 18 закрывают, включают побудитель расхода 16.
4. Определение фоновой концентрации криогенного продукта Cj в контуре накопления. Для этого включают газоана-
5В случае понижения давления в контуре накопления за счет изменения температуры гелия проводят его дозаправку. Настраивают газоанализатор 22 на расход газа путем прикрытия клапана 25 до установления расхода газа через газоанализатор до 12+4 см3/с; контролируют расход по ротаметру 21.
КОНТРОЛЬ ГЕРМЕТИЧНОСТИ КРИОГЕННОЙ АРМАТУРЫ
301
12
ю
19
п К Вакуумной НХ—с> системе
1g стенда
-X—<] Гелий
Азот
Водород (кислород) Азот
£><|—< Водород
/4
ОО-О Дренаж
1
Рис. 17.13. Принципиальная схема стенда для криогенных испытаний способом накопления с использованием газоанализатора ТП-5004 У4:
/ - криостат; 2,8- датчики температуры; 3 - фильтр; 4, 5, 10-14, 17 - 19,24-26- клапаны;
6, 7 - датчики давления; 9 - редуктор; 15 - объект испытаний; 16 - побудитель расхода;
20 - мановакуумметр; 21 - ротаметр; 22 - газоанализатор ТП-5004 У4;
23 - потенциометр; 27 - емкость
25
<Х1
&21 19 Ч>О-{>Дренаж
лизатор 22, потенциометр 23 и фиксируют в течение 2 мин с помощью потенциометра 23 содержание криогенного продукта С] в контуре накопления.
5. Определение герметичности объекта испытаний. С этой целью заполняют объект испытаний криогенной средой и выдерживают под испытательным давлением в течение времени накопления тн, которое определяют по формуле
К
тн>200——, (17.7)
Х>ДОП
где Сдоп - допустимая величина негерметичности, м3 • Па/с; V - объем контура накопления, м3.
Открывают клапан 5, сбрасывают давление из объекта до атмосферного (контролъ по датчику давления 7) и фиксируют в течение 5 мин с помощью потенциометра 23 содержание криогенного продукта с2 в контуре накопления.
Величину негерметичности объекта вычисляют по формуле
(178) ои тн 100с2
где С\, с2 - концентрации криогенной среды в контуре накопления до и после подачи давления в объект испытаний, %; р -давление в контуре накопления, Па.
302 Глава 17. ПРИМЕРЫ ПРОМЫШЛЕННОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ
Дренок<Ь-£><Ь-
Азот
Водород
-СХ—<1 Азот 13
•СХ—<] Водород
<Х—<1 Атмосфера
Рис. 17.14. Принципиальная схема стенда для криогенных испытаний способом вакуумирования в криостате:
1 - криостат; 2,8- датчики температуры; 3 - фильтр; 4, 5, 10 - 14, 16, 17, 19, 22, 24 - клапаны; 6, 7 - датчики давления; 9 - редуктор; 15 - объект испытаний; 18 - контрольная течь;
20 - механический вакуумный насос; 23 - течеискатель; 25 - вакуумметр
Испытания на герметичность способом вакуумирования. Порядок испытаний способом вакуумирования в криостате следующий.
1. Монтаж испытательного стенда в соответствии с принципиальной схемой, представленной на рис. 17.14, испытания на герметичность систем стенда сообразно с инструкцией по эксплуатации. В исходном положении все клапаны закрыты.
2. Заполнение криостата 1 криогенной средой.
3. Определение порога чувствительности испытаний. Для этого включают механический вакуумный насос 20; открывают клапаны 77, 19, 22 и 24; откачи
вают вакуумную систему стенда до давления 6,6 ... 10,6 Па [(5 ... 8)10"2 мм рт.ст.]. Закрывают клапаны 77 и 22, фиксируют установившееся показание течеискателя 23 от фонового потока водорода (азота) в системе - ссф. Закрывают клапан 19, открывают клапан 77, фиксируют установившееся показание течеискателя 23 от фонового потока и потока от контрольной течи 18 — Ct).
Порог чувствительности испытаний рассчитывают по формуле
- Qk.j
2Ааф «1-аф’
(17.9)
ОСОБЕННОСТИ КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ ИЗДЕЛИИ
303
где Sq - порог чувствительности испытаний, м3 • Па/с; gKT - поток водорода (азота) от контрольной течи, м3 • Па/с; аф -показание течеискателя от фонового потока, В; Дссф - флюктуации фонового сигнала, В; ct] - показание течеискателя от потока контрольной течи 18 и фонового потока, В.
4. Определение герметичности объекта испытаний. Закрывают клапан /7, открывают клапан 19 и откачивают вакуумную систему стенда до первоначального показания течеискателя аф « осф , заполняют объект испытаний криогенной средой (водородом, азотом), фиксируют показание течеискателя ах от потока криогенной среды из объекта испытаний.
Величину негерметичности объекта Qo и рассчитывают по формуле
ах
бои = бит—----(17.10)
«1 -ОСф
где £?кт - величина потока газообразной фазы криогенной среды от контрольной течи, м3 • Па/с; ах - показание течеискателя от потока криогенной среды из объекта испытаний, В; аф - новое показание течеискателя от фонового потока криогенной среды, В.
По окончании испытаний испытательный стенд приводят в исходное положение. Напускают в вакуумную систему атмосферный воздух. Закрывают все клапаны установки.
17.4. ОСОБЕННОСТИ КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ ПРИ ПОВЫШЕННЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ
В технике течеискания принято испытания на герметичность проводить в условиях, приближенных к эксплуатационным. Так, испытания на герметичность изделий, подлежащих воздействию высоких температур, как правило, проводят
при этих температурах. Необходимость таких испытаний обусловлена тем, что деформация герметизированных оболочек под действием термических нагрузок может вызвать течи. Оценка величины течей, обнаруживаемых в подобных условиях, обычно осуществляется по результатам градуировок течеискателей, проведенных при комнатных температурах. Вместе с тем в таких оценках содержится ошибка. В самом деле, газовый поток Q, перетекающий через течь и поступающий в течеискатель, характеризуется соотношением
Q = V —, t
где V - объем газа; t - время перетекания газа; р - давление газа.
Однако р =пкТ, так что
O=V^L=^L t t '
где п - плотность частиц в потоке; N -общее число частиц; к - постоянная Больцмана; Т- абсолютная температура.
Из последнего соотношения следует, что один и тот же поток газа при различных температурах несет разное число частиц. Но именно числу частиц, проникающих в чувствительные элементы течеискателей (галогенных, масс-спектрометрических, плазменных и др.), пропорциональна их реакция. Поэтому в рассматриваемом случае при градуировке необходимо ориентироваться не на поток Q, создаваемый калиброванной течью, а на величину И7, характеризующую число частиц:
Равенство сигналов течеискателя при испытаниях объектов, находящихся при различной температуре, свидетельствует о равенстве не потоков, а числа частиц пробного вещества, поступающих в течеискатель в единицу времени:
304 Глава 17. ПРИМЕРЫ ПРОМЫШЛЕННОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ
wx = w2 = w.
Следовательно, при температурах Тх и Т2 через одну и ту же течь перетекают потоки
Qx = WkTx- Q2=WkT2, так что
0l=ZL
Q1 Т2
Последнее соотношение означает, что если цена деления выходного прибора течеискателя sx-Qx/a определена по калиброванной течи при комнатной температуре (здесь Qx - величина потока калиброванной течи; а - вызываемый им сигнал), то при определении величины обнаруживаемой течи в испытуемых объектах, нагретых до температуры Г2, следует исходить из цены деления:
Т2
S2 = 5, —. 2 1
Определение цены деления выходного прибора течеискателя по полученному соотношению исключает ошибки в оценке величин течей, обнаруживаемых при испытаниях на герметичность изделий при повышенных температурах.
17.5. КОНТРОЛЬ ГЕРМЕТИЧНОСТИ МАЛОГАБАРИТНЫХ ИЗДЕЛИЙ В
ЗАМКНУТОЙ ОБОЛОЧКЕ
К малогабаритным изделиям в замкнутой оболочке относятся различные полупроводниковые приборы, микросхемы, многие виды радиодеталей, реле, аккумуляторы, резонаторы и т.п.
Специфика контроля герметичности таких изделий связана с отсутствием доступа к внутренней полости загерметизированных изделий. Вместе с тем методы и способы контроля герметичности должны обеспечивать надежную отбраковку негерметичных изделий, а также в связи с их массовым выпуском - высокую произво
дительность и возможность автоматизации. Подавляющее большинство изделий с замкнутыми оболочками при их производстве заполняются сухим воздухом, по утечке которого можно контролировать герметичность, используя специфическую разновидность пузырькового метода. Способ заключается в погружении изделий в жидкость с высокой температурой кипения, например этиленгликоль. Жидкость нагревают до максимально высокой температуры, допустимой для погружаемых в жидкость контролируемых изделий. Течи обнаруживаются по пузырькам выходящего через них воздуха в результате повышения давления в полости изделия при его нагревании. При температуре 100 ... 120 °C регистрируются течи ~10“5 м3 • Па/с. Такая чувствительность для большинства изделий явно недостаточна.
Для повышения чувствительности способа контроля изделия перед погружением их в высококипящую жидкость опрессовывают при давлении 3 ... 5 атм в течение 5 ... 20 ч (чем ниже давление опрессовки, тем дольше должно быть время опрессовки) в низкокипящей жидкости, например во фреоне-113 с точкой кипения 47,6 °C. Опрессовку осуществляют следующим образом: открытую кювету наполняют жидким при нормальных условиях фреоном-113; изделия укладывают в кювете, которую размещают в сосуде, выдерживающем высокое давление; сосуд герметизируют, и затем в него подают воздух или инертный газ под высоким давлением.
В процессе опрессовки жидкость через течи проникает в полость негерметичных изделий. Затем изделия погружают в нагретый этиленгликоль. От разогрева корпуса изделия фреон-113 в его полости вскипает и за счет высокой упругости пара вытекает через течи, обеспечивая более интенсивное образование пузырьков. В результате регистрируются течи вплоть до
КОНТРОЛЬ ГЕРМЕТИЧНОСТИ МАЛОГАБАРИТНЫХ ИЗДЕЛИЙ
305
10-7 м3 • Па/с, существенно расширяющие диапазон разбраковки изделий при производственном контроле герметичности. Но и такая чувствительность для многих изделий, например интегральных микросхем, кварцевых резонаторов и т.п., недостаточна.
Для обеспечения требуемой степени герметичности 10-11 ... 1(Г10 м3 • Па/с необходимо использовать специальные пробные вещества, утечку которых можно было бы зарегистрировать с помощью высокочувствительной аппаратуры. Такой аппаратурой, отвечающей названным требованиям, является гелиевый масс-спектрометрический течеискатель. Введение пробного вещества (гелия) в полости изделий непосредственно при их изготовлении является наиболее простым и оптимальным решением, поскольку обеспечивается достаточно высокая чувствительность контроля независимо от объема внутренней полости изделия. Величина минимальной регистрируемой течи В1П1П при этом оценивается по уравнению
где Мг и Мв - молекулярная масса гелия и воздуха соответственно; ра и ри - величина атмосферного давления и давления пробного вещества в изделии соответственно; йшп - минимальный регистрируемый поток гелия.
Однако в силу ряда причин введение пробного вещества в изделия при их герметизации не всегда возможно. Поэтому в практике контроля герметичности замкнутых изделий широко распространен способ введения пробного вещества посредством опрессовки изделий перед их контролем. Суть способа состоит в выдержке изделий в среде пробного вещества при повышенном давлении (р0 = 3 ... 5 атм) в течение определенного времени t0. После опрессовки изделия некоторое время пе
ред контролем выдерживаются на воздухе с целью снижения фоновых сигналов, обусловленных десорбцией пробного вещества с поверхности изделий. При принятых в производстве режимах опрессовок в полость изделия вводится ограниченное количество пробного вещества, но для регистрации малых и средних течей вполне достаточное.
Величина минимальной регистрируемой течи при таких испытаниях может быть оценена по уравнению
^min Ра
Ро'о
где ро, to - давление и время опрессовки; Ки - объем внутренней полости изделия; Cmin - минимальный регистрируемый поток пробного газа.
Анализ данного уравнения показывает, что чем меньше объем контролируемого изделия Ии, тем выше чувствительность. Вместе с тем чем меньше Ии, тем более резко сокращается диапазон регистрируемых течей за счет снижения верхней границы Втах. обусловленной неизбежными потерями пробного вещества через большие течи при выдержке изделий на воздухе перед контролем. В связи с этим высокочувствительный контроль герметичности изделий малого объема приходится дублировать каким-либо другим методом, например пузырьковым, надежно регистрирующим большие течи. При этом время выдержки изделий после опрессовки строго регламентируется так, чтобы диапазоны регистрируемых течей высокочувствительным и дополнительным методами уверенно перекрывались.
В производстве малогабаритных замкнутых изделий контроль герметичности дополнительным (пузырьковым) методом во избежание закупорки малых течей жидкостью проводится после высокочувствительного контроля.
306 Глава 17. ПРИМЕРЫ ПРОМЫШЛЕННОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ
В качестве дополнительного способа контроля изделий в замкнутой оболочке в связи с их опрессовкой в жидком фреоне-113 можно принять галогенный метод, расширяющий диапазон регистрируемых течей по сравнению с пузырьковым методом. Но и в этом случае сохраняющийся двойной контроль изделий достаточно трудоемок и сложен.
В конце 80-х гг. прошлого века разработаны два новых метода (магниторазрядный и электронозахватный), позво
ляющие в едином цикле контроля регистрировать течи в требуемом диапазоне Ю-11 м3 • Па/с до видимых невооруженным глазом щелей и отверстий. Оба метода сравнительно легко поддаются автоматизации, что очень важно в связи с массовым характером производства малогабаритных изделий в замкнутой оболочке. В гл. 16 достаточно подробно рассмотрено созданное автоматизированное оборудование, реализующее оба метода.
Глава 18
МЕТОДЫ И СРЕДСТВА КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ ПОТЕНЦИАЛЬНО ОПАСНЫХ ОБЪЕКТОВ В ПРОЦЕССЕ ИХ ЭКСПЛУАТАЦИИ
18.1. ХАРАКТЕРИСТИКА ПОТЕНЦИАЛЬНО ОПАСНЫХ ОБЪЕКТОВ В ХИМИИ И НЕФТЕХИМИИ
Благополучие индустриальных стран в значительной мере обусловлено (и поддерживается) высоким уровнем современной химической промышленности. Разнообразные продукты большой и малой химии: кислоты, щелочи, лаки й краски, препараты фармацевтической химии и биотехнологических производств, резинотехнические изделия и шины, горючесмазочные материалы и многие другие - являются итогом работы многих сотен химических предприятий. Однако эти же продукты в определенных условиях могут отрицательно воздействовать на людей, соприкасающихся с ними как в процессе производственной деятельности, так и в обыденной жизни. Диапазон такого воздействия широк: от химических ожогов кислотами и щелочами до различных болезненных состояний невыясненной природы, передающихся по наследству.
Вплотную к названным проблемам примыкает еще одна - загрязнения окружающей среды. Загрязнения - это издержки, связанные с производственной деятельностью, в том числе из-за плохой герметизации технологического оборудования.
Потенциально опасные процессы химической технологии можно разделить на четыре группы: переработки и получения токсичных веществ; переработки и получения взрывоопасных веществ и примесей; процессы, протекающие с большой скоростью; смешанные процессы.
Большая часть потенциально опасных процессов химической технологии -это смешанные процессы, т.е. такие, кото
рые можно одновременно отнести к двум или трем из этих групп. В них присутствуют все или часть видов опасности: отравление, взрыв, механическое разрушение оборудования, разгерметизация аппаратов, выброс реакционной массы.
Безопасность производственных процессов обеспечивается выбором: технологического процесса (ТП), приемов, режимов работы и порядка обслуживания производственного оборудования; производственных помещений и площадок; исходных материалов, заготовок и полуфабрикатов, способов их хранения и транспортирования (в том числе готовой продукции и отходов производства); производственного оборудования и его размещения, а также распределением функций между человеком и оборудованием в целях ограничения тяжести труда.
Большое значение для обеспечения безопасности имеют профессиональный отбор и обучение работающих безопасным приемам труда, правильное применение ими средств защиты.
Производственные процессы не должны представлять опасность для окружающей среды, должны быть пожаровзрывобезопасными.
Все эти требования к производственным процессам закладываются при их проектировании и реализуются в ходе организации и проведения ТП. Они должны предусматривать:
• устранение непосредственного контакта работающих с исходными материалами, заготовками, полуфабрикатами, готовой продукцией и отходами производства, оказывающими вредное действие;
• замену ТП и операций, связанных с возникновением опасных и вредных про-
308
Глава 18. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ
изводственных факторов, процессами и операциями, при которых указанные факторы отсутствуют или менее интенсивны;
• замену вредных пожароопасных веществ на менее вредные и опасные;
• комплексную механизацию, автоматизацию, применение дистанционного управления производственными процессами и операциями при наличии опасных и вредных производственных факторов;
• герметизацию оборудования;
• применение систем контроля и управления ТП, обеспечивающих защиту работающих и аварийное отключение производственного оборудования;
• своевременное получение информации о возникновении опасных и вредных производственных факторов;
• своевременное удаление и обезвреживание отходов производства, являющихся источниками опасных и вредных производственных факторов;
• применение средств коллективной защиты работающих;
• рациональную организацию труда и отдыха с целью профилактики монотонности и гиподинамии, а также ограничения тяжести труда.
Требования безопасности к ТП включают в нормативно-техническую и технологическую документацию.
Герметизация оборудования - одно из основных условий обеспечения безопасности ТП. Особое значение она имеет при переработке токсичных и пожаро- и взрывоопасных сред, так как их утечка в окружающую среду может привести к профессиональным отравлениям, пожарам и взрывам.
Наиболее частыми причинами нарушения герметичности являются неплотности в соединениях деталей оборудования. Устранение или уменьшение степени неплотности достигается применением уплотнителей.
Выбор тех или иных видов уплотнения определяется требуемой степенью герметизации и условиями эксплуатации
оборудования, в том числе давлением среды, температурным режимом, скоростями движения и др.
Возможны два пути ликвидации потерь, связанных с утечкой технологических сред. Первый путь, основной и стратегический, - это создание такого технологического оборудования, высококачественная герметизация которого сводила бы к минимуму утечку газа или жидкости. Однако процессы герметизации оборудования и изделий (сварка, пайка, соединение с помощью эластомеров и т.д.) продолжают оставаться недостаточно совершенными.
Второй путь решает проблему снижения утечек технологических сред благодаря организации оперативного контроля состояния технологического оборудования на основе стационарно установленных автоматизированных распределенных систем локализации утечек, работающих в реальном масштабе времени с выполнением функции прогнозирования и аварийного управления потенциально опасным участком технологической схемы.
Распределенная система автоматического мониторинга потенциально опасных производств состоит из следующих основных частей: миниатюрных микроэлектронных газочувствительных датчиков утечки, средств передачи информации и системы обработки дефектоскопической информации. Использование миниатюрных сенсоров (2,5 х 2,5 х 1 мм) с низким энергопотреблением (< 1 Вт) позволяет размещать их в труднодоступных узлах технологических схем производств, характеризующихся повышенной опасностью (сальниковые уплотнения, фланцевые соединения и т.д.), делая доступным оперативное и точное определение аварийных участков ТП. Хорошая пороговая чувствительность сенсоров (1 ... 10 ppm) позволяет определять’ концентрации токсичных и взрывоопасных веществ существенно ниже предельно допустимых и, как следствие, обеспечивает функцию прогнозирования развития аварийной ситуации.
СЕНСОРНЫЕ ТЕЧЕИСКАТЕЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ И ДАТЧИКИ
309
18.2. СЕНСОРНЫЕ ТЕЧЕИСКАТЕЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ И
ДАТЧИКИ .
В последние годы получают широкое распространение полупроводниковые газочувствительные сенсоры. Сочетание высокой чувствительности, селективности и быстродействия предопределяет их использование для создания новых, компактных течеискателей, построенных на микроэлектронной базе.
Среди многообразия микроэлектронных датчиков особое место занимают сенсоры химического состава газов, которые находят применение в различных отраслях промышленности.
Изготовление микроэлектронных датчиков связано с применением технологии интегральных микросхем. Эти датчики подразделяются на сенсоры резистивного типа, электрохимические, на основе МДП структуры, с использованием барьера Шотки.
Наиболее распространены сенсоры резистивного типа. В таких сенсорах в качестве чувствительных материалов применяют SnO2, ZnO, Fe2O3 и др.
На поверхности этих полупроводников при хемосорбции кислорода локализуется отрицательный заряд, образованный захваченными электронами, что приводит к обеднению приповерхностной области полупроводника. Следовательно, полная проводимость последних достаточно низка. Когда же сорбируется другой анализируемый газ, взаимодействующий с хемосорбированным кислородом, проводимость приповерхностной области полупроводника существенно увеличивается. Скорость этих процессов зависит от температуры, которая должна быть порядка нескольких сотен градусов.
Существуют два варианта конструктивного оформления приборов. В первом используют слой окисла металла с напыленными на него электродами из благородного металла (например, платины); во втором датчик изготовляют методами
тонко- или толстопленочной технологии. На изолирующую подложку (ситалл, сапфир) напыляют платиновые контакты. Сверху наносят пленку чувствительного материала в виде пасты, которую затем подвергают термообработке. На обратной стороне изолирующей подложки формируется тонкопленочный резистивный нагреватель из платины (рис. 18.1). Чувствительность и селективность датчиков зависят от состава пасты.
Другой пример. С помощью микроэлектронной технологии были изготовлены датчики на основе окислов металлов различных конструкций, например датчик на основе SnO2 для определения содержания этанола (рис. 18.2). После термического окисления кремниевой подложки осаждением из газовой фазы на нее наносят поликремний, в который имплантируют ионы фосфора. Рисунок по поликремнию выполнен ионно-плазменным травлением. Далее химическим осаждением из газовой фазы на поликремний наносят слой SiO2 (толщина 1 мкм), а поверх него - термическим распылением тонкий слой SnO2 (толщина 100 нм). Пористый слой PdAu толщиной 2,5 нм служит для увеличения чувствительности датчика к С2Н5ОН. Так, у приборов со слоем PdAu при введении 200 ppm С2Н5ОН сопротивление уменьшается в 140 раз, в то время как без него только в 50 раз.
Рис. 18.1. Структура тонкопленочного резистивного датчика:
1 - изолирующая подложка; 2 - платиновые электроды; 3 - пленка чувствительного материала на основе SnO2; 4 - выводы резистивного нагревателя
310
Глава 18. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ
Рис. 18.2. Структура кремниевого резистивного датчика этанола:
1 - слой SiO2 (1 мкм); 2 - поликремниевый резистор; 3 - пиролитическая SiO2; 4 - пленка SnO2; 5 - контакты А1 / Сг; 6 - островки PdAu
Несмотря на высокую чувствительность к детектируемым газам, основным недостатком полупроводниковых сенсоров (ПС) такой конструкции является повышенное энергопотребление, связанное с необходимостью разогрева до рабочих температур не только чувствительного слоя, но и подложки. Кроме того, для регистрации выходного сигнала таких сенсоров приходится использовать раздельное питание нагревателя и чувствительного слоя, что усложняет электрическую схему прибора.
Альтернативным решением, позволяющим в несколько раз снизить энергопотребление при одновременном упрощении принципиальной электрической схемы, является конструкция одноэлектродного сенсора, в которой нагреватель в виде спирали, покрытой слоем полупроводникового оксида (обычно n-типа), одновременно выполняет функцию измерительного электрода.
При помещении такого сенсора в атмосферу, содержащую углеводороды, оксид углерода, водород, аммиак и другие газы, увеличивается электропроводность чувствительного элемента (ЧЭ), который упрощенно можно представить как совокупность двух параллельно включенных в цепь проводников (слой полупроводникового оксида и нагревателя). По-видимому, главной причиной этого является умень
шение под воздействием молекул детектируемого газа сопротивления полупроводникового слоя, в результате чего шунтируется сопротивление нагревателя. Это подтверждается также необходимостью использования в одноэлектродных сенсорах низкоомных полупроводников и их высокой чувствительностью (At/ =100 ... 300 мВ/IO"2 об. долей метана) в отличие от термокондуктометрических сенсоров.
На основе такого варианта ЧЭ разработан газовый сенсор ПС-1.
Основная техническая характеристика газового сенсора ПС-1
Диапазон концентраций присутствующих в воздухе газов,
об. доли................... 0 ... 1,0
Рабочее напряжение на воздухе, В...................... 1,3 ±0,2
Рабочий ток на воздухе, В.. 0,12 ± 0,1
Энергопотребление, В • А... 0,19
Быстродействие, с, не более ... 3
Чувствительность, ppm, не менее:
метана (СН4)............ 5
оксида углерода (СО).... 1
пропана (С3Н8).......... 1
водорода (Н2)............ Ю"1
На основе ПС разработаны портативные течеискатели для определения утечек вредных и горючих газов из систем газоснабжения.
Базовыми материалами для разработки сенсоров данного типа являются простые оксиды. В большей части известных работ исследуются структура и свойства ЧЭ сенсоров на основе диоксида олова (SnO2). Этот широкозонный оксидный полупроводник наиболее изучен, весьма технологичен и, как известно, высокочувствителен к газам-восстановителям (СО, СН4 и др.). Главный недостаток ЧЭ на базе SnO2 - его невысокая селективность. Практически все работы по ЧЭ на основе данного оксида преследуют цель повышения селективности сенсоров на тот или иной газ. Анализируя информацию по
СЕНСОРНЫЕ ТЕЧЕИСКАТЕЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ И ДАТЧИКИ
311
сенсорам на базе SnO2, можно сделать вывод о том, что на сегодня наиболее распространенными и эффективными методами повышения их селективности являются методы использования: 1) катализаторов; 2) поверхностных добавок.
В литературе показано, что ЧЭ из данного материала высокой чистоты могут успешно применяться в сенсорах кислорода воздуха. Однако для создания высокочувствительных сенсоров на газы-восстановители необходимо использовать элементы на основе SnO2 с добавками и катализаторами. Так, для повышения селективности и стабильности сенсоров на метан и угарный газ в состав ЧЭ вводили металлические (палладий, платина, родий, молибден) и оксидные добавки (СеО2, PbO, RuO2 и др.); на сероводород - СиО и AgO; для сенсоров водорода - МпО3, оксида азота - SeO2.
Во многих разработках для повышения селективности сенсоров на СО или СН4 ЧЭ на основе тонких пленок SnO2 покрывали тонкой пленкой палладия или платины толщиной в несколько нанометров, которая после высокотемпературного отжига превращалась в островковое покрытие из этих катализаторов.
Кроме SnO2 в качестве базового материала сенсоров использовали также Ga2O3, ZnO, СеО2, In2O3, TiO2 и ряд других простых окислов. Интересно отметить, что до сих пор в качестве ЧЭ сравнительно редко применяют и исследуют двойные и более сложные оксиды.
Другой тип сенсора организован на основе органических полупроводников. В качестве чувствительного материала в основном используют пленки фталоцианинов, которые обладают высокой термической и химической стойкостью. Эти пленки являются полупроводниками /?-типа, причем на их проводимость большое влияние оказывает кислород воздуха. После обработки в вакууме проводимость пленок становится и-типа, но под действием кислорода воздуха она увеличивается и вновь переходит в проводимость р-типа.
Исследования показали, что проводимость пленок фталоцианинов меняется в присутствии тех газов, сродство к электрону которых больше, чем у кислорода. К ним относятся галогены и галогеносодержащие газы, а также NO2. Для снижения полного сопротивления чувствительной пленки токопроводящие электроды обычно имеют гребенчатую структуру. Наиболее чувствительны газовые датчики к NO2, причем чувствительность увеличивается при легировании пленок тяжелыми металлами (легирование магнием вызвало селективную чувствительность только к парам НС1).
В настоящее время ведутся интенсивные поиски новых органических материалов для таких датчиков. В частности, перспективным для определения концентрации NH3 считают полипиррол. Высокой чувствительностью при комнатной температуре к смеси NO2 / N2O4 и С12 обладают пленки тетразулинов, однако их характеристики сильно зависят от материала подложки и качества ее обработки, от режима сублимации и толщины пленки, в силу чего воспроизводимость результатов недостаточно высока. Для определения концентрации газообразного йода предложено использовать пленки полипа-рафенилиназометина, которые показывали обратимое изменение проводимости в течение 60 циклов измерения концентрации йода в смеси N2 + 12.
В Дзержинском филиале Нижегородского технического университета разработано портативное устройство для определения утечек синильной кислоты в потенциально опасных производственных помещениях. В устройстве используется микроэлектронный каталитический сенсор резистивного типа (рис. 18.3).
Сенсор работает по принципу регистрации тепла, выделяемого при протекании каталитической реакции окисления синильной кислоты на поверхности чувствительного слоя, что приводит к повышению температуры чувствительного слоя и, следовательно, к повышению его сопро-
312
Глава 18. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ
SiO2— Si3N4 — SiO2
Рис. 18.3. Структура сенсора
тивления. Сенсорная структура представляет собой кремниевый кристалл размером 210 х 250 мм, толщиной 250 мкм, на котором с помощью современных технологических приемов формируется ЧЭ на основе пленок платины. Тонкий слой диэлектрика SiO2 - Si3N4 - SiO2 разделяет и термоизолирует сенсор от кремниевой подложки, что позволяет избежать утечек тепла в окружающую среду и снизить необходимую для нагревания мощность. Благодаря мембранной конструкции сенсора и низкой теплопроводности диэлектрического слоя для нагрева сенсора до рабочей температуры достаточно всего 10 мВт.
Сенсор включен в плечо измерительного моста, напряжение которого усиливается прецизионным операционным усилителем. Усиленный аналоговый сигнал подается на аналого-цифровой преобразователь (АЦП), который по прерыванию формирует на шине данных цифровой сигнал. Цифровую информацию обрабатывает микроЭВМ в соответствии с управляющей программой, которая решает следующие задачи:
- автоматическую отстройку от фоновой составляющей концентрации;
- фильтрацию шумов и импульсных помех;
- автоматическую коррекцию нуля;
- индикацию превышения пороговых значений концентрации;
- статистическую обработку результатов измерения и индикацию максимального и среднего значений концентрации за заданный период;
- последовательную связь с персональным компьютером.
В устройстве предусмотрены световая и звуковая сигнализация, а также семисегментный индикатор, работающий в режиме динамического сканирования, для отображения уровня концентрации синильной кислоты. Узел нагревания позволяет программно нагревать датчик, управлять им, регулировать его температуру, поддерживая ее на заданном уровне. Для исключения ложных срабатываний системы сигнал с датчика проходит специальную обработку в реальном времени с применением помехоустойчивых алгоритмов.
Основная техническая характеристика микроэлектронного каталитического сенсора
Диапазон измерения концентрации синильной кислоты, ppm............ 10-2
Напряжение питания, В .... 6 ... 12
Потребляемая мощность, Вт..................... 1,2
Габаритные размеры, мм 180 х 80 х 35
Масса, г............... 250
Газовый сенсор устанавливается через удлинительный зонд в выносную головку. Метод отбора газа непрерывный диффузионный. На левой стенке устройства имеется разъем для подключения к персональному компьютеру по последовательному каналу передачи данных типа RS-232C со скоростью обмена 9600 бод.
В процессе исследования устройства изучены мощностные и кинетические характеристики мембранных сенсоров, определяющие тепловую чувствительность. Результаты исследования сравнивали с аналогичными результатами, полученными на сенсорах такой же геометрии, но без мембран.
На рис. 18.4 приведены зависимости температуры нагревательных элементов от величины подводимой к ним электрической мощности. Эти зависимости имеют плавный характер с уменьшением наклона, а следовательно, и тепловой чувствительности сенсоров г| = АГ / А И".
СЕНСОРНЫЕ ТЕЧЕИСКАТЕЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ И ДАТЧИКИ
313
Рис. 18.4. Зависимость температуры от величины подводимой электрической мощности для сенсоров с мембраной (а) и без мембраны (б)
а)
б)
Рис. 18.5. Кинетическая характеристика нагрева до рабочей температуры сенсоров с мембраной (а) и без мембраны (б)
Главной особенностью мощностных характеристик является значительное отличие в подводимой мощности, требуемой для нагрева сенсора с мембраной и без нее до одинаковой температуры. Нагрев сенсора без мембраны до 100 °C требует мощности 0,27 Вт, а сенсора с мембраной до этой температуры составляет 8,5 мВт, что в 30 раз меньше. Уменьшение тепловой чувствительности т| с возрастанием мощности, вероятно, связано с увеличением тепловых потерь нагретых сенсоров на излучения, которые, как известно, пропорциональны Т4.
Для сравнения отметим, что наиболее экономичные термокаталитические сенсоры на основе спеченной керамики и проволочного платинового нагревателя (на
шедшие широкое практическое применение как у нас в стране, так и за рубежом) потребляют мощность W= 250 ... 300 мВт при рабочей температуре 500 °C.
На рис. 18.5 приведены кинетические характеристики исследованных сенсоров при ступенчатом нагреве их до рабочей температуры 100 °C.
Сенсор мембранной конструкции выходит на стабильный температурный режим практически за 1,5 с, в то время как сенсору без мембраны на это необходимо несколько минут.
Исследования показали высокую температурную чувствительность и низкое энергопотребление мембранных структур, а также позволили оценить минимальные значения регистрируемых температур и
314
Глава 18. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ
подводимой мощности, что представляет большой практический интерес в области создания высокочувствительных химических сенсоров, изготовляемых по планарной технологии.
18.3. РАСПРЕДЕЛЕННЫЕ АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ
СИСТЕМЫ ТЕЧЕИСКАНИЯ И ЭКОМОНИТОРИНГА
Значительные технические достижения в области ядерных и химических технологий привели одновременно к возникновению опасных производств с повышенным уровнем риска. В первую очередь это предприятия топливно-энергетического комплекса и химической промышленности.
В последние годы в России эта проблема усугубилась изношенностью парка оборудования и ослаблением контроля за состоянием производства и действиями персонала.
Обеспечение безопасности персонала и жителей поселков и городов наряду с технологическим аспектом (разработкой безопасных технологий, средств предупреждения, диагностики и блокировки аварий) имеет не менее значимый информационный аспект - своевременное информирование должностных лиц и населения о возникновении аварийных ситуаций. Эта задача возлагается на автоматизированную систему мониторинга с автоматизацией процессов локализации утечек.
В настоящее время для решения данной задачи используются различные газосигнализирующие приборы, установленные в производственной зоне. Однако подобные системы позволяют получать только интегральную оценку газовой опасности, как правило, они работают с большим запозданием и не дают информации о месте возникновения утечки. Имеющаяся статистическая информация об аварийных ситуациях указывает на элементы технологических схем, наиболее подверженные разгерметизации. К ним в
первую очередь относятся фланцевые соединения, сальниковые уплотнения, устройства загрузки и выгрузки. Установка в непосредственной близости от потенциальных мест утечек высокочувствительных миниатюрных и недорогих газовых сенсоров, объединенных в общую автоматизированную информационную систему, позволит решить проблему ранней диагностики герметичности работающего технологического оборудования и существенно сократит затраты на обнаружение мест дефектов.
Использование только системы автоматического контроля утечек не решает проблемы, связанной с необходимостью останова ТП при возникновении утечки. Следует развивать новые активные методы контроля, позволяющие не только обнаружить дефект, но и обеспечить возможность уменьшения негативных последствий от него, вплоть до полного устранения дефекта. С этой целью предлагается методика лимитированного воздействия на параметры ТП, обеспечивающего существенное снижение величины утечки без останова ТП.
Распределенные автоматизированные системы мониторинга герметичности технологического оборудования состоят из следующих основных частей: сенсоров утечки потенциально опасных сред; средств сбора и передачи информации и системы обработки сигналов сенсоров, базирующейся на микропроцессорных контроллерах или на станциях мониторинга (промышленные компьютеры, объединенные локальной сетью).
Программное обеспечение, установленное на станции мониторинга, осуществляет первичную обработку сигнала, проводит статистическую оценку их достоверности и помещает полученную информацию в базу данных системы автоматического контроля утечек. Результаты обработки представляются оператору на дисплее станции мониторинга в режиме реального времени и в виде бумажного отчета за указанный интервал времени. На
РАСПРЕДЕЛЕННЫЕ АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ ТЕЧЕИСКАНИЯ
315
основании полученных данных программное обеспечение станции оператора по специальным алгоритмам формирует управляющее воздействие на ТП. Воздействие осуществляется путем коррекции выходных сигналов устройств имеющейся системы автоматизации. Ограниченно изменяя параметры, влияющие на величину утечки (давление, температура и т.д.), можно уменьшать величину потока газа через дефект.
Обеспечение безопасного проведения технологических процессов, в которых обращаются высокотоксичные и взрывопожароопасные среды, требует непрерывного автоматического контроля состояния воздуха рабочей зоны с максимально большим количеством точек контроля.
Помимо классических требований к чувствительности, селективности и быстродействию газового контроля при построении распределенных систем автоматического детектирования малых концентраций потенциально опасных сред особые требования должны предъявляться к газовым датчикам. Среди этих требований:
• отсутствие систем пробоотбора, вносящих возмущение в концентрационное поле и снижающих возможность дальнейшей обработки с целью локализа
ции мест утечек, причем работа датчика должна осуществляться в диффузионном режиме;
• невысокая стоимость, обеспечивающая экономическую целесообразность многоточечного контроля; производство датчиков должно быть высокотехнологичным и обеспечивать низкую себестоимость;
• миниатюрность и малое энергопотребление, что дает возможность установки датчиков в труднодоступных местах технологических коммуникаций.
Перечисленным требованиям удовлетворяют газовые сенсоры, выполненные по технологии производства интегральных микросхем (на базе резисторов, диодов, МДП и гибридных структур).
Газоаналитические системы, построенные на такого рода сенсорах, позволяют детектировать широкий спектр токсичных и взрывоопасных газовых сред с высокими чувствительностью (~ 10 ppm) и быстродействием (~ 1 с).
Выбор структуры канала передачи информации является важным фактором обеспечения точности и достоверности контроля. Структура и оценка возможного построения информационных каналов приведены в табл. 18.1.
18.1. Структура каналов передачи данных
№ канала Структура каналов передачи информации Достоверность Точность Стоимость
1 Датчик -> аналоговый преобразователь -> индикатор - - 4-
2 Датчик -> аналоговый преобразователь -> микропроцессорный контроллер -> станция мониторинга ± ± ±
3 Датчик -> АЦП —> цифровой индикатор - ± 4-
4 Датчик -> АЦП + микропроцессор -> цифровой индикатор + + ±
5 Датчик -> АЦП + микропроцессор -> сетевой интерфейс -» станция мониторинга 4- -
Примечание. «-» - удовлетворительно, «±» - хорошо; «+» - отлично.
316
Глава 18. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ
Анализ структуры каналов передачи информации показал, что для распределенных автоматизированных систем мониторинга утечек потенциально опасных сред наиболее современным и надежным является канал № 5 (см. табл. 18.1).
Устранение утечек через фланцевые соединения и сальниковые уплотнения сводится к обеспечению более плотного соединения узлов данных элементов. Выполнение этих операций при больших утечках потенциально опасных сред возможно только при останове производства. Это приводит к большим финансовым затратам и возможным человеческим жертвам среди обслуживающего персонала. Для снижения опасности при обнаружении утечки необходимо использовать методы активного контроля, позволяющие варьировать контролируемые параметры. Применительно к работающему крупногабаритному технологическому оборудованию требуется осуществлять лимитированное
управление параметрами ТП с целью снижения величины потока через образовавшуюся течь. Лимитирование, снизив опасность аварийного участка, позволит в рамках допустимых по технологическим режимам отклонений не останавливать производство и не снижать качество выпускаемой продукции. Таким образом, возникает задача синтеза алгоритмов лимитированного воздействия на параметры ТП.
Существуют различные подходы к разработке алгоритмического обеспечения сложных адаптивных систем управления (программное изменение коэффициентов регуляторов, прямые градиентные методы, самонастраивающиеся регуляторы, использование искусственных нейронных сетей, а также нечеткой логики). На рис. 18.6 показана обобщенная алгоритмическая структура взаимодействия автоматической системы управления процессом снижения опасности и системой управления ТП.
Рис. 18.6. Алгоритмическая структура взаимодействия автоматической системы управления процессом снижения опасности и системы управления ТП:
Y - вектор входных параметров; Z - вектор возмущений; X - вектор управляемых параметров; R - вектор управляющих параметров; Q - вектор параметров утечек; SPP и SPj - векторы заданий; гр и г/- векторы управляющих воздействий; к/ - вектор корректирующих воздействий
РАСПРЕДЕЛЕННЫЕ АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ ТЕЧЕИСКАНИЯ
317
Система управления процессом снижения опасности получает информацию о величине и месторасположении утечки Q, сопоставляет ее с технологическими параметрами X и вырабатывает корректирующее воздействие kj. Система управления ТП с учетом kj управляет входными параметрами ТП У, используя управляющее воздействие R. До тех пор, пока утеч
ки не обнаружены, корректирующее воздействие нулевое и не влияет на ход ТП.
Представленная концепция построения распределенных автоматизированных систем активного контроля утечек потенциально опасных сред позволяет существенно повысить безопасность ТП и снизить затраты на ликвидацию последствий аварий.
Глава 19
ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ КОНТРОЛЕ ГЕРМЕТИЧНОСТИ
При испытаниях на герметичность основными опасными факторами являются разрушение изделия под действием избыточного давления, токсичность рабочих сред и вспомогательных веществ (например, растворителя), пожароопасность рабочих сред, возможность поражения электрическим током.
19.1. ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ КОНТРОЛЕ УТЕЧЕК ТОКСИЧНЫХ, ВЗРЫВО- И ПОЖАРООПАСНЫХ ВЕЩЕСТВ
По степени воздействия на организм человека ГОСТ 12.1.007 подразделяет вредные вещества на четыре класса опасности:
1) чрезвычайно опасные;
2) высокоопасные;
3) умеренно опасные;
4) малоопасные.
В табл. 19.1 даны показатели, оценивающие токсичные действия веществ по их абсолютным количествам, вызывающим определенный биологический эффект.
На сегодняшний день установлена ПДК больше чем для 800 веществ. Это объясняется тем, что наиболее часто про
изводственные отравления происходят в результате того, что вредные вещества поступают в организм человека в виде газов, паров, туманов, аэрозолей через органы дыхания. Этому способствуют большая поверхность легочной ткани, быстрота проникновения в кровь и отсутствие дополнительных барьеров на пути вредных веществ из вдыхаемого воздуха в различные органы и системы организма. На быстроту поступления токсичных веществ из воздуха в кровь влияет их растворимость в воде, близкая к растворимости в крови.
При контроле герметичности изделий и оборудования приходится иметь дело с различными объектами, особенно на предприятиях химической промышленности, где могут использоваться различные технологические газы и их смеси.
Часто при контроле герметичности изделий применяют аммиак. Его пары могут вызывать сильное раздражение верхних дыхательных путей, слизистой оболочки глаз, ожог горла и носовой полости. В случае отравления аммиаком пострадавшего (например, оператора) необходимо вынести на свежий воздух, освободить от стесняющей дыхание одежды и напоить
19.1. Классификация опасности веществ по степени воздействия на организм
Показатель Нормы для класса опасности
1 2 3 4
Предельно допустимая концентрация (ПДК) вредных веществ в воздухе рабочей зоны, мг/м3 <0,1 о,1 ... 1,0 1,1. ... 10,0 >10,0
Средняя смертельная концентрация в воздухе, мг/м3 <500 500 ... 5000 5001 . .. 50 000 >50 000
Средняя смертельная доза при введении в желудок, мг/кг < 15 15 . ... 150 151 ... 500 >5000
ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ КОНТРОЛЕ УТЕЧЕК
319
теплым молоком с содой. При попадании аммиака на кожу или слизистую оболочку глаз пораженное место следует промыть проточной водой.
ПДК паров аммиака в воздухе рабочей зоны составляет 20 мг/м3, а в атмосферном воздухе 0,2 мг/м3.
Содержание паров аммиака в воздухе контролируют с помощью фильтровальной бумаги, пропитанной 1 %-ным раствором фенолфталеина, или газоанализаторами, устанавливаемыми у потолка производственных помещений. Они должны быть оборудованы приточно-вытяжной вентиляцией, а оборудование для приготовления воздушно-аммиачных смесей должно иметь взрывобезопасное исполнение. При контроле герметичности закрытых конструкций, когда необходимый воздухообмен затруднен, следует применять индивидуальные средства защиты органов дыхания: фильтрующие либо шланговые противогазы, кислородные приборы, маски или другие средства защиты с принудительной подачей воздуха.
При испытаниях галогенными тече-искателями используются фреоны, которые не являются ядовитыми веществами. Однако чрезмерная концентрация фреонов в рабочем помещении (> 0,2 ... 0,3 об. доли) может вызвать у оператора признаки удушья из-за недостатка кислорода. Для оказания первой помощи при удушье в помещениях с высокой концентрацией фреона необходимо немедленно вывести пострадавшего на свежий воздух, давать вдыхать ему кислород.
Попадание капель фреона на кожу оператора может привести к ее обморожению, пораженный участок кожи следует осторожно растереть стерильным ватным тампоном до покраснения, после чего протереть спиртом.
Если в глаза попали пары фреона, нужно обильно промыть их теплой водой.
Дополнительно можно отметить, что при испытаниях галогенными течеискате-лями недопустимо наличие на участке контроля раскаленных поверхностей и
открытого пламени, так как под действием теплоты в присутствии различных металлов фреоны разлагаются с выделением ядовитых газов (хлористого и фтористого водорода и фосгенов).
Подобные меры безопасности следует выполнять при использовании других видов течеискателей, например акустических, когда осуществляется поиск течей в технологическом оборудовании в процессе его эксплуатации.
В ряде случаев удается заменять потенциально опасные пробные вещества менее опасными. Так, легковоспламеняющиеся растворители заменяют фреоном-113. Это взрывопожаробезопасная жидкость с температурой кипения 320 К, имеющая относительно высокий уровень ПДК. Фреон-113 применяется для очистки и обезжиривания изделий, а также в качестве контрольной среды.
Требования к пожаро- и взрывобезо-пасности при выполнении различных работ, в том числе при контроле герметичности, сформулированы в ГОСТ 12.1.004-91 «Пожарная безопасность. Общие требования» и 12.1.010-76 «Взрывобезопасность. Общие требования».
Рекомендации этих государственных стандартов определяют два основных принципа обеспечения пожаро- и взрыво-безопасности: предотвращение образования горючей и взрывоопасной среды и пожаро- и взрывозащиту средств контроля герметичности при их использовании во взрывоопасных процессах, например на химических предприятиях.
Электробезопасность в соответствии с ГОСТ 12.1.019 обеспечивается конструкцией электроустройств и течеискателей, техническими способами и средствами защиты, а также организационными и техническими мероприятиями.
Для обеспечения электробезопасности применяют отдельно или в сочетании одних с другими следующие технологические способы и средства: защитное заземление, зануление, изоляцию токоведущих частей, оградительные устройства, знаки
320
Глава 19. ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ КОНТРОЛЕ ГЕРМЕТИЧНОСТИ
безопасности, блокировки и электроза-щитные средства.
Так, при работе с масс-спектрометрическими течеискателями их необходимо заземлять, а зона испытаний ограждается предупреждающими знаками.
Замена катодов и их чистка разрешаются только после снятия напряжения и выключения течеискателя. Смену электрических и электронных элементов можно выполнять лишь при выключенном электропитании.
Большое значение для повышения безопасности испытаний имеет автоматизация испытательных операций, особенно связанных с работой вблизи изделий, заполненных контрольной средой под давлением, или при использовании пожаро- и взрывоопасных сред.
19.2. ТРЕБОВАНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ БАЛЛОНОВ
СО СЖАТЫМ ГАЗОМ
При испытаниях на герметичность для подачи контрольной (пробной) среды в объект испытаний часто используют стандартные баллоны для транспортирования и хранения сжатых и сжиженных газов. Для обеспечения безопасности эксплуатации баллонов, находящихся под высоким давлением, необходимо соблю
дать определенные требования в соответствии с Правилами устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением, установленными Госгортехнадзором РФ [31]. Транспортировать и хранить баллоны следует с навернутыми колпаками. Наполненные баллоны с насаженными на них башмаками должны храниться в вертикальном положении. Для предохранения от падения баллоны нужно помещать в специально оборудованные гнезда, клетки или ограждать барьером.
Баллоны с газом, устанавливаемые в помещениях, должны находиться от радиаторов отопления и других отопительных приборов и печей на расстоянии > 1 м, а от источников тепла с открытым огнем > 5 м.
Выпуск газов из баллонов в емкости с меньшим давлением необходимо проводить через редуктор, предназначенный специально для этого газа и окрашенный в соответствующий цвет.
Камера низкого давления редуктора должна иметь манометр и пружинный предохранительный клапан, отрегулированный на соответствующее разрешенное давление в емкости, в которую перепускается газ.
Наружная поверхность баллонов должна быть окрашена и иметь надписи, указывающие, каким образом заполнен баллон, согласно табл. 19.2.
19.2. Окраска баллонов, текст и цвет надписи
Газ Окраска баллонов Текст надписи Цвет надписи Цвет полосы
Азот Черная Азот Желтый Коричневый
Аммиак Желтая Аммиак Черный —
Технический аргон Черная Аргон технический Синий Синий
Чистый аргон Серая Аргон чистый Зеленый Зеленый
Водород Темно-зеленая Водород Красный —
Воздух Черная Сжатый воздух Белый —
Гелий Коричневая Гелий То же —
Кислород Голубая Кислород Черный —
Фреон-12 Цвета алюминия Фреон-12 То же -
ТРЕБОВАНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ БАЛЛОНОВ
321
Безопасность использования сосудов (баллонов) высокого давления во многом определяется соблюдением требований к запорной арматуре, приборам для измерения давления и предохранительным устройствам, являющимся обязательными элементами управления испытательным оборудованием. Отметим основные из этих требований, изложенных в Правилах устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением.
Запорная арматура должна устанавливаться на трубопроводах, подводящих к стенду пар, газ или жидкость и отводящих их от стенда. Установка запорной арматуры между объектом и предохранительным клапаном не допускается.
Запорная арматура должна иметь четкую маркировку:
• наименование завода-изготовителя;
• диаметр условного прохода;
• условное давление;
. • направление потока среды.
На маховиках запорной арматуры должно быть указано направление вращения при их открывании или закрывании.
Манометры могут быть установлены на штуцере корпуса объекта, на трубопроводе до запорной арматуры или на пульте управления. Манометры для измерения давления в сосудах должны иметь класс точности не ниже 2,5, если нет других указаний в НТД. Их надо выбирать с такой шкалой, чтобы предел измерения рабочего давления находился во второй трети шкалы.
Манометр должен быть установлен так, чтобы его показания были отчетливо видны; при этом шкала его должна находиться в вертикальной плоскости или с наклоном вперед до 30° и иметь красную черту по делению, соответствующему разрешенному давлению.
Номинальный диаметр манометров, устанавливаемых на высоте 2 ... 3 м от уровня площадки наблюдения за ними,
должен быть > 160 мм, на высоте до 2 м > 100 мм. Установка манометров на высоте > 3 м от уровня площадки обслуживания не разрешается.
Манометр не допускается к применению в тех случаях, когда:
• отсутствует пломба или клеймо;
• просрочен срок поверки;
• стрелка манометра при его выключении не возвращается на нулевую отметку шкалы;
• разбито стекло или имеются другие повреждения, которые могут отразиться на правильности его показаний.
Поверка манометров с их опломбированием или клеймением должна проводиться не реже одного раза в 12 мес. Кроме того, не реже одного раза в 6 мес предприятие должно осуществлять дополнительную поверку рабочих манометров контрольным манометром с записью в журнал контрольных поверок.
При отсутствии контрольного манометра допускается дополнительную поверку проводить проверенным рабочим манометром.
Количество предохранительных клапанов, их размеры и пропускная способность должны быть выбраны по расчету так, чтобы в сосуде (объекте) не могло образоваться давление, превышающее рабочее более чем на 0,5 кгс/см2 для объектов с давлением до 3 кгс/см2 включительно, на 15 % для объектов с давлением 3 ... 60 кгс/см2 и на 10 % для объектов с давлением > 60 кгс/см2.
При работающих предохранительных клапанах допускается превышение давления в объекте не более чем на 25 % рабочего при условии, что это предусмотрено проектом и отражено в паспорте сосуда (объекта). Предохранительные клапаны должны устанавливаться на патрубках или присоединительных трубопроводах, непосредственно присоединенных к объекту, в местах, доступных для их осмотра.
11 - 8193
322
Глава 19. ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ КОНТРОЛЕ ГЕРМЕТИЧНОСТИ
19.3. ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ИСПЫТАНИЯХ НА ПРОЧНОСТЬ И ГЕРМЕТИЧНОСТЬ
При разработке технологических процессов испытаний изделий на прочность и герметичность; проектировании испытательных участков, цехов, корпусов; разработке, изготовлении, монтаже и эксплуатации технологических систем, оснастки, оборудования испытательных установок и защитных устройств следует руководствоваться требованиями действующих государственных стандартов по безопасности труда (ССБТ), санитарных, строительных норм и правил и других нормативных документов по безопасности труда.
Ответственность за полноту требований по безопасности в конструкторской и технологической документации, качество изготовления, а также исправное состояние и безопасную работу испытательных установок и защитных устройств несут предприятия и организации, выполняющие соответствующие работы.
К работам, связанным с подготовкой и проведением испытаний на герметичность, допускаются лица не моложе 18 лет, прошедшие медицинское освидетельствование, обученные по специальным программам, прошедшие инструктаж, сдавшие экзамены квалификационной комиссии, имеющие удостоверение на право производства работ, а также допущенные к этим работам распоряжением или приказом по предприятию. Обучение и инструктаж проводят в порядке, предусмотренном Ведомственным положением о порядке проведения инструктажа и обучения работающих безопасным методам работы и производственной санитарии на предприятиях и в организациях.
К самостоятельным работам по испытаниям на герметичность соединений, агрегатов и объектов в целом допускаются лица, имеющие трехмесячный практический опыт проведения испытаний под руководством опытного специалиста.
Испытания на прочность и герметичность, как правило, проводятся в специализированных испытательных помещениях (на участках испытаний).
В испытательных помещениях, по мере возможности, должны быть предусмотрены:
- защитные устройства (бронекаме-ры, бронещиты и т.д.);
- централизованная разводка сжатого воздуха;
- дренажная система, обеспечивающая сброс контрольного газа из испытуемого объекта за пределы помещения, или система утилизации контрольного газа;
- автономные коммуникации электрической трехфазной сети напряжением 220 или 380 В с заземлением и двухфазная сеть 36 и 220 В;
- система приготовления и подачи в объект технологической жидкости (раствора) для гидравлических испытаний;
- водопровод для подачи воды на производственные нужды и система канализации для сброса использованных вод;
- подъемный транспорт, предназначенный для перемещения объектов испытаний и крупногабаритной оснастки.
Допускается создавать испытательные участки в помещениях для агрегатной и окончательной сборки.
Испытательное оборудование, оснастка, работающие под избыточным давлением или при разрежении, должны иметь паспорт (формуляр), инструкцию по эксплуатации (для особо ответственного оборудования, для оснастки - по усмотрению конструктора-разработчика) и отвечать требованиям безопасности при испытаниях на прочность и герметичность, а также инструкциям по технике безопасности, действующим на предприятии.
Состав испытательной установки (стенда, пульта), включающий в себя защитное устройство, комплекс средств для создания избыточного давления или разрежения, системы управления и контроля процесса испытаний, системы блокировки и т.д., определяет разработчик конструк
ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ИСПЫТАНИЯХ НА ПРОЧНОСТЬ
323
торской документации на установку. Испытания необходимо проводить с обязательной установкой предохранительных блокирующих устройств, не допускающих превышения в объекте давления, указанного в конструкторской документации.
После окончания монтажа все системы испытательной установки, работающие под давлением, должны быть испытаны на прочность и герметичность давлением, определенным конструкторской документацией на установку, и проверены на функционирование.
Результат испытания оформляют актом или заносят в формуляр (паспорт).
Оснастка для пневматических и гидравлических испытаний, работающая под давлением, должна быть испытана на прочность давлением рип = 1,25рраб и на герметичность давлением ри г = рраб, где Рраб ~ рабочее давление объекта. Время выдержки под испытательным давлением > 5 мин. Испытанная оснастка должна иметь клеймо (бирку) технического контроля.
Испытательные установки должны проходить планово-предупредительный ремонт по технической документации, действующей на предприятии.
В производственных зданиях испытательные установки размещают на специально выделенных участках в соответствии с проектной документацией на строительство или технологическими планировками, разработанными и утвержденными на предприятии в установленном порядке. Схемы технологических планировок должны быть вывешены на испытательных участках.
Наряду с опасными факторами, наличие которых возможно при разрушении объектов испытаний, следует также учитывать сопутствующие факторы, обусловленные особенностями применяемых средств технологического оснащения, методов испытаний и свойствами применяемых рабочих сред (электро- и пожароопасность, токсичность и т.д.).
В зависимости от назначения, конструктивного исполнения и условий испытаний следует применять защитные устройства следующих типов.
1. Устройства, локализующие действие опасных факторов в заданном объеме при разрушении объекта испытаний:
- металлические камеры с нормальной атмосферой (бронекамеры, бронешка-фы, бронеколпаки);
- металлические камеры с жидкостным и газовым наполнением (броневанны, камеры испытаний внешним давлением);
- металлические вакуумкамеры (бро-невакуумкамеры);
- железобетонные камеры (бронебок-сы).
2. Устройства, локализующие действие опасных факторов в заданных направлениях при разрушении объекта испытаний:
а) ограждение (щитовое, сетчатое);
б) железобетонные траншеи с открытым верхом;
в) бронебоксы с легко сбрасываемыми поверхностями, размещаемые у наружных стен производственного корпуса, а также бронекамеры и бронебоксы шахтного типа, встроенные в производственный корпус.
3. Устройства (укрытия), защищающие обслуживающий персонал от действия опасных факторов при разрушении объекта испытаний:
- металлические щиты (бронещиты);
- металлические кабины (бронекаби-ны);
- железобетонные бункера.
Защитные устройства в соответствии с назначением должны быть рассчитаны на действие опасных факторов, которые могут возникнуть при аварийном разрушении объекта.
Двери защитных устройств должны быть оборудованы запорами с блокирующими устройствами, исключающими возможность открытия дверей, или блокировкой, обеспечивающей в случае открытия двери автоматическое отключение
н*
324
Глава 19. ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ КОНТРОЛЕ ГЕРМЕТИЧНОСТИ
подачи и сброс давления при испытаниях на прочность и опрессовке.
Смотровые окна для визуального наблюдения за ходом испытания, выполненные из органического или бронестекла, необходимо снабжать устройствами, защищающими их от прямого попадания осколков при разрушении объекта.
Вновь изготовленные и принятые техническим контролем защитные устройства испытывают на прочность по специ
альной программе. Эта программа - обязательная часть конструкторской документации (проектной документации на строительство) на защитное устройство.
Тип защитного устройства выбирает разработчик испытательной установки в зависимости от вида испытаний и характеристик испытуемого объекта: испытательного давления ри и энергоемкости pnV (МПа • л) в соответствии с табл. 19.3 и 19.4.
19.3. Предельные характеристики объектов и типы защитных устройств при пневматических испытаниях
Энергоемкость объекта, МПа • л Испытательное давление, МПа, не более Вид испытания Рабочая среда Тип защитного устройства
0,3 • ю5 0,2 • 103 На прочность с разрушением Пожаровзрывобезопасные неток-сичные газы и газовые смеси 1; 2 «в»
На прочность, герметичность
0,1 • 106 15,0
0,6 • 102 На герметичность
0,25 • 105 0,1 • 103
2,0
0,5 • 105 1,0 2
0,1 • 104 0,6 - 102 Пожароопасные газы, взрывоопасные и газовые смеси, нетоксичные газы и газовые смеси 1
19.4. Предельные характеристики объектов и типы защитных устройств при гидравлических испытаниях
Энергоемкость объекта, МПа • л Испытательное давление, МПа, не более Вид испытания Рабочая среда Тип защитного устройства
0,2 • 105 0,4 103 На прочность с разрушением Нетоксич-ные пожа-ровзрыво-безопасные жидкости 1; 2 «в»
1,0- 106 30,0
0,5 • 105 Не ограничивается На прочность, герметичность
0,1 106 0,1 • 103 2 «а» и «б»; 3
Не ограничи-вается 2,0
0,25 • 103 На герметичность 1; 2 «в»
ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ИСПЫТАНИЯХ НА ПРОЧНОСТЬ
325
Продолжение табл. 19.3
Энергоемкость объекта, МПа • л Испытательное давление, МПа, не более Вид испытания Рабочая среда Тип защитного устройства
0,1 • 106 Не ограничивается На прочность, герметичность Фреоны 1
Не ограничивается 2,0 На герметичность 3
0,25 • 104 0,1 • 103 Токсичные пожароопасные жидкости 1
Испытания на прочность и герметичность должны проводиться в соответствии с ТП, разработанным на основании конструкторской или технологической документации на объект испытаний и инструкций по охране труда при эксплуатации испытательной установки.
При монтаже по схеме испытания и демонтаже объекта испытаний недопустимо давление в полостях испытуемого объекта и подводящих концевых трубопроводах (шлангах).
При гидравлических испытаниях объектов перед подачей давления следует проконтролировать заполнение жидкостью всех полостей объекта. Метод контроля и требования к полноте заполнения устанавливаются конструкторской документацией на испытательную установку, объект испытаний или ТП.
При испытании на герметичность способом аквариума риг < 1,0 МПа (10 кгс/см2) погружение и подъем объекта допускаются при давлении в объекте < 0,2 МПа (2 кгс/см2). При давлениях ри г > 1,0 МПа (10 кгс/см2), когда для контроля применяют манометры с ценой деления шкалы > 0,2 МПа (2 кгс/см2), допускается давление в объекте до первого деления шкалы. Данное требование не распространяется на случаи, когда погружение и подъем объекта проводят дистанционно внутри бронезащитного устройства при закрытых дверях.
Отключать блокировку запоров и открывать двери защитного устройства допускается для:
-внешнего осмотра объекта при гидравлических испытаниях на прочность после выдержки и снижения испытательного давления до давления осмотра росм. Значение рип > 1,25росм;
- контроля герметичности методами, требующими присутствия человека у объекта испытаний после выдержки и снижения давления опрессовки р0 испытательного ри г. Значение ро > 1, ^на-
значение испытательного давления риг при испытании на герметичность, а также значение давления осмотра росм при гидравлических испытаниях на прочность не должны превышать значений рабочего давления /?р.
Перед испытаниями, предусматривающими присутствие обслуживающего персонала у объекта испытаний, необходимо выдержать его под давлением опрессовки, превышающим испытательное давление на 10 %, > 5 мин с применением защитных устройств.
Операцию опрессовки допускается не проводить:
- при совмещенных испытаниях на прочность и герметичность; при этом объект должен быть выдержан под испытательным давлением > 10 мин. Не допускается находиться обслуживающему персоналу у объекта при выдержке его под дав
326
Глава 19. ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ КОНТРОЛЕ ГЕРМЕТИЧНОСТИ
лением опрессовки и в первые 10 мин при выдержке объекта под испытательным давлением;
- если сборочные единицы объекта испытаний были ранее испытаны на прочность и герметичность;
- при повторных (без демонтажа объекта) испытаниях.
Не допускаются устранение негерметичности в соединениях, подтяжка и ослабление элементов крепежа, выполнение каких-либо сборочно-монтажных, ремонтных работ и обстукивание оборудования, находящегося под давлением.
Запрещается проводить испытания при наличии неисправностей в испытательной установке, оснастке и инструменте.
Испытатель должен прекратить испытания, подачу газа или жидкости в объект испытаний, открыть линии сброса давления в случаях:
- разрушения испытуемого объекта;
- возникновения пожара;
- перерыва в подаче газа или жидкости;
- выхода из строя манометров и других контрольных приборов;
- срабатывания аварийной сигнализации;
- возрастания давления в объекте выше разрешенного, несмотря на принятые меры, установленные инструкцией или ТП;
- выхода из строя предохранительных, запорных и регулирующих устройств линий подачи и сброса жидкости или газа;
- других аварийных ситуаций, установленных инструкцией по охране труда при эксплуатации испытательной установки.
Для уменьшения энергоемкости объекта при испытаниях на прочность и герметичность допускается применение наполнителей. В качестве последних могут быть использованы материалы, прочность которых (объемное сжатие) обеспечивает создание в объекте требуемого испытательного давления (вкладыши из металла, дерева, пластмассы и др.).
Применение наполнителей допускается по согласованию с разработчиками конструкторской документации на объект испытаний.
Сброс рабочих газов за пределы производственного помещения и отработанных жидкостей в канализацию разрешается только после их очистки или нейтрализации до уровней, предусмотренных санитарными нормами.
Помещения для обезжиривания при подготовке объекта к контролю герметичности должны быть оборудованы приточно-вытяжной вентиляцией и снабжены системой автоматического контроля концентрации паров легковоспламеняющихся растворителей со звуковой и световой сигнализацией. Система должна срабатывать при достижении концентрации паров, составляющей 30 % от нижнего предела взрываемости.
В конструкции оборудования для обезжиривания объектов следует предусматривать устройства, предупреждающие контакт работающих с вредными веществами и поступление их в производственные помещения (встроенные местные отсосы и т.п.).
Электрооборудование помещения для подготовки поверхностей объекта перед испытаниями должно удовлетворять классу помещения, установленному в соответствии с Правилами устройства электроустановок.
Хранение органических пожаро- и взрывоопасных растворителей в помещении, где проводится подготовка поверхностей, допускается в специально отведенных местах в количестве, не превышающем сменной потребности, в закрытой герметичной таре, снабженной этикетками с четким обозначением содержимого.
Работы по подготовке поверхностей с применением органических растворителей должны вестись по специальным инструкциям, согласованным и утвержденным в установленном порядке.
Проведение работ по подготовке поверхностей объектов с применением огне
ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ИСПЫТАНИЯХ НА ПРОЧНОСТЬ
327
опасных растворителей в синтетической одежде, склонной к накоплению статического электричества, категорически запрещается. По этой же причине содержание синтетического волокна и капроновой щетины в кистях и щетках, применяемых при методе протирки, не допускается.
В помещениях (на участках), где ведутся работы с применением огнеопасных материалов, категорически запрещается:
- курить, применять открытый огонь и зажигательные средства;
- выполнять работы, при которых возможно образование искр.
Подготовку внутренних поверхностей крупногабаритных объектов с применением органических растворителей следует, как правило, проводить способами, исключающими необходимость пребывания людей внутри объекта. В противном случае следует соблюдать меры предосторожности:
- подготовку осуществлять с вентилированием внутренней полости объекта, обеспечивающим содержание паров внутри объекта не выше ПДК. При отсутствии или невозможности применения искусственной вентиляции внутри объекта рабочие, проводящие работы, должны быть в шланговых противогазах с выведенными гофрированными трубками за борт люка-лаза;
- непосредственно у люка-лаза должен находиться рабочий, на которого возлагается наблюдение за работающими внутри объекта и в случае необходимости оказание помощи им;
- объект должен быть заземлен;
- ручной светильник для работ внутри объекта должен быть во взрывобезопасном исполнении, напряжением < 12 В и снабжен устройством для закрепления его в нужном положении.
Опасными факторами в процессе испытаний на герметичность кроме связанных с возможным разрушением объекта в соответствии с ГОСТ 12.0.003-74 являют-
- подвижные части производственного оборудования;
- пониженная температура поверхностей оборудования и материалов;
- напряжение > 1000 В в электрической цепи, замыкание которой может произойти через тело человека.
Подвижные части вакуумных насосов (шкивы, ремни) должны быть закрыты защитными кожухами.
При обращении с сосудами Дьюара и использовании жидкого азота запрещается:
- ударять или резко встряхивать сосуды Дьюара;
- переносить сосуды с азотом в одиночку;
- ставить сосуды с жидким азотом ближе чем на 1 м от батарей отопления или других источников тепла;
- заливать охлаждаемые ловушки азотом непосредственно из сосудов Дьюара;
- находиться в непосредственной близости от места заливки посторонним лицам;
- курить и пользоваться открытым огнем.
Работы с жидким азотом необходимо проводить в фартуке, рукавицах и защитных очках при включенной приточновытяжной вентиляции.
При эксплуатации приборов следует выполнять требования, изложенные в Правилах эксплуатации электроустановок и Правилах техники безопасности при эксплуатации электроустановок потребителей для установок с напряжением > 1000 В.
Персонал, занятый эксплуатацией течеискателей, должен иметь квалификационную группу по электробезопасности не ниже 2.
Перед включением приборов необходимо проверить исправность заземления.
При эксплуатации течеискателей запрещается:
- подключать приборы к электросети на времянках, проводниками с некачественной изоляцией, без специальных нако-
ся также:
нечников;
328
Глава 19. ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ КОНТРОЛЕ ГЕРМЕТИЧНОСТИ
- снимать блоки при включенной стойке;
- работать при открытой передней стенке прибора;
- прокручивать шкив насоса при поданном на электродвигатель насоса напряжении.
Во время работы с приборами:
- необходимо следить за их исправным состоянием и в случае обнаружения неисправностей в приборе немедленно прекратить работу (прибор выключить согласно инструкции по эксплуатации);
- запрещается оставлять приборы без надзора, заниматься другими работами, допускать к приборам посторонних лиц.
Обслуживающий персонал, занятый подготовкой и проведением испытаний, должен иметь комплект спецодежды и средств индивидуальной защиты в соответствии с действующими нормами, в том числе:
- костюм (брюки, куртку) или халат из хлопчатобумажной ткани - белый или других светлых тонов;
- шапочку и перчатки из хлопчатобумажной ткани светлых тонов;
- тапочки;
- при работах внутри крупногабаритных объектов бахилы, полубахилы или спортивную обувь (кеды).
Опасными и вредными факторами, которые могут иметь место при работе с криогенными средами (водородом, кислородом), являются:
- взрывопожароопасность кислорода при контакте с маслами, горючими веществами и материалами;
- повышенное (> 23 %) или пониженное (< 19 %) содержание кислорода в воздухе рабочей зоны испытательного помещения.
Требования безопасности при работах с жидкими криогенными средами, в
том числе к объекту испытаний, оборудованию, оснастке, испытательным помещениям, подготовке поверхностей объектов к испытаниям и проведению испытаний, а также сливно-наливным операциям, взрывопожароопасное™ должны соответствовать ГОСТ 3022-80, 5583-78, 6331-78, 12.3 002-75; ОСТ 92-0161-87, 92-0159-79, 92-8751-80, а также ССБТ, строительных санитарных норм и правил по безопасности труда на виды работ и производственное оборудование.
Лица, работающие с жидкими и газообразными криогенными средами, обеспечиваются спецодеждой, спецобувью и индивидуальными средствами защиты в соответствии с Типовыми отраслевыми нормами бесплатной выдачи спецодежды, спецобуви и других средств индивидуальной защиты для спецпроизводств.
К работе с криогенными жидкостями не допускаются лица в загрязненной маслами или жирами спецодежде или спецобуви.
После работы спецодежду и спец-обувь следует выдержать на открытом воздухе в течение 30 мин. Верхняя одежда и нательное белье должны быть изготовлены из материала, исключающего образование и накопление зарядов статического электричества.
При работе с аммиаком необходимо соблюдать меры предосторожности, так как смесь аммиака с воздухом при комнатной температуре и атмосферном давлении, содержащая 0,14 ... 0,27 об. доли аммиака, взрывоопасна в присутствии открытого огня или детонации.
При аварийной ситуации, сопровождающейся выбросом аммиака в рабочее помещение, необходимо применять промышленный фильтрующий противогаз от аммиака марки «КД» и резиновые перчатки.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Неразрушающий контроль и диагностика: Справочник / В.В. Клюев, Ф.Р. Соснин, В.Н. Филинов и др.; Под ред. В.В. Клюева. М.: Машиностроение, 1995. 448 с.
2. Машиностроение: Энциклопедия. Т. 3 - 7 / Под ред. В.В. Клюева. М.: Машиностроение, 1996. 464 с.
3. Безопасность России: Экологическая диагностика / Под ред. В.В. Клюева. М.: Машиностроение, 2000. 495 с.
4. Дэшман С. Научные основы вакуумной техники: Пер. с англ. /Под ред. М.И. Меньшикова. М.: Мир, 1964. 715 с.
5. Новые наукоемкие технологии в технике: Энциклопедия. Т. 9 / К.С. Касаев, Л.И. Бударин, В.П. Зайцев и др.; Под ред. К.С. Касаева. М.: АО «НИИ ЭНЦИТЕХ», 1996.378 с.
6. Новые наукоемкие технологии в технике: Энциклопедия. В 4-х томах. Т. 1 / Под ред. К.С. Касаева. М.: МЦ «Аспект», 1994.280 с.
7. Неразрушающий контроль: Общие вопросы. Контроль проникающими веществами / А.К. Гурвич, И.Н. Ермолов, С.Г. Сажин; Под ред. В.В. Сухорукова. М.: Высш, шк., 1992. 242 с.
8. Ермолов И.Н.9 Останин Ю.Я. Методы и средства неразрушающего контроля качества. М.: Высш, шк., 1988. 366 с.
9. Вакуумная техника: Справочник / Под общ. ред. Е.С. Фролова, В.Е. Минаи-чева. М.: Машиностроение, 1992. 468 с.
10. Ланне В.А., Левина Л.Е. Техника вакуумных испытаний. М.: Госэнерго-издат, 1963. 263 с.
11. Левина Л.Е., Пименов В.В. Методы и аппаратура контроля герметичности вакуумного оборудования и изделий приборостроения. М.: Машиностроение, 1985. 68 с.
12. Кузьмин В.В., Левина Л.Е., Творогов И.В. Вакуумметрическая аппаратура техники высокого вакуума и течеискания. М.: Энергоатомиздат, 1984. 240 с.
13. Бударин Л.И.9 Касаев К.С.9 Наумов В.Н. Химические методы испытания изделий на герметичность. Киев: Наукова думка, 1991.202 с.
14. Маслов Б.Г. Дефектоскопия проникающими веществами. М.: Высш, шк., 1991.256 с.
15. Розанов Л.Н. Вакуумные машины и установки. Л.: Машиностроение, 1975.336 с.
16. Шумский К.П. Вакуумные аппараты и приборы химического машиностроения. М.: Машиностроение, 1974. 573 с.
17. Карпов В.Н., Левина Л.Е., Муравьева Л.Д. Методика и аппаратура высокочувствительного течеискания // ПТЭ. 1967. №4. С. 168-171.
18. Левина Л.Е. Обобщенное эмпирическое уравнение для описания процесса перетекания газов по малым каналам // Дефектоскопия. 1979. № 6. С. 94 - 98.
19. Сажин С.Г., Лемберский В.Б. Автоматизация контроля герметичности изделий массового производства. Горький: Волго-Вятское книжное изд-во, 1977. 178 с.
20. Сажин С.Г. Классификация высокопроизводительного оборудования для контроля герметичности изделий // Дефектоскопия. 1979. № 5. С. 74 - 78.
21. Бойцова Т.М., Сажин С.Г. Достоверность автоматизированного контроля герметичности изделий // Дефектоскопия. 1981.№4. С. 76-81.
22. Блинников Н.М., Кузьмина В.Т., Химушкин В.А. Установка автоматизированного широкодиапазонного контроля герметичности ИЭТ // Электронная промышленность. 1982. Вып. № 9 (115). С. 53 - 54.
23. Пименов В.В. Электронозахватный течеискатель // Дефектоскопия. 1978. №6. С. 61.
24. Барышникова И.Г.9 Голоскоков В.В.9 Демидов А.В., Евлампиев А.И. Установка для автоматизированного вы
330
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
сокопроизводительного контроля герметичности малогабаритных замкнутых изделий УКГЭ // Дефектоскопия. 1987. № 4. С. 83 - 84.
25. Леонов И.Г., Никифорова З.С., Богородицкий С.К. О метрологическом обеспечении средств неразрушающего контроля // Дефектоскопия. 1977. № 4. С. 125- 128.
26. Селиверстов М.И. Исследование элегаза в качестве пробного вещества при контроле на герметичность И Дефектоскопия. 1991. № 8.
27. Касаев К.С., Козлов В.М., Попов Е.Д. Испытания при моделировании криогенных условий // Производственнотехнический опыт. 1984. № 6.
28. Касаев К.С., Козлов В.М., Попов Е.Д. и др. Результаты экспериментальных исследований истечения жидкостных криогенных компонентов // Производственно-технический опыт. 1987. № 4.
29. Duval Р. Le detecteur de fuites a 1’Helium hier, aujourd et demain // Le Vide. 1989. № 249. Vol. 44. P. 447 - 470.
30. Сена Л.А. Единицы физических величин и их размерности. М.: Наука, 1977. 335 с.
31. Правила устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением (ПБ 10-115-96). М.: ПИО ОБТ, 1996. 241 с.
ПРИЛОЖЕНИЕ
ТРЕБОВАНИЯ К ТЕХНИЧЕСКИМ ЗНАНИЯМ ПЕРСОНАЛА ПО РЕКОМЕНДАЦИИ МЕЖДУНАРОДНОГО КОМИТЕТА ПО НЕРАЗРУШАЮЩЕМУ КОНТРОЛЮ - ICNDT WH 21-85 изм. 1
Документ подготовлен Итальянским Комитетом по координации неразрушающего контроля (CIC PnD), принят ICNDT в ноябре 1985 г.
Уровень 1 Уровень 2 Уровень 3
Часть 1. Основы гидродинамики
1.1. Физические состояния 1.1. То же, что и для уровня 1.1. То же, что и для уров-
вещества (только основ- 1, + знание диаграмм «давле- ня 2, + разница между
ные принципы) ние - объем» и «давление -температура»; + переходы «твердое тело -жидкость» и «жидкость -пар» идеальным и реальным газами
1.2. Давление: 1.2. То же, что и для уровня 1.2. То же, что и для уров-
• определение давления 1, + соотношение между ня 2, + определение дав-
как отношения силы к основными единицами изме- ления с точки зрения ки-
площади; • знание основных применяемых единиц измерения; • измерение давления пара рения давления нетической теории газа; + определение стандартного атмосферного давления
1.3. 1.3. Закон идеальных газов: • только формула и применения к течеисканию 1.3. То же, что и для уровня 2, + вывод формулы закона идеального газа из кинетической теории
1.4. Измерение течи: 1.4. То же, что и для уровня 1.4. То же, что и для уров-
• знание основных применяемых единиц измерения 1, + соотношение между единицами измерения ня 2
1.5. Проводимость (только 1.5. То же, что и для уровня 1.5. То же, что и для уров-
определение и смысл) 1, + расчет проводимости по номограмме; + проводимость при последовательном и параллельном соединениях ня 2, + влияние на проводимость различных режимов течения
1.6. Явления обезгажива- 1.6. То же, что и для уровня 1.6. То же, что и для
ния (только практические применения) 1, + механизм явления уровня 2, + поведение различных газов и паров с точки зрения обезгажива-ния
332
ПРИЛОЖЕНИЕ
Продолжение табл.
Уровень 1 Уровень 2 Уровень 3
1.7. 1.8. Области давления вакуумной технологии: • подразделение областей давления 1.9. Мнимые и реальные течи (только разница) 1.7. Средняя длина свободного пробега (только определение и смысл) 1.8. То же, что и для уровня 1, + соотношение между средней длиной свободного пробега и режимами течения 1.9. То же, что и для уровня 1, + зависимость давления и времени 1.7. То же, что и для уровня 2, + соотношение между средней длиной свободного пробега и давлением 1.8. То же, что и для уровня 2, + режимы течения и кинетическая теория газа 1.9. То же, что и для уровня 2, + оценка влияния мнимых течей при испытании с подъемом давления
Часть 2. Измерение малых давлений
2.1. Классификация и выбор вакуумметров: • выбор вакуумметров в соответствии с областью давления 2.1. То же, что и для уровня 1, + используемые физические свойства; + абсолютные и относительные вакуумметры; + вид регистрируемого давления (полное или парциальное) 2.1. То же, что и для уровня 2 (более глубокие знания физических свойств)
К знаниям следующих типов манометров предъявлять требования, указанные выше для уровней 1, 2, 3:
2.2. Механические ваку- 2.2. То же, что и для уровня 2.2. То же, что и для уров-
умметры: • вакуумметр Бурдона (пружинный вакуумметр); • диафрагменный вакуумметр 1, + показания вакуумметров с учетом изменения атмосферного давления ня 2
2.3. Двухтрубные вакуум- 2.3. То же, что и для уровня 2.3. То же, что и для уров-
метры: • метод считывания величины давления 1, + расчет давления ня 2
2.4. Вакуумметр Маклеода: 2.4. То же, что и для уровня 2.4. То же, что и для уров-
• метод считывания величины давления 1 ня 2, + расчет по закону Бойля
2.5. Вакуумметр с преоб- 2.5. То же, что и для уровня 2.5. То же, что и для уров-
разователем Пирани: • метод считывания величины давления; • общие критерии 1 ня 2, + калибровка вакуумметра для различных газов
ПРИЛОЖЕНИЕ
333
Продолжение табл.
Уровень 1 Уровень 2 Уровень 3
2.6. Термопарный вакуумметр: • метод считывания величины давления; • общие критерии 2.7. Ионизационный вакуумметр с преобразователем с накальным катодом: • метод считывания величины давления; • общие критерии 2.8. Ионизационный вакуумметр с преобразователем с холодным катодом: • метод считывания величины давления; • общие критерии 2.6. То же, что и для уровня 1, + характеристика (зависимость показания от давления) 2.7. То же, что и для уровня 1 2.8. То же, что и для уровня 1, + характеристика (зависимость показания от давления) 2.6. То же, что и для уровня 2, + калибровка вакуумметра для различных газов 2.7. То же, что и для уровня 2, + калибровка вакуумметра для различных газов 2.8. То же, что и для уровня 2, + калибровка вакуумметра для различных газов
Часть 3. Вакуумные насосы
3.1. Классификация и вы- 3.1. То же, что и для уровня 3.1. То же, что и для уров-
бор вакуумных насосов: 1, ня 2:
• типы насосов + предельные давления; + диапазон давлений; + скорости понижения давления; + давление на выходе; + принципы работы • знание соответствующих принципов
3.2. Насосы с вращающи- 3.2. То же, что и для уровня 3.2. То же, что и для уров-
мися лопастями и вращающимися поршнями: • знание правил технического обслуживания; • знание назначения газового балласта 1, + оценка времени откачки насосом различных объемов ня 2
3.3. Форвакуумные насо- 3.3. То же, что и для уровня 3.3. То же, что и для уров-
сы: • знание правил технического обслуживания; • общие критерии 1, + оценка параметров насоса для различных применений; + оценка правильности выбора параметров насоса ня 2
3.4. Масляные диффузи- 3.4. То же, что и для уровня 3.4. То же, что и для уров-
онные насосы: • знание правил технического обслуживания; • общие критерии 1, + оценка параметров насоса для различных применений; + оценка правильности выбора параметров насоса ня 2
334
ПРИЛОЖЕНИЕ
Продолжение табл.
Уровень 1 Уровень 2 Уровень 3
3.5. Ловушки с жидким азотом: • знание правил технического обслуживания 3.5. То же, что и для уровня 1, + специальные применения азотных ловушек в те-чеискании 3.5. То же, что и для уровня 2
Часть 4. Материалы и компоненты для вакуумных систем
4.1. Выбор компонентов 4.1. То же, что и для уровня 4.1. То же, что и для уров-
трубопроводов (фланцы, переходники и т.д.) для контроля герметичности: • знание правил технического обслуживания; • общие критерии 1, + выбор правильной величины диаметра и длины; + выбор материалов в зависимости от диапазона давления ня 2
4.2. Выбор клапанов для 4.2. То же, что и для уровня 4.2. То же, что и для уров-
течеискания: • знание правил технического обслуживания 1, + выбор клапанов для различных применений ня 2
Часть 5. Пузырьковый метод течеискания
5.1. Основы пузырькового 5.1. То же, что и для уровня 1, + более глубокие знания соответствующих физических принципов; + выбор способов для различных применений 5.1. То же, что и для уров-
метода: • способ погружения; • способ нанесения жидкости; • способ создания перепада давлений ня 2
5.2. Контрольные среды: 5.2. То же, что и для уровня 5.2. То же, что и для уров-
• испытательные жидко- 1, + выбор испытательных ня 2 (более глубокие зна-
сти для метода погружения (подготовка и применение); • вещества, используемые при способе нанесения жидкости (подготовка и применение) жидкостей с точки зрения физических свойств ния)
5.3. Техника и технология 5.3. То же, что и для уровня 5.3. То же, что и для уров-
пузырькового метода (более глубокие знания по способам создания разности давлений): • наддув контролируемого объекта; • повышение температуры испытательной жидкости; • вакуумная техника (контроль вакууммируе-мых объектов) 1 (более глубокие знания соответствующих физических свойств) ня 2
ПРИЛОЖЕНИЕ
335
Продолжение табл.
Уровень 1 Уровень 2 Уровень 3
Часть 6. Контроль методом измерения изменения давления
6.1. Основы метода изме- 6.1. То же, что и для уровня 6.1. То же, что и для уров-
рения давления: 1, + разница между двумя ня 2 (более глубокие зна-
• контроль под давлением; • вакуумный контроль (контроль по натеканию) методами с учетом закона идеального газа ния)
6.2. Контроль под давле- 6.2. То же, что и для уровня 6.2. То же, что и для уров-
нием: 1, + расчет скорости утечки ня 2 (более глубокие зна-
• абсолютная система; • относительная система (только основные принципы) исходя из закона идеальных газов; + выбор систем; + влияние изменения температуры; + влияние изменения давления водяного пара; + влияние изменения атмосферного давления ния)
6.3. Оборудование для 6.3. То же, что и для уровня 6.3. То же, что и для уров-
контроля под давлением: 1, + приборы для контроля ня 2, + точность и калиб-
• необходимые инструменты давления; + приборы для измерения температуры ровка оборудования
6.4. Вакуумный контроль 6.4. То же, что и для уровня 6.4. То же, что и для уров-
(только основные прин- 1, + расчет скорости утечки ня 2, + оценка влияния
ципы) исходя из закона идеальных газов; + разница между течеиска-нием под давлением и те-чеисканием под вакуумом; + влияние мнимых течей в зависимости от соотношения давление/время (смотреть также часть 2 для выбора вакуумметров) мнимых течей при контроле подъемом давления
Часть 7. Галогенный метод течеискания
7.1. Принципы работы 7.1. То же, что и для уровня 7.1. То же, что и для уров-
галогенного течеискателя (только основные) 1, + знание эффекта Ленгмюра - Тейлора ня 2
336
ПРИЛОЖЕНИЕ
Продолжение табл.
Уровень 1 Уровень 2 Уровень 3
7.2. Способы галогенного 7.2. То же, что и для уровня 7.2. То же, что и для уровня 2 (более глубокие зна-
метода течеискания: 1, + чувствительность обо-
• вакуумный контроль; • контроль под давлением (только разница) их способов; + выбор критериев для различных применений способов ния)
7.3. Оборудование для 7.3. То же, что и для уровня 7.3. То же, что и для уров-
галогенного метода течеискания: • блок управления галогенного течеискателя; • детектор пистолетного типа (атмосферный преобразователь); • вакуумный преобразователь; • калиброванные течи (техническое обслуживание и рабочие критерии) 1, + критерии выбора режимов вакуумного преобразователя (соответствующие физические свойства) ня 2
7.4. Пробные газы-фреоны 7.4. То же, что и для уровня 7.4. То же, что и для уров-
(только основные типы) 1, + свойства пробных газов (химический состав, молекулярная масса, взаимодействие жидкости с газом) ня 2
7.5. Градуировка галоген- 7.5. То же, что и для уровня 7.5. То же, что и для уров-
ных течеискателей: • системы калибровки 1, + процентное соотношение галогенной смеси; + оценка чувствительности контроля ня 2
7.6. Практическое приме- 7.6. То же, что и для уровня 7.6. То же, что и для уров-
нение галогенного метода: • работа оборудования; • сканирование поверхности объекта обдувателем пробного газа и атмосферным преобразователем 1 (более глубокие знания) ня 2
Часть 8. Масс-спектрометрический метод течеискания
8.1. Принципы масс-спектрометра работы (толь- 8.1. То же, что и для уровня 1, + расчет соотношения 8.1. То же, что и для уровня 2 (более глубокие зна-
ко основные) т/е масс-спектрометрии; 4- масс-спектры; 4- масс-спектрометры однофокусные и со сдвоенным фокусом; 4- общая масс-спектрометрия и при использовании в течеискании ния соответствующих физических свойств)
ПРИЛОЖЕНИЕ
337
Продолжение табл.
Уровень 1 Уровень 2 Уровень 3
8.2. 8.2. 8.2.
8.3. Способы масс- 8.3. То же, что и для уровня 8.3. То же, что и для уров-
спектрометрического ме- 1, + чувствительность СПО- ня 2 (более глубокие зна-
тода течеискания: • контроль под давлением; • вакуумный контроль течеискания с подачей пробного газа с внешней и внутренней сторон сосуда (только разница) собов; + критерии выбора способов для различного применения ния)
8.4. Масс-спектрометри- 8.4. То же, что и для уровня 8.4. То же, что и для уров-
ческий течеискатель: • вспомогательные устройства; • вакуумные системы; • оборудование и детектор для течеискания под давлением (техническое обслуживание и работа); • калиброванные течи; • пробные газы 1 ня 2
8.5. Вакуумное масс- 8.5. То же, что и для уровня 8.5. То же, что и для уров-
спектрометрическое те- 1, 4- расчет величины реги- ня 2 (более глубокие зна-
чеискание: • системы калибровки; • работа течеискателя в зависимости от давления в стрируемых течей; 4- течеискание с применением чехла и пробного вещества; ния)
системе 4- работа течеискателя при высоком давлении в системе
8.6. Масс-спектрометри- 8.6. То же, что и для уровня 8.6. То же, что и для уров-
ческий контроль объектов, находящихся под давлением: • калибровка течеискателя; • процентное соотношение смеси и системы щупа; • перепад давлений; • сканирование поверхности объекта щупом 1 ня?
338
ПРИЛОЖЕНИЕ
Продолжение табл.
Уровень 1 Уровень 2 Уровень 3
Часть 9. Другие и разрабатываемые способы
9.1. Течеискание с приме- 9.1. То же, что и для уровня 9.1. То же, что и для уров-
нением аммиака (только основные принципы) 1, + чувствительность способа ня 2
9.2. Радиоактивные инди- 9.2. То же, что и для уровня 9.2. То же, что и для уров-
каторы (только основные принципы) 1, + чувствительность способа ня 2
9.3. Течеискание с помо- 9.3. То же, что и для уровня 9.3. То же, что и для уров-
щью термической проводимости (только основные принципы) 1, + чувствительность способа ня 2
9.4. Течеискание с помо- 9.4. То же, что и для уровня 9.4. То же, что и для уров-
щью ультразвука (только основные принципы) 1, + чувствительность способа ня 2
9.5. Течеискание акусти- 9.5. То же, что и для уровня 9.5. То же, что и для уров-
ко-эмиссионным способом (только основные принципы) 1, + чувствительность способа ня 2
9.6. Анализ газа (газовая 9.6. То же, что и для уровня 9.6. То же, что и для уров-
хроматография, анализ остаточного газа и т.д.) (только основные принципы) 1, + чувствительность способа ня 2
Часть 10. Аспекты безопасности течеискания
10.1. Контроль опасности 10.1. То же, что и для уров- 10.1. То же, что и для
работы с токсичными и радиоактивными жидкостями, парами и частицами, а также с воспламеняющимися жидкостями и парами ня 1 уровня 2 (более глубокие знания)
10.2. Меры безопасности 10.2. То же, что и для уров- 10.2. То же, что и для
при работе с сосудами со сжатым газом ня 1 уровня 2 (более глубокие знания)
10.3. Меры безопасности 10.3. То же, что и для уров- 10.3. То же, что и для
при течеискании на сосудах под давлением или под вакуумом ня 1 уровня 2 (более глубокие знания)
ПРИЛОЖЕНИЕ
339
Продолжение табл.
Уровень 1 Уровень 2 Уровень 3
Часть 11. Коды, стандарты, технические условия и руководящие материалы
11.1. Общие знани я об 11.1. Содержание обычных 11.1. То же, что и для
имеющихся кодах и дартах стан- и специальных кодов, стандартов, технических условий и руководящих материалов уровня 2 (более глубокие знания), + критерии для выбора кодов, стандартов, технических условий и руководящих материалов; + расчет стоимости
11.2. Выполнение тече- 11.2. То же, что и для уров- 11.2. То же, что и для
искания по утвержденным инструкциям (подготовленным персоналом 2-го или 3-го уровня) 11.3.- ня 1 11.3. Составление инструкций по течеисканию, выбор области применения, оборудования, способа уровня 2, 4- выбор метода течеискания 11.3. Определение метода течеискания для новых задач. Выбор возможных дополнительных методов течеискания
Примечание. Уровень 2 включает в себя знания уровня 1; уровень 3 включает в себя знания уровней 1 и 2.
Книга 2
ВИХРЕТОКОВЫЙ КОНТРОЛЬ
ПРЕДИСЛОВИЕ
Уровень промышленного развития передовых стран на современном этапе характеризуется не только объемом производства и ассортиментом выпускаемой продукции, но и показателями ее качества.
В целях повышения качества изделий предприятия постоянно увеличивают объемы операций контроля и численность контролирующего персонала. Важным средством решения этой проблемы является применение объективных физических методов неразрушающего контроля (НК). Неразрушающий контроль обеспечивает качество функционирования, надежность и безопасность эксплуатации огромного числа самых разнообразных технических объектов. При этом эффективность применения НК обусловливается как уровнем развития дефектоскопической аппаратуры, так и квалификацией специалистов НК. Надежность аппаратуры обеспечивается качеством ее элементов, метрологической аттестацией и периодической проверкой. Квалификация специалиста подтверждается его образованием, специальными знаниями, навыками, опытом, позволяющими ему технически грамотно проводить НК.
Данная книга является одной из серии книг по методам и средствам неразрушающего контроля. В ней изложены физические принципы вихретокового контроля, методы расчета электромагнитных полей вихретоковых преобразователей различных форм и конструкций, способы обработки сигналов и методы проектирования вихретоковой аппаратуры, приводятся технические данные и конструктивные особенности промышленных приборов различного назначения, показаны
практические приложения этой аппаратуры для неразрушающего контроля различных промышленных объектов.
Книга содержит обширное приложение, где приводится ряд необходимых в практической работе материалов по электромагнетизму, единицам физических величин, отечественным и зарубежным стандартам, сертификации персонала на основе европейских и американских стандартов.
Книга написана специалистами НИИ интроскопии и Московского энергетического института на основе результатов многолетней научно-исследовательской и опытно-конструкторской работы, а также лекций, читавшихся студентам МЭИ таких специальностей, как «Инженерная электрофизика», «Физические методы и приборы неразрушающего контроля», «Физические методы и приборы интроскопии». Использованы также отечественные и зарубежные публикации и материалы конференций.
Большое внимание уделено физике происходящих при контроле электромагнитных процессов, способам обработки сигналов вихретоковых преобразователей. Рассмотрены технологии и методики контроля промышленных объектов, конструктивные особенности используемой при этом аппаратуры, что придает материалу практическую ценность.
Темпы развития современного приборостроения таковы, что данные о приборах НК, включенные в книгу, довольно быстро устаревают. Поэтому при рассмотрении конкретных конструкций приборов основное внимание уделено тенденциям в
ПРЕДИСЛОВИЕ
341
развитии средств вихретокового контроля на примерах некоторых моделей, отражающих эти тенденции. .
Предисловие, введение, главы 5, 6, 8, И, 12, все разделы приложения написаны д-ром техн, наук, проф. Ю.К. Федосен
ко, главы 1, 2, 3 - д-ром техн, наук, проф. В.Г. Герасимовым, главы 7, 9, 10 - д-ром техн, наук, проф. А.Д. Покровским, глава 4 - канд. техн, наук, доц. Ю.Я. Останиным.
ВВЕДЕНИЕ
К средствам НК принято относить контрольно-измерительную аппаратуру, в которой используются физические проникающие поля, излучения и вещества для получения информации о качестве исследуемых материалов и изделий.
Вихретоковой метод основан на взаимодействии с проводящим объектом контроля переменного электромагнитного поля радиочастотного диапазона (диапазон от единиц герц до десятков мегагерц).
Достоинством вихретокового контроля является то, что его можно проводить при отсутствии контакта между вихретоковым преобразователем (ВТП) и объектом контроля (ОК), поэтому его часто называют бесконтактным. Благодаря этому вихретоковой контроль возможен при перемещении ОК относительно ВТП, причем скорость этого движения при производственном контроле может быть значительной, что обеспечивает высокую производительность контроля. Получение первичной информации в виде электрических сигналов, отсутствие контакта и высокая производительность определяют широкие возможности автоматизации вихревого контроля.
Дополнительным преимуществом вихретокового контроля является то, что на сигналы ВТП практически не влияют влажность, давление и загрязненность газовой среды, радиоактивные излучения, загрязнения поверхности ОК непроводящими веществами. Несомненное достоинство ВТП - простота его конструкции. В большинстве случаев катушки ВТП помещают в предохранительный корпус, благодаря чему они устойчивы к механическим и атмосферным воздействиям и представляют собой весьма надежные первичные преобразователи.
Так как вихревые токи возникают только в электропроводящих материалах, то объектами вихретокового контроля могут быть изделия, изготовленные из мета-лов, сплавов, графита, полупроводников и других электропроводящих материалов.
В настоящее время вихретоковый контроль является промышленной подотраслью приборостроения, производящей сотни типов аппаратуры для контроля металлопродукции как в процессе ее производства на заводах черной, цветной металлургии, машиностроительных предприятиях (авиационных, космических, автомобильных и др.), так и при эксплуатации оборудования сложных технических объектов (тепловых и атомных электростанций, самолетов, ракет, трубопроводного и железнодорожного транспорта и т.д.). Выпускаются различные типы дефектоскопов ручного и автоматизированного применения, толщиномеры покрытий и тонких металлических слоев, измерителей удельной электрической проводимости металлов, структуроскопов различного назначения.
Достигнутые в течение последних нескольких десятилетий успехи в развитии информатики, микроэлектроники и вычислительной техники оказали глубокое воздействие на системы вихретокового неразрушающего контроля промышленной продукции и, как следствие, привели к увеличению возможностей представления количественных характеристик материалов и изделий, возрастанию роли этих систем в повышении качества промышленной продукции, появлению про-граммно-управляемых универсальных приборов и автоматизированных систем.
Для правильного выбора вида, метода и средств НК необходимо знание возможного диапазона измерения физических свойств и параметров материала ОК, его структуры, технологии производства, условий эксплуатации ОК, а также физических принципов методов НК, их технических возможностей и характеристик конкретной аппаратуры. В данной книге излагаются все эти вопросы по вихретоковому контролю.
Глава 1
ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
1.1. ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ И ЕГО ОСНОВНЫЕ УРАВНЕНИЯ
Вихретоковый контроль основан на анализе взаимодействия внешнего электромагнитного поля, создаваемого вихретоковыми преобразователями (ВТП), представляющими собой индуктивные катушки, с электромагнитным полем вихревых токов, возбуждаемых в объекте контроля (ОК) переменным магнитным полем ВТП.
Электромагнитным полем называется вид материи, характеризующийся во всех точках двумя его сторонами: электрическим и магнитным полем. Каждое из этих полей определяется векторными величинами - напряженностью электрического поля Е и магнитной индукцией В . Электромагнитное поле оказывает силовое воздействие на заряженные частицы, зависящие от заряда и скорости движения.
Первопричиной всех электрических явлений в природе, в том числе и электромагнитного поля, является электрический заряд. Простейшими электрическими зарядами можно считать электроны, которые содержатся в каждом атоме любого вещества. Электрическим зарядом обладает и протон - ядро атома. Причем электроны и протоны имеют заряды разного знака: протоны - положительные, а электроны - отрицательные. В соответствии с законом Кулона положительный Q\ и отрицательный Q2 точечные заряды, расположенные в вакууме, притягиваются друг к другу с силой
F = , (1.1)
47l80/r
где R - расстояние между зарядами;
107
80 =---г = 8,854 Ю’12 Ф/м - электриче-
4лс
ская постоянная; с = 3 • 108 м/с - скорость света.
Одноименные точечные заряды отталкиваются друг от друга с той же силой F.
Заряженные частицы или тела создают электрическое поле. Так, два заряда разных знаков, размещенных на расстоянии / друг от друга, создают электрическое поле, силовые линии которого показаны на рис. 1.1. Основной характеристикой каждой точки этого поля является напряженность электрического поля Е, равная силе F, действующей на единичный заряд q, расположенный в произвольной точке:
Е = -. (1.2)
я
Сила в системе СИ измеряется в ньютонах (Н), электрический заряд - в кулонах (К), а напряженность электрического поля - в вольтах на метр (В/м).
Другой характеристикой электрического поля является скалярная величина -потенциал V данной точки. Он определяется значением заряда Q и расстоянием R jxq него.
где 8а = 8Г8О - абсолютная диэлектрическая проницаемость среды, в которой рас-
Рис. 1.1. Электрическое поле двух зарядов
344
Глава 1. ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ
положен заряд; гг - относительная диэлектрическая проницаемость.
Зная потенциал, можно найти напряженность электрического поля по формуле
£ = -gradE. (1.4)
Знак «минус» указывает на то, что напряженность электрического поля направлена в сторону убывания потенциала V.
Такие электрические поля постоянных зарядов являются электростатическими и называются безвихревыми (так как rot Е = 0).
Поскольку они однозначно определяются значениями потенциала в различных точках, то называются также потенциальными. Разность потенциалов между двумя точками поля а и b связана с напряженностью электрического поля соотношением
ь
Va-Vb = \Ed1. (1.5)
а
Легко показать, что разность потенциалов в электростатическом поле не зависит от формы пути интегрирования, а зависит только от положения начальной и конечной точек.
Единицей потенциала и разности потенциалов является вольт (В). Он численно равен работе в 1 джоуль, произведенной при перемещении заряда в 1 кулон против сил электрического поля из данной точки, имеющей потенциал 1 вольт, в бесконечно удаленную точку, потенциал которой принимается равным нулю.
Если в проводнике существует электрическое поле, то оно вызывает упорядоченное движение электрических зарядов -электронов, представляющее собой электрический ток проводимости. Ток проводимости - это величина, равная производной по времени от электрического заряда, переносимого сквозь рассматриваемую поверхность:
<|6>
Ток проводимости в каждой точке проводника характеризуется вектором плотности электрического тока проводимости
Jnp=o£, (1.7)
где о - удельная электрическая проводимость проводника.
Единица электрического тока - ампер (А) соответствует перемещению заряда в 1 кулон за 1 секунду, а единица плотности электрического тока - ампер на квадратный метр (А/м2).
Причиной длительного существования тока является электродвижущая сила (ЭДС), которая возникает в результате преобразования в электрическую энергию неэлектрической: химической, тепловой, механической или световой. В процессе преобразования энергии происходит разделение зарядов разных знаков под действием сил неэлектрического происхождения, которые называются сторонними. Для количественной оценки сторонних сил вводят понятие напряженности стороннего электрического поля £ст, которая численно равна сторонней силе, действующей на единичный положительный заряд. В этом случае ЭДС определяется линейным интегралом от напряженности стороннего электрического поля
e=pCTdZ, (1.8)
/
где I - произвольный замкнутый контур.
Единицей ЭДС так же, как и разности потенциалов, является вольт.
До начала XIX в. электрические и магнитные поля считались не связанными между собой [1].
В 1820 г. датский физик Х.К. Эрстед экспериментально установил, что вокруг проводника с током создается магнитное поле. Таким образом, он первым обнаружил связь между электрическими и магнитными явлениями. В том же году французские физики Ж. Био и Ф. Савар математически оценили силу воздействия по
ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ И ЕГО ОСНОВНЫЕ УРАВНЕНИЯ
345
стоянного электрического тока проводника на магнит, находящийся на известном расстоянии от середины проводника.
Французский ученый П.С. Лаплас показал впоследствии, что сила действия, создаваемая небольшим участком проводника с током, изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния.
В 1831 г. выдающийся английский физик М. Фарадей открыл и сформулировал закон электромагнитной индукции. Тем самым он убедительно доказал связь магнитных и электрических явлений и заложил физические основы теории электромагнитного поля.
40 лет спустя другой выдающийся английский ученый Д.К. Максвелл, обобщив экспериментальные исследования М. Фарадея и его теорию о силовых линиях электрического и магнитного полей, придал трудам М. Фарадея математическую завершенность и сформулировал законы электромагнитного поля. Свою электромагнитную теорию Д.К. Максвелл изложил в работе «Трактат по электричеству и магнетизму», опубликованной в 1873 г.
Теория электромагнитного поля, разработанная Д.К. Максвеллом, является краеугольным камнем современного учения об электромагнетизме. Важнейшие результаты своих исследований Д.К. Максвелл сформулировал в виде знаменитых уравнений электромагнитного поля, получивших его имя. В них он обобщил закон электромагнитной индукции, ввел понятие об электрическом смещении и токах смещения, доказал, что магнитное и электрическое поля тесно связаны между собой и изменение одного из них вызывает появление другого. Его исследования показали, что скорость распространения электромагнитного поля (электромагнитных волн) совпадает со скоростью света. Этот вывод был положен в основу электромагнитной теории света и является выдающимся теоретическим обобщением естествознания.
Уравнения Максвелла в интегральной форме - это представление в обобщенной форме законов, связывающих электрические и магнитные величины.
Связь между напряженностью магнитного поля Н и электрическим током устанавливается законом полного тока:
jHdl=Inom, (1.9)
~ в -
где Н = —, ца = цгро - абсолютная Магнитка
ная проницаемость; - относительная магнитная проницаемость; ро = 4л • 10"7 Гн/м -магнитная постоянная; /полн - полный электрический ток, включающий токи проводимости и токи смещения.
Это уравнение определяет магнитное поле, возникающее при движении заряженных частиц.
Связь между напряженностью электрического поля и скоростью изменения во времени магнитного поля определяет закон электромагнитной индукции:
г — — дФ
e = ^Ed/=-—, (1.10)
где е - электродвижущая сила; Е - вектор напряженности электрического поля; Ф -магнитный поток, проходящий через поверхность, охватываемую контуром I.
Уравнения (1.9) и (1.10) устанавливают связь между электрическими и магнитными величинами, характеризующими электромагнитное поле в конечном объеме пространства.
При изменении магнитного потока электрическое поле возникает не только в витке, где наводится ЭДС, но и вдоль любого контура, даже мысленно выделяемого в любой среде, в том числе и в вакууме.
Изучение электромагнитного поля в каждой точке пространства требует дифференциальной формы записи уравнений Максвелла.
Первое уравнение Максвелла в дифференциальной форме записывается в виде
гоШ = Уполн) (1.11)
346
Глава 1. ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ
где »/полн J+ «/Пр + */см + *Aiep вектор плотности полного тока; JCT - плотность сторонних токов (токов ВТП); Jnp - плот-
7 дЬ ность токов проводимости, JCM =-^— -плотность токов смещения; D-г^Е -вектор электрической индукции; Jnep = = q[k х в] - плотность токов переноса, обусловленных движением ОК относительно магнитного поля ВТП; о - удельная электрическая проводимость ЮК; V -скорость движения ОК относительно магнитного поля ВТП.
Второе уравнение Максвелла представляет собой закон электромагнитной индукции. Изменяющееся магнитное поле возбуждает электрическое поле, определяемое уравнением
с^В
rotE =----. (1.12)
dt
Запись уравнения в векторной форме позволяет избежать зависимости уравнения от системы координат.
Сущность операции «ротор» (вихрь) векторного анализа rot// и rotE объясняется в приложении.
Физический смысл уравнений электромагнитного поля заключается в том, что электрическое и магнитное поля существуют не отдельно друг от друга, а только совместно. Изменение электрического поля приводит согласно уравнению (1.11) к появлению вихревого магнитного поля (rot //), а изменение магнитного поля согласно уравнению (1.12) вызывает появление вихревого электрического поля (rotE).
При анализе электромагнитного поля важно учесть граничные условия на поверхности раздела двух сред, где параметры еа, )иа и о могут изменяться скачком, что в свою очередь приводит к скачкооб
разному изменению векторных величин поля.
На границах раздела сред должно соблюдаться равенство тангенциальных составляющих векторов напряженностей магнитного и электрического поля
Я1х = //2т; Е1т = Е2х. (1.13)
Для векторов магнитной и электрической индукции граничные условия выражаются через их нормальные составляющие:
В\п~ В2п', D\n - D2n ~ ппов, (1.14)
где Слов - плотность поверхностного заряда.
Кроме граничных, должны быть также заданы начальные условия, определяющие магнитное и электрическое состояния среды, соответствующие моменту времени, принятому за начало отсчета. Начальные условия специфичны для каждого конкретного случая вихретокового контроля.
1.2. ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
Все материалы по своим электрическим свойствам подразделяют на 3 класса: проводники, диэлектрики и полупроводники [2].
В проводниках электрические заряды могут перемещаться под действием электрического поля. К проводникам относятся металлы, их сплавы, материалы на основе графита и некоторые другие.
Проводниковые свойства проявляют как твердые тела, так и жидкости, а при соответствующих условиях и газы. Проводниковые материалы из металлов и сплавов подразделяются на материалы высокой проводимости и сплавы высокого сопротивления. К жидким проводникам относятся расплавы и электролиты. Особую группу проводящих материалов составляют сверхпроводники.
Электрическое поле существует в проводнике только во время движения
ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
347
зарядов. Электростатическое поле в проводниках существовать не может.
В проводниках плотность электрического тока J связана с напряженностью электрического поля Е законом Ома:
J = vE. (1.15)
Основной характеристикой проводников является удельная электрическая
1 проводимость о = —, где р - удельное Р
электрическое сопротивление.
Для большинства металлов и сплавов о, а следовательно, и р - постоянные величины, поэтому для них зависимость плотности тока от напряженности электрического поля линейная. Вместе с тем существуют проводники и с нелинейной зависимостью J = XX)- Те проводники, у которых о не зависит от направления вектора Е, называют изотропными. Если же значение о различно для разных направлений вектора Е (чаще всего максимальное различие наблюдается для каких-либо двух взаимно ортогональных направлений), то проводники называются анизотропными.
Для многих проводников удельное электрическое сопротивление существенно зависит от температуры Т°: р = = р1[1 + а(Г°-7]°)], где pi - удельное электрическое сопротивление при температуре Т}°; а - температурный коэффициент удельного электрического сопротивления.
Диэлектриками называют вещества, основным электрическим свойством которых является способность поляризоваться в электрическом поле и в котором возможно существование электростатического поля. Термин «диэлектрик» введен М. Фарадеем для обозначения веществ, в которые проникает электрическое поле. Удельная электрическая проводимость диэлектриков по сравнению с металлами очень мала. Если удельное электрическое
сопротивление металлов и сплавов составляет 0,016 ... 1,3 мкОм • м, то для диэлектриков оно равно 106... 1015 Ом • м.
Диэлектрические материалы разделяются на газообразные, жидкие и твердые. По химическому составу их подразделяют на органические и неорганические. Главными электрическими свойствами диэлектриков являются: электропроводность, поляризация, диэлектрические потери, электрическая прочность и электрическое старение.
Наряду с рассмотренными веществами, обладающими либо электропроводностью, либо поляризуемостью, существуют вещества, при воздействии на которые электрического поля одновременно имеет место как электропроводность, так и их поляризация. Эти вещества можно рассматривать либо как плохой проводник, либо как несовершенный диэлектрик. Вещества, удельная электрическая проводимость которых мала (с = 10~3... 10"8 См/м), но все же значительно превышает удельную электрическую проводимость хороших диэлектриков, образуют класс полупроводников. Некоторые из них обладают резко выраженной зависимостью удельной электрической проводимости от температуры, напряженности электрического поля, давления и т.п. С одной стороны, эти свойства используют для создания соответствующих преобразователей, а с другой - они мешают при оценке удельной электрической проводимости этих веществ, т.е. влияние внешних факторов на электрические характеристики полупроводников является негативным при неразрушающем контроле.
С точки зрения взаимодействия с магнитным полем любая среда характеризуется магнитной восприимчивостью fa, показывающей способность вещества приобретать определенную намагниченность М под действием внешнего магнитного поля:
348
Глава 1. ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ
Связь магнитных величин определяется зависимостью В = + Л/), где Цо -
магнитная постоянная, или
В = цо(1 (1.17)
Величина 1 + обозначаемая через цг, называется относительной магнитной проницаемостью; = (1 + х™); Ца = Цо Рг -абсолютная магнитная проницаемость.
В зависимости от модуля и знака восприимчивости Хт все вещества условно делят на диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики.
Диамагнетики имеют отрицательную магнитную восприимчивость х™ = ~(10 5 ... 10~7), т.е. это вещества, намагничивающиеся во внешнем магнитном поле в направлении, противоположном вектору напряженности внешнего магнитного поля. К диамагнетикам относятся Si, Р, Bi, Zn, Си и другие элементы, а также некоторые органические и неорганические соединения. В технике диамагнитный эффект практически не используется.
Парамагнетики - это вещества, намагничивающиеся во внешнем магнитном поле по направлению поля, т.е. имеющие положительную магнитную восприимчивость Хш = Ю”4 ... 105. К ним относятся, например, щелочные металлы, металлы группы железа, палладия, платины, соли этих металлов, а также ферромагнетики при температурах, превышающих температуру Кюри. Магнитные свойства этих веществ не находят специфического использования в технике неразрушающего контроля.
Ферромагнетики - это вещества, в которых при температуре, меньшей точки Кюри, устанавливается состояние самопроизвольной намагниченности. Характерным признаком ферромагнетиков является высокое значение магнитной восприимчивости Xm = (1 • . Ю5) и ее сильная зависимость от напряженности магнитного поля. Эта зависимость всегда неоднозначна, т.е. наблюдается магнитный гистерезис (от греческого hysteresis - отставание, запаздывание). Ферромагнитными свойст
вами обладают железо (Fe), кобальт (Со), никель (Ni), редкоземельные металлы Gd, Tb, Dy, Но, Er, Тш, многочисленные сплавы и соединения указанных металлов между собой и с ферромагнитными элементами, а также соединения Сг и Мп с неферромагнитными элементами и некоторые другие. Ферромагнетиками являются большинство конструкционных сталей.
Чтобы решить систему уравнений Максвелла, необходимо знать свойства среды, в которой распространяется электромагнитное поле. В задачах неразрушающего контроля такой средой является объект контроля. Свойства объекта, находящегося в электромагнитном поле, характеризуются следующими зависимостями:
Jnp=o£; D = eaE; В = раЯ. (1.18)
Первые две зависимости характеризуют электрические, а третья - магнитные свойства. Если о, 8а, ра - одинаковы во всех точках материала и не зависят ни от направления векторов Е и Н , ни от их модулей, то такие материалы называют однородными, изотропными и линейными.
В анизотропных материалах электрические и/или магнитные свойства зависят от направления, поэтому величины с, 8а и/или ра следует считать тензорными. В нелинейных материалах связь между индукцией и напряженностью поля D(E) и В(Н) нелинейна, а иногда (ферромагнетики, сегнетоэлектрики) и неоднозначна, она имеет гистерезисный характер. В этих случаях 8а и ца, а иногда и о нельзя считать постоянными величинами.
1.3. ПЕРЕМЕННЫЙ СИНУСОИДАЛЬНЫЙ ТОК И ЕГО КОМПЛЕКСНОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ
При вихретоковом контроле электромагнитное поле создается переменным током в возбуждающей катушке вихретокового преобразователя. Чаще всего используется синусоидальный переменный ток. Рассмотрим его основные параметры [3].
ПЕРЕМЕННЫЙ СИНУСОИДАЛЬНЫЙ ТОК И ЕГО КОМПЛЕКСНОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ 349
О'
Рис. 1.2. График мгновенных значений тока
Значения переменного тока в любой момент времени называют мгновенными значениями и обозначают буквой i. На рис. 1.2. представлен график мгновенных значений тока /, который можно рассматривать как функцию времени t или фазового угла у = со/. Синусоидальная величина является периодической функцией времени, т.е. через промежуток времени Т, называемый периодом, цикл колебаний повторяется: i(t) = /(/ + 7). Периоду времени Т соответствует фазовый угол, равный 2л. Величину, обратную периоду, называ-
ют частотой f = ~ - Единицей периода является секунда (с), а единицей частоты -герц (Гц). В вихретоковых преобразователях используются синусоидальные токи в диапазоне частот от 50 Гц до десятков мегагерц.
Аналитическое выражение мгновенного значения синусоидального тока определяется тригонометрической функцией
i = Im sin(co t + vpj. (1.19)
Амплитуда тока Im равна его максимальному значению. Аргумент синуса (со/ + \|/,) определяет фазовый угол и называется фазой, а величина равная фазе в момент начала отсчета времени (/ = 0), называется начальной фазой, которая отсчитывается от начала синусоиды до начала координат. Единицей фазы и начальной фазы является радиан.
Угловая частота со определяет число радиан, на которое изменяется фаза колебаний за секунду со = = 2л/. Единицей
угловой частоты является радиан в секунду. Промышленной частоте/= 50 Гц соответствует угловая частота со = 314 рад/с.
Все сказанное справедливо не только для синусоидального тока, но и для любой синусоидальной величины: для напряжения и = Um sin(co/ + v|/w), для магнитного потока ф(/) = Фт sin(co/ + ц/ф) и т.д.
При совместном рассмотрении нескольких синусоидальных электрических и магнитных величин одной частоты обычно интересуются фазовыми соотношениями, например, между напряжением и током. Разность начальных фаз двух величин называется сдвигом фаз, так, \рм -- = ср - сдвиг фаз между напряжением и
током. Синусоидальную величину с большей начальной фазой принято называть опережающей, а с меньшей - отстающей. Если синусоидальные величины имеют одинаковые начальные фазы, то говорят, что они совпадают по фазе, если разность начальных фаз равна ±п, то синусоидальные величины противоположны по фазе.
В практике применения переменных токов широко пользуются понятием действующего значения тока, напряжения и т.п., под которым понимается среднеквадратичное значение переменной электрической величины за период. Так, выражение для действующего значения переменного тока имеет вид
(Е20)
Можно показать, что для синусоидального тока действующее и амплитудное значения связаны соотношением
(1.21)
Для действующих значений синусоидальных напряжения и ЭДС справедливы аналогичные соотношения
350
Глава 1. ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ
и F
U =—^, Е = -^. (1.22)
V2 V2
Электроизмерительные приборы для измерения переменных электрических величин чаще всего градуируются в их действующих значениях.
При выборе оптимальных условий вихретокового контроля и анализа сигналов ВТП приходится проводить расчеты цепей обмотки возбуждения и измерительных цепей для синусоидальных токов и напряжений. Для упрощения расчетов электрических цепей переменного синусоидального тока широко используется математический аппарат комплексных чисел.
Как известно, расчет электрических цепей осуществляется на основе законов Кирхгофа. Рассмотрим в качестве примера применение первого закона Кирхгофа.
Пусть для какого-либо узла (рис. 1.3) известны два тока z’i = /iwsin(co/ + yj) и i2 = /2wSin(coZ + v|/2) и нужно определить ток
*0 = i\ + *2 = /imSin(co/ + у 0 +
+ Z2wsin(co/ + у2). (1.23)
Очевидно, что искомый ток будет также синусоидальной функцией времени с угловой частотой, равной известной частоте со, т.е.
/о = ZOwsin(co7 + Уо)« (1.24)
В этом выражении необходимо найти амплитуду ZOw и начальную фазу у0. Для этого следует применить правила тригонометрии, но гораздо проще это сделать с помощью комплексных чисел. Из известных формул Эйлера
Рис. 1.3. Узел электрической цепи
eja = cosa + jsina и
е ~Ja = cosa -ysina (1.25)
вытекает, что
eja-e~ja
sina =----------, (1.26)
где e - основание натурального логарифма; j = V-l - мнимая единица.
Выразив синусоидальные токи /ь i2 и /*о через комплексные показательные функции и сократив на множитель 2у, получим
/оте>(ш'+^о) = + 12те^'+^.
(1.27)
Разделив все члены (1.27) на общий множитель еу<0/, найдем
10те^=11те^+12те^. (1.28)
Таким образом, синусоидальные токи символически представлены комплексными числами, операции с которыми значительно проще операций с тригонометрическими (синусоидальными) функциями.
Комплексные числа в уравнении (1.28) называют комплексными амплитудами тока и обозначают их той же буквой, что и амплитуду синусоидального тока, но над этими буквами ставят точки:
*0т *0те » *\т ~ *
12т=12п,^. (1.29)
Учитывая эти обозначения, уравнение (1.28), составленное по первому закону Кирхгофа, можно записать в виде
- Ат (1.зо)
Аналогично вводятся также понятия комплексных амплитуд для напряжения Um, магнитйого потока Фт и других электрических и магнитных величин.
Комплексные действующие значения пропорциональны комплексным амплитудам и записываются в виде
ВЕКТОРНЫЕ ДИАГРАММЫ СИНУСОИДАЛЬНЫХ ТОКОВ И НАПРЯЖЕНИЙ
351
1 = 1е^", й = Ое^"; 1=-^; U = ^.
V2 V2
' (1-31)
Комплексному числу присваивают размерность той электрической величины, которую оно изображает.
Следует иметь в виду, что аппарат комплексных изображений применим для анализа электрических и магнитных цепей, в которых электрические и магнитные величины изменяются во времени с одинаковой частотой.
В приведенных формулах комплексные величины записаны в показательной форме, удобной при их умножении и делении. Сложение и вычитание комплексных чисел следует производить с помощью их алгебраической формы, которую можно получить, применяя формулу Эйлера:
4 = = /„(cosy, + jsiny J (1-32)
1.4. ВЕКТОРНЫЕ ДИАГРАММЫ СИНУСОИДАЛЬНЫХ ТОКОВ И НАПРЯЖЕНИЙ
Комплексные изображения синусоидальных электрических величин можно представить графически. Пример графического изображения комплексов тока и напряжения показан на рис. 1.4. На комплексной плоскости по оси абсцисс откладываются действительные значения Re(/,„ и Re 1т , а по оси ординат - мнимые значения ImC/w и Im 1т комплексов напряжения и тока. Длины векторов пропорциональны в выбранном масштабе модулю комплексной амплитуды. Угловое положение вектора относительно положительной действительной полуоси определяется аргументом комплексной амплитуды. При этом отсчет положительного угла ведут против часовой стрелки, как показано на рис. 1.4. Такой геометрический образ комплексных амплитуд синусоидальных функций называется векторной диаграммой.
Рис. 1.4. Пример построения векторной диаграммы
Аналогично может быть построена векторная диаграмма комплексных действующих значений электрических величин. Векторные диаграммы напряжений и ЭДС вихретоковых преобразователей широко применяются для анализа сигналов ВТП при различных значениях контролируемых параметров. Геометрические места концов этих векторов для различных параметров принято называть годографами.
Очень часто при анализе сигналов ВТП приходится находить сумму или разность двух синусоидальных напряжений одной частоты, например, в случае применения дифференциальных ВТП, когда их измерительные обмотки включаются последовательно и встречно. На рис. 1.5 показаны векторные диаграммы при сложении (а) и вычитании (б) двух напряжений Ц и U2.
Векторные диаграммы наглядно показывают фазовые соотношения между синусоидальными электрическими величинами.
Так, на рис. 1.5, а видно, что результирующий вектор U3 отстает от вектора U} и опережает вектор U2. Численные значения модуля и аргумента комплексного действующего значения результирующего напряжения U3 можно получить следующим образом. Пусть комплексы суммируемых напряжений равны: Ц = = ЦеУч'“1 =Ца+уЦр и U2=U2eJ^ =
352
Глава 1. ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ
Рис. 1.5. Векторные диаграммы при сложении (а) и вычитании (б) двух напряжений
= ^Zza + j^ip, причем модули комплексов: Ц =7^а+^Р и =дМа+^2р • а ИХ
t ^1Р • ^IP
аргументы: »|/ul=arctg—- = arcsin—— и
Ца Ц
t U2p . ^2р
= arctg—= arcsin—.
^2а U2
Модуль и аргумент комплексного действующего значения результирующего напряжения U3 = U3eJW"3 = U3a + JU3p можно найти по формулам:
1/з=^За+Ч =
= 7^а+^а)2+(^Р+^р)2 (1-33, а)
И
1.5. ЗАКОН ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ. СОБСТВЕННАЯ И ВЗАИМНАЯ ИНДУКТИВНОСТИ
Как отмечалось ранее, вихретоковый преобразователь представляет собой индуктивную катушку с переменным током i (рис. 1.6), создающим переменное магнитное поле. На рис. 1.6 пунктиром показано несколько силовых линий магнитного поля, т.е. линий магнитной индукции В .
Переменное магнитное поле в соответствии с законом электромагнитной индукции индуцирует в катушке электродвижущую силу самоиндукции eL, значение которой определяется скоростью изменения потокосцепления *Р витков катушки с магнитным полем:
dT
eL=-—. (1.34)
, Цр+^2р . Цр+^2р уи3 = arctg---;p- - Р = arcsin——-—
Ца + ^2а ^3
(1.33,6)
Аналогично можно найти модуль и аргумент результирующего комплекса U3 при вычитании напряжений Ux и (72, но ТОЛЬКО В ЭТОМ случае U3a = LGa - ^2а И (73р = ^1Р - ^2Р, т.е. активная и реактивная составляющие результирующего комплекса равны не сумме, а разности соответственно активных и реактивных составляющих комплексов Ux п U2-
Рис. 1.6. Магнитное поле индуктивной катушки
ЗАКОН ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ
353
Потокосцепление определяется по формуле
Т = • (1.35)
1
где w - число витков катушки; Ф* - магнитный поток, равный потоку вектора магнитной индукции В через поверхность, ограниченную контуром Л-го витка.
При отсутствии в пространстве, окружающем катушку, ферромагнитных материалов между потокосцеплением и током катушки существует линейная зависимость
Т = £/, (1.36)
где L - коэффициент самоиндукции, называемый собственной индуктивностью катушки или просто индуктивностью.
С учетом (1.34) и (1.36) можно записать
(1-37)
Единицей магнитной индукции является тесла (Тл), магнитного потока и потокосцепления - вебер (Вб), а индуктивности-генри (Гн).
Формула (1.37) справедлива для любой зависимости изменения электрических и магнитных величин от времени.
Чаще всего обмотки возбуждения вихретоковых преобразователей питаются переменным синусоидальным током в диапазоне частот от 50 Гц до единиц мегагерц. При расчете ВТП обычно пренебрегают токами смещения, так как они неизмеримо меньше токов проводимости.
Во многих случаях электрическая энергия, выделяемая в индуктивной катушке в результате нагрева провода обмотки, невелика, и ею можно пренебречь. В этом случае единственным параметром, характеризующим индуктивную катушку, является ее собственная индуктивность А, а энергетические процессы в ней опреде
ляются только явлениями, происходящими в ее магнитном поле. Такая индуктивная катушка называется индуктивным элементом. В этом случае приложенное к индуктивной катушке переменное напряжение уравновешивает ЭДС самоиндукции, т.е.
uL=-eL = L^. (1.38)
Пусть в индуктивном элементе создан синусоидальный ток i - Im sin((o/ + у,). При этом потокосцепление самоиндукции будет также синусоидальным Т = Li = Ыт х х sin(cof + причем фу = \yh т.е. ток i и потокосцепление Т совпадают по фазе.
Изменяющееся потокосцепление наводит в индуктивном элементе ЭДС самоиндукции
dT rdi Т J ( . А eL = = -L— = -Le)Im cos(®/ + v J=
= £Imsin(®/ + i|/,-л/2), (1-39)
где ELm = La>lm.
При синусоидальном изменении тока ЭДС самоиндукции также синусоидальна, причем ЭДС отстает по фазе от тока на четверть периода. Графики мгновенных значений /, 4х, eL и и для случая \у, = 0 изображены на рис. 1.7, а. Поскольку uL = -eL, то, как видно из рис. 1.7, а, напряжение опережает ток на четверть периода, т.е. угол сдвига фаз между напряжением и током ф = фм - ф, = л / 2. Амплитудные значения тока и напряжения связаны соотношением Um = Ь(й1т. Величину Zco, имеющую размерность ом (Ом), обозначают XL и называют индуктивным сопротивлением. Тогда
Um=XLIm. (1.40)
Выражение 1.40 называют законом Ома для амплитудных значений тока и напряжения индуктивного элемента.
Очевидно, закон Ома можно написать и для действующих значений
U = XlL (1.41)
12 - 8193
354
Глава 1. ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ
Рис. 1.7. Графики мгновенных значений напряжения, тока, ЭДС (а), мощности (£), векторная диаграмма (в) цепи с индуктивной катушкой
Перейдем к комплексной форме записи закона Ома. Если Um = Ume™u = = XLImeJ^i+n/2') и ’1т=1те™, то ком-йт U плексное сопротивление Z = у22- = у = = XL ejn/2 =/Л1.Следовательно,
Um=jXLim и U = jXLl, (1.42)
т.е. комплексное сопротивление индуктивного элемента является положительным мнимым числом, модуль которого равен XL.
Векторная диаграмма для индуктивного элемента с током i = Im sincof построена на рис. 1.7, в. На диаграмме видно, что вектор напряжения на индуктивном элементе опережает ток на л / 2, векторы напряжения и ЭДС находятся в противофазе, а вектор потокосцепления совпадает по фазе с током.
Мгновенная мощность индуктивного элемента равна
р = ui = sin(coZ + л 12) =
= VI [cos(-л / 2) - cos(2co/ + л 12)] =
= L7 sin2co/. (1.43)
График мгновенной мощности показан на рис. 1.7, б. В первую четверть периода направления и и i совпадают и р > О, т.е. индуктивный элемент потребляет электрическую энергию от источника. Потребляемая энергия запасается в маг-
... ы2
нитном поле, энергия Wm которого
в рассматриваемом интервале времени увеличивается, так как ток i возрастает.
Т
В момент времени t=— ток достигает 4
максимального значения, а энергия, запасаемая в магнитном поле, также максимальна. Так как эта энергия Wm = 774
= jpd/jpd t, то она пропорциональна о
площади, ограниченной на рис. 1.7, б первой положительной полуволной синусоиды мощности и осью абсцисс. Во вторую четверть периода направления и и i противоположны и р < 0, т.е. индуктивный элемент является источником и высвобождает энергию, запасенную в магнитном поле. Действительно, в этот промежуток времени ток уменьшается по модулю и, следовательно, энергия, запасенная в магнитном поле, также уменьшается. К моменту вре-
ЗАКОН ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ
355
Т мени г = у, когда ток примет нулевое значение, весь запас энергии будет возвращен источнику и Wm = 0. Далее процесс повторяется при отрицательных значениях тока.
Активная мощность Р, характеризующая необратимые преобразования энергии и определяемая средним значением мгновенной мощности за период, для индуктивного элемента равна нулю:
! т т
Р = - Jpd/ = — jt//sin2(o/-d/ = O. (1.44) Т о Г о
Таким образом, в цепи с идеальным индуктивным элементом происходит только периодический обмен энергией между источником и магнитным полем. Интенсивность обмена энергией принято характеризовать наибольшим значением скорости поступления энергии в магнитное поле, т.е. амплитудным значением мгновенной мощности, которое называют реактивной мощностью и обозначают QL\
QL=U1=XLI2. (1.45)
Очевидно, что мощность имеет размерность ватт (Вт), однако единице реактивной мощности присвоено наименование вольт-ампер реактивный, сокращенно вар. Такое сокращение позволяет говорить: «мощность, равная стольким-то вар», не добавляя слово «реактивная».
Перейдем к рассмотрению понятия «взаимная индуктивность». Пусть имеются две индуктивные катушки с магнитной связью, т.е. расположенные достаточно близко друг к другу (рис. 1.8). Если в одной из катушек создать переменный ток /ь то часть силовых линий магнитного поля будет сцеплена с витками второй катушки, что характеризует их взаимную индуктивность единицей этой величины является генри (Гн).
Эта величина определяет значение потокосцепления второй катушки с магнитным полем, созданным током первой катушки аналогично тому, как
Катушка 7 Катушка!
Рис. 1.8. Индуктивные катушки с магнитной связью
собственная индуктивность £] определяет значение потокосцепления самоиндукции Т12 = L\i\. В соответствии с законом электромагнитной индукции в первой катушке индуцируется ЭДС самоиндукции
e\L ~ ~ ~L\ » а во второй ка-
тушке ЭДС взаимной индукции:
е2м=-^- = -М^-. (1.46)
а/ at
Если z’j = Ilm sin(cot + ), то
C2M = -A/<o/|mcos(<or + ф1() =
= ^2Mmsin(<0/ + 4/eW), (1-47)
где E1Mm чеМ = у, - л / 2, т.е.
при синусоидальном токе ЭДС взаимной индукции - также синусоидальная функция времени. ЭДС взаимной индукции отстает от тока по фазе на угол л/2. Действующие значения ЭДС взаимной индукции и тока связаны соотношением
Е2М=МвуЦ. (1.48)
Величину Л/со, имеющую размерность ом (Ом), называют сопротивлением взаимной индукции и обозначают Хм = = Л/со. Соотношение между ЭДС взаимной индукции вгм и током i\ можно записать и в комплексной форме
12*
356
Глава 1. ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ
E2M=-jXMIx. (1.49)
Если переменный ток создан не в первой катушке, а во второй, то потокосцепления обеих катушек будут определяться магнитным полем, созданным током i2. При этом ^2L = L2 i2, = M i2,
. d i2 . . d •
a e2 = -L2 —, e1M = -M—, или £1M = d/ at
= -jA/co/2 = -jXM 12 .
В общем случае переменный ток может существовать в обеих катушках, тогда значения результирующего потокосцепления каждой катушки % и % определяются как потокосцеплением самоиндукции, так и потокосцеплением взаимной индукции. При этом возможны два случая включения катушек:
а) если потокосцепление взаимной индукции суммируется с потокосцеплением самоиндукции, т.е. Tj = Т1Л + *Р2 = + ^гм и соответственно резуль-
тирующая ЭДС каждой из катушек определяется выражениями = e]L + е2 = = e2i. + е2м, то такое включение катушек называют согласным;
б) если для потокосцеплений и ЭДС справедливы соотношения Т] = Т1Л -% ~ ^2L - ^2М И е\ = е1/. - е\М, е2 = e2L ~ - С2м, то включение катушек называют встречным.
Рассмотрим согласное и встречное включение катушек (рис. 1.9). Намотка катушек на рис. 1.9, а проведена одинаково (если проследить за намоткой катушек сверху вниз, то можно увидеть, что для обеих катушек она осуществлена против часовой стрелки), а намотка катушек на рис. 1.9, б - по-разному. Из рис. 1.9 видно, что катушки соединены последовательно и подключены к внешнему источнику ЭДС; положительные направления токов показаны на рисунке стрелками. Ориентируясь на положительные направления токов и направления намотки катушек и воспользовавшись правилом правоходового винта, можно определить направления
Рис. 1.9. Магнитно-связанные соосные катушки при согласном (а) и встречном (б) включении
магнитных потоков Ф] и Ф2, создаваемых каждой катушкой. Нетрудно видеть, что катушки на рис. 1.9, а включены согласно, а на рис. 1.9, б - встречно.
Выводы магнитно-связанных индуктивных катушек принято маркировать, при этом вводят понятия одноименных выводов (зажимов), которые помечают точками. Одноименные зажимы определяют следующим образом.
При согласном включении токи в катушках должны быть одинаково ориентированы относительно одноименных зажимов. Например, в катушках, показанных на рис. 1.9, а, одноименными можно считать верхние выводы и пометить их точками.
При встречном включении токи катушек ориентированы по-разному относительно одноименных зажимов (см. рис. 1.9, б).
1.6. АКТИВНОЕ, РЕАКТИВНОЕ И ПОЛНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ
На любом участке электрической цепи переменного тока одновременно осуществляются необратимые процессы преобразования электрической энергии в другие виды энергии (тепловую, механическую, световую и др.) и проявляются дей
АКТИВНОЕ, РЕАКТИВНОЕ И ПОЛНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ
357
ствия переменного электромагнитного поля, т.е. возникают токи смещения и ЭДС самоиндукции.
При решении многих электротехнических задач, в том числе и задач вихретокового контроля, принимают допущения, которые позволяют раздельно учитывать каждое из перечисленных явлений, тем самым существенно упрощают решение этих задач, причем получают результаты с удовлетворительной для практики точностью.
Учет необратимых процессов преобразования электрической энергии в другие виды энергии на схемах замещения электрической цепи осуществляется так называемым резистивным элементом (условное графическое обозначение которого показано на рис. 1.10, а), характеризующимся основным параметром - активным сопрот ивлением.
На низких частотах (единицы и десятки герц) активное сопротивление практически не отличается от сопротивления рассматриваемого элемента или участка цепи на постоянном токе, которое, как известно, подчиняется закону Ома:
/? = у. (1.50)
На переменном токе закон Ома для резистивного элемента записывается аналогично
Рис. 1.10. Обозначения на схемах замещения идеальных элементов: резистивного (а), емкостного (#), индуктивного (в)
На повышенных и высоких частотах активное сопротивление резистивного элемента может быть существенно больше сопротивления этого элемента постоянному току. Это происходит из-за явления поверхностного эффекта, суть которого заключается в следующем.
Рассмотрим цилиндрический проводник с переменным током (рис. 1.11, а), возбуждающий переменное магнитное поле, линии магнитной индукции В которого показаны внутри проводника пунктирными, а вне проводника сплошными линиями.
Нетрудно понять, что центральная область проводника охвачена наибольшим количеством силовых линий переменного магнитного поля, которое создает в этой области (как бы в центральном стержне) наибольшую ЭДС самоиндукции, направленную по закону Ленца против тока и уменьшающую плотность тока. Поверхностная область проводника охвачена только внешними силовыми магнитными линиями, поэтому противо-ЭДС самоиндукции в поверхностной области проводника будет меньше, а следовательно, и меньше будет ослабление плотности тока в этой части сечения проводника. В соответствии с этим явлением плотность тока J в центре проводника будет минимальной, а у поверхности - максимальной, т.е. ток как бы вытесняется на поверхность проводника
0)
Рис. 1.11. Магнитное поле проводника с током (а), график изменения относительной плотности тока // Jo в сечении проводника (б)
б)
358
Глава 1. ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ
(рис. 1.11, а). Причем чем выше частота переменного тока, тем это вытеснение будет больше. На рис. 1.11, б показан график изменения относительной плотности тока J / Jo в сечении проводника, причем Jo - плотность тока в поверхностном слое цилиндрического проводника.
На постоянном токе магнитное поле неизменно во времени, явление электромагнитной индукции отсутствует и плотность тока во всем сечении проводника одинакова.
Вытеснение тока на поверхность проводника равнозначно уменьшению его полезного сечения, т.е. увеличению его активного сопротивления. Поэтому активное сопротивление проводника больше его сопротивления на постоянном токе. Эта разница зависит от частоты тока, формы и материала проводника. Так, в медных, алюминиевых проводах диаметром до 1 см на частоте 50 Гц разница между активным сопротивлением и сопротивлением постоянному току несущественна, т.е. в этих случаях с явлением поверхностного эффекта можно не считаться.
На высоких частотах поверхностный эффект проявляет себя настолько значительно, что ток во внутренней области проводника практически отсутствует, поэтому в технике высоких частот часто используют полые провода. Явление поверхностного эффекта приходится иногда учитывать и в вихретоковом контроле.
В предыдущем параграфе 1.5 было подробно рассмотрено индуктивное сопротивление идеальной индуктивной катушки, в которой преобразование электрической энергии в другие виды энергии ничтожно мало и им пренебрегают. Такая индуктивная катушка представляет собой индуктивный элемент (условное графическое обозначение показано на рис. 1.10, б), сопротивление которого называют индуктивным XL = La).
Однако на практике имеют дело с реальными индуктивными катушками, в которых процессы преобразования электрической энергии в тепловую связаны с на
гревом проводов обмотки индуктивной катушки (так называемое Джоулевое тепло). Этот нагрев характеризуется активным сопротивлением, поэтому считают, что реальная индуктивная катушка обладает и активным R, и индуктивным XL сопротивлениями. Это полное сопротивление катушки в комплексной форме записывается так:
ZK=R + jXL=ZKeJ\ (1.52)
где модуль этого сопротивления ZK =
/ 7 7 X j
= у/ R + X£ , а аргумент <р = arctg——.
R
Индуктивное сопротивление XL в отличие от активного называют реактивным сопротивлением.
Другим реактивным сопротивлением является емкостное сопротивление Хс, учитывающее токи смещения определенного участка цепи. Как известно, любые два проводника, расположенные на некотором расстоянии друг от друга, обладают определенной электрической емкостью С, единицей емкости является фарада (Ф). Если к проводникам подведено напряжение и источника электрической энергии, то оно вызовет появление на них электрического заряда
Q = Cu. (1.53)
Если среда между проводниками является диэлектриком, то электрическое поле, созданное напряжением, приложенным к проводникам, поляризует диэлектрик.
При изменении во времени напряжения и изменяются заряды на проводниках, напряженность электрического поля Ё и электрическая поляризация диэлектрика. При этом в диэлектрике возникает электрический ток смещения
/ = ^ = С—. (1.54)
d/ dz
В этом случае в источнике электрической энергии образуется ток проводимости, равный току смещения в диэлек
АКТИВНОЕ, РЕАКТИВНОЕ И ПОЛНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ
359
трике. Если диэлектрик является идеальным, т.е. он не содержит свободных носителей зарядов, которые могли бы участвовать в создании тока йроводимости, то в нем не происходит потерь электрической энергии. Таким примером может служить воздушный конденсатор, который на схемах замещения изображается в виде емкостного элемента (условное графическое обозначение приведено на рис. 1.10, в), основным параметром которого является емкостное сопротивление Хс. Если к емкостному элементу (рис. 1.12, а) подключено синусоидальное напряжение и = Um х х sin(atf + <|/w), то в нем возникает ток:
i = С— = C&Um sin(coz + \|/u + л/2) = dz
= /msm(<oz + v,), (1.55)
где Im = Ccot7m, ц/, = у,, + л / 2.
Графики мгновенных значений напряжения w, тока /, мощности р для случая к|/, = 0 изображены на рис. 1.12, б.
Из (1.55) следует, что при синусоидальном напряжении ток емкостного элемента также синусоидален и опережает напряжение на четверть периода, т.е. угол
сдвига фаз (р = ум - \|/, = -л / 2. Амплитудные значения тока и напряжения связаны соотношениями Im = CcaUm или Um =
1 Т „ 1
=---1т. Величину ----, имеющую раз-
Ссо Ссо
мерность ом (Ом), обозначают Хс и называют емкостным сопротивлением. Выражение
Um=XcIm (1.56)
называют законом Ома для амплитудных значений тока и напряжения емкостного элемента.
Очевидно, что закон Ома можно записать и для действующих значений
U = XCI. (1.57)
Закон Ома в комплексной форме можно представить, используя показательную форму записи комплексных амплитуд напряжения LJm - UmeJ^u и тока 1т=1те*> =1те^“+п,2}. Тогда ком-плексное сопротивление
U -j* 1
Zr = -^- = Хсе 2 =-jXc=-j-----.
~с 1т с J с J С®
(1.58)
q=-:jr/Z
Рис. 1.12. Схема (а), графики мгновенных значений напряжения, тока и мощности (#), векторная диаграмма (в) цепи с емкостным элементом
360
Глава 1. ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ
Следовательно,
Um=-jXcim и U = -jXcl. (1.59)
Комплексное сопротивление емкостного элемента является отрицательным мнимым числом, модуль которого равен
Векторная диаграмма для емкостного элемента построена на рис. 1.12, в.
Мгновенная мощность емкостного элемента
p-ui = UmIm sin (со/ - 7r/2)sincoz =
= L7sin2co/. (1.60)
В первую четверть периода ток и напряжение имеют противоположные знаки и мгновенная мощность р = ui отрицательна, т.е. энергия, запасенная в электрическом поле, убывает и возвращается источнику электрической энергии.
Максимальная энергия электрического поля
Г*
(1.61)
соответствует моменту времени t = 0, когда напряжение имеет амплитудное значение.
__ Т
К моменту времени / = — напряже-
ние становится равным нулю и вся энергия, запасенная в электрическом поле, возвращена источнику электрической энергии. Во вторую четверть периода ток и напряжение совпадают по знаку, р > 0, т.е. емкостный элемент запасает энергию в электрическом поле. Максимум этой энер-
Т „
гии соответствует моменту / = —. Далее
описанные процессы повторяются (рис. 1.12, б).
Активная мощность, характеризующая необратимые процессы преобразования энергии и определяемая средним зна
чением мгновенной мощности за период для идеального емкостного элемента, равна нулю:
р = — jpdf = — p7/sin 2cozdz = 0.
7 о Т
(1-62)
Таким образом, в цепи с емкостным элементом происходит периодический обмен энергией между источником электрической энергии и электрическим полем емкостного элемента. Интенсивность этого обмена энергией принято характеризовать амплитудным значением мгновенной мощности, которое называют реактивной мощностью Qc.
Qc=VI=XcI2. (1.63)
Реактивная мощность емкостного элемента так же, как и индуктивного элемента, измеряется в вольт-амперах реактивных (вар).
При последовательном соединении резистивного, индуктивного и емкостного элементов (рис. 1.13) полное комплексное сопротивление цепи равно Z = = i? + j(XL -Хс)= ZeJ\ где модуль Z = = ^R2 +(xl -Хс)2 , а аргумент ф = х,-хс = arctg—-----—.
Рис. 1.13. Схема цепи с последовательным соединением элементов
РАСЧЕТ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ СИНУСОИДАЛЬНОГО ТОКА
361
1.7. РАСЧЕТ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ СИНУСОИДАЛЬНОГО ТОКА КОМПЛЕКСНЫМ МЕТОДОМ
Расчет цепи с последовательным соединением элементов, схема замещения которой представлена на рис. 1.13, осуществляется с помощью закона Ома.
Если к цепи приложено синусоидальное напряжение и = Um sin(cor + ум), то, используя комплексное действующее значение этого напряжения U = UejxVu, где /7
U = —Д-, и зная сопротивления резистив-V2
ного R, индуктивного XL и емкостного Хс элементов, можно найти комплексное действующее значение синусоидального тока:
• U UeJ^u
1 = и_=ие_ = /ем (1.64)
Z ZeJ*
i л — --------------> Y / т и Y
+(XL ~Xc}2
X, -xc
= V«-arctg—
К
Определив ток I, легко можно найти комплексные действующие значения падений напряжений на каждом элементе:
uR=Ri, uL=jxLi=jL^i,
Uc=-jXc=--^-i. (1.65)
Ссо
В соответствии со вторым законом Кирхгофа приложенное напряжение
и=uR+vL + ис = Rj+jxL i+(- jxc)/ =
= (R + jXL-jXc)i, (1.66)
где R + j(xL -XC)=Z - полное ком-плексное сопротивление цепи; R - активное сопротивление; X = XL - Хс - реактивное сопротивление.
На рис. 1.14, а изображена векторная диаграмма напряжений и тока, на рис. 1.14, б - треугольник напряжений, а на рис. 1.14, в - треугольник сопротивлений рассматриваемой цепи. Из рис. 1.14, б следует, что (7а = RI - активная составляющая напряжения, a Up = jXI = j(xL -Xq)! -реактивная составляющая напряжения.
Из треугольника сопротивлений (см. рис. 1.14, в) следуют очевидные соотношения между ними:
Z = Ze7<p, Z = -У^+А"2, X
<P = Vu-W/=arctg—;
К
R = Zcoscp, X = Zsin ф. (1.67)
При параллельном соединении ветвей расчет цепи синусоидального тока комплексным методом осуществляется следующим образом.
Рассмотрим цепь, схема замещения которой приведена на рис. 1.15.
Рис. 1.14. Векторная диаграмма (а), треугольники напряжений (б) и сопротивлений (в)
362
Глава 1. ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ
Рис. 1.15. Схема замещения электрической цепи с параллельным соединением двух ветвей
Пусть напряжение на входных зажимах А и В цепи равно U . Токи в ветвях согласно закону Ома равны:
Z - = _ й
1 Z{ ~ Rx+jXL ~ Zye™'
i У. =—й.
2 “ Z2~ R2-jXc~ Z2e~^ ’
(1.68)
где Z, = +A"2 , Z2 =7^2 + Ac > Ф1 =
X X -*
= arctg——, cp2 = arctg——.
Общий ток I рассматриваемой цепи равен
I = I, + i2 =—eJ^ +—е~^2 = z2
= /i(cosq>i + ysincpO + /2(coscp2 - /sin(p2),
(1.69)
7 ^7^7
где /j = —, 12 = —, /coscp = /а - актив-Zj Z2
ная составляющая тока; /sincp = /р - реактивная составляющая тока.
Таким образом, определение общего тока связано с нахождением активных и реактивных составляющих токов ветвей, по которым общий ток можно определить по формуле
(1.70)
Векторные диаграммы токов и напряжений для схемы рис. 1.15 приведены на рис. 1.16, а.
При анализе электрических цепей с параллельным соединением ветвей важное значение имеют комплексные проводимо-
сти Y = — . Так, для схемы рис. 1.15 ком-
Рис. 1.16. Векторные диаграммы напряжения и токов электрической цепи с параллельным соединением двух ветвей:
а ~ Лр> 6 — /2р > /]Р; в — /|Р = /2р
РАСЧЕТ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ СИНУСОИДАЛЬНОГО ТОКА
363
плексные проводимости ветвей равны:
у 1 г
Rx+jXL Rf+X2L
ление, по закону Ома можно определить
общий ток 7 = . Найдя этот ток и ис-
—эк
пользуя второе правило Кирхгофа, вычислим напряжение на параллельно соединен-ных ветвях Uab = UAB-[R+j(XL-Xc)]/. Зная напряжение Uab, легко можно
найти токи в ветвях: L =—— и *1+7^
где G, В - активная и реактивная проводимости соответственно.
Эквивалентная комплексная проводимость всей цепи рис. 1.17 составляет
r,K=Xl+b=(Gl+G2)+y(Br+5/J=
= Gw+jBw. (1.73)
Зная комплексные проводимости, можно легко найти токи ветвей =Y}U, 12 - и общий ток 7 -
При расчете электрических цепей со смешанным соединением элементов необходимо использовать закон Ома, а также первое и второе правила Кирхгофа в комплексной форме. В качестве примера рассмотрим схему, содержащую шесть элементов (рис. 1.17).
Если заданы сопротивления всех элементов и приложенное к цепи комплексное напряжение LJАВ, то прежде всего необходимо найти комплексное сопротивление цепи Z3K = R + j(XL - Хс) +
+ ——Зная это сопротив-
Рис. 1.17. Схема цепи со смешанным соединением элементов
Правильность расчета токов можно проверить с помощью первого правила Кирхгофа, в соответствии с которым должно выполняться равенство 7 = 7, + 72.
В самом общем случае разветвленной электрической цепи синусоидального тока ее расчет комплексным методом осуществляется по правилам Кирхгофа, а также посредством основанных на их применении методов контурных токов и узловых потенциалов. В качестве примера рассмотрим разветвленную цепь, схема замещения которой приведена на рис. 1.18.
В рассматриваемой цепи имеется три источника электрической энергии, два из них представлены схемами замещения с
Рис. 1.18. Схема замещения разветвленной цепи с источником тока
364
Глава 1. ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ
источниками ЭДС Ёх, Ё2 и внутренними сопротивлениями соответственно Rx и R2\ третий источник электрической энергии представлен схемой замещения с источником тока J и его внутренним сопротивлением R3.
Если известны ЭДС Ё}, Ё2, ток источника тока J, их внутренние сопротивления Rx, R2, R3, а также сопротивления ветвей XL и Хс, то все три неизвестных тока Ц, 12 и /3 могут быть определены при решении системы уравнений, составленных по законам Кирхгофа:
/j + /2 +/3 = J (узел Л);
(Л1+7^)/1-(/?2-Ас)/2=Ё1-£2
(контур I);
(я2 -jXc)l2 -R3i3 = Ё2 (контур II).
Система из трех независимых уравнений без особого труда позволяет найти три неизвестных тока /|, /2 и /3.
Из рис. 1.18 видно, что рассматриваемая схема имеет два узла А и В, поэтому для определения неизвестных токов можно использовать метод междуузлового напряжения (частный случай метода узловых потенциалов).
uAB =-e1x:IZe2x:2+j ]
Ь+Ь+Ь
где комплексные проводимости Ух, У2, У3 соответственно равны:
У. =-------; У2 =-------; У3 = —.
Rx+jXL ~2 R2-jXc -3 R3
Неизвестные токи можно определить, зная UАИ и используя обобщенный закон Ома:
j - ав + ^1 . / _ ав + ^2 . у _ АВ
1 Ri+JXL’ 2 R2-jXc' 3 R3 ’
Преобразуя источник тока (j, /?3) в источник ЭДС (£эк, Яэк), удобно применить метод контурных токов (рис. 1.19).
Рис. 1.19. Схема замещения разветвленной цепи с эквивалентным источником ЭДС
Для преобразования источника тока в источник ЭДС используются следующие формулы:
^эк = ^3<>’ ^эк = ^3 •
Уравнения по методу контурных токов в этом случае будут иметь вид
\r} + jxL +r2- jxc )ix - (r2 - jxc )/n =
= £, - £2;
k= Ё2 - Ёэк ,
где 11 и /п - неизвестные контурные токи, которые можно вычислить, решая данную систему из двух уравнений. Найдя контурные токи, легко можно определить искомые токи /], /2 и /эк последующим простым формулам: 1Х = Ц; /2 = /п - /1;
^эк “ •
Используя преобразование источника тока в источник ЭДС (и наоборот), следует иметь в виду, что токи в резистивных элементах с одинаковым внутренним сопротивлением R3 и 7?эк соответственно источника тока и источника ЭДС (см. рис. 1.18 и 1.19) будут отличаться друг от друга.
РЕЗОНАНСНЫЕ ЯВЛЕНИЯ В ЦЕПЯХ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
365
1.8. РЕЗОНАНСНЫЕ ЯВЛЕНИЯ В ЦЕПЯХ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
Если в цепи синусоидального тока с последовательным соединением элементов (см. рис. 1.13) значения параметров индуктивного и емкостного элементов соответст-r 1 вуют неравенству ьсо >-, то реактивное
Ссо
сопротивление X = XL - Хс > 0, при этом X
угол (р = arctg— также больше нуля и на-R
пряжение опережает ток. В этом случае принято говорить, что цепь, представленная на рис. 1.13, имеет индуктивный характер. На рис. 1.20, а изображена векторная диаграмма цепи для рассматриваемого случая. Если вектор тока I = /e7V1 имеет начальную фазу vp, = 0, т.е. направлен по оси действительных чисел, то векторы напряжений UR= RJ, UL = jXL l - jLttii и Uc — ~jXc будут ориентированы в соответствии с этими выражениями. Вектор общего напряжения U, приложенного к цепи, можно найти в соответствии с уравнением U = UR + UL +UC . При построе
нии векторной диаграммы на рис. 1.20, а учтено, что условию XL > Хс соответствует неравенство UL > Uc .
Если для цепи на рис. 1.13 справед-т 1 ливо неравенство ьсо <---, то реактивное
Ссо сопротивление отрицательно: X = XL -- Хс < 0. Следовательно, угол ср также отрицателен и напряжение отстает от тока. В этом случае принято говорить, что цепь на рис. 1.13 имеет емкостный характер. Векторная диаграмма тока и напряжений для этого случая показана на рис. 1.20, б. При ее построении учтено, что UL <UC .
Особый интерес представляет случай, когда XL = Хс и сдвиг фаз между током и напряжением отсутствует (<р = 0).
Режим, при котором в цепи с последовательным соединением индуктивного и емкостного элементов напряжение на входе совпадает по фазе с током, называют резонансом напряжений. В режиме резонанса напряжений реактивное сопротивление равно нулю, т.е. комплексное сопротивление равно активному сопротивлению цепи: Z = R.
соединением элементов:
а - условию А) > Хс соответствует U{ >UC'96~ условию X = XL - Хс< 0 соответствует UL < Uc J в - условию XL = Хс соответствует UL + UC = 0
366
Глава 1. ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ
Векторная диаграмма тока и напряжений при резонансе напряжений представлена на рис. 1.20, в, на котором видно, что UL +UC =0, а напряжение на входе цепи равно напряжению на резонансном элементе: U -UR. Очевидно, что в режиме резонанса реактивная составляющая напряжения йр = 0 . Поскольку условием резонанса напряжений является равенство т 1
ЬСО =---5 ТО ясно, что его можно добить-
СсО
ся изменением А, С или со. Из приведенного равенства реактивных сопротивлений следует, что резонансная частота
1.16, б. Из векторной диаграммы видно, что в этом случае общий ток опережает приложенное напряжение U. Это связано
с тем, что реактивная составляющая тока неразветвленного участка цепи /р = /2р - ЛР опережает входное напряжение, так как АР > ЛР-
Наиболее интересен случай, когда модули реактивных проводимостей параллельно соединенных ветвей равны между собой, т.е.
BL =
R2+X2l
= вс =
Хс
^2 +
(1.76)
Шрез VZc или /рез 2лЛс (1’75)
Из векторной диаграммы на рис. 1.20, в видно, что при резонансе напряжений угол сдвига фаз между напряжением и током ср = 0. Следует обратить внимание на то, что при резонансе напряжения на индуктивном и емкостном элементах могут быть значительно больше входного напряжения. Это произойдет в том случае, если XL = Хс » R, где R - активное сопротивление цепи. При резонансе напряжений ток достигает наибольшего значения
/рез R
При параллельном соединении двух ветвей, одна из которых содержит индуктивный, а другая - емкостный элемент (см. рис. 1.15), в цепи при определенных условиях может наблюдаться резонанс токов.
Векторная диаграмма, приведенная на рис. 1.16, а. соответствует случаю, когда в цепи на рис. 1.15 соблюдается условие
BL=^p^>Bc=-^- - R2+X2C
В этом
случае Др > /2р и результирующий ток отстает от приложенного к цепи напряжения U.
Если для цепи на рис. 1.15 BL < Вс, то этому случаю будет соответствовать векторная диаграмма, приведенная на рис.
При этом реактивные составляющие токов ветвей будут одинаковы по модулю:
Iip=UBL = I2p=UBc, (1.77) а следовательно, ток / неразветвленного участка цепи будет иметь только активную составляющую /а = 72а + /1а, поэтому он будет совпадать по фазе с приложенным напряжением U.
Режим, при котором в цепи, содержащей параллельные ветви с индуктивным и емкостным элементами, ток неразветвленного участка цепи совпадает по фазе с напряжением (ф = 0), называют резонансом токов.
Векторная диаграмма токов и приложенного напряжения для резонанса токов приведена на рис. 1.16, в. В этом случае результирующий ток I может быть меньше токов ветвей. Однако следует помнить, что в общем случае критерием резонанса токов является не минимальное значение общего тока 1 (хотя в некоторых частных случаях это может иметь место), а совпадение его по фазе с приложенным напряжением U.
тт Во
Из (1.76) следует, что —-—-—— =
R? + (£со)2
1/Ссо = —;—;------поэтому в общем случае
Я22+(1/С<о)2
резонанса токов можно добиться изменением пяти параметров: Z, С, со, Rb R2.
НЕСОНУСОИДАЛЬНЫЕ ТОКИ И НАПРЯЖЕНИЯ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЯХ 367
1.9. НЕСИНУСОИДАЛЬНЫЕ ТОКИ И НАПРЯЖЕНИЯ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ
ЦЕПЯХ
Существуют две главные причины возникновения несинусоидальных токов и напряжений в электрических цепях.
Первая причина связана с наличием в цепях синусоидального тока нелинейных элементов, например полупроводниковых диодов. Наиболее типичные примеры таких цепей - выпрямители, ограничители и некоторые другие.
Второй распространенной причиной является питание электрических цепей переменного тока от источников несинусоидального напряжения. К таким источникам относятся: электронные генераторы релаксационных колебаний (импульсов), т.е. колебаний, получаемых при заряде и разряде конденсаторов различной формы; выпрямители и другие:
а) прямоугольной формы - мультивибраторы (рис. 1.21, 6);
Ь) треугольной (пилообразной) формы - генераторы линейно изменяющегося напряжения (рис. 1.21, а) и др.;
с) однополупериодные - форма напряжения показана на рис. 1.22, а;
d) двухполупериодные - форма напряжения представлена на рис. 1.22, б.
6)
Рис. 1.21. Графики напряжений пилообразной (а) и прямоугольной (б) форм
6)
т t
т t
Рис. 1.22. Графики напряжений в однополу-периодном (а) и двухполупериодном (б) выпрямителях
Все эти формы импульсов широко используются в электромагнитном контроле.
Периодические несинусоидальные функции времени, удовлетворяющие условию fit) = fit + Г), где Т - период колебаний, можно разложить в тригонометрический ряд Фурье, который для многих случаев быстро сходится. Для инженерных расчетов количество членов ряда Фурье (т.е. гармонических составляющих несинусоидального напряжения или тока) ограничивают и учитывают только первые 3-5 гармоник ряда.
Приведем разложения в ряд Фурье рассмотренных периодических несинусоидальных напряжений:
а) напряжение прямоугольной формы
4Z7max ( • 1 • с
и = —sincor +—sin3aH+—sin5an + ... ;
л I 3 5 )
(1.78)
Ь) напряжение треугольной (пилообразной) формы
w ^тах
-----sina>/ + —sin2on + ...
2 И 2
(1.79)
368
Глава 1. ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ
с) напряжение на выходе однополу-периодного выпрямителя
U = ¥фах | l + 2EcoscoZ + 2cos2cor +
л V 2 3
2 А
+—cos4coz + ... ; (1.80)
d) напряжение на выходе двухполу-периодного выпрямителя
2U ( 2
и----maxi |+_cos2(0/—— cos4cor + ...
л I 3 15
(1.81)
Периодическую несинусоидальную величину (например, ток) обычно характеризуют следующими значениями: максимальным (/щах), действующим (/), средним по модулю (/ср.мод) И постоянной со-ставляющей (/(со-
действующее значение несинусоидального тока определяется его среднеквадратическим значением за период:
/= Г p2(Od/.
V 1 о
(1.82)
Если ряд Фурье для тока ограничить конечным числом членов / = /(0) + + /(1>sin(coz + Т(1)) + /(2>sin(2co/ + Т(2)) + + ... + /(^sin(Aco/ + Ч^), то выражение (1.83) после интегрирования принимает вид
/ = ^/(о) + /(21} + /р) +... + /Д), (1.83)
г
где 1^ - - действующее значение
Л-й гармоники тока.
Среднее по модулю значение тока выражается следующим интегралом:
(1-84)
а постоянная составляющая представляет собой среднее значение функции за период:
/(o)=|p(Odz. (1.85)
1 о
Кроме указанных величин, несинусоидальные токи характеризуются также следующими коэффициентами:
коэффициентом амплитуды
^а=^у-; (1.86)
коэффициентом формы
Кф=—; (1.87)
* ср.мод
коэффициентом несинусоидальности
(1.88)
коэффициентом пульсаций
Ц1> Цо)
(1.89)
Возможность разложения периодических несинусоидальных величин в ряд Фурье позволяет свести расчет электрических цепей с линейными элементами при воздействии несинусоидальных ЭДС к расчету цепей с постоянными синусоидальными ЭДС. По принципу суперпозиции (наложения) мгновенные значения искомых токов и напряжений будут равны сумме мгновенных значений токов и напряжений, которые установились бы в этой цепи, если бы в ней действовали независимо друг от друга постоянная и гармоническая составляющие ЭДС.
Рассмотрим в качестве примера расчет цепи, схема замещения которой приведена на рис. 1.23, если в ней действует несинусоидальная ЭДС
e(t) = £(о) + £(i)zwsinco/ + £(2)znsin2cD/. (1.90)
Для определения несинусоидального тока в этой цепи заменим источник ЭДС
НЕСОНУСОИДАЛЬНЫЕ ТОКИ И НАПРЯЖЕНИЯ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЯХ 369
Рис. 1.23. Схема замещения цепи с источником несинусоидальной ЭДС
Рис. 1.24. Схема замещения цепи с эквивалентной группой источников
e(t) тремя источниками, соединенными последовательно: источником постоянной ЭДС Е(о) и источниками синусоидальных ЭДС e(i) и е(2) (рис. 1.24).
Ток от постоянной составляющей
ЭДС /0=^. А
Расчет гармонических составляющих токов можно проводить с помощью комплексных чисел. При этом следует иметь в
виду, что сопротивление индуктивного элемента зависит от номера гармоники Хцк) = ЬЛСО.
С учетом этого комплексное сопротивление рассматриваемой цепи для первой гармоники Z(1) = R + yZco = Z(1)e7<p(I), а для второй гармоники Z(2) = R + /2Асо = - 7 z,7<p(2)
-Z(2)e
Комплексные амплитуды первой и второй гармоник тока определяются выражениями:
7(1>
Е<г>т _ /
£(!)
Z(2)m
£<2)m _ i
С учетом этого искомый ток
/•(О = /(0) + Z(1)msin(coz - <p(i)) +
+ /(2)msin(2coz - <р(2)). (1-91)
Из выражения (1.91) следует, что форма кривой тока отличается от формы кривой ЭДС (1.90), так как в нем соотношение между амплитудами гармоник не такое, как для ЭДС. Кроме того, начальные фазы гармоник тока отличаются от начальных фаз гармоник ЭДС.
Глава 2
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ВИХРЕТОКОВОМ КОНТРОЛЕ
2.1. ВИХРЕВЫЕ ТОКИ И ПОВЕРХНОСТНЫЙ ЭФФЕКТ В ПРОВОДЯЩИХ ИЗДЕЛИЯХ
Как известно, вихревые токи возникают в электропроводящих изделиях, находящихся под воздействием переменного магнитного поля. Впервые вихревые токи были обнаружены французским ученым Д.Ф. Араго (1786 - 1853) в 1824 г. в медном диске, расположенном на оси под вращающейся магнитной стрелкой. За счет вихревых токов диск приходил во вращение. Это явление, названное явлением Араго, было объяснено несколько лет спустя М. Фарадеем с позиций открытого им закона электромагнитной индукции: вращаемое магнитное поле наводит в медном диске токи (вихревые), которые взаимодействуют с магнитной стрелкой. Вихревые токи подробно исследованы французским физиком Ж.Б. Фуко (1819 - 1868) и названы его именем (токи Фуко). Он открыл явление нагревания металлических тел, вращаемых в магнитном поле, вихревыми токами.
Вихревые токи возникают в проводящих телах как вследствие изменения магнитного потока во времени, так и в результате относительного перемещения проводящего тела и магнитного потока. Во втором случае эти вихревые токи иногда называют токами резания.
Вихревые токи замыкаются непосредственно в проводящих изделиях, образуя вихреобразные контуры, сцепляющиеся с индуктирующим их магнитным потоком.
Согласно закону Ленца переменное магнитное поле вихревых токов стремится противодействовать изменениям магнитного потока, индуктирующего вихревые токи, вследствие чего они оказывают размагничивающее действие на источник переменного магнитного потока, в том
числе и на возбуждающую катушку вихретокового преобразователя, вносимая индуктивность которой уменьшает собственную индуктивность возбуждающей катушки ВТП.
Вихревые токи вызывают соответствующие выделения тепла (Джоулева), которые называют потерями энергии на вихревые токи. В вихретоковом контроле эти потери определяют вносимое активное сопротивление ВТП, которое может быть одним из информативных параметров ВТП при контроле промышленных изделий.
Для уменьшения потерь энергии от вихревых токов в магнитопроводах электрических машин и трансформаторов их выполняют из тонких изолированных листов электротехнической стали (толщиной 0,35 мм), для увеличения удельного электрического сопротивления которой добавляют к железу 2-4 % кремния.
Вихревые токи вызывают неравномерное распределение напряженности магнитного поля в проводящем изделии, в котором они возникают. Это объясняется тем, что в центральной части сечения этого изделия магнитодвижущая сила вихревых токов, направленная навстречу основному магнитному потоку, является наибольшей, так как эта часть сечения охватывается наибольшим количеством контуров вихревых токов. Такое вытеснение магнитного потока из середины сечения изделия к его поверхности будет тем больше, чем выше угловая частота переменного тока возбуждающей катушки ВТП и чем больше магнитная проницаемость ца материала объекта контроля. При высоких частотах магнитный поток проходит лишь в тонком поверхностном слое контролируемого изделия (рис. 2.1, где х2 = (остца/?ок > ROK - радиус ОК).
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ВИХРЕТОКОВОГО КОНТРОЛЯ
371
Рис. 2.1. Распределение модулей относительной напряженности магнитного поля в цилиндре
По своему характеру явление вытеснения магнитного потока аналогично поверхностному эффекту вытеснения тока, рассмотренному в 1.6, и его иногда называют магнитным поверхностным эффектом.
Явление магнитного поверхностного эффекта находит широкое применение в индукционном нагреве для плавки и поверхностной закалки металлов.
Использование магнитного поверхностного эффекта в вихретоковом контроле и его расчет для разных типов ВТП рассмотрен подробно в последующих главах.
2.2. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ВИХРЕТОКОВОГО КОНТРОЛЯ
Как отмечалось выше, вихретоковый контроль основан на анализе взаимодействия электромагнитного поля внешнего источника (обмотка возбуждения ВТП) с электромагнитным полем вихревых токов, возбуждаемых в ОК переменным магнитным полем ВТП.
Распределение плотности вихревых токов в проводящем объекте контроля определяется источником электромагнитного поля, геометрическими и электромагнитными параметрами ОК, а также взаимным расположением ВТП и ОК.
Возбуждающая катушка ВТП может располагаться вблизи ОК (рис. 2.2, а) -накладной ВТП или охватывать его (рис. 2.2, б) - проходной ВТП.
Форма кривых распределения вихревых токов повторяет форму витков обмотки возбуждения ВТП с учетом формы объекта контроля (токи /в на рис. 2.2, а). В результате действия вихревых токов в ОК изменяется результирующее магнитное поле.
Рис. 2.2. Накладной (а) и проходной (б) ВТП:
1 - ОК; 2,3- возбуждающая и измерительная катушки соответственно
372
Глава 2. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ВИХРЕТОКОВОМ КОНТРОЛЕ
Силовые линии магнитного поля
Рис. 2.3. Схема принципа действия прибора с накладным ВТП
a) S)
Рис. 2.4. Воздушный трансформатор (а) и его схема замещения (£)
Принцип действия вихретокового контроля можно пояснить с помощью схемы, представленной на рис. 2.3. На ней показан генератор переменного тока, обмотки ВТП: возбуждающая, подключенная к генератору, и измерительная, соединенная с блоком измерения, предназначенным для выделения и обработки сигналов, несущих информацию об измеряемом параметре ОК [4].
На рис 2.3. показан также график распределения плотности вихревых токов в ОК. Из графика видно, что максимального значения плотность вихревых токов в
ОК. достигает под витками возбуждающей обмотки ВТП. Под центром возбуждающей обмотки ВТП вихревые токи отсутствуют, а следовательно, обнаружить дефект в этом месте ОК не представляется возможным.
Взаимодействие возбуждающей обмотки ВТП с объектом контроля можно представить схемой воздушного трансформатора, параметры цепи вторичной обмотки ZBT которого определяются эквивалентным контуром вихревых токов в ОК (рис. 2.4, а).
ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ВИХРЕТОКОВОГО КОНТРОЛЯ
373
Как известно, воздушный трансформатор можно представить схемой замещения (рис. 2.4, б), на которой 7?вй - вносимое в катушку активное сопротивление, обусловленное потерями энергии в результате нагрева ОК вихревыми токами; £вн - вносимая индуктивность, обусловленная изменением потокосцепления индуктивной катушки (обмотки возбуждения ВТП) за счет действия вихревых токов. Поскольку потокосцепление Т из-за действия вихревых токов изменяется, индуктивность катушки при наличии вблизи нее электропроводящего ОК также изменится. Параметры 7?вн и Лвн зависят от плотности и распределения вихревых токов в ОК.
2.3. ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ВИХРЕТОКОВОГО КОНТРОЛЯ
ЭДС измерительной обмотки и сопротивление возбуждающей обмотки ВТП зависят от многих параметров ОК, а также от взаимного расположения ВТП и ОК, т.е. информация, получаемая от преобразователя, многопараметровая. Это определяет как преимущества, так и трудности реализации вихретокового контроля. С одной стороны, он позволяет осуществлять многопараметровый контроль. С другой стороны, приходится использовать различные довольно сложные способы выделения сигналов от контролируемых параметров и подавления влияния мешающих контролю факторов для того, чтобы осуществлять селективный (раздельный) контроль параметров [5].
Достоинством вихретокового контроля является то, что его можно проводить при отсутствии контакта между ВТП и ОК, поэтому его часто называют бесконтактным. Благодаря этому вихретоковый контроль можно выполнять при движении ОК относительно ВТП, причем скорость этого движения при производственном контроле может быть значительной, что обеспечивает высокую производительность контроля.
Дополнительным преимуществом вихретокового контроля является то, что на сигналы ВТП практически не влияют влажность, давление и загрязненность поверхности ОК непроводящими веществами, а также простота конструкции ВТП.
В большинстве случаев катушки ВТП помещают в предохранительный корпус, они устойчивы к механическим и атмосферным воздействиям и представляют весьма надежные первичные преобразователи.
Так как вихревые токи возникают только в электропроводящих материалах, то объектами вихретокового контроля могут быть изделия, изготовленные из металлов, их сплавов, графита и других электропроводящих материалов.
В настоящее время вихретоковые приборы и установки широко используются для: обнаружения и определения параметров дефектов - несплошностей материала (дефектоскопия и дефектометрия), контроля размеров ОК и параметров вибраций (толщинометрия и виброметрия), определения физико-механических параметров и структурного состояния материалов (структуроскопия), обнаружения электропроводящих объектов (металлоискатели) и для других целей. Объектами вихретокового контроля могут быть: электропроводящие прутки, проволока, трубы, листы, пластины, в том числе многослойные, железнодорожные рельсы, корпуса атомных реакторов, шарики и ролики подшипников, крепежные детали и многие другие промышленные изделия.
Дефектоскопы предназначены для обнаружения различных трещин, расслоений, закатов, раковин, металлических включений и т.д. Толщиномеры применяют для контроля толщины электропроводящих листов, пленок, пластин, покрытий на них, стенок труб, цилиндрических и сферических баллонов. С помощью структуроскопов контролируют химический состав, структуру металлов и сплавов, механические напряжения, качество термической и химико-термической обра
М4
Глава 2. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ВИХРЕТОКОВОМ КОНТРОЛЕ
ботки деталей, состояние поверхностных слоев ОК. Металлоискатели могут служить для обнаружения металлических и других электропроводящих объектов в грунте, теле человека, продуктах питания, древесине, багаже пассажиров и т.д.
2.4. КЛАССИФИКАЦИЯ ВИХРЕТОКОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
В настоящее время разработано большое количество типов и разновидностей ВТП. Для более правильного их использования целесообразно знать их классификацию (рис. 2.5). Можно предложить несколько различных классификационных признаков. Прежде всего, по типу преобразования параметров ОК в выходной сигнал ВТП подразделяются на параметрические и трансформаторные [6].
Параметрический ВТП имеет лишь одну возбуждающую обмотку, параметры которой (активное и индуктивное сопротивления) зависят от параметров ОК, температуры окружающей среды и расстояния между ВТП и ОК.
Трансформаторный ВТП помимо возбуждающей обмотки имеет еще и измерительную обмотку, ЭДС которой зависит от параметров ОК.
Преимущество параметрических ВТП заключается в их простоте, а недостаток, который значительно слабее выражен в трансформаторных ВТП, - в зависимости выходного сигнала от температуры преобразователя.
По способу соединения катушек (обмоток) ВТП делят на абсолютные и дифференциальные. Абсолютным называется ВТП, выходной сигнал которого опреде-
Рис. 2.5. Классификация ВТП
КЛАССИФИКАЦИЯ ВИХРЕТОКОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
375
Рис. 2.6. Абсолютный (а) и дифференциальный (6) трансформаторные ВТП:
1 - ОК; 2 - возбуждающие обмотки; 3 - измерительные обмотки
Рис. 2.7. Разновидности наружных проходных ВТП:
1 - ОК; 2 - возбуждающие и 3 - измерительные катушки; £в, £и - длина возбуждающей и измерительной обмоток соответственно; Z)B, D„ — диаметр возбуждающей и измерительной обмоток соответственно; d - расстояние между возбуждающими обмотками
ляется абсолютными значениями параметров ОК в зоне контроля (рис. 2.6, а). Дифференциальным ВТП принято называть, по существу, совокупность двух абсолютных ВТП (рис. 2.6, б). В дифференциальном ВТП обмотки возбуждения 2 включены последовательно согласно, а измерительные 3 - встречно. Выходной сигнал такого ВТП определяется разностью значений параметров объекта, измеряемых в зоне расположения измерительных обмоток.
В зависимости от расположения ВТП по отношению к объекту контроля их делят на проходные, накладные и комбинированные.
Проходные ВТП обычно разделяют на наружные, внутренние, погружные и экранные. На рис. 2.7 показаны разновидности трансформаторных наружных проходных ВТП. Основной их особенностью является то, что катушки ВТП охватывают ОК.
Катушки внутренних проходных ВТП вводят внутрь ОК (рис. 2.8), чаще всего они служат для контроля труб. Погружные ВТП используют для контроля жидких электропроводящих сред, их катушки помещают в контролируемую среду (рис. 2.9).
376
Глава 2. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ВИХРЕТОКОВОМ КОНТРОЛЕ
_ яя
ЭД J 2 1
Рис. 2.8. Проходные внутренние ВТП:
1 - ОК; 2,3- возбуждающая и измерительная обмотки соответственно
Рис. 2.9. Погружные ВТП:
1 - ОК; 2,3- возбуждающая и измерительная обмотки соответственно
В экранных проходных ВТП возбуждающие и измерительные катушки располагают по разные стороны ОК. На рис. 2.10 показаны экранные проходные ВТП. Наружными, внутренними и погружными могут быть как параметрические, так и трансформаторные ВТП, а экранными -только трансформаторные. К проходным можно отнести и так называемые «щелевые» ВТП (рис. 2.11) с магнитопроводом 4, охватывающим ОК 3. На рис. 2.11, а представлен параметрический щелевой, а на рис. 2.11,6- трансформаторный ВТП.
Рис. 2.10. Проходные экранные преобразовател и:
1 - возбуждающая; 2 - измерительная обмотки; 3-ОК
Рис. 2.11. Щелевые ВТП:
а - параметрический; б - трансформаторный; 1 - возбуждающая; 2 - измерительная обмотки;
3 - ОК; 4 - магнитопровод
Накладные ВТП (рис. 2.12) размещают вблизи поверхности ОК. Они имеют одну или несколько обмоток. Их оси обычно располагают нормально поверхности ОК, т.е. прикладывают торцом к ОК. Однако возможно продольное расположение накладных ВТП, когда оси катушек направлены вдоль поверхности ОК (продольные накладные ВТП). Накладные ВТП обладают значительно большими возможностями для контроля, чем проходные. Они позволяют контролировать геометрические и электромагнитные параметры ОК сложной формы. Катушки накладных ВТП могут быть круглыми коаксиальными (рис. 2.12, а), прямоугольными (рис. 2.12, 6), прямоугольными крестообразными (рис. 2.12, в), с взаимно-перпендикулярными осями (рис. 2.12,. г) и др. Накладные ВТП так же, как и проходные, могут быть экранными, когда возбуждающие и измерительные катушки располагаются по разные стороны ОК, например контролируемого листа (рис. 2.12, 6).
КЛАССИФИКАЦИЯ ВИХРЕТОКОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
377
А~А
лТ vzzzzqzzzzi Тл /Г vzzzzzzzzzzzTh
Рис. 2.12. Накладные вихретоковые преобразователи с различными видами катушек: а - круглые коаксиальные; б - прямоугольные; в - прямоугольные крестообразные; г - с взаимно-перпендикулярными осями; д - экранный ВТП с расположением возбуждающих 2 и измерительных 3 катушек по разные стороны ОК 1
Накладные ВТП выполняют с ферромагнитными сердечниками и без них. Благодаря ферромагнитному сердечнику (обычно ферритовому) повышается чувствительность (абсолютная) к изменению контролируемых параметров и формируется электромагнитное поле заданной топологии. На рис. 2.13, а-г приведены разновидности накладных ВТП с ферромагнитными сердечниками. Очень часто сердечники используют для локализации магнитного поля в целях уменьшения зоны контроля.
В накладных ВТП локализация магнитного поля осуществляется благодаря тому, что в воздушный зазор магнитопровода 4 (рис. 2.14, а) вставляется концентратор 5 в виде медной пластинки, в которой концентрируются вихревые токи, вытесняющие магнитное поле в зону контроля. Используются также магнитопроводы специальной формы (рис. 2.14, б, в), отверстия в неферромагнитном электропроводящем экране 4 (рис. 2.14, г) или короткозамкнутый виток 5 на магнитопроводе 4 (рис. 2.14, д).
378
Глава 2. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ВИХРЕТОКОВОМ КОНТРОЛЕ
Рис. 2.13. Накладные преобразователи с сердечниками:
а - цилиндрическим; б - прямоугольным; в - полуброневого типа; г - в виде полутороида; 2R - эквивалентный геометрический параметр ВТП
Рис. 2.14. Накладные локальные ВТП:
а - с концентратором в виде медной пластинки; б, в - с магнитопроводами специальной формы; г - с отверстием в неферромагнитном электропроводящем экране; д - с короткозамкнутым витком на магнитопроводе; 1,2- возбуждающая и измерительная обмотки; 3 - ОК; 4 - магнитопровод;
5 - концентратор
К специальным типам относятся ВТП в виде линейно-протяженных витков или рамок, которые можно условно назвать линейными (рис. 2.15).
Комбинированные ВТП, охватывающие ОК / (рис. 2.16), представляют собой комбинацию проходных возбуждающих катушек 2 и накладных измерительных катушек 3.
Наружные проходные ВТП используют для контроля линейно-протяженных объектов (проволоки, прутков, труб и т.п.)
и массового контроля мелких изделий. С помощью внутренних проходных ВТП контролируют внутренние поверхности труб, баллонов, а также стенки отверстий в различных деталях.
Погружные ВТП используют для контроля жидких сред, экранные проходные - для контроля труб, щелевые - для контроля проволоки. Для ослабления влияния радиальных перемещений ОК используют магнитные поля, близкие к однородным в наружных проходных ВТП,
КЛАССИФИКАЦИЯ ВИХРЕТОКОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
379
Рис. 2.15. Линейные ВТП:
1 - ОК; 2,3- обмотки
или экранируют магнитопровод вблизи щели в целях повышения однородности магнитного поля в щелевых ВТП. С помощью проходных ВТП получают интегральную оценку контролируемых параметров по периметру объекта, поэтому они обладают меньшей чувствительностью к небольшим (локальным) изменениям свойств.
Накладными ВТП контролируют в основном объекты с плоскими поверхностями и объекты сложной формы. Они также применяются, когда требуется обеспечить локальность и высокую чувствительность контроля. Экранные наклад
ные ВТП можно использовать при контроле листов, пластин, лент и других изделий, к которым возможен двусторонний доступ. Применение этих ВТП позволяет практически исключить влияние смещений ОК относительно возбуждающей и измерительной катушек.
Накладные ВТП с взаимно-перпендикулярными катушками (см. рис. 2.12, г) нечувствительны к изменению электромагнитных параметров однородных ОК. При нарушении однородности ОК, например при появлении трещин, на выходе ВТП возникает сигнал.
Аналогично работают и комбинированные ВТП, которые также могут применяться для дефектоскопии. Их недостаток заключается в сильном влиянии перекосов осей проходных и накладных катушек ВТП относительно поверхности ОК.
ВТП специальной конструкции используют для контроля пространственного положения изделий, измерения параметров вибраций, скорости движения ОК, угловых и линейных смещений контролируемых изделий.
Приведенная классификация ВТП далеко не полностью характеризует широкие возможности контроля с их помощью различных геометрических и электромагнитных параметров ОК, а также обнаружения различных дефектов и определения их параметров.
Рис. 2.16. Комбинированные ВТП с проходной возбуждающей и накладной измерительной обмотками:
/ - ОК; 2,3- проходные возбуждающие и накладные измерительные катушки соответственно
380
Глава 2. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ВИХРЕТОКОВОМ КОНТРОЛЕ
2.5. КРАТКАЯ ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ВИХРЕТОКОВОГО КОНТРОЛЯ
Впервые применил вихревые токи для неразрушающего контроля англичанин Д.Е. Хьюз, который в 1879 г. разработал устройство с трансформаторным ВТП для оценки электрофизических параметров металлических изделий [7].
Огромную роль в создании теории вихретокового контроля сыграли фундаментальные работы в области индукционного нагрева, которые появились еще в довоенные и первые годы после Великой отечественной войны (В.П. Вологдин, Г.И. Бабат, Н.М. Родигин) [8, 9, 10].
Б.А. Введенский (1923 г.) исследовал скин-эффект при намагничивании сплошного цилиндра продольным магнитным полем; Н.С. Кошляков, А.В. Светлов и В.Г. Строганов (1933 - 1936 гг.) изучали вопросы распределения переменного магнитного поля и вихревых токов, создаваемых витком или катушкой в проводящих средах. В качестве проводящих сред ими были выбраны тонкий лист, полупространство и сферический экран.
Л.А. Жекулин, Н.Н. Лебедев (1935 -1936 гг.) рассматривали задачу о поле витка с переменным током, охватывающего ферромагнитный цилиндр; С. Леви (1936 г.) -задачу об определении вносимых сопротивлений круглой катушки, расположенной вблизи тонкого проводящего листа.
В Сибирском физико-техническом институте (СФТИ) при Томском государственном университете В.Н. Кессених аналитически решил задачу о распределении вихревых токов в двух изолированных пластинах и нашел составляющие напряженности магнитного поля от этих токов.
Решение задачи о распределении электромагнитного поля в электропроводящих цилиндре и трубе с секторными и радиальными вырезами, помещенных в однородное переменное магнитное поле, получено А.М. Эфросом [11] в виде бесконечных рядов функций Бесселя и Неймана. Для случая низких частот найдено приближенное выражение для магнитного
потока, проходящего через сечение цилиндра с бесконечно узким радиальным разрезом до оси.
Через несколько лет Г.А. Бюлер предложил более точное решение с помощью метода последовательных приближений для решения интегральных уравнений.
В работах А.Б. Сапожникова и А.А. Бо-таки приведены результаты исследования выявляемое™ продольных трещин в немагнитных прутках и трубах, а также приближенная формула для расчета оптимальной частоты при обнаружении дефектов. Следует отметить, что А.А. Ботаки впервые использовал ртутную модель для определения сигналов от дефектов.
При вихретоковом контроле протяженных изделий с помощью проходного ВТП наибольший интерес вызывает распределение магнитного поля и вихревых токов в сечении контролируемых изделий, помещенных в продольное переменное магнитное поле.
Наиболее полное решение этих задач применительно к индукционному нагреву получено Н.М. Родигиным. На основе исследований в области магнитного контроля М.Н. Михеева, Р.И. Януса, П.А. Хали-леева, Н.Н. Зацепина, В.Е. Щербинина и других в Институте физики металлов (ИФМ) УФ АН СССР (Свердловск) в 1950-е годы были выполнены работы по созданию теории вихретокового контроля [12]. В них заложены основы аналитической теории вихретокового контроля цилиндрических изделий и пластин, представлены годографы выходных напряжений проходных ВТП при контроле цилиндрических прутков и труб, приведены кривые чувствительности проходных ВТП к изменениям удельной электрической проводимости, внешнего и внутреннего радиусов труб при разных частотах тока возбуждения ВТП.
Одним из основоположников вихретокового контроля, несомненно, следует считать немецкого ученого Ф. Ферстера, который в 1940 - 60-е годы разработал теорию метода вихревых токов для кон
КРАТКАЯ ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ВИХРЕТОКОВОГО КОНТРОЛЯ
381
троля металлических изделий и ферромагнитных сплавов, предложил использовать амплитудно-фазовые годографы электрических сигналов. Под его руководством разработаны десятки различных приборов для дефектоскопии и структуроскопии промышленных изделий. Институт, созданный Ф. Ферстером, носит его имя.
В 1930-х годах, когда эффективный автоматизированный контроль качества промышленных изделий становится необходимым, а развитие измерительной техники дало возможность создания более совершенной контрольной аппаратуры, появились первые промышленные приборы, основанные на использовании вихревых токов.
В 1934 г. В. Герлах предложил применять проходные двухкатушечные ВТП для обнаружения дефектов в неферромагнитных цилиндрических изделиях.
Вскоре после этого В. Ширпом были разработаны приборы для контроля дефектов в трубах при их движении через проходной ВТП со скоростью 1... 1,5 м/с.
В начале 1940-х годов появляется серия приборов В. Ширпа, Ф. Ферстера, X. Брайтфельда, К. Матхауса, М. Шмидта, предназначенных для контроля дефектов, химического состава, качества термообработки, размеров стержней и труб. В этих приборах, кроме проходных ВТП, уже начинают применять и накладные ВТП.
В 1930-е и 40-е годы в СФТИ, Свердловском институте физики металлов, ряде организаций Москвы и Ленинграда также разрабатывались электромагнитные средства неразрушающего контроля.
Вихретоковый контроль особенно бурно развивался в 1950 - 90-е годы. В этот период были созданы научные школы ряда организаций (кроме указанных уже СФТИ и ИФМ):
• Института интроскопии (создан в 1964 г.) под руководством чл.-корр. АН РФ, проф. В.В. Клюева, (д-р техн, наук, проф. Ю.К. Федосенко, д-р техн, наук В.Ф. Мужицкий, д-р техн, наук, проф. Ю.М. Шкарлет, канд. техн, наук В.П. Ку-
розаев, канд. техн, наук Л.М. Федотов, канд. техн, наук Д.С. Костров, канд. техн, наук В.А. Бакушев, канд. техн, наук А.П. Дегтерев, канд. техн, наук О.С. Семенов, канд. техн, наук Е.Г. Ревков, канд. техн, наук С.Н. Шубаев, канд. техн, наук Э.Ш. Кисельгоф и др.);
• МЭИ под руководством заслуженного деятеля науки и техники РФ, д-ра техн, наук, проф. В.Г. Герасимова (д-р техн, наук, проф. В.В. Сухоруков, д-р техн, наук, проф. Ю.М. Шкарлет, д-р техн, наук, проф. А.Д. Покровский, канд. техн, наук Л. А. Чернов, канд. техн, наук Ю.Я. Останин, канд. техн, наук Ю.М. Улитин, канд. техн, наук А.И. Хвостов и др.);
• Белорусского института прикладной физики под руководством чл.-корр. БАН д-ра техн, наук, проф. Н.М. Зацепина;
• Куйбышевского авиационного института (впоследствии Московской академии приборостроения и информатики) под руководством д-ра техн, наук, проф. В.Е. Шатерникова (д-р техн, наук, проф. Ю.И. Стеблев, д-р техн, наук, проф. П.Н. Шкатов, д-р техн, наук, проф. С.Ф. Лазарев и др.);
• ВИАМ под руководством канд. техн, наук С.М. Рождественского, д-р техн, наук А.Л. Дорофеева, д-р техн, наук А.К. Декеля и др.;
• Института автоматики и электрометрии СО АН СССР (Новосибирск) под руководством д-ра техн, наук В.С. Соболева;
• Рижского политехнического института под руководством д-ра техн, наук, проф. В.С. Фастрицкого;
• Томского политехнического института (ТПИ) под руководством д-ра техн, наук, проф. И.Г. Лещенко;
• НИИ электронной интроскопии при ТПИ под руководством д-ра техн, наук, проф. В.Г. Жукова;
• Ростовского-на-Дону института сельхозмашиностроения под руководством д-ра техн, наук, проф. В.Г. Пус-тынникова;
382
Глава 2. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ВИХРЕТОКОВОМ КОНТРОЛЕ
• ВНИИ трубной промышленности под руководством д-ра техн, наук, проф. А.И. Никитина;
• Свердловского филиала ВНИМ им. Д.И. Менделеева под руководством д-ра техн, наук Ю.А. Вдовина и др.
Большой вклад в становление и развитие вихретокового контроля внесли также такие ученые, как: д-р техн, наук, проф. Т.Я. Гораздовский, д-р техн, наук, проф. В.Э. Дрейзин, д-р техн, наук, проф. Р.Е. Ершов, д-р техн, наук М.А. Мельгуй, д-р техн, наук, проф. А. Н. Плахотнюк, д-р техн, наук, проф. В.А. Сандовский, д-р техн, наук, проф. В.П. Себко, д-р техн, наук, проф. В.С. Семенов, д-р техн, наук А.Я. Тетерко, д-р техн, наук, проф. М.А. Яцун, канд. техн, наук П.И. Беда, канд. техн, наук Б.В. Гончаров и многие другие.
В эти годы вихретоковый контроль сформировался как самостоятельное научное направление, стал основой для создания промышленных вихретоковых средств неразрушающего контроля. Были разработаны: теория вихретоковых преобразователей различной конструкции (накладных, проходных, экранных), способы обработки информативных многомерных сигналов (амплитудный, амплитуднофазовый, фазовый, переменно-частотный, модуляционный, многочастотный и др.), принципы конструирования аппаратуры и синтеза ВТП.
На теорию вихретоковых преобразователей повлияли исследования (аналитические и экспериментальные) распределения электромагнитных полей сосредоточенных источников в многослойных проводящих изделиях плоской, цилиндрической, сферической, эллиптической и других форм. Модели (накладной виток с током над многослойным проводящим плоским объектом; многослойный проводящий цилиндр в поле токового проходного витка; виток с током над проводящей сферой и др.), точные и приближенные методы их расчета определяли способы обработки информативных сигналов: амплитудно-фазовый и фазовый, получившие
наиболее широкое распространение в промышленной аппаратуре.
В 1962- 1970 гг. методы приближенного расчета накладных и экранных вихретоковых преобразователей (Ю.М. Шкар-лет) для контроля проводящих изделий плоской формы (модель - круглый виток с переменным током над плоским двухслойным проводящим объектом) позволили выявить основные закономерности в распределении электромагнитного поля исследуемой модели, найти эффективные способы обработки сигналов.
Одновременно с Ю.М. Шкарлетом накладные цилиндрические (НЦ) преобразователи исследовал В.С. Соболев. Им были проведены с помощью вычислительных машин точные расчеты поля кругового витка. Работы Ю.М. Шкарлета и В.С. Соболева имели важное значение для дальнейшего развития вихретокового контроля [13].
В эти же годы В.Г. Герасимов заложил основы теории проходных вихретоковых преобразователей. Была создана общая теория контроля, выведены рекуррентные формулы для самого общего случая: проходной цилиндрический (ПЦ) преобразователь охватывает многослойный ферромагнитный проводящий цилиндр или находится внутри многослойной ферромагнитной трубы. Проанализированы многочисленные частные случаи. Исследованы ПЦ-преобразователи в виде длинного соленоида и короткой катушки. Построены годографы чувствительности к различным параметрам объекта [14].
Применительно к контролю изделий более сложной формы исследовали такие модели, как: накладной преобразователь над проводящей сферой, сфероидом, проводящий цилиндр в поле системы линейных проводников, несколько сфероидов в поле накладного витка.
В.С. Соболев при анализе модели «проводящая сфера в поле накладного витка» выполнил расчеты вносимого сопротивления с учетом размеров преобразователя. А.И. Никитин эту модель изучил
КРАТКАЯ ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ВИХРЕТОКОВОГО КОНТРОЛЯ
383
применительно к измерению толщины сферических оболочек и цилиндрических труб [15]. Им построены годографы вносимых сопротивлений, оценена чувствительность преобразователя и выбраны оптимальные значения обобщенного параметра для измерения толщины стенки объекта.
В. Е. Шатерников и его ученики в 1960-80-е годы решали задачи вихретокового контроля изделий сложной формы, в том числе изучали модели сфероида вращения и набора сфероидов в поле накладного витка [16]; ими рассчитана вносимая ЭДС, построены годографы и проведен анализ влияния параметров объекта на сигнал преобразователя. Применительно к контролю цилиндрических изделий исследованы модели, где в качестве источника электромагнитного поля йсполь-зовали двухпроводную линию. Ими же разработаны оптимальные конструкции ВТП с локальной зоной контроля и ВТП многоцелевого назначения для контроля качества и геометрических параметров изделий сложной формы, работающих в экстремальных условиях, в частности при высоких температурах.
В эти же годы Ю.М. Шкарлет предложил оригинальную гармоническую модель вихретокового преобразователя. Идея модели заключается в том, что плотность тока возбуждения вдоль одной из координат задается в виде гармонической функции. Вектор-потенциал поля такого источника описывается той же гармонической функцией, а конечные формулы, отражающие распределение поля в многослойных проводящих средах, не содержат несобственных интегралов. Это замечательное свойство гармонических моделей оказалось полезным как в теоретических исследованиях сложных физических процессов взаимодействия полей с объектами контроля, так и при разработке способов селективного измерения параметров изделия.
Усилиями отечественных и зарубежных ученых было разработано, кроме ука
занных уже амплитудно-фазового, фазового и амплитудного, большое количество других методов по обработке сигналов в целях выделения информации об измеряемом параметре и отстройке от мешающих факторов. Отметим интересный и оригинальный переменно-частотный метод, разработанный Б.В. Гончаровым [17]. Основа метода заключается в использовании плавно изменяющейся рабочей частоты, благодаря чему поддерживается строго заданный режим испытаний при изменении размеров и удельной электрической проводимости материала (поддерживается постоянной фаза вносимого напряжения). Переменно-частотный метод позволяет измерять абсолютные значения диаметра и удельного электрического сопротивления материала цилиндрических изделий. Возможности переменно-частотного метода вихретокового контроля подробно исследовали д-р техн, наук, проф. М.А. Калашников [18], а также французские ученые Р. Дюжардэн и А. Самоэль [19].
Наиболее существенный вклад в исследование распределения вихревых токов в проводящих движущихся изделиях внесли В.В. Клюев и его ученики [20]; этими же вопросами занимались в Томском университете под руководством А.Б. Сапожникова и Г.А. Бюлера, в Институте прикладной физики АН БССР под руководством Н.Н. Зацепина и в других организациях. Было установлено, что скоростной эффект проявляется в перераспределении электромагнитного поля за счет возникновения вихревых токов, обусловленных пересечением движущимся проводящим объектом электромагнитного поля, ортогонального его поверхности. Эти токи являются причиной изменения сигнала преобразователя в результате действия скоростного эффекта.
Кроме гармонических электромагнитных полей в вихретоковом неразрушающем контроле используют также и импульсные поля. Вопросы импульсного возбуждения вихретоковых преобразователей наиболее глубоко исследовали
384
Глава 2. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ВИХРЕТОКОВОМ КОНТРОЛЕ
Ю.М. Шкарлет и его ученики [21], американский ученый Д.Л. Вайделих [22]. Были созданы общая теория и физическое обоснование импульсного вихретокового контроля, рассчитаны характеристики переходных процессов в преобразователях различного типа, разработаны способы обработки импульсных сигналов для селективного измерения параметров объектов, ряд технических средств, реализующих разработанные принципы.
Ю.К. Федосенко, В.К. Жуков и другие в 1960 - 70-е годы исследовали вращающиеся магнитные поля в целях их использования для контроля цилиндрических изделий [23].
Для контроля физико-механических параметров объектов из ферромагнитных марок сталей в 1960-80-е годы было изучено распределение электромагнитных полей в нелинейных средах, какими являются ферромагнитные стали и сплавы. Из-за нелинейных свойств ферромагнитного объекта в спектре выходного сигнала преобразователя появляются гармонические составляющие более высокого порядка, чем основная гармоника тока возбуждения, поэтому метод был назван методом высших гармоник. Существенный вклад в эти исследования внесли известные ученые: д-р Ф. Ферстер (Германия), чл.-корр. БАН, проф. Н.Н. Зацепин, д-р техн, наук, проф. И.Г. Лещенко, д-р техн, наук, проф. А.Л. Дорофеев, д-р техн, наук, проф. А.Д. Покровский, д-р техн, наук, проф. Р.Е. Ершов, канд. техн, наук М.М. Шель и их многочисленные ученики [24].
На основе метода высших гармоник создан ряд структуроскопов для контроля изделий из различных ферромагнитных сталей. Эти приборы позволяют решать такие задачи производственного контроля, как оценка твердости, сортировка по группам прочности, соответствие заданной марке стали, определение качества термообработки и многие другие.
Одной из распространенных областей практического использования вихретокового контроля является область, связанная
с обнаружением дефектов типа нарушений сплошности. Усилиями таких ученых, как д-р Ф. Ферстер, чл.-корр. РАН, проф. В.В. Клюев, чл.-корр. БАН, проф. Н.Н. Зацепин, д-р техн, наук, проф. В.В. Сухоруков, д-р техн, наук, проф. Ю.К. Федосенко, д-р техн, наук А.Л. Дорофеев, канд. техн, наук П.И. Беда, д-р техн, наук А.Я. Тетерко и многих других, выявлен ряд закономерностей в распределении переменного электромагнитного поля в цилиндрических и плоских изделиях с дефектами различной формы, рассчитаны годографы для вносимых напряжений, оценено влияние размеров дефекта на сигналы преобразователей, разработаны методики выделения информативных сигналов на фоне шумов, например модуляционный способ. Результаты исследований опубликованы в научных статьях, описаны в нескольких десятках монографий.
В конце 1970-х годов актуальная проблема решения обратных задач много-параметрового контроля многослойных изотропных объектов и разработка алгоритмов определения их параметров успешно решены Ю.К. Федосенко [25] и в работах других авторов.
В 1980-е годы была решена задача синтеза ВТП с заданными характеристиками и заданной структурой возбуждающего поля в зоне контроля (Ю.И. Стеблев [26]).
В начале 1990-х годов вихретоковые преобразователи стали применять для определения координат проводящих тел и контроля угловых перемещений проводящих изделий (С.Ф. Лазарев и др. [27]).
1960-90-е годы - это годы становления вихретокового контроля как промышленной подотрасли приборостроения. Создан Институт интроскопии (1964 г.), а затем научно-производственное объединение «Спектр» (1975 г.), ученые и специалисты которого на основе теоретических и экспериментальных исследований методов вихретокового контроля разработали приборы для контроля металлопродукции основных отраслей - черной и
КРАТКАЯ ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ВИХРЕТОКОВОГО КОНТРОЛЯ
385
цветной металлургии: поточный дефектоскопический автоматизированный контроль труб, проката, проволоки; машиностроения, оборудования тепловых и атомных электростанций, трубопроводного и железнодорожного транспорта: дефектоскопы ручного и автоматизированного применения, толщиномеры покрытий, измерители удельной электрической проводимости, структуроскопы разнообразного применения [28].
Первые вихретоковые приборы были ламповыми (электромагнитный структуро-скоп «ЭМИД» в нескольких модификациях, дефектоскопы ДК-1; ДИТ-IK; ДНМ-15; ДНМ-500; ВДЦ-1; ВД-1ГА; толщиномеры ТПН-1,2; ИДП-3; измеритель удельной электрической проводимости типа ИЭ-1; ИЭ-11 и др.). Первые вихретоковые средства неразрушающего контроля (ВСНК) разрабатывали в ВИАМ, ВНИТИ, НИИТавтопроме, ИФМ, НИИЭРАТ (А.Л. Дорофеев, А.И. Никитин, Т.Я. Го-раздовский, П.И. Беда, А.Л. Рубин и др.). Однако основное развитие ВСНК пришлось на годы освоения полупроводниковых приборов и микросхем сравнительно небольшой интеграции (1965-1985 гг.).
В этот период были созданы, аттестованы и серийно освоены десятки типов дефектоскопов, структуроскопов и измерителей геометрических размеров изделий, выпущены приборы портативных, переносных и стационарных конструкций. Как правило, в аппаратуре использовали методы: амплитудно-фазовый и его разновидности - фазовый, реже амплитудный; автогенераторный (принцип одно- или двухконтурного автогенератора); метод высших гармоник; переменно-частотный; двух- и трехчастотного возбуждения ВТП и др. Один из первых серийных приборов -дефектоскоп ППД-3 (ранее ППД-1), использующий автогенераторный принцип, разработан в ВИАМе А.Л. Дорофеевым и Ю.Г. Казамановым (1965). По схеме двухконтурного автогенератора построены дефектоскопы типа «Проба» Кишиневского ПО «Волна». Позже автогенераторный
принцип был усовершенствован в портативных дефектоскопах ВД-88Н (МЭИ) и ВД-89Н (МНПО «Спектр»).
В этот же период созданы автоматизированные ВСНК для поточного контроля массовой продукции, в первую очередь проката, труб, проволоки. В приборах этого типа использовали в основном амплитудно-фазовый способ обработки сигналов на несущей частоте в сочетании с частотной селекцией низкочастотных сигналов. Аппаратура основана на проходных и накладных вращающихся ВТП. Такая техника позволяла вести контроль на скоростях 0,5 ... 3 м/с в автоматическом режиме сортировки контролируемых изделий.
Несомненен вклад в развитие ВСНК этого периода коллектива МНПО «Спектр» (В.В. Клюев, В.П. Курозаев, Д.С. Костров, Ю.К. Федосенко, В.М. Мужицкий), а также сотрудников МЭИ (В.Г. Герасимов, В.В. Сухоруков, А.Д. Покровский, А.И. Хвостов, Ю.М. Улитин и др.), ВНИТИ (А.И. Никитин), ВИАМ (А.Л. Дорофеев) и др.
В 1960 - 80-е годы существенный вклад в развитие ВСНК внесли зарубежные фирмы:
немецкие: Институт доктора Ферстера (автоматизированные стационарные дефектоскопы для контроля проволоки, прутков и проката с проходными ВТП типа «Defectomat 2.189», «Defectoscop 2.156», «Defectoscop 2.159»; с накладными вращающимися ВТП типа «Circograph 6.231»; структуроскопы типа «Магнатест» с проходными ВТП на основе методов высших гармоник, переносные дефектоскопы с накладными, накладными вращающимися и проходными ВТП типа «Defectoscop S.2.830», «Defectoscop S.2.831», переносные измерители удельной электрической проводимости типа «Сигматест», толщиномеры «Изометр»); фирма «Фишер» (толщиномеры «Дельто-скоп», «Дуаскоп», «Фишерскоп», структу-роскоп «Сигмаскоп»); фирма «Электрофизик» (толщиномеры типа «Микротест»);
13 - 8193
386
Глава 2. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ВИХРЕТОКОВОМ КОНТРОЛЕ
• американские: «Зетек» (дефектоскопы типа «MIZ»); «NDT-технология» и «Нортек» (многоцелевой прибор «NDT-19»); фирма «ЕСТ» (дефектоскоп «МАД 4Д-Х8»); фирма «UPA технология» (толщиномеры типа «Дермитрон»);
• английская - «Хоккинг NDT» (дефектоскопы «Локатор UH-В», «Тектро-никс-5111А»);
• французская - «Интерконтроль» (прибор многоцелевого назначения типа ТС-1200; вихретоковые системы для контроля трубопроводов парогенераторов атомных электростанций);
• японская - «Эддио» (дефектоскопы «ЭДДО сорт», «ЭДДО рото»).
ВСНК на основе полупроводниковых приборов и интегральных микросхем малой интеграции сыграли важную роль в становлении неразрушающего контроля современной техники. Однако со време
нем обнаружились такие недостатки ВСНК, как: узкий диапазон измерений, нелинейность шкал, значительная погрешность, многообразие подстроечных элементов, существенный объем ручных операций при калибровке приборов, что было обусловлено ограниченными возможностями аналоговой полупроводниковой элементной базы.
Эти недостатки были устранены в следующем поколении ВСНК, созданном с применением цифровых методов обработки сигналов на основе вначале микропроцессоров, затем однокристальных микроЭВМ, сопрягаемых в случае необходимости с компьютерами более высокого уровня [29].
На большинство разработанных приборов и способов вихретокового контроля получены патенты и авторские свидетельства на изобретения.
Глава 3
ВИХРЕТОКОВЫЙ контроль с помощью проходных ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
3.1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА НАРУЖНЫХ ПРОХОДНЫХ ВТП
Как указывалось выше, наружные проходные преобразователи представляют собой индуктивную катушку, внутри которой проходит контролируемое изделие (см. рис. 2.6). Особенностью преобразователей этого типа является прежде всего их конструктивная простота, благодаря чему они широко используются при контроле массовой продукции, например, труб, проката, проволоки и др. На их основе создаются как дефектоскопы для выявления нарушения сплошности ОК, так и струк-туроскопы для оценки физико-механических характеристик (твердости, прочностных параметров, соответствия заданной марке стали, качества термообработки и др.).
Приборы с наружными проходными преобразователями являются приборами общепромышленного широкого применения. С их помощью сегодня контролируются почти 100 % выпускаемого объема проволоки, особенно малых диаметров (0,05 ... 2,5 мм), почти 100 % электросварных труб (если иметь в виду одновременный контроль и зоны шва, и всего остального сечения трубы), до 95 ... 98 % труб и проката некруглой формы (особенно сравнительно небольших размеров, примерно до 80 мм).
Аппаратура этого типа успешно работает в самых тяжелых условиях трубосварочных, трубопрокатных, прокатных и проволочных станов: при высоких скоростях контроля (обычно от 0,01 до 3 м/с; на проволочных станах иногда до 50 м/с), вблизи сварочных аппаратов, при наличии в трубе большого количества охлаждающей воды, в условиях загрязнения и запыленности. Для этой аппаратуры характерно: широкий диапазон диаметров контролируемых изделий (от 0,05 до 120 мм),
возможность контроля изделий различной поперечной формы (круг, квадрат, прямоугольник, шестигранник), простота и надежность конструкции. Однако по чувствительности преобразователи проходного типа уступают накладным ВТП, с помощью которых проводится локальная оценка свойств поперечного сечения изделия. Это особенно сильно проявляется с ростом диаметра объекта контроля. Проходные ВТП разделяются на преобразователи с однородным и неоднородным магнитным полем.
3.2. КОНТРОЛЬ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ НАРУЖНЫМИ ПРОХОДНЫМИ ВТП с
ОДНОРОДНЫМ МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ
Размеры и электромагнитные параметры протяженных цилиндрических объектов кругового сечения как однородных, так и многослойных целесообразно контролировать с помощью наружных проходных преобразователей с однородным магнитным полем в зоне контроля. Однородное магнитное поле создается двумя способами [6]. Чаще всего для этого используют цилиндрическую возбуждающую катушку (см. рис. 2.7, а) с отношением длины /в к диаметру 2/?в, равным или большим четырех. Длина /и измерительной катушки, размещаемой в средней части возбуждающей, должна быть значительно меньше длины /в. Иногда однородное магнитное поле ВТП получают, используя две короткие возбуждающие катушки, выполненные в виде колец Гельмгольца (см. рис. 2.7, б), расстояние а между которыми равно их радиусу RB. Диаметр короткой измерительной катушки, расположенной в средней части, значительно меньше диаметра возбуждающих катушек.
13*
388
Глава 3. ВИХРЕТОКОВЫЙ КОНТРОЛЬ С ПОМОЩЬЮ ПРОХОДНЫХ ВТП
Рис. 3.1. Круговой цилиндр в наружном проходном ВТП
Для определения оптимальных условий контроля цилиндрического однородного объекта радиуса R с помощью наружного проходного ВТП, имеющего длинную возбуждающую катушку радиуса RB и создающего однородное переменное магнитное поле в зоне контроля, напряженность которого изменяется по синусоидальному закону H(t) = Hosincof (рис. 3.1), необходимо знать зависимость ЭДС измерительной катушки ВТП от параметров контролируемого цилиндра. С этой целью находят или распределение напряженности магнитного поля Н и вычисляют магнитный поток Ф внутри цилиндра, или векторный потенциал А в месте расположения витков измерительной катушки.
В первом случае ЭДС измерительной катушки определяют на основе закона электромагнитной индукции:
4)=-»;^, (з.1)
а/
где Wn - число витков измерительной катушки; Ф - магнитный поток, проходящий через эту катушку.
Для синусоидального магнитного потока Ф(Г) = Фш8т(со/ + <|/ф) комплексная амплитуда ЭДС равна
Ёт=-^Фт, (3.2)
где Фт = Фте^ф , 1|/ф - начальная фаза магнитного потока.
Во втором случае комплексная амплитуда ЭДС круговой измерительной катушки радиусом Яи, расположенной коаксиально с круговым контролируемым
цилиндром, определяется через комплексную амплитуду векторного потенциала Л:
Ёт = -j(aWK2nRKAm. (3.3)
Эта формула может быть записана и для комплексного действующего значение ЭДС:
Ё = -^И^^А (3.4)
или напряжения:
U = -Ё = , (3.5)
где А - комплексное действующее значение векторного потенциала.
Для параметрических наружных проходных ВТП комплексное сопротивление можно определить по формуле
г=у = у2Л(ои;/?и4. (з.б)
Решая уравнения Максвелла для электромагнитного поля внутри кругового бесконечно длинного цилиндра (на практике он значительно длиннее возбуждающей катушки) с радиусом R, удельной электрической проводимостью с и абсолютной магнитной проницаемостью ца, получим следующие зависимости от текущего радиуса цилиндра г:
напряженности магнитного поля, имеющей только продольную составляющую Н = Н2,
й - Н ) /а
(3”
КОНТРОЛЬ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ НАРУЖНЫМИ ПРОХОДНЫМИ ВТП 389
и векторного потенциала, имеющего только угловую составляющую А = ,
<3-8’
где HQ - напряженность магнитного поля на поверхности цилиндра, равная напряженности однородного магнитного поля при отсутствии проводящего контролируемого цилиндра; /0 и Д - модифицированные функции Бесселя первого рода соответственно нулевого и первого порядков; Л = 7“ 7®Маа “ комплексный пара-
метр, имеющий размерность —, где М -М
единица длины.
Плотность вихревых токов в цилиндре
= kH0^fi, (3.9)
Io(x)
где x-kR - обобщенный параметр кон
тролируемого цилиндра.
На рис. 3.2. приведены графики распределения модулей относительных значений напряженности магнитного поля
Г7 Я
Я* =---- и плотности вихревых токов
Яо
J 1 1U Л(*)
—, где Jo = ^o-?7=\ Jo W)
модуль
плотности вихревых токов на поверхности цилиндра.
Уменьшение напряженности магнитного поля во внутренних слоях цилиндра обусловлено магнитным поверхностным эффектом. В соответствии с законом Ленца вторичное магнитное поле, образуемое вихревыми токами, ослабляет первичное магнитное поле, причем во внутренних слоях цилиндра вторичное магнитное поле создается практически всеми вихревыми токами цилиндра, поэтому оно больше, чем в поверхностных слоях, где его возникновение обусловлено только вихревыми токами внешних слоев. Уменьшение
Рис. 3.2. Распределение модулей относительных значений напряженности магнитного поля (а) и плотности вихревых токов (6) в круговом цилиндре
390
Глава 3. ВИХРЕТОКОВЫМ КОНТРОЛЬ С ПОМОЩЬЮ ПРОХОДНЫХ ВТП
плотности вихревых токов j во внутренних слоях цилиндра вызвано уменьшением Н . Степень уменьшения Н и J зависит от модуля обобщенного параметра х = = \kR\; с ростом х они уменьшаются быстрее.
Обобщенный параметр х = kR = = связан с глубиной проникно-
вения § = 72/(<йЦплоской электромагнитной волны в электропроводящую среду соотношением х = лТг/б или 1/х = -S/M. Это объясняется тем, что в отличие от плоской волны при распространении цилиндрической волны ее фронт искажается, волна как бы «стягивается» к оси цилиндра, проникая глубже, чем плоская волна в полупространстве при одинаковых значениях параметра к.
Из рис. 3.2, б следует, что плотность вихревых токов на оси цилиндра равна нулю независимо от значения х. Таким образом, вихретоковые методы эффективны для контроля поверхностных слоев цилиндрических объектов.
Чтобы определить ЭДС измерительной катушки по формуле (3.4), необходимо знать значение векторного потенциала Аи при г = RK. Для этого можно использовать соотношение rot A- справедливое при R < RH< /?в, которое в цилиндрических координатах имеет вид
——ч =ц0/?0. (3.10)
dr г
Решим это уравнение:
л - г ^0^0 Д2 + 2 2г
+ (3.11)
£г/0(х)
Подставляя (3.11) в (3.4), получим при г = RH
Ё = ->> - R2 + •
(3.12)
При отсутствии электропроводящего цилиндра внутри наружного проходного ВТП ЭДС измерительной катушки, называемая начальной, составит
ОЧР • о
£0 = -ТГ = • (3.13)
В практике вихретокового контроля наибольший интерес представляет относительное напряжение измерительной ка
тушки
2 А(х)
-П + ПЦг—гН х /оШ
F
U,=-E,=-— = j 1 £о I
(3.14)
где т] =
- коэффициент заполнения,
равный отношению площади сечения кон
тролируемого цилиндра к площади, охватываемой контуром измерительной об
мотки, если ее радиус меньше радиуса возбуждающей катушки. При размещении измерительной обмотки вне возбуждаю
щей катушки, т.е при RH
поскольку вне длинной возбуждающей катушки Н = 0.
В случае неферромагнитного цилиндра уменьшение магнитного потока в результате действия вихревых токов принято характеризовать эффективной проницаемостью - безразмерной комплексной величиной
= <2/,(x)
_эф| Фо х/0(х)’
(3.15)
где Фц - магнитный поток, пронизывающий цилиндр при данном значении х = R^- ja>|UoCT » фо - магнитный поток через то же сечение при отсутствии цилиндра.
КОНТРОЛЬ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ НАРУЖНЫМИ ПРОХОДНЫМИ ВТП 391
Подставляя выражение ц в (3.14), получаем
и. =4-П + ПЦгЦэф1] , (3-16)
причем для т] = 1, т.е. при RK = R, U* = = а ДЛЯ неферромагнитных цилиндров ( = 1) СЛ = • Значения
действительной и мнимой частей и для —эф1 различных х приведены в табл. 3.1, а график (х2 = Т^соцо^) - на рис. 3.3.
На рис. 3.4 приведены годографы (годограф - геометрическое место концов векторов) относительного напряжения й(х2) наружного проходного ВТП для проводящего немагнитного цилиндра
(цг = 1) при т] = 1,0; 0,75; 0,5.
параметра х2
Рис. 3.4. Годографы относительного напряжения U*[x2) наружного проходного ВТП при контроле круглого неферромагнитного цилиндра
Основной годограф (при т] = 1) отличается от приведенного на рис. 3.3 лишь множителем /: £/♦ = /ц х.. Он показывает
зависимость СЛ от о при R = const, так как х2 = 7?2(оцо<7-
Из (3.16) для = 1 следует, что £/♦ = = , т.е. годографы й*(т|) -
это прямые линии (тонкие сплошные на рис. 3.4). При изменении радиуса R контролируемого цилиндра изменяются значения коэффициента заполнения т] и обобщенного параметра х, а следовательно, и ц , поэтому годографы С/(я) непрямолинейны (штриховые линии на рис. 3.4).
392
Глава 3. ВИХРЕТОКОВЫЙ КОНТРОЛЬ С ПОМОЩЬЮ ПРОХОДНЫХ ВТП
3.1. Значения действительной и мнимой частей ц
—эф1
X Reli I -106 1£-эф1 J -4J io‘ X Reli -106 Е-эф1 J -ImL -106 Е-эф1 J
0,1 999 998 002 500 4,5 315 819 264 202
0,2 999 967 005 000 4,6 308 856 259 901
0,3 999 831 011 247 4,7 302 227 254 602
0,4 999 467 019 985 4,8 295 901 250 093
0,5 998 700 031 194 4,9 289 852 245 762
0,6 997 310 044 834
0,7 995 033 060 832 5,0 284 056 241 598
0,8 991 567 079 073 5,2 273 148 233 726
0,9 986 592 099 384 5,4 263 050 226 397
5,6 253 661 219 540
1,0 979 767 121 523 5,8 244 904 213 100
1,1 970 768 145 172
1,2 959 304 169 931 6,0 236 715 207 030
1,3 945 146 195 324 6,2 229 042 201 292
1,4 928 154 220 813 6,4 221 841 195 855
1,5 908 299 245 819 6,6 215 071 190 695
1,6 885 679 269 756 6,8 208 698 185 790
1,7 860 523 292 068
1,8 833 179 312 269 7,0 202 690 181 122
1,9 804 093 329 967 7,2 197 017 176 675
7,4 191 655 172 434
2,0 773 777 344 896 7,6 186 577 168 386
2,1 742 769 356 920 7,8 181 763 164 520
2,2 711 598 366 035
2,3 680 751 372 347 8,0 177 193 160 824
2,4 650 648 376 057 8,2 172 848 157 287
2,5 621 629 377 429 8,4 168 713 153 901
2,6 593 948 376 766 8,6 164 771 150 655
2,7 567 778 374 385 8,8 161 011 147 542
2,8 543 216 370 599
2,9 520 298 365 703 9,0 157419 144 554
9,2 153 984 141 683
3,0 499 010 359 963 9,4 150 696 138 923
3,1 479 299 353 612 9,6 147 546 136 268
3,2 461 087 345 849 9,8 144 525 133 711
3,3 444 276 339 840
3,4 428 762 332 720 10,0 141 625 131 248
3,5 414 437 325 594 12,0 117 967 110 806
3,6 401 192 318 544 14,0 101 087 095 849
3,7 388 923 311 632 16,0 088 436 084 439
3,8 377 534 304 901 18,0 078 600 075 451
3,9 366 933 298 380 20,0 070 734 068 189
30,0 047 140 046 029
4,0 357 039 292 090 40,0 035 355 034 730
4,1 347 776 286 038 50,0 028 284 027 884
4,2 339 078 280 227 80,0 017 678 017521
4,3 330 887 274 655 100,0 014 142 014 042
4,4 323 149 269 317 200,0 007 071 007 046
КОНТРОЛЬ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ НАРУЖНЫМИ ПРОХОДНЫМИ ВТП 393
На рис. 3.4 видно, что при изменении параметров R и о контролируемого цилиндра годографы U*(r) и имеют различные направления. Это позволяет раздельно контролировать указанные параметры цилиндра. Наилучшие условия раздельного контроля R и о существуют тогда, когда углы между годографами [/♦(/?), с = const и С7*(<т), R = const стремятся к л/2. При х -» оо эти углы стремятся к л/4. Угол между годографами U*(r), о = const и /7*(a), R = const при х -> О стремится к нулю.
Особенность контроля ферромагнитных объектов состоит в сильном влиянии магнитных свойств объекта на годографы сигналов ВТП. С одной стороны, изменения магнитных свойств оказывают сильное мешающее влияние, затрудняя использование вихретоковых приборов, а с другой - именно благодаря их изменению возможен контроль таких свойств, как твердость, механические напряжения, степень усталостного повреждения. Условия контроля ферромагнитных объектов отличаются от условий контроля неферромагнитных также и тем, что годографы сигналов ВТП существенно зависят от напряженности магнитного поля возбуждения ВТП. Нелинейность магнитных характеристик материалов ОК позволяет в качестве информативных параметров сигнала ВТП применять высшие гармоники напряжения ВТП.
Не рассматривая в данном разделе метод контроля с использованием высших гармоник, ограничимся анализом годографов сигналов ВТП в предположении линейности магнитных характеристик материала ОК, т.е. в предположении = = const. Тогда очевидно, что абсолютная магнитная проницаемость материала цилиндра ца = const и при условии (1 - Т]) « « зависимости £/(х) == Г|Мг имеют вид, показанный на рис. 3.5, а, из
которого видно, что при х -> 0 напряжение (Л в раз больше, чем при = 1. Это объясняется тем, что магнитный поток в ферромагнитном протяженном цилиндре, расположенном в однородном магнитном поле, в раз больше, чем в неферромагнитном. При х > 0 напряжение 1Л уменьшается в результате действия вихревых токов, и при х —> оо (Л -> 0.
Из рис. 3.5, а видно, что направления изменения (7* на комплексной плоскости при изменении R и совпадают. Исходя из этого можно сделать вывод о невозможности раздельного контроля R и цг. Однако более тщательный анализ показал, что при больших значениях х слагаемые (1 - т|) и 14^44)11 в (3.16) соизмеримы, а выводы, сделанные по рис. 3.5, а, неправомерны [6].
Годографы £Л(х), вычисленные по формуле (3.16) и построенные в логарифмическом масштабе для различных значений и т|, приведены на рис. 3.5, б, где сплошными линиями изображено семейство кривых, соответствующих r| = 1 и различным значениям цг. При больших значениях х кривые сливаются в одну прямую, выходящую из начала координат под углом 45°. Штрихпунктирными кривыми показаны годографы для = 100 и различных значений т]. Штриховые линии, проведенные из точек, соответствующих нескольким значениям х на основной кривой (цг = 100 и rj = 1), представляют годографы U*(r) и ^7*(цг), направления которых при малых значениях х практически совпадают. Но по мере увеличения х, т.е. при росте частоты тока возбуждения ВТП при заданных параметрах цилиндра, угол ц/ между указанными годографами возрастает, достигая 90° при определенном значении х. Это свидетельствует о возможности раздельного контроля диаметра и магнитной проницаемости ферромагнитных цилиндров.
394
Глава 3. ВИХРЕТОКОВЫЙ КОНТРОЛЬ С ПОМОЩЬЮ ПРОХОДНЫХ ВТП
Рис. 3.5. Годографы относительного напряжения U* наружного проходного ВТП:
а - при изменении параметров ферромагнитного цилиндра для (1 - ц) «(ПМгМэф1);
б - годографы, построенные по формуле (3.16) в логарифмическом масштабе
В практике вихретокового контроля начальное напряжения С/о = Ёо обычно компенсируют, поэтому чаще интересуются относительным вносимым напряжением , возникающим при внесении контролируемого цилиндра в наружный проходной ВТП:
= U»-j = JTiUe,*! -’)•
(3-17)
На рис. 3.6 приведены графики зависимости /7вн*(х) и ф = arg/7BH*(x) для неферромагнитных цилиндров. Относительное вносимое напряжение t/BH* с увеличением х возрастает от нуля до единицы.
Годографы (7ВН* отличаются от годографов £/*, приведенных на рис. 3.4, тем, что они располагаются не в первом, а в четвертом квадранте комплексной плоскости, причем при х = О 1Л = j, 17вн* = 0 , а при х -> оо tX -> 0, £/вн* = - j.
Чтобы создать оптимальные условия (режимы) для контроля какого-либо параметра цилиндрических объектов, необходимо знать чувствительность проходного ВТП к этому параметру. В теории вихретокового контроля оперируют понятием относительной комплексной чувствительности ВТП к контролируемому параметру:
КОНТРОЛЬ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИИ НАРУЖНЫМИ ПРОХОДНЫМИ ВТП 395
Рис. 3.6. Зависимость модуля и аргумента С/вн* от обобщенного параметра х для немагнитного цилиндра
5р.=-^ = (дй/Др)р0, (3.18) р др*
где р* = р/р0, ро - номинальное значение параметра р. Выражения для относительной комплексной чувствительности наружного проходного ВТП к изменениям R, а и однородного кругового цилиндра имеют вид:
Л х2
—а* =7ТШгН“М'эф1 ”“^”Еэф1 ’
(3.19)
(3.20)
(3.21)
< 2
= 1-^-Нэф,
На рис. 3.7, а-в приведены годографы относительной комплексной чувствительности наружного проходного ВТП для т] = 1 к изменению радиуса R, удельной электрической проводимости ст при = 1
и магнитной проницаемости при = = 10 кругового цилиндра. Направление векторов SR*, Sa* и Sц* отражает направление касательных к соответствующим годографам на рис. 3.4 для рассматриваемых значений х. На рис. 3.7. показаны векторы SR*, Sa* и для х2 = 4. Модули векторов на рис. 3.7 пропорциональны приращениям Д(Л, обусловленным изменением контролируемого параметра АЯ* , Act* или Др*.
На рис. 3.7, г показаны зависимости модулей относительной чувствительности SR*, 5'ст* и 5И* от х2 при тех же значениях т] и цг, что и годографы рис. 3.7, а-в.
На рис. 3.7 видно, что с ростом х чувствительность SR* увеличивается, стремясь к значению SR* = 2; 5Ц* уменьшается до нуля при х —> оо; Sa* вначале возрастает от нуля до SCT* = 0,35 при х = 2,5 (х2 = = 6,25), а затем уменьшается, стремясь к нулю при х —» оо.
Таким образом, наилучшие условия для контроля радиуса цилиндра соответствуют большим значениям х; для контроля магнитной проницаемости - малым значениям х; а для контроля удельной электрической проводимости - значению х = 2,5.
По приведенным на рис. 3.7 зависимостям легко рассчитать приращения входного напряжения наружного проходного ВТП при заданном изменении контролируемого параметра кругового цилиндра. Если, например, удельная электрическая проводимость неферромагнитного цилиндра изменится на 1 %, то при х = 2,5 и т| = 1 изменение относительного напряжения (/* составит 0,35 %. Если начальное напряжение равно, например, 1 В, то приращение выходного напряжения при этом составит 3,5 мВ.
Если в наружном проходном ВТП с однородным магнитным полем находится труба (из проводящего материала), то от-
396 Глава 3. ВИХРЕТОКОВЫЙ КОНТРОЛЬ С ПОМОЩЬЮ ПРОХОДНЫХ ВТП
Рис. 3.7. Годографы чувствительности наружного проходного ВТП к изменениям параметров кругового цилиндра:
а - радиуса; б - удельной электрической проводимости; в - магнитной проницаемости; г - зависимости модулей чувствительности наружного проходного ВТП к изменению параметров кругового цилиндра
носительное вносимое напряжение определяется также формулой (3.17), только выражение для в этом случае будет более сложным и описывается через комбинацию функций Бесселя (см. [4]).
Мэф20 =
(3.22)
где
^*11 (*21 22 )- (*21(*22 )”
Л) (*21)^4) (*22);
Кх и Ко - модифицированные цилиндрические функции второго рода соответственно первого и нулевого порядков; x2X=k2Rx;
КОНТРОЛЬ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ НАРУЖНЫМИ ПРОХОДНЫМИ ВТП 397
*22 = k2R2 ; *2 = V-J(°lJoPr2CT2 ; СТ2 И Цхг -удельная электрическая проводимость и относительная магнитная проницаемость стенки трубы; R\ и R2 - соответственно внутренний и внешний радиусы трубы.
На рис. 3.8 приведены годографы С/вн* для неферромагнитной трубы (цг = = 1).
Штриховые кривые соответствуют изменениям L/BH« при изменении о для данной толщины стенки трубы, т. е. для определенных значений аХ2 = RJRz-
Рис. 3.8. Годографы относительного напряжения наружного проходного ВТП при изменении параметров неферромагнитной трубы
Сплошными линиями показаны годографы С/вн*(х12) для различных значений обобщенного параметра х22 = k2R2. Предельная штрихпунктирная кривая, представляющая собой полуокружность, относится к бесконечно тонкой трубе. Жирной линией изображен годограф для сплошного цилиндра (хи = 0). Сплошными линиями показаны также годографы для сплошных цилиндров при т] = 0,5 и 0,75.
Для определения оптимальных условий контроля параметров труб необходимо знать и чувствительность наружного проходного ВТП к изменениям этих параметров. Выражения для относительной комплексной чувствительности наружного проходного ВТП к изменениям параметров неферромагнитной трубы приведены в [4].
Зависимости чувствительности SR2, SRX и Sa для неферромагнитной трубы от х22 при т| = 1 показаны на рис. 3.9. По этим диаграммам может быть определена чувствительность ST* наружного проходного ВТП к изменениям толщины стенки трубы Т. Если толщина стенки трубы изменяется в результате изменения внешнего диаметра R2 при неизменном внутреннем диаметре то значение определяется по диаграмме 3.9, а, а если изменяется R\ при R2 = const, то следует использовать диаграмму рис. 3.9, б.
Из рис. 3.9 следует, что с уменьшением толщины стенки трубы, т.е. с возрастанием отношения do = Rx/Rii чувствительность к изменению всех трех параметров (Ль R2 и о) увеличивается. Однако следует иметь в виду, что для тонкостенных труб годографы С7вн*(а) и *Лн*(Т) практически совпадают, поэтому раздельный контроль удельной электрической проводимости и толщины стенки тонкостенных труб невозможен. Понятие тонкостенное™ труб относительное, оно зависит от значения обобщенного параметра х22. Так, для х22 < 5 трубы с а12 > 0,9 можно считать тонкостенными, для них годо-графы Z7BH.(o) и t/BH.(T) почти сливаются,
398 Глава 3. ВИХРЕТОКОВЫЙ КОНТРОЛЬ С ПОМОЩЬЮ ПРОХОДНЫХ ВТП
Рис. 3.9. Диаграммы чувствительности наружного проходного ВТП к изменениям параметров неферромагнитной трубы:
а - внешнего радиуса; б - внутреннего радиуса; в - удельной электрической проводимости
а для х22 > Ю даже трубы с а12 = 0,95 нельзя считать тонкостенными.
С помощью наружных проходных ВТП можно осуществлять контроль параметров не только труб и однородных сплошных цилиндров, но и двух-, трех-и более многослойных цилиндрических изделий.
3.3. КОНТРОЛЬ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ
ИЗДЕЛИЙ ВНУТРЕННИМИ ПРОХОДНЫМИ ВТП с ОДНОРОДНЫМ МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ
При контроле полых цилиндрических объектов (трубы, баллоны, детали с цилиндрическими отверстиями и т.п.) в ряде случаев целесообразно использовать внутренние проходные преобразователи, катушки возбуждения которых выполняются с большим отношением длины к диаметру.
Выражение для относительного значения напряжения внутреннего проходного преобразователя при 7?и = RB = R2 имеет вид
2МЛ1(^21^22) ^2^00(^21^22) (323)
t 2ц Ли (*2^X22)
2^22 ^00(^21^22)
На рис. 3.10 приведены годографы С7ВН* внутреннего проходного преобразователя для труб с различным отношением «21 = R2/Ri- На этом графике сплошными линиями изображены зависимости ^внф(а21) Для различных значений параметра х22 = kiR2. Пунктирные линии соединяют точки годографов, соответствующие a2i = const, т.е. неизменной толщине стенки трубы. Предельная сплошная кривая при уменьшении a2i - годографа для бесконечно толстой трубы. (Предельная штрихпунктирная линия, представляющая собой полуокружность, соответствует годографу для бесконечно тонкой трубы). Сравнение этих годографов с годографами напряжения внешнего проходного преобразователя для труб (см. рис. 3.8) показывает их сходство.
КОНТРОЛЬ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ ЭКРАННЫМИ ПРОХОДНЫМИ ВТП 399
Рис. 3.10. Годографы относительного вносимого напряжения внутреннего проходного преобразователя при изменении параметров неферромагнитной трубы
Из приведенных на рис. 3.10 годографов видно, что с помощью внутреннего проходного преобразователя так же, как и с помощью внешнего проходного преобразователя, можно осуществлять селективный контроль о и толщины стенки трубы Т, так как векторы приращений напряжений внутреннего проходного преобразователя, обусловленные изменениями электрической проводимости и толщины стенки трубы, имеют на комплексной плоскости различные направления. Угол между векторами этих приращений напряжений при постоянном внутреннем радиусе R2 трубы с возрастанием х22, т.е. с ростом частоты, увеличивается.
Рис. 3.11. Диаграмма чувствительности внутреннего проходного преобразователя к изменениям внутреннего радиуса неферромагнитной трубы
Диаграмма чувствительности внутреннего проходного преобразователя к изменениям внутреннего радиуса трубы R2 изображена на рис. 3.11. Из данной диаграммы видно, что чувствительность к внутреннему радиусу растет с уменьшением толщины стенки трубы и достигает при а2> -> 1 значения х22/2.
Каждому значению a2J соответствует определенная величина х22, при которой чувствительность SR максимальна. Например, для ос21 = 0,8 SJ<2 максимальна при х22 = 3. Для бесконечно толстой трубы, т.е. при a2i = 0, чувствительность SR1 (пунктирная кривая) увеличивается с ростом х22, достигая максимума, равного двум.
3.4. КОНТРОЛЬ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ ЭКРАННЫМИ ПРОХОДНЫМИ ВТП с ОДНОРОДНЫМ МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ
Контроль параметров однослойных и многослойных труб можно осуществлять с
400
Глава 3. ВИХРЕТОКОВЫЙ КОНТРОЛЬ С ПОМОЩЬЮ ПРОХОДНЫХ ВТП
помощью экранных проходных преобразователей, у которых возбуждающая обмотка охватывает контролируемую трубу, а измерительная находится внутри трубы.
Формула относительного напряжения для экранного ВТП при контроле однослойной трубы имеет вид
j
(3.24)
Рассчитанные по (3.24) годографы относительных значений напряжений измерительной обмотки для неферромагнитных труб с отношениями радиусов r
а12 = — = 0,2; 0,4; 0,6 и 0,8 приведены на R2
рис. 3.12. Пунктирные линии на этом графике соединяют точки с одинаковыми значениями параметра х22. Углы между сплошными и пунктирными линиями годографов характеризуют фазовые соотношения между приращениями напряжений, обусловленными изменениями внутреннего радиуса и удельной электрической проводимости трубы. Из годографов, приведенных на рис. 3.12, видно, что угол сдвига фаз между этими приращениями мал при небольших значениях параметра х22 и что он возрастает при уменьшении отношения а12.
Для толстостенных труб (при а12 -» -> 0) формула (3.24) может быть представлена асимптотическим выражением С/* »1//0(х22). Для тонкостенных труб (при ot|2 —> 1) можно пользоваться следующим асимптотическим выражением:
____________7>М1/^2 _______ ch(x22 ~^21)+^’^2is^(^22 ”^21)
________7_________
1 + j •0,5(opro/?1T
(3.25)
ImU*
uj uti u,j уч- и,э не и*
Рис. 3.12. Годографы относительного напряжения экранного проходного преобразователя при изменении параметров неферромагнитной трубы
Это выражение представляет собой уравнение полуокружности с радиусом, равным 0,5. На рис. 3.12 предельные годографы при а12 -» 0 и а!2 -» 1 изображены штрихпунктирными линиями.
В качестве примера на рис. 3.13 приведена диаграмма чувствительности экранного проходного преобразователя к изменениям внешнего радиуса R2 трубы.
С увеличением а12 чувствительность Sr2 стремится к своему предельному зна-
чению . При различных значениях aj2 максимум чувствительности 5\2 имеет место при определенных значениях х22.
СОПОСТАВЛЕНИЕ НАРУЖНЫХ, ВНУТРЕННИХ И ЭРАННЫХ ПРОХОДНЫХ ВТП 401
экранного преобразователя к изменениям внешнего радиуса трубы
3.5. СОПОСТАВЛЕНИЕ НАРУЖНЫХ, ВНУТРЕННИХ И ЭКРАННЫХ ПРОХОДНЫХ ВТП С ОДНОРОДНЫМ МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ
Выбор типа проходного преобразователя при контроле параметров цилиндрических объектов определяется прежде все
го конструктивными особенностями преобразователей. Так, контроль прутков, биметаллических и многослойных цилиндров, естественно, осуществляется с помощью наружных преобразователей. Для контроля объектов с цилиндрическими полостями при одностороннем доступе со стороны полости, например контроля стенок отверстий в массивных деталях, могут использоваться проходные преобразователи лишь внутреннего типа. В то же время однослойные и многослойные трубы можно контролировать как внешними, внутренними, так и экранными проходными преобразователями. Когда конструктивные особенности преобразователей не имеют решающего значения, необходимо сопоставить чувствительности каждого типа проходного преобразователя к изменениям контролируемого и мешающего параметров трубы.
В табл. 3.2 приведены максимальные значения чувствительностей трех типов проходных преобразователей к изменениям внутреннего Яь внешнего R2 радиусов и удельной электрической проводимости трубы с различным отношением радиусов ап, а также значения обобщенного параметра х22, соответствующие максимумам чувствительности.
3.2. Чувствительность проходных преобразователей к изменению параметров труб
Чувствительность Тип проходного ВТП
Наружный Внутренний Экранный
Значения (Х|2 = R{ / R2
0,6 0,8 0,9 0,6 0,8 0,9 0,6 0,8 0,9
Чувствитель-ность к изме-нению R2 S,, к2 max 2,0 3,0 5,45 0,4 1,9 4,2 1,9 2,95 5,3
*22 3,0 4,0 5,0 1,0 3,0 4,5 2,8 3,7 4,9
Чувствитель-ность к изме-нению Ri Al max 0,25 1,2 3,55 2,0 2,05 4,4 0,7 1,95 4,3
*22 2,5 3,2 4,5 1,5 3,0 4,3 з,о 3,7 4,8
Чувствитель-ность к изме-нению о S,, ‘ 'a max 0,39 0,44 0,48 0,3 0,42 0,45 0,59 0,535 0,515
*22 2,6 3,5 4,5 2,0 3,0 4,0 2,7 4,0 4,8
402
Глава 3. ВИХРЕТОКОВЫЙ КОНТРОЛЬ С ПОМОЩЬЮ ПРОХОДНЫХ ВТП
Из анализа формул для чувствитель-ностей проходных преобразователей к изменениям параметров труб и приведенных в табл. 3.2 данных можно сделать следующие выводы. Чувствительности проходных преобразователей всех трех типов к изменениям наружного и внутреннего радиусов трубы увеличиваются с ростом 0112, стремясь к предельному значению 0,5*22 ДЛЯ тонкостенных труб, т.е. при СС12 -> 1.
Наиболее чувствительны к изменениям R2 наружные преобразователи, к изменениям Ri - внутренние преобразователи, а к изменениям о - экранные преобразователи. Следует отметить, что чувствительность экранного преобразователя к изменениям и R2, и R\ близка к максимальной, но применение этого типа преобразователя затруднительно из-за более сложной конструкции.
3.6. КОНТРОЛЬ ЭЛЛИПТИЧЕСКИХ ЦИЛИНДРОВ ПРОХОДНЫМИ ВТП
С ОДНОРОДНЫМ МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ
С необходимостью контроля протяженных цилиндрических изделий с эллиптическим сечением приходится сталкиваться при производстве проволоки из тугоплавких металлов, при производстве проволоки со специальными свойствами для энергетических блоков ядерных установок и в некоторых других случаях. Для определения оптимальных условий контроля эллиптичности и свойств таких цилиндрических изделий с помощью проходных ВТП нужно рассчитать зависимость ЭДС измерительной катушки от контролируемых параметров. Это возможно, если найти распределение напряженности магнитного поля в эллиптическом цилиндре, помещенном в продольное однородное переменное магнитное поле. Для этого необходимо решить уравнение Максвелла в системе эллиптических цилиндрических координат (^, ср, Z) с осью
Z, совпадающей с осью цилиндра и направлением Н = Hz:
^2 Tj о2 тт
^-г+^h— 2g(ch2£-cos2<p)/7 =0, Sep
(3.26) где <7 = 0,25Л2с2, с - половина фокусного расстояния эллипса.
Решая это уравнение методом разделения переменных, получим выражение для напряженности магнитного поля в эллиптическом цилиндре через функции Матье, на основании которого выведена формула для относительного напряжения измерительной катушки проходного ВТП, охватывающего однородный эллиптический цилиндр. По этой формуле были рассчитаны относительные напряжения {7* для эллиптического цилиндра при b / а = = 0,8, где b и а - соответственно малая и большая полуоси эллипса.
На рис. 3.14 построены годографы этих напряжений для коэффициентов заполнения г)э = -^- = 0,3; 0,624 и 1,0.
Звездочками на годографе для т|э = = 1,0 отмечены значения U* для кругового цилиндра. Годографы £/* для эллипти-
ческих цилиндров в диапазоне 0,6 < — < 1 а
при условии т|э = const совпадают по форме с соответствующими годографами для кругового цилиндра. Разница между ними состоит только в том, что с уменьшением b
параметра — одним и тем же точкам го-а
дографа U* соответствуют большие зна
чения параметра ка. Это означает, что при
Пэ
ab
$
= const направления влияния из-
Ь L менении параметров — и ха на комплекс-а
КОНТРОЛЬ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ ПРОХОДНЫМИ ВТП
403
ной плоскости U* практически совпадают. Переход от кругового цилиндра к эллиптическому путем уменьшения полуоси эллипса на 10 % по отношению к радиусу круга вызывает практически такое же изменение A U*, как вдвое меньшее (на 5 %) уменьшение радиуса кругового цилиндра.
Чувствительность кругового ВТП к изменению эллиптичности контролируемого цилиндра (при одинаковой площади поперечного сечения) невелика. Так, например, максимальная чувствительность проходного ВТП к изменению малой оси цилиндра на 10 % в 1,7 раза меньше максимальной чувствительности к изменению удельной электрической проводимости цилиндра на 1 % [4].
Рис. 3.14. Годографы относительного напряжения проходного преобразователя при изменении параметров эллиптического неферромагнитного цилиндра
3.7. КОНТРОЛЬ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ ПРОХОДНЫМИ ВТП с НЕОДНОРОДНЫМ МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ
В практике вихретокового контроля иногда применяют возбуждающие катушки ВТП с небольшим отношением длины к диаметру, в ряде случаев исходя из конструктивных соображений, в частности при контроле труб большого диаметра. Такие ВТП создают неоднородное магнитное поле, а следовательно, приведенные ранее зависимости напряжения проходных ВТП от параметров цилиндрических ОК использовать нельзя.
Анализ проходных ВТП с неоднородным магнитным полем основан на решении задачи о распределении электромагнитного поля однослойной обмотки возбуждения с током /, радиусом 7?в, длиной /в, которая охватывает контролированный цилиндр радиусом R с удельной электрической проводимостью о и постоянной относительной магнитной проницаемостью (рис. 3.15).
В этом случае векторный потенциал А является функцией двух переменных г и z, поэтому решение уравнения Бесселя проводится с применением интегрального преобразования по координате z (см. [3]).
Выражение для векторного потенциала Л2 вне контролируемого цилиндра (R < г < /?в) будет иметь вид
л2 = Л + Лн =
Zb 0
sinO,5X/? / i
x-------— cos Xz d X, (3.27)
XT?
(Х7?в )Д (ХЯИ )cos Zz d X -
векторный потенциал при отсутствии контролируемого цилиндра; Лвн - вносимый векторный потенциал вследствие действия вихревых токов;
404 Глава 3. ВИХРЕТОКОВЫЙ КОНТРОЛЬ С ПОМОЩЬЮ ПРОХОДНЫХ ВТП
Рис. 3.15. Цилиндрический ОК в проходном ВТП с неоднородным полем
вн' в' ’
Л = ....'X Z 9 = 7(хлв)2 +7Лв2®Ност-
(3.28)
Полученные соотношения позволяют рассчитать ЭДС и напряжение короткой измерительной обмотки с числом витков трансформаторного ВТП с возбуждающей обмоткой, имеющей длину /в, а число витков WB. Центры измерительной и возбуждающей обмоток расположены на расстоянии z друг от друга. Эти расчеты основаны на использовании формулы (3.5), связывающий векторный потенциал А с ЭДС и напряжением измерительной обмотки проходного ВТП.
Сравнивая основные характеристики проходных ВТП с однородными и неоднородными магнитными полями, следует отметить, что они аналогичны по характеру. Однако численные значения этих зависимостей существенно отличаются, причем для ВТП с неоднородным полем они зависят от длины возбуждающей обмотки и от расстояния z между измерительной и возбуждающей обмотками.
Анализ годографов, рассчитанных по формулам (3.5) и (3.27), показывает, что при возрастании z напряжение /7ВН убывает, а Г/вн* возрастает. Фазовый угол (аргу
мент С/вн ) ПРИ этом изменяется аналогично тому, как это происходит при возрастании обобщенного параметра х = kR. Особенно резко это проявляется при х = 2... 5.
На рис. 3.16 приведены годографы Um* проходных ВТП с возбуждающей
катушкой различной длины /в* = — для
Z , тт
разных z» = — при цг = 1. На этом же
рисунке изображен годограф йън* ВТП с однородным магнитным полем (/в -> оо). Модуль Г/вн* ВТП с разнесенными катушками (z* = 2,0) больше модуля (7ВН ВТП с однородным магнитным полем, а для ВТП с совмещенными катушками (z* = 0) он меньше. Это означает, что относительная чувствительность ВТП с совмещенными короткими катушками меньше, а с разнесенными - больше относительной чувствительности ВТП с однородным магнитным полем. Анализ ВТП с совмещенными катушками показывает, что увеличение /в* эквивалентно возрастанию коэффициента заполнения.
Комплексное сопротивление параметрического ВТП z = U/l, нормированное по индуктивному сопротивлению катушки при отсутствии в ней проводящего цилиндра z* =z/(coZ0). На рис. 3.17 приведены зависимости модуля относи-
КОНТРОЛЬ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ ПРОХОДНЫМИ ВТП
405
Рис. 3.16. Годографы £/вн* проходных ВТП с неоднородным полем
тельного вносимого сопротивления
^вн’
z-zQ (oZo
(z0 - комплексное началь
ное сопротивление ВТП в отсутствие цилиндра, Lq - начальная индуктивность) от длины катушки ВТП при различных значениях х = кЯъ и R* = 0,75. Из рис. 3.17
видно, что модуль zBH* возрастает почти вдвое при изменении /в» от 0 до 10.
Рис. 3.17. Зависимости модуля относительного вносимого сопротивления проходного ВТП от изменения его длины
Основные недостатки проходных ВТП с неоднородным магнитным полем заключаются в сильном влиянии на £/вн радиальных перемещений и перекосе ОК внутри ВТП. Для некоторого ослабления этого влияния рекомендуется использовать измерительную катушку радиусом Яи* = 0,65 ... 0,75, расположенную на расстоянии z* = 0,5 ... 0,8 от возбуждающей. При этом приращение (/вн», вызванное смещением, равным 20 % радиуса ОК, составляет несколько процентов от приращения £/вн*, вызванного 2 %-ным изменением радиуса ОК.
Следует отметить, что при длине возбуждающей катушки ZB* > 4 для расчета Um трансформаторного и параметрического ВТП можно пользоваться формулами для ВТП с однородным полем, при этом погрешность не превышает 5 %.
Глава 4
КОНТРОЛЬ С ПОМОЩЬЮ НАКЛАДНЫХ ВИХРЕТОКОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
4.1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА НАКЛАДНЫХ ВИХРЕТОКОВЫХ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
Как указывалось в подразделе 2.4, к накладным относятся ВТП, располагающиеся над ОК (см. рис. 2.12). Они требуют одностороннего доступа и могут использоваться для контроля объектов плоской, цилиндрической (при достаточно большом радиусе кривизны) и сложной форм. Накладные ВТП поэтому более универсальны и позволяют проводить локальный контроль объекта, что важно для обеспечения высокой разрешающей способности аппаратуры и точного определения дефектных зон при сканировании заданной поверхности объекта.
С помощью накладных ВТП решаются следующие задачи: измерение толщины листов, непроводящих покрытий на металлическом основании и проводящих покрытий на разных основаниях; контроль удельной электрической проводимости металлов и сплавов (цветных, тугоплавких, коррозионно-стойких сталей и др.); дефектоскопия изделий самой разнообразной формы и структуроскопия (соответствие заданной марке сплава, измерение твердости, оценка прочностных характеристик, оценка качества термообработки и др.) деталей из немагнитных сплавов, а в некоторых случаях и из ферромагнитных сталей и композитных материалов.
Накладные ВТП имеют более высокую (в сравнении с ВТП проходного типа) чувствительность к локальным дефектам, благодаря чему они используются в дефектоскопах как ручного применения, так и в автоматизированных установках поточного контроля труб и проката. С помощью накладных ВТП удается достичь достаточно высокой степени локальности контроля (до 1 мм и менее) вследствие
использования преобразователей небольших размеров, различных концентраторов поля (ферритовые сердечники, металлические щелевые экраны и др.) и особой конструкции ВТП. Накладные ВТП позволяют создать портативные средства контроля массой 0,3 ... 0,5 кг, переносные приборы многоцелевого применения, а также автоматизированные установки с механическим и электронным сканированием контролируемой поверхности объекта. Современные средства вихретокового контроля на базе накладных ВТП выполняются с использованием микропроцессорных контроллеров, сопрягаются с компьютерами более высокого уровня, дают возможность не только быстро принимать решение о дефектности изделия, в том числе и в автоматическом режиме, но и позволяют архивировать и обобщать результаты контроля за необходимый период времени (рабочий цикл, смену, месяц, год, пятилетие и т.д.).
Недостатком накладных ВТП, несколько ограничивающим область их применения, является в ряде случаев значительное влияние на результаты контроля смещения ВТП в направлении, перпендикулярном к поверхности контролируемого объекта, т.е. изменение зазора - расстояния между ВТП и внешней границей объекта контроля.
4.2. ТИПЫ НАКЛАДНЫХ ВИХРЕТОКОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
В зависимости от конкретной решаемой контрольно-измерительной задачи используют накладные преобразователи различной конструкции (рис. 4.1).
Прежде всего, накладные ВТП могут быть параметрическими, имеющими одну
ТИПЫ НАКЛАДНЫХ ВИХРЕТОКОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
407
Рис. 4.1. Основные варианты конструкций накладных ВТП:
а, б, в - с одной, двумя, тремя обмотками соответственно; г - в виде катушки индуктивности; д - в виде воздушного трансформатора;
е - в виде трансформатора с ферромагнитным сердечником
обмотку, и трансформаторными с двумя или более обмотками. Параметрические ВТП характеризуются индуктивностью L (индуктивным сопротивлением со!) и активным сопротивлением R. Трансформаторные ВТП состоят из возбуждающей обмотки, по которой протекает электрический ток, и измерительных обмоток, с которых снимаются напряжения, несущие ту или иную информацию о параметрах объекта контроля. К выходным величинам, на которые переносится информация о ОК, в трансформаторном ВТП относятся не только индуктивность L и активное сопротивление R обмоток, но и взаимоиндук-тивность М (сопротивление взаимоиндук-тивности соЛТ), связанная обычно с выходным напряжением и его фазой, в виду чего ее значение может представляться комплексным числом.
Параметрический накладной ВТП имеет одну обмотку (рис. 4.1, а), представляющую собой, по существу, катушку индуктивности (рис. 4.1, г). При поднесении ВТП к ОК в результате появления
вторичного магнитного поля вихревых токов его индуктивность изменяется (чаще всего уменьшается), а активное сопротивление из-за потерь энергии от протекающих в ОК вихревых токов увеличивается. По приращению этих параметров можно судить о свойствах контролируемого объекта.
Трансформаторный накладной ВТП с двумя или большим числом обмоток (рис. 4.1 б, в), фактически представляет собой катушку взаимоиндуктивности в виде воздушного трансформатора (рис. 4.1, д) или трансформатора с ферромагнитным сердечником (рис. 4.1, е). В этом случае чаще всего его выходной величиной является напряжение на обмотках Ц, U2, характеризующееся обычно модулем U и фазой ср или действительной Re U и мнимой Im £7 составляющими напряжения на вторичной обмотке.
При поднесении трансформаторного ВТП к ОК, помимо индуктивности и активного сопротивления, изменяется взаи-
408
Глава 4. КОНТРОЛЬ С ПОМОЩЬЮ НАКЛАДНЫХ ВТП
моиндуктивность М между обмотками (чаще всего уменьшается) и, как следствие, изменяется модуль напряжения на обмотках (С/ь U2), а из-за задержки во времени изменяются и их фазы ф] и ф2. По приращению всех этих параметров или их сочетанию можно судить о свойствах контролируемого объекта, что обусловливает большую информационную ценность применения трансформаторных преобразователей. Кроме того, как правило, параметры трансформаторных ВТП более стабильны и меньше зависят от внешних условий (температуры, влажности и др.), что определяет их большее использование.
Изменения выходных величин (А£, А/?, ДА/, ДС/, Аф и др.), характеризующих влияние контролируемого объекта на накладной ВТП, обычно называют вносимыми значениями. Естественно, чем больше значения вносимых величин по сравнению с собственными параметрами накладного ВТП, тем проще проводить их обработку в целях выделения полезной информации на фоне внешних и внутренних помех. Поэтому важное значение имеют оценка и анализ полученных вносимых величин для конкретного накладного ВТП.
С точки зрения анализа выходных сигналов наиболее общим является исследование свойств двухобмоточного накладного вихретокового преобразователя, поскольку их вносимые значения легко получить, полагая радиусы первичной и вторичной обмоток одинаковыми. Модуль вносимых величин обычно гораздо меньше соответствующих собственных (начальных) величин накладного ВТП, поэтому, чтобы выделить вносимые значения, несущие полезную информацию, производят компенсацию (частично или полностью) собственных параметров ВТП тем или иным образом. Например, для трехобмоточного накладного ВТП вто-рочные обмотки 2 и 3 (см. рис. 4.1, в) включают встречно, количество витков обмоток делают равными (И^ = Из, см. рис. 4.1, е) и, перемещая одну из обмоток
(например, верхнюю), добиваются более точного равенства нулю выходного напряжения (t/BbIX = (72 -(73 =о) ПРИ отсутствии вблизи ВТП контролируемого объекта. Когда же последний помещается в измерительную зону накладного ВТП, на выходе появляется напряжение, равное вносимому значению. С достаточной для инженерной практики точностью (5 ... 20 %) в подавляющем большинстве случаев возбуждающая и измерительная обмотки для самых разнообразных конструкций накладных ВТП могут быть для облегчения расчета и анализа заменены эквивалентными витками бесконечно тонкого поперечного сечения, совпадающими по форме со средним витком обмотки.
С точки зрения вычисления выходных сигналов накладного ВТП при определенных условиях (зазоре, частоте, токе и др.) основной задачей является расчет комплексного вносимого напряжения на измерительной обмотке двухобмоточного ВТП. Чаще других на практике используют катушки с круговыми витками, поэтому основное внимание будет отведено анализу сигналов для такой конфигурации.
4.3. НАЧАЛЬНЫЕ ПАРАМЕТРЫ НАКЛАДНОГО ВИХРЕТОКОВОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
Наибольшее применение в силу простоты и технологичности изготовления, а также в связи со стремлением линий вихревых токов к окружностям находят накладные вихретоковые преобразователи с круговой формой витков и чаще всего без ферритовых сердечников, которые обычно увеличивают абсолютные значения входного напряжения, но ухудшают метрологические характеристики ВТП. Типичная, но достаточно общая конструктивная схема такого ВТП в упрощенном виде (без каркаса, крепежных элементов и т.д.), расположенного над многослойным ОК, приведена на рис. 4.2. Непосредственно из данных рис. 4.2 с учетом толщины за-
НАЧАЛЬНЫЕ ПАРАМЕТРЫ НАКЛАДНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
409
Рис. 4.2. Расчетная модель накладного двухобмоточного ВТП
щитной щечки СзаЩ, взаимного расположения /ви и высоты обмоток /в, /и можно найти значения зазоров
Аи Л0 + ^*защ + 0,5/и
И
К = ho + Сзащ + 0,5/и + /ви.
Если накладной ВТП параметрический, т.е. выполнен однообмоточным (/ви = = 0; Яв = Яи; /в = /и; ав = aw где а - ширина обмотки), то
/?в Аи /?о Т С*защ Т 0,5/и.
При проведении контроля между испытуемым объектом и накладным ВТП имеется некоторое расстояние (начальный зазор) Ао, которое может изменяться по различным причинам: из-за взаимного технологического перемещения, неровности или шероховатости поверхности ОК, различного рода загрязнений, износа защитной щечки Сзащ, предохраняющей витки обмотки преобразователя от повреждения. При выполнении большинства практических расчетов модель накладного ВТП (см. рис. 4.2) может быть еще более упрощена и заменена двумя коаксиальны
ми витками бесконечно малого поперечного сечения с радиусами /?в и /?и. В этом случае описывающая процесс система дифференциальных уравнений для векторов электромагнитного поля может быть решена путем введения векторного потенциала в цилиндрической системе координат (р, ф, Z). В результате решения получается интегральное выражение для выходного напряжения накладного ВТП. Для практических (инженерных) расчетов удобно выделить две составные части напряжения: собственное (начальное) напряжение катушки при отсутствии объекта контроля и вносимое напряжение (приращение), вызванное помещением объекта в измерительную зону накладного ВТП.
Когда ОК вблизи накладного ВТП нет, то начальное напряжение на его измерительной обмотке (см. рис. 4.2) будет определяться взаимоиндуктивностью М между его катушками:
t/2 =
причем значение взаимоиндуктивности М можно найти с помощью известных справочных данных [31, 32] или рассчитать по приближенному выражению
410
Глава 4. КОНТРОЛЬ С ПОМОЩЬЮ НАКЛАДНЫХ ВТП
М = лц0^„1Ги Jexp(- lmx
о
/ ГкГ Lf IX" L
х Jj —-x JJ —-x dx,
(4.1)
где x = XRB; X - параметр интегрирования, имеющий размерность (1/м); со = 2л/ -круговая частота; /- частота тока в обмотке возбуждения ВТП.
Взаимоиндуктивность М для витков модели можно вычислить также с использованием эллиптических интегралов [30], рассчитав обобщенный параметр
2 (Лв-/?и)2+/в2„
уу* _ \ D И / ВИ
’ (лв+я„)2+'в
(4.2)
Если ввести расчетную величину
оо
F = л Jexp(- xh»)/ о
dx,
(4.3)
фактически равную нормированному значению взаимоиндуктивности, то ее можно табулировать в зависимости от параметра т2. Значения величины F приведены в табл. 4.1. Рассчитав т2 для конкретного сочетания RB, RK и /ви, можно найти
M^W^Jr^F. (4.4)
Ценность введенной величины F определяется также тем, что с ее помощью легко рассчитать максимально возможное значение вносимого напряжения при любом заданном значении обобщенного зазора
h.= . (4.5)
д/^в^и
Начальные параметры (индуктивность, взаимоиндуктиность, активное сопротивление, напряжение и др.) для катушек с различными поперечными сечениями определяются по заданным или выбранным конструктивным и моточным данным. Значения этих величин и напря
жение на вторичной обмотке ВТП должны быть при прочих равных условиях по возможности малыми, поскольку погрешности изготовления и изменение внешних условий приводят к появлению ложных сигналов (соответствующих приращений выходных величин ВТП), т.е. дополнительных мешающих факторов.
4.4. РАСЧЕТ ВНОСИМОГО НАПРЯЖЕНИЯ НАКЛАДНЫХ ВИХРЕТОКОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
Чаще всего для проведения инженерно-технических расчетов и анализа сигналов накладных ВТП можно использовать нитевидную модель обмоток с бесконечно тонким поперечным сечением. Для такой модели двухобмоточного накладного трансформаторного ВТП (см. рис. 4.2) комплексное вносимое напряжение рассчитывается из выражения [5]
00
^вн = jV-^W^IRn J<pOK ехр(- xh. )х
О
(4.6)
где
количество витков возбуждающей и измерительной обмоток соответственно; R = у[^ъ^и ~ эквивалентный радиус ВТП; RB, 7?и - средние радиусы возбуждающей и измерительной обмоток соответственно; Л» = (Лв + Ли) / R - обобщенный параметр, характеризующий расстояние между центрами обмоток ВТП и поверхностью ОК; Лв, Ли - расстояние от центра соответствующей обмотки ВТП до внешней по-
j = v-1 - мнимая единица; W* -
верхности ОК;
функции Бесселя первого рода первого порядка; ф - функция влияния ОК, т.е. комплексная функция, зависящая от граничных условий и характеризующая влия-
РАСЧЕТ ВНОСИМОГО НАПРЯЖЕНИЯ НАКЛАДНЫХ ВТП
411
4.1. Зависимость величины Fot параметра т2
т2 F т2 F 2 т F
0,34 0,2180 0,68 0,04698
0,01 1,088 0,35 0,20942 0,69 0,04433
0,02 1,3779 0,36 0,20114 0,70 0,04179
0,03 1,1886 0,37 0,19318 0,71 0,03932
0,04 1,0571 0,38 0,18554 0,72 0,03694
0,05 0,9570 0,39 0,17818 0,73 0,03464
0,06 0,8767 0,40 0,17111 0,74 0,03242
0,07 0,8100 0,41 0,16430 0,75 0,03028
0,08 0,7531 0,42 0,15773 0,76 0,02821
0,09 0,7045 0,43 0,15140 0,77 0,02624
0,10 0,6603 0,44 0,14530 0,78 0,02430
0,11 0,6215 0,45 0,13941 0,79 0,02247
0,12 0,5866 0,46 0,13373 0,80 0,020689
0,13 0,5550 0,47 0,12825 0,81 0,018986
0,14 0,5261 0,48 0,12296 0,82 0,017353
0,15 0,4996 0,49 0,11784 0,83 0,015788
0,16 0,4751 0,50 0,11289 0,84 0,014291
0,17 0,4524 0,51 0,10811 0,85 0,012861
0,18 0,4313 0,52 0,10348 0,86 0,011499
0,19 0,4117 0,53 0,09902 0,87 0,010203
0,20 0,3932 0,54 0,09470 0,88 0,008973
0,21 0,3758 0,55 0,09051 0,89 0,007811
0,22 0,3595 0,56 0,08646 0,90 0,006715
0,23 0,3442 0,57 0,08255 0,91 0,005687
0,24 0,3296 0,58 0,07876 0,92 0,004727
0,25 0,3158 0,59 0,07509 0,93 0,003839
0,26 0,3028 0,60 0,07154 0,94 0,003022
0,27 0,2904 0,61 0,06810 0,95 0,002281
0,28 0,2785 0,62 0,06478 0,96 0,001619
0,29 0,2673 0,63 0,06156 0,97 0,001044
0,30 0,2566 0,64 0,05845 0,98 0,000563
0,31 0,2463 0,65 0,05543 0,99 0,000198
0,32 0,2364 0,66 0,05252 1,00 0,000000
0,33 0,2270 0,67 0,04970
412
Глава 4. КОНТРОЛЬ С ПОМОЩЬЮ НАКЛАДНЫХ ВТП
ние ОК с плоскопараллельными слоями и определяемая удельными электрическими проводимостями магнитными прони-цаемостями ц, и толщинами слоев Т,.
Накладные ВТП с некруговой формой витков обмоток или формой контролируемых объектов имеют похожие по структуре интегральные выражения для вносимого напряжения, что обусловливает подобность вида его получаемых зависимостей от параметров ОК, естественно, с отличием в виде некоторых специальных функций и конкретных числовых значений. Поэтому нормированные зависимости вносимого напряжения от влияющих факторов будут довольно близки к зависимостям для эквивалентного кругового витка или параметра, характеризующего особенности объекта контроля.
Весьма важным для практических расчетов является значение максимального вносимого напряжения накладного ВТП, по которому обычно нормируются получаемые числовые значения вносимого напряжения в присутствии ОК. Анализ показывает, что максимально возможное по модулю вносимое напряжение (7внтах достигается при предельных значениях одного из электромагнитных параметров материала верхнего слоя контролируемого объекта о —> оо(ц = const). В обоих этих случаях ф = 1, а вносимые напряжения являются чисто мнимыми относительно тока I и имеют противоположные фазы: -90 и +90°. Числовые же значения модулей напряжения одинаковы и определяются из выражения
СО
^вн.шах = ]вХр(- xh. )х
о
dx. (4.7)
Математический аппарат расчета взаимоиндуктивности М можно применять для определения максимально возможного
вносимого напряжения. В частности, если в выражении для параметра
_ (^в ~ + ) /д о\
разделить числитель и знаменатель на произведение (RB Яи), то легко получить
что дает возможность применять для расчетов данные табл. 4.1.
Использовав это выражение, получим (рис. 4.3) зависимость F(h*\ показывающую влияние зазора на максимально возможное вносимое напряжение (и приблизительно пропорциональное ему вносимое напряжение при реальных значениях параметров ОК) при различных отношениях радиусов обмоток накладного ВТП. При этом значения вносимых сопротивлений (активного и реактивного) для параметрического накладного ВТП получаются путем деления вносимых напряжений на значение тока I. Следует также отметить, что нормированные по максимально возможным значениям соответствующих величин годографы вносимых напряжений или сопротивлений для реальных объектов контроля при одинаковых значениях обобщенных параметров полностью совпадают между собой.
Кроме того, удобно нормировать зависимости комплексного вносимого напряжения от параметров объекта контроля (годографов) по (7вн.тах и тем самым существенно расширять область применения этих зависимостей.
Вносимые сопротивления для параметрического, накладного ВТП могут быть легко получены из приведенных выражений путем предельных переходов, если положить WB = ГТИ = JF, R = RB = Яи, h = = hB = Ли и разделить на значение перемен-
КОНТРОЛЬ ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩИХ ИЗДЕЛИЙ БОЛЬШОЙ толщины
413
Рис. 4.3. Зависимости величины Fot обобщенного параметра Л*
ного тока I. Тогда в результате будем иметь
ОО
—вн = |<роке-хА* J2(x)dx. (4.10)
О
Это выражение показывает, что все имеющиеся данные (см. рис. 4.3 при RJRK = = 1, табл. 4.1 и др.) можно использовать для параметрического накладного ВТП.
4.5. КОНТРОЛЬ ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩИХ ИЗДЕЛИЙ БОЛЬШОЙ ТОЛЩИНЫ
Если глубина проникновения электромагнитного поля меньше толщины изделия, в качестве модели ОК можно принять полупространство.
На рис. 4.4 показаны графики распределения относительного значения , J
J* = r-----модуля плотности вихревых
токов, возбуждаемых эквивалентным витком, находящимся на малом расстоянии от проводящего неферромагнитного полупространства (Лв = 0) в зависимости от г нормированного радиуса п = — (рис.
4.4, а) и расстояния вдоль оси z* = —
(рис. 4.4, б) для двух значений обобщенного параметра Ро = R^c^qU (символ * обозначает нормировку по RB).
Рис. 4.4. Распределение относительного значения модуля плотности вихревых токов в электропроводящей среде:
а - в зависимости от нормированного радиуса; б - в зависимости от расстояния вдоль оси
414
Глава 4. КОНТРОЛЬ С ПОМОЩЬЮ НАКЛАДНЫХ ВТП
Пользуясь зависимостями, приведенными на рис. 4.4, б, можно оценить глубину проникновения вихревых токов в проводящее изделие, причем, как видно из данных на рис. 4.4, б, глубина проникновения зависит от параметра Р, т.е. определяется не только частотой возбуждающего поля, но и радиусом возбуждающей катушки. Для параметра Р = 1,5 относительная глубина проникновения 5*, определенная из рис. 4.4, б как расстояние z», на котором уменьшается в е раз, составляет 0,42. Для плоской волны
2
8 =
₽
СфаСУ
я V2 т.е. 5» =------,
Р
(4.Н)
что дает при Р = 1,5 значение 8* = 0,93. Такое расхождение (0,42 и 0,93) можно объяснить тем, что при р = 1,5 поле проникает в материал достаточно глубоко, поэтому уменьшение поля происходит не только из-за действия вихревых токов, но и из-за геометрического спада (удаление от витка). При р = 5,0 эта разница уже меньше (0,18 и 0,28). При больших значениях обобщенного параметра Р можно пользоваться формулой для плоской волны.
При достаточно большом значении частоты f возбуждающего тока изменения толщины объекта не влияют на сигнал ВТП, поэтому основным мешающим фактором при проведении контроля будет вариация расстояния между внешней электропроводящей поверхностью контролируемого объекта и накладным ВТП.
Вносимое напряжение на вторичной обмотке ВТП может быть рассчитано по выражению (4.6), если положить функцию влияния контролируемого объекта равной
.. ,,,
?ок=--------П . „2 - <4|2>
ЦгХ + д/х + JgrP
Особенности изменения вносимого напряжения от электромагнитных свойств объекта и зазора отражают годографы вносимого напряжения от обобщенных параметров р, и й*.
Рис. 4.5. Годографы относительного вносимого напряжения накладного преобразователя, расположенного над электропроводящей немагнитной средой
На рис. 4.5 изображены годографы относительного вносимого напряжения £/вн*. Нормировка проведена по модулю наибольшего вносимого напряжения при минимальном зазоре для электропроводящего неферромагнитного (цг = 1) полупространства. Эти годографы можно использовать и для параметрического накладного ВТП. Из рис. 4.5 видно, что между линиями годографов изменения зазора и удельной электрической проводимости имеется угол, достигающий 45°, что позволяет рекомендовать амплитуднофазовый способ их раздельного контроля.
КОНТРОЛЬ ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩИХ ИЗДЕЛИИ большой толщины
415
Очевидно также, что при контроле электромагнитных параметров изделий желательно для получения наибольшего значения вносимого напряжения выбирать минимально возможный зазор, что обеспечивает более простую обработку сигналов и меньшую погрешность.
Годографы вносимого напряжения при изменении зазора (см. рис. 4.5) представляют собой линии небольшой кривизны, сходящиеся в нулевой точке. В первом приближении, а также в случае небольших относительных изменений зазора эти линии можно рассматривать как прямые, т.е. полагать, что фаза вносимого напряжения зависит только от параметра Р и не зависит от Л».
Представляет практический интерес вопрос чувствительности накладных ВТП к влияющим факторам. Под чувствительностью в данном случае понимают приращение относительного вносимого напряжения, вызванное увеличением влияющего фактора на 1 %. Это позволяет применять чувствительность для анализа выходных сигналов накладного ВТП при небольших (10 ... 30 %) отклонениях контролируемых параметров.
Исследования показали, что для р = = 2,5 ... 20 относительная чувствительность к зазору достигает наибольших значений в области h* = 0,3 ... 0,6. Наличие максимума модуля чувствительности приводит к тому, что условия измерения удельной электрической проводимости о при мешающем влиянии зазора наихудшие, если Л*« 0,5.
В результате увеличения р (см. рис. 4.5) происходит монотонное ограниченное нарастание абсолютной чувствительности к зазору, что позволяет с учетом снижения влияния отклонений электромагнитных свойств ОК рекомендовать область больших р для контроля толщины диэлектрических покрытий на металлах и сплавах, для измерения вибраций и т.п. При больших значениях р влияние изменений о
уменьшается, и приборы, измеряющие зазор или толщину диэлектрических покрытий, могут быть построены без отстройки от влияния вариаций о.
Вместе с тем при больших зазорах абсолютные значения вносимого напряжения существенно уменьшаются (см. зависимость для максимального вносимого напряжения на рис. 4.3 и в табл. 4.1), и поэтому обработка сигналов, несущих полезную информацию о контролируемых параметрах объекта, сильно затрудняется, так как возрастает влияние помех и других мешающих факторов. Для определения наилучших условий контроля о без отстройки от влияния мешающих факторов рассмотрим диаграммы чувствительности 5СТ в зависимости от обобщенного параметра р для ряда значений Л* (рис. 4.6). Из этих годографов видно, что имеется максимум модуля чувствительности при всех значениях зазора и определенных значениях ропт.
Рис. 4.6. Диаграмма чувствительности накладного преобразователя к изменениям удельной электрической проводимости на 1 % для немагнитной среды
416
Глава 4. КОНТРОЛЬ С ПОМОЩЬЮ НАКЛАДНЫХ ВТП
Рис. 4.7. Оптимальные значения обобщенного параметра и соответствующие им значения максимальной чувствительности к удельной электрической проводимости
На рис. 4.7 приведены зависимости максимального значения |sa| и соответствующие им значения р0Пт при различных значениях Л», построенные на основании расчетов и диаграмм, показанных на рис. 4.6. Анализ данных рис. 4.6 и кривых, изображенных на рис. 4.5, позволяет рекомендовать для контроля а область значений Р = 2,5 ... 5,0 в зависимости от обобщенного зазора для конкретного случая контроля электропроводящего объекта. Этот же диапазон значений Р рекомендуется для контроля о с подавлением влияния изменений зазора.
На рис. 4.8 приведены годографы относительного вносимого напряжения С/вн* накладного ВТП, расположенного над ферромагнитным проводящим полупространством. Параметрами для линий этих годографов, занимающих два квадранта комплексной плоскости, являются величины Ро = и причем в пре-
дельном случае (цг оо) годограф описывается обобщенным параметром р /-УЙ7 •
Рис. 4.8. Годографы относительного вносимого напряжения накладного ВТП, расположенного над проводящей ферромагнитной средой
Из анализа зависимостей рис. 4.8 видно, что при наличии ферромагнитного полупространства для некоторых значений р и эффект увеличения магнитного потока, сцепленного с измерительной катушкой накладного ВТП (верхний квадрант комплексной плоскости), преобладает над эффектом ослабления магнитного потока под действием вихревых токов (нижний квадрант). Однако эффект увеличения магнитного потока у накладных ВТП выражен значительно слабее, чем у проходных, ввиду того что только меньшая часть магнитного потока связана с контролируемым объектом.
КОНТРОЛЬ ТОЛЩИНЫ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ
417
В общем случае данные рис. 4.8 показывают, что при малых р0 и возможен раздельной контроль электромагнитных параметров материала о и цг. При увеличении годографы С/вн(с) и практически сливаются, поэтому обобщенным параметром в этом варианте становится отношение р/> и раздельный контроль значений удельной электрической проводимости и магнитной проницаемости вихретоковым методом невозможен.
Важными влияющими факторами, которые могут привести к появлению существенной погрешности, являются геометрические характеристики ОК, например кривизна внешней поверхности ОК или его ограниченные размеры, соизмеримые с диаметром накладного ВТП. Особенности влияния этих факторов будут рассмотрены несколько позже.
Влияние свойств конкретных материалов из металлов и сплавов на вносимое напряжение показывают зависимости на рис. 4.9 при двух значениях зазора и фиксированных условиях контроля. Из этого рисунка также видно, что для металлических сплавов в зависимости от химического состава, условий их изготовления и различных воздействий (температура, механические напряжения и др.) имеется разброс значений удельной электрической проводимости, что создает неопределенность по фазе вносимого напряжения и делает неразрушающий контроль электромагнитных параметров, а значит, и связанных с ними свойств материалов возможным, но неоднозначным.
В целом вихретоковые методы следует рекомендовать для контроля неферромагнитных и слабо магнитных электропроводящих материалов (цг = 1... 10).
о 0,1 0,2 0,3 8ейвн*
-0,1
-0,2
-0,3
-ол
-0,5
-0,0
-0,7
-0,8
-0,9
Латунь
AL
Си
А9
Алюминиевые сплавы , I h- 0,5мм
tPb-----
If Бронза
R=3,8мм /=П,2кГс,
Т^оррозйонно2
-стойкая сталь-------
20
-90
-1,0-,___
йОн*
Рис. 4.9. Нормированные годографы вносимого напряжения накладного ВТП для различных материалов
4.6. КОНТРОЛЬ ТОЛЩИНЫ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ
Полуфабрикаты и готовые изделия довольно часто на внешней поверхности имеют слой диэлектрического покрытия, выполняющего различные, чаще всего защитные функции. Толщина этого слоя должна быть достаточной, чтобы покрытие надежно обеспечивало требуемый эффект, но не была бы вместе с тем чрезмерно большой, поскольку это ведет к экономическим потерям, а также к увеличению массы изделия. Несовершенство технологии получения слоя покрытия и его уменьшение в процессе эксплуатации делают необходимым контроль толщины покрытия тем или иным способом. Измерение толщины диэлектрических покрытий, которое невозможно осуществить
14 - 8193
418
Глава 4. КОНТРОЛЬ С ПОМОЩЬЮ НАКЛАДНЫХ ВТП
прямыми методами (микрометром, штангенциркулем и др.), является одной из важных областей применения метода вихревых токов, особенно при электропроводящем, но неферромагнитном основании (изделии), поскольку в этом случае нельзя использовать магнитные методы.
Толщина диэлектрического покрытия измеряется путем установки накладного ВТП на внешнюю поверхность ОК (Ло = О, см. рис. 4.2), т.е. на покрытие (Ti на рис. 4.2 при Qi = 0, Цн = 1), что фактически равносильно увеличению зазора на значение толщины покрытия. Поэтому для получения градировочной зависимости выходного напряжения накладного ВТП от толщины используют графики вносимой ЭДС от зазора, основанные на данных рис. 4.3 или табл. 4.1.
Так как вариация толщины непроводящего покрытия приводит обычно к небольшому приращению зазора, нелинейность влияния толщины покрытия может быть учтена с помощью сравнительно простых устройств линеаризации. Относительная погрешность измерений при больших толщинах возрастает из-за снижения абсолютной чувствительности к толщине покрытия.
Основными факторами, создающими погрешность при измерении толщины диэлектрических покрытий, являются: удельная электрическая проводимость металлической основы изделия, возможное несовершенство внешней поверхности объекта контроля (кривизна, выступы, шероховатость и т.п.), а также наличие загрязнений на ней.
Погрешность из-за непостоянства удельной электрической проводимости ОК можно существенно уменьшить, если выбрать большое значение обобщенного параметра Р (см. рис. 4.5), что обеспечивается использованием повышенной частоты тока, питающего обмотку возбуждения накладного ВТП, до значений 5 ... 10 МГц. Конкретные значения рабочей частоты определяются диапазоном измерений толщины и минимальным значени
ем удельной электрической проводимости основания.
Градуировочная зависимость толщиномера диэлектрических покрытий может быть легко получена путем добавления к зазору текущего значения толщины покрытия с помощью расчетных кривых для максимального значения вносимого напряжения (см. рис. 4.3, табл. 4.1), поскольку при р > 20 вносимое напряжение близко к предельному и отличается лишь комплексным множителем (по модулю чуть меньше единицы). Выбор обмоток накладного ВТП с отличающимися радиусами (Яв / Rh = 1,4 ... 2) позволяет иметь более линейную градуировочную характеристику, чем у параметрического ВТП (R3/Rh= 1), и снизить влияние начального напряжения на вторичной обмотке ВТП. Вместе с тем при отличающихся радиусах возбуждающей и измерительной обмоток необходимо учитывать появление зоны нечувствительности к малым толщинам и не выбирать отношение радиусов обмоток неоправданно большим.
Шероховатости и неровности поверхности контролируемого объекта, разная кривизна его поверхности, а также наличие на нем загрязнений увеличивают расстояние до электропроводящего слоя объекта контроля и поэтому прямо входят в полную погрешность измерения толщины диэлектрического покрытия. В связи с этим точность измерения толщины покрытия не всегда предсказуема и сильно зависит от свойств конкретного ОК и условий, при которых производятся измерения.
4.7. КОНТРОЛЬ ЛИСТОВ НАКЛАДНЫМИ ВИХРЕТОКОВЫМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ
Полуфабрикаты и изделия из них с толщиной, которая может быть соизмерима с геометрическими размерами ВТП или с глубиной проникновения электромагнитного поля, будем условно называть листами. К этому виду полуфабрикатов относится продукция металлургического и
КОНТРОЛЬ ЛИСТОВ НАКЛАДЫМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ
419
прокатного производства, а также изделия, изготовленные по другим технологиям, например путем гальванической или механической обработки. Контроль листовых объектов может осуществляться при одностороннем или двустороннем доступе к его внешним поверхностям. В готовых изделиях подход, как правило, является односторонним, и требования к накладным ВТП предъявляются более серьезные.
Важность контроля толщины листовых изделий и полуфабрикатов определяется тем, что при уменьшении толщины снижается прочность конструкции и ее надежность, особенно в тяжелых условиях
эксплуатации, когда возможны значительные коррозионные поражения, а увеличение толщины технически и экономически невыгодны. Особенно необходим контроль с высокой точностью в процессе изготовления листов, чтобы обеспечить экономию материала при работе на предельных значениях отрицательных допусков толщины листа.
Вносимое напряжение для накладного ВТП около листа рассчитывается по интегральной формуле, приведенной ранее, если положить функцию влияния контролируемого объекта равной
"О*2 -G'HrP2)]th^7x2
ОК [Gr + J)x2 + JMr₽2 ] thf Wx2+7KP21 + 2мгХд/х2 +Уцг₽2
(4.13)
На рис. 4.10 представлены годографы [7вн*(р, Т*) для немагнитного листа (ц= 1), показывающие влияние толщины Т удельной электрической проводимости о и зазора h. Годографы, изображенные на рис. 4.10, ограничены с одной стороны штрихпунктирной кривой, соответствующей бесконечной толщине листа (Т -> оо, полупространство), а с другой стороны -годографами для бесконечно тонких (Т —> -> 0, Т* « 1) листов. Сплошными линиями показаны годографы при изменении толщины Т» и фиксированном значении удельной электрической проводимости о (р = const), штриховыми линиями изображены годографы £/вн* при изменении а (параметра Р) при постоянных значениях толщины листа (Т* = const).
Анализируя приведенные годографы, можно отметить, что в общем случае возможен раздельный контроль толщины листа Т и удельной электрической проводимости а, если выбрать условия контроля соответствующим образом, когда линии их влияния пересекаются под достаточно большим углом (желательно близ
ким к прямому), а чувствительности достаточно велики. На основании приведенных ранее формул были рассчитаны чувствительности к параметрам листа при фиксированном значении зазора Л* = 0,5.
На рис. 4.11 приведены диаграммы чувствительности к толщине 5 , рассчитанные для разных значений Т* и р. Сплошными линиями на этом рисунке изображены годографы 5 при изменении толщины, а пунктирными линиями соединены точки переменного параметра р. Как показывает анализ приведенных на рис. 4.11 зависимостей, максимальный сигнал при изменении толщины получается в случае тонкого листа, причем при больших Р и условии Т»р2 = ТЛшцоП « 3. При изменении относительного значения зазора А* в пределах от 0,0625 до 1,5 значения Т*р2, соответствующие максимальному сигналу, уменьшаются от 4,5 до 2,5.
Если необходимо контролировать толщину с отстройкой от влияния изменений о, то оптимальное значение (Т*Р) при амплитудно-фазовом способе отстройки равно приблизительно 1,5 при Л» = 0,5. При увеличении зазора это значение не-
14*
420
Глава 4. КОНТРОЛЬ С ПОМОЩЬЮ НАКЛАДНЫХ ВТП
Рис. 4.10. Годографы относительного вносимого напряжения накладного ВТП, расположенного над проводящим неферромагнитным листом
сколько уменьшается. Однако необходимо отметить, что для случая малых толщин (Т* « 1) раздельный контроль Т и о невозможен вообще, так как вносимое напряжение зависит от произведения (То) и определить их значения независимо друг от друга можно, только используя специальные методы, например, применив двухчастотный способ со второй частотой, которая настолько велика, что толщина листа практически не оказывает влияния, а удельная электрическая проводимость измеряется на этой частоте.
Рис. 4.11. Диаграммы чувствительности накладного ВТП к изменениям толщины неферромагнитного листа на 1 %
Чувствительность к изменениям о достигает максимального значения также при Тф2 « 3. Это подтверждается анализом диаграмм Sa, приведенных на рис. 4.12. Внутренняя кривая соответствует полупространству (Т оо), внешняя -тонким листам (Т* « 1). Максимальная чувствительность при контроле тонких листов приблизительно вдвое больше, чем при контроле удельной электрической проводимости объекта в виде полупространства.
При измерении о с отстройкой от влияния изменений толщины с помощью амплитудно-фазового способа условия контроля улучшаются по мере увеличения Т*. Если Тф > 1,5, то целесообразно измерять q без отстройки от влияния изменений толщины листа Т, поскольку это влияние невелико, так как электромагнитное поле существенно ослабляется из-за скин-эффекта. Кроме того, часто можно так увеличить частоту (уменьшить глуби-
КОНТРОЛЬ ЛИСТОВ НАКЛАДЫМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ
421
Рис. 4.12. Диаграммы чувствительности накладного ВТП к изменениям удельной электрической проводимости неферромагнитного листа на 1 %
ну проникновения), что увеличение толщины листа относительно ее минимального значения не создаст заметной погрешности, а чувствительность к удельной электрической проводимости будет достаточной.
Контроль ферромагнитных объектов представляет более сложную задачу, так как на одной частоте можно разделить влияние лишь двух параметров (а и Т, а и цг, Т и цг), а применение двух или большего числа рабочих частот существенно усложняет как блок ВТП, так и построение аппаратуры обработки сигналов. Раздельное измерение параметров ферромагнитных листов с помощью накладных преобразователей возможно лишь в области малых значений обобщенного параметра Ро = , относительной магнитной
проницаемости и толщины Т*. При р0 = = 1 ... 2 и = 1 ... 10 углы между годографами €/вн(п) и (7вн(ц) близки к прямым, что делает возможным раздельный контроль и Т с помощью накладного преобразователя достаточно простым амплитудно-фазовым способом.
На рис. 4.13 приведены графики зависимости модуля и аргумента относительного вносимого напряжения £/вн* от относительной толщины неферромагнитного листа Т* и от р, т.е. удельной электрической проводимости о, и от относительного зазора (А* = Ло / Яв).
При разработке вихретоковых толщиномеров и измерителей о эти графики используют как градуировочные характеристики или как графики функций влияния, поэтому они имеют большое практическое значение. Так, из рис. 4.13, а, б следует, что с увеличением р возрастает чувствительность к изменению толщины Т листа и одновременно уменьшается верхнее значение диапазона измерения толщины Т*тах. Например, при Р = 5 значение Т*тах = 0,2, а при Р = 20 Т*тах = 0,04 (см. рис. 4.13, а). С другой стороны, из рис. 4.13, д, е видно, что если изменение зазора h* сильно влияет на С/вн*, то ф = arg(7BH* почти не зависит от Л*. Таким образом, используя для контроля толщины Т фазу вносимого напряжения (кривые на рис. 4.13, б), можно добиться снижения погрешности измерения, вызванной вариациями зазора.
Несмотря на большое преимущество одностороннего доступа накладного ВТП к ОК, задача измерения толщины листа, а также некоторых измерений удельной электрической проводимости и магнитной проницаемости материала листа является технически сложной из-за сильного влияния отклонений зазора от номинального. Это приводит к необходимости в зависимости от конкретных условий решать двух-, трех- или четырехпараметровую контрольно-измерительную задачу, что существенно усложняет аппаратуру и часто бывает экономически нецелесообразным. Значительно снизить влияние перемещений листа, а часто и вообще практически пренебречь ими позволяют экранные вихретоковые преобразователи, применяемые в тех случаях, когда имеется двусторонний доступ к внешним поверхностям ОК.
422
Глава 4. КОНТРОЛЬ С ПОМОЩЬЮ НАКЛАДНЫХ ВТП
Рис. 4.13. Зависимость модуля 6/вн* и аргумента <р от Т*тях (а, б), Р (в, г) и Л* (<), е) при ц = 1, RB = RH
4.8. КОНТРОЛЬ ЛИСТОВ ЭКРАННЫМИ НАКЛАДНЫМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ
При контроле параметров листовых материалов с использованием накладных экранных преобразователей, обладающих определенными преимуществами, но требующими двустороннего доступа к контролируемому изделию, применимы два варианта измерения толщины листов: геометрический и электромагнитный.
Геометрический вариант организации измерения предполагает, что материал листа не оказывает влияния на магнитный поток, создаваемый обмоткой возбуждения, а обе обмотки экранного накладного ВТП (рис. 4.14) плотно прикладывают непосредственно к доступным внешним поверхностям листа. Чтобы электромагнитные параметры листа практически не влияли на выходное напряжение экранного ВТП, лист должен быть неферромаг-
КОНТРОЛЬ ЛИСТОВ ЭКРАННЫМИ НАКЛАДЫМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ
423
Рис. 4.14. Расположение обмоток преобразователя при геометрическом варианте измерения толщины листа
Рис. 4.15. Расчетная модель экранного накладного ВТП
нитным (ц = 1), а глубина проникновения электромагнитного поля должна быть очень большой по сравнению с толщиной
2
листа
»Т
При выполнении
этих условий выходное напряжение будет определяться параметрами возбуждающей и измерительной катушек ВТП и толщиной листа Т, задающей расстояние между ними. Значение выходного напряжения экранного накладного ВТП при этом варианте контроля и его градуировочная характеристика легко вычисляются по формулам для взаимоиндуктивности или с помощью приведенных ранее табл. 4.1 и графиков (см. рис. 4.3).
Однако при геометрическом варианте контроля листов возможно появление царапин и других повреждений на листе, а также погрешности из-за изменения контакта обмоток ВТП с листом (неровности, шероховатость и др.) и нарастающей погрешности в результате истирания защитных щечек каркаса обмоток ВТП, которая, впрочем, может быть снижена начальной калибровкой измерительного прибора.
Если вихревые токи в листе играют значительную роль (электромагнитный вариант измерения толщины листа), расстояние между обмотками экранного накладного ВТП (рис. 4.15) жестко фиксируется (/ви = const). Полезная информация содержится в комплексном значении на
424
Глава 4. КОНТРОЛЬ С ПОМОЩЬЮ НАКЛАДНЫХ ВТП
пряжения, наведенного в измерительной обмотке ВТП с учетом реакции листа.
В этом случае напряжение на изме
рительной катушке преобразователя (см. рис. 4.15) можно записать в виде выражения
п- wwoi 1 4х?ехР(хТ‘к(х>/Лв/Ли ) j<£> ц о Rin J т v; / т \ / E J
о \xMr +4) exp^T.HxPr ~4J exp(-?T.
exp(-x/BH.)dx,
(4.13)
где T*max = Tmax / R - нормированная толщина листа; /ви* = /ви / R - нормированное расстояние между возбуждающей и измерительной обмотками; q = -^х2 + р2 .
Приведенное выражение позволяет сделать вывод, что значение напряжения на измерительной обмотке экранного ВТП не зависит от расположения листа между катушками. Смещение листа в направлении нормали не будет влиять на результаты измерения. Необходимо лишь исключить перекосы листа и обеспечить постоянство расстояния /ви между катушками. Это большое преимущество экранных преобразователей. Оно реализуется в том случае, если лист не сильно изменит полное сопротивление возбуждающей и измерительной катушек, являющихся, по существу, параметрическими преобразователями, в связи с чем изменения их сопротивления повлияют на ток I или выходное напряжение U.
На рис. 4.16 приведены годографы
U
нормированного напряжения (7* = р-г на Г°1
измерительной катушке экранного преобразователя при контроле немагнитного электропроводящего листа (цг = 1), Uo -напряжение при отсутствии контролируемого листа, т.е. начальное напряжение.
Сплошными линиями на рис. 4.16 изображены годографы (/♦ при изменении толщины Т в диапазон Т* = 0,1 ... 1,0, пунктирными - линии переменного параметра Р, связанного с удельной электрической проводимостью о.
Из анализа данных рис. 4.16 и приведенного ранее выражения для U следует,
толщины и удельной электрической проводимости неферромагнитного листа
что при изменении параметров Т* и р годографы £Л(1\) и СЛ(р) пересекаются между собой, т.е. возможен раздельный контроль толщины листа Т и его удельной электрической проводимости о с помощью экранных преобразователей.
Анализируя годографы, изображенные на рис. 4.16, можно заметить, что при Т*р2 <2,5 и Т*р2 > 15 приращения выход-
КОНТРОЛЬ ЛИСТОВ ЭКРАННЫМИ НАКЛАДЫМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ
425
ного напряжения экранного ВТП при изменении Р(о) и Т малы. Таким образом, наиболее пригодной для раздельного контроля о и Т* является область значений 2,5<Тф< 15.
Необходимо также отметить, что условия раздельного контроля параметров немагнитного листа с помощью экранного преобразователя хуже, чем с помощью накладного, что объясняется расположением измерительной обмотки экранного ВТП в зоне «прямого отражения», в то время как в обычном накладном ВТП происходит как бы отражение от дальней границы листа и обратное прохождение электромагнитной волны.
Для тонкого листа (Т* « 1) раздельный контроль Типе помощью экранного преобразователя невозможен так же, как и для накладного ВТП при одностороннем доступе. Максимальная чувствительность экранного преобразователя к изменениям толщины и электрической проводимости листа достигается, как и для накладного, при Т*р2 « 3, если контроль ведется без отстройки от влияния мешающих факторов.
На рис. 4.17 приведены зависимости модуля U от толщины листа для различных значений параметра 0. Видно, что при постоянном значении электрической проводимости можно контролировать изменения толщины листов, но чувствительность к толщине сильно зависит от параметра 0.
Недостатком амплитудного метода измерения толщины листа является значительная погрешность от изменения взаимного положения катушек преобразователя - осевого перемещения, что обусловливает необходимость их очень жесткого крепления. Для уменьшения этой погрешности целесообразно использовать зависимость аргумента комплексного напряжения U от толщины, т.е. фазу выходного напряжения.
Рис. 4.17. Зависимость модуля нормированного напряжения экранного ВТП от толщины неферромагнитного листа при различных значениях удельной электрической проводимости
Рис. 4.18. Зависимость сдвига фазы напряжения экранного ВТП от толщины неферромагнитного листа при различных значениях удельной электрической проводимости
На рис. 4.18 приведены зависимости относительного значения фазы выходного
426
Глава 4. КОНТРОЛЬ С ПОМОЩЬЮ НАКЛАДНЫХ ВТП
напряжения U от толщины листа Т* для различных значений р. Если Т*р > 2, то фазовый угол напряжения измерительной катушки линейно зависит от толщины, что используется для построения приборов с линейной шкалой.
Возможно также применение экранных преобразователей при контроле параметров ферромагнитных листов. Экранирующий эффект листа в этом случае сказывается сильнее, поэтому обычно частота тока возбуждения выбирается меньшей. Анализ годографов для экранного ВТП при контроле ферромагнитных листов показывает, что раздельный контроль и о или о и Т возможен для малых толщин в области небольших значений р0 (1,25 ... 5,0) и (1 ... 100). С увеличением р0 и экранирующее действие листа увеличивается и напряжение на измерительной катушке экранного преобразователя уменьшается.
4.9. КОНТРОЛЬ ДВУХСЛОЙНЫХ ОБЪЕКТОВ НАКЛАДНЫМИ ВИХРЕТОКОВЫМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ
Контроль параметров проводящего покрытия толщиной Т на проводящем основании является одним из наиболее сложных, так как в общем случае для ферромагнитных материалов имеются шесть влияющих на сигналы преобразователя параметров объекта и зазор. Для случая неферромагнитных слоев ОК число влияющих параметров сокращается до четырех.
Функция влияния <р (Рп, Рос, Т), —
определяющая реакцию ОК на вносимое напряжение накладного ВТП, вычисляется из выражения
?ок^п’ Р°с’ Т*)-
(Фи, ~gn)U>cgn +Mmgoc)exp(T.,gn)-(x|im +gn)(pn,goc -Mrocgn)exp(-T.,gn)
(xM„, +gn)Uncgn +^H,g0C)exp(T.,gJ-(xpn] -g^g^ -procgn)exp(-T.,gn)
(4-14)
где gn = 7x2-7Pn! g^ = 7x2+7'P«; Pn =
> Рос ~ ’
Pm, Proc - относительные магнитные проницаемости материалов покрытия и основания; оп, о0С - их удельные электрические проводимости; Т - толщина покрытия, Т* = Т/ЯВ.
На рис. 4.19 приведены годографы нормированного вносимого напряжения £/вн(рп, М- Штрихпунктирная линия на этом рисунке соответствует линии влияния о при контроле массивного объекта (полупространства). Все годографы напряжений при изменении толщины покрытия Т независимо от проводимости покрытия оп начинаются в предельной точ
ке Т -> 0, соответствующей равенству удельных электрических проводимостей покрытия и основания оп = аос, и заканчиваются в предельной точке Т -> оо, соответствующей полупространству с удельной электрической проводимостью покрытия оп. Обе предельные точки находятся на годографе при изменении о для модели ОК в виде полупространства (см. рис. 4.5).
В области, где оп меньше, чем о0С (Рос > Рп), увеличение толщины плохо проводящего покрытия Т приводит к уменьшению |с/вн| и тем сильнее, чем больше отличие проводимостей. Влияние Т в этой области подобно влиянию зазора Ло (см. рис. 4.2), особенно в области малых Т* и рп. При значениях рп > Рос
КОНТРОЛЬ ДВУХСЛОЙНЫХ ОБЪЕКТОВ НАКЛАДНЫМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ 427
Рис. 4.19. Годографы нормированного вносимого напряжения для накладного ВТП, расположенного над двухслойным объектом
(хорошо проводящее покрытие) увеличение Т* приводит в основном к увеличению р.„|.
Эти закономерности, а также тот факт, что в области малых толщин Т чувствительность к толщине покрытия максимальна, используются в простейших толщиномерах покрытий, реализующих амплитудный способ. Толщина в них измеряется путем установки преобразователя на поверхность объекта контроля с нулевым зазором й0 (см. рис. 4.2). Предварительно устанавливается нулевое значение
показания толщиномера (Т = 0) на непокрытом основании, а максимальное значение измеряемой толщины - по контрольному образцу с максимальным значением толщины покрытия. Широкое распространение толщиномеров этого типа объясняется простотой их конструкции, настройки и применения.
Недостаток таких толщиномеров -сильное влияние возможных изменений, приводящих к появлению зазора или подобных ему факторов, например: шероховатости ОК, кривизны его поверхности, наличия загрязнений на ней, истирания защитной щечки накладного ВТП, появления следов коррозии на поверхности ОК и т.д.
Годографы £/вн.(Т.) и С/вн.(стп) от-личаются от соответствующих годографов для листа (см. рис. 4.10) смещением их начала (Т = 0) в предельную точку оп = ст и уменьшением общей протяженности годографа от точки Т = 0 до точки Т -> оо, что ограничивает диапазон изменения (7ВН*, вызванный измеряемым параметром контролируемого объекта. Однако в целом вид годографов аналогичен соответствующим годографам для листа, особенно при большом перепаде значений удельных электрических проводимостей покрытия и основания.
При контроле толщины покрытия без подавления влияния мешающих факторов наилучшие условия контроля реализуются при сильном отличии оп и о0С. Если (оп / СУос) < 0,01, то условия контроля выбирают такими же, как и при измерении зазора: при этом рабочая частота должна обеспечивать значение рп < 2,25, иначе будет сильно сказываться изменение удельной электрической проводимости покрытия сп.
Если (ап / о0С) > 100, то условия контроля можно выбирать так же, как и для листа, назначение частоты должно удовлетворять условию рп < 1,25, чтобы не было сильного влияния вариации значения
428
Глава 4. КОНТРОЛЬ С ПОМОЩЬЮ НАКЛАДНЫХ ВТП
удельной электрической проводимости основания о0С.
В общем случае, когда необходимо измерить толщину в широких пределах, при соизмеримых значениях ап и аос частоту следует определять из соотношения
РпРос = ^2®Мол/СТп^ос =₽м> (4-15)
где рм соответствует такому значению р для ОК в виде полупространства (см. раздел 4.5), когда модуль чувствительности достигает максимума для соответствующего значения зазора Л* (см. рис. 4.5). Диаметр преобразователя для повышения чувствительности к толщине надо выбирать по возможности большим (чтобы уменьшить Т*), однако с учетом требований по локальности измерения толщины покрытия.
Рассмотрим случай измерения толщины электропроводящего покрытия с отстройкой от влияния изменений зазора. Такой контроль возможен по фазе вносимого напряжения или по его проекции на нормаль к линии влияния зазора.
На рис. 4.20 приведены зависимости проекции приращения вносимого напряжения на нормаль к линии влияния зазора при разных значениях частоты возбуждения (рп, рос), связанной с приращением фазы A(p = arctg(c/n/|(7BH|). Из анализа данных рис. 4.20 видно, что эти зависимости отклоняются от прямой при малых и больших значениях толщины покрытия. В области малых толщин (Т -> 0) криволинейность объясняется близким по направлению влиянием в этой зоне толщины покрытия Т и зазора Л. Когда толщина покрытия становится очень большой (Т -> —> оо), сильно сказывается затухание вихревых токов в материале покрытия из-за того, что его толщина оказывается гораздо больше глубины проникновения электромагнитного поля.
Рис. 4.20. Нормированная зависимость проекции приращения напряжения от изменения толщины покрытия на нормаль к направлению влияния зазора
Если необходимо измерять толщину в широком диапазоне ее значений, то линейность характеристики преобразователя обеспечивается при 0,2 < Т*рп < 1,2, а наибольшая чувствительность - при выполнении условия, соответствующего максимуму чувствительности к удельной электрической проводимости для полупространства.
Если измеряется отклонение толщины от номинального значения, то следует выбирать частоту из того же условия при 0,8 < Т*рп < 1,0.
При измерении удельной электрической проводимости покрытия оп условия контроля необходимо выбирать так, чтобы не чувствовалось влияние изменений толщины покрытий (Т*рп > 2). Ясно, что в качестве возбуждающей необходимо при этом выбирать наименьшую из частот, обеспечивающую выполнение последнего условия.
Условия контроля удельной электрической проводимости основания о благоприятны в широком диапазоне значений толщины покрытия, причем желательно так выбирать диаметр преобразователя, чтобы значение Т* было меньше 0,125.
КОНТРОЛЬ МНОГОСЛОЙНЫХ ИЗДЕЛИИ НАКЛАДНЫМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ 429
В этом случае влияние зазора по направлению на комплексной плоскости будет подобно влиянию толщины покрытия и возможно одновременное снижение погрешности из-за их отклонений от номинальных.
Контроль биметаллических объектов, когда один или оба слоя ферромагнитные, представляет собой более сложную контрольно-измерительную задачу. Ее решение возможно при разных сочетаниях электромагнитных свойств покрытия и основания, но с учетом конкретных значений электромагнитных параметров материалов. Во многих случаях здесь более эффективны варианты реализации магнитных методов НК.
4.10. КОНТРОЛЬ МНОГОСЛОЙНЫХ
ИЗДЕЛИЙ НАКЛАДНЫМИ ВИХРЕТОКОВЫМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ
Многообразные требования к свойствам готового изделия приводят к необходимости использовать многослойные листы и покрытия. Обширную группу таких объектов составляют изделия с многослойными защитными покрытиями, например известная антикоррозионная комбинация медь - никель - хром и др. Также распространенным вариантом трехслойного полуфабриката в виде листа является прокат из алюминиевых сплавов, плакированных тонким слоем чистого алюминия, защищающим легкокорродирующий твердый алюминиевый сплав - важнейшую основу конструкции.
Расчет вносимого напряжения от влияния параметров многослойных изделий и полуфабрикатов можно выполнить по известным интегральным выражениям, используя соответствующую функцию влияния контролируемого объекта <р с обобщенными параметрами, определенными объектом контроля. При числе слоев два и более при расчетах целесообразно использовать рекуррентные формулы, когда вносимое напряжение (ЭДС) от влия
ния параметров верхнего слоя вычисляется по значениям функции влияния от объекта без верхнего слоя [5].
Рассмотренные варианты контроля для одно- и двухслойных объектов являются предельными вариантами для многослойных объектов (Tf -> 0 или Т, -> оо). В связи с этим области, характерные для наилучших условий проведения контроля многослойных объектов, близки к зонам оптимального контроля одно- и двухслойных изделий.
Из анализа приведенных годографов нетрудно видеть, что в области малых толщин (в области точки |с/вн| -> 0) изменение толщин слоев и удельных электрических проводимостей приводит к нарастанию вносимого напряжения вдоль одной и той же кривой, близкой к дуге окружности, которая соответствует условиям контроля тонкого однослойного листа. Однако основным влияющим фактором, определяющим вносимое напряжение, в этом случае является линейная комбинация из произведений толщины и удельной электрической проводимости соответствующего слоя биметаллического листа.
Годографы, приведенные на рис. 4.21, показывают также, что при определенных условиях возможен раздельный контроль толщин слоев биметаллического листа, а если необходимо, то и удельных электрических проводимостей верхнего и нижнего слоев.
Причем значения выходных сигналов больше, если у верхнего (ближайшего к накладному ВТП) слоя значение удельной электрической проводимости меньшее. Благоприятные возможности такого контроля толщин слоев биметаллических листов следует иметь в виду, когда возможен доступ к любой из внешних сторон листа, но внутренняя граница которых недоступна. При небольшой разнице удельных электрических проводимостей слоев листа изменение вносимого напряжения от толщины будет определяться перепадом их
430
Глава 4. КОНТРОЛЬ С ПОМОЩЬЮ НАКЛАДНЫХ ВТП
О 0,1 0,2 0,3 0Л КейВи*
Рис. 4.21. Годографы нормированного вносимого напряжения для накладного ВТП, расположенного над двухслойным листом:
а - верхний слой имеет меньшую удельную электрическую проводимость, чем нижний; б - верхний слой имеет большую удельную электрическую проводимость, чем нижний
электромагнитных свойств, поскольку значения вносимого напряжения, соответствующие предельным точкам толщины слоя (нулевой и бесконечно большой),
находятся на годографе для проводящего полупространства (см. рис. 4.5).
Если отличие электромагнитных свойств слоев многослойного объекта велико (ориентировочно (сч / о2) > 30 или (о2 / <^i) > 30 и более раз), то контроль параметров отдельных слоев обычно существенно затрудняется. Вместе с тем в ряде случаев контроль возможен при благоприятном расположении слоев (например, ближние к ВТП слои имеют малое значение удельной электрической проводимости) или соотношении толщин (например, Ti « Т2, где Ti - толщина внешнего слоя, а Т2 - внутреннего). При необходимости контроля параметров отдельных слоев многослойного изделия приходится использовать несколько частот возбуждения или несколько накладных ВТП с разными геометрическими характеристиками, а полученные сигналы обрабатывать по специальным алгоритмам средствами вычислительной техники.
Ввиду сложной зависимости вносимых напряжений от влияющих факторов и большого разнообразия возможных сочетаний удельных электрических проводимостей слоев и их толщин разработка такой аппаратуры и алгоритмов обработки сигналов носит индивидуальный характер применительно к конкретному многослойному ОК с учетом всех предъявляемых требований (технических, экономических и др.).
4.11. КОНТРОЛЬ ОБЪЕКТОВ СЛОЖНОЙ КРИВОЛИНЕЙНОЙ ФОРМЫ
Контроль объектов сложной геометрической формы часто вызывает затруднения. Общим подходом решения таких задач является выбор геометрических размеров ВТП достаточно малыми, чтобы влиянием близко расположенных элементов изделия (выступов, кромок и т.д.) и его кривизны можно было пренебречь. При этом для анализа и расчетов обычно применяют формулы для плоской модели
КОНТРОЛЬ ОБЪЕКТОВ СЛОЖНОЙ КРИВОЛИНЕЙНОЙ ФОРМЫ
431
ОК с некоторым уменьшением модуля вносимого напряжения из-за кривизны, эквивалентного в первом приближении увеличению зазора.
В некоторых случаях, когда поверхность ОК (изделия) гладкая, при проведении анализа сигналов ВТП объект может быть аппроксимирован (замещен) телом правильной геометрической формы. К таковым, в частности, относятся шар, сфера, цилиндр и сфероид.
Характерные предельные формы контролируемого объекта - шар с одинаковой кривизной во всех направлениях и цилиндр, имеющий разную кривизну в двух направлениях (0 - вдоль оси; значение, обратное радиусу кривизны цилиндра, - в перпендикулярном направлении). Зависимости модуля максимального вносимого напряжения от относительной кривизны (R / Якр) поверхности монолитного объекта в виде бесконечнопроводя-щих шара и цилиндра, нормированные по значению вносимого напряжения для объекта с плоской внешней поверхностью (модель в виде полупространства), т.е.
(R / /?кр = 0; Л* = 0,5; Р -» оо), представлены на рис. 4.22.
Следует отметить, что при отрицательных значениях кривизны ОК в виде шара или цилиндра (вогнутая внешняя поверхность ОК) численные значения вносимого напряжения увеличиваются, что эквивалентно приближению ВТП к объекту. Если же контролируемый объект имеет выпуклую внешнюю поверхность (положительная кривизна), то наличие кривизны как бы соответствует удалению ВТП, т.е. увеличению зазора и уменьшению модуля вносимого напряжения.
По рис. 4.22 можно рассчитывать приближенные значения вносимого напряжения, соответствующие ОК с криволинейной внешней поверхностью, используя аналогичные годографы для однослойного или многослойного плоского объекта, путем умножения имеющихся для плоского ОК данных на поправочный коэффициент, зависящий от кривизны.
-0,Ь-0,2 О 0,2 0,4 0,Б 0,8 R/RKP
Рис. 4.22. Зависимости модуля нормированного вносимого напряжения от кривизны бесконечнопроводящего объекта в виде цилиндра и шара
Если ОК имеет более сложную форму, например сфероид, эллипсоид вращения и др., получаемые годографы вносимого напряжения будут также похожи на годографы для плоского объекта. Значение поправочного коэффициента при этом будет промежуточным между значениями коэффициента для шара и цилиндра и будет зависеть от конкретных радиусов кривизны внешней поверхности объекта во взаимно-перпендикулярных направлениях относительно главной оси.
Смещение контролируемого объекта относительно оси накладного вихретокового преобразователя, определяемое по углу между нормалью к поверхности ОК и осью накладного ВТП, в первом приближении может быть оценено так же, как эквивалентное увеличение зазора.
Для некоторых объектов более сложной формы, например сфер и сфероидов, при осесимметричном расположении об-
432
Глава 4. КОНТРОЛЬ С ПОМОЩЬЮ НАКЛАДНЫХ ВТП
б)
Рис. 4.23. Накладной ВТП над проводящим полым шаром (а) и годографы вносимого напряжения для него (б)
моток вносимая ЭДС может быть найдена аналитически путем решения соответствующих дифференциальных уравнений в сферических координатах. Выражение для относительного вносимого напряжения измерительной обмотки (рис. 4.23) в этом случае имеет вид
и , вн’
и0
_j-27t/?HHOsiney рДсоБе^Дсозер) м %-" (2n + l)a"r"+1 '
(4.16)
где 0, 0О, /, R2 - геометрические параметры объекта контроля (рис. 4.24, a); М - вза
имная индуктивность измерительной и возбуждающей обмоток, определяемая по справочникам [30, 31]; Р„ - полином Лежандра; - функция, зависящая от параметров сферы и выражающаяся через комбинацию сферических функций.
На рис. 4.23, б приведены годографы t7BH* при значениях /?♦ = /?/ /?2 = 1 для преобразователя с относительной длиной катушки /♦ = / / /?2 = 0,15. Здесь в качестве обобщенных параметров применяются следующие величины: Р = * a =
= h / R2, где h - зазор между возбуждающей катушкой и сферой; Т = R2 - R{ -толщина оболочки сферы; Т* = Т / R2.
КОНТРОЛЬ ОБЪЕКТОВ СЛОЖНОЙ КРИВОЛИНЕЙНОЙ ФОРМЫ
433
Анализ годографов, изображенных на рис. 4.23, б указывает на большое сходство их с годографами, полученными для случаев контроля листов и труб накладными и проходными преобразователями. Похожими оказываются и зависимости чувствительности от параметров объекта и режима контроля. На рис. 4.23, б жирными линиями выделены годографы, соответствующие сплошному шару (/?] = 0) при двух значениях а (0 и 0,2).
К еще более сложным выражениям приводит задача о контроле сплюснутого сфероида (рис. 4.24). Однако решение такой более общей задачи (шар и полый шар - частные случаи сфероида) представляет практический интерес. Дело в том, что изменением геометрических параметров сфероида (на рис. 4.24, а приведена схема размещения преобразователя над сфероидом) можно приблизить его либо к плоскому диску, либо к круговому цилиндру конечной длины. В результате появляется возможность анализа влияния вариации геометрии объекта на сигналы преобразователя. В частности, решив задачу сфероида, можно анализировать «краевой эффект» (влияние ограниченных размеров ОК) при использовании накладного и проходного преобразователей.
При этом варианте дифференциальное уравнение для вектор-потенциала решают в сфероидальной системе координат методом разделения переменных. С учетом граничных условий результат можно представить в виде суммы бесконечного ряда по присоединенным полиномам Лежандра первого и второго родов РДл) и
Выражение для относительного вносимого напряжения трансформаторного преобразователя с короткими катушками малого поперечного сечения получается в виде (основные обозначения по рис. 4.24, а)
= А£ф/«(П2)С’(Л2> (4-17)
Рис. 4.24. Накладной ВТП над проводящим сфероидом (а) и годографы вносимого напряжения для этого случая (б)
где - функция, зависящая от электрофизических свойств материала сфероида; ^2 и т]2 - координаты измерительной обмотки преобразователя.
Для определения функции ф„ требуется решение достаточно сложного рекурсивного уравнения, приводящего к необходимости вычисления непрерывных дробей и решения системы трансцендентных уравнений. Поэтому выражение для вно
434
Глава 4. КОНТРОЛЬ С ПОМОЩЬЮ НАКЛАДНЫХ ВТП
симого напряжения упрощают, учитывая первые четыре члена суммы. Рассчитанные зависимости сигналов преобразователя от значений обобщенных параметров в значительной степени определяют геометрическими параметрами сфероида и отношением размеров сфероида и преобразователя. Если сфероид приближается по форме к диску, диаметр которого равен 2г и значительно больше диаметра 2RB преобразователя (г / 7?в > 3), то годографы £/вн»(р, а> Т) оказываются весьма близкими к аналогичным годографам (см. раздел 4.7) для плоского листа (здесь Р = = 7?вЛ/соц0о, а = 2—, h - расстояние от преобразователя до поверхности сфероида по оси преобразователя).
При переходе от сфероида к сфере (г/Т —> 0,5) получаются зависимости, аналогичные приведенным для сферы. Уменьшая параметры х = г / 7?в, можно проследить влияние ограниченных размеров объекта на выходной сигнал ВТП. На рис. 4.24, б приведены годографы £/вн*(Р, х) Для = 2Т / 7?в =1,0 и а = 0,1, из анализа которых видно, что влияние изменения х на величину £/вн* возрастает при уменьшении х и р. Так, при Р > 8 и х > 1,4 «краевой эффект» практически не проявляется, в то время как при Р = 3 изменение х от 1,3 до 3 дает отклонение величины С/вн» приблизительно на 20 %.
Кроме того, годографы С7вн*(х) направлены под некоторыми углами к годографам Г/ВН*(Р), а также и к годографам С/ВН*(Х). Это позволяет использовать амплитудно-фазовый способ подавления влияния «краевого эффекта» при измерении о или Т. Кроме того, при измерении Т и о неферромагнитных сфероидов, диаметры которых близки к диаметру преобразователя (0,8 < х < 1,1 при Л < 0,3), возможно одновременное подавление влия
ния «краевого эффекта» и зазора с помощью амплитудно-фазового метода, если выбрать значения параметра £ в диапазоне 1...3.
Универсальным методом расчета электромагнитного поля вихревых токов и вносимого напряжения для объектов сложной формы является метод приближенного решения дифференциальных уравнений с помощью методов конечных элементов [34].
4.12. ОСОБЕННОСТИ РАСЧЕТА НАКЛАДНЫХ ВТП С ФЕРРОМАГНИТНЫМИ СЕРДЕЧНИКАМИ
При вихретоковом контроле применяют накладные ВТП с ферромагнитными сердечниками различной формы. Чаще всего в качестве материала ферромагнитного сердечника используют ферриты, имеющие малые потери активной мощности.
В качестве характерных примеров можно указать накладные ВТП (рис. 4.25) с круглыми катушками и цилиндрическим или прямоугольным сердечником (см. рис. 4.1, в), с полуброневым ферритовым сердечником (рис. 4.25, а), с ферритовым сердечником в виде полутороида (рис. 4.25, б) или с тороидальным сердечником и хорошо проводящими (медными) вставками (рис. 4.25, в).
Применение ферромагнитных сердечников позволяет существенно повысить абсолютную чувствительность накладных ВТП и уменьшить зону контроля благодаря локализации магнитного потока. Кроме того, при использовании ферромагнитного сердечника можно отдалить рабочую зону ВТП от его обмоток, что иногда бывает желательно по конструктивным или эксплуатационным соображениям, например при контроле труднодоступных участков ОК или при неблагоприятных физических условиях (агрессивная среда, высокая температура и т.п.).
ОСОБЕННОСТИ РАСЧЕТА НАКЛАДНЫХ ВТП С СЕРДЕЧНИКАМИ
435
Рис. 4.25. Некоторые варианты накладных ВТП с ферромагнитными сердечниками: а - полуброневым; б - в виде полутороида; в - с тороидальным сердечником и медными вставками;
1 - ферромагнитный сердечник; 2 - возбуждающая обмотка; 3 - измерительная обмотка; 4 - медная вставка
Недостатком накладных ВТП с ферромагнитными сердечниками является меньшая температурная стабильность из-за изменения магнитных свойств ферромагнитного сердечника под воздействием, например, температуры.
Физические основы работы накладных ВТП с ферромагнитными сердечниками и без них мало отличаются. Однако методика расчета вносимых напряжений для накладных ВТП с ферромагнитными сердечниками имеет определенные особенности. Точный расчет выходного напряжения таких преобразователей аналитическими методами чаще всего невозможен; обычно он выполняется по приближенным формулам или путем математического моделирования на компьютерах [34].
Для ориентировочных расчетов и анализа выходных сигналов ВТП можно полагать, что распределение нормальной составляющей магнитного поля накладного преобразователя, взаимодействующей с ОК, определяет форму вихревых токов на его внешней поверхности. По мере проникновения электромагнитного поля внутрь материала замкнутые линии вихревого тока приближаются к окружностям.
В связи с этим можно полагать электромагнитное поле эквивалентным возбуждению круговым витком, имеющим приблизительно такую же площадь, как усредненная площадь проекции линий нормальной составляющей первичного магнитного поля преобразователя. Это позволяет использовать для оценки выходного напряжения накладного ВТП с ферромагнитным сердечником нормированные годографы накладных ВТП без сердечника, заменив реальные размеры обмоток эквивалентным витком. Например, если ферромагнитный сердечник накладного ВТП имеет форму цилиндра, то его магнитное поле, взаимодействующее с ОК, задается торцовой круговой поверхностью соприкосновения цилиндра с внешней поверхностью объекта. Поэтому за диаметр эквивалентного витка следует принять внешний диаметр ферромагнитного цилиндра. Абсолютные же значения вносимого напряжения накладного ВТП с ферромагнитным сердечником могут быть рассчитаны путем умножения на значение максимального вносимого напряжения, определяемого экспериментально или по известным справочникам [30, 31].
436
Глава 4. КОНТРОЛЬ С ПОМОЩЬЮ НАКЛАДНЫХ ВТП
Наиболее точные данные позволяют получить методы математического моделирования электромагнитного поля накладного ВТП. В этом случае зависимость выходного напряжения ВТП вычисляется путем интегрирования соответствующих компонент электромагнитного поля в области его расположения. Погрешность таких расчетов зависит от времени вычислений, ресурсов компьютера (производительности и объема памяти), а также точности применяемой для вычислений модели и составляет обычно 1 ... 20 %, что обычно достаточно для инженерной практики.
Разработана также приближенная методика расчета накладных ВТП с ферромагнитными сердечниками, основанная на использовании приближенных аналитических методов [5]. В соответствии с ней вносимое напряжение трансформаторного накладного ВТП равно
(4.18)
где h - расстояние между ВТП и ОК; ср (Pi) ~ функция, определяющая влияние ОК на параметры ВТП; Pj = D} д/соцдо ; D] - диаметр контура максимальной плотности вихревых токов.
Для накладного ВТП без ферромагнитного сердечника D\ определяется в основном средним значением диаметра £>0 большей из обмоток ВТП и зависит от зазора h между ВТП и ОК, причем чем больше Л, тем больше D}. С достаточной для инженерной практики точностью можно считать, что D} = Do + 1,5Л.
Для ВТП с ферромагнитным сердечником (см. рис. 4.1, в) диаметр Do зависит от формы и размеров сердечника. Так, для ВТП с ферромагнитным сердечником квадратного сечения в качестве £>0 следует принимать среднее значение стороны квадрата большой (внешней) обмотки; для. ВТП с прямоугольными обмотками и ферритовым сердечником прямоугольного сечения - среднее значение стороны по меньшей стороне прямоугольника.
В случае ВТП с полуброневым ферритовым сердечником (см. рис. 4.25, а) вихревые токи создаются в области кольца между внешним контуром сердечника и его центральным цилиндром. Поэтому здесь в качестве £>0 следует принимать значение среднего диаметра этого кольца. Для ВТП с обмотками на ферритовом полукольце (рис. 4.25, в) в качестве Do принимается значение среднего диаметра полукольца.
Определив и рь функцию влияния (Pj (Pi) и вносимое напряжение можно найти таким же образом, как и для накладных ВТП без ферромагнитных сердечников.
4.13. КОМБИНИРОВАННЫЕ НАКЛАДНЫЕ ВИХРЕТОКОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
Накладные ВТП, имеющие несколько отличающихся измерительных обмоток с разным расположением их относительно оси возбуждающей обмотки, будем называть комбинированными. Измерительные обмотки такого трансформаторного преобразователя могут отличаться радиусами, расстоянием до возбуждающей обмотки, числом витков, формой витков и т.п., а расположение их относительно возбуждающей обмотки может быть самым разнообразным как по линейным, так и по угловым показателям. Комбинированные накладные ВТП обычно позволяют сравнительно просто подавлять влияние различных мешающих факторов (чаще всего зазора), выявлять неоднородности свойств ОК по его длине и обнаруживать дефекты.
На рис. 4.26 изображен вариант построения простейшего трехобмоточного накладного ВТП, который часто называется векторно-разностным, поскольку его выходное напряжение определяется разностью векторов напряжений на вторичных обмотках с числом витков W2 и
й = й2-и3. (4.19)
КОМБИНИРОВАННЫЕ НАКЛАДНЫЕ ВИХРЕТОКОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ 437
Рис. 4.26. Модель векторно-разностного накладного ВТП, расположенного над листом
Не нарушая общности и полагая для примера обмотки этого преобразователя круговыми, при встречном включении
обмоток W2 и Из можно записать (см. раздел 4.4)
= С23 |[и<5Т^зФзок(* * * х> ст> А> )ехр(-хЛ3/7/?в/?зМ^в/Яз)х
О
х (х7лз/лв )- у[^2 Ф2ОК (*, а, Л, со, Jr^R2 )ехр(- xh2 /jRjfy )х
х Jx(xjRB/R2 )л(xJr2 JRB )]dx, (4.20)
где константа C23 = .
Таким образом, взаимосвязь выходного напряжения и влияющих факторов иная, чем у накладного ВТП с одной измерительной обмоткой. В связи с этим изменяются годографы вносимого выходного напряжения системы обмоток 1/(а,Т) и их вид связан со значениями величин, характеризующих вторичные включенные встречно обмотки (И^, И^, /?в, /?2, Яз) и их взаимное расположение (Лв, h2, h3). Подбирая соответствующим образом соотношения между ними, можно выявить, например, зону, где не ослаблено влияние зазора, и измерять необходимый параметр ОК по амплитуде сигнала ВТП или получить хорошие условия для подавления влияния зазора, так как угол между направлением влияния измеряемого параметра и зазором становится близким к 90°.
Если же измерительные обмотки этого ВТП расположить в одной плоскости (h2 = h3) и подобрать соответствующим образом число витков, например
[^~(7?з-0,3/?в)
V/?2 (Я2-О,ЗЯВ)’ (‘ }
то выходное напряжение в достаточно широком диапазоне будет близким к нулю при изменении электрофизических свойств ОК. Такой накладной ВТП является дифференциальным и реагирует только на резкие изменения свойств ОК в радиальном направлении (например, нарушения структуры материала, трещины, вмятины и т.п.).
Другим примером комбинированного накладного ВТП является дифференциальный датчик с двумя идентичными и встречно включенными обмотками, расположенными в одной плоскости со сме-
438
Глава 4. КОНТРОЛЬ С ПОМОЩЬЮ НАКЛАДНЫХ ВТП
Рис. 4.27. Модель дифференциального накладного ВТП со смещенными обмотками
Рис. 4.28. Модель накладного ВТП с ортогональными обмотками
щением их относительно центра возбуждающей катушки и симметричным их расположением (рис. 4.27). Выходное напряжение U этого преобразователя равно нулю при однородном контролируемом объекте и реагирует на разность свойств на участках 1 и 2, в частности, на изменение от участка 1 к участку 2 удельной
электрической проводимости, магнитной проницаемости или толщины, а также на резкие неоднородности типа дефектов.
Для обнаружения дефектов может быть также использован накладной ВТП с ортогональными обмотками (рис. 4.28).
Напряжение U на вертикально расположенной обмотке при симметричном расположении ВТП относительно ОК будет нулевым, поскольку в этом случае отсутствует составляющая магнитного поля, пересекающая плоскость витков измерительной обмотки ВТП. При попадании в зону контроля неоднородности электромагнитных свойств ОК или какого-то дефекта симметрия системы обмоток и вихревых токов нарушается и появляется напряжение, связанное с наличием отклонения контролируемого объекта от нормы.
Размеры самой малой неоднородности свойств или дефекта, обнаруживаемых приведенными комбинированными преобразователями, зависят от точности их изготовления и влияния факторов, изменяющих их геометрическое расположение относительно ОК.
Поэтому для получения хорошего результата контроля необходимо тщательно изготавливать и настраивать комбинированные накладные ВТП во избежание появления ложных сигналов или большого остаточного уровня напряжения недоком-пенсации, что затрудняет в ряде случаев их успешное применение.
Глава 5
КОНТРОЛЬ ДВИЖУЩИХСЯ ИЗДЕЛИИ. СКОРОСТНОЙ ЭФФЕКТ
5.1. КОНТРОЛЬ ДВИЖУЩИХСЯ ИЗДЕЛИЙ НАКЛАДНЫМИ ВТП
На практике контроль часто осуществляется в процессе относительного движения ВТП или объекта. При этом в движущемся относительно магнитного поля преобразователя электропроводящем объекте возникают дополнительные вихревые токи, воздействие которых на преобразователь приводит к изменению его сигналов. Эти токи обусловлены пересечением объектом силовых линий магнитного поля.
В уравнении (П1-11) приложения 1 для векторного потенциала А движение электропроводящей среды в электромагнитном поле, изменяющемся по синусоидальному закону, учитывается выражением [Их rot4].
Наиболее часто встречающиеся в практике случаи взаимного движения пре
образователя и ОК представлены в табл. 5.1. Случаи 1 и 2 эквиваленты с точки зрения скоростного эффекта при условии, что диаметр преобразователя значительно меньше диаметра объекта.
Влияние скорости проявляется в изменении значений обобщенных параметров q и к. В табл. 5.2 приведены формулы для этих параметров проходных и накладных ВТП.
Выражение вносимого напряжения для накладного ВТП, расположенного над движущимся листом, получают решением уравнения (П1-11). На рис. 5.1 приведены годографы вектора нормированного вносимого напряжения при ц = 1 и относительной толщине Т* = Т / 2/ = 0,5 и высоте А» = h / 21 = 0,05 при различных значениях обобщенного параметра Ро = /д/соц0о и v = v/coZ, где v - обобщенный параметр скорости; v - скорость движения объекта;
5.1. Виды взаимного движения преобразователя и объекта контроля
№ п/п Объекты контроля Тип преобразователя Вид взаимного движения
1 Прутки, трубы, штанги Накладной
2 Детали с плоскими поверхностями, листы, фольга Накладной экранный О-Ьр 1
3 То же То же 0=1= A <Ч=Р А
4 Прутки, трубы, проволока, шары Проходной наружный ФМ 1 fljk и и
440
Глава 5. КОНТРОЛЬ ДВИЖУЩИХСЯ ИЗДЕЛИЙ
5.2. Формулы для обобщенных параметров проходных и накладных ВТП
Случай контроля
Формула
Рис. 5.1. Влияние скорости движения неферромагнитного листа относительно накладного преобразователя (в направлении, перпендикулярном его оси)
И 2 Л.2Г.
q = lA -к 1-------------
- V I <0
- V I со
I - сторона преобразователя квадратной формы; Т - толщина листа; h - зазор между ВТП и листом; о - удельная электрическая проводимость металла; со = 2л/; / -частота переменного электромагнитного поля.
Из приведенного рисунка видно, что увеличение обобщенного параметра скорости v приводит к перемещению точки годографа вектора вносимого напряжения внутрь области, ограниченной статическим годографом и осью ординат. При v > > 20 годограф скорости (7BH+(v) приближается к годографу Ц,Нф(Ро) • Исследования показывают, что при других значениях ро, h* и Т* зависимости (7BH+(v) аналогичны. При уменьшении Т* скоростной эффект (при прочих одинаковых условиях) резко ослабляется. То же происходит при увеличении ц0-
КОНТРОЛЬ ДВИЖУЩИХСЯ ИЗДЕЛИЙ НАКЛАДНЫМИ ВТП
441
Рис. 5.2. Влияние скорости аксиального движения ОК на годографы накладного преобразователя
Рис. 5.3. Влияние скорости движения ОК относительно экранного накладного преобразователя
Влияние движения объекта контроля на ЭДС накладного экранного преобразователя аналогично описанному.
Аксиальное движение накладного преобразователя относительно пластины (случай 3, табл. 5.1) также приводит к изменению его сигналов.
На рис. 5.2 показано влияние скорости аксиального движения накладного преобразователя относительно неферромагнитного полупространства (Т —> оо, й» = hl RB = 0,05). В качестве обобщенного параметра скорости здесь использован параметр т|о = = v₽2. Анализ годо-
графов рис. 5.2 показывает, что движение преобразователя к OK (rj0 < 0) смещает точку годографа вносимого напряжения внутрь области, заключенной между стати
ческим годографом (т]0 = 0) и осью ординат, движение преобразователя в противоположном направлении (г|0 > 0) смещает точку годографа за пределы этой области. Эффект скорости движения преобразователя относительно полупространства следует учитывать, если vP0 = v^^o/co > 0,3 при ц = 1 и vp0 > 0,8 и т]0 > 1 при ц > 1.
Структура выражения для напряжения экранного преобразователя, относительно которого движется пластина в аксиальном направлении (случай 3, табл. 5.1), также совпадает со структурой соответствующего выражения для статического варианта. На рис. 5.3 приведены годографы векторов напряжения измерительной обмотки экранного преобразователя
442
Глава 5. КОНТРОЛЬ ДВИЖУЩИХСЯ ИЗДЕЛИЙ
для двух случаев: ц = 1 и ц = 80 при Т* = Т / RB = 0,05 и относительном расстоянии между обмотками z* = z I RB = 0,05.
5.2. КОНТРОЛЬ ДВИЖУЩИХСЯ ИЗДЕЛИЙ ПРОХОДНЫМИ ВТП
При движении объектов контроля относительно проходных преобразователей с неоднородным полем (случай 4, табл. 5.1) электромагнитные процессы также описываются уравнением (П1-11). Выражение для вносимой составляющей векторного потенциала Д>н в 30не измерительной обмотки преобразователя, смещенной вдоль его оси на расстояние z, совпадает с выражением, полученным для статического случая. Отличие состоит только в параметре
q = -Ja2 +Л2 -ycopaQV.
Если плоскости возбуждающей и измерительной обмоток совпадают (z = 0), то скоростной эффект при контроле кругового цилиндрического изделия проявляется так же, как и для накладного преобразователя. При z = 0 появляется зависимость скоростного эффекта от знака вектора скорости (рис. 5.4). Положительным считается направление движения объекта контроля от возбуждающей обмотки к измерительной (т)0 > 0). Из рис. 5.4 видно, что с увеличением параметра скорости т|0 разница в проявлении скоростного эффекта при т|о > 0 и т|о < 0 уменьшается. Аналогичные результаты получаются при контроле ферромагнитных цилиндров, а также при использовании внутренних проходных преобразователей.
Решение уравнения (П1-11) для шара, движущегося относительно проходного преобразователя с неоднородным полем (случай 4, табл. 5.1), дает выражение вносимого напряжения измерительной обмотки, отличающееся от соответствующего выражения для статического варианта только значением функции, описывающей влияние ОК.
Рис. 5.4. Влияние скорости движения кругового цилиндра на годографы проходного преобразователя с неоднородным полем
Годографы относительного вносимого напряжения преобразователя по форме аналогичны годографам на рис. 5.4 для круглого цилиндра.
Анализ скоростного эффекта при контроле различных объектов накладными и проходными преобразователями разных типов показывает общий характер влияния скорости движения на сигналы преобразователей. Рассмотрим два примера, иллюстрирующие влияние скорости на выходной сигнал накладного и проходного преобразователей.
Пример 1. Круглый накладной трансформаторный преобразователь вращается вокруг трубы. Диаметр преобразователя 2RB = 10 мм, сечение обмоток 1 х х 2 мм, зазор между преобразователем и
КОНТРОЛЬ ДВИЖУЩИХСЯ ИЗДЕЛИЙ ПРОХОДНЫМИ ВТП
443
трубой h = 0,5 мм, частота вращения п = = 10 с-1, частота возбуждающего тока / = = 800 Гц. Параметры трубы: диаметр D = = 100 мм, толщина стенки Т = 5 мм, материал - медь (о = 56 МСм/м).
Находим обобщенные параметры:
Р = 7?вЛ/®ц0о =3; Т. = Т/ЯВ= 1,0;
h / RB = 0,1.
Учитывая, что диаметр преобразователя (10 мм) значительно меньше диаметра трубы (100 мм), можно пренебречь влиянием кривизны поверхности трубы и использовать результаты расчета, полученные для случая движения преобразователя над листом. Линейная скорость преобразователя v = n(D + 2h)n = 3,17 м/с: Обобщенный параметр скорости v = v / со/?в = 0,125. По рис. 5.1 можно найти (считая круговой преобразователь эквивалентным квадратному со стороной, равной радиусу кругового, и пренебрегая размерами сечения обмоток), что при v = 0,125 модуль приращения напряжения A(7BH*(v), вызванного скоростным эффектом, не превышает 3 % модуля (7ВН* при Р = 3.
Если же диаметр трубы при прочих одинаковых условиях увеличить до 500 мм,
то A£/BH*(v) составляет уже примерно 15 % С/вн*. Влияние скоростного эффекта необходимо учитывать при градуировке прибора, а также при компенсации напряжения преобразователя.
Пример 2. Цилиндрический пруток кругового сечения движется через проходной преобразователь трансформаторного типа с короткими обмотками, расположенными на одной плоскости (z* = 0). Диаметр преобразователя 2RB = 30 мм, частота возбуждающего тока f = 1250 Гц, скорость движения v = 10 м/с. Параметры прутка: диаметр 2R = 24 мм, материал - бронза марки Бр.ОЦ4-3 (о = 11 МСм/м). Обобщенные параметры: х0 = /?в ^соцоа « 5, т|о = /?bvMo<s = 2,08, /?♦ = R / 7?в = 0,8.
Рис. 5.4 показывает, что At/BH(r)0) в этом случае не превышает 4 % £/вн .
При контроле длинных объектов в проходном преобразователе с однородным полем скоростной эффект отсутствует. Это объясняется тем, что в таком преобразователе магнитное поле имеет только осевую составляющую, и объект контроля не пересекает силовые линии в процессе движения.
Глава 6
ИМПУЛЬСНОЕ ВОЗБУЖДЕНИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
6.1. ИМПУЛЬСНОЕ ВОЗБУЖДЕНИЕ ПРОХОДНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
В целях расширения возможностей электромагнитного контроля применяют импульсное возбуждение преобразователей. В таком режиме могут работать проходные (ПП) и накладные (НП) преобразователи параметрического и трансформаторного типов.
Импульсное воздействие может быть представлено как совокупность воздействий гармонических составляющих. Полезная информация, получаемая от воздействия гармонических составляющих разных частот, различна, поэтому импульсное возбуждение можно использовать для многопараметрового контроля. Кроме того, в некоторых случаях задачи контроля одного или двух параметров объектов решаются при импульсном возбуждении проще.
При импульсном возбуждении ПП рассматривают скачок (при t > 5) напряженности однородного магнитного поля Яо, направленного по оси размещенного в нем цилиндрического объекта.
Для напряженности магнитного поля //(г, t) в каждом слое кругового цилиндра справедливо уравнение
У2Н + к2Н=0, (6.1)
где к2 =~у®цао; <о = 2 л/ f - частота
В электромагнитного поля; =— - отно-
сительная магнитная проницаемость. Это уравнение решается методом разделения переменных, неизвестные коэффициенты определяются из системы уравнений, составленной на основании граничных условий.
Для однослойной трубы формула нестационарного магнитного потока через поперечное сечение трубы имеет вид
Ф(/) = лЯ22ц0Я0
(6.2)
где а = R2 / Ri; т = R^P-o0 ~ обобщенный параметр, имеющий размерность времени; - наружный и внутренний радиусы трубы;
—l(aV
Mr JL J
А
(6.3)
= ЖЖШ - Jo(akw)No(U; кт - корни характеристического уравнения:
- к (Ч )- 'оК )]= 0;
Л(аХт); Л(М; М(^-т) - функции
Бесселя 1 -го и 2-го родов.
Максимальное значение потока наблюдается при t = 0 и равно
ф(о+)=лЛ2Ио/7о. (6.4)
Таким образом, максимальное значение потока зависит только от площади поперечного сечения цилиндра (при идеальном ступенчатом воздействии) и не зависит ни от а и цг, ни от толщины стенки трубы.
На рис. 6.1 изображены графики зависимости относительного значения Ф* = = Ф(/) / Ф(0+) магнитного потока поля вихревых токов для неферромагнитной трубы, рассчитанные по приведенным форму-
ИМПУЛЬСНОЕ ВОЗБУЖДЕНИЕ ПРОХОДНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
445
Рис. 6.1. Переходный процесс в ПП, содержащем неферромагнитную проводящую трубу
лам (при = 1), в функции /♦ = Z / т. Кривые построены для разных значений a2i (a21 = 0,99 - тонкая труба, a = 0 - сплошной цилиндр). Поле в начальный момент полностью отражается и изменяется одинаково для цилиндра и трубы. Различие наступает тем позже, чем больше толщина стенки. В последующие моменты времени поле спадает, и этот спад определяется величиной о материала и толщиной стенки. Для тонкостенной трубы поле затухает очень быстро. Если рассматривать значения Ф* для трубы из ферромагнитного материала (цг » 1), то общий характер переходного процесса подобен приведенному на рис. 6.1 с тем отличием, что в конечных фазах процесса поле меняет знак и установившееся значение потока (не нулевое) увеличивается по модулю с увеличением цг.
Площадь импульса магнитного потока определяется выражениями:
для трубы
оо
О м-1
m М'
(6.5)
для однородного цилиндра
J<D(O<h = О,125тг7?2ц2о//0. (6.6)
О
Из (6.5) и (6.6) видно, что площадь линейно зависит от о.
Для случая неидеального воздействия (скачок напряженности поля с длительностью фронта 0 0), максимальное значе-
ние магнитного потока Фтах наблюдается не в начальный момент времени (/ = 0+) и зависит в общем случае от всех параметров объектов контроля (о, и т.д.), причем эта зависимость тем сильнее, чем больше 9. На рис. 6.2 приведены графики зависимости максимальных значений маг-
Ф нитного потока Фтах* =—— в 11 Id А т т
7tR2 Ро^О функции отношения т / 0 для различных значений а. При больших значениях отношения т / 0 максимумы нестационарного потока в трубе и в сплошном цилиндре совпадают. Чем больше толщина стенки, тем при меньших значениях т / 0 обнаруживается это различие.
446
Глава 6. ИМПУЛЬСНОЕ ВОЗБУЖДЕНИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
Рис. 6.2. Влияние длительности фронта возбуждающих импульсов на относительное максимальное значение магнитного потока
Соотношения (6.5) и (6.6) верны для случая неидеального скачка возбуждающего поля, что расширяет возможности импульсного метода контроля.
6.2. ИМПУЛЬСНОЕ ВОЗБУЖДЕНИЕ НАКЛАДНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
При теоретическом исследовании импульсного возбуждения накладных преобразователей решают задачу об электромагнитном поле витка над ОК при скачкообразном возрастании тока (при t = = 0+) от 0 до 1т. Величина векторного потенциала преобразователя, характеризующая нестационарный процесс, зависит от параметров ОК и представляется в виде суммы бесконечного ряда. Известны более простые приближенные формулы, обеспечивающие точность 20 ... 25 %. В частности, для неферромагнитного объекта формула для векторного потенциала, характеризующего нестационарный процесс, связанный с вихревыми токами в объекте контроля, имеет вид
где
2 t _ 2t VRB т л«тНо° (тонкий лист),
при Т/Яв ->0
Ш=1
при Т/Яв -> оо,
при 0 < Т/Яв < оо;
т
Хт + Хгп^/Къ )
т=кв2мост;
ут - корни (кроме нулевого) уравнения;
2ycos(yT / R„) + (1 - у)2 sin(yT / R„) = 0;
(6.8) S1/2W - функция Лежандра 2-го рода по-луцелого порядка.
Максимальное значение векторного потенциала обнаруживается в начальный момент времени (t = 0+):
л(о+)= lim A(t)-
t-+o+
-1 u 17-10’7(x-0,3) [К
*
(6.9) где % - меньшее из RB / 7?и и 7?и / R3; D -большее из 2R3 и 27?и.
Выражение (6.8) показывает, что максимум векторного потенциала, а значит, и ЭДС измерительной катушки преобразователя не зависят ни от Т, ни от о листа.
На рис. 6.3 изображены зависимости относительного значения векторного потенциала А» (t/т) = для различных
значений относительной толщины Т» немагнитного листа (Т* = Т / D). Видно, что в начальные моменты времени поле не зависит от Т* и о листа. Затем в течение некоторого интервала времени (зависящего от Т* и о) поле над листом изменяется
ИМПУЛЬСНОЕ ВОЗБУЖДЕНИЕ НАКЛАДНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
447
Рис. 6.3. Переходный процесс в НП, расположенном над проводящим неферромагнитным листом
так же, как и над полупространством (Т -> ->оо). Различие наступает тем позднее, чем больше Т.
Из приведенных кривых следует, что максимальная толщина Т*, при которой заметно влияние ее изменений, меньше 1, т.е. определяется лишь диаметром наибольшей катушки преобразователя. Этот вывод справедлив при небольших зазорах. С увеличением зазора А* = (Лв + Ли) / D, а также с увеличением 7?и длительность переходных процессов возрастает.
При малых толщинах (Т* « 1) возмущенное поле затухает по экспоненциальному закону, как следует из формулы (6.7) и представленных на рис. 6.3 кривых. Влияние Т* и о в этом случае, как и при гармоническом возбуждении, одинаково, что делает невозможным их раздельный контроль.
Для многослойных изделий общий характер переходных процессов подобен описанному. В начальные моменты поле несет информацию о верхних слоях проводящей среды, в дальнейшем на характер поля начинают влиять все более глубокие слои. Площадь импульса векторного потенциала поля для случая контроля неферромагнитного листа определяется выражением
оо рвн(О<Ь = О
Я
х(1-е'2т‘). (6.10)
Соотношение (6.10) выполняется и для площади импульса, полученного интегрированием по времени ЭДС измерительной катушки. Площадь импульса линейно зависит от о, что позволяет реализовать измерители с линейной шкалой. Если рассматривать накладной преобразователь при возбуждении его импульсами тока с длительностью фронта 0, то все выводы, сделанные при аналогичном рассмотрении ПП, остаются в силе.
При практической реализации импульсного электромагнитного метода ПК через возбуждающую катушку преобразователя пропускаются прямоугольные импульсы тока, а напряжение измерительной катушки поступает в интегратор. Таким образом, выходное напряжение интегратора линейно связано со значением векторного потенциала A(t) или потока Ф(Г) измерительной катушки. Максимальное значение полученных импульсов напряжения, как это следует из (6.8), зависит только от зазора и может быть использовано для отстройки от влияния его изменений. Из (6.8) видно, что среднее значение импульсов напряжений линейно зависит от о (при постоянстве остальных параметров объекта и зазора), что используется при разработке приборов с линейной шкалой о.
Глава 7
КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ФЕРРОМАГНИТНЫХ ИЗДЕЛИЙ В СРЕДНИХ И СИЛЬНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЯХ
7.1. СВЯЗЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ И МАГНИТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК
СТАЛЕЙ С ИХ ФИЗИКОХИМИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ
Особенность электромагнитного контроля ферромагнитных изделий состоит в сильном влиянии магнитных свойств ОК на сигналы преобразователя. С одной стороны, в результате изменения магнитных свойств возникают ложные сигналы, значительно осложняющие контроль и затрудняющие использование электромагнитных приборов, с другой - благодаря связи электрических и магнитных свойств ОК с его механическими характеристиками появляется возможность контроля таких свойств, как структурное состояние, механические напряжения, степень усталостного разрушения материала и т.п. Условия контроля ферромагнитных и немагнитных материалов отличаются также из-за достаточно сложной зависимости сигналов от режима возбуждения преобразователя. В то время как условия контроля немагнитных изделий практически не зависят от напряженности магнитного поля в зоне контроля, при контроле ферромагнитных изделий напряженность играет весьма существенную роль.
Для правильного выбора метода и режима контроля ферромагнитных изделий важно установление связи магнитных и электрических свойствА материалов (главным образом сталей) с их физико-химическими свойствами. Задача осложняется тем, что для разных сталей, подвергнутых тем или иным видам обработки, эта связь оказывается различной и часто неоднозначной, поэтому рассмотрение часто ограничивают установлением корреляционных зависимостей между физико-химическими и электромагнитными свойствами одной конкретной марки ста
ли, прошедшей определенный режим обработки.
Стали имеют сложное поликристал-лическое строение и состоят из различных фаз с неоднородными внутренними напряжениями. Но даже зная свойства каждой фазы, не удается рассчитать свойства их совокупности (стали) из-за сложного магнитного взаимодействия и количественного соотношения фаз, т.е. из-за сложности структуры стали. Необходимая структура стали получается в результате термической обработки.
Однако электромагнитные приборы весьма чувствительны не только к режимам термообработки, но и к изменению химического состава стали из-за того, что даже самые небольшие (доли процента) колебания содержания углерода, легирующих элементов и т.п. приводят к резким изменениям электрических и магнитных свойств. Из рис. 7.1 видно, что при
Рис. 7.1. Влияние содержания углерода на магнитные свойства углеродистых сталей
СВЯЗЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ И МАГНИТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК
449
увеличении содержания углерода на 1,5 % магнитная проницаемость цтах стали уменьшается, а коэрцитивная сила Нс увеличивается более чем в 10 раз, в то время как значения индукции насыщения Bs и остаточной индукции Вг почти постоянны. Такие изменения могут вызвать помехи, препятствующие проведению контроля структурного состояния электромагнитным методом, но в то же время открывают новые возможности оценки химического состава стали. Исследование влияния химического состава на магнитные свойства отожженных углеродистых сталей подтверждает применимость контроля содержания углерода в этих сталях путем измерения Нс или цтах.
Для успешной сортировки сталей методом вихревых токов по химическому составу влияние вариации структуры стали на ее электрические и магнитные свойства ослабляют путем отжига или нормализации.
Основной вид термической обработки сталей (закалка и отпуск) сильно изменяют как структуру стали, так и их электрические и магнитные свойства. На рис. 7.2 показан характер изменения Вг, цтах, Нс и удельного электрического сопротивления р, а также твердости HRC стали ШХ15 в зависимости от температуры закалки Гздк (закалка в масле). Из этих зависимостей видно, что коэрцитивная сила не является монотонной функцией температуры закалки, следовательно, коэрцити-метрический метод в данном случае оказывается непригодным, в то время как электромагнитный метод, весьма чувствительный к изменению магнитной проницаемости, позволяет контролировать режим закалки сталей.
Зависимость тех же электрических, магнитных и механических свойств нормально закаленных (Тзлк = 830 °C) образцов из стали ШХ15 от температуры отпуска Готп показана на рис. 7.3. Монотонное изменение электрических и магнитных характеристик позволяет применить для контроля качества низкотемпературного
Рис. 7.2. Зависимость электрических, магнитных и механических свойств стали ШХ15 от температуры закалки
отпуска как электромагнитный, так и магнитные методы, например коэрцитимет-рический.
Аналогичны результаты и при контроле качества закалки и отпуска ряда малоуглеродистых легированных сталей, т.е. после отпуска в масле или на воздухе получаются одинаковыми твердость и предел прочности, в то время как магнитные свойства отличаются на 15... 20 %.
На рис. 7.4. приведены зависимости электрических и магнитных параметров от температуры закалки для некоторых конструкционных сталей.
Важной особенностью таких зависимостей является то, что в то время как твердость стали может оставаться почти
15 - 8193
450
Глава 7. КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ФЕРРОМАГНИТНЫХ ИЗДЕЛИЙ
Рис. 7.3. Зависимость электрических, магнитных и механических свойств стали ШХ15 от температуры отпуска
неизменной и на основе измерений твердости оказывается невозможным разделить нормально отпущенные, недоотпу-щенные или переотпущенные детали, электромагнитный метод позволяет это делать. Отсюда можно сделать вывод о том, что применяемые в настоящее время механические методы контроля деталей по твердости в некоторых случаях могут уступать электромагнитным, обладающим большей чувствительностью к вариациям режимов обработки сталей, т.е. в конечном итоге к изменениям структуры. Это объясняет также встречающиеся случаи расхождения результатов механических и электромагнитных испытаний материалов. В то время как механические свойства сталей могут оказаться почти неизменными при различных видах обработки, структура стали, а следовательно, и ее электрические и магнитные свойства значительно изменяются. И если цель терми-
Рис. 7.4. Зависимость электрических и магнитных свойств сталей 30 (7), 45 (2), 50РА (3) от температуры закалки
ческой обработки состоит в получении заданной структуры (как и есть в действительности в большинстве случаев), то более правильным будет применение для контроля электромагнитных или магнитных методов.
К значительным изменениям электрических и магнитных параметров сталей приводят различные виды химико-термической обработки. Химико-термическая обработка основана на поверхностном насыщении стальных деталей углеродом (цементация), азотом (азотирование), бором (борирование) и другими элементами. Она повышает поверхностную прочность деталей. Влияние некоторых видов хими-
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЗАДАЧИ О КОНТРОЛЕ
451
ко-термической обработки сталей на их электрические и магнитные свойства в настоящее время изучено недостаточно.
Из рассмотренных примеров видно, что разные стали контролируют различными методами. Но сходные по свойствам стали можно объединить в группы, для которых могут быть выявлены общие закономерности. Как правило, это группы, имеющие близкий химический состав и структуру.
7.2. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЗАДАЧИ О КОНТРОЛЕ
ФЕРРОМАГНИТНЫХ ИЗДЕЛИЙ
Наиболее полную информацию о магнитных свойствах ферромагнитных материалов, в том числе и сталей, несут гистерезисные циклы. Невозможность описания свойств всего многообразия сталей одним гистерезисным циклом, а также отсутствие методов построения таких циклов для разных сталей по их химическому составу приводит к необходимости анализа огромного количества характеристик при расчетах сигналов электромагнитных преобразователей.
Для устранения этой трудности и обеспечения возможности использования результатов, полученных при контроле одной стали, на случай контроля других марок вводят обобщенные характеристики сталей. Для этого гистерезисные циклы материалов строятся в относительных единицах. За базисные значения выбираются остаточная индукция Вг и коэрцитивная сила Нс. Анализ зон разброса циклов гистерезиса в относительных единицах показывает, что, например, в пределах одной плавки среднеквадратичное отклонение индукции соизмеримо с погрешностью приборов при снятии магнитных характеристик. Рекомендуется при построении обобщенных циклов гистерезиса, характеризующих магнитные свойства группы сталей, объединять гистерезисные циклы сталей, у которых отношения Br / Bs отличаются не более чем на 10 %, а отно
шения Нс/ Hs (где Hs - напряженность поля, при которой индукция в стали достигает значения Bs) не более чем на 15 %. Построенный в относительных единицах гистерезисный цикл, полученный усреднением циклов такой группы, и называют обобщенным гистерезисным циклом данной группы сталей. В качестве примера на рис. 7.5 показаны обобщенный (сплошная линия) и экспериментально снятые гистерезисные циклы двух сталей данной группы (пунктирные линии).
Введение обобщенных магнитных характеристик позволяет выбирать режим электромагнитного контроля с помощью годографов сигнала преобразователя, построенных для обобщенных гистерезисных циклов, что значительно повышает
Рис. 7.5. Обобщенные и экспериментально снятые гистерезисные циклы термообработанных сталей:
1 - 30ХГСА; Гзак = 890 °C, Готп = 200 °C;
2 - ЗОХНЗА; Гзак = 890 °C, Готп = 450 °C
452
Глава 7. КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ФЕРРОМАГНИТНЫХ ИЗДЕЛИЙ
общность получаемых результатов и снижает трудоемкость подготовительной работы.
На основе анализа годографов сигнала проектируются преобразователи приборов для электромагнитного контроля, а также выбираются режимы их работы при контроле тех или иных материалов. Когда нелинейностью магнитных свойств изделий пренебрегают, режим контроля выбирают теми же известными методами, как при контроле изделий с постоянными свойствами. Однако это справедливо лишь при контроле в слабых полях, а на практике все шире начинают применяться методы контроля, использующие нелинейность магнитных характеристик. Анализ работы преобразователя в этом случае осложняется тем, что уравнения, описывающие процессы в преобразователе, нелинейны.
Электромагнитные процессы в проходном преобразователе описываются уравнениями Максвелла с соответствующими граничными условиями. Начальные условия, необходимые для отыскания решения, обычно могут быть заменены условиями периодичности (за исключением случая импульсного возбуждения). Нелинейный характер зависимости ц(/7) значительно осложняет выбор решения.
Возможны следующие способы решения поставленной задачи:
1) физическое моделирование;
2) основанное на некоторых допущениях приближенное аналитическое решение;
3) моделирование с помощью специальных моделирующих установок;
4) численное решение.
При физическом моделировании экспериментально определяют зависимость напряженности поля и магнитного потока от свойств специально подготовленных образцов и по результатам судят о характере распределения поля в материале. Сложность подбора образцов материала с нужными свойствами ограничивает применение физического моделирования только теми случаями, когда другие методы не разработаны.
7.3. ПРИБЛИЖЕННЫЙ МЕТОД АНАЛИЗА РЕЖИМОВ РАБОТЫ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ПРИ КОНТРОЛЕ ФЕРРОМАГНИТНЫХ ИЗДЕЛИЙ
Наиболее заманчивым на первый взгляд является аналитический метод решения, при котором удается получить удобные для дальнейшего анализа соотношения. Однако при этом сразу же возникает противоречие, состоящее в том, что для получения достаточно точного решения необходимо весьма точно аппроксимировать магнитные характеристики, что приводит к пока неразрешенным трудностям отыскания решения; удобные же формулы для описания магнитных характеристик имеют очень низкую точность. В результате в настоящее время аналитические методы применимы лишь для получения приближенного достаточно простого решения, предназначенного только для качественного анализа процессов в материале и необходимого при разработке и проверке более точных численных решений.
Один из аналитических методов расчета электромагнитного поля в круговом цилиндрическом изделии, а также расчета сигнала проходного преобразователя состоит в аппроксимации гистерезисного цикла специально подобранной функцией с комплексными коэффициентами. Уравнение для отыскания напряженности поля записывается в виде
1 d (Rdfi} dB --------- = о--. г dr dr J d/
(7.1)
Если считать, что радиус измерительной катушки г преобразователя равен радиусу контролируемого цилиндра R, то ЭДС измерительной катушки проходного преобразователя определяется значением производной АН / dr на поверхности цилиндра
е(0 =
2лн-и/? d_H
(У dr
r = R,
(7.2)
ПРИБЛИЖЕННЫЙ МЕТОД АНАЛИЗА РЕЖИМОВ РАБОТЫ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ 453
где м>и - число витков измерительной катушки.
Для частот, при которых глубина проникновения поля мала по сравнению с радиусом R, разработан приближенный аналитический метод определения гармонического состава ЭДС, определяемой соотношением (7.2). Для аппроксимации нелинейных магнитных характеристик введена зависимость комплексной магнитной проницаемости ц от Н:
ц = [1г + аН2, (73)
где коэффициенты и а подбираются при аппроксимации гистерезисного цикла. На рис. 7.6, а показана кривая намагничивания (пунктирная линия) и аппроксимирующая ее кривая (сплошная линия), построенная при действительных значениях коэффициентов и а, а кривая на рис. 7.6, б соответствует комплексным коэффициентам и а. Подбором коэффициентов ц, и а получают функции, аппроксимирующие различные типы гистерезисных циклов.
Решение системы уравнений Максвелла в этом случае отыскивается в виде ряда
Н = ^Н„(Г)е^. (7.4)
1
Как показывают результаты численного расчета, влияние высших гармонических составляющих на низшие невелико, поэтому было сделано предположение о независимости низших гармонических составляющих от высших.
Рис. 7.6. Аппроксимация кривой намагничивания (а) и гистерезисного цикла (б)
Уравнение (7.1) решается подстановкой ряда (7.4) в это уравнение и сведением получающегося результата к бесконечной системе обыкновенных дифференциальных уравнений второго порядка. Эта система допускает последовательное отыскание гармонических составляющих, начиная с первой. Решение уравнения для первой гармоники имеет вид
Н}=Н\т ехр(- ), (7.5)
где z = R- г; НХт- амплитуда первой гармоники напряженности магнитного поля, создаваемого преобразователем.
Аналогично отыскивается распределение высших гармоник внутри ферромагнитного цилиндра.
Так, распределение третьей гармоники описывается выражением
нз = -(«/6цг )Я3т |ехр(- Zy/ljaii
-ехр
(7.6)
Таким образом, определение законов изменения гармоник напряженности поля внутри ферромагнитного материала сводится к решению неоднородных линейных уравнений, причем коэффициенты определяются уже найденными гармоническими составляющими более низких порядков.
Когда Н на поверхности цилиндра, помещенного в проходной преобразователь, изменяется по синусоидальному закону, распределение третьей гармоники согласно (7.6) представляется в виде двух экспонент с различным затуханием. На рис. 7.7 показано распределение третьей гармоники Н в функции расстояний z = = R - г от поверхности цилиндра.
Для определения гармонического состава ЭДС измерительной катушки проходного преобразователя достаточно найти значения производных по переменной г найденных выражений в точке z = 0 для каждой гармоники напряженности магнитного поля и подставить их в формулу (7.2).
454
Глава 7. КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ФЕРРОМАГНИТНЫХ ИЗДЕЛИЙ
Рис. 7.7. Распределение третьей гармоники напряженности поля в ферромагнитном цилиндре
В результате получим
Э,
е>(я/4)ЛЯ1/и.
(7.7)
Рассчитанная по этой формуле первая гармоника ЭДС совпадает с ЭДС проходного преобразователя при контроле объекта с постоянным ц в области больших значений параметра х. Начиная с х2 = 3, отличие по фазе векторов Э* от значений для постоянных значений ц меньше 8°, а для х2 > 7 меньше 2°30', амплитудные же значения различаются не более, чем на 5 %.
Из выражения для третьей гармоники ЭДС
Э, «l,32(w„(7.8)
видно, что третья гармоника тем меньше, чем больше цг, т.е. чем ближе свойства материала к линейным. С возрастанием же коэффициента а, характеризующего нелинейные свойства материала, третья гармоника возрастает. Амплитуды гармоник уменьшаются с увеличением с.
Из решения, полученного аналитическим методом, следует, что присутствие третьей гармоники в кривой напряженности поля, создаваемого проходным преобразователем, не изменяя первой гармоники ЭДС, оказывает существенное влияние как на третью, так и на пятую гармоники
ЭДС. Подбирая амплитуду и фазу третьей гармоники напряженности возбуждающего поля, можно уменьшить до нуля пятую гармонику ЭДС, т.е. добиться подавления некратной частоты.
Общим недостатком аналитических методов расчета проходного преобразователя при контроле ферромагнитных объектов является громоздкость вычислений и низкая точность результатов.
7.4. ПРИМЕНЕНИЕ НЕЛИНЕЙНЫХ МОДЕЛЕЙ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ
ПРОЦЕССОВ В ПРОХОДНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯХ
Недостатки аналитических методов расчета сигналов преобразователя в значительной степени устраняются применением моделирующих установок различного типа. При моделировании нелинейных явлений, описываемых дифференциальными уравнениями с нелинейными коэффициентами, используют сеточные модели с различными типами нелинейных элементов: нелинейные конденсаторы (вари-конды), нелинейные индуктивности (дроссели), нелинейные резисторы, а также специальные блоки нелинейности. Сколько-нибудь значительные результаты получены на моделях /?С-типа, использующих резисторы и нелинейные конденсаторы.
Для применения сеточных моделей с нелинейными конденсаторами необходимо так подбирать конденсаторы, чтобы в относительных единицах зависимость их емкости от напряжения С^((Л) совпадала с зависимостью магнитной проницаемости материала ОК от напряженности магнитного поля pj (//♦).
Форма зависимости C(U) сегнетоэлектрических конденсаторов (варикон-дов) подобна ферромагнетиков. Достаточно хорошего совпадения этих зависимостей в относительных единицах добиваются подключением параллельно ва-риконду постоянного конденсатора.
ПРИМЕНЕНИЕ НЕЛИНЕЙНЫХ МОДЕЛЕЙ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ 455
Рис. 7.8. Схема узла ЯС-модели
Из одинаковых ячеек, показанных на рис. 7.8, строятся одномерные и двумерные /?С-сетки. Сеточную модель подключают к генератору переменного напряжения и, измеряя напряжения между узлами различных ячеек и базовым, определяют распределение напряженности поля в оригинале.
Ток, потребляемый всей сеточной моделью, имеет своим аналогом ЭДС в оригинале.
Экспериментально определенные зависимости ЭДС преобразователя от частоты, полученные на образцах из стали 10, отличаются от результатов моделирования
не более чем на 12 % по амплитуде и 4° по фазе в широком диапазоне частот.
Характер изменения гармонического состава напряженности поля внутри ферромагнитного цилиндра показан на рис. 7.9. Если на поверхности контролируемого изделия (г / г* = 1) третья гармоника отсутствует (т.е. намагничивающее поле синусоидально), то по мере проникновения поля внутрь материала доля третьей гармоники возрастает. При малых значениях х вследствие малого затухания поля материал остается в насыщенном состоянии во всем сечении и доля третьей гармоники возрастает вплоть до оси цилиндра. С увеличением х из-за затухания поля содержание третьей гармоники напряженности во внутренних слоях уменьшается.
Весьма удобны нелинейные сеточные модели для определения сигналов от дефектов в ферромагнитных изделиях.
Эти сигналы могут быть определены по диаграммам, приведенным для неферромагнитных изделий, только в том случае, когда магнитную проницаемость материала изделия можно считать постоянной. Это справедливо в области весьма слабых полей, когда ца = Ран (Ма.н - абсолютная начальная магнитная проницаемость). В этом случае сигналы, определяемые
Рис. 7.9. Изменение гармонического состава напряженности поля в ферромагнитном цилиндре
456
Глава 7. КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ФЕРРОМАГНИТНЫХ ИЗДЕЛИИ
по диаграммам, должны быть увеличены
так и на нелинейных /?С-сетках. На рис.
по модулю в ца раз. Кроме того, следует иметь в виду, что сигналы должны быть определены при тех же значениях параметра х2, что и для неферромагнитного материала. Однако при одинаковых размерах и одинаковых о ферромагнитного и неферромагнитного изделий и использовании одной рабочей частоты тока возбуждения значения параметра х2 различаются в ца раз.
На практике для дефектоскопии часто используют такие режимы работы преобразователя, когда нельзя считать ц постоянной. В этом случае необходимо учитывать зависимость сигналов, вызванных дефектами, не только от обобщенного па
раметра х, но и от напряженности магнитного поля Я в зоне преобразователя.
Зависимости такого рода изучены как с помощью решения нелинейных задач,
7.10 приведена зависимость At/* = At/*(A*, Я*) для поверхностных дефектов в прутке квадратного сечения из конструкционной стали (типа сталь 5, сталь 10, сталь 30) при х2 = 1, на рис. 7.11 та же зависимость представлена для модуля At/* при х2 = 1 и х2 = 6,25. В данном случае под At/* понимается отношение At/* = At/ / t/0, где t/0 -напряжение измерительной обмотки преобразователя при размещении в нем изделия с ца = ца н и о = 0 (г| = 1), а = = Я= / Яи тах, где Я= - действующее значение напряженности переменного магнитного поля в зоне преобразователя; Яи тах -
значение Я., соответствующее максимуму зависимости
Ца ~ Ца(Я).
Рис. 7.10. Влияние напряженности возбуждающего магнитного поля на сигналы проходного преобразователя, вызванные дефектами, при контроле стального прутка квадратного сечения (х2 = 1): а-Я^<0,2;б-Я~*>0,5
АНАЛИЗ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ПРОХОДНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
457
Рис. 7.11. Влияние напряженности ЛС возбуждающего магнитного поля на амплитуду сигналов проходного преобразователя, вызванных дефектами, при контроле стального прутка квадратного сечения: а)-х2 = 1; б)-л2 = 6,25
Из рис. 7.10 и 7.11 видно, что Д£Л возрастает приблизительно в 40 раз при изменении при от 0,05 (линейный режим, ца = ца н) до 1 при х2 = 1 и в 4 раза -при х2 = 6,25. Максимум Д£Л имеет место при « 1, а изменение приводит к значительным изменениям фазовых соотношений сигналов от дефектов, что выражается в повороте годографов векторов на комплексной плоскости.
Изучение зависимости Д£А = ДС/*(х2, Н^) показывает, что оптимальные значения х2, при которых значение (7* максимально, в сильной степени зависят от (определяемого током возбуждения). Так, для I-L* = 0,05 оптимальное значение х2 = = 9... 16, а для PL* > 1 оптимальное значение х2 = 1.
Нелинейная сеточная модель на ва-рикондах удобна для исследования режимов работы преобразователя и электромагнитных процессов внутри ферромагнитного материала.
В качестве нелинейного элемента модели могут быть использованы электронные блоки нелинейности. Применение таких блоков целесообразно в тех случаях, когда требуется исследовать влияние на параметры преобразователя небольших изменений отдельных участков магнитных характеристик.
Возможно также подключение конденсаторов, аппроксимирующих нелинейную характеристику, к узлу сетки с помощью электронных ключей, управляемых потенциалом узла сетки.
Однако, несмотря на удобство применения сеточных моделей, их основным недостатком является отсутствие универсальности. Переход к исследованию другого типа материала, относящегося к группе с другим обобщенным гистерезисным циклом, требует, по существу, создания новой модели, так как должны быть заново подобраны все вариконды. Так же труден и переход к другой форме сечения ОК.
7.5. АНАЛИЗ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ПРОХОДНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
С ПОМОЩЬЮ ЧИСЛЕННЫХ МЕТОДОВ
Численные методы позволяют значительно повысить точность расчета режимов работы преобразователей.
Задача определения электрических и магнитных свойств протяженных объектов круглого и прямоугольного сечения решена численным методом с учетом как нелинейной кривой намагничивания, так и петли гистерезиса. Алгоритм расчета по без гистерезисной кривой намагничивания
458
Глава 7. КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ФЕРРОМАГНИТНЫХ ИЗДЕЛИЙ
значительно проще, и для области сильных намагничивающих полей получаются вполне удовлетворительные результаты. Учет полного цикла перемагничивания позволяет получить необходимую точность практически для всех случаев расчета преобразователей.
При использовании метода конечноразностных схем граничное значение Нт = = H(t) определяется напряженностью поля, создаваемого преобразователем. Ток возбуждения обычно периодический, поэтому функция H(t) либо синусоидальна, либо представляет собой ряд гармоник.
На оси контролируемого цилиндрического объекта плотность вихревых токов равна нулю, поэтому второе граничное условие задается из условия симметрии:
dZ//dr/r=o = O.
Поскольку при расчете проходных преобразователей чаще всего интересуются лишь установившимся периодическим процессом, за базовое значение времени целесообразно принять период Т изменения граничной функции. Тогда шаг по времени А/ равен Т/ т, где т - число участков на периоде изменения граничной функции H(t),
Для сокращения вычислительной работы при решении задачи без учета полного цикла перемагничивания целесообразно использовать абсолютно устойчивую неявную расчетную схему.
В этом случае конечно-разностная аппроксимация уравнения для круглого цилиндрического изделия представляет собой систему алгебраических уравнений вида
н/у -2я/+1+///;' 1 я,/;1+//Д1
Дг2 г 2\г
а граничные условия запишутся на поверхности цилиндра в виде Н/=о = H(t) =
= /7(0, а на оси цилиндра Hlm = HJm_x.
Решение удобно отыскивать методом прогонки.
После того как значения Н рассчитаны для всех значений у, т.е. для всего периода Т, весь процесс повторяется с тем отличием, что в качестве начального условия берется распределение напряженности поля, получившееся в конце периода. Расчет продолжается до установления режима.
Применение неявной схемы удобно тогда, когда нелинейные зависимости ц(/7) или В(Н) однозначны, т.е. расчет проводится по безгистерезисной кривой намагничивания. В этом случае необходимое значение ц или В определяется в процессе вычисления непосредственно по значению Н. Если при расчете нельзя пренебречь потерями на перемагничивание, то следует учитывать полный цикл гистерезиса. В этом случае зависимости ц(/7) или В(Н) двузначны. Это имеет место при расчете режимов контроля в средних полях для многих сталей. В этом случае построение большого количества расчетных схем для изделий с различными вариантами термической и механической обработки, необходимых для расчета чувствительности преобразователей, трудоемко, из-за чего теряются преимущества неявной схемы.
В целях сокращения подготовительной работы приходится использовать явную расчетную схему. Конечно-разностная аппроксимация в случае круглого цилиндрического изделия для момента времени t представляет собой систему /V уравнений вида
r,(Ar)2o(dB / dr) = [(г, + \r / 2)H(B, +,) -
- 2rtH(B^ + (r* - Ar / 2)H(B, _,).
(7.Ю)
Начальные и граничные условия задаются так же, как и в предыдущем случае. Решение этой системы отыскивается любым известным методом. Семейство гистерезисных циклов и кривая намагничивания задаются с помощью кусочнолинейной аппроксимации. Их аналитическое задание нецелесообразно из-за большого объема подготовительной работы.
АНАЛИЗ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ПРОХОДНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
459
Напряженность магнитного поля определяется по вычисленной магнитной индукции. Периодический режим определяется путем сравнения отстоящих друг от друга на период Т значений магнитного потока, проходящего через сечение цилиндра. При синусоидальном намагничивающем поле достижение установившегося режима с точностью 0,1 % происходит по первой и третьей гармоникам после пяти-шести периодов, а по пятой - после восьми.
Численным методом можно сравнительно просто исследовать влияние свойств контролируемого изделия или параметров намагничивающего поля. Численный расчет годографов сигналов проходных преобразователей свободен от недостатков, связанных с трудностями проведения измерений, ограниченностью диапазона изменения частоты, и напряженности поля при применении моделирующих установок.
В слабых полях (Я* «0,1), когда магнитная проницаемость постоянна, годограф первой гармоники для магнитомягких материалов совпадает с известным годографом для материалов с ц = const (рис. 7.12), а высшие гармоники в этом случае практически отсутствуют. При возрастании напряженности поля из-за роста магнитной проницаемости происходит значительное увеличение магнитного потока, и годограф первой гармоники как бы расширяется, а линии, соответствующие неизменной частоте намагничиващего поля, изгибаются в сторону увеличения параметра х вследствие возрастания ц. При насыщении материала поток вновь уменьшается.
Основное отличие годографов, рассчитанных по безгистерезисной кривой намагничивания, от экспериментальных состоит в фазовом сдвиге, вызванном потерями на перемагничивание. Несмотря на этот сдвиг, относительное расположение точек на расчетных и экспериментальных годографах одинаково, что дает возможность определять чувствительность пре-
Рис. 7.12. Годографы ЭДС проходного преобразователя, рассчитанные по безгистерезисной кривой намагничивания
образователя к небольшим изменениям различных параметров по годографам, построенным без учета гистерезисного цикла. Годографы, рассчитанные с учетом полного цикла перемагничивания по схеме, требующей значительно большего машинного времени, не имеют этого фазового сдвига и достаточно хорошо совпадают с экспериментальными данными (см. рис. 7.12).
При расчете сигналов проходного ВТП без учета гистерезисного цикла в сильных намагничивающих полях целесообразно использовать безгистерезисную кривую, а в слабых - основную кривую намагничивания.
Высокая точность расчетов, обеспечиваемая численными методами, дает возможность исследовать влияние искажений намагничивающего поля преобразователя на гармонический состав ЭДС. Результаты этого исследования важны при применении метода высших гармоник.
460
Глава 7. КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ФЕРРОМАГНИТНЫХ ИЗДЕЛИЙ
Рис. 7.13. Годографы ЭДС преобразователя, рассчитанные с учетом гистерезисного цикла
В результате расчета численным методом обнаружено, что наличие третьей гармоники в кривой намагничивающего тока практически не влияет на значение первой гармоники, что хорошо согласуется с результатами аналитических расчетов. На третью гармонику ЭДС влияние третьей гармоники намагничивающего тока весьма значительно. С помощью годографов, приведенных на рис. 7.14, можно сопоставить влияние на третью гармонику изменений диаметра и появления третьей гармоники в кривой намагничивающего тока. Вектор приращений АЭ3* нормирован по номинальной величине Э3 для каждого режима питания преобразователя. Видно, что появление в кривой намагничивающего тока третьей гармоники, составляющей 1,0 % основной гармоники (Я3 = 0,01 Яр), вызывает изменение третьей гармоники ЭДС, вдвое превышающее изменения, вызванные уменьшением диаметра на 10 %.
Рис. 7.14. Влияние третьей гармоники намагничивающего тока на третью гармонику ЭДС проходного преобразователя
При питании преобразователя от стандартных источников, имеющих достаточно малый коэффициент нелинейных искажений, необходим тщательный анализ гармонического состава намагничивающего тока. Присутствие даже 1 % гармоник в кривой тока, что допустимо по техническим условиям для большинства низкочастотных генераторов, может настолько изменить гармонический состав ЭДС, что контроль на высших гармониках станет невозможным.
7.6. ДВУХЧАСТОТНЫЙ МЕТОД КОНТРОЛЯ ФЕРРОМАГНИТНЫХ
ИЗДЕЛИЙ
Широкое применение для структуро-скопии стальных изделий находит метод двухчастотного намагничивания.
Метод заключается в том, что на ферромагнетик воздействуют двумя переменными электромагнитными полями, амплитуды напряженности и частоты которых находятся в следующих соотношениях:
» ЯШ(0 И СО » О,
ДВУХЧАСТОТНЫЙ МЕТОД КОНТРОЛЯ ФЕРРОМАГНИТНЫХ ИЗДЕЛИЙ
461
где о и Q - соответственно круговые частоты высокочастотного и низкочастотного полей, а Нт(Л и - амплитуды их напряженности, причем амплитуда Нт(й настолько мала, что перемагничивание в высокочастотном поле происходит по обратимым частным циклам.
Экспериментальными исследованиями установлено, что при указанном перемагничивании ферромагнетика на выходе проходного преобразователя появляются высшие высокочастотные гармоники. Амплитуды их изменяются в соответствии с частотой Q.
При анализе процессов, происходящих в ферромагнетике при таком перемагничивании, вихревые токи не учитываются.
Кривая H(t) при указанном перемагничивании имеет характер, показанный на рис. 7.15, а. Участок изменения напряженности поля ab от максимума до следующего за ним минимума представляет
собой отрицательное приращение АН_. Следующий участок bd обозначен АН+.
На гистерезисном цикле выделим небольшую область /, показанную на рис. 7.15, б. Изменение напряженности магнитного поля по участкам ab, be, cd (рис. 7.15, а) приведет к изменению магнитного состояния по участкам a'b', b'c', c'd' (рис. 7.15, б). В целях упрощения анализа предполагают, что изменение магнитного состояния от точки Ь' до точки d ' происходит по прямой b'd’, показанной пунктиром на рис. 7.15, б. Для описания такого процесса введена эквивалентная магнитная проницаемость
Цэкв / = (Мд ДН’+ + ^А//'\) / АЯ+. (7.11)
Значение цэкв, определяется как магнитными свойствами ферромагнетика, так и соотношениями амплитуд намагничивающих полей. Выражение для индукции может быть записано в виде
Рис. 7.15. Перемагничивание ферромагнитного материала при двухчастотном возбуждении преобразователя:
а - кривая H(t); б - участок гистерезисного цикла
462
Глава 7. КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ФЕРРОМАГНИТНЫХ ИЗДЕЛИЙ
ВМ =
B_(t) = ЦдХш/^ZcosQ^ + Hmat cosco/) В+ (t) = цэкв/(ПЯт/С05Ог, + Hmat cosco/)
при /, < / < /2, при /2 </ </4;
(7.12)
Э/(/) = -м'и5-
pA,(Q/7mn/cosQ/, -co//m(O/sincor) Нэкв/^т'008^ -СоЛ/^/sinСО/)
при tx < t < t2
при t2 <t </4.
(7.13)
Разложение ЭДС 9,(0 в ряд Фурье имеет высокочастотный и низкочастотный спектры. Амплитуды гармоник высокочастотного спектра изменяются с частотой, равной удвоенной частоте низкочастотного поля.
Форма огибающей высокочастотного сигнала зависит от многих факторов: физических и геометрических свойств объекта контроля, соотношения между параметрами намагничивающих полей, геометрии преобразователя. Эта форма определяется также наличием дефектов в зоне расположения измерительной катушки. Таким образом, с помощью анализа огибающей высокочастотного выходного сигнала удается увеличить информативность двухчастотного метода. Этот метод позволяет не только обнаруживать поверхностные и подповерхностные поперечные дефекты, но в некоторых случаях разделять их по типам.
На основе использования двухчастотного метода разработаны приборы для контроля стальных изделий. Один из приборов имеет частоты намагничивающих полей 125 кГц и 50 Гц и предназначен для обнаружения поверхностных локальных и поперечных, а также внутренних дефектов.
В другом приборе используются частоты намагничивающих полей 200 кГц и 200 Гц. Прибор применяется для контроля глубины обезуглероженного слоя стальных прутков.
Из разработанных рекомендаций по применению двухчастотного метода следует, что амплитуда напряженности низкочастотного поля должна обеспечивать состояние ферромагнитного образца, близкое к насыщению. При контроле подповерхностных дефектов эту напряжен
ность необходимо увеличивать. Оптимальной частотой высокочастотного поля считается 100... 200 кГц.
Сопоставление двухчастотного метода с другими показало, что по своим возможностям он весьма близок к традиционному методу высших гармоник.
7.7. ГОДОГРАФЫ СИГНАЛОВ ПРОХОДНЫХ ВТП ДЛЯ ФЕРРОМАГНИТНЫХ ОК
При контроле ферромагнитных изделий в производственных условиях обычно ставится задача определения не самой контролируемой величины (твердости, температуры закалки или отпуска и т.п.), а ее отклонения от заданного номинального значения. Изменения в пределах допусков других параметров контролируемого изделия не должны сказываться на результатах контроля. Поэтому выбирать режим работы преобразователя следует из условия максимального отношения сигнал/помеха.
На рис. 7.16 приведены годографы приращений первой АЭр и третьей АЭ3* гармоник, нормированных по Эо, при изменении температуры отпуска стали 30ХГСА. Видно, что при уменьшении частоты тока возбуждения ВТП приращения как первой, так и третьей гармоник увеличиваются. Такого же типа зависимости получаются при изменении температуры закалки. Это говорит о том, что при контроле объемной закалки и отпуска протяженных изделий из конструкционных легированных сталей целесообразно выбирать возможно более низкую рабочую частоту.
Наиболее распространенный мешающий фактор при структуроскопии проходными ВТП - колебание геометри-
ГОДОГРАФЫ СИГНАЛОВ ПРОХОДНЫХ ВТП ДЛЯ ФЕРРОМАГНИТНЫХ ОК
463
Рис. 7.16. Годографы приращений гармонических составляющих сигнала преобразователя при измерении температуры отпуска ОК: а - первой составляющей; б - третьей составляющей
Рис. 7.17. Годографы приращений гармонических составляющих сигнала преобразователя при изменении диаметра объекта контроля: а - первой составляющей; б - третьей составляющей
ческих размеров, в частности диаметра. На рис. 7.17 приведены годографы АЭр и ДЭз* при увеличении диаметра контролируемого прутка на 10 %.
Видно, что приращения возрастают с уменьшением частоты, т.е. в области частоты, приемлемой для контроля термической обработки, мешающие сигналы ока
464
Глава 7. КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ФЕРРОМАГНИТНЫХ ИЗДЕЛИИ
зываются небольшими, причем приращения первой гармоники, вызванные контролируемым и мешающим параметрами, практически имеют одну и ту же фазу. Весьма незначительная возможность фазовой отстройки имеется на третьей гармонике. Несколько облегчает сложные условия контроля то, что со снижением напряженности поля приращения третьей гармоники, вызванные мешающим параметром (изменением диаметра), уменьшаются быстрее, чем приращения третьей гармоники, вызванные изменением контролируемого параметра (например, температуры отпуска). Если учесть, что контролируемые изделия из легированных сталей обычно имеют весьма жесткий допуск на изменение диаметра, то становится очевидной возможность амплитудной отстройки при намагничивающих полях с //^ = 0,5...!.
Важная особенность электромагнитного контроля ферромагнитных изделий состоит в зависимости относительных приращений ЭДС от намагничивающего тока. На рис. 7.18 показаны зависимости АЭ3* от напряженности поля преобразователя при различных температурах отпуска. Из этих зависимостей видно, что при контроле температуры отпуска цилиндрических изделий из легированной стали максимум чувствительности получается при Нт* = 0,75, и что ДЭз* более чем вдвое превышают ДЭр и значительно меньше зависят от изменения частоты намагничивающего поля. Таким образом, при контроле протяженных стальных изделий целесообразно использовать третью гармонику сигнала преобразователя; намагничивающий ток выбирать таким, чтобы напряженность поля в преобразователе составляла около 0,6 ... 0,8 Нс объекта с номинальными параметрами.
Некоторые особенности возникают при контроле коротких стальных изделий. В отличие от немагнитных изделий, когда влияние края изделия нужно учитывать при отношениях длины / к диаметру d около 2, для ферромагнитных учет его необходим уже при отношениях 10... 20.
Рис. 7.18. Зависимость приращений третьей гармоники сигнала преобразователя от напряженности магнитного поля в рабочей зоне при различных температурах отпуска
Годографы первой гармоники сигналов для ферромагнитных цилиндрических изделий, снятые даже при больших отношениях / / d, значительно отличаются от годографа при 7 / d -> оо (рис. 7.19). Направление смещения годографов (пунктирные линии) отличается от случая немагнитных материалов во всем диапазоне изменения напряженности поля. Угол, образованный направлением влияния изменения длины изделия (пунктирная линия) и направлением влияния изменений диаметра (штрихпунктирная линия), увеличивается с возрастанием значения обобщенного параметра х и при х = 3 достигает 14°, но при х > 5 чувствительность к изменению диаметра падает. При использовании амплитудно-фазового метода для раздельного контроля длины и диаметра ферромагнитных изделий можно рекомендовать диапазон значений х = 3 ... 5. Влияние длины изделий следует учитывать и при анализе сигналов высших гармоник.
Анализ годографов ЭДС в случае ферромагнитных изделии показывает, что уменьшение длины не просто увеличивает
ГОДОГРАФЫ СИГНАЛОВ ПРОХОДНЫХ ВТП ДЛЯ ФЕРРОМАГНИТНЫХ ОК
465
Рис. 17.19. Влияние изменений длины объекта контроля на годографы ЭДС проходного преобразователя
размагничивающий фактор и приводит к снижению напряженности поля на поверхности изделий, а качественно изменяет условия перемагничивания. При увели
чении напряженности поля гармонический состав прежним не остается. Это открывает возможность как для контроля длины ферромагнитных изделий по первой и третьей гармоникам, так и для отстройки от влияния изменений длины.
Для контроля длины изделий цилиндрической формы можно рекомендовать проходной преобразователь, у которого длина намагничивающей катушки составляет половину номинальной длины изделия, а частота тока возбуждения выбрана из условия получения значения параметра х, равного или меньшего 3. Для отстройки от влияния длины изделия можно рекомендовать малые отношения длины намагничивающей катушки к длине изделия и значения х> 3,5.
При контроле изделий из ферромагнитных материалов часто применяют подмагничивание изделия постоянным магнитным полем в целях подавления влияния вариаций магнитных свойств материала на сигналы преобразователя. С помощью нелинейной сеточной модели изучалось влияние подмагничивания на сигналы от дефектов и на отношение сиг-нал/помеха, когда под помехой понимаются изменения выходного напряжения преобразователя, обусловленные вариацией магнитных свойств материала контролируемого изделия.
На рис. 7.20 показано влияние относительной напряженности //♦ = Н=/ тах
Рис. 7.20. Влияние изменения напряженности магнитного поля намагничивания на отношение сигнал/помеха
466 Глава 7. КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ФЕРРОМАГНИТНЫХ ИЗДЕЛИИ
постоянного магнитного поля на отношение сигнал/помеха / А(7*(ц) для
поверхностного дефекта глубиной h* = 0,1 в прутке квадратного сечения из стали 30 при = 0,1. Из рисунка видно, что существенное влияние Я*= на отношение сигнал/помеха наблюдается при Я*= > 2, причем наиболее резко оно проявляется для 10 < х2 < 60.
Однако чаще используют постоянное магнитное поле такой напряженности, при которой материал объекта контроля находится в насыщении. Этот метод позволяет
во многих случаях значительно ослабить влияние изменения ц и контролировать изделие как немагнитное. Все условия контроля в этом случае выбираются методами, совпадающими с методами контроля немагнитных материалов, и при этом специфика контроля ферромагнитных изделий полностью исчезает. Следует иметь в виду, что с увеличением степени насыщения убывает значение как помех, так и полезных сигналов. Однако отношение сигнал/помеха обычно возрастает.
Глава 8
СПОСОБЫ ВЫДЕЛЕНИЯ ИНФОРМАТИВНЫХ СИГНАЛОВ С ОСЛАБЛЕНИЕМ ВЛИЯНИЯ МЕШАЮЩИХ ФАКТОРОВ
8.1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ И КЛАССИФИКАЦИЯ СПОСОБОВ
Электромагнитный НК дает возможность определять многие параметры ОК. Носителем полезной информации может быть любая величина, характеризующая электрические цепи или электрические сигналы. Наиболее часто в качестве выходных величин электромагнитных измерительных преобразователей служат: амплитуда, фаза, активная и реактивная составляющие электрического сигнала, модуль и составляющие электрического сопротивления, резонансная частота контура. Выбор той или иной выходной величины определяется контрольно-измерительной задачей и требованиями к измерительной аппаратуре.
В зависимости от числа учитываемых параметров различают однопараметровый, двухпараметровый и многопараметровый контроль. Простейшим вариантом контроля является однопараметровый. Он применяется, как правило, тогда, когда влияние контролируемого параметра на выходную величину существеннее, чем влияние других параметров. В этом случае условия контроля выбираются так, чтобы чувствительность к контролируемому параметру была максимальной, а чувствительность к другим влияющим факторам -минимальной.
Примером однопараметрового контроля может служить измерение диаметра цилиндрического изделия (проволоки, прутки, трубы и т.д.). Выбрав рабочую частоту тока возбуждения ВТП достаточно высокой (см. годограф на рис. 3.3, 3.4, 3.7), можно добиться необходимого ослабления влияния удельной электрической проводимости металла объекта на величину выходного напряжения преобразователя.
При проектировании аппаратуры однопараметрового электромагнитного контроля следует выбирать преобразователь, позволяющий решить поставленную задачу, и проанализировать его характеристики на базе годографов вносимых напряжений.
Двухпараметровый контроль в настоящее время является наиболее распространенным и применяется в том случае, когда сильное влияние на выходные величины измерительного преобразователя помимо контролируемого оказывает еще один параметр - мешающий. Для существенного снижения влияния мешающего параметра на результат контроля используют специальные способы и приемы, которые называют подавлением мешающего фактора или отстройкой от мешающего фактора. Способы подавления одного мешающего фактора при двухпараметровом контроле разработаны наиболее полно и получили широкое применение. Рассмотрим более подробно основные способы двухпараметрового контроля.
Двухпараметровый контроль основан на глубоком анализе зависимостей выходных величин электромагнитного преобразователя от контролируемого и подавляемого параметров. Такой анализ позволяет выбрать способ выделения полезной информации и условий контроля, обеспечивающий минимальную погрешность измерений.
Например, из рис. 4.5 видно, что фаза вносимого напряжения накладного ВТП почти не зависит от зазора Л*, поэтому, измеряя фазу вносимого напряжения, можно проводить измерение удельной электрической проводимости с подавлением влияния зазора. Чтобы получить большую чувствительность к удельной электрической проводимости, условия
468
Глава 8. СПОСОБЫ ВЫДЕЛЕНИЯ ИНФОРМАТИВНЫХ СИГНАЛОВ
контроля следует выбирать, руководствуясь рис. 4.6 и 4.7. При контроле с подавлением какого-либо мешающего фактора чувствительность к контролируемому параметру обычно снижается, но компенсируется повышением точности контроля, поскольку погрешность от влияния мешающего фактора уменьшается гораздо больше.
Многопараметровый контроль используется в тех случаях, когда число учитываемых факторов больше двух. Разработка аппаратуры многопараметрового контроля является сложной специальной задачей и основывается на изучении свойств различных измерительных преобразователей в широком диапазоне изменений рабочих частот тока возбуждения и размеров элементов преобразователей.
Известные способы выделения полезной информации с подавлением мешающих факторов можно сгруппировать следующим образом:
- использование основных свойств измерительных преобразователей;
- применение двухпараметровых способов выделения полезной информации с непосредственным разделением влияния учитываемых факторов путем обработки величин, характеризующих электрический сигнал;
- стабилизация условий контроля путем активного или пассивного воздействия на объект или преобразователь;
- вариация условий контроля по определенному закону;
- спектральный анализ электрических сигналов измерительных преобразователей;
- использование аналоговой или цифровой вычислительной техники.
Перечисленные способы могут применяться как раздельно, так и в различных сочетаниях между собой. Сочетания обычно применяются при многопарамет-ровом контроле.
8.2. ВЫБОР ТИПА ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
Измерительный преобразователь, в первую очередь, определяет пространственную зону контроля и его условия. Правильное использование электромагнитных преобразователей дает возможность подавлять влияние некоторых факторов.
Проходные (наружные, внутренние и экранные) преобразователи с однородным полем формируют сигналы, не зависящие от радиальных смещений длинного однородного изделия в зоне контроля. Проходной экранный преобразователь целесообразно применять при измерении электрической проводимости и толщины стенки тонкостенных труб.
Накладные преобразователи являются универсальными по отношению к форме контролируемого объекта и обеспечивают гораздо большую локальность контроля по сравнению с проходными. Накладные экранные преобразователи (НЭП) нечувствительны к аксиальным перемещениям ОК. Таким образом, применение НЭП практически исключает влияние смещений объекта между возбуждающей и измерительной обмотками НЭП.
Наибольшие возможности по подавлению мешающих факторов имеют преобразователи специальных конструкций: комбинированные, дифференциальные, преобразователи с ортогональными обмотками, преобразователи с концентраторами поля и векторно-разностные преобразователи.
Дифференциальные преобразователи «самосравнения» позволяют повысить отношение сигнал/помеха в дефектоскопии. При этом обмотки ИП размещаются так, .что их сигналы определяются близко расположенными участками одного ОК. Это значительно ослабляет влияние вариации электромагнитных параметров по объему контроля.
ДВУХПАРАМЕТРОВЫЙ СПОСОБ ВЫДЕЛЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ
469
Преобразователи с взаимно-перпендикулярными осями обмоток (см. рис. 2.12, г) нечувствительны к изменению электромагнитных характеристик однородных ОК, поскольку вихревые токи, циркулирующие в плоском ОК, не создают потокосцепления с измерительной обмоткой, плоскость которой перпендикулярна поверхности объекта. Если однородность ОК нарушается, например, под влиянием трещины, возникает составляющая магнитного потока вихревых токов, сцепленная с измерительной обмоткой, на зажимах которой возникает напряжение. Аналогичные эффекты возникают и в комбинированных преобразователях (см. рис. 2.16). Преобразователи такого рода могут быть применены для дефектоскопии. Их недостаток заключается в сильном влиянии перекосов осей преобразователей относительно поверхности ОК.
Для ослабления влияния края ОК на сигналы преобразователя применяют преобразователи с концентраторами магнитного поля в виде ферритовых сердечников (см. рис. 2.14) и электропроводящих экранов. Под действием этих экранов магнитное поле вытесняется из близлежащей зоны. Размещение экранов в торцах проходных преобразователей уменьшает влияние краев ОК, но ухудшает однородность поля в зоне контроля. Специальные экраны с отверстиями могут играть роль «масок», при этом отверстие служит источником поля, возбуждающего вихревые токи в объекте. Применение «масок» значительно снижает абсолютную чувствительность преобразователя, но повышает его локальность.
Векторно-разностные преобразователи состоят из нескольких измерительных или токовых обмоток, у которых геометрические размеры и числа витков выбираются так, чтобы подавляемый фактор не влиял или слабо влиял на выходную величину сигнала, несущую полезную информацию.
8.3. ДВУХПАРАМЕТРОВЫЙ СПОСОБ ВЫДЕЛЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ
Двухпараметровые способы выделения информации получили наибольшее распространение в практике вихретокового НК и применяются в случаях, когда сильное влияние на выходные сигналы ВТП помимо контролируемого оказывает еще один параметр - мешающий. Выбор способа ослабления (подавления) влияния мешающих факторов, при котором погрешность контроля минимальна, основан на анализе зависимостей выходных сигналов ВТП от контролируемого и подавляемого параметров. При двухпара-метровом контроле чувствительность к контролируемому параметру обычно снижается, но чувствительность к мешающему фактору уменьшается в большей степени. В результате возрастает отношение сигнал/помеха.
Носителями полезной информации при двухпараметровом контроле могут быть: амплитуда, фаза, проекция вектора приращения напряжения на выбранное в комплексной плоскости направление, составляющие комплексного сопротивления ВТП и др. При двухпараметровом контроле, осуществляемом, как правило, на одной частоте, один параметр ОК является контролируемым (рк), другой параметр (фактор) - подавляемым (рп).
Одновременно ослабление влияния нескольких мешающих факторов при двухпараметровом контроле возможно лишь в тех случаях, когда характер их влияния на параметры сигнала ВТП не отличается от характера влияния подавляемого фактора. В основе двухпарамет-рового контроля лежит различное влияние на параметры сигнала контролируемого и подавляемого факторов. К наиболее распространенным двухпараметровым способам выделения информации при вихретоковом контроле относится амплитуднофазовый, базирующийся на использовании либо проекции вектора измеряемого на
470
Глава 8. СПОСОБЫ ВЫДЕЛЕНИЯ ИНФОРМАТИВНЫХ СИГНАЛОВ
пряжения ВТП на заданное направление, либо амплитуды или фазы, а также одновременно амплитуды и фазы этого напряжения. Во всех этих способах применяется гармонический режим возбуждения ВТП. Общим для них является то, что сигнал имеет два информативных параметра и в результате компенсации части выходного напряжения ВТП начальная рабочая точка устанавливается в определенном месте комплексной плоскости вносимых напряжений ВТП, что изменяет функцию влияния параметров ОК на сигналы ВТП.
Амплитудный способ. Рассмотрим часть годографа вносимых напряжений (7ВН» обусловленных изменениями контролируемого рк и подавляемого рп факторов (рис. 8.1). Амплитуда напряжения ВТП (модуль комплексного напряжения) может лишь в небольшой степени зависеть от изменения подавляемого параметра, если рабочая точка из начала координат смещается в точку К комплексной плоскости (/вн, расположенную на нормали NNг к годографу 0вн(рп) в точке А, соответствующей ОК с номинальными параметрами (Рко, Рпо)- Этого можно добиться вычитанием компенсирующего напряжения UK из напряжения измерительной обмотки ВТП: UA = UH -С/к, где t/H - начальное вносимое напряжение при р^ и рп0. Если изменение подавляемого фактора рп вызывает смещение конца вектора Г/вн из точки А в точку В, то разность модулей векторов UA и ив Ай = йА-йв=о. В то же время при изменении контролируемого параметра рк (точка С) &С = = йА-йс = £кДрк sina , где SK = dUIdp* -модуль чувствительности ВТП к контролируемому параметру рк; a - угол в точке А между направлениями на комплексной плоскости линий влияния факторов Рк и Рп.
Рис. 8.1. Векторная диаграмма амплитудного способа выделения информации
Амплитудный способ двухпарамет-рового контроля целесообразно применять тогда, когда годографы £/вн(рп) близки к дугам концентрических окружностей, а угол а Между касательными к ним и годографами f/BH(pK) значителен (тс/4 < a < < 7t/2). Очень важно, чтобы этот угол мало изменялся при значительных приращениях параметров рк и рп. В противном случае, т.е. когда линия влияния рп отличается от окружности, а линии влияния рк - от прямой линии, амплитудный способ приводит к погрешностям контроля, которые тем больше, чем сильнее отличие Un„(pn) от окружности, а С/вн(рк) - от прямой линии. Так как в этом случае выходное напряжение прибора пропорционально sina, то наилучшие условия выделения информации о параметре /?к будут при ос 90°.
Амплитудный способ выделения информации целесообразно применять, например, для контроля диаметра прутков проходными ВТП или толщины диэлектрических покрытий (что идентично из
ДВУХПАРАМЕТРОВЫЙ СПОСОБ ВЫДЕЛЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ
471
менению зазора между ВТП и ОК) накладными ВТП с подавлением влияния изменений удельной электрической проводимости.
Схема прибора, основанного на использовании амплитудного способа ослабления влияния мешающих факторов, представлена на рис. 8.2. Автогенератор (АГ) синусоидальных напряжений обеспечивает ток возбуждения ВТП и напряжение компенсатора (К). Сигналы с ВТП усиливаются усилителем (У) и детектируются амплитудным детектором (АД), а постоянное напряжение детектора подается на индикатор (И). Компенсатор позволяет отрегулировать компенсирующее напряжение по амплитуде и фазе так, чтобы оно соответствовало требованиям подавления влияния мешающего фактора. Компенсатор можно выполнять в виде различных устройств и, в частности, в виде устройства (рис. 8.3), позволяющего плавно регулировать активную Re(/K и реактивную Imt/K составляющие выходного напряжения компенсатора. Режим работы ВТП выбирается таким образом,
Рис. 8.2. Структурная схема прибора, основанного на амплитудном способе выделения информации
Рис. 8.3. Схема компенсирующего устройства
чтобы обобщенный параметр х или р соответствовал рабочей точке А (см. рис. 8.1), в которой наилучшим образом выполняется условие а -> 90°, а годографы ^вн(Рп) приближаются к дугам окружностей.
Настройка прибора, основанного на амплитудном способе выделения информации, начинается с компенсации начального напряжения Uo ВТП (при отсутствии ОК). Эта операция называется установкой нуля («Уст. 0»). При настройке компенсатора регулировкой переменных резисторов Ri и R2 добиваются, чтобы в точке К, выбранной на пересечении нормалей к ЦшОп) ПРИ А = const в точках рп min и Рп max, было минимальным влияние рп на вносимое напряжение. Калибровка прибора осуществляется с помощью образцов ОК, имеющих экстремальные значения параметров рк min и рк тах при рп = рп ном.
Фазовый способ. Фаза напряжения ВТП может почти не зависеть от подавляемого параметра рп, если начальная рабочая точка К находится на касательной ТТ' (рис. 8.4) к линии влияния рп в точке А, соответствующей ОК с номинальными параметрами. Из рис. 8.4 видно, что при изменении параметра рп, т.е. при переходе из точки А в точку В, разность аргументов = argUBliA -arg£/BHj5 вносимого напряжения UBH изменяется мало, а при изменении параметра рК9 т.е. при переходе из точки А в точку С, разность аргументов
= arg(7BH/1 - argt7BHC имеет существенно большее значение.
Приращение контролируемого параметра при фазовом способе Дрк = l/^tgVc / (SKsina), где SK - модуль чувствительности ВТП к контролируемому параметру; a -угол между линиями влияния параметров рк и рп в точке А на комплексной плоскости йвн.
Фазовый способ вихретокового контроля целесообразно использовать при совмещении точки компенсации Ксточ-
472
Глава 8. СПОСОБЫ ВЫДЕЛЕНИЯ ИНФОРМАТИВНЫХ СИГНАЛОВ
Рис. 8.4. Векторная диаграмма фазового способа выделения информации
кой пересечения касательных к линиям влияния рп на комплексной плоскости (7ВН. Применение фазового способа обработки сигналов оптимально в том случае, когда годографы £/вн(рп) представляют пучок лучей (прямых линий), сходящихся в одной точке, а угол а между ними и годографами (7вн(рк) близок к л / 2. Если годографы С/вн(рп) - не прямые линии, то возникает погрешность контроля тем большая, чем больше линии £Лн(рп) от-личаются от прямых. Поэтому при выборе режима контроля для фазового способа ослабления влияния изменения рп стремятся выбрать такие параметры ВТП, при которых годографы С/вн(рп) мало отличаются от прямых.
Линии влияния диаметра цилиндра (трубы) для проходного ВТП и линии влияния зазора для накладного ВТП близ
ки к пучку лучей, исходящих из начала координат (см. рис. 3.8 и 4.10), что позволяет реализовать фазовый способ ослабления влияния изменения диаметра и зазора при контроле удельной электрической проводимости без специального компенсатора. Фазовый способ также эффективен при контроле накладными экранными ВТП толщины неферромагнитных листов с подавлением влияния изменения о, а также при контроле толщины листов накладными ВТП с подавлением влияния зазора.
Структурная схема прибора, основанного на фазовом способе ослабления влияния мешающих факторов, отличается от приведенной на рис. 8.2 схемы тем, что после усилителя включают фазометрическое устройство того или иного типа, опорное напряжение на которое поступает от автогенератора. Фазометрическое устройство обычно состоит из формирователя прямоугольных импульсов (из синусоидальных сигналов) и устройства (аналогового или цифрового) для измерения фазы.
Достоинство фазового способа ослабления влияния мешающих факторов заключается в том, что нестабильность амплитуды сигнала ВТП не влияет на погрешность контроля.
Настройка вихретокового прибора, реализующего фазовый способ, осуществляется установлением компенсирующего напряжения С/к (см. рис. 8.4) по образцам с различными значениями рп, при котором влияние рп на выходное напряжение прибора минимально. Калибровка осуществляется по образцам с различными значениями рп с помощью фазорегулятора, устанавливающего фазу опорного напряжения, подаваемого на фазометрическое устройство.
Амплитудно-фазовый способ (способ проекции). Проекция вектора приращения напряжения ВТП на направление нормали MV' к линии влиянии рп в точке А (рис. 8.5) мало зависит от изменений подавляемого мешающего фактора рп. От-
ДВУХПАРАМЕТРОВЫЙ СПОСОБ ВЫДЕЛЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ
473
Рис. 8.5. Векторная диаграмма амплитудно-фазового способа выделения информации
ношение проекций приращений напряжения, обусловленных изменением контролируемого Пк = АС' = SKA/\sina и подавляемых факторов Пп = АВ' = 5nA/?nsin0: Пк / Пп » 1, так как sina » sinp. Такой способ ослабления влияния мешающего фактора называют способом проекции или амплитудно-фазовым способом двухпара-метрового контроля. Его целесообразно применять в тех случаях, когда линии влияния рк и рп на комплексной плоскости С/вн представляют собой почти параллельные прямые, а угол а между ними немного отличается от прямого. Обычно этот способ используют при изменениях параметров рк и рп в малых пределах. Это объясняется тем, что реальные годографы С/вн (рк) и и С/Вн (рп ) не являются прямыми, из-за чего возникает погрешность контроля, которая возрастает с увеличением Арк и Дрп. Поэтому режим контроля при
амплитудно-фазовым способе выбирают таким, чтобы участки годографов при заданных диапазонах изменения рк и рп были, по возможности, прямолинейными.
При реализации этого способа начальную рабочую точку К обычно совмещают с точкой А, соответствующей номинальным значениям рк ном и рп ном. В этом случае выходное напряжение ВТП с учетом компенсирующего напряжения близко к нулю при номинальных параметрах ОК. Этот способ находит наиболее широкое применение в вихретоковых приборах.
Обобщенные параметры контроля х (для проходного ВТП) и 0 (для накладного ВТП) следует выбирать так, чтобы угол между линиями влияния параметров рк и рп составлял несколько десятков градусов и чтобы обеспечивалась достаточная чувствительность к контролируемому параметру рк. Так, при контроле толщины неферромагнитного листа с подавлением влияния зазора целесообразно выбрать 0 = = 5, если Т* = 0,1, и 0 = 2,5, если Т* = 0,3.
Структурные схемы приборов, основанных на использовании способа проекции (амплитудно-фазового способа), различны (рис. 8.6). На рис. 8.6, а представлена структурная схема прибора, в котором применен фазочувствительный детектор. Автогенератор (АГ) синусоидального напряжения обеспечивает ток возбуждения ВТП. Блок ВТП содержит компенсатор, позволяющий совмещать точку компенсации с точкой на годографе, соответствующей номинальным значениям параметров ОК. Сигналы на выходе блока ВТП усиливаются усилителем (У) и поступают на фазочувствительный детектор (ФД). Опорное напряжение на ФД подается от автогенератора через фазорегулятор (ФР). К выходу ФД подключен индикатор (И).
Если в качестве фазочувствительного устройства используется электроннолучевая трубка (ЭЛТ), то в зависимости от способа индикации применяют две схемы приборов. На рис. 8.6, б приведена структурная схема с временной разверткой на экране - способ «синусоида». На верти-
474
Глава 8. СПОСОБЫ ВЫДЕЛЕНИЯ ИНФОРМАТИВНЫХ СИГНАЛОВ
Рис. 8.6. Структурные схемы приборов, основанных на амплитудно-фазовом способе выделения информации:
а - с фазочувствительным детектором; б - с ЭЛТ в режиме «синусоида»; в - с ЭЛТ в режиме «точка»
кальные пластины ЭЛТ подается усиленное выходное напряжение блока ВТП, а на горизонтальные - пилообразное напряжение развертки с генератора линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН), синхронизируемого напряжением автогенератора, поступающим на ЭЛТ через ФР. На экране ЭЛТ возникает периодическая кривая, фаза которой плавно изменяется с помощью ФР. Это позволяет фиксировать мгновенное значение сигнала, а при синусоидальном выходном напряжении (7ВЫХ
ВТП - проекцию С/вых на принятое направление. Если при анализе кривой на экране ЭЛТ использовать линейку со щелевой прорезью, то можно фиксировать мгновенное значение напряжения £/вых = = (7ВЫХ т sin(atf + а), соответствующее
проекции вектора UBblx m на определенное
направление. Например, можно фиксировать величину С/вых = С/вых wsina.
На рис. 8.6, в приведена структурная схема прибора с ЭЛТ и двумя фазочувствительными детекторами (ФД1 и ФД 2), в котором реализуется способ «точки». Опорные напряжения на детекторы ФД1 и ФД2 поступают через фазорегулятор ФРЬ Фазорегулятор ФР2 сдвигает на 90° фазу опорного напряжения, поступающего на ФД 2. Постоянные напряжения на выходе ФД! и ФД 2 пропорциональны проекциям напряжения на выходе блока ВТП на два взаимно-перпендикулярных направления. С помощью ФР! можно добиться, чтобы под влиянием мешающего фактора светящаяся точка йа экране ЭЛТ смещалась по одной из осей, тогда изменение контролируемого параметра может быть определено по смещению этой точки по другой оси. Таким образом, на экране ЭЛТ ото
ДВУХПАРАМЕТРОВЫЙ СПОСОБ ВЫДЕЛЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ
475
бражается комплексная плоскость выходных напряжений ВТП.
Настройка вихретоковых приборов, реализующих амплитудно-фазовый способ ослабления влияния меняющих факторов, заключается в том, что с помощью компенсатора устанавливается выходное напряжение С/ВЬ1Х = 0 при использовании образца с номинальными параметрами ОК. Затем посредством фазорегулятора по образцам с различными значениямирп и рк выбирается нужное направление проекций С/вых - нормаль к годографам t/BbIX(pn)-Калибровка (установка нужного коэффициента усиления усилителя) выполняется по образцам с различными значениями рк ирп.
Наиболее простая схема вихретокового прибора, реализующая амплитуднофазовый способ, представлена на рис. 8.6, а. Прибор экономичен, поскольку не содержит ЭЛТ. Схема прибора рис. 8.6, в наиболее сложная. В приборе, выполненном по схеме рис. 8.6, б, контроль осуществляется по гармоникам выходного напряжения ВТП, т.е. путем анализа несинусоидального напряжения при контроле ферромагнитных объектов. С помощью
прибора, представленного на рис. 8.6, в, получают информацию, необходимую для автоматической сортировки. Такие схемы используются в автоматических установках для контроля мелких деталей. Преимущество прибора, построенного по схеме на рис. 8.6, в, перед другими типами приборов, реализующих амплитудно-фазовый способ (схемы рис. 8.6, а, б), состоит в том, что он может работать в режиме изменяющейся частоты автогенератора, с которого в данном случае снимают два синусоидальные напряжения, сдвинутые по фазе на л / 2 и подаваемые на фазовые детекторы. Приборы, выполненные по схемам а и б рис. 8.6, обычно работают лишь на фиксированной частоте автогенератора. Иногда вихретоковые приборы содержат блоки, необходимые для реализации всех трех схем амплитуднофазового способа, а режим их работы выбирает оператор.
Двухпараметровый контроль с помощью параметрического ВТП, включенного в колебательный контур последовательно с конденсатором и резистором (рис. 8.7, а). Подбирая емкость конденсатора и величину сопротивления Ra
а)
Рис. 8.7. Схема включения ВТП в последовательный колебательный контур (а), диаграмма комплексных сопротивлений (б), амплитудно-частотные характеристики параллельного контура (в)
476
Глава 8. СПОСОБЫ ВЫДЕЛЕНИЯ ИНФОРМАТИВНЫХ СИГНАЛОВ
добавочного резистора, с которого снимается выходное напряжение С/вых, можно добиться ослабления влияния мешающего фактора. На рис. 8.7, б изображена диаграмма комплексных сопротивлений параметрического ВТП. На этой диаграмме отложены активное Ro + 7?д и реактивное jx0 сопротивления цепи при отсутствии ОК; вносимые активное 7?вн0 и реактивное jxbh0 сопротивления, соответствующие ОК с номинальными параметрами. Сопротивление резистора Ra и емкость С, а следовательно, его сопротивление -jxc подбираются такими, чтобы между линией влияния подавляемого параметра рп и направлением изменения полного сопротивления цепи гп0 = (/?0 + Л] + Rbh0 + jAr) был пря-мой угол {Z.TPqK = 90°), при этом Ах =
%0 ~ ХС ~ ^внО-
При изменении параметров ОК модуль полного сопротивления равен
*п =_________________________________
= + ^вн0 ^-^bh)2 +(Лх“Лгвн)2 *
Из диаграммы видно, что при правильном выборе емкости С конденсатора и сопротивления Ra резистора, включенных последовательно с ВТП, полное сопротивление цепи zn при изменениях подавленного параметра рп изменяется очень мало, а при изменении контролируемого параметра рк эти изменения значительно больше. Поскольку выходное напряжение пропорционально току цепи (рис. 8.7, а), оно почти не изменяется при изменении рк и существенно зависит от контролируемого параметра рк.
Аналогичные результаты могут быть получены при использовании параллельного резонансного контура для ослабления влияния мешающего фактора. Амплитудно-частотная характеристика контура, состоящего из конденсатора и ВТП с ОК, приведена на рис. 8.7, в (кривая /). В качестве рабочей выбирается частота fp, несколько отличающаяся от резонансной/.
При изменении параметров ОК или расстояния между ВТП и ОК изменяются вносимые индуктивность и активное сопротивление ВТП, а следовательно, и амплитудно-частотная характеристика колебательного контура (кривая 2 на рис. 8.7, в). Если вносимая’ индуктивность увеличивается, то резонансная частота /0' уменьшается. От значения вносимого сопротивления зависит добротность контура (если оно возрастает, то добротность уменьшается и амплитудно-частотная характеристика контура становится более пологой). Можно так выбрать рабочую частоту /, что при изменении мешающего фактора напряжение на контуре UKOH почти не изменяется (кривые 7 и 2 пересекаются в точке А). В то же время изменение контролируемого параметра приводит к существенному изменению UKOH (например, точка В), так как оно сопровождается другим соотношением приращений вносимых индуктивного и активного сопротивлений (например, кривая 3). Такой способ успешно применяют для ослабления влияния зазора между накладным ВТП и ОК.
Структурная схема прибора с ВТП, включенным в колебательный контур, приведена на рис. 8.8. Напряжение с автогенератора поступает на рабочий РК] и компенсационный РК2 резонансные контуры. Напряжения с контуров после детектирования амплитудными детекторами АД] и АД 2 поступают на входы дифференциального усилителя постоянного тока УПТ, на выходе которого включен индикатор.
Рис. 8.8. Структурная схема прибора с ВТП, включенным в колебательный контур
СПОСОБЫ СТАБИЛИЗАЦИИ И ВАРИАЦИИ УСЛОВИИ КОНТРОЛЯ
477
Двухпараметровый контроль с помощью приборов, в которых параметрический ВТП включен в колебательный контур автогенератора. В этом случае носителями информации могут служить амплитуда и частота синусоидальных колебаний автогенератора. Используя различные зависимости амплитуды и частоты колебаний от контролируемого параметра и мешающего фактора, можно подобрать коэффициенты преобразования амплитуды и частоты в постоянные напряжения такими, чтобы сумма или разность этих напряжений мало зависела от мешающего фактора, но в то же время выходное напряжение было пропорционально изменению контролируемого параметра. Такой способ ослабления влияния мешающего параметра называют амплитудно-частотным.
Структурная схема прибора, реализующего амплитудно-частотный способ выделения информации, приведена на рис. 8.9. Напряжение с автогенератора (АГ), в контур которого включен ВТП, поступает на входы амплитудного детектора (АД) и частотного дискриминатора (ЧД). Напряжения на выходах этих устройств соответственно равны:
UАД т Ф1 (^вн > -*вн )
дит А дит А
= —^-ьРк +—2-Д/?п; Фк Фп
t/цД — ^чУа! Ф? V^bh’ хвн)“
к Фп
(8.1)
Рис. 8.9. Структурная схема прибора, реализующего амплитудно-частотный способ выделения информации
Подбирая коэффициенты преобразования £а, Лч и осуществляя с помощью суммирующего устройства (СУ) алгебраическое суммирование С/дд и £/Чд, можно существенно ослабить влияние изменений мешающего фактора.
При конструировании вихретоковых приборов с параметрическими ВТП следует учитывать, что им свойственна температурная нестабильность, приводящая к изменению напряжений £7Ад и £/чд, а следовательно, к погрешностям контроля. Поэтому необходимо использовать специальные способы и средства термостабилизации.
8.4. СПОСОБЫ СТАБИЛИЗАЦИИ И ВАРИАЦИИ УСЛОВИЙ КОНТРОЛЯ
Для ослабления влияния мешающих факторов при вихретоковом контроле используют стабилизацию положения и параметров ОК, а также обобщенных параметров, характеризующих условия контроля.
Способы стабилизации. Обычно требуется стабилизация положения ВТП относительно ОК, особенно для накладных ВТП, поскольку изменение зазора между ВТП и ОК при перемещении ВТП является наиболее значительным мешающим фактором. Для стабилизации положения ВТП часто применяют направляющие ролики-ограничители (для проходных ВТП) или механизмы с пружинами, возвращающими ОК или ВТП в исходное положение после их отклонения (для накладных ВТП). Недостаток таких механических систем стабилизации положения ВТП заключается в сильном влиянии состояния поверхностей ОК (загрязненность, шероховатость) на точность контроля. Погрешность установки ОК относительно накладного ВТП составляет 0,1 ... 0,3 мм. Изменение зазора в таких пределах обычно приводит к значительным погрешностям контроля, а иногда делает его невозможным.
478
Глава 8. СПОСОБЫ ВЫДЕЛЕНИЯ ИНФОРМАТИВНЫХ СИГНАЛОВ
Поэтому возникает необходимость более точной стабилизации зазора, например с помощью следящих систем. В этом случае сигнал о зазоре, получаемый от основного или специального ВТП, сравнивается с заданным сигналом, соответствующим номинальному зазору. При изменении зазора возникает сигнал рассогласования, который управляет механизмом перемещения ВТП. В результате происходит восстановление номинального зазора. Точность стабилизации зазора в такой системе может быть очень высокой (погрешность не более единиц микрометров).
Одна из возможных структурных схем прибора со стабилизацией зазора приведена на рис. 8.10. Прибор содержит: автогенератор (АГ), специальный накладной ВТП зазора СВТП, усилитель сигнала, характеризующего зазор, фазорегулятор (ФР), фазочувствительный детектор (ФД), усилитель мощности (УМ), исполнительный механизм перемещений (ИМП) основного (рабочего) преобразователя (РВТП) и измерительное устройство (ИУ), предназначенное для обработки и индикации информации о контролируемом параметре. Оба ВТП жестко соединены друг с другом и представляют собой единую конструкцию. При отклонении зазора от номинального значения возникает соответствующий сигнал от преобразователя зазора. Настроенный с помощью ФР фазочувствительный детектор выделяет сигнал об отклонении зазора от номинального. Этот сигнал вызывает перемещение рабочего ВТП с помощью исполнительного механизма до восстановления номинального зазора.
Стабилизация параметров ОК основана на различных физических воздействиях на него. Она применяется при контроле ферромагнитных объектов и в некоторых других случаях. Контроль ферромагнитных ОК существенно затрудняется, как известно, из-за изменений магнитных свойств, вызванных небольшими колебаниями химического состава, структуры, режима термической обработки, а также
Рис. 8.10. Структурная схема прибора со стабилизацией зазора
механическими напряжениями. Для стабилизации магнитных свойств ОК используют подмагничивание сильным постоянным магнитным полем. При этом уменьшаются как полезные сигналы, так и помехи, но отношение сигнал/помеха обычно возрастает. Другим примером стабилизации параметров ОК может служить контроль толщины верхнего слоя биметаллических пластин с подавлением влияния толщины нижнего неконтролируемого слоя путем увеличения его толщины с помощью специальной прокладки, изготовленной из того же материала, что и неконтролируемый слой. Толщину прокладки выбирают настолько большой, чтобы изменение суммарной толщины нижнего слоя не влияло на сигнал ВТП.
Стабилизация обобщенного параметра позволяет сохранить постоянной чувствительность ВТП к изменению контролируемого параметра и устранить погрешность, обусловленную непрямо-линейностью годографов напряжений С/вн (Рк) и ^вн(Рп)- Стабилизация обобщенного параметра используется в приборах с проходными ВТП для контроля удельной электрической проводимости неферромагнитных прутков с ослаблением влияния изменений радиуса R ОК путем изменения рабочей частоты ВТП. Если обеспечить неизменность обобщенного параметра х2 = = С] путем измене-
СПОСОБЫ СТАБИЛИЗАЦИИ И ВАРИАЦИИ УСЛОВИЙ КОНТРОЛЯ
479
ния угловой частоты со, то эффективная магнитная проницаемость также будет постоянной. Так как С/вн = - 1)х
x(/?//?K)2t/0, где RK - радиус катушки ВТП, то иъи=С2К2’ следовательно, * = Ан/С2 И
ст = С|/(Л2соцо) = С|С2/С7вн©Цо =
= C3(f7BH/). (8.2)
так как
Таким образом, определяя экспериментально значения констант Ci... С3, можно найти значения R и о через Uw и f. Стабилизация обобщенного параметра х при изменении R и с осуществляется путем изменения частоты f до установления фиксированного значения фазы вносимого напряжения (7ВН.
Принцип стабилизации обобщенного параметра можно использовать, например, для контроля электромагнитных параметров изделий из ферромагнитных материалов, в частности цг. Относительное вносимое напряжение наружного проходного ВТП при контроле ферромагнитных цилиндров определяется по формуле
=WРг> Нэф "Ч ИЛИ
где - сопряженная комплексная вели-
чина. Используя формулу (8.6), имеем
откуда
<?2ф+1
~ — z че72’’ Z Ч
Еэф^о) +Нэф(*0)
Выражение (8.7) можно преобразо
вать:
рг = р (x0)(cosa-tgcpsina)
(8.8)
— эф
где
a = агёЕ,ф^о) = -агбЕэф(*о)-
(8.9)
(8.3)
Аргумент этого комплексного напряжения
Ф = агё^вн’ = arS-/(игЕэ-i " ’) (84)
не зависит от коэффициента г) заполнения. Как видно из формулы (8.4), действительная составляющая ReC/BH достигает максимума при том же значении обобщенного параметра х0 = 2,5, что и действительная составляющая Re^/p^j. Из формулы (8.4) следует, что
Учитывая, что cosa = 0,8515; sina = = 0,5244, а окончатель-
но йолучаем
ц, = (0,6128 - 0,3744tg<py1. (8.10)
Таким образом, для измерения рг достаточно определить величину cp = arg£/BH» при условии, что величина Ret/BH достигла максимума при изменении частоты тока возбуждения ВТП, т.е. при условии х = Xq.
480
Глава 8. СПОСОБЫ ВЫДЕЛЕНИЯ ИНФОРМАТИВНЫХ СИГНАЛОВ
Способ вариации условий контроля основан на том, что мешающий фактор (например, зазор) принудительно изменяют в сравнительно широких пределах, перекрывающих возможный диапазон изменений в процессе контроля. При достижении номинальных условий контроля (например, нормального зазора) значения контролируемых параметров регистрируются. \
Обычно в этих случаях используется дифференциальный ВТП, состоящий из рабочего и компенсационного преобразователей. Последний установлен на определенном (номинальном) расстоянии от образцового ОК. Если рабочий преобразователь находится на номинальном расстоянии (номинальный зазор) от ОК с номинальными параметрами, такими же, как у образцового, то напряжение на выходе дифференциального ВТП отсутствует.
Структурная схема прибора, использующего способ вариации зазора как мешающего фактора, приведена на рис. 8.11. Механизм перемещений (МП) осуществляет возвратно-поступательное движение накладного ВТП по направлению нормали к поверхности объекта. Автогенератор (АГ) создает ток в обмотке возбуждения ВТП, сигналы которого поступают в блок определения зазора (БОЗ) и в блок определения контролируемого параметра (БОКП) через управляемый ключ (УК). Когда зазор становится номинальным, ключ открывается под действием выходного напряжения БОЗ. При этом БОКП фиксирует значение контролируемого параметра.
Рис. 8.11. Структурная схема прибора, использующего способ вариации зазора
Достоинство способов стабилизации и вариации условий контроля заключается в том, что в широком диапазоне изменения мешающего фактора можно устранить погрешность влияния непрямолинейности годографов в функции мешающего фактора Рп- ^вн(рп)« Однако эти способы не универсальны, а их применение иногда приводит к снижению производительности контроля из-за инерционности механических систем стабилизации и изменений мешающих факторов. Реализация этих способов ослабления влияния мешающих факторов приводит к усложнению средств контроля, поэтому они не нашли пока широкого применения.
Для селективного контроля параметров при импульсном возбуждении проходных и накладных ВТП можно использовать прибор, структурная схема которого приведена на рис. 8.12. С генератора прямоугольных импульсов (ГИ) напряжение поступает на трансформаторный ВТП, измерительная катушка которого подключена к интегрирующему усилителю ИУ. Его выходное напряжение пропорционально магнитному потоку Ф(/). Максимальное значение магнитного потока Фтах проходного ВТП зависит только от внешнего радиуса Явн цилиндрического ОК, а накладного ВТП - только от зазора h между ОК и ВТП.
Таким образом, по максимальному значению напряжения на выходе усилителя ИУ можно измерять /?вн и h с подавлением влияния остальных (мешающих) параметров ОК. Индикация этих измерений осуществляется измерительным блоком Идвн h. Напряжение с выхода первого
Рис. 8.12. Структурная схема прибора при импульсном возбуждении ВТП
СПЕКТРАЛЬНЫЕ СПОСОБЫ АНАЛИЗА СИГНАЛОВ
481
усилителя ИУ] поступает на второй интегрирующий усилитель ИУ2, выходное напряжение которого пропорционально среднему значению магнитного потока Фср. Величина Фср линейно зависит от удельной электрической проводимости ОК, поэтому напряжение на выходе усилителя ИУ2 подается на измерительный блок Ио для индикации результатов измерения. Для подавления влияния внешнего диаметра цилиндрического ОК или зазора между накладными ВТП и ОК в измерительный блок Ио можно вводить компенсирующее напряжение с выхода измерительного блока Идвн h.
8.5. СПЕКТРАЛЬНЫЕ СПОСОБЫ АНАЛИЗА СИГНАЛОВ
Возможность применения спектрального анализа определяется тем, что в процессе воздействия монохроматического электромагнитного поля на ОК в сигналах измерительных преобразователей появляются составляющие частот, отличающиеся от частоты первой гармоники генератора. Это может происходить из-за проявления нелинейных свойств материала изделия или в результате изменения во времени каких-либо факторов контроля.
В первом случае возникают кратные гармоники основной частоты, которые несут дополнительную информацию о свойствах объекта. Метод, основанный на анализе параметров кратных гармонических составляющих, называется методом высших гармоник. Он получил применение при контроле ферромагнитных объектов.
Во втором случае возникает модуляция выходного напряжения изменяющимися параметрами объекта, а ширина спектра побочных частот составляет часть спектра частот несущей составляющей. Метод, основанный на обработке спектра модуляционных колебаний, называют модуляционным анализом.
Метод высших гармоник состоит в возбуждении синусоидального поля с большой амплитудой напряженности магнитного поля так, чтобы проявлялись нелинейные свойства материала ОК, и в последующем анализе высших гармоник. Специфичная особенность метода высших гармоник состоит в необходимости выделения отдельных гармоник, для чего применяют различные фильтры и измерительные усилители. Обычно анализируют амплитуду или амплитуду и фазу третьей (или пятой) гармоники.
Устройства, реализующие метод высших гармоник, более сложные. Кроме того, высокие требования предъявляются и к самим блокам: повышенная стабильность частоты, амплитуды и формы кривой тока возбуждения, а также амплитудных и фазовых характеристик измерительных блоков.
Основная область применения метода высших гармоник - контроль электромагнитных свойств ферромагнитных изделий и на этой основе контроль некоторых физико-химических свойств, однозначно связанных с электромагнитными (см. главу 7).
Модуляционный метод обычно используется в дефектоскопии для оценки пространственного распределения свойств ОК. Если взаимно перемещать измерительный преобразователь и ОК, то изменение свойств изделия, распределенные в пространстве, будут преобразованы в изменения сигналов во времени. На этом основаны все практические реализации модуляционного метода для контроля протяженных изделий: труб, прутков, проволоки, листов и т.д. Полученный от преобразователей сигнал усиливается и детектируется, а затем анализируется огибающая высокочастотных колебаний.
Возможность раздельного контроля различных факторов определяется различием формы импульсов сигналов, что приводит к появлению соответствующих вариаций в их спектре.
Форма огибающей модулированного напряжения абсолютного проходного ВТП
16 - 8193
482
Глава 8. СПОСОБЫ ВЫДЕЛЕНИЯ ИНФОРМАТИВНЫХ СИГНАЛОВ
с однородным полем и короткими измерительными катушками при продольном перемещении длинного проводящего цилиндра с точечным поверхностным дефектом (длина и ширина дефекта меньше 0,27?и) может быть определена по приближенной формуле колоколообразного импульса
*(0=<W2'2/t"m, (8.11)
где £/тах - максимальное значение импульса напряжения; тим - длительность импульса напряжения на уровне 0,5 £/max. При этом можно пользоваться приближенной формулой
тимО,425то(1,54-Пд/з) при т]^0,6, (8.12)
где т0 =2Яи/у, где v - скорость перемещения.
Спектр сигнала от точечного дефекта также имеет форму колоколообразного импульса
t/(Q) = 0,125t/maxTHe’°’125n2T«M (8.13)
с шириной AQ = 4 / тим на уровне 0,5 от максимального значения.
Форма огибающей модулированного импульса напряжения дифференциального проходного ВТП от точечного поверхностного дефекта описывается выражением
.. f 4t2 +XqI^
U<t) = 2t/max exP-------2---
,2/4
2т2
1ИМ
(8.14)
где b,=b/{2R„) - относительная база дифференциального ВТП; b - расстояние (база) между средними плоскостями измерительных обмоток дифференциального ВТП.
Спектр сигнала, описываемый выражением (8.14), можно найти по формуле
C7(Q) =
= sin(o,56.Qro )|ехр(- O,O185Q2Tq ).
(8.15)
На рис. 8.13 представлены формы и спектры сигналов дифференциального проходного ВТП от точечного дефекта глубиной й* = 0,05 для различных й* при Л = 0,36 и 0,81. На рис. 8.13, а кривые (/♦(/) пронормированы по начальному напряжению, а кривые £/• на рис. 8.13, б - по максимальному значению спектра сигнала абсолютного проходного ВТП.
Зависимости формы огибающей модулированного напряжения, т.е. Л£Л(г*), где z* - расстояние между центрами дефекта и дифференциального проходного ВТП, от длины /♦ = Z / (2/?и) узких поверхностных дефектов глубиной й* = 0,05 при т] = 0,64 и базе й* = 0,8 показаны на рис. 8.14. При /♦ > 2 амплитуда Z7max импульсов напряжения практически остается неизменной, а расстояние между пиками импульсов увеличивается. При /♦ > 0,2 форма импульса почти не отличается от формы, соответствующей Z* = 0,22.
Для повышения отношения сигнал/по-меха целесообразно уменьшать базу, поскольку при этом ослабляются помехи, вызванные, например, изменениями диаметра ОК или его удельной электрической проводимости. Однако при этом следует иметь в виду, что с уменьшением базы уменьшаются длина зоны контроля и значение Z7max, поскольку зоны контроля измерительных катушек дифференциального проходного ВТП при малых й* перекрываются. Оптимальное значение й* = 0,25 ... 0,5, при этом L/max уменьшается не более чем на 30 % от (7тах, соответствующего й*» 1.
Увеличение глубины дефекта й* от 0,025 до 0,2 несущественно влияет на форму импульсов напряжения, изменяя только значение (7тах. С уменьшением коэффициента заполнения т] длительность импульсов напряжения увеличивается, а Цпах уменьшается. Так, изменение т] от 0,0025 до 0,81 приводит к уменьшению длительности импульса от точечных дефектов примерно в семь раз. Это необходимо учитывать, хотя на практике редко встречаются случаи изменения т] в процессе контроля более чем в 10 раз.
СПЕКТРАЛЬНЫЕ СПОСОБЫ АНАЛИЗА СИГНАЛОВ
483
Рис. 8.13. Сигналы дифференциального проходного ВТП от точечных дефектов: а - форма; б - спектры
ди*-ю~г
Рис. 8.14. Зависимость формы огибающей модулированного напряжения дифференциального проходного ВТП от длины поверхностного дефекта в круговом цилиндре
Для определения формы огибающей модулированного напряжения (формы импульса) накладного ВТП при движении его относительного точечного дефекта со скоростью v можно пользоваться приближенной формулой
t2 ,2,2
и(0 = (/—е-'/т , (8.16)
т
где U - напряжение измерительной обмотки накладного ВТП при отсутствии дефекта; т = R3K / v, R3K - эквивалентный радиус накладного ВТП.
Спектр такого импульса
t/(Q) = О.бТлШте"0’25^2 (1 - 0, 125Q2t2 ).
(8.17)
Если накладной ВТП периодически перемещается над дефектом, например при вращении вокруг цилиндрического ОК ра-
16Ф
484
Глава 8. СПОСОБЫ ВЫДЕЛЕНИЯ ИНФОРМАТИВНЫХ СИГНАЛОВ
диусом R, то огибающую модулированного сигнала (периодического несинусоидального напряжения) можно представить в виде ряда гармоник, нормированных по амплитуде первой гармоники (п = 1):
1 - U,D Кэк / К
(8.18)
На рис. 8.15 показаны спектры огибающей модулированного напряжения накладного ВТП (/♦(«), где п - номер гармоники для точечного, продольного и поперечного дефектов. Под продольными понимают дефекты, ориентированные вдоль направления движения оси ВТП, а под поперечными - ориентированные поперек этого направления.
При использовании модуляционного метода важно, чтобы спектр импульсов, соответствующий дефектам, отличался от спектра модулированного влиянием мешающих факторов. Следует отметить, что спектры помех от изменений диаметра и удельной электрической проводимости с
Рис. 8.15. Спектр огибающей модулированного напряжения накладного ВТП для дефектов: / - точечного; 2 - продольного;
3 - поперечного
для проходных ВТП, от изменений о и зазора между ВТП и ОК для накладных ВТП, как правило, существенно отличаются от спектров сигналов от дефектов. Спектры помех от ОК обычно более низкочастотны, а спектры электрических помех более высокочастотны.
При вращении накладного ВТП вокруг цилиндрического ОК радиусом R (или при вращении ОК) основным мешающим фактором является изменение зазора между ОК и ВТП. Частота основной гармоники огибающей модулированного напряжения при изменении зазора (наличие биений вращающегося ОК или ВТП) f6 = п / 60, где п - частота вращения. При этом спектр «импульсов биений» лежит в основном в низкочастотной области. Поэтому для ослабления влияния зазора следует выбрать полосу пропускания усилителя дефектоскопа, ориентируясь на подавление основной гармоники или задавая нижнюю частоту fH полосы пропускания из соотношения fH = (0,6... 0,8) х х Уб R / R3K для точечного и поперечного дефектов и из соотношения fH = 0,4feRI R3K для продольного дефекта; верхняя частота полосы пропускания для точечного и поперечного дефектов -fB = 4,6feRI R3K, а для продольного -fB = 1,8/б 7? / 2?эк. Ограничение полосы пропускания сверху целесообразно для подавления влияния импульсных помех, вызванных изменением напряжения сети.
При уменьшении отношения /?эк / R спектр огибающей сигнала от дефекта сдвигается в область высоких частот. В то же время спектр импульсов биений при неизменном зазоре изменяется мало. Следовательно, уменьшая отношение R3K / R (уменьшая соответственно диаметр ВТП), можно добиться лучшего выделения сигналов от дефектов. Полоса пропускания усилителя дефектоскопа при этом должна быть смещена в сторону более высоких частот.
Для обработки сигналов используются специальные устройства, анализирующие спектр огибающей, плотность им
МНОГОПАРАМЕТРОВЫЕ СПОСОБЫ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ
485
пульсов разного уровня на заданном временном интервале, последовательность их появления или какие-либо другие особенности. В общем случае для анализа могут быть применены методы теории распознавания образов, а за основу приняты статистические данные о сигналах от контролируемых параметров и мешающих факторов.
Метод широко используется в современных дефектоскопах с проходными и накладными преобразователями.
Исследование формы импульса или его спектральных характеристик составляет основу выделения полезной информации при импульсном возбуждении вихревых токов в объеме контроля. Этот способ обработки богатой информации, заключенной в импульсных сигналах преобразователей, имеет хорошие перспективы.
8.6. МНОГОПАРАМЕТРОВЫЕ СПОСОБЫ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ
Метод вихревых токов дает возможность контролировать многие параметры объекта, но сигналы измерительных преобразователей сложным образом зависят от влияющих факторов.
В общем случае эту зависимость можно представить в виде U = flpi, р2, рп), где pi, р2, рп - параметры ОК, влияющие на сигналы измерительных преобразователей. Для определения переменных рп формируется система уравнений с числом не менее п\
= 7i(pi> Р2>-> рЛ
^2 = Р1> •••> рЛ
Рг> рЛ
В общем случае (8.19) представляет собой систему нелинейных уравнений. Уравнения системы (8.19) составляют либо путем изменения частоты (выбранное число фиксированных частот <о2> ..., со„), либо подбором ВТП с различными значениями радиуса измерительных обмоток (/?!, R2, ..., Rn) или расположенными на различной относительно объекта высоте (hi, h2, ..., hn). Возможна комбинация первого и второго способов.
Сигналы ВТП являются комплексными величинами, поэтому при составлении уравнений системы (8.19) можно раскладывать сигнал на действительную (Re) и мнимую (Im) составляющие либо измерять амплитуду и фазу или модуль сигнала. В последнем случае число уравнений возрастает в 2 раза и, следовательно, потребуется в 2 раза больше фиксированных частот соь (п2, ..., со„.
Анализ системы уравнений должен быть проведен для обеспечения следующих условий: 1) независимости уравнений в системе; 2) обеспечения корректности решаемой задачи.
Первое условие выполняется, если якобиан системы не равен нулю, т.е.
D(ux, U2,. Dx(xx,x2,. Хп ) ас/, Ф> ’ dU2 др} ’ dUj др2 ’ дЩ дР2 др3 ’ 8U2 ’ Фз ’ дЩ dUy дРп-\ ^Рп "" 9рп-\ ’ Ф„
Wj, Wp Wp *0. (8.20)
дрх др2 ’ Фз ’ дрп-\ ’ Фп-\
Фг '' дЩ ' Фз ’ дрп-\ ’ 3pn-i
486
Глава 8. СПОСОБЫ ВЫДЕЛЕНИЯ ИНФОРМАТИВНЫХ СИГНАЛОВ
Условия (8.20) можно проверить численными расчетами, что при числе переменных, скажем, 4 или 5 (для практических задач вполне достаточно) не представляет большой сложности. Это условие можно обеспечить путем такого подбора частот ©1, ©2,..., ©«, при котором обеспечивается различная чувствительность ВТП к переменным р2, ..., рп на разных частотах. В общем случае при большом числе переменных рп система (8.19) относится к некорректными задачам и решается с использованием методов регуляризации. Однако в подавляющем большинстве практических задач, когда число переменных сравнительно невелико (в худшем случае п = 6 ... 9), корректность задачи обеспечивается выбором конкретных относительно нешироких диапазонов изменения переменных (рь р2, рз, р^) и исключением тех случаев, когда переменные не разделяются (например, t и о в тонких и сверхтонких проводящих слоях, когда Т* = — «1). Решение нелинейных сис-тем уравнений типа (8.19) является в общем случае довольно сложной задачей, хотя в настоящее время разработано достаточно много различных численных методов нелинейного программирования. Идея таких методов заключается в минимизации функционала:
1 1
где Un(pk) - я-я функция к переменных при их текущих значениях; и„(рь) - та же функция на первом шаге счета.
Поиск минимума функционала (8.21) осуществляется, например, градиентным методом.
Численные методы при достаточно высоком быстродействии современных компьютеров и наличии развитой системы программного математического обеспечения позволяют решать системы нелинейных уравнений при относительно большом числе переменных. Эффективность их применения существенно зависит от величины начальных отклонений переменных. В интервале этих отклонений до 30 % (одновременно по всем переменным) численные методы определяют корни системы достаточно устойчиво. С ростом значений начальных отклонений (до 60 %) возможности численных методов снижаются: появляются локальные минимумы, ухудшается сходимость процесса счета, возможны случаи зацикливания.
Однако для ряда практически важных задач (измерение зазоров, толщины листов) решение системы (8.19) можно обеспечить путем такого подбора частот ©ь ©2, • ••, ©w, при котором задача сводится к нескольким системам с пониженным числом переменных.
Практическая реализация вихретокового контроля с числом переменных более трех находится в стадии развития ввиду ее сложности, но перспективы вихретокового контроля связаны с развитием именно этого направления.
Глава 9
ВИХРЕТОКОВАЯ ДЕФЕКТОСКОПИЯ
9.1. ДЕФЕКТОСКОПИЯ ПРУТКОВ, ПРОВОЛОКИ И ТРУБ ПРОХОДНЫМИ ВТП
Сигналы проходных ВТП зависят от геометрических параметров дефектов, значений обобщенного параметра контроля х = kR, формы контролируемой поверхности, параметров ВТП, а для дифференциальных ВТП - от асимметрии его катушек; при контроле ферромагнитных ОК в сильных полях - от тока возбуждения ВТП.
Проходные ВТП чаще всего используют для дефектоскопии протяженных ОК, в первую очередь цилиндрической формы: прутков, труб и проволоки. Для таких ОК, получаемых прокаткой или волочением, наиболее характерны узкие продольные дефекты: трещины, волосовины, риски, закаты и т.п. При анализе чувствительности проходных ВТП эти дефекты можно рассматривать как бесконечно длинный и узкий разрез определенной глубины h, направленный по радиусу цилиндра (дефект типа А на рис. 9.1).
На рис. 9.2 показан годограф относительного комплексного приращения напряжения Д(7* измерительной обмотки
Рис. 9.1. Дефекты в круговом цилиндре
Рис. 9.2. Годографы Д£/*(Л*) для узких поверхностных дефектов
проходного трансформаторного ВТП с однородным полем от относительной глубины поверхностного дефекта h* = h I (2R) (/? -радиус ОК) цилиндрического неферромагнитного ОК для различных значений обобщенного параметра х2 = /?2 соццо^ при коэффициенте заполнения т] = 1. На рис. 9.3 приведена зависимость модуля этого же приращения напряжения ДСЛ(х2, Л*) от параметрах2 для различных значений Л*.
Графики рис. 9.3 показывают, что максимальный сигнал получается при х2 « » 10. Однако при изменении х2 от 4 до 20 чувствительность ВТП к рассмотренным дефектам изменяется не более чем на 20 % и близка к максимальной. При изменении х2 от 1 до 20 чувствительность проходных ВТП к этим дефектам изменяется меньше чем в 3 раза. Это позволяет обнаруживать поверхностные дефекты в цилиндрических ОК при значительных изменениях их
488
Глава 9. ВИХРЕТОКОВАЯ ДЕФЕКТОСКОПИЯ
Рис. 9.3. Графики зависимости модулей | Д£7* I от глубины длинных поверхностных дефектов в неферромагнитном цилиндре и от обобщенного параметра х2
диаметра и удельной электрической проводимости при одной и той же частоте тока возбуждения ВТП.
Уменьшение чувствительности проходных ВТП к узким поверхностным дефектам при малых значениях параметра х объясняется уменьшением плотности вихревых токов в ОК. Очевидно, что при х -> О плотность вихревых токов стремится к нулю, и дефект не может быть обнаружен. Также практически не обнаруживаются дефекты и при больших значениях х, но теперь уже из-за скин-эффекта, когда вихревые токи как бы «прижимаются» к поверхности ОК, в том числе и к «стенкам» дефекта, и влияние токов, направленных навстречу друг другу с обеих сторон трещины, на магнитный поток в значительной степени компенсируется. На рис. 9.4 показаны линии равной относительной напряженности Н* магнитного поля, форма которых совпадает с формой контуров вихревых токов в цилиндре с дефектом. Чем больше х, тем плотнее вихревые токи «прилегают» к стенкам дефекта и тем
Рис. 9.4. Распределение напряженности магнитного поля в сечении цилиндра с дефектом глубиной Л* = 0,2 при х2 = 16
меньше становятся сигналы от узких дефектов; в результате при х -> оо приращения сигналов ВТП, вызванные дефектами, уменьшаются практически до нуля.
ДЕФЕКТОСКОПИЯ ПРУТКОВ, ПРОВОЛОКИ И ТРУБ ПРОХОДНЫМИ ВТП
489
Если дефект имеет значительную ширину (значительное «раскрытие») (дефект типа С на рис. 9Д), то он может быть обнаружен и при х -> оо. Чувствительность проходного ВТП к нему хотя и убывает, но стремится к некоторому значению, отличному от нуля.
Годографы относительного приращения АСУ* и его модуля | At/* | от относительной ширины (раскрытия) t!h поверхностного дефекта типа В приведены на рис. 9.5 для цилиндрического ОК с дефектом глубиной h* = 0,15 прих2 = 15. Из этих зависимостей видно, что часто встречающееся на практике изменение относительной ширины дефекта t / h в пределах от 0,01 до 0,1 несущественно влияет на сигнал, а при дальнейшем ее увеличении At/*
резко возрастает. На рис. 9.5, а для сравнения показано влияние изменения диаметра AD (%) цилиндрического ОК на приращения напряжения проходного ВТП (штриховая линия). Зависимости, аналогичные приведенным, характерны и для других значений параметра х2.
Годограф приращения At/* и зависимость его модуля от относительной глубины залегания 8* = 8(27?) узкого длинного подповерхностного дефекта (дефект типа В на рис. 9.1) приведены на рис. 9.6 для х2 = 15, откуда видно, что с увеличением 8* убывает модуль приращения напряжения и значительно изменяется его аргумент. При возрастании 8* от нуля до 0,1 аргумент At/* изменяется приблизительно
490
Глава 9. ВИХРЕТОКОВАЯ ДЕФЕКТОСКОПИЯ
на 90°. Это необходимо учитывать при реализации амплитудно-фазового способа ослабления влияния мешающих факторов при вихретоковой дефектоскопии цилиндрических ОК. Из рис. 9.6, б видно, что чувствительность проходного ВТП к дефектам резко убывает при увеличении 8», и тем резче, чем больше х2. Из рис. 9.6, б следует, что при увеличении 8* от 0 до 0,02 величина АСА уменьшается более чем в 2 раза при х2 = 5 и 15 и в 7 раз при х2 = = 150. Таким образом, для обнаружения подповерхностных дефектов необходимо выбирать режим контроля, соответствующий х2 < 5.
Диаграммы рис. 9.2, 9.3, 9.5 и 9.6 позволяют рассчитать глубину дефектов неферромагнитных цилиндрических ОК по известным приращениям напряжения АСА и значениям параметра х2. Погрешность полученных значений глубины дефектов определяется отклонениями формы и ориентации реальных дефектов от принятых для годографов.
Анализ сигналов проходного преобразователя в зависимости от параметров
или наличия дефектов в цилиндрическом ОК был выполнен д-ром Ф. Ферстером с помощью ртутной модели.
Ртуть - это идеальный материал для измерения приращений сигналов от неоднородностей в контролируемом с помощью проходного ВТП протяженном, например, цилиндрическом объекте. Неоднородности типа протяженных или локальных дефектов представлялись в этой модели вставкой соответствующей формы из изоляционного материала. Сразу, однако, следует предостеречь от попыток повторения эксперимента с такой моделью из-за опасности работы с ртутью. По этой причине следует воспринимать данные, полученные д-ром Ф. Ферстером, как уникальные и в достаточной степени достоверные.
Рис. 9.7 иллюстрирует ртутную модель для изучения влияния протяженных дефектов в круглых прутках из немагнитного электропроводящего материала. Катушка, намотанная на стеклянный цилиндр, является возбуждающей. Изоляционные пластины или тела любой формы и
Рис. 9.6. Годографы АСА (а) и графики зависимости модуля АСА (6) от глубины залегания подповерхностных дефектов в неферромагнитном цилиндре при х2 = 15
ДЕФЕКТОСКОПИЯ ПРУТКОВ, ПРОВОЛОКИ И ТРУБ ПРОХОДНЫМИ ВТП
491
Рис. 9.7. Ртутная модель Ф. Ферстера для исследования сигналов проходного преобразователя при контроле немагнитных цилиндрических электропроводящих объектов: изоляционные пластины, вставленные в ртуть, заполняющую цилиндр, моделируют дефекты различных размеров, формы и расположения в ОК
размера могут быть вставлены в заполненную ртутью трубу так, чтобы моделировать неоднородность (дефекты) и изменять пути прохождения вихревых токов. Положения этих изоляционных пластин, представляющих собой искусственные неоднородности, могут быть точно определены микрометром. Для удобства размещения пластин ртуть можно удалять из цилиндра в резервуар хранения. Измерения на модели проводились д-ром Ф. Ферстером с помощью мостовой измерительной схемы.
Эксперименты Ф. Ферстера показали, что результаты, получаемые на ртутной модели, могут быть, используя закон подобия, перенесены не только качественно, но и количественно на любой ОК цилиндрической формы.
Рис. 9.8-9.11 иллюстрируют изменения вносимого полного сопротивления, вызванные трещинами различной глубины, положения и формы в немагнитных стержнях для отношений частот, на которых производятся измерения, к так называемой характеристической частоте f / fg,
равных 5, 15, 50 и 150, что соответствует значениям обобщенного параметра х, равного /fg , т.е. для значений обобщенного параметра х « 2,24; 3,87; 7,07; 12,25. Отношение f/fg=5 (или х ~ 2,24) особенно важно, потому что позволяет обнаруживать поверхностные и подповерхностные трещины с одинаковой чувствительностью.
Эти годографы дают количественную информацию об изменениях амплитуды и фазы сигналов, соответствующих как поверхностным, так и подповерхностным трещинам, а также некоторым случаям клиновидных трещин с различной шириной раскрытия.
Для реализации часто применяемого амплитудно-фазового способа ослабления влияния мешающих факторов большое значение имеет взаимное положение на годографах приращений АС/* линий влияния дефектов Д6ЦЛ*), радиуса ОК Д6Ц7?) и удельной электрической проводимости ДСЦо). На рис. 9.12 зачерненные зоны
492
Глава 9. ВИХРЕТОКОВАЯ ДЕФЕКТОСКОПИЯ
Рис. 9.8. Изменение полного сопротивления параметрического проходного ВТП при значении обобщенного параметра х = 2,24
Рис. 9.9. Изменение полного сопротивления параметрического проходного ВТП при значении обобщенного параметра х = 3,87
ДЕФЕКТОСКОПИЯ ПРУТКОВ, ПРОВОЛОКИ И ТРУБ ПРОХОДНЫМИ ВТП
493
Рис. 9.10. Изменение полного сопротивления параметрического проходного ВТП при значении обобщенного параметра х = 7,07
Дсо£ / со£о
Д7?/ (f)LQ
Рис. 9.11. Изменение полного сопротивления параметрического проходного ВТП при значении обобщенного параметра х = 12,25
494
Глава 9. ВИХРЕТОКОВАЯ ДЕФЕКТОСКОПИЯ
Рис. 9.12. Годографы At/- проходного ВТП для кругового цилиндра с поверхностными и подповерхностными дефектами
определяют геометрические места концов векторов приращений напряжений проходного ВТП At/*, обусловленных наличием узких продольных дефектов при разных значениях Л* и 6*. Максимальное приращение напряжения соответствует дефекту глубиной А* = 0,2.
С увеличением х2 угол между линиями А£Л(7?) и At/*(A*) возрастает. Однако при этом чувствительность к подповерхностным дефектам может значительно уменьшаться. Амплитудно-фазовый способ выделения информации следует использовать с учетом того, что аргумент приращений напряжения от дефектов может изменяться в широких пределах в зависимости от значений А* и 5*, а также от ориентации и формы дефекта. Например, при ослаблении влияния изменений о
возможно уменьшение чувствительности к подповерхностным дефектам (вплоть до нуля при некоторых значениях 8*).
Влияние длины / дефекта цилиндрического ОК на модуль приращения напряжения от дефекта иллюстрирует рис. 9.13, на котором по оси абсцисс отложена относительная длина дефекта 7* = I / (27?), а по оси ординат - значения J* = АСА/» / А(/*ад, где - относительное приращение напряжения от дефекта с относительной длиной /*; АСА»- относительное приращение напряжения от бесконечно длинного дефекта той же глубины. Из рис. 9.13 следует, что можно считать бесконечно длинными дефекты глубиной А* < 0,1 при /♦ > 2, дефекты глубиной А* < 0,2 при 7* > 3. При этом погрешность в определении приращений напряжения от дефекта не превышает 10 %.
Дефекты в прутках квадратного сечения. Сигналы проходного ВТП с однородным полем от дефектов в прутках квадратного сечения зависят от параметров дефектов примерно так же, как и в случае цилиндрических ОК круглого сечения, если диаметр цилиндра равен стороне квадрата сечения ОК. Это позволяет использовать диаграммы рис. 9.2, 9.3, 9.5 и 9.6 для ориентировочных расчетов приращений напряжения от дефектов в прутках квадратного сечения.
А
о 1 2 L*
Рис. 9.13 Влияние длины дефекта в круговом цилиндре на сигналы проходного ВТП
ДЕФЕКТОСКОПИЯ ПРУТКОВ, ПРОВОЛОКИ И ТРУБ ПРОХОДНЫМИ ВТП
495
Влияние дефектов в трубах (рис. 9.14) на сигналы проходного ВТП отражают диаграммы на рис. 9.15. Эти диаграммы построены для трех значений х2 =Т?20)Роа = ^» 15 и 50 и четырех значений толщины стенки трубы Ъ = (R2 -- Rd / (2R2) = 0,165; 0,13; 0,10; 0,065, где и R2 - соответственно внутренний и наружный радиусы контролируемой трубы. Сплошными линиями изображены годографы приращений напряжений от дефектов типа Л и С (см. рис. 9.14), а штриховой линией - от дефекта типа В. Глубина дефектов Ат* нормирована по
Т*-0,165 Т*=0,10 T*~0p65
T*=0J65 Т»=0,73 Т*=0,065
б)
Рис. 9.15. Годографы АГ/* проходного ВТП от дефектов в трубах при различных значениях х2: а)-х2 = 5; б) -х2 = 15; в) -х2 = 50
496
Глава 9. ВИХРЕТОКОВАЯ ДЕФЕКТОСКОПИЯ
Рис. 9.15. (Продолжение)
Влияние глубины залегания дефекта под поверхностью 8* изображено на рис. 9.15 штриховыми линиями, которые показывают, что чувствительность проходных ВТП к дефектам труб зависит от частоты тока возбуждения ВТП и толщины стенки труб. Так, при х2 = 15 чувствительность ВТП как к поверхностным, так и к подповерхностным дефектам труб значительно выше, чем при х2 = 50. При х2 = 5 чувствительность к поверхностным дефектам несколько ниже, чем прих2 = 15, а к подповерхностным дефектам труб с большей толщиной стенок (Ъ = 0,165 и 0,13) она выше, чем при х2 = 15. При малых толщинах стенок труб (Ъ = 0,1 и 0,065) чувствительность ВТП и к поверхностным, и подповерхностным дефектам при х2 = 5 немного ниже, чем при х2 = 15. Это связано с глубиной проникновения электромагнитного поля в стенку трубы.
Чувствительность к подповерхностным дефектам в большинстве случаев меньше, чем к поверхностным, но при малых толщинах стенок труб эти чувствительности практически одинаковы. В некоторых случаях, например для х2 = 15, при Т* = 0,1 чувствительность к подповерхностным дефектам даже несколько выше, чем к поверхностным. На рис. 9.16 сплошной линией показан график зависимости приращения напряжения АСА от
глубины Лт* дефекта в трубе с толщиной стенки Ъ = 0,13 при х2 = 15. Для сравнения штриховой линией показана зависимость A U* от глубины поверхностного дефекта в сплошном цилиндре при х2 = 15. Из рис. 9.16 видно, что для трубы относительное приращение напряжения АСА от дефекта при Лт* < 0,75 меньше.
Влияние дефектов протяженных ОК сложного профиля (биметаллические цилиндры, трубы сложного профиля и др.)
Рис. 9.16. Зависимость ДСЛ. ВТП от глубины дефекта в цилиндре (2) и в трубе (7)
ДЕФЕКТОСКОПИЯ НАКЛАДНЫМИ ВТП
497
на сигналы ВТП существенно не отличается от рассмотренного выше. Это справедливо не только для наружных, но и для внутренних и экранных проходных ВТП.
9.2. ДЕФЕКТОСКОПИЯ НАКЛАДНЫМИ ВТП
Сигналы накладных ВТП от дефектов, как и сигналы проходных ВТП, зависят от геометрических параметров дефекта и его ориентации относительно ВТП, значения обобщенного параметра контроля Р, параметров ВТП, тока возбуждения (для ферромагнитных материалов). Кроме того, на сигналы накладных ВТП от дефектов влияют форма и кривизна поверхности объекта в зоне контроля, а также в сильной степени расстояние (зазор) между ВТП й ОК.
Годографы приращений напряжения накладного ВТП, расположенного над неферромагнитным полупространством, от глубины Л* узких длинных дефектов, а также от глубины залегания 8* дефектов при Р = 0,5Г)ЭКЛ/(оц0о = 6 и относительном зазоре £ = 0,375 приведены на рис. 9.17. Для накладного ВТП зазор, глубина дефекта и глубина его залегания нормированы по эквивалентному диаметру преобразователя D3K.
На рис. 9.18 показаны графики зависимости АСА(Р, Л*) и At/*(P, 8*), из которых видно, что максимальные приращения напряжения от поверхностных дефектов получаются при р = 6... 10.
При использовании в дефектоскопах накладных ВТП для уменьшения влияния зазора очень часто применяют амплитудно-фазовый способ выделения информации. В связи с этим представляет интерес зависимость проекции Д1/х приращения напряжения на направление вектора опорного напряжения, перпендикулярное линии влияния зазора. На рис. 9.19 представлены графики зависимости Д{/±*(Р, Л*)
Рис. 9.17. Годографы Д€/ накладного ВТП от глубины узких длинных дефектов в проводящем полупространстве
и Д£/±*(Р, S*). Графики на рис. 9.19, б показывают, что у дефектоскопов с амплитудно-фазовым способом подавления влияния изменения зазора чувствительность к подповерхностным дефектам убывает медленно при увеличении глубины залегания 8* и может быть даже выше чувствительности к поверхностным дефектам. Так, при Р = 6 кривая Д(7±*(8) имеет резко выраженный максимум, а при Р = 2 чувствительность накладного ВТП к дефектам существенно не изменяется при изменении 8 от 0 до 0,3.
По зависимости приращения напряжения накладного ВТП от длины дефекта (рис. 9.20) видно, что сигналы от дефекта возрастают при увеличении длины дефекта 1 = 1 / £>эк.
498
Глава 9. ВИХРЕТОКОВАЯ ДЕФЕКТОСКОПИЯ
а)
Рис. 9.18 Графики зависимости сигналов накладного ВТП, обусловленных дефектами: а - от обобщенного параметра р; б - от глубины залегания дефектов 8
Рис. 9.19. Графики зависимости проекции векторов напряжений, обусловленных поверхностными (а) и подповерхностными (б) дефектами, на направление, перпендикулярное линии влияния изменения зазора
Рис. 9.20. Зависимость ДСЛ накладного ВТП от длины дефекта
Зависимости, приведенные на рис. 9.17 ... 9.20, показывают, что чувствительность накладного ВТП к дефектам определяется размерами дефектов, отнесенными к эквивалентному диаметру преобразователя.
Отсюда следует вывод, что для обнаружения мелких дефектов необходимо уменьшать диаметр ВТП. В этом состоит одно из важнейших преимуществ накладного ВТП по сравнению с проходным.
ТЕХНОЛОГИЯ КОНТРОЛЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НАКЛАДНЫХ ВТП
499
При контроле, например, круглых латунных (с = 18 МСм/м) прутков диаметром D = 20 мм с помощью проходного ВТП с диаметром измерительной катушки DK = 25 мм, т.е. при коэффициенте заполнения г| = 0,64 следует прежде всего определить тип подлежащих обнаружению наиболее характерных дефектов. Пусть в качестве примера это будут узкие поверхностные дефекты, например, глубиной h = = 2 мм и длиной I = 7,5 мм. Тогда согласно рис. 9.3 оптимальным значением обобщенного параметра контроля будет х2 = = 10, чему соответствует частота тока возбуждения ВТП Ур = 4х2 / (2лцосг) = 700 Гц.
Для начального напряжения UQ = 1 В из рис. 9.3 для Л* = hlD = 0,1 и х2 = 10 найдем относительное приращение напряжения измерительной обмотки А(Л = =
0,019. Абсолютное значение этого приращения составит
А{Л = Ц)Т|А^ = 1 • 0,64 • 0,019 =
= 0,012 В = 12 мВ.
Учитывая ограниченную длину дефекта (/♦=//£> = 0,375), из рис. 9.13 найдем поправку А* = 0,55. Тогда
Д(/' = АО4* = 6,6 мВ.
В случае использования для контроля накладного ВТП с эквивалентным диаметром 3 мм относительная длина дефекта составит U = I / D = 2,5, а относительная глубина А* = h / Пэк = 0,66. Тогда оптимальное значение обобщенного параметра согласно рис. 9.3 составит Р = 7. Для того же начального напряжения Uq = 1 В при зазоре, равном 1 мм, т.е. £ = 0,33, из рис. 9.3 получим ЛСЛ = 0,04, т.е. ДС/= Uo &U* = = 40 • 10"3 В. Видно, что сигнал от рассматриваемого дефекта при использовании накладного ВТП в 6 раз больше, чем при использовании проходного, т.е. с точки зрения величины сигнала от дефекта накладной преобразователь имеет несравнимые преимущества перед проходным.
9.3. ТЕХНОЛОГИЯ КОНТРОЛЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НАКЛАДНЫХ ВИХРЕТОКОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
Перед проведением неразрушающего контроля с помощью накладных ВТП необходимо визуально убедиться в отсутствии трещин и механических повреждений на контролируемой поверхности. Изделия, имеющие визуально обнаруживаемые трещины, бракуются. Механические задиры в зоне контроля должны быть удалены.
Для осуществления контроля прежде всего следует настроить вихретоковый дефектоскоп. Для этой цели можно использовать стандартный образец или бездефектный участок поверхности контролируемой детали.
Стандартные образцы первого типа СО1 предназначены для определения работоспособности и пороговой чувствительности вихретоковых дефектоскопов. Целесообразно использовать два образца.
Первый образец СО1 № 1 (рис. 9.21) применяется для определения чувствительности при контроле изделий плоской формы.
Рис. 9.21. Образец СО1 № 1 для определения чувствительности при контроле плоской поверхности
500
Глава 9. ВИХРЕТОКОВАЯ ДЕФЕКТОСКОПИЯ
Рис. 9.22. Образец СО1 № 2 для определения чувствительности при контроле ребра
Второй - СО1 № 2 (рис. 9.22) - используется для определения чувствительности при контроле ребер или краев деталей.
Стандартные образцы СО1 должны изготавливаться из материалов, отличающихся не более чем на 10 ... 20 % по электрическим и магнитным свойствам от свойств материала ОК. Прорези, имитирующие поверхностный дефект, создают электроэрозионным методом.
Стандартные образцы второго типа СО2 изготавливаются из материала ОК или подбираются из образцов ОК с реальными дефектами. Эти образцы должны соответствовать характерным геометрическим параметрам ОК.
При настройке дефектоскопа и проверке влияния наклона преобразователя следует не допускать прижима преобразователя к стандартному образцу и к контролируемой поверхности ОК с усилием, значительно превышающим массу преобразователя. Ось преобразователя при настройке и проведении контроля, в том числе при его перемещении по контролируемой поверхности, должна быть перпендикулярна поверхности.
После настройки можно непосредственно приступать к выполнению контроля. Контроль осуществляется последовательным сканированием контролируемой
поверхности преобразователем. Сканирование должно вестись перпендикулярно направлению ожидаемого развития дефекта. Только при невозможности такого сканирования допускается проведение контроля при сканировании под углом к направлению предполагаемого дефекта. Шаг сканирования выбирается с учетом требуемой чувствительности и направления сканирования. При неизвестной ориентации дефекта для достижения максимальной чувствительности шаг сканирования должен быть меньше половины длины дефекта, выявляемого на стандартном образце. При влиянии мешающих факторов шаг сканирования выбирается минимально возможным. Скорость контроля определяется техническими характеристиками применяемого дефектоскопа. Скорость контроля с использованием стрелочной индикации ограничивается значением 5 мм/с. Скорость контроля с помощью световой безынерционной (светодиодной) сигнализации при отсутствии засветки от внешнего освещения и расположении индикатора в поле зрения оператора может достигать 10... 20 мм/с. Такая же скорость может быть выбрана и для дефектоскопов со звуковой сигнализацией в условиях низкого шума. Для дефектоскопов с запоминающей сигнализацией скорость контроля не ограничивается и полностью определяется его техническими характеристиками.
При контроле следует провести раз-метку контролируемой поверхности на зоны контроля (ЗК) с учетом конфигурации ОК или отдельного контролируемого участка. Для удобства работы оператора площадь ЗК не должна превышать 0,01 ... 0,02 м2.
Контроль каждой ЗК следует начинать с настройки (компенсации) дефектоскопа при установке преобразователя на бездефектном участке в этой ЗК. Качество настройки проверяют следующим образом:
- устанавливают преобразователь в ЗК и настраивают дефектоскоп;
ТЕХНОЛОГИЯ КОНТРОЛЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НАКЛАДНЫХ ВТП
501
- перемещают преобразователь на несколько миллиметров в разные стороны внутри ЗК;
- отсутствие сигнализации о дефекте свидетельствует об отсутствии дефектов в месте настройки.
Рассмотрим некоторые характерные случаи контроля с помощью накладных преобразователей.
Краевые зоны деталей при контроле должны выделяться в отдельную ЗК. Контроль края детали проводится при перемещении преобразователя вдоль края при обязательном поддержании постоянным расстояния от края. Для этой цели рекомендуется использовать специально изготовленные насадки, примеры которых показаны на рис. 9.23.
Приближение преобразователя к краю детали ближе чем на 1... 1,5 диаметра сердечника преобразователя приводит к нарушению настройки дефектоскопа. В некоторых дефектоскопах предусмотрена сигнализация о приближении к краю, в других влияние краевой зоны вызывает срабатывание сигнализации об изменении зазора. Чувствительность дефектоскопов при настройке на участке краевой зоны не снижается по сравнению с настройкой чувствительности на плоских участках. Дефекты, выходящие на кромку, часто выявляются лучше, чем на плоской поверхности. Следует иметь в виду, что чувствительность может значительно меняться при изменении наклона преобразователя, поэтому при контроле краевой зоны обязательно применение насадок для фиксации положения преобразователя.
6)
Рис. 9.23. Схемы позиционирования преобразователя с помощью специальных насадок: а - Г-образной; б - конусной; в - трапецеидальной; г - треугольной;
1 - деталь; 2 - специальная насадка; 3 - преобразователь
502
Глава 9. ВИХРЕТОКОВАЯ ДЕФЕКТОСКОПИЯ
При затрудненном доступе к участкам ОК надежность контроля снижается. Кроме того, в этих случаях возможно уменьшение чувствительности из-за невозможности соблюдения оптимальных условий контроля. Технология контроля для этих случаев должна быть отработана на реальных ОК с использованием необходимых насадок к преобразователям.
Расстояние от края при настройке дефектоскопа и собственно осуществлении контроля должно быть одинаковым. При необходимости ведения контроля на разных расстояниях от края эту ЗК следует разделить на отдельные ЗК и для контроля каждой из них специально настраивать дефектоскоп.
Непостоянную по форме краевую зону нужно разбить по длине на отдельные ЗК.
При постоянной форме краевой зоны и неизменном направлении перемещения преобразователя скорость контроля ограничивается только техническими характеристиками дефектоскопа.
Для достижения предельной чувствительности при контроле галтелей необходимо применять преобразователь карандашного типа, установка которого перпендикулярно криволинейной поверхности в ЗК требует внимания и навыка оператора. Использование направляющих насадок к преобразователям целесообразно в случаях массового контроля однотипных деталей, при этом для каждого участка постоянной кривизны нужна отдельная насадка. Дефектоскоп предварительно настраивают с помощью специального стандартного образца ССО (рис. 9.24), изготовленного из материала контролируемой детали и имеющего участки с такими же радиусами кривизны, как и у контролируемых галтелей.
Предварительную настройку выполняют в следующей последовательности:
- устанавливают в дефектоскопе диапазон, соответствующий материалу ОК;
Рис. 9.24. ССО для контроля галтелей:
1 - зона без трещин; 2 - зона с усталостной трещиной; 3 - границы зоны с трещиной (обозначаются красными линиями);
4 - границы зоны без трещины (обозначаются белыми линиями)
Рис. 9.25. Положение преобразователя при предварительной настройке:
1 - нормаль к галтели; 2 - преобразователь;
3 - сечение ССО; 4 - галтель (зона настройки прибора)
- размещают преобразователь перпендикулярно контролируемой поверхности примерно в середине галтели, как показано на рис. 9.25;
- настраивают дефектоскоп на бездефектном участке ССО (в зоне 1 рис. 9.24) в соответствии с руководством по эксплуатации дефектоскопа;
ТЕХНОЛОГИЯ КОНТРОЛЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НАКЛАДНЫХ ВТП
503
Рис. 9.26. Траектория перемещения преобразователя при предварительной настройке:
1 - зона без трещины; 2 - зона с трещиной;
3 - траектория перемещения преобразователя;
А - шаг перемещения преобразователя
- перемещают преобразователь зигзагообразно с шагом А (рис. 9.26), не превышающим диаметра сердечника преобразователя (обычно А < 2 мм);
- убеждаются, что нет срабатывания сигнализации на бездефектных участках образца;
- убеждаются, что при помещении преобразователя в зону трещины срабатывают все предусмотренные в этом случае виды сигнализации дефектоскопа.
После завершения предварительной настройки выполняют следующие этапы окончательной настройки на ОК:
- выбирают зону для проведения контроля;
- проверяют возможность установки преобразователя перпендикулярно к поверхности на всех участках контролируемой поверхности (см. рис. 9.26);
- зигзагообразно перемещая преобразователь с шагом А = 1 ... 2 мм (рис. 9.27), следят за появлением сигнала о дефекте. Если сигнал о дефекте отсутствует, то, установив преобразователь приблизительно в середине проверяемого участка, настраивают дефектоскоп в соответствии с руководством по эксплуатации.
При проведении контроля преобразователь перемещают зигзагообразно по траектории (рис. 9.28) с шагом А = 1... 2 мм и, удерживая преобразователь перпендикулярно контролируемой поверхности, по
Рис. 9.27. Положение преобразователя в зоне галтели при настройке и контроле: 7 - нормаль к галтели; 2 - положение преобразователя при настройке; 3 - ЗК;
4 - крайние положения преобразователя в зоне галтели
Рис. 9.28. Траектория перемещения преобразователя при контроле галтели:
7 - зона контроля; 2 - траектория перемещения преобразователя; Д - шаг перемещения преобразователя
срабатыванию сигнализации выявляют участки галтели с дефектами.
504
Глава 9. ВИХРЕТОКОВАЯ ДЕФЕКТОСКОПИЯ
Участки галтелей, на которых были зафиксированы сигналы о дефекте, следует повторно проконтролировать с уменьшенным шагом сканирования. Дефектный участок помечают краской и регистрируют результат в журнале (заключении).
При переходе к контролю галтельных зон с другим радиусом кривизны дефектоскоп следует вновь настроить.
Возможен контроль проточек только со скругленным переходом от стенок к основанию. В противном случае с помощью ВТП удается проконтролировать лишь дно проточки. Применение направляющих насадок целесообразно только при контроле однотипных деталей и при постоянстве радиуса кривизны проточки.
Предварительную настройку дефектоскопа проводят на ССО (рис. 9.29), изготовленном из материала контролируемого изделия, и выполняют в такой последовательности:
- устанавливают в дефектоскопе диапазон, соответствующий материалу ОК;
- размещают преобразователь перпендикулярно контролируемой поверхности в проточке (рис. 9.30);
- настраивают дефектоскоп на бездефектном участке проточки ССО в соответствии с руководством по эксплуатации дефектоскопа;
Рис. 9.29. Специальный стандартный образец с проточкой:
1 - зона с трещиной; 2 - зона без трещины;
3 - трещина
Рис. 9.30. Положение преобразователя в проточке при предварительной настройке: 1 - положение преобразователя; 2 - проточка; 3-ОК
Рис. 9.31. Траектория перемещения преобразователя по проточке:
1 - траектория перемещения преобразователя;
2 - зона контроля; А - шаг перемещения преобразователя
- перемещают преобразователь зигзагообразно по проточке (рис. 9.31) и убеждаются в отсутствии сигнала о дефекте на бездефектных участках проточки;
- убеждаются в появлении сигнала о дефекте при перемещении преобразователя на участке проточки с трещиной;
- проверяют соответствие радиуса проточки на ССО радиусу проточки, подлежащей контролю.
После завершения предварительной настройки выполняют следующие этапы
ТЕХНОЛОГИЯ КОНТРОЛЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НАКЛАДНЫХ ВТП
505
для окончательной настройки на объекте контроля:
- выбирают зону контроля;
- проверяют возможность установки преобразователя перпендикулярно поверхности проточки (рис. 9.32);
- зигзагообразно перемещая преобразователь с шагом А = 3 ... 5 мм (см. рис. 9.31), следят за появлением сигнала о дефекте. Если сигнал о дефекте отсутствует, то, установив преобразователь приблизительно в середине контролируемого участка, настраивают дефектоскоп в соответствии с руководством по эксплуатации.
При контроле проточки преобразователь следует устанавливать не ближе 1,5 мм от кромок проточки. Если отклонение преобразователя от нормали к поверхности не превышает 10 ... 15° при приближении к краям, то допустимость контроля при таких отклонениях проверяют по паспорту (руководству по эксплуатации) дефектоскопа.
При проведении контроля преобразователь перемещают зигзагообразно по траектории (см. рис. 9.31) с шагом А = 1... 2 мм и, удерживая преобразователь перпендикулярно контролируемой поверхности, по срабатыванию сигнализации выявляют дефектные участки проточки.
Обнаружение дефектов на расстоянии 1,5 мм и менее от края проточки не гарантируется.
Рис. 9.32. Положение преобразователя относительно проточки при настройке: / - нормаль к участку галтели; 2 - положение преобразователя при настройке; 3 - ЗК;
4 - сечение ОК в ЗП; 5 - крайние положения преобразователя при контроле
Участки проточек, на которых был зафиксирован сигнал о дефекте, следует повторно проконтролировать с уменьшенным шагом сканирования. При появлении сигнала о дефекте этот участок отмечают краской и результат регистрируют в журнале (заключении). При переходе к контролю других проточек дефектоскоп вновь настраивают.
При контроле краев отверстий выделяют не менее трех ЗК по краю отверстия примерно через 120° (рис. 9.33) и настраивают дефектоскоп в каждой из ЗК, выполняя следующие операции:
- устанавливают преобразователь в одной из ЗК по нормали к поверхности на расстоянии 2 ... 3 мм от края отверстия и настраивают дефектоскоп в соответствии с руководством по эксплуатации;
- выполняют сканирование вдоль края отверстия во всех выделенных ЗК, удерживая преобразователь на расстоянии 2 ... 3 мм от края. При появлении сигнала о дефекте отмечают место его расположения.
Если сигнал о дефекте отсутствует, то дефектоскоп настраивают в следующей ЗК также на расстоянии 2 ... 3 мм от края отверстия и вновь выполняют контроль всего края отверстия. Операцию настройки в случае отсутствия сигнала о дефекте повторяют для всех выделенных ЗК.
Рис. 9.33. Выделение участков в ЗК и траектория перемещения преобразователя: 1 - траектория перемещения преобразователя;
2 - отверстие; 3 - край отверстия
506
Глава 9. ВИХРЕТОКОВАЯ ДЕФЕКТОСКОПИЯ
Рис. 9.34. Конструкция преобразователя для контроля краев отверстий вокруг винтов, болтов и заклепок:
1 - преобразователь; 2 - опора; 3 - регулятор радиуса контроля
При массовом контроле краев отверстий вокруг винтов, болтов, заклепок целесообразно использовать преобразователь в специальном держателе (рис. 9.34).
Участки краев отверстий с обнаруженными трещинами помечают краской и подвергают повторному контролю, предварительно вновь настроив прибор по бездефектному участку ЗК.
При контроле ступиц на ступице по окружности через 10 ... 40 мм в зависимости от диаметра выделяют ЗК нанесением прямых линий длиной 15 ... 20 мм в направлении образующей цилиндра (рис. 9.35).
Установив преобразователь в одной из ЗК перпендикулярно к поверхности на расстоянии не ближе 5 ... 10 мм к торцу ступицы, настраивают дефектоскоп в соответствии с руководством по эксплуатации.
Контроль выбранной ЗК проводят, перемещая преобразователь зигзагообразно с шагом А = 1 ... 2 мм (рис. 9.36). Преобразователь должен находиться не ближе
Рис. 9.35. Выделение участков на ступице для настройки и контроля:
1 - границы выделенных участков; 2 - области контроля (I, II, III и IV); 3 - торец ступицы
<---------15.. .20
Рис. 9.36. Траектория перемещения преобразователя при контроле ступицы: 1 - торец ступицы; 2 - выделенный участок ступицы; 3 - траектория перемещения преобразователя; 4 - границы, выделяющие участок ступицы; А - шаг перемещения преобразователя
2 ... 3 мм от торца ступицы. При необходимости контроля края следует учитывать требования соответствующего раздела.
Не изменяя настройки преобразователя, выполняют предварительный контроль всех выделенных ЗК, зигзагообразно перемещая преобразователь с шагом А = = 3 ... 5 мм так, чтобы при движении преобразователя зоны частично перекрывались. Преобразователь должен в процессе контроля находиться не ближе 2... 3 мм от торца ступицы. В областях, где появляется
ТЕХНОЛОГИЯ КОНТРОЛЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НАКЛАДНЫХ ВТП
507
сигнал о дефектах, проводят окончательный контроль ЗК, уменьшив шаг сканирования до 1 ...2 мм.
Участки ступицы, на которых появился сигнал о дефекте, помечают краской и подвергают повторному контролю, предварительно вновь настроив прибор на бездефектном участке. При обнаружении дефекта результаты заносят в журнал (заключение).
Оценку результатов контроля и идентификацию дефектов проводят следующим образом.
О наличии дефектов в ОК свидетельствует срабатывание соответствующей сигнализации. Дефект регистрируется дефектоскопом в момент, когда он находится непосредственно в зоне чувствительности преобразователя, т.е. под его торцом. Регистрация в приборах различных типов осуществляется следующим образом:
- скачкообразное увеличение показаний стрелочного индикатора с последующим (после прохождения дефекта преобразователем) возвращением к первоначальному значению;
- включение светового индикатора;
- кратковременное возникновение звукового сигнала в приборах с пороговой сигнализацией.
Характер срабатывания сигнализации зависит от угла между направлением трещины и траекторией движения преобразователя. Если траектория совпадает с направлением трещины, то длительность сигнала (при постоянной скорости перемещения преобразователя) пропорциональна длине трещины. В этом случае при наличии стрелочного индикатора его показания пропорциональны глубине трещины. Если траектория перпендикулярна направлению трещины, то продолжительность сигнала определяется зоной чувствительности преобразователя и обычно весьма мала. Повторным сканированием в этой зоне нужно удостовериться в наличии дефекта. Показания стрелочного индикатора также пропорциональны глубине трещины.
При движении преобразователя вдоль предполагаемого дефекта любой из видов сигнализации должен продолжать срабатывание. Перемещением преобразователя в направлении, где поддерживается сигнализация о дефекте, можно определить конфигурацию трещины. Для ее уточнения необходимо периодически перемещать преобразователь поперек трещины, чтобы убедиться в выключении сигнализации при выходе трещины из зоны чувствительности преобразователя.
Плавное увеличение показаний стрелочного индикатора и плавное изменение звука тональной сигнализации не является признаком дефекта, а свидетельствует о наличии зон магнитной или электрической неоднородности. При обнаружении таких зон нужно внимательно следить за характером сигнализации. Скачкообразное изменение сигнализации может служить признаком дефекта. В этом случае следует выполнить повторную компенсацию вблизи указанного скачкообразного изменения и вновь провести контроль этой зоны.
Если для контроля использовался преобразователь большого диаметра, то обязательно проводится уточнение границ трещины преобразователем с минимальным диаметром, являющимся основным для большинства дефектоскопов.
При определении протяженности выявленного дефекта необходимо учитывать, что сигнал появляется тогда, когда дефект находится практически под сердечником преобразователя. Поэтому для определения протяженности дефекта необходимо установить преобразователь в положение, соответствующее началу трещины, и затем, перемещая его зигзагообразно вдоль трещины, найти ее конец. Из-за наличия порога чувствительности участки дефектов глубиной менее порогового значения (обычно 0,1 ... 0,2 мм) не выявляются. Поскольку конец трещины может иметь меньшую глубину, то измеренную протяженность трещины следует считать минимальной и для уточнения ее длины применять другие методы контроля.
508 Глава 9. ВИХРЕТОКОВАЯ ДЕФЕКТОСКОПИЯ
Если трещина обнаружена под слоем лакокрасочного покрытия, то при необходимости точного определения ее длины покрытие снимают и проводят повторный контроль с настройкой прибора на участке без покрытия.
После выявления трещины и измерения ее длины дефектное место следует отметить краской и результаты контроля занести в журнал (заключение).
Глава 10
ВИХРЕТОКОВАЯ СТРУКТУРОСКОПИЯ НЕМАГНИТНЫХ ОБЪЕКТОВ
10.1. возможности СТРУКТУРОСКОПИИ НЕМАГНИТНЫХ ОБЪЕКТОВ
Одним из направлений увеличения ресурса двигателей, транспортных средств, энергетических установок является контроль процессов, происходящих в поверхностных слоях материалов. Нарушения в работе этих устройств нередко возникают из-за неоднородности структуры, отклонений химического состава, увеличения концентрации напряжений, коррозии. Эти факторы так или иначе влияют на электрические и магнитные характеристики поверхностного слоя материала.
Существуют корреляционные, в ряде случаев однозначные связи между электрическими характеристиками и структурным состоянием металлов и сплавов, прошедших термическую обработку. Для суждения о свойствах и структурном состоянии электропроводящих материалов нашел применение метод вихревых токов.
Контроль этим методом проводят как с применением специально изготовленных образцов, так и без них. Метод вихревых токов во многих случаях позволяет выполнять массовый, а не выборочный контроль продукции и отказаться от многих трудоемких испытаний, связанных с изготовлением и разрушением образцов или повреждением поверхности детали. В отличие от измерения удельной электрической проводимости образцов на постоянном токе, являющейся интегральной характеристикой и не пригодной для оценки состояния поверхностных слоев, вихретоковая структуроскопия обеспечивает локальность контроля. Это же относится и к измерениям магнитных свойств в постоянных магнитных полях.
Возможности вихретокового метода контроля немагнитных объектов опреде
ляются наличием связи между структурным состоянием, механическими свойствами материала и его электрической проводимостью.
Вихретоковая структуроскопия позволяет проконтролировать состояние и качество структуры материала без разрушения, косвенно оценить механические характеристики, например прочность, и получить исходные данные для прогнозирования состояния материала.
Режимы вихретокового контроля выбирают в соответствии со значениями удельной электрической проводимости, которые для химических элементов приведены в табл. 10.18. Но наиболее важно проводить структуроскопию сплавов. Основу этого контроля составляют исследования зависимостей удельной электрической проводимости от режимов обработки материалов, разброса параметров, а также влияния на эти зависимости примесей. Опубликованные результаты исследований приведены в этой главе.
10.2. СТРУКТУРОСКОПИЯ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ
10.2.1. СВОЙСТВА АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ
Алюминиевые сплавы отличаются высокими эксплуатационными свойствами и относятся к основным материалам авиастроения, где применяются литейные и деформируемые сплавы, сплавы повышенной прочности и жаропрочности, сплавы с замедленным ростом трещин усталости, антикоррозионные сплавы и т.д. Поэтому весьма остро стоит задача сортировки алюминиевых сплавов по маркам без повреждения деталей. Свойства этих сплавов зависят от количества их компонентов и точности соблюдения ре
510 Глава 10. ВИХРЕТОКОВАЯ СТРУКТУРОСКОПИЯ НЕМАГНИТНЫХ ОБЪЕКТОВ
жимов термической и механической обработки.
Накоплен большой практический опыт по вихретоковой структуроскопии промышленных алюминиевых сплавов. Вихретоковая структуроскопия основана на измерении электрической проводимости сплавов и охватывает вопросы сортировки и оценки их свойств после обработки без разрушения заготовок, полуфабрикатов и деталей.
Свойства алюминиевых сплавов во многом определяются свойствами чистого алюминия, удельная электрическая проводимость которого при 0 °C составляет о = = 40,08 МСм/м, при 100 °C - о = 28,1 МСм/м, а при 300 °C - а = 17,0 МСм/м. Температурная зависимость удельной электрической проводимости алюминия линейна. Магнитная восприимчивость чистого алюминия при 0 °C 0,6 • 106, а при 200 °C 0,53 10"6.
Нормальными примесями в алюминии считаются железо и кремний, небольшие добавки которых, как показано на рис. 10.1, несколько снижают его электрическую проводимость.
Рис. 10.1. Влияние примесей кремния и железа на удельную электрическую проводимость алюминия
На измерении удельной электрической проводимости построена методика определения степени чистоты алюминия (по ГОСТ 4004-64). Наиболее чистый технический алюминий марки AB0000 содержит 0,004 % примесей.
10.2.2. ДВУХКОМПОНЕНТНЫЕ СПЛАВЫ
Двухкомпонентные сплавы служат основой для изучения свойств многокомпонентных промышленных сплавов алюминия.
По влиянию на удельную электрическую проводимость химические компоненты сплавов на основе алюминия делятся на три группы:
• золото, бериллий, никель, железо, цинк, кремний весьма мало влияют на электрическую проводимость;
• медь, серебро, магний более значительно влияют на электрическую проводимость;
• титан, ванадий, марганец сильно влияют на электрическую проводимость.
На рис. 10.2 показано влияние содержания отдельных компонентов на электрическую проводимость алюминиевых сплавов. Как правило, небольшое содержание примеси сильно воздействует на электрическую проводимость.
0 0.1 O.Z 0.3 0,4 0.5 0.6
Содержание примесей, 7о
Рис. 10.2. Зависимость между электрической проводимостью и содержанием отдельных компонентов в сплаве
СТРУКТУРОСКОПИЯ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ
511
Удельная электрическая проводимость сплавов на основе алюминия с Си, Zn, Ag, Mg и Si непосредственно после закалки быстро увеличивается. Однако скорость роста и абсолютное значение удельной электрической проводимости для различных добавок неодинаковы.
Удельная электрическая проводимость сплава с 3 % Си, закаленного при температуре 500 °C, уже через 1 мин старения при 20 °C возрастает на 2 %. Максимальное увеличение удельной электрической проводимости составляет 3 ... 4 %. Удельная электрическая проводимость сплава с 3 % Zn в аналогичных условиях не изменяется. Повышение содержания Zn в сплаве приводит к изменению электрической проводимости при старении на 0,6 % при 5 %-ном содержании Zn и на 2 % при 8 %-ном содержании цинка. Быстрое увеличение удельной электрической проводимости при старении наблюдается у сплавов А1 с серебром. Время достижения максимальной удельной электрической проводимости алюминиевых сплавов с медью, цинком и серебром при старении уменьшается с повышением температуры закалки (при последующем отпуске, а также с увеличением содержания легирующего элемента).
Распад пересыщенных твердых растворов начинается уже во время закалки. Изменение удельной электрической проводимости сплавов при старении определяется двумя независимыми одновременно протекающими процессами: распадом твердого раствора и перераспределением атомов легирующего элемента. С увеличением содержания легирующего элемента уменьшается влияние первого процесса. Максимум удельной электрической проводимости связан с распадом твердого раствора и образованием скопления атомов.
Легирование алюминия магнием и кремнием приводит к небольшому увеличению его удельной электрической проводимости в начале старения. Дальнейшая выдержка при комнатной температуре не
изменяет электрических свойств этих сплавов.
К двухкомпонентным сплавам относится литейный сплав силумин. Упрочнение этого сплава достигается модифицированием. Его удельная электрическая проводимость зависит от процентного состава примесей (меди и железа). По значению удельной электрической проводимости сплава можно контролировать его состав и следить за модификацией (в пределах одной плавки). Оценивать процентное содержание железа для многокомпонентных сплавов можно лишь тогда, когда изменяется только одна из компонент сплава.
10.2.3. МНОГОКОМПОНЕНТНЫЕ ДЕФОРМИРУЕМЫЕ АЛЮМИНИЕВЫЕ СПЛАВЫ
Среди многокомпонентных сплавов можно выделить сплавы системы А1-Си-Mg (дюрали), например: Д1 и Д16, сплав авиль, отличающийся от дюралей механизмом упрочнения, высокопрочные алюминиевые сплавы, содержащие цинк (В93, В95), алюминиевые сплавы для ковки и штамповки (АК6 и АК8) и жаропрочные сплавы типа АК4-1. Сплавы типа А1-Си-Mg применяются в основном в естественно состаренном состоянии, а сплавы А1-Mg-Zn; Al-Mg-Zn-Cu - после искусственного старения.
Примерный химический состав, механические свойства и удельная электрическая проводимость сплава Д16 приведены в табл. 10.1 при трех температурах закалки: 490, 500 и 510 °C.
Сплав Д1 отличается от сплава Д16 меньшим суммарным содержанием меди и магния, поэтому он имеет меньшую прочность, но большую пластичность. В табл. 10.2 - 10.4 приведены характерные механические и электрические свойства сплавов Д1 с химическим составом: 4 % Си, 0,54 % Mg, 0,56 % Мп, 0,5 % Fe, 0,4 % Si и сплава Д16, а также их сравнительные характеристики.
10.1. Примерные свойства сплава Д16 с разным содержанием компонентов
Химический состав сплавов, % Временное сопротивление, МПа Предел текучести, МПа Относительное удлинение, % Удельная электрическая проводимость о, МСм/м
в свежезакаленном состоянии, °C в естественно состаренном состоянии, °C в искусственно состаренном состоянии, °C в отожженном состоянии
Си Mg Мп Fe Si 490 500 510 490 500 510 490 500 510
3,9 1,3 0,4 0,22 0,08 430... 470 280... 290 19... 23 18,5 17,9 17,3 16,7 16,0 15,7 20,7 19,6 18,7 27,0
3,83 1,67 0,42 0,23 0,09 470 320 23 17,9 17,6 16,3 16,0 15,6 14,85 21,1 20,3 19,8 26,6
4,85 1,21 0,43 0,23 0,05 500 310... 320 16... 19 18,3 17,6 16,0 16,4 15,4 12,0 20,7 19,4 18,6 26,5
4,97 1,6 0,4 0,22 0,08 515 335 18,5 17,5 16,4 15,4 15,7 14,7 12,0 20,5 19,4 19,1 26,1
4,02 1,2 ' 0,84 0,24 0,08 510 295 16,0 18,2 17,3 16,8 16,2 15,8 15,1 21,0 20,4 20,05 26,2
3,82 1,6 0,75 0,24 0,08 510 330 17,5 17,7 16,8 16,0 15,6 15,1 12,0 19,5 18,7 17,9 26,2
4,82 1,21 0,76 0,21 0,05 520 315 17,0 17,5 16,9 15,8 15,9 15,2 12,0 20,2 19,6 18,9 26,6
5,05 1,62 0,86 0,21 0,05 550 350 16,0 17,4 16,7 15,4 15,4 14,6 12,0 19,7 18,9 17,8 26,3
4,97 1,2 0,43 0,53 0,35 495 295 15,8 18,6 18,1 17,1 17,1 16,5 16,1 22,0 21,7 21,2 26,7
5,03 1,2 0,44 0,23 0,08 500 318 17,9 18,2 17,6 16,6 16,4 15,6 12,0 20,6 20,1 19,9 26,7
Глава 10. ВИХРЕТОКОВАЯ СТРУКТУРОСКОПИЯ НЕМАГНИТНЫХ ОБЪЕКТОВ
СТРУКТУРОСКОПИЯ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ
513
10.2. Свойства сплава Д1
Параметры После закалки при температуре, °C После естественного старения при температуре, °C
490 500 510 490 500 510
о, МСм/м 22,5 21,4 20,9 22,5 2Р 20,6
10.3. Свойства сплава Д1
Параметры После искусственного старения (170 ± 5 °C) при температуре закалки, °C
480 500 520
ов, МПа 460 510 550
о, МСм/м 26,4 23,5 23,0
Так же, как и для сплава Д16, удельная электрическая проводимость сплава Д1 от температуры закалки зависит линейно, в то время как кривая зависимости твердости от температуры закалки имеет перегиб при 510 °C.
Минимальная удельная электрическая проводимость при температуре 560 °C равна 18,5 МСм/м, максимальная -
10.4. Сравнительные свойства сплавов Д1 и Д16
Сплав Химический состав сплава, % Предел текучести, МПа Временное сопротивление, МПа Относительное удлинение, % Удельная электрическая проводимость ст, МСм/м
Си Mg Мп
Д1 3,8... 4,8 0,4... 0,8 0,4... 0,8 240 410 15 21,0
Д16 3,8... 4,9 1,2... 1,8 0,3... 0,9 380 520 11 16,5
Примечание. Приведена средняя удельная электрическая проводимость в термообработанном состоянии.
24,4 МСм/м. При искусственном старении линейность этой связи нарушается в области сравнительно низких температур закалки: при температуре +350 °C она равна 28,8 СМм/м, при температуре +400 °C составляет 28,4 МСм/м, при температуре 560 °C она уменьшается до 20,5 МСм/м.
При изменении температуры старения от 180 до 230 °C удельная электрическая проводимость возрастает линейно с 21 до 27 МСм/м.
Сплавы с существенно меньшим содержанием компонентов (Си 0,2 ... 0,6 %, Мп 0,15 ... 0,35 %) известны под названием авиалей. Они характеризуются меньшей прочностью (323 МПа), но лучшей
пластичностью в холодном и горячем состояниях. У большой партии образцов из этого сплава, термически обработанных при температуре 520 °C, удельная электрическая проводимость изменялась от 24,3 до 27,3 МСм/м. При пережоге этого сплава удельная электрическая проводимость материала падает ниже 23,1 МСм/м.
Высокопрочные алюминиевые сплавы В93 и В95 наряду с медью и магнием содержат цинк. Прочность этих сплавов достигает 500 ... 520 МПа, а удельная электрическая проводимость образцов в термообработанном состоянии составляет 22,5 и 19,0 МСм/м соответственно. Необходимые механические свойства обеспечиваются вариацией режимов термической
17 - 8193
514 Глава 10. ВИХРЕТОКОВАЯ СТРУКТУРОСКОПИЯ НЕМАГНИТНЫХ ОБЪЕКТОВ
G, МСм/м
10.3. Влияние режимов старения на удельную электрическую проводимость сплава В93
Рис. 10.4. Влияние температуры закалки сплава В93 на удельную электрическую проводимость
обработки, например изменением температуры и длительности нагрева второй ступени искусственного старения.
Удельная электрическая проводимость сплава в этом случае находится в прямой связи с температурой и временем выдержки (рис. 10.3) и тем меньше, чем ниже температура ступени старения.
Детали закаливаются в широком интервале температур от 400 до 490 °C. Удельная электрическая проводимость сплава в этом интервале (рис. 10.4) изменяется на 2 МСм/м.
Удельная электрическая проводимость закаленных и состаренных деталей от плавки к плавке изменяется примерно на 3 МСм/м. Нарушения, связанные с временем задержки деталей при переносе их
Рис. 10.5. Зона разброса свойств сплава В93 в различных состояниях
из печи в закалочную ванну, мало влияют на электрическую проводимость. Так, увеличение времени задержки от 5 с до 5 мин изменяет удельную электрическую проводимость сплава В93 на 1 МСм/м, прочность падает на 30 МПа.
Характерный разброс удельной электрической проводимости и прочности (временного сопротивления) профилей из этого сплава показан на рис. 10.5.
Сплав В95 закаливают начиная с 495 ... 475 °C и подвергают искусственному старению при 135 ... 145 °C в течение 16 ч. Удельная электрическая проводимость прутков и профилей В95 (закаленных и искусственно состаренных) представлена в табл. 10.5. Более высокая удельная электрическая проводимость объясняется влиянием деформации (т.е. в нагартованном состоянии процесс старения идет более интенсивно). Разница между удельной электрической проводимостью отожженного и закаленного материалов составляет 5,3 МСм/м [24,7 и 19,4 МСм/м].
Удельная электрическая проводимость искусственно состаренного деформированного сплава В95 с содержанием легирующих компонентов на верхнем и нижнем пределах составляет 17,6 и 20,9 МСм/м соответственно. При пережоге этих сплавов удельная электрическая проводимость становится равной 18,9 ... 19,2 МС/м.
СТРУКТУРОСКОПИЯ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ
515
10.5. Удельная электрическая проводимость прутков и профилей из сплава В95 разных составов
Вид образцов Химический состав сплава, % о, МСм/м
Си Mg Мп Zn Fe Si Cr
Пруток 1,89 2,31 0,36 5,62 0,37 0,23* 0,17 15,9
1J4 2,31 0,34 5,56 0,4 0,19 0,14 18,8
1,69 2,16 0,36 5,70 0,4 0,19 0,17 18,0
1,65 2,16 0,34 5,72 0,4 0,28 0,17 18,8
Профиль 1,64 2,30 0,37 5,64 0,35 0,36 — 19,5
1,69 2,28 0,43 6,34 0,35 0,29 - 19,3
1,86 2,26 0,44 6,70 0,35 0,25 - 19,2
Некоторым недостатком сплава В95 является повышенная чувствительность нагруженных деталей к коррозии. Этот фактор зависит от времени переноса детали из печи в закалочную ванну и может быть зафиксирован по изменению удельной электрической проводимости.
Алюминиевые сплавы для ковки и штамповки (АК6, АК8) отличаются высокими пластическими и литейными свойствами. Упрочняющие фазы у этих сплавов Mg2Si и AlCuMgSi.
Влияние химического состава сплавов и термической обработки на их удельную электрическую проводимость иллюстрируется табл. 10.6 - 10.8.
10.6. Удельная электрическая проводимость состаренного сплава АК6 в зависимости от его химического состава
(j, МСм/м Химический состав, %
Си Mg Мп Fe Si
22,4 2,08 0,6 0,6 0,44 1,09
21,6 2,12 0,75 0,59 0,7 0,9
22,1 2,16 0,65 0,59 0,46 1,06
21,6 2,28 0,8 0,55 0,39 1,00
21,7 2,84 0,74 0,55 0,36 0,98
10.7. Удельная электрическая проводимость сплава АК6 в зависимости от качества термической обработки
Качество термообработки а, МСм/м Качество термообработки о, МСм/м
В состоянии поставки 27,8 Сплав не докален 25,0
Нормальная закалка 21,9 Сплав перекален 19,5...21,3
516 Глава 10. ВИХРЕТОКОВАЯ СТРУКТУРОСКОПИЯ НЕМАГНИТНЫХ ОБЪЕКТОВ
10.8. Удельная электрическая проводимость сплава АК8 в зависимости от его химического состава
о, МСм/м Химический состав сплава, %
Си Mg Мп Fe Si
19,7 4,32 0,80 0,74 0,54 0,97
19,5 4,20 0,67 0,70 0,52 0,99
19,7 4,00 0,67 0,78 0,45 1,06
Рис. 10.6. Удельная электрическая проводимость сплава АК4-1 в прессованном состоянии после различных видов термической обработки (в скобках указана температура старения)
Удельная электрическая проводимость сплавов АК6, АК8 так же, как сплава Д16, в течение первых пяти часов после закалки снижается и практически достигает значений удельной электрической проводимости состаренного материала, а предел прочности сначала возрастает быстро, а затем медленнее и к концу пятых суток рост его прекращается.
Жаропрочные алюминиевые сплавы типа АК4-1 используют для деталей, рабо
тающих при температурах до 300 °C. К ним относятся поршни, головки цилиндров, лопатки и диски осевых компрессоров и т.п.
На рис. 10.6 показан характер изменения удельной электрической проводимости образцов сплава АК4-1 в зависимости от различных режимов термической обработки: при обычной закалке в зависимости от температуры среды охлаждения и температуры старения, длительности
СТРУКТУРОСКОПИЯ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ
517
старения и при изотермической закалке в зависимости от изотермической выдержки при охлаждении в расплаве селитры и длительности изотермической выдержки в среде охлаждения.
Рис. 10.6, а иллюстрирует изменения удельной электрической проводимости при закалке в масле (пунктирная кривая) при его температуре 20 °C и воде при температуре от 20 до 100 °C и последующем искусственном старении при температуре от 180 до 200 °C при выдержках времени до 16 ч.
На рис. 10.6, б показаны изменения удельной электрической проводимости при изотермической закалке в расплаве солей при значениях температуры 150, 180 и 200 °C, охлаждении в воде и искусственном старении при температуре 190 °C.
С понижением температуры воды при закалке процесс распада твердого раствора происходит интенсивнее, причем удельная электрическая проводимость тем больше, чем выше температура и длительность выдержки искусственного старения. Закалка в масле существенно влияет на характер изменения удельной электрической проводимости.
При изотермической закалке закономерность изменения удельной электрической проводимости соответствует изменению удельной электрической проводимо
сти при обычной закалке. Повышение температуры расплава солей увеличивает удельную электрическую проводимость сплава. Наиболее высокое значение удельной электрической проводимости соответствует температуре 200 °C. При этом термически обработанный сплав по удельной электрической проводимости трудно отличить от сплава в исходном состоянии.
10.2.4. ВЛИЯНИЕ ПОВТОРНОГО НАГРЕВА НА СВОЙСТВА АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ
Повторный нагрев деталей из термически упрочненных алюминиевых сплавов, возможный при эксплуатации или механической обработке, сопровождается опасным понижением их прочностных свойств.
Предельно допустимая температура нагрева большинства алюминиевых сплавов составляет 150 °C. Именно при этой температуре происходит интенсивный процесс распада твердого раствора, формирование и коагуляция новых фаз. По интенсивности разупрочнения под действием нагрева алюминиевые сплавы можно расположить в следующем порядке: В93, В95, АК4, Д16, Д19. Прочные сплавы более чувствительны к нагреванию, чем менее прочные.
Рис. 10.7. Изменения удельной электрической проводимости и прочности сплава В93 при нагреве в течение 30 мин
518 Глава 10. ВИХРЕТОКОВАЯ СТРУКТУРОСКОПИЯ НЕМАГНИТНЫХ ОБЪЕКТОВ
При разработке методик обнаружения зон разупрочнения следует выявлять разницу между удельной электрической проводимостью материала неповрежденного и проверяемого участков. Характерные изменения удельной электрической проводимости и прочности сплава В93 в зависимости от нагрева при температуре от 150 до 400 °C показаны на рис. 10.7. По мере повышения температуры нагрева удельная электрическая проводимость материала возрастает и при температуре 250 ... 300 °C достигает максимума. При нагреве выше 300 °C электрическая проводимость снова уменьшается. Прочность и твердость с увеличением температуры нагрева падают.
Таким образом, длительный нагрев деталей из сплава В93 приводит к изменению удельной электрической проводимости материала на 2,5 ... 3 МСм/м, что соответствует изменению прочности на 10 ... 12 %. Характерные кривые изменения временного сопротивления ов и удельной электрической проводимости о для деталей из сплавов В95 и Д16 показаны на рис. 10.8.
Важным фактором является и время выдержки при нагреве. Результаты исследований, проведенных на искусственно состаренных образцах размером 80 х 40 х х 10 мм, нагреваемых в селитровой ванне в интервале температур от 150 до 350 °C, показаны на рис. 10.9. Удельная электрическая проводимость измерялась сразу же после нагрева и остывания образцов.
Сплав В95 более чувствителен к перегреву, чем сплав В93. Механические свойства перегретых участков деталей из сплава В95 по сравнению со сплавом В93 изменяются более резко. Удельная электрическая проводимость в зонах с черной анодной пленкой у термически обработанных деталей на 4 ... 7 МСм/м больше, чем в нормальных зонах. Твердость дефектных участков приблизительно на 40 % ниже, а предел прочности падает с 580 до 310 МПа, т.е. он почти в 2 раза меньше, чем для образцов, вырезанных из бездефектных участков этих деталей. На рис. 10.10 показано влияние длительного нагрева на удельную электрическую проводимость образцов из пяти промышленных марок сплавов.
Рис. 10.8. Изменение удельной электрической проводимости и прочности сплава В95 (а) и сплава Д16 (б) при нагреве в течение 30 мин
СТРУКТУРОСКОПИЯ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ
519
Рис. 10.9. Влияние температуры нагрева Т и времени выдержки t на удельную электрическую проводимость образцов из сплава В93
Рис. 10.10. Влияние длительного нагрева на удельную электрическую проводимость пяти промышленных образцов (в скобках указана толщина листа)
10.2.5. ОЦЕНКА КАЧЕСТВА
ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ
Упрочняющая термическая обработка алюминиевых сплавов сводится к закалке (фиксированию a-твердого раствора
на основе алюминия) и последующему старению пересыщенного твердого раствора. Механические свойства зависят от правильности соблюдения температурных режимов при нагреве деталей под закалку и старение, выдержки времени переноса деталей в закалочную ванну и т.д.
Основным процессом, протекающим в алюминиевом сплаве при нагреве под закалку, является процесс растворения упрочняющих элементов в алюминии. При этом электрическая проводимость сплава уменьшается, так как решетка растворителя искажается и рассеивание электронов проводимости увеличивается.
Повышение температуры нагрева под закалку приводит к появлению оплавлений по границам зерен твердого раствора, что также уменьшает электрическую проводимость. Чем выше температура нагрева под закалку, тем значительнее уменьшение удельной электрической проводимости. Нагрев деталей под закалку при температурах ниже допустимого нижнего предела, а также замедленный перенос деталей из нагревательного устройства в закалочный бак приводят к снижению коррозионной стойкости и механических свойств материалов этих деталей и повышению удельной электрической проводимости (рис. 10.11).
520 Глава 10. ВИХРЕТОКОВАЯ СТРУКТУРОСКОПИЯ НЕМАГНИТНЫХ ОБЪЕКТОВ
Рис. 10.11. Изменение удельной электрической проводимости термически обработанных алюминиевых сплавов при различном времени выдержки закалки и с различной толщиной листа:
1 - лист сплава В95 толщиной 2 мм; 2 - лист сплава В95 толщиной 3 мм; 3 - лист Д16 толщиной 2 мм; 4 - лист В95 толщиной 5 мм;
5 - пруток АК6 0 15 мм
Таким образом, удельная электрическая проводимость алюминиевых сплавов оказывается весьма чувствительной к изменениям режимов термической обработки.
Термическая обработка придает сплавам сравнительно высокие механические качества, но, как правило, вызывает в обрабатываемых деталях большие внутренние напряжения. Чем ниже температура закаливающей среды и чем выше ее теплопроводность, тем больше внутренние напряжения в деталях. Внутренние напряжения приводят к искривлению деталей и к образованию в них трещин. Трещины возникают во время термической обработки, при последующей механической обработке или в процессе работы деталей. Для снижения
внутренних напряжений применяют изотермическую обработку.
Контроль влияния всех этих факторов по величине электрической проводимости возможен лишь после выяснения влияния термической обработки на электрическую проводимость при обычной закалке.
Вихретоковый метод позволяет, не прибегая к металлографическому анализу, в ряде случаев определить вид и качество термической обработки прутков, профилей, поковок и т.д.
Однако при контроле качества термической обработки возникают значительные трудности, вызванные влиянием на удельную электрическую проводимость контролируемых материалов изменений химического состава сплава, а при контроле листов - сильным влиянием толщины плакировки. Наиболее простой является задача отделения отожженных деталей (не прошедших термической обработки) от закаленных (табл. 10.9).
У свежезакаленных образцов из сплавов АК6, АК8, Д16 и других удельная электрическая проводимость примерно на 2,5 единицы больше, чем у состаренных.
Многообразие факторов, влияющих на удельную электрическую проводимость стареющих алюминиевых сплавов, не позволяет дать единой методики оценки качества термической обработки вихретоковым методом. Задача еще более осложняется, если поставщиков полуфабриката несколько, так как на результаты контроля влияет состояние материала до термообработки.
Оценка качества термообработки включает несколько этапов:
1) определение вида полуфабриката (и его марки) на складе предприятия;
2) контроль правильности обработки деталей в закалочной печи;
3) контроль времени переноса деталей из печи в закалочную ванну;
4) контроль правильности процесса закалки;
5) контроль правильности термической обработки материала после его старения.
СТРУКТУРОСКОПИЯ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ
521
10.9. Удельная электрическая проводимость алюминиевых сплавов в различных состояниях
Марка сплава и вид полуфабриката Удельная электрическая проводимость о, МСм/м, для сплавов Изменение удельной электрической проводимости о, МСм/м Количество плавок, по которым получено значение о
отожженных закаленных
В95 (пруток) 22,8 16,8 6,0 8
В95 (профиль) 24,7 19,4 5,3 10
В93 (пруток) 26,0 21,7 5,3 13
АК6 (пруток) 27,4 22,1 5,3 16
АК8 (пруток) 27,1 19,8 7,3 9
Д16 (пруток) 24,6 17,4 6,1 4
Д16 (профиль) 26,6 18,1 8,5 7
Д1 (пруток) 27,2 21,1 6,1 4
б, МСм/м
Общей рекомендацией для большинства операций при контроле качества термической обработки является обязательное измерение электрической проводимости на одном и том же контрольном участке 2 раза: до начала и после окончания этапа обработки. Критерием оценки качества служит изменение электрической проводимости, изученное заранее при испытаниях на достаточно большом числе образцов.
Связь между прочностью и удельной электрической проводимостью особенно отчетливо проявляется при испытаниях образцов одной плавки. Для примера на рис. 10.12 показана связь между удельной электрической проводимостью и прочностью при испытаниях образцов из сплава В93. Изменение прочности и электрической проводимости достигалось изменением температуры второй ступени искусственного старения. В скобках указано время выдержки. Температура первой ступени старения 120 °C, время выдержки 3 ч.
Качество термической обработки некоторых стареющих алюминиевых сплавов оценивают по твердости. Между твердостью и электрической проводимостью у этих сплавов также имеется корреляцион-
28
26
24
\>200‘(5ч)
190°(5ч) о&
/70°(7ч^
155°(4Ч)<^
22
20___
100 200 300 400 бд,МПа
Рис. 10.12. Связь между удельной электрической проводимостью и пределом прочности при старении образцов из сплава В93
ная связь. Характерная зависимость между твердостью и электрической проводимостью для трех сплавов АК6, Д1 и Д16 представлена на рис. 10.13. Как правило, разброс значений твердости при многократном повторении измерений в 1,5 - 2 раза больше, чем удельной электрической проводимости.
У естественно стареющих сплавов в первые минуты после закалки удельная электрическая проводимость и прочность изменяются весьма быстро. Многочисленные опыты показали, что при строгой фиксации времени измерений существует
522 Глава 10. ВИХРЕТОКОВАЯ СТРУКТУРОСКОПИЯ НЕМАГНИТНЫХ ОБЪЕКТОВ
Рис. 10.13. Изменение твердости и удельной электрической проводимости сплавов ЛК69 Д1иД16
связь между электрической проводимостью и прочностью как для свежезакаленных, так и для состаренных сплавов.
Оценивать прочность деталей из алюминиевых сплавов и определять, будет ли после закалки и соответственного старения обеспечена требуемая техническими условиями прочность детали можно с помощью рис. 10.14.
Например, если удельная электрическая проводимость сплава Д16 (толщиной 2,5 мм) после закалки равна 22 МСм/м, то в этом случае предел прочности этой детали будет не ниже 400 МПа (40 кгс/мм2). Характерным в этом отношении является сплав АК6. В состоянии поставки его электрическая проводимость в среднем 27,8 МСм/м, а при нормальной закалке 21,9 МСм/м.
Если сплав не докален, то его удельная электрическая проводимость увеличивается до 25,0 МСм/м, а если перекален, то уменьшается до 21,1 МСм/м.
Предельные значения удельной электрической проводимости некоторых сплавов, ниже которых возможен пережог, приведены в табл. 10.10.
б)
В)
Рис. 10.14. Зависимости электрической проводимости листового дюралюминия Д16 от его прочности: а - в свежезакаленном состоянии (толщина листа 2,5 мм); б - в состаренном состоянии (толщина листа 2,5 мм); в - то же для листов большей толщины
СТРУКТУРОСКОПИЯ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ
523
10.10. Минимальные значения удельной электрической проводимости, гарантирующие отсутствие пережога
Параметр АМГ6 Д16 Д19 В95 В96 АК4-1 АК8
о, МСм/м 12,7 17,8 17,4 19,2 18,0 20,2 20,9
При разработке методик контроля деталей из сплава В95 верхнее допустимое значение удельной электрической проводимости не должно превышать 21 МСм/м. Детали с удельной электрической проводимостью выше 24,5 МСм/м направляются на повторную термообработку или в брак.
10.2.6 . КОНТРОЛЬ ЛИСТОВЫХ (ПЛАКИРОВАННЫХ) ДЕТАЛЕЙ
При контроле качества термообработки плакированных деталей к рассмотренным факторам добавляется влияние изменения толщины и химического состава плакировки.
Толщина плакировки не остается неизменной от партии к партии. Как правило, у краев листа она больше. В этом случае может помочь использование образцов-свидетелей.
Правильность выполнения выбранного режима термообработки деталей проверяется путем контроля механических свойств образцов-свидетелей, которые подвергаются термообработке одновременно с производственной партией деталей.
Следует отметить, что механические испытания образцов-свидетелей не позволяют судить о наличии или отсутствии пережога материала детали, поскольку в начальной стадии пережога материал сохраняет высокий уровень статической прочности. Опыты показывают, что для листов с плакированным слоем из алюминиевых сплавов Д1, Д16, Д19 и некоторых других механическими испытаниями в целом ряде случаев нельзя также выявлять и занижение температуры при нагреве под закалку. Кроме того, механические испытания листов из сплавов Д1, Д16, Д19 в
обычных условиях проводят лишь после естественного старения в течение примерно 100 ч, что значительно удлиняет весь производственный цикл.
Изменение температуры закалки на 10 ... 20 °C для сплавов Д16, Д19, В95 и других влияет на удельную электрическую проводимость меньше, чем изменение химического состава. Поэтому по измерению удельной электрической проводимости материала термически обработанных деталей без тщательного химического анализа и составления графиков определить зависимость удельной электрической проводимости от температуры закалки для различных вариантов химического состава сплава практически невозможно.
Методика испытаний основывается на построении в лабораторных условиях зависимости удельной электрической проводимости от режимов термической обработки образцов с одинаковым химическим составом и толщиной плакирующего слоя. Затем выбирается интервал изменений удельной электрической проводимости, обеспечивающий строгое соблюдение режимов термообработки. Образцы-свидетели вырезаются из одного и того же листа. Марка и толщина его должны соответствовать марке и толщине контролируемых листов. Для изготовления образцов-свидетелей выбирают листы с однородной структурой и одинаковой толщиной плакирующего слоя. Наиболее однородным будет лист, удельная электрическая проводимость которого в любых точках одинакова. Лист размечают на участки размером примерно 30 х 40 мм и разрезают. Партия из нескольких образцов этого листа подвергается термообработке при различных температурах закалки и старения.
524 Глава 10. ВИХРЕТОКОВАЯ СТРУКТУРОСКОПИЯ НЕМАГНИТНЫХ ОБЪЕКТОВ
Рис. 10.15. Границы браковки при использовании образцов-свидетелей для контроля качества термообработки листов из сплава Д16 толщиной 0,8 мм
В качестве примера на рис. 10.15 изображена зависимость удельной электрической проводимости от температуры нагрева под закалку для свежезакаленных образцов толщиной 0,8 мм из сплава Д16 при одинаковой продолжительности выдержки нагрева и скорости погружения в закалочную ванну с проточной водой. Из графика следует, что для обеспечения правильности режимов закалки в соответствии с инструкцией по термической обработке алюминиевых деформируемых сплавов пределы изменения удельной электрической проводимости в этом случае должны быть от 19,5 до 20,5 МСм/м.
Методика контроля термической обработки деталей сводится к следующему: в садку вместе с деталями закладываются образцы-свидетели, выполненные из отобранного листа. Образцы прикрепляются к деталям в разных зонах. После охлаждения в закалочных ваннах снятые образцы-свидетели выдерживаются в течение 10 ... 15 мин при температуре помещения, после чего измеряется их удельная электрическая проводимость. По графикам определяется правильность выполнения режимов закалки. Если удельная электрическая проводимость всех образцов-свидетелей
укладывается в заданные пределы для данного сечения и марки материала, то режим закалки садки считается выполненным правильно.
Пользуясь графиками на рис. 10.16, можно определить пределы показаний прибора, обеспечивающие соблюдение режимов закалки.
В результате сопоставления результатов измерений удельной электрической проводимости, механических характеристик образцов и их химического состава получено, что по данным механических испытаний пережог в начальной стадии при температурах 495 ... 500 °C обнаружить нельзя. Также не выявляется и не-догрев при температурах около 490 °C.
Во всех случаях, когда индукционным методом подтверждается правильность выполнения режимов термообработки, механические свойства образцов-свидетелей укладываются в требования технических условий.
10.3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МАРКИ НЕМАГНИТНЫХ ПРОВОДЯЩИХ МАТЕРИАЛОВ
10.3.1. СОРТИРОВКА АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ ПО МАРКАМ
В промышленности применяется большое число близких по цвету, химическому составу и плотности алюминиевых сплавов с разными механическими свойствами и склонностью к коррозии. Поэтому необходимо определять марки материала заготовок, полуфабрикатов или деталей из этих сплавов на складах, в литейном, кузнечном, термическом и механическом цехах. Во время эксплуатации машин нередко возникают аварии, связанные с ошибочным определением марки материала при изготовлении деталей или при сборке узлов. В большинстве случаев марку материалов определяют спектральным анализом с помощью стилоскопа, но удобно для этого и измерение удельной электрической проводимости. Однако пользоваться этим методом можно лишь
ОПРЕДЕЛЕНИЕ МАРКИ НЕМАГНИТНЫХ ПРОВОДЯЩИХ МАТЕРИАЛОВ
525
440 460 480 Т°С 6 440 460 480 ГС б,МСм/м б, МСм/м
Рис. 10.16. Влияние термообработки листовых материалов из алюминиевых сплавов на удельную электрическую проводимость плакированных образцов-свидетелей:
а - сплав Д16 (толщина листа 1,2 и 1,8 мм);
б - сплав В95 (толщина листа 1,2 и 1,8мм);
в - сплав Д19 (толщина листа 0,8 - 2,5 мм)
526 Глава 10. ВИХРЕТОКОВАЯ СТРУКТУРОСКОПИЯ НЕМАГНИТНЫХ ОБЪЕКТОВ
б, МСм/м
11
16
15
4-90 500 510 Т,°С
Рис. 10.17. Удельная электрическая проводимость сплава Д16 при максимальном (А) и минимальном (В) содержании компонентов
при надежно проверенных статистических данных по разбросу электрической проводимости для каждого сплава в пределах установленного содержания компонентов. Возможный разброс результатов при различных видах термической обработки сплава Д16 иллюстрируется рис. 10.17. Важно, чтобы сортируемые детали имели одинаковое термическое и механическое состояние. Материал покрытия и его толщина должны быть одинаковыми для всей проверяемой партии.
Для сортировки алюминиевых сплавов в разных состояниях можно использовать диаграмму, приведенную на рис. 10.18. Если значения удельной электрической проводимости сортируемых материалов близки друг к другу, то строят статистические кривые и отбрасывают значения, соответствующие маловероятному случаю, например такому, когда все компоненты находятся вблизи минимально или максимально допустимых пределов. При этом приходится учитывать структурное состояние материала, состояние поставки и другие возможные факторы (направление волокна, технологию обработки). Для сортировки алюминиевых
сплавов наиболее трудной является область электрической проводимости от 18 до 28 МСм/м. В этом диапазоне для сортировки применяют стилоскоп и твердомер. На больших промышленных предприятиях желательно сочетание различных методов.
При 100%-ном определении марки материала по удельной электрической проводимости выборочный контроль на стилоскопе обязателен. Целесообразно применение параллельного контроля двумя методами: спектральным и вихретоковым. Так, для отделения сплава АМГЗ от других сплавов этой системы (АМГ2, АМГ6) используют стилоскоп, а для отделения от сплавов типа В95, Д16, Д1 - испытатель электрической проводимости. На входной контроль полуфабрикаты поступают партиями-плавками. Разброс удельной электрической проводимости внутри каждой плавки, как правило, невелик и занимает лишь небольшую часть диапазона разброса электрической проводимости соответствующей марки. Поэтому для массового контроля вихретоковым методом удобен так называемый «нулевой метод», позволяющий в отдельных случаях различать даже разные плавки одной марки сплава. При этом измеряется электрическая проводимость и сравниваются ее значения в пределах каждой плавки.
Настройку проводят по одному из образцов из этой же плавки, марка которого проверена другими видами контроля. Этот образец является эталонным только для одной плавки, он хранится в течение всего технологического процесса и по нему периодически выполняют проверку. Внедрение такого метода для входного контроля алюминиевых полуфабрикатов позволяет сократить до минимума контроль материалов на стилоскопе и твердомере и, таким образом, значительно ускорить приемку материалов, снизить трудоемкость контроля и избежать таких подготовительных операций, как зачистка материала для контроля твердости и транспортировка на участки контроля.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ МАРКИ НЕМАГНИТНЫХ ПРОВОДЯЩИХ МАТЕРИАЛОВ
527
Al, Си, Mg, Ni, Si AK‘ T AK4T AK AK5T, C8M Г1 K4M ABM
Al Ma Si Си AK4M
Al, Mg, Si
LI i АДЖ.
Al, Zn, Mg, Si АМГ6 B25T B2 5AT B25Af □ t AB-1 B25T
L
l 1АМГ31 1
Al, Mg, Tl, Si I L_ [
AMI 1 Д2( АМЦ
Al, Си, Mg, Mn Д16Т Д41 Д20Т 1 ! I
r33. П1М
Д16АТ1 Д1' M r~1 Ьд1б рмд
>м Ц
[П1ААТ 1 1 | Д16АМ 1——J
I I 1 1, ; I 1....
/4 16 18 20 22 24 26 28 30 32 а, МСм/м
а)
Толщина листов, нм AMI ГТ8 AM ГАМ A VII4AM
4 I
1,5-3 [ АК4М __о A J
2 АМГ6М АМГ41\ K4T 1 p
1-5 В95 AT |b95AT
i i
1,5
1-4 Д19АМ
1.-4 АД1М
I
Д18АТ Д' 6AM
16 18 20 22 24 26 28 30 32 а, МСм/м
S)
в)
Рис. 10.18. Диаграммы разброса удельной электрической проводимости алюминиевых сплавов:
а - штамповок и поковок; б - листов, в - литья
528 Глава 10. ВИХРЕТОКОВАЯ СТРУКТУРОСКОПИЯ НЕМАГНИТНЫХ ОБЪЕКТОВ
При выходе из каждого цеха заготовки и детали проходят межцеховой контроль. В отличие от входного межцеховой контроль проводится не по плавкам, а по технологическим партиям. Благодаря тому, что каждая заготовка проходит межцеховой контроль 2-3 раза, надежность контроля остается достаточно высокой, поскольку каждый последующий контроль не является копией предыдущего, а проводится на новой ступени технологического процесса обработки деталей.
Другой способ межцехового контроля - это контроль марки материала крупногабаритных деталей по образцам-спутникам. Образцы, отрезанные от каждой детали, проходят входной контроль. Марку материала определяют по электрической проводимости спутника. Такой контроль не является трудоемким. Применение стилоскопа и твердомера из операции контроля исключается.
10.3.2. СОРТИРОВКА ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ
Возрастающая роль титановых сплавов определяется возможностью облегчения массы деталей без снижения их прочностных характеристик и уменьшения коррозионной стойкости. Титан существует в двух аллотропических модификациях. Низкотемпературная (а-титан) образуется при температурах ниже 882,5 °C. Высокотемпературная, образующаяся выше этой температуры, - В-титан. Повышение прочности титановых сплавов достигается легированием его различными элементами. Эти элементы делятся на две группы: элементы, стабилизирующие ос-фазу, и элементы, стабилизирующие Р-фазу.
Существуют три типа сплавов: однофазные с a-структурой и P-структурой и двухфазные с а + p-структурой.
Сплавы с a-структурой ВТ1, ВТ5, ВТ18 и сплавы с небольшим количеством P-фазы ОТД, ВТ4, ВТ20 термически стабильны и хорошо свариваются. Сплавы на основе а + P-структуры более жаропроч
ны. Они упрочняются термической обработкой (закалкой и старением). К ним относятся сплавы ВТЗ, ВТ6, ВТ8, ВТ9, ВТ 14 и ВТ 16. Их используют для работы при температурах до 350 ... 500 °C. Сплавы со структурой а + Р и метастабильной р-фа-зой имеют хорошую пластичность и после термообработки приобретают высокую прочность.
Характерным представителем последней группы сплавов с p-структурой служит термообрабатываемый сплав ВТ 15. Сплавы с этой структурой меньше применяются из-за сильного влияния на их свойства примесей.
Примерно одинаковый цвет и плотность нередко приводят к ошибкам в определении марок титановых сплавов. Таблица 10.11 иллюстрирует дополнительные возможности по их сортировке с использованием электрической проводимости.
Различные типы титановых сплавов подвергают отжигу, закалке и старению. Исследования влияния на электропроводность изменений режимов термической обработки сплавов ВТ 14, ВТ 15 и ВТ 16 показали, что изменение температуры закалки с 820 до 970 °C при выдержке 20 мин и охлаждении в печи до 600 °C, а
10.11. Удельная электрическая проводимость титановых сплавов
Марка сплава Удельная электрическая проводимость о, МСм/м Термообработка
ОТ4 0,73... 0,98 Отожжен
ОТ4-1 1,15... 1,3
ВТ1 2,15...2,4
ВТЗ-1 0,52... 0,62 Термо-обработан
ВТ6 0,58... 0,61
ВТ8 0,48... 0,51
ВТ9 0,5...0,52
ВТ14 0,53... 0,68
ВТ15 0,49...0,61
ВТ16 0,62...0,79
ОПРЕДЕЛЕНИЕ МАРКИ НЕМАГНИТНЫХ ПРОВОДЯЩИХ МАТЕРИАЛОВ
529
далее на воздухе уменьшают удельную электрическую проводимость сплава ВТ 14 с 0,62 до 0,53 МСм/м. Изменение температуры закалки с 750 до 810 °C и охлаждение в воде изменяет электрическую проводимость сплава ВТ 16 от 0,68 до 0,62 МСм/м. Охлаждение в печи увеличивает электрическую проводимость до 0,79 МСм/м.
Для сплава ВТ 15 изменение температуры закалки с 650 до 800 °C изменяет электрическую проводимость с 0,61 до 0,49 МСм/м (выдержка 1 ч, охлаждение в воде). Состаренные образцы сплава ВТ 15 с выдержкой 16 ч при температуре 480 °C имеют удельную электрическую проводимость на 0,1 МСм/м больше, чем закаленные.
Характерные изменения удельной электрической проводимости сплава ОТ4-1 при его термообработке приведены в табл. 10.12.
Прочностные свойства и термическая стабильность титановых сплавов в значительной мере определяются качеством исходного титана.
В процессе изготовления и выплавки слитков возможно загрязнение сплава посторонними примесями. Примеси и легирующие элементы довольно сильно влияют на удельную электрическую проводи-
10.12 Удельная электрическая проводимость сплава ОТ4-1 при различных режимах термообработки
Режим термообработки Удельная электрическая проводимость а, МСм/м
Отжиг при температуре, °C:
650 1,13... 1,14
900 1,09... 1,1
950 в течение 30 мин 1,13... 1,14
1000 1,15... 1,16
1050 1,13
мость титана. Так, увеличение процентного содержания тантала (до 50 %) снижает удельную электрическую проводимость о с 2 до 1. Увеличение содержания молибдена от 0 до 10 % изменяет а с 2 до 1,0 МСм/м, увеличение железа от 0 до 12 % изменяет су с 2 до 0,4 МСм/м, увеличение ванадия до 20 % уменьшает су с 2 до 0,6 МСм/м.
Диаграмма разброса удельной электрической проводимости титановых и некоторых специальных немагнитных сплавов при температуре 20 °C предоставлена на рис. 10.19.
Титановые сплавы
ВТ1 ВТЗ В T9 ВТ8 втп ВТ 15 ВТ16 ВТ4 0Т4 ВТ6 0Т4-1 Специальные сплавы 1Х18Н9Т 3X4375 ЭИ867 113Н447 ЭИЧ81 ЖСбК ЭИ826 ЭИ878 1Х18Н107 ЭИ432 ЗИ100 г 1 ь—
7
L J —
I — J
1
]
—
nL J
и п
И п
р" J
1—1 < б
Рис. 10.19. Диаграмма разброса электрической проводимости некоторых титановых сплавов и коррозионно-стойких сталей
0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 Ifi 1,8 2,0 МСм/м
530 Глава 10. ВИХРЕТОКОВАЯ СТРУКТУРОСКОПИЯ НЕМАГНИТНЫХ ОБЪЕКТОВ
10.13. Электрические характеристики ряда образцов из титановых сплавов при температурах 20 и 150 °C
Марка титана Удельная электрическая проводимость о, МСм/м Температурный коэффициент удельной электрической проводимости ТермоЭДС, мкВ
а20 <*150 <*20 / <*150 а - 10^
ВТ18 0,43 0,43 1 ~0 68
ВТ24 0,45 0,45 1 ~о 68
ВТ8 0,48 0,475 1,01 ~63 66
ВТ9 0,5 0,5 1 64
ТС5А 0,52 0,495 1,05 312 71
ВТ21 0,53 0,52 1,02 126 67
ВТ9 0,56 0,53 1,055 300 68
ВТ14 0,58 0,595 0,375 137 44
ВТ22 0,62 0,61 1,075 94 50
ВТ5 0,62 0,565 1,09 550 69
ВТ1 0,67 0,60 1,11 625 68
ВТ5 0,67 0,59 1,13 750 64
744 0,68 0,61 1,11 625 65
ВТ4 0,755 0,665 1,13 750 62
б, МСм/м
0ТЧ-1
0Т^"
втиГ ВТ6С
0 100 200 300 Т,°С
Рис. 10.20. Изменение удельной электрической проводимости для некоторых титановых сплавов при нагреве
Изменение электрических характеристик образцов из титановых сплавов при нагреве показано в табл. 10.13 и на рис. 10.20.
Для защиты листов из сплавов типа ВТ 14, ВТ 15, ВТ 16 их плакируют чистым титаном. Толщина плакировки в этом случае может быть определена по некоторому усредненному по глубине значению удельной электрической проводимости, измеряемой вихретоковым методом с помощью показанной на рис. 10.21 зависимости.
10.3.3. СОРТИРОВКА МАГНИЕВЫХ СПЛАВОВ, ЛАТУНЕЙ И БРОНЗ
В технике применяют сплавы магния с алюминием, цинком и марганцем, нередко к ним добавляют титан и бериллий. У магния весьма небольшая прочность. С алюминием и цинком он образует твер-
ОПРЕДЕЛЕНИЕ МАРКИ НЕМАГНИТНЫХ ПРОВОДЯЩИХ МАТЕРИАЛОВ
531
Рис. 10.21. Изменение показаний вихретокового структуроскопа при изменении слоя плакировки на образцах из сплавов ВТ14, ВТ15 и ВТ16
дые растворы, при этом повышается сопротивление разрыву с 11 ... 12 кгс/мм2 у магния до 21 ... 26 кгс/мм2. Добавки марганца повышают коррозионную стойкость магния. Примеси железа, наоборот, ее снижают. Применяют деформируемые и литые сплавы магния, удельная электрическая проводимость приведена в табл. 10.14 и 10.15.
10.15. Удельная электрическая проводимость некоторых магниевых сплавов
Марка сплава а сплавов, МСм/м
литых термообработанных
МЛ5 7,0... 7,8 5,8... 6,5
МЛ12 15,3... 16,2 17,5... 18,4
МЛ18 15,1... 15,8 18,5... 19,0
МЛ10 12,0... 12,5 13,0... 15,0
МЛ 15 15,2... 16,0 17,1... 18,1
Нашли практическое применение и другие сплавы меди с оловом, алюминием, кремнием, бериллием и свинцом. Сплавы меди с оловом - оловянистые бронзы имеют хорошие литейные свойства и поэтому используются для фасонного литья. Среди остальных сплавов наиболее важное значение имеют бериллиевые бронзы. Они подвергаются упрочняющей термической обработке. Значения удельной электрической проводимости некоторых промышленных марок латуней и бронз приведены в табл. 10.16.
10.16. Удельная электрическая проводимость некоторых марок бронз
10.14. Средняя удельная электрическая проводимость некоторых деформируемых магниевых сплавов
Марка сплава о, МСм/м
МА1 16,4
ВМ17 16,8
ВМ65-1 16,2
МАИ 15,3
МА12 14,8
МА13 16,4
ВМД1 17,4
ВМДЗ 16,7
Марка бронзы а, МСм/м
БрКМцЗ-1 3,0... 4,0
БрАЖМц 5,5... 5,7
БрАЖМ 10-3-1,5 4,7...5,1
БрОЦ4-3 11,0... 13,5
БрБ9 13,5... 14,7
БрБ2 16,0... 17,01
БрБ2 9,32... 9,562
БрБ2 13,0... 14,03
БрБ 6,8... 7,1
532 Глава 10. ВИХРЕТОКОВАЯ СТРУКТУРОСКОПИЯ НЕМАГНИТНЫХ ОБЪЕКТОВ
Продолжение табл. 10.16
Марка бронзы о, МСм/м
ЛС-59-1 14,0... 17,8
ЛС62-1 13,5... 14,5
ЛС62 14,5... 16,2
БрАЖ 7,0... 8,0
Примечания: 1 В исходном состоянии. 2 В закаленном состоянии. 3 В отпущенном состоянии.
Значительный разброс значений электрической проводимости латуней и бронз дает возможность осуществить их сортировку по маркам, а в ряде случаев, например для деталей из бронзы БрБ2, наладить контроль качества термической обработки.
10.4. КОНТРОЛЬ УГЛЕРОДСОДЕРЖАЩИХ ГИБРИДНЫХ КОМПОЗИТОВ
Контроль углеродсодержащих гибридных композитов вихретоковым методом возможен благодаря существенной электрической проводимости углеродных волокон, содержащихся в них. В опубликованных материалах исследований по
этому вопросу показано, что реактивная составляющая комплексного сопротивления параметрического вихретокового преобразователя обладает достаточной чувствительностью к изменению соотношения компонентов углепластика. Для оценки изменения реактивной составляющей может быть использована частота расстройки. Однако в гибридных композитах, содержащих помимо углеродных волокон в качестве наполнителей диэлектрики, анализ взаимосвязей между изменениями реактивной составляющей или другой, связанной с ней, величиной и показателями структуры гибридов затруднителен.
Рассмотрим результаты исследования возможности вихретокового контроля структуры гибридных композитов, содержащих углеродные волокна по значению активной составляющей /?вн полного сопротивления накладного ВТП.
Данные приведены для образцов из однонаправленных органоуглепластика и стеклоуглепластика, изготовленных в виде плит мокрой намоткой жгутов на плоскую оправку (по 9 штук каждого гибрида). Плиты различались относительным объемным содержанием каждого из компонентов, пористостью, толщиной. В табл. 10.17. представлены пределы изменения этих параметров.
10.17. Пределы изменения характеристик X структуры гибридов (Xmin/Xmax)
Материал Относительное объемное содержание углеарматуры цу Относительное объемное содержание стеклоарматуры цс Относительное объемное содержание органоарматуры цо Толщина образца d, мм
Органоуглепластик 0,06/0,18 - 0,35 / 0,53 2,1 /2,75
Стеклоугле-пластик 0,09 / 0,4 0,25/0,58 - 1,6/2,8
КОНТРОЛЬ УГЛЕРОДСОДЕРЖАЩИХ ГИБРИДНЫХ КОМПОЗИТОВ
533
Рис. 10.22. Зависимость активной составляющей вносимого сопротивления
J?BH, нормированной по </, RBHI d от относительного объемного содержания углеродных волокон цу:
1 - органоуглепластик; 2 - стеклоуглепластик
Измерения проведены на частоте f = 12 МГц путем оценки добротности преобразователя. Полученная зависимость вносимого сопротивления 7?вн, отнесенного к толщине образца d, в зависимости от содержания арматуры цу показана на рис. 10.22.
В некоторых случаях, когда задана геометрия ВТП и известны пределы изменений характеристик структуры материала, для интерпретации результатов вихретоковых испытании представляется возможным пользоваться приближенными упрощенными зависимостями, полученными на основании экспериментальных данных.
Для определения сигнала преобразователя приближенное соотношение, полученное с использованием экспериментальных данных, представляет собой
= (10.1)
где В, t, S - экспериментальные константы. Методом наименьших квадратов получены следующие соотношения для органоуглепластика и стеклоуглепластика соответственно:
цу = 3,7 • 104 R°^8<Г1Д4 ; (10.2)
цу =5,6-10_4Л°„41с/~1’11; (10.3)
Коэффициент корреляции между значениями цу, найденными по выражениям (10.2), (10.3) и определенными прямым методом, для органоуглепластика составляет г = 0,93 при среднеквадратичной ошибке [А] = 16 %, для стеклоуглепластика - г = 0,96 при среднеквадратичной ошибке [А] = 13 %. Расчеты по выражениям (10.2) и (10.3) Rw и d необходимо выполнять в единицах системы СИ. Сравнительно высокие значения [А] связаны как со структурной неоднородностью образцов, так и с неодинаковыми контактными условиями, вызванными различной степенью искривленности поверхностей и шероховатостью образцов.
При комплексировании различных физических характеристик для целей диагностики механических свойств композитов и изделий из них предпочтительно использовать характеристики с наибольшей чувствительностью только к одному фактору. Поэтому выявленная повышенная избирательность /?вн по отношению к содержанию углеродного волокна в гибридах указывает на то, что метод вихревых токов, основанный на определении /?вн, в комплексе с другими методами неразрушающих испытаний перспективен для диагностики механических свойств углеродсодержащих гибридных композитов.
10.18. Значения удельной электрической проводимости
Периоды ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЭЛЕМЕНТОВ Д.И. МЕНДЕЛЕЕВА VII. VIII,
1 свойства металлов 1 Н 2 Не
I. п. Диагональ черных клеток (граница) отделяет металлы (слева) от неметаллов. На границе и вблизи нее расположены полуметаллы. Указано наличие ферромагнитных (ФМ) и антиферромагнитных (АФМ) свойств; приведены значения удельной электрической проводимости о (МСм/м) при температуре 20 °C (при наличии анизотропии значения удельной электрической проводимости Оц вдоль главной кристаллографической оси и о± перпендикулярно ей). Черными штриховыми линиями отмечены «острова сверхпроводимости». ш. IV. V. VI. ВОДОРОД ГЕЛИЙ
2 3 Li 11,7 ЛИТИЙ 4 Be <У| 27,9 <н32,06 БЕРИЛЛИЙ 5 В 6 С УГЛЕРОД 7 N АЗОТ 8 О КИСЛОРОД 9 F ФТОР ю Ne НЕОН
3 11 Na 23,4 НАТРИЙ 12Mg в] 2,87 ах 23,9 МАГНИЙ 1з AI 40,0 •4 Si 15 Р 16 S 17 CI 18 Аг
Ills _у£_ VI6 VII6 VIII6 Тб Пб -ФОСФОР- _СЕРА_ ХЛОР АРГОН
4 19 К 16,4 КАЛИЙ го Са 25,0 КАЛЬЦИЙ 21 SC 1,5 СКАНДИЙ ,22 Ti 2,4 ТИТАН 23 V 5,5 ВАНАДИЙ 24 СГ АФМ 7,1 25МП АФМ 36,0 МД1£АЩЦ. 26 Fe ФМ 11,6 линз. 27 СО ФМ 17,9 , КОБАЛЬТ 28 Ni ФМ 16,3 НИКЕЛЬ 29 CU 64,5 МЕДЬ ^о Zn 1 q 17,9 1 ex 18,6 | ЦИНК 3i“g5 о, 2,01 Uj 6^2 <tj ВЗ ГАЛЛИЙ 1 32 Ge ГЕРМ А НИ 33 As мышмк 34 Se СЕЛЕН 35 ВГ БРОМ 36 Кг КРИПТОН
5 37 Rb 8,6 РУБИДИЙ 38 Sr з,з СТРОНЦИЙ 39 Y 1,5 sraniL “0 Zr 2,4 ЦИРКОНИЙ 41 Nb 6,6 НИОБИЙ 42 МО 19,9 ж КВ 43 Тс 1,4 ТЕХНЕЦИЙ 44 RU 14,0 РУТЕНИЙ 45 Rh 1 23,0 I РОДИЙ 46 Pd 10,2 ПАЛЛАДИЙ 47 Ag 67,1 СЕРЕБРО И8 Cd 1 О| 12,0 |<т 143 КАДМИЙ 49 In 12,2 ИНДИЙ 50 Sil q 9,1 1 ох 10,8 1 ОЛОВО 1 51 Sb в| 3,1 пх2,6 ГУРЫИА 52 Те 53 I ИОД 54 Хе КСЕНОН
6 55 CS 5,5 ЦЕЗИЙ 5б Ва з,з БАРИЙ 57 La 1,7 ЛАНТАН. 72 Hf з,з 1АФННЙ 73 Та 7,6 ТДНТАЛ- 74 W 2,2 ВОЛЬФРАМ 75 Re 5,3 ыний_ 76 Os 10,5 осмий. [77 If 20,3 1 ИРИДИЙ 78 Pt 10,2 ПЛАТИНА 79 AU 48,5 ЗОЛОТО i80Hg ' 1,06 1 РТУТЬ 81 Т1 6,2 ТАЛЛИЙ 82 РЬ 5,2! С Ц.1 83 Bi «10,77 0x0,98 ВИСМУТ 84 Ро 2,3 ЛДД1 Й 85 At АСТАТ 86 Rn РАДОН
7 87 FT ФРАНЦИЙ 88 Ra РАДИЙ 89 АС АКТИНИЙ 104 Ku РАДИЙ 105
ЛАНТАНОИДЫ
58 Се АФМ 1,3 ЦЕРИЙ 59 РГ АФМ 1,47 РАЗВОДИМ бо Nd АФМ 1,56 НЕОДИМ 61 Рш ПРОМЕТИЙ 62 Sm АФМ 1,16 САМАРИЙ 63 Ей АФМ 1,2 ЕВРОПИЙ 64 Gd ФМ 0,7 ГАДОЛИНИЙ 65 ТЬ АФМ ФМ 0,86 ТЕРБИЙ 66 Dy АФМ J ФМ 1,78 ДИСПРОЗИЙ 67 НО АФМ ФМ 1,15 гольмий 68 Ег АФМ ФМ л 0,9 ЭРБИЙ 69Tm АФМ ФМ 1,26 ТУЛИЙ 70 Yb 3,7 ИТТЕРБИЙ 71 Lu 1,26 ЛЮТЕЦИЙ
534 Глава 10. ВИХРЕТОКОВАЯ СТРУКТУРОСКОПИЯ НЕМАГНИТНЫХ ОБЪЕКТОВ
Глава 11
ВИХРЕТОКОВЫЕ ПРИБОРЫ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ
11.1. КОНСТРУКЦИИ ВИХРЕТОКОВЫХ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
11.1.1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА
Конструкции ВТП определяются их назначением, условиями применения, диапазоном частот тока возбуждения и другими факторами. Поэтому они весьма разнообразны. При этом размеры катушек ВТП колеблются от нескольких миллиметров до 300 ... 500 мм в диаметре, а масса ВТП - от десятков граммов до сотен килограммов, без учета узлов закрепления и перемещения ВТП в системах НК. Как правило, каждый прибор комплектуется широким набором ВТП, которые могут быть поставлены по заказу потребителя. Особенно широк спектр типов и вариантов исполнения ВТП для универсальных дефектоскопов.
Основные требования, предъявляемые к конструкции ВТП, - прочность, износоустойчивость, защищенность от внешних воздействий, возможность доступа к зоне контроля, удобство эксплуатации, эргономичность и соответствие требованиям технической эстетики, взаимозаменяемость, контроле- и ремонтопригодность, надежность. Успешное решение этих задач во многом определяет эффективность прибора.
Конструкция ВТП обычно содержит следующие составные части: одну или несколько катушек; корпус для размещения в нем катушек и других узлов приборов; средства стабилизации положения катушек относительно ОК в процессе контроля; средства для размещения ВТП в заданном положении относительно ОК; соединительные разъемы и кабели.
Часто ВТП используют совместно с механическими или электромеханическими средствами сканирования поверхности
ОК, например, для вращения ВТП, поступательного движения и движения по винтовой линии внутри труб и отверстий в деталях, для вращения вокруг труб и прутков.
Катушка ВТП обычно состоит из каркаса и обмоток, она может содержать ферромагнитные сердечники разных типов.
Корпус защищает катушки ВТП от воздействий внешней среды (атмосферы, жидкости), внешних электромагнитных полей и механических воздействий. Корпуса выполняют из пластмасс и металлов, используя разные технологии (прессование, литье, механическую обработку) в зависимости от серийности, материала конструкции. Конструкции корпусов сильно различаются и обусловливаются типом и назначением ВТП. Иногда в корпусе размещают электронные элементы и узлы прибора (резисторы и конденсаторы, микросхемы усилителей и др.), а также световые индикаторы. Металлические корпуса выполняют роль экранов, защищающих от внешних электромагнитных полей. В ВТП, применяемых для контроля горячих ОК, металлический корпус обычно выполняют двойным, пропуская охлаждающую воду между его стенками.
Средства стабилизации положения катушек относительно ОК чаще всего выполняют в виде пружин, прижимающих катушки накладных ВТП к поверхности ОК. При использовании проходных ВТП это могут быть: втулки, ограничивающие перемещения ОК внутри катушек; направляющие и прижимные ролики при контроле проволоки и линейно протяженных объектов; более сложные устройства с электроприводом для перемещения катушек относительно ОК. Средства стабилизации положения могут и не входить конструктивно в состав ВТП.
536
Глава 11. ВИХРЕТОКОВЫЕ ПРИБОРЫ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ
Средства для установки ВТП в определенном положении могут выполняться в виде насадок различной формы, обеспечивающих, например, заданное положение катушек накладного ВТП относительно кромок детали. Для размещения ВТП внутри труб применяют штанги разных конструкций с центрирующими устройствами, а для прохождения изгибов труб ВТП выполняют в виде сочлененных шарнирно узлов.
Соединительные разъемы и кабели служат для соединения катушек ВТП с электронным блоком прибора и для других целей. Для большинства приборов длина кабелей не превышает 1,5 ... 2 м, но в отдельных случаях она может доходить до десятков метров, например при контроле внутренней поверхности труб парагенераторов или корпусов атомных реакторов.
Рассмотрим основные варианты конструкций ВТП по типам: накладные, проходные, экранные, линейные, - и приведем примеры их практического применения.
11.1.2. НАКЛАДНЫЕ ВТП
По конструкции все накладные ВТП можно условно разделить на две основные группы: для ручного и для автоматического контроля. ВТП для ручного контроля должен быть удобен для удержания оператором в руке. ВТП второй группы устанавливаются в деталях машин (например, в статорах турбин для измерения зазоров между статором и ротором), в узлах механического привода и других узлах линии автоматизированного НК. Поэтому по конструкции они проще.
Рассмотрим некоторые типовые конструкции накладных ВТП для ручного контроля. Основной элемент ВТП - катушки, обычно размещаемые на каркасе и выполненные либо намоткой изолированным проводом (обычно медным), либо методом фотолитографии на изоляционном основании (печатные обмотки).
Метод фотолитографии обеспечивает высокую степень воспроизводимости параметров катушек, поскольку печатные обмотки изготавливаются групповым способом с одного фотошаблона. Этим достигается взаимозаменяемость ВТП. Кроме того, процесс фотолитографии высокопроизводителен, что снижает себестоимость ВТП при серийном производстве. Обычно печатные обмотки выполняют в виде плоских круговых или прямоугольных спиралей, благодаря чему минимизируется зазор между обмоткой и ОК, однако таким образом нельзя получить много-витковые обмотки. Для увеличения числа витков делают многослойные печатные обмотки, подобно многослойным печатным платам, однако это усложняет технологический процесс изготовления ВТП и повышает их себестоимость. Поэтому печатные обмотки применяют главным образом для высокочастотных ВТП, где не требуется много витков.
На рис 11.1, а показана катушка толщиномера диэлектрических покрытий на проводящем основании с печатными обмотками, работающая на частоте 10 МГц. Каждая обмотка содержит до 10 витков. Обмотки включены по дифференциальной схеме (рис. 11.1, б) для компенсации начального напряжения Uo.
Возбуждающие L\ (L2) и измерительные L3 (Ц) обмотки размещаются на противоположных сторонах тонкой изоляционной подложки (стекло, текстолит, поли-мид, лавсан), чем достигается высокий коэффициент индуктивной связи между ними. Затем подложки со сформированными на них обмотками наклеивают на торцы диэлектрического каркаса, обмотки соединяют электрически и закрепляют каркас в корпусе (на рисунке не показан). Ширина проводника таких обмоток 20 ... 100 мкм при толщине 5 ... 50 мкм и расстоянии между проводниками 20 ... 100 мкм.
КОНСТРУКЦИИ ВИХРЕТОКОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
537
Рис. 11.1. Размещение (а) и электрическая схема соединения (б) печатных обмоток катушки ВТП толщиномера диэлектрических покрытий на проводящем основании:
1 - каркас; 2 - диэлектрическая подложка; 3 - паз для укладки соединительных проводников;
4 - контактные площадки обмоток
Рис. 11.2. Печатные обмотки ВТП толщиномера медного слоя в отверстиях печатных плат: / - гибкая диэлектрическая подложка;
2 - измерительная обмотка; 3 - возбуждающая обмотка; 4,7 - контактные площадки;
5 - несущий стержень: 6 - колпачок
Другой пример ВТП с печатными обмотками показан на рис. 11.2. Гибкая диэлектрическая подложка / со сформированными на противоположных ее сторонах возбуждающей 3 и измерительной 2 обмотками закрепляется на несущем стержне 5, который затем запрессовывается в колпачок 6 из пластмассы. Выводы обмоток привариваются к контактным площадкам 4 и 7 и после запрессовки оказываются внутри полого колпачка 6. Такие
обмотки создают магнитный поток радиального направления вблизи своей поверхности, что используется для возбуждения вихревых токов осевого направления в стенках отверстия, в которое вводится ВТП толщиномера медного слоя в отверстиях печатных плат. Наружный диаметр рабочей части ВТП 0,5 ... 1,3 мм, ее длина 2... 4 мм.
Намотанные проводом обмотки катушек располагают на каркасе по-разному. В варианте, показанном на рис. 11.3, а, возбуждающая и измерительная обмотки имеют наибольшую взаимную паразитную емкость, что отрицательно влияет на характеристики ВТП при высоких частотах. Кроме того, здесь нет доступа к внутренней обмотке в случае ее повреждения. В варианте рис. 11.3,6 величина паразитной емкости между обмотками наименьшая, и поэтому он удобен при высоких частотах тока возбуждения, хотя каркас здесь несколько сложнее. Имеется доступ к обеим обмоткам. На рис. 11.3, в представлен промежуточный вариант.
Каркасы катушек, показанных на рис. 11.3, изготавливают из изоляционных материалов (капролон, гетинакс, оргстекло, эбонит и т.д.) путем токарной обработки, а
538
Глава 11. ВИХРЕТОКОВЫЕ ПРИБОРЫ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ
Рис. 11.3. Варианты катушек накладных ВТП:
1 - каркас; 2, 3 - возбуждающая и измерительная обмотки соответственно;
4 - отверстие для магнитопровода
35
Рис. 11.4. Накладной ВТП с фиксированным положением катушки в корпусе:
1 - каркас катушки; 2 - обмотки; 3 - копрус;
4 - крышка; 5 - соединительный кабель;
6 - экран
при серийном производстве - прессованием из пресс-порошков. Диаметр проводов обмоток возбуждения 0,08 ... 0,2 мм, а измерительных обмоток 0,03 ... 0,08 мм.
Если ВТП содержит ферромагнитный стержень (обычно из магнитодиэлектрика), то в каркасе делают осевое отверстие.
На рис. 11.4 показана конструкция накладного ВТП толщиномера. Каркас 1 катушки с обмотками 2 размещен в корпусе 3, закрытом сверху крышкой 4 с соединительным кабелем 5. Катушка окружена экраном 6, выполненным из пермаллоя и меди. Экран служит для локализации магнитного поля обмоток и уменьшает диаметр зоны контроля. После сборки ВТП заливается компаундом для предохранения обмоток от внешних воздействий и придания прочности всей конструкции.
Как видно из рис. 11.4, конструкция достаточно проста; ее недостаток - возможное изменение зазора между торцом ВТП и ОК, что может приводить к погрешности измерения. Зазор может изменяться при изменении усилия прижатия ВТП к поверхности ОК рукой оператора.
На рис. 11.5 показана конструкция накладного ВТП, свободная от этого недостатка. Корпус 1 с установленным в его нижней части ферритовым магнитопроводом в виде цилиндрического стержня 2 с намотанными на нем обмотками 3 охвачен оправкой 4 с колпачком 5, сквозь который проходит кабель 6. Спиральная цилиндрическая пружина 7 между колпачком и корпусом определяет силу, с которой стержень прижимается к поверхности ОК при нажатии на оправку в осевом направлении. Оправка движется вдоль оси, сжимая пружину до тех пор, пока нижний торец оправки не прижмется к поверхности ОК.
КОНСТРУКЦИИ ВИХРЕТОКОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
539
Рис. 11.5. Накладной ВТП карандашного типа с подпружинной катушкой:
1 - корпус; 2 - магнитопровод; 3 - обмотки;
4 - оправка; 5 - колпачок; 6 - кабель;
7 - пружина
Приведенную на рис. 11.5 конструкцию называют датчиком карандашного типа. Она имеет широкое распространение и разные модификации. Некоторые из них позволяют устранить влияние перекоса оси ВТП относительно поверхности ОК благодаря гибкой связи катушки с корпусом, реализуемой резиновой манжетой (рис. 11.6) или способной изгибаться спиральной пружиной.
Рис. 11.6. Конструкция накладного ВТП с плавающей подвеской катушки:
1 - каркас; 2 - обмотки; 3 - резиновая манжета;
4 - гибкие выводы обмоток; 5 - корпус;
6 - колпачок; 7 - резиновая втулка; 8 - кабель
При эксплуатации рабочие (торцовые) поверхности накладных ВТП истираются, что приводит к изменению параметров ВТП. Для предотвращения износа трущихся поверхностей ВТП усиливают, устанавливая, например, керамическое кольцо, окружающее катушку и контактирующее своим торцом с поверхностью ОК. Другой способ - установка в торце ВТП корундовых или твердосплавных вставок со сферической поверхностью.
Если ВТП содержит ферритовый сердечник, то износостойкие вставки закрепляют в его торце.
Для локализации зоны контроля накладных ВТП применяют конструкции с магнитопроводами, электропроводящими экранами и короткозамкнутыми витками. Электропроводящие (обычно медные) экраны, в которых возбуждаются вихревые токи, способствуют вытеснению магнитного поля из области, где они расположе-
540
Глава 11. ВИХРЕТОКОВЫЕ ПРИБОРЫ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ
Рис. 11.7. Схема ВТП с магнитопроводом и электропроводящей вставкой в зазоре: 1 - магнитопровод; 2 - обмотка;
3 - медная вставка
ны, концентрируя его в зоне контроля. Такую же роль выполняют короткозамкнутые витки. На рис. 11.7 показана схема ВТП с магнитопроводом /, в зазоре которого помещена медная вставка 3, вытесняющая магнитный поток, создаваемый обмоткой 2, из зазора в ОК. Могут быть и другие варианты магнитопроводов и электропроводящих экранов, в том числе с применением короткозамкнутых витков.
Для контроля объектов сложной формы используют специальные насадки (рис. 11.8) и специальные накладные ВТП различных конструкций (рис. 11.9- 11.11). На рис. 11.12 показаны ВТП, устанавливаемые в роторных машинах для измерения зазоров.
На рис. 11.13 приведена конструкция датчика для дефектоскопии внутренних стенок отверстий. Предусмотрена световая сигнализация (лампочка) о наличии дефекта в зоне контроля. Вторая лампочка предназначена для «запоминания» информации о дефекте; она зажигается одновременно с первой и горит до тех пор, пока не будет выключена оператором кнопка в корпусе датчика. Это позволяет оператору сосредоточиться на показаниях датчика, не отвлекаясь на индикатор электронного блока дефектоскопа.
Рис. 11.8. Насадка для контроля накладными ВТП участков объектов сложной формы: а - ребер; б - кромок лопаток; в - цилиндрических деталей; г - радиусных переходов;
1 - ВТП; 2 - насадка; 3 - ОК
Рис. 11.9. Конструкции ВТП для контроля лопаток компрессоров газотурбинных двигателей:
а - общий вид; б, в - зонд для контроля радиусных переходов; 1 - рукоятка; 2 - гибкая трубка; 3 - зонд
КОНСТРУКЦИИ ВИХРЕТОКОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
541
Рис. 11.10. Накладные ВТП для дефектоскопии (стрелки указывают положение катушек): а-в- стенок отверстий разного диаметра; г - барабанов колес самолетов; д, е - внутренних поверхностей деталей, доступных через отверстия
Рис. 11.11. Накладные ВТП, используемые для дефектоскопии деталей сложной формы:
а, б - с насадками для контроля турбинных лопаток; в - ножевого типа, его применение (г) для контроля пазов головки цилиндра авиадвигателя; д - ж - для контроля деталей турбин
542
Глава 11. ВИХРЕТОКОВЫЕ ПРИБОРЫ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ
Рис. 11.12. Накладные ВТП для измерения зазоров в роторных машинах
Различают электрические, геометрические и эксплуатационные параметры накладных ВТП. К электрическим относятся: сопротивления обмоток постоянному R и переменному z току; допустимый ток возбуждения /вдоп; частота тока возбуждения fB9 начальное напряжение измерительной обмотки (70; паразитная емкость Со или собственная резонансная частоту Уо- Геометрическими параметрами являются размеры и форма; эксплуатационными - размеры зоны контроля, условия эксплуатации (температура, влажность, давление, наличие агрессивных сред и т.д.), режим эксплуатации, срок службы.
Сопротивление обмоток постоянному току определяется длиной, площадью сечения и материалом проводников обмоток, а сопротивление переменному току -этими же параметрами, а также числом витков, размерами обмоток, материалом магнитопровода, его формой и размерами. На высоких частотах заметное влияние на сопротивление переменному току оказывают паразитные емкости обмоток и подводящих проводов. При этом могут иметь
Рис. 11.13. ВТП с индикацией дефектов:
1 - катушка; 2 - ограничительная гайка;
3 - соединительная гайка; 4 - кнопка выключателя; 5 - корпус; 6 - сигнальная лампа; 7 - прозрачный колпачок; 8 - резиновая втулка; 9 - кабель
КОНСТРУКЦИИ ВИХРЕТОКОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
543
Объект контроля
Рис. 11.14. Упрощенная эквивалентная схема трансформаторного ВТП
место резонансы токов и напряжений, что нежелательно, поскольку это приводит к изменению характеристик ВТП, а в силу нестабильности паразитных емкостей и к нестабильности этих характеристик.
На рис. 11.14 приведена упрощенная эквивалентная схема трансформаторного ВТП с учетом паразитных емкостей. На схеме приняты обозначения: Ег и Zr - ЭДС и выходное комплексное сопротивление генератора, подключенного к обмотке возбуждения с комплексным сопротивлением zi(z2); zBX - входное сопротивление блока обработки информации; Сь С2 -собственные паразитные емкости обмоток; С3, С4 - паразитные емкости между обмотками; С5, С6 - паразитные емкости обмоток на ОК; СкЬ С& - емкости соединительных кабелей. Емкости С3 - С6 обычно не превышают для накладных ВТП нескольких пикофарад, емкости кабелей СК1 и Ск2 обычно больше емкостей Ci и С2 и составляют 10 ... 30 пФ в зависимости от типа и длины кабеля. Рассчитать и экспериментально определить паразитные емкости затруднительно, возможны только оценки. Поэтому собственные резонансные частоты ВТП находят экспериментально.
Для повышения чувствительности ВТП желательно, чтобы его цепь возбуж
дения работала в режиме заданного тока, поэтому следует стремиться к выполнению условия zr » zB, где zB - полное сопротивление цепи возбуждения ВТП. Для измерительной цепи предпочтителен режим zT« zBX.
Начальное напряжение измерительной обмотки Uo находят экспериментально или по формуле С70 = 2л/Л//в, где М -взаимная индуктивность между возбуждающей и измерительной обмотками, определяемая, например, по справочнику [31].
Размеры и форма ВТП определяются их назначением. Размеры зоны контроля зависят от размеров обмоток ВТП и зазора между ВТП и ОК. Ориентировочно можно считать, что зона контроля ВТП с круговыми обмотками превышает диаметр обмоток в 1,5 - 2,2 раза.
Прочие эксплуатационные параметры ВТП определяются их конструкцией.
11.1.3. ПРОХОДНЫЕ ВТП
Конструктивно проходные ВТП (наружные, внутренние и экранные, см. раздел 2.4) различаются меньше, чем накладные. Рассмотрим наиболее распространенные конструкции наружных проходных ВТП.
544
Глава 11. ВИХРЕТОКОВЫЕ ПРИБОРЫ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ
Рис 11.15. Конструкция проходного ВТП со сменными вставками:
/ - корпус; 2 - сменный блок ВТП; 3 - возбуждающая обмотка; 4 - измерительные обмотки; 5 - сменные вставки; 6 - защитная трубка; 7 - вставки-экраны; 8 - обмотки магнитной системы;
9 - крышки; 10 - фиксаторы; 11 - диэлектрический каркас катушек
На рис. 11.15 показана конструкция со сменными катушками, применяемая для дефектоскопии труб и прутков. В центральную часть корпуса 1 из ферромагнитной стали помещается сменный блок ВТП 2, состоящий из возбуждающей обмотки 3 и двух включенных встречно измерительных обмоток 4. Внутрь диэлектрического каркаса 11 катушек помещена трубка 6 из слабопроводящей неферромагнитной стали. Трубка обеспечивает механическую защиту каркаса и обмоток от контролируемых труб, внутренний диаметр трубки несколько превышает внутренний диаметр сменных вставок 5, устанавливаемый в соответствии с диаметром ОК. Применение вставок, ограничивающих возможные радиальные перемещения ОК, вызвано неоднородностью магнитного поля в зоне контроля из-за малого отношения длины возбуждающей обмотки 3 к ее диаметру.
Вставки 7 из неферромагнитного хорошо проводящего металла служат экранами, уменьшающими зону контроля по
оси ВТП. Они введены для того, чтобы уменьшить длину неконтролируемых участков ОК (трубы или прутка) вблизи его концов, поскольку влияние концов приводит к появлению ложных сигналов. Для подмагничивания ферромагнитных прутков и труб постоянным магнитным полем используется магнитная система, состоящая из обмоток 8 с постоянным током и магнитопровода, образованного корпусом 7, крышками 9, сменными вставками 5 из ферромагнитной стали и участком объектов зоне катушек ВТП. Подмагничивание позволяет повысить отношение сигнал/по-меха при дефектоскопии ферромагнитных ОК. Фиксаторы 10 служат для крепления сменных вставок. Конструкция имеет разные модификации и типоразмеры в зависимости от размеров поперечного сечения ОК.
На рис. 11.16 представлена еще одна конструкция блока проходных ВТП. К ее особенностям можно отнести:
КОНСТРУКЦИИ ВИХРЕТОКОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
545
Рис. 11.16. Конструкция блока проходных ВТП:
1,2- магнитопровод; 3 - соленоид; 4, 7,8- немагнитные цилиндры; 5,6,9,10- магнитные втулки; 11 - каркас; 12, 13 - возбуждающая и пара измерительных обмоток соответственно;
14 - защитная втулка; 15 - перекидная планка; 16 - защелка
- выполнение системы подмагничивания в виде однокатушечного соленоида 3 с магнитопроводом 1, 2, 5, 6, 9,10;
- выполнение конструкции элементов ВТП в виде единого сменного модуля, состоящего из немагнитного цилиндра 8, двух магнитных втулок 9, 10; каркаса 11с проходными обмотками: возбуждающей 12 и дифференциальной парой измерительных 13, защитной втулки 14 из коррозионно-стойкой немагнитной стали;
- применение переходного устройства в виде немагнитных цилиндров 4, 7 и двух магнитных втулок 5, 6. К числу достоинств такой конструкции можно отнести уменьшение более чем в 2 раза размера блока вдоль продольной оси, что позволило уменьшить длины неконтролируемых концевых участков изделия, упростить перенастройку блока при переходе с одного диаметра ОК на другой; уменьшить массу сменного модуля за счет применения переходного устройства.
а)
б)
Рис. 11.17. Проходные ВТП для контроля объектов круглого (а) и прямоугольного (б) сечений
Проходные ВТП применяют для контроля объектов круглого и прямоугольного сечений (рис. 11.17). На рис. 11.18 показана конструкция проходного дифференциального ВТП для дефектоскопии проволоки диаметром 0,3... 1мм. На каркасе 1 в виде трубки из кварцевого стекла намотана длинная возбуждающая обмотка
18 - 8193
546
Глава 11. ВИХРЕТОКОВЫЕ ПРИБОРЫ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ
Рис. 11.18. Конструкция проходного дифференциального ВТП для дефектоскопии проволоки
Рис. 11.19. Внутренние проходные ВТП для дефектоскопии труб теплообменников
2, создающая однородное магнитное поле в зоне контроля. Каркас 1 помещен в диэлектрический каркас 3 измерительных обмоток 4 малой длины, включенных последовательно и встречно. Катушки ВТП залиты компаундом 5 и размешены в латунном корпусе 6, служащем электромагнитным экраном. В компаунде в процессе заливки сформирован канал для ОК. В торцах катушек установлены керамические втулки 7 для предохранения от механических повреждений. ВТП работает при частоте тока возбуждения 1 МГц.
Внутренние проходные ВТП применяют для дефектоскопии труб в тех случаях, когда доступ к их наружной поверхности затруднен или невозможен, например при контроле труб теплообменников. Часто такие трубы имеют U-образную форму и длину до 15 м. При дефектоскопии таких
труб ВТП должны перемещаться вдоль трубы на соответствующую длину и проходить места изгибов, имеющих радиус от 50 до 2500 мм. Конструкции внутренних проходных датчиков для контроля труб парогенераторов и конденсаторов показаны на рис. 11.19. Дифференциальный ВТП 1 соединен со штепсельным разъемом 4 гибким шлангом 2, который может иметь центрирующие сферические втулки 3. Вся конструкция через штепсельный разъем подключается к соединительному бронированному кабелю, с помощью которого датчик протягивают сквозь трубу 5 с постоянной скоростью. Имеются и другие конструкции внутренних проходных ВТП, например использующие металлические щетки (типа «ежик») для центровки датчика и одновременной очистки внутренней поверхности труб от отложений.
КОНСТРУКЦИИ ВИХРЕТОКОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
547
Рис. 11.20. Конструкция проходного ВТП для контроля термообработки швейных игл: 1,2- возбуждающая и измерительная обмотки; 3,4- каркас возбуждающей и измерительной обмоток соответственно; 5 - корпус; 6 - гайка;
7 - вставка
Для контроля коротких объектов проходными ВТП часто применяют специальные вставки, фиксирующие положение объекта в ВТП с тем, чтобы ослабить влияние на результаты контроля их возможного взаимного смещения. На рис. 11.20 в качестве примера приведена конструкция трансформаторного проходного ВТП для контроля качества термообработки швейных игл. Здесь использованы три секции возбуждающих и измерительных обмоток, что позволяет раздельно контролировать три зоны иглы, прошедшие различную термообработку.
Все рассмотренные конструкции ВТП предназначены для работы в нормальных условиях. Однако ВТП можно эффективно использовать и при высоких температурах окружающей среды или для контроля нагретых объектов. Поскольку температура незначительно влияет на сиг
налы трансформаторных ВТП, главная проблема состоит в обеспечении работоспособности ВТП при высокой температуре. Этого достигают применением термостойких материалов или искусственного охлаждения; соответственно различают неохлаждаемые и охлаждаемые высокотемпературные ВТП.
В неохлаждаемых ВТП используют такие термостойкие материалы, как радиочастотная корундовая керамика, стекло, фарфор и обмоточные провода в термостойкой изоляции (например, стеклянной).
На рис. 11.21 показана конструкция неохлаждаемого высокотемпературного накладного ВТП, установленного в отвер-
Рис. 11.21. Конструкция неохлаждаемого высокотемпературного ВТП для измерения зазора рабочих лопаток газотурбинных двигателей:
1 - каркас; 2 - обмотка; 3 - корпус;
4 - крышка; 5 - выводы; 6 - статор двигателя; 7 - лопатка
18*
548
Глава 11. ВИХРЕТОКОВЫЕ ПРИБОРЫ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ
стии статора газотурбинного двигателя для измерения зазора между рабочими лопатками и статором. На каркасе 1 из отожженного при температуре 1650 °C корунда намотаны в два провода возбуждающая и измерительная обмотки 2 из провода ПМС диаметром 0,07 ... 0,1 мм. Обмотки крепят к каркасу жаропрочным цементом и герметизируют им катушку снаружи. Для повышения термостабильности стеклянная изоляция проводов оплавляется путем нагрева до 600 ... 690 °C. При этом снимаются механические напряжения в проводах обмоток. При температуре в 550 °C ресурс такого ВТП не менее 170... 190 ч.
Обычно охлаждаемые ВТП имеют герметичный корпус из неферромагнитного сплава с высоким удельным сопротивлением (например, из коррозионно-стойкой аустенитной стали), внутри которого циркулирует вода. Подобные конструкции применяют для контроля проката в технологическом потоке при температуре 900... 1200 °C. Контроль при температуре выше точки Кюри позволяет исключить помехи, вызванные изменением магнитных свойств ОК.
ВТП Moiyr быть успешно использованы в агрессивных средах. Это, например, экранный накладной ВТП прибора, применяемого для измерения толщины деталей в процессе химического фрезерования - технологии, основанной на размерном травлении металлов специальными растворами (рис. 11.22).
11.2. ВИХРЕТОКОВЫЕ ДЕФЕКТОСКОПЫ
11.2.1. КЛАССИФИКАЦИЯ И ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Дефектоскопы - наиболее распространенный вид вихретоковых приборов НК, они предназначены для обнаружения несплошностей в объектах из электропроводящих материалов. Условно их можно классифицировать по нескольким призна-
Рис. 11.22. Конструкция экранного ВТП, используемого в ваннах химического фрезерования:
1 - корпус; 2, 3 - трубки для подвода/отвода воды; 4 - обмотки; 5 - ферритовый магнитопровод; 6 - медная вставка;
7 - экран с апертурой; 8 - провод;
9 - изоляционная трубка; 10 - штуцер;
11 - обечайка
кам. По виду объектов контроля различают дефектоскопы для контроля: объектов с плоскими поверхностями и объектов сложной формы, линейно протяженных объектов (прутков, проволоки, труб), мелких деталей массового производства (детали подшипников качения, крепежные детали и т.д.); по режиму работы - дефектоскопы для работы в статическом и динамическом режимах и универсальные; по типу применяемых ВТП - дефектоскопы с проходными и накладными ВТП, универсальные дефектоскопы; по конструктив
ВИХРЕТОКОВЫЕ ДЕФЕКТОСКОПЫ
549
ному исполнению - стационарные, переносные и портативные. Все классификационные признаки независимы. Возможны и другие признаки, например вид питания, защищенность от внешних воздействий, хотя они относятся к общим для продукции приборостроения признакам.
Технические характеристики дефектоскопов определяет ГОСТ 26697-85 «Контроль неразрушающий. Дефектоскопы магнитные и вихретоковые. Общие технические требования» (с изменениями 1987 г.). Их можно разделить на общие, относящиеся к дефектоскопам как продукции приборостроения (масса, мощность потребления, показатели надежности, срок службы и т.д.), и специальные. К специальным характеристикам относят порог чувствительности, разрешающую способность и максимальную производительность или скорость контроля.
Основной параметр дефектоскопа -порог чувствительности. Это минимальные размеры искусственного дефекта заданной формы, при которых отношение сигнал/помеха равно не менее двум (ГОСТ 26697-85). В качестве искусственных дефектов часто используют узкие риски, плоскость которых ориентирована нормально к поверхности образца, имеющие определенную глубину, длину и ширину, называемую также раскрытием. Такие искусственные дефекты наносят на плоские образцы, прутки и трубы различными методами, например электроискровыми или фрезерованием. Другой тип искусственного дефекта - круглое сквозное или глухое сверление заданного диаметра и определенной глубины (для глухих сверлений). Отверстия как искусственные дефекты легче изготавливать, но сигналы от отверстий и искусственных рисок той же глубины различны.
Реальный порог чувствительности дефектоскопа зависит, очевидно, как от уровня сигнала, так и от уровня помех. Наибольшее влияние оказывают помехи, обусловленные изменением свойств ОК (например, параметров и о), размеров,
шероховатости поверхности ОК, а также связанные с изменением взаимного положения ВТП и ОК (изменением зазора при использовании накладных ВТП или радиальных перемещений ОК в проходном ВТП). Поэтому порог чувствительности не является неизменным параметром, он зависит от конкретных условий применения дефектоскопа, что необходимо учитывать при его эксплуатации. Порог чувствительности, задаваемый в технической документации дефектоскопа, определяют, строго оговаривая эти условия. Указываются, например, материал и марка образца с аттестованным искусственным дефектом, взаимное расположение ВТП и образца, размеры образца, расположение искусственного дефекта. Так как сигнал зависит от положения ВТП относительно дефекта, то обычно при определении порога чувствительности имеют в виду наибольшее значение сигнала, получаемого при сканировании дефектного участка.
Разрешающая способность - минимальное расстояние между двумя дефектами, при котором они регистрируются раздельно. Этот параметр обычно задается в пределах 5 ... 15 мм. Для дефектоскопов с проходными ВТП он зависит от диаметра ОК (и ВТП соответственно): чем больше диаметр, тем хуже разрешающая способность для дефектов, расположенных вдоль оси ОК. Для накладных ВТП разрешающая способность тем лучше, чем меньше зона чувствительности ВТП.
Максимальная производительность контроля - важная эксплуатационная характеристика, обычно задаваемая для дефектоскопов, работающих в автоматическом или полуавтоматическом режиме в технологических производственных линиях. При контроле линейно протяженных объектов производительность определяется скоростью контроля (м/с), а при контроле мелких объектов - числом проконтролированных объектов в единицу времени (шт./ч). Производительность контроля вихретоковых дефектоскопов ограничивается главным образом возможностями
550
Глава 11. ВИХРЕТОКОВЫЕ ПРИБОРЫ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ
транспортирующих и сортирующих ОК устройств и устройств сканирования. Ограничения, связанные с влиянием скорости движения ОК в зоне контроля на сигналы ВТП, значительно менее жесткие и не определяют обычно производительность.
Кроме перечисленных, указываются также качественные характеристики дефектоскопов: наличие автоматического подавления влияния измерений зазора; возможность оценки глубины (или протяженности) дефекта и документирования результатов контроля.
Установленные ГОСТ 26697-85 общие технические требования обычно дополняются такими параметрами и характеристиками, как частота тока возбуждения ВТП, условия применения дефектоскопа, виды и характеристики ОК.
Дефектоскопы для контроля объектов с плоскими поверхностями и объектов сложной формы обычно комплектуются накладными ВТП и предназначены для работы в статическом и/или динамическом режимах. В первом режиме оператор перемещает ВТП по поверхности ОК вручную, во втором - ВТП с помощью электропривода сканирует исследуемый участок ОК по выбору оператора. Чаще всего такие дефектоскопы выполняются в виде портативных или переносных приборов, допускающих работу в полевых условиях.
11.2.2. ДЕФЕКТОСКОПЫ ДЛЯ РАБОТЫ В СТАТИЧЕСКОМ РЕЖИМЕ
Эти дефектоскопы широко применяют для контроля плоских, цилиндрических и другой формы объектов путем сканирования его поверхности оператором вручную. Основной мешающий фактор при работе с такими дефектоскопами - изменения зазора между ВТП и поверхностью ОК. Для ослабления влияния этого фактора на результаты контроля применяют конструкции ВТП с подпружиненными катушками, а также различные способы обработки информации (амплитудно-фазовый, фазовый, частотный и др.).
Рис. 11.23. Структурная схема автогенераторного дефекта
Структурные схемы статических дефектоскопов различны, их выбор определяется опытом разработчика, габаритами (а значит, степенью сложности) прибора, требуемыми техническими характеристиками. Наиболее простую принципиальную электрическую схему имеют дефектоскопы, в которых ВТП используется в качестве индуктивного элемента резонансного контура автогенератора (рис. 11.23).
Автогенератор 1 через буферный каскад 2 связан с амплитудным детектором 3. Постоянное напряжение, пропорциональное амплитуде напряжения автогенератора, усиливается усилителем постоянного тока 4, к выходу которого подключен стрелочный индикатор 5, а также пороговые устройства 6 и 7, управляющие работой генераторов звуковой частоты 8 и 9. К выходам генераторов 8 и 9 подключены головные телефоны 10. Генераторы вырабатывают напряжения различных частот, например 1000 и 400 Гц.
Автогенератор настраивается переключением конденсаторов в резонансном контуре на определенную частоту / соответствующую электромагнитным параметрам материала ОК. Регулируя емкость переменного конденсатора, с помощью выведенной на переднюю панель прибора ручки изменяют коэффициент положительной обратной связи до тех пор, пока амплитуда напряжения автогенератора не будет установлена в заданных пределах, соответствующих установке ВТП на бездефектный участок ОК. При этом частота f должна быть такой, чтобы при соответствующем ей значении обобщенного пара-
ВИХРЕТОКОВЫЕ ДЕФЕКТОСКОПЫ
551
Рис. 11.24. К пояснению способа разделения влияния дефекта и зазора на комплексное сопротивление параметрического ВТП
метра комплексное сопротивление обмотки параметрического ВТП определялось точкой А (рис. 11.24). Тогда при появлении дефекта в зоне ВТП точка, определяющая комплексное сопротивление z, перемещается в положение В, активная составляющая R сопротивления z возрастает, добротность контура автогенератора и соответственно амплитуда напряжения автогенератора уменьшаются. При этом срабатывает пороговое устройство 6, реагирующее на уменьшение уровня, запускается звуковой генератор 8 и через наушники прослушивается звук определенной тональности. Если же увеличивается зазор между ВТП и поверхностью ОК, то точка в плоскости z перемещается в положение С, активная составляющая R уменьшается, добротность контура и амплитуда напряжения автогенератора возрастают. Это приводит к срабатыванию порогового устройства 7 и запуску звукового генератора 9. Через наушники прослушивается звук другой тональности. Это позволяет разделить влияние дефекта и зазора.
Настроить такой прибор очень просто, для этого устанавливают такой режим работы автогенератора переменным конденсатором в цепи положительной обратной связи, чтобы при расположении ВТП на бездефектном участке ОК автогенератор был близок к срыву автоколебаний. Перемещая затем ВТП над дефектным участком, настройкой переменного конденсатора добиваются срыва автоколебаний из-за уменьшения добротности обмотки ВТП, входящей в колебательный контур. Срыв колебаний индицируется цифровым или стрелочным индикатором и сопровождается звуковым сигналом о дефекте. Таким образом, для настройки прибора требуется только один орган регулировки, если не считать переключателя выбора частоты автогенератора, который отсутствует, если прибор работает на одной частоте.
Дефектоскопы описанного типа имеют параметрический ВТП, основной недостаток которого состоит в зависимости его сопротивления от температуры. В данном случае влияние изменений температуры ослабляется благодаря периодической настройке дефектоскопа на бездефектном и дефектном участках ОК.
Применяют в дефектоскопах и другие схемы автогенераторов, в частности с использованием частотных детекторов, реагирующих на изменение частоты автоколебаний, а также схемы с одновременным применением частотного и амплитудного детекторов.
Приведенные на рис. 11.25 схемы представляют варианты обобщенных трехточечных схем автогенераторов. В одноконтурной схеме (рис. 11.25, а) колебательный контур образован индуктивностью L обмотки ВТП и одним из трех переключаемых конденсаторов Q - С3, задающих частоту автоколебаний. Автогенератор выполнен по емкостной трехточечной схеме на транзисторе VT, включенном по схеме с общей базой. Коэффициент обратной связи определяется емкостным делителем из конденсаторов С4 - С7. Регу-
552
Глава 11. ВИХРЕТОКОВЫЕ ПРИБОРЫ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ
Рис. 11.25. Принципиальные схемы автогенераторов дефектоскопов: а - одноконтурная; б - двухконтурная
лировкой емкости конденсатора С4 устанавливается режим, близкий к срыву автоколебаний, при этом датчик расположен на бездефектном участке ОК.
Двухконтурная схема (рис. 11.25, б) выполнена на полевом транзисторе VT и содержит два контура ЬХСХС4 и £2С5С6. Генератор представляет собой индуктивную трехточечную схему с общим истоком, поэтому оба контура должны иметь индуктивный характер на рабочей частоте. Индуктивность Ц образована обмоткой ВТП. Режим работы генератора определяется взаимной расстройкой контуров и емкостью конденсатора связи С2. Для настройки дефектоскопа служит сопротивление переменного конденсатора С3. На режим работы генератора влияет также переменный резистор /?3, изменяющий коэффициент отрицательной обратной связи усилителя.
Двухконтурный генератор позволяет подавить влияние изменений зазора соответствующей настройкой режима работы. При этом используется зависимость коэффициента положительной обратной связи от частоты, чего не наблюдается в одноконтурной схеме. Так, если частота снижается, то уменьшается и коэффициент обратной связи. В одноконтурном генераторе коэффициент обратной связи изменя
ется в основном в результате изменения добротности контура, в двухконтуром - за счет обоих факторов. В этом и состоит суть ослабления влияния зазора.
Действительно, если при установке ВТП на бездефектный участок ОК собственная частота контура ЦСХС4 ниже собственной частоты контура Г2С5С6, то при увеличении зазора индуктивное сопротивление со£,! ВТП возрастает (рис. 11.26), что приводит к снижению собственной частоты контура ЬХСХС4 и уходу ее от собственной частоты контура £2С5С6 и частоты автоколебаний. Этим вызвана тенденция уменьшения полного сопротивления z контура LXCXC4. С другой стороны, перемещение точки на плоскости комплексных сопротивлении z из положения А в положение С (см. рис. 11.24) увеличивает добротность Q = aL/R контура из-за уменьшения R, и возникает противоположная тенденция - к увеличению z. Очевидно, что соответствующей настройкой с помощью конденсатора С5 можно добиться требуемой начальной расстройки собственных частот контуров LXCXC4 и ЦС5С6 так, чтобы при изменении зазора полное сопротивление z контура LXCXC4 изменялось незначительно. Тогда незначительными будут и изменения амплитуды колебаний в автогенераторе, что и означает ослабление влияния зазора.
ВИХРЕТОКОВЫЕ ДЕФЕКТОСКОПЫ
553
/2
Рис. 11.26. Структурная схема автогенераторного дефектоскопа
Если же в зону контроля попадает дефект (трещина), точка на комплексной плоскости, определяющая значение z, занимает положение В (см. рис. 11.24), что приводит к увеличению активного сопротивления R ВТП и снижению добротности контура Z1C1C4. В результате происходит срыв автоколебаний либо уменьшение их амплитуды, что и регистрируется индикаторами.
Основное достоинство автогенера-торных схем и схем с включением ВТП в резонансный контур усилителя - простота реализации и высокая чувствительность. Это позволяет создать на их основе малогабаритные портативные и дешевые приборы для работы прежде всего в полевых условиях. Их с успехом может применять малоквалифицированный персонал, так как они имеют минимум регулировок (одну-две). К недостаткам этих приборов относится температурная нестабильность, связанная с использованием параметрических ВТП, влияние которой преодолевается периодической подстройкой. В современных дефектоскопах процессы калибровки и оценки размеров дефекта автоматизированы.
Схемы автогенераторов таких приборов позволяют подавить влияние изменений зазора в пределах 0...0,1 мм. Эти малогабаритные приборы имеют, как прави
ло, также комбинированное питание и большой комплект ВТП.
Типичная структурная схема такого прибора приведена на рис. 11.26. В приборах реализована автоматическая подстройка автогенератора в режим, близкий к срыву автоколебаний. Вихретоковый преобразователь 1 включен в контур управляемого автогенератора 2, к выходу которого подключены последовательно соединенные усилитель 3, амплитудный детектор 4, пороговое устройство 5, управляемый генератор импульсов 6, управляемый ключ 7, двоичный счетчик импульсов 8, цифроаналоговый преобразователь 9, десятичный счетчик 11. С выхода ЦАП постоянное напряжение поступает на управляющий вход автогенератора. Устройство индикации 10 с символьным жидкокристаллическим индикатором подключено к выходу порогового устройства. К генератору импульсов подключены головные телефоны 12.
Дефектоскоп работает в режиме автоматической настройки и в режиме контроля объектов.
В режиме настройки ВТП устанавливают на бездефектный участок ОК и нажимают на кнопку «С». В результате счетчики импульсов 8 и 11 позиционируются на нуль и замыкается ключ 7. При этом на выходе ЦАП уровень напряжения,
554
Глава 11. ВИХРЕТОКОВЫЕ ПРИБОРЫ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ
воздействующего на варикап в цепи положительной обратной связи автогенератора достигает значений, при которых происходит срыв автоколебаний. В результате на вход порогового устройства поступает напряжение низкого уровня, пороговое устройство переходит в нулевое состояние, благодаря чему запускается генератор импульсов. Через замкнутый управляемый ключ импульсы попадают на входы двоичного 8 и десятичного 11 счетчиков. Код счетчиков 8 преобразуется ЦАП в постоянное напряжение, которое изменяется при изменении кода счетчика до тех пор, пока не будет достигнут уровень, при котором емкость варикапа соответствует режиму автоколебаний автогенератора 2. Затем срабатывает пороговое устройство, на выходе которого появляется напряжение высокого уровня, блокирующее работу генератора импульсов. В результате ключ размыкается. Состояние счетчика перестает изменяться, следовательно, выходное напряжение ЦАП также не изменяется, благодаря чему автогенератор остается в режиме, близком к срыву автоколебаний: на индикаторе появляется символ «С». Затем символ исчезает и появляется десятичное число, отражающее содержимое счетчиков 11 и 8, соответствующее материалу ОК, например алюминию, титану, стали. Весь цикл настройки занимает 100 мс.
В режиме контроля ВТП перемещают по поверхности объекта с определенной скоростью не более 0,1 м/с. При попадании дефекта в зону контроля уменьшается добротность обмотки ВТП и происходит срыв автоколебаний генератора. В результате срабатывает пороговое устройство и на индикаторе появляется символ «F», а в головных телефонах - звуковой сигнал от генератора импульсов.
Прибор позволяет приближенно оценить размеры дефекта. Для этого используется режим цифровой индикации. Вначале фиксируется показание индикатора после калибровки, соответствующее материалу ОК, затем после обнаружения де
фекта нажимают на кнопку «С», настраивая тем самым автогенератор в режим автоколебаний, близкий к срыву. После окончания процесса настройки генератора на индикаторе вместо символа «F» появляется число, отражающее воздействие дефектного участка ОК на ВТП. По разности показаний индикатора над бездефектным и дефектным участками ОК судят о размерах дефекта: чем больше разность, тем больше размеры дефекта.
Порог чувствительности автогенера-торных дефектоскопов (глубина искусственной поверхностной риски при ее ширине 0,2 ... 0,3 мм и длине 5 мм) лежит в пределах 0,05 ... 0,2 мм в зависимости от шероховатости поверхности и однородности электромагнитных параметров (ц; о) материала.
Применение таких дефектоскопов позволяет обнаруживать поверхностные трещины и риски в деталях и конструкциях летательных аппаратов, в стальных изделиях (железнодорожные колеса и оси, автомобильные детали, металлические мостовые конструкции, подшипники качения и т.д.). Они эффективны для обнаружения трещин в пролетных строениях металлических мостов под слоем ржавчины и краски толщиной до 5 мм. Приборы применяются для выявления сварных швов при криминалистической экспертизе замененных номерных знаков на деталях автомобилей. Приборы просты и надежны в работе, имеют всего две-три кнопки управления.
Портативные дефектоскопы с накладными ВТП, работающие в статическом режиме, применяют для ручного контроля, главным образом в процессе эксплуатации конструкций машин и оборудования. Широко используются они и для контроля авиационной техники в полевых условиях аэродромов и на ремонтных предприятиях для дефектоскопии деталей реактивных и поршневых двигателей, элементов конструкций крыла и шасси самолетов, элементов конструкций вертолетов и других объектов. Они находят
ВИХРЕТОКОВЫЕ ДЕФЕКТОСКОПЫ
555
применение также для слежения за ростом усталостных трещин в образцах материалов и в различных деталях в процессе динамических испытаний на усталость, для контроля оборудования электростанций и химических предприятий, судового оборудования и др.
Помимо портативных используют и переносные дефектоскопы с осциллографическими индикаторами или дисплеями, работающие в статическом режиме. Обычно они имеют структурную схему, реализующую на дисплее комплексную плоскость напряжений. Это позволяет существенно расширить возможности прибора по сравнению с портативным вариантом.
Такие дефектоскопы могут работать как с накладными, так и с проходными ВТП: диапазон частот тока возбуждения ВТП от 10 Гц до 10 МГц (частота устанавливается дискретно с малым шагом). В качестве индикаторов используют осциллографы или цифровые дисплеи. Фазорегулятор позволяет изменять фазу опорного напряжения на 360° с шагом 1°. Начальное напряжение ВТП компенсируется (устанавливается нуль) автоматически нажатием кнопки. Возможно изменение отношения масштабов изображения на экране по вертикали и горизонтали (отношение Y / X). Имеется световая сигнализация о дефекте с установкой порога срабатывания. Параметры режима работы запоминаются и сохраняются при выключении прибора.
Предусмотрено сетевое и/или автономное питание от аккумулятора.
Статические портативные и переносные дефектоскопы выпускаются серийно как отечественными, так и зарубежными фирмами. Число моделей таких дефектоскопов огромно, их обновление происходит ежегодно, поэтому информация о конкретных моделях устаревает достаточно быстро. Тем не менее в приложении приводятся данные о статических дефектоскопах на период 2002 - 2003 гг.
11.2.3. ДИНАМИЧЕСКИЕ ДЕФЕКТОСКОПЫ
Дефектоскопы с проходными и накладными ВТП, работающие в динамическом режиме, эффективны при контроле объектов, допускающих сканирование поверхности, например труб и прутков, стенок круглых отверстий. Использование динамического режима позволяет увеличить отношение сигнал/помеха благодаря фильтрации огибающей высокочастотного напряжения ВТП. Отношение сигнал/помеха на выходе фильтра можно увеличить, используя различие спектров сигналов от дефектов и помех. Обычно дефектам соответствуют резкие изменения огибающей сигнала, имеющего широкополосный спектр, а помехам, связанным с относительно более плавными изменениями размеров и электрофизических параметров ОК, - низкочастотные составляющие спектра. Для повышения отношения сигнал/помеха можно использовать и более тонкие различия в спектрах, например через корреляционные функции.
Структурные схемы дефектоскопов, работающих в динамическом режиме, отличаются от структурных схем статических дефектоскопов, как правило, только наличием дополнительных блоков обработки информации: фильтров и усилителей огибающей, блоков синхронизации развертки осциллографического индикатора и блоков преобразования импульсов сигналов для работы средств сигнализации и автоматизации контроля. Для работы в динамическом режиме дефектоскопы комплектуются средствами сканирования поверхности ОК (обычно это электромеханические устройства вращения накладных ВТП).
Дефектоскопы с проходными ВТП. Для контроля продольно-протяжных изделий типа труб, прутков, проволоки в потоке их производства наиболее широко применяются дефектоскопы с проходными преобразователями.
556
Глава 11. ВИХРЕТОКОВЫЕ ПРИБОРЫ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ
Они успешно работают в самых тяжелых условиях трубосварочных, трубопрокатных, прокатных и проволочных станов при высоких скоростях контроля (обычно от 0,01 до 3 м/с, на проволочных станах иногда до 50 м/с), вблизи сварочных аппаратов при наличии в трубе большого количества охлаждающей воды, при высоких температурах контролируемых изделий (обычно 50 °C, при контроле горячего проката температура достигает 800 - 1200 °C), в условиях загрязнения и запыленности. Для этой аппаратуры характерно: широкий диапазон диаметров контролируемых изделий (от 0,05 до 120 мм), возможность контроля изделий различной поперечной формы (круг, квадрат, шестигранник, прямоугольник), простота и надежность конструкции при достаточно высокой чувствительности. С помощью дефектоскопов с проходными преобразователями сегодня в мире контролируется почти 100 % проволоки, особенно малых диаметров (0,05... 0,5 мм), почти 80 % электросварных труб (если иметь в виду одновременный контроль и зоны шва, и всего остального сечения трубы), до 95 %
труб и проката некруглой формы (особенно сравнительно небольших размеров, примерно до 80 мм).
Общая структурная схема прибора представлена на рис. 11.27. Она содержит: генератор Г переменного тока на четыре дискретных частоты, вихретоковый датчик ВДП проходного типа с одной токовой и двумя парами дифференциально включенных измерительных обмоток, амплитудно-фазовые детекторы АФД1 и АФД2, фазовращатель ФВ для изменения фазы опорного напряжения, фильтры нижних частот ФНЧ1 и ФНЧ2, регулируемые усилители УР1, УР2, дифференциальный усилитель ДУ, фильтр верхних частот ФВЧ, регулируемый усилитель УРЗ, пиковый детектор ПД для фиксации амплитудных значений измеряемых сигналов, программируемый контроллер ПК, узлы управления внешними устройствами: узел сортировки УС, индикатор дефектности ИД, дефектоотметчик ДО, принтер ПР, компьютер верхнего уровня КВ.
Управление схемой проводится по сигналам фотоблокировки УБ, формирующих сигналы о наличии трубы в блоке
Рис. 11.27. Структурная схема вихретокового дефектоскопа с проходными ВТП:
УБ - устройство блокировки; АКР - автоматический контроль работоспособности; Г - генератор; ВДП - вихретоковый датчик проходной; ФВ - фазовращатепь; ф - угол сдвига фаз; АФД - амплитудно-фазовый детектор; ФНЧ - фильтр низких частот; УР - усилитель регулируемый; ДУ - дифференциальный усилитель; ФВЧ - фильтр высоких частот;
ПД - пиковый детектор; ПК - программируемый контроллер; УС - устройство сортировки;
КВ - компьютер верхнего уровня; ИД - индикатор дефектности; ДО - дефектооотметчик;
ПР - притер; К - коммутатор; ОИ - осциллографический индикатор
ВИХРЕТОКОВЫЕ ДЕФЕКТОСКОПЫ
557
Рис. 11.28. Вихретоковый дефектоскоп с проходными ВТП
ВТП. В дефектоскопе предусматривается автоматический контроль работоспособности электронных узлов, выполняемых системой АКР в период отсутствия трубы в зоне контроля.
Индикации измеряемых сигналов представляются на экран буквенно-графического дисплея. Предусмотрены два режима индикации информативных сигналов:
- в режиме «точка» для выбора фазы опорного напряжения;
- в режиме обычной линейной развертки для индикации текущих сигналов, в том числе и сигналов от дефектов.
Управление схемой производится программируемым контроллером ПК по программе, записанной в ПЗУ (постоянное запоминающее устройство). Общий вид дефектоскопа представлен на рис. 11.28. Контроллер на основе однокристальной микроЭВМ выполняет следующие функции:
- принимает сигналы фотодатчиков, в соответствии с которыми включает дефектоскоп в режим контроля или отключает его;
- измеряет выходные сигналы ВТП и по их величине принимает решение о качестве объекта контроля;
- выдает сигналы на внешние устройства сортировки (сигнал «брак», если измеряемое значение сигнала ВТП превышает заданный уровень; сигнал «годный», если сигналов «брак» не обнаружено по всей длине контролируемого изделия);
- переводит дефектоскоп в режим настройки при включении кнопки «настройка»;
- формирует на экране дисплея «окна» с регулируемыми параметрами: ток, фаза, КУ (коэффициент усиления), ФВЧ (фильтр верхних частот), ток подмагничивания;
- формирует на экране развертку измеряемых сигналов как в режиме «точка», так и в режиме линейной развертки;
- проводит контроль работоспособности электронных узлов дефектоскопа (при отсутствии изделий в блоке ВТП).
Настройку дефектоскопа осуществляют по стандартным образцам изделий (например, труб). Искусственные дефекты в виде сквозных отверстий на трубах или глухих сверлений на прутках имеют согласно стандартам DIN (SEP 1925 или SEP 1917) и ASTM, ГОСТам РФ различные размеры в зависимости от диаметра трубы или прутка.
При дефектоскопии прутков вихретоковые приборы чаще всего используются для контроля диаметров от 2 ... 3 мм до 80 ... 90 мм. Искусственные дефекты в этом случае выполняются в виде глухих сверлений конической формы с диаметрами, приведенными в табл. 11.1. При этом глубина сверления в зависимости от требований потребителя металла выбирается из ряда: 0,762; 1,016; 1,524; 2,032; 2,54 мм.
Настройка дефектоскопа может проводиться как в условиях заводской лаборатории, так и непосредственно в техно-
558
Глава 11. ВИХРЕТОКОВЫЕ ПРИБОРЫ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ
11.1. Размеры искусственных дефектов стандартных образцов для настройки дефектоскопа
Диаметр труб Д, мм Диаметр отверстия искусственного дефекта, мм
ASTM API DIN
SEP 1917 SEP 1925
3<Д<6 0,5 0,5 0,5 1,2
6 < Д < 20 0,786 0,786 0,78 1,2
20<Д<30 0,786 0,786 0,8 1,2
30 < Д < 40 1,0 1,0 1,0 1,7
40 < Д < 50 1,2 1,2 1,2 2,2
50<Д<60 1,6 1,6 1,6 2,2
60 < Д<80 2,0 2,0 2,0 2,7
80<Д< 102 2,3 2,3 2,3 2,7
102 < Д < 114 2,5 2,5 2,5 2,7
114 < Д < 159 2,7 2,7 2,7 3,2
логическом потоке производства труб, линиях отделки трубопрокатных, калибровочных, трубоэлектросварочных станов. При калибровке определяются такие параметры измерительной схемы, как фаза, КУ и ФВЧ.
При выборе фазы используется режим «точки»; при этом по экрану дисплея выбирается такая фаза опорного сигнала, при которой угол между направлениями действия сигналов от дефекта и помехи максимален. С помощью фазы отстраиваются от наиболее сильного мешающего контролю фактора, например, поперечных перемещений изделия внутри проходного ВТП, если используется ВТП с неоднородным полем, изменений диаметра, некоторых видов неопасных дефектов.
Коэффициент усиления КУ подбирается таким, чтобы измеряемый сигнал превышал заданный уровень в зоне расположения дефекта и был ниже этого уровня в бездефектных зонах контролируемой трубы. Частота среза фильтра верхних частот ФВЧ выбирается в соответствии со скоростью контроля. Ее выбор происходит непосредственно в линиях контроля.
Рис. 11.29. Контроль прутков накладными вращающимися ВТП
Дефектоскопы с накладными вращающимися ВТП используются в технологических линиях производства труб, прутков и других изделий круглого сечения (рис. 11.29). Сканирование поверхности контролируемого объекта происходит при вращательном перемещении ВТП и поступательном движении объекта. Механизм вращения ВТП выполняется в виде отдельного блока и содержит роторный узел с размещенными на нем ВТП (как правило, четыре; со смещением друг относительно друга на 90°) и статорную часть,
ВИХРЕТОКОВЫЕ ДЕФЕКТОСКОПЫ
559
Рис. 11.30. Механический блок накладных вращающихся ВТП
где располагаются статорные обмотки, подключаемые к электронному блоку. На рис. 11.30 представлен блок накладных вращающихся ВТП. Для передачи сигналов от генератора к возбуждающей обмотке ВТП и от дифференциальной пары измерительных обмоток к электронному блоку используются вращающиеся трансформаторы.
На рис. 11.31 приведена структурная схема типичного прибора, работающего в динамическом режиме с накладными ВТП. Генератор 1 вырабатывает синусоидальное напряжение высокой частоты (на-
пример, 300 ... 400 кГц), которое поступает на возбуждающие обмотки ВТП 2 и входы компенсатора 3 и фазорегулятора 4, Усиленное усилителем 5 напряжение измерительных обмоток ВТП поступает на фазовой детектор 6. Выделенная последним проекция вектора напряжения ВТП на выбранное с помощью фазорегулятора направление поступает на вход фильтра 7 с регулируемой полосой пропускания. С выхода фильтра напряжение через усилитель 8 поступает на осциллограф или цифровой дисплей 75. Напряжение развертки формируется формирователем 12 и усиливается усилителем 13, Развертка запускается либо генератором 77, либо внешними импульсами синхронизации, поступающими через усилитель 16, Внешняя синхронизация развертки необходима, когда требуется синхронизировать ее с вращением ВТП. Блоки 9 и 10 служат для формирования импульсов, необходимых для зажигания светового индикатора 74, а блок 77 - для формирования импульса сигнала на внешние устройства. В блоке 9 предусмотрена возможность воздействия внешними стробирующими и запирающими импульсами в тех случаях, когда необходимо блокировать сигнализацию о дефектах (например, при подходе к краю ОК).
Рис. 11.31. Структурная схема дефектоскопа с накладными вращающимися ВТП
560
Глава 11. ВИХРЕТОКОВЫЕ ПРИБОРЫ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ
При значительном изменении зазора между ВТП и ОК в результате несоосно-сти ОК и вращающейся головки возникают помехи, а также изменяется чувствительность ВТП. Для компенсации этого эффекта применяют автоматическую регулировку коэффициента усиления канала. С этой целью получают информацию о зазоре с помощью специальной обмотки датчика, работающей на более высокой частоте, чем основная обмотка. Влияние изменений зазора в небольших пределах подавляется соответствующей настройкой фазы опорного напряжения фазового детектора. В результате допустимые изменения зазора составляют 1... 3 мм.
Информацию на экране дисплея получают в режиме линейной развертки и в режиме ЗВ-разверток одновременно, чем повышается достоверность обнаружения дефектов. Режим 3D («трехразмерный», от англ, dimensional - размерный) - динамический режим комплексной плоскости напряжений. В этом режиме точка на экране, отображающая конец вектора комплексного выходного напряжения ВТП, описывает сложные замкнутые траектории при движении ВТП относительно ОК.
Траектории запоминаются на время, требуемое для анализа и устанавливаемое оператором. Таким образом, отображаются два параметра сигнала (составляющие X и У) в зависимости от времени (или от связанных с ним пространственных координат ВТП относительно ОК). По положению траектории в комплексной плоскости определяются фазовые характеристики сигнала, а по форме траектории опытный оператор может идентифицировать дефект. Установкой сектора в комплексной плоскости (показан штриховой линией на рис. 11.32) и диаметра окружности оператор может задать пороги срабатывания сигнализаторов дефектов по фазе и амплитуде сигнала соответственно.
Переносные динамические дефектоскопы. Их основная особенность -применение вращающихся накладных ВТП. Вращение осуществляется специальными устройствами. На рис. 11.33. показана конструкция такого устройства. Электродвигатель 7 через соединительные муфты 2 и 3 приводит во вращение пустой вал 4 ротора, вращающийся в подшипниках 5 и 6. Вал ротора соединен со сменным наконечником 7 через разъем 8 и закреплен
Рис. 11.32. Форма сигналов вращающего ВТП
ВИХРЕТОКОВЫЕ ДЕФЕКТОСКОПЫ
561
Рис. 11.33. Конструкция устройства для вращения ВТП в отверстиях
гайкой 9. В наконечнике размещена катушка 10 накладного ВТП, ось которой перпендикулярна оси наконечника. Электрические цепи ротора (катушки ВТП и
статора) соединены бесконтактно с помощью двух трансформаторов (для возбуждающей и измерительной цепей ВТП). Одна обмотка (//и 13) каждого трансформатора размещена на роторе, а другая (12 и 14) - на статоре. Обмотки охвачены ферритовыми магнитопроводами 15, 16 и коаксиальны. Обмотки трансформаторов связываются магнитным потоком Ф, пронизывающим магнитопроводы.
В верхней части устройства находится сигнальная лампа 77, дроссели 19 и конденсаторы 18 фильтра цепи питания электродвигателя, для включения которого используется тумблер 20. Разъем 21 служит для соединения устройства с электронным блоком дефектоскопа.
Приборы применяются главным образом для дефектоскопии стенок отверстий и зон вокруг заклепок, для чего имеются специальные устройства, вращающие датчик вокруг заклепки. Дисплей приборов работает обычно в режиме линейной развертки или в динамическом режиме комплексной плоскости напряжений (режим 3D). В первом режиме импульс на экране дисплея соответствует дефекту, во втором - это сложные замкнутые траектории, описываемые точкой, отображающей конец вектора комплексного напряжения U как функцию положения датчика относительно ОК (см. рис. 11.32). По этим траекториям, сохраняющимся на экране, оператор может идентифицировать сигнал на фоне помех.
Наиболее совершенны универсальные переносные дефектоскопы на основе микропроцессоров. Эти приборы предназначены для работы как с накладными, так и с проходными ВТП разных конструкций в статическом и динамическом режимах, просты в обслуживании, имеют массу 3 ... 7 кг, для них предусмотрено автономное и сетевое питание. Основной индикатор - цифровой дисплей с возможностью запоминания изображений. Индикатор работает в режимах временной и 3D-развертки. Диапазон рабочих частот в статическом режиме 10 Гц... 10 МГц.
562
Глава 11. ВИХРЕТОКОВЫЕ ПРИБОРЫ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ
Приборы работают в диалоговом режиме, информация представляется оператору в символьной форме на дисплее. Режимы настройки прибора (тип ВТП, ток возбуждения ВТП и его частота, коэффициент усиления, фаза опорного напряжения, тип и параметры фильтра, вид представления информации на экране и масштаб изображения, пороги срабатывания индикаторов и др.) запоминаются контроллером. Можно запомнить параметры от 32 до 50 различных режимов: кроме того, пользователь может установить и запомнить параметры еще стольких же собственных режимов. Для документирования полученной информации служит встроенный принтер.
Современные динамические дефектоскопы так же, как и дефектоскопы статические, выпускаются как отечественными, так и зарубежными фирмами. Количество типов и модификаций таких приборов достаточно велико, причем их обновление происходит в течение двух-трех лет. В приложении приводятся основные типы динамических дефектоскопов на период 2002 - 2003 гг.
11.3. ВИХРЕТОКОВЫЕ ТОЛЩИНОМЕРЫ
11.3.1. КЛАССИФИКАЦИЯ И ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТОЛЩИНОМЕРОВ
Вихретоковые толщиномеры - это приборы для измерения толщины объектов и покрытий на них. Объектами контроля могут быть листы, ленты и фольга из металлов и сплавов, стенки труб и баллонов, детали машин. Еще более разнообразны покрытия. В вихретоковой толщи-нометрии виды покрытий удобно разделить на следующие группы:
- изоляционные покрытия на электропроводящих основаниях, например лакокрасочные, эмалевые, пластиковые, стеклянные, резиновые покрытия на металлах и сплавах;
- электропроводящие покрытия на изоляционных основаниях, например медные слои на стеклотекстолитовых печатных платах; алюминиевые покрытия на стекле (зеркала) и пластиках;
- электропроводящие покрытия на электропроводящих основаниях, например антикоррозионные слои алюминия на алюминиевых сплавах, нанесенные плакированием (от франц, plaquer - покрывать).
Покрытия защищают металлы от коррозии, выполняют теплозащитные, декоративные и другие функции. Среди показателей качества покрытий важнейший - толщина, допускаемые пределы изменения которой определяются нормативно-технической документацией. Разрушающие методы измерения толщины покрытий, например метод микрошлифов, метод взвешивания, травления, не позволяющие реализовать 100 %-ный контроль продукции, малопроизводительны и неэкономичны. Поэтому применение вихретоковых толщиномеров для измерения толщины покрытий дает, как правило, значительный технический и экономический эффект. Вихретоковые толщиномеры можно классифицировать по виду ОК и по конструктивному исполнению. По виду ОК выделяют толщиномеры изоляционных покрытий на электропроводящих основаниях, электропроводящих покрытий на изоляционных основаниях и электропроводящих слоев (стенок труб, фольги, лент, листов), электропроводящих покрытий на электропроводящих основаниях.
По конструктивному исполнению различают портативные и переносные толщиномеры.
Технические характеристики вихретоковых толщиномеров определяются ГОСТ 26737-85 «Контроль неразрушающий. Толщиномеры покрытий магнитные и вихретоковые. Общие технические требования». Основная характеристика - предел допускаемой основной погрешности. Он зависит от многих факторов и может быть установлен, как для любого средства измерения, в соответствии с принятыми
ВИХРЕТОКОВЫЕ ТОЛЩИНОМЕРЫ
563
стандартами. Однако специфика вихретоковых толщиномеров заключается в том, что методическая погрешность определяется в значительной степени свойствами ОК и условиями взаимодействия ВТП и ОК. Если инструментальная погрешность может быть уменьшена до вполне приемлемого значения обычными приемами снижения погрешности средства измерения, то с погрешностью, связанной с ОК, как правило, не удается справиться так просто. Ее не всегда можно установить достаточно достоверно, поскольку требуются аттестованные образцы толщины покрытий. Их трудно изготовить и аттестовать с погрешностью менее 1 %, а это означает, что погрешность прибора может составлять 3 %, так как по действующим стандартам погрешность образцовых мер должна быть примерно в 3 раза меньше погрешности поверяемого средства измерения. Особенно большие затруднения возникают при аттестации толщиномеров малых толщин покрытий (единицы - десятки микрометров).
Зарубежные фирмы приводят только инструментальную погрешность прибора, причем под нею чаще всего понимается разброс показаний при многократных измерениях. Действующие в России стандарты требуют указания погрешности измерения прибора, включая и случайную составляющую погрешности, которая превышает погрешность инструментальную. Поэтому паспортная погрешность отечественных толщиномеров (около 2 ... 3 %), как правило, больше, чем зарубежных (1 %), хотя это и не всегда отражает истинное положение.
Диапазон измеряемых величин обусловлен назначением толщиномера и характеристиками ОК. Для большинства толщиномеров изоляционного покрытия на проводящем основании он составляет от 5 мкм до 2 мм, а в специальных приборах - до 50 и даже до 400 мм; для толщиномеров электропроводящего слоя - от 0,005 до 2 мм; для толщиномеров проводящих покрытий на проводящем основании - от 0,005 мкм до 0,3 мм.
Диаметром зоны измерения, который может колебаться в широких пределах -от единиц до десятков миллиметров, а в отдельных случаях к до нескольких сотен миллиметров, определяется выбор размеров ВТП. Остальные характеристики толщиномеров относятся к общим для электронных измерительных средств: масса, мощность потребления, показатели надежности, срок службы и др.
11.3.2. ТОЛЩИНОМЕРЫ ИЗОЛЯЦИОННЫХ ПОКРЫТИЙ НА
ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩИХ ОСНОВАНИЯХ
Покрытия из изоляционных материалов на металлических основаниях наносят для теплозащиты, защиты от агрессивных сред и атмосферных воздействий, они также выполняют декоративные и другие функции. Материалом покрытия могут служить лак, краска, эмаль, стекло, резина, пластмасса, оксидные и фосфатные слои. Если основание выполнено из ферромагнитных материалов, то эффективнее применять магнитные толщиномеры. Типичные неферромагнитные электропроводящие основания - алюминиевые сплавы, латунь, бронза, медь и др.
Особый случай использования толщиномеров рассматриваемого типа - это измерение толщины изоляционных слоев с помощью так называемых закладных элементов, представляющих собой металлические пластинки или фольгу, закладываемые в технологическом процессе в диэлектрический объект и покрываемые затем слоями диэлектриков, толщину которых необходимо измерять. С помощью этого определяют толщину асфальтобетонных покрытий автомобильных дорог в процессе строительства и эксплуатации, диэлектрических слоев композиционных материалов, выполненных намоткой из стеклоткани и др.
С точки зрения вихретокового контроля измерение толщины диэлектрика на проводящем основании - задача измерения зазора между накладными ВТП и по-
564
Глава 11. ВИХРЕТОКОВЫЕ ПРИБОРЫ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ
верхностью проводящего основания. Поэтому в этом случае целесообразно выбирать значение обобщенного параметра Р = как можно большим. Огра-
ничение значения Р сверху определяется наибольшим технически достижимым значением частоты тока возбуждения, поскольку при неизменном радиусе R ВТП увеличить Р можно, только увеличивая частоту /= со / 2л. Предельное значение Утах следует выбирать так, чтобы оно не менее чем в 2 раза было ниже собственной резонансной частоты f ВТП с соединительным кабелем. Исходя из этих соображений частоту в толщиномерах изоляционного слоя выбирают в пределах 1 ... 20 МГц, при этом обычно Р > 20. При Р > > 20 чувствительность ВТП к изменениям удельной электрической проводимости мала, поэтому в толщиномерах изоляционного слоя обычно влияние изменений удельной проводимости основания подавляется, а в качестве информативного параметра сигнала ВТП используют модуль вектора (амплитуду) напряжения. Поэтому структурные схемы таких толщиномеров обычно достаточно просты и выполняются либо по схеме рис. 8.2 с трансформаторным ВТП, либо по схеме рис. 8.8 с параметрическим ВТП.
Толщиномеры покрытий можно условно разделить на портативные (рис.
11.34) и переносные. В последнее время приборы этого типа часто выполняют как комбинацию вихретоковых и магнитных толщиномеров. С их помощью можно измерять толщину любых изоляционных покрытий на электропроводящих неферромагнитных основаниях и любых неферромагнитных покрытий (изоляционных и проводящих) на ферромагнитных основаниях.
Существует два основных типа портативных толщиномеров: аналоговые и цифровые, причем цифровые в настоящее время выполняют на основе микропроцессоров.
К достоинствам таких приборов можно отнести:
- портативное исполнение;
- встроенный микропроцессор, за счет чего реализовано кнопочное управление установкой нуля и верхнего предела, упрощающее процесс подготовки прибора к работе;
- конструктивная и схемная унификация;
- малое энергопотребление;
- комбинированное питание: либо от автономного источника (одна батарейка или аккумулятор), либо от сети 220 В, 50 Гц;
- повышенная стабильность и повторяемость результатов, в том числе и благодаря усовершенствованию конструкции преобразователей;
Рис. 11.34. Портативные программируемые толщиномеры покрытий
ВИХРЕТОКОВЫЕ ТОЛЩИНОМЕРЫ
565
- повышенная надежность и долговечность прибора вследствие применения электронных комплектующих лучших зарубежных поставщиков;
- возможность статистической обработки информации (среднее значение показаний, среднеквадратическое отклонение, минимальное и максимальное значения; число измерений, номер измерения).
Толщиномеры имеют следующие технические характеристики.
Измеряют толщину диэлектрических покрытий (краска, лак, эмаль, пластик) на деталях из немагнитных металлов (алюминий и его сплавы, медь и ее сплавы и т.д.).
Предназначены для использования на предприятиях авиационной, автомобильной, судостроительной, электротехнической, машиностроительной и других отраслей промышленности.
ВТП выполняется на ферритовом стержне диаметром 1,0 мм и включается в схему автогенератора. Рабочая частота / = 2 мГц. Диапазон измеряемых толщин от 5 до 1250 мкм.
Приборы могут выпускаться и с другими диапазонами: от 5 до 500 мкм; от 5 мкм до 2 мм; от 5 мкм до 5 мм и т.д.
Основная погрешность (0,03х + 1,0) мкм, где х - измеряемое значение толщины покрытия.
Методика настройки толщиномеров весьма проста и сводится к калибровке приборов на образце основы (установка нуля) и на верхнем пределе (мера толщины заданной величины).
11.3.3. ТОЛЩИНОМЕРЫ ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩИХ НЕФЕРРОМАГНИТНЫХ СЛОЕВ
Задача измерения толщины электропроводящих слоев возникает при контроле металлических листов, лент, фольги, труб, баллонов, деталей плоской формы, а также при контроле металлических покрытий на изоляционных основаниях. Следует учитывать, что для измерения толщины металлических объектов с успехом приме
няют ультразвуковые толщиномеры, обладающие высокой точностью. Так как результаты измерений вихретоковыми толщиномерами принципиально зависят от удельной электрической проводимости материала ОК, а также от зазора между ВТП и ОК, то погрешности вихретоковых толщиномеров обычно больше, чем ультразвуковых. Поэтому вихретоковые толщиномеры электропроводящих слоев оказываются конкурентоспособными при измерении малых толщин (не более 2 мм), а также в тех случаях, когда недопустим акустический контакт (через слой жидкости) преобразователя с ОК.
При измерении толщины электропроводящих слоев можно выделить два основных мешающих фактора: изменения зазора h и удельной электрической проводимости а. Следовательно, это более сложная задача, чем при измерении изоляционных покрытий на проводящих основаниях. Показания большинства приборов не зависят от влияния одного из мешающих факторов, обычно от изменений зазора. Эту независимость реализуют способом проекций либо фазовым способом. Для подавления влияния обоих мешающих факторов применяют двухчастотные способы с использованием амплитуднофазовых характеристик сигналов на каждой частоте. Следует, однако, иметь в виду, что допустимые диапазоны вариации мешающих факторов обычно невелики.
Для контроля толщины Т деталей из алюминиевых сплавов в процессе химического фрезерования применяют фазовые толщиномеры с накладными и экранными накладными ВТП. Так как годографы вносимого напряжения /7ВН(Л) в некоторой зоне близки пучку лучей и arg(7BH(A) » » const, то такие приборы выполняют по схеме фазометра. Частота тока возбуждения ВТП определяется по формуле f > >21 (лцо^Т 2), получаемой из условия Тф > 2, для обеспечения линейности зависимости фазы вносимого в ВТП напряжения от толщины. Так, для контроля листов
566
Глава 11. ВИХРЕТОКОВЫЕ ПРИБОРЫ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ
из алюминиевых сплавов с о = 20 МСм/м и толщиной около 2 мм частота выбирается равной примерно 6 кГц.
Универсальные фазовые толщиномеры могут работать как с накладными, так и с экранными накладными ВТП. При работе с накладными ВТП диапазон измерения составляет 0,5 ... 4,0 мм; при работе с экранными - 0,5 ... 8,0 мм. Частота тока возбуждения 6,5 кГц для экранных и 1 кГц для накладных ВТП. В основу прибора положена схема фазометра на триггерах. Приборы снабжены набором экранных ВТП с зоной контроля не менее 12 х 12 мм при допустимом радиусе кривизны ОК не менее 60 мм, а также набором накладных ВТП с зоной контроля не менее 15x15 мм.
Погрешность измерения фазовых толщиномеров не превышает 0,5 ... 1,0 % верхнего предела поддиапазона при использовании экранных и 1,0... 1,5 % при использовании накладных ВТП. Дополнительная погрешность при измерении зазора в пределах до 0,5 мм не превышает 0,5 % измеряемой величины (для накладных ВТП).
Расстояние между экранными ВТП на 4... 5 мм больше максимальной толщины ОК, что необходимо для свободного доступа травящего раствора к поверхности контролируемой детали. Смещение детали в пределах этого зазора между обмотками ВТП не создает дополнительной погрешности.
Для калибровки приборов используют аттестованные по толщине контрольные образцы, по два на каждый поддиапазон (поскольку градуировочная характеристика линейная), выполненные из того же материала, что и ОК. Это означает, что в приборах не подавляется влияние изменений удельной электрической проводимости на результаты измерений.
Еще одна область применения вихретоковых толщиномеров - измерение толщины электропроводящих покрытий на изоляционной основе, например, при производстве фольгированных листов из стеклотекстолита, применяемого в качестве основы печатных плат; в зеркальной
промышленности при нанесении декоративных металлических покрытий на пластмассы. Особенность задачи измерения толщины тонких (до 150 мкм) электропроводящих покрытий состоит в том, что в этом случае практически невозможно разделить влияние толщины Т и удельной проводимости а на выходной сигнал ВТП и толщиномер реагирует, по существу, на изменение произведения сгТ. Годографы С/вн(а) и (7ВН(Т), сближаясь, принимают форму полуокружности, соответствующей бесконечно тонкому слою.
Для измерения толщины медных покрытий на изоляционной основе главным образом для контроля качества печатных плат используется ряд вихретоковых толщиномеров.
Специфической задачей измерения толщины электропроводящего слоя на изоляционном основании является контроль толщины слоя металлизации отверстий печатных плат. Существует серия вихретоковых измерителей типа ИТМ толщины медного слоя в отверстиях печатных плат. Основой приборов этого типа служит миниатюрный линейный ВТП.
Применение такого ВТП позволяет резко снизить погрешность измерения, связанную с влиянием контактных площадок на результаты измерения. Размещая продольные проводники ВТП равномерно по его поверхности, добиваются снижения погрешности, вызванной влиянием радиальных перемещений ВТП внутри отверстия, поскольку при удалении проводников на одной стороне ВТП от стенки отверстия проводники на диаметрально противоположной стороне приближаются к стенке.
Влияние осевых смещений ВТП относительно печатной платы на результаты измерения ’ устраняется благодаря тому, что длина продольных проводников ВТП превышает максимальную толщину контролируемой печатной платы. Малые размеры ВТП (диаметр 1 мм и менее, длина
ВИХРЕТОКОВЫЕ ТОЛЩИНОМЕРЫ
567
Рис. 11.35. Выносной пробник серии ИТМ со снятым корпусом
Рис. 11.36. Структурная схема прибора для измерения толщины металлизации
3 ... 4 мм) и малое число его витков не позволяют получить значительное начальное напряжение Uo. Обычно Uo не превышает 1 ... 4 мВ, а сигналы - десятков, сотен микровольт. Поэтому для устранения влияния подводящих проводов предварительный усилитель сигнала размещен в выносимом пробнике прибора (рис. 11.35).
Структурная схема толщиномера приведена на рис. 11.36. Генератор (Г), выполненный в виде синтезатора частот, возбуждает ВТП, с выхода которого сигнал поступает на один из входов дифференциального усилителя (ДУ). На второй вход дифференциального усилителя поступает напряжение той же частоты, регулируемое по амплитуде и фазе компенсатором (К), на вход которого напряжение поступает от генератора. Усиленная дифференциальным усилителем разность напряжений ВТП и компенсатора поступает на входы синхронных (фазовых) детекторов, СД1 и СД2.
Опорные напряжения синхронных детекторов, созданные формирователем опорных напряжений (ФОН), сдвинуты по фазе на л/2. Полученные на выходах синхронных детекторов постоянные напряжения, пропорциональные действительной и мнимой составляющим вектора С/вн, с помощью мультиплексора (М) поочередно подаются на аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Цифровые данные с выхода АЦП вводятся в микрокомпьютер и обрабатываются по заданным алгоритмам. Результаты обработки данных отображаются на символьном светодиодном дисплее (Д).
Толщиномер представляет собой портативный прибор, измерительная схема которого выполнена на базе однокристальной микроЭВМ. В приборе измерение толщины медного слоя в отверстии печатной платы осуществляется с отстройкой от влияния диаметра отверстия, учета значения удельной электрической
568
Глава 11. ВИХРЕТОКОВЫЕ ПРИБОРЫ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ
проводимости гальванической меди и толщины печатной платы. Прибор снабжается двумя ВТП: с наружным диаметром 0,78 мм для контроля отверстий с диаметрами от 0,8 мм до 2 мм; с наружным диаметром 0,58 мм для контроля отверстий с диаметрами от 0,6 мм до 0,8 мм. Для удобства замены ВТП выполнены в виде отдельного узла-картриджа, который подключается к выносному пробнику с помощью разъема. Для обеспечения надежности работы ВТП его обмотки помещены в защитную трубку из коррозионно-стойкой стали.
11.3.4 . ТОЛЩИНОМЕРЫ ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩИХ НЕФЕРРОМАГНИТНЫХ ПОКРЫТИЙ
НА ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩИХ НЕФЕРРОМАГНИТНЫХ
ОСНОВАНИЯХ
Этот тип вихретоковых толщиномеров получил наименьшее распространение, что связано с большим разнообразием возможных сочетаний материалов покрытий и оснований, а также с влиянием на результаты измерений по крайней мере трех мешающих факторов: зазора, удельной электрической проводимости покрытия и основания. Кроме того, очевидно, что разность между удельными электрическими проводимостями покрытия и основания должна быть значительной. К покрытиям рассматриваемого типа относятся большинство гальванических покрытий (медь, цинк, олово, серебро, золото, платина и др.) на металлах и сплавах, а также плакирующие покрытия на металлах. Многообразие сочетаний металлов покрытий и оснований приводит к необходимости создания либо узкоспециализированных приборов (рассчитанных на одно-два сочетания), либо средств индивидуальной градуировки прибора в виде серий градуировочных кривых, номограмм, сменных шкал и большого набора контрольных образцов.
Специализированные толщиномеры гальванических покрытий построены по
схеме фазометров и предназначены для измерения толщины кадмиевых, цинковых и никелевых покрытий толщиной до 30 мкм или медных и серебряных покрытий толщиной до 50 мкм на деталях из ферромагнитных сталей. Погрешность измерения 5 % ± 1 мкм. Допустимое изменение зазора не более 50 мкм, площадь зоны контроля 3,5 х 3,5 мм.
Для измерения толщины медных и серебряных покрытий на неферромагнитных сталях, серебряных покрытий на латуни и бронзе, хромовых покрытий на титановых сплавах применяют приборы с погрешностью измерения 10 % ± 1,5 мкм.
В заключение следует отметить, что вихретоковые толщиномеры покрытий практически вне конкуренции при измерении изоляционных покрытий на электропроводящих неферромагнитных основаниях в широком диапазоне толщин покрытий (от единиц микрометров до десятков сантиметров). Они успешно применяются также для измерения толщины электропроводящих неферромагнитных слоев (до 0,2 мм) на изоляционных основаниях. Правда, здесь с ними конкурируют радиационные (радиоизотопные и рентгенофлуоресцентные) толщиномеры, особенно эффективные при контроле покрытий малой толщины (до 30 мкм) на металлических основаниях. При пользовании этими приборами не имеет значения материал покрытия и основания (проводящий или непроводящий, ферро- или неферромагнитный), важно лишь, чтобы атомные номера химических элементов материалов покрытия и основания различались на 1 ... 2 единицы. Недостаток приборов этого типа - большая стоимость (по сравнению с вихретоковыми приборами) и необходимость соблюдения требований радиационной безопасности.
При измерении толщины покрытий на ферромагнитных основаниях или толщины ферромагнитных покрытий (никеля, кобальта) предпочтительнее магнитные толщиномеры.
ПРИБОРЫ ДЛЯ КОНТРОЛЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК
569
Данные по основным типам и моделям современных толщиномеров, выпускаемых как отечественными, так и зарубежными фирмами, представлены в приложении.
11.4. ПРИБОРЫ ДЛЯ КОНТРОЛЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ
ХАРАКТЕРИСТИК МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ
Электромагнитные приборы позволяют оценивать химический состав электропроводящих объектов, выявлять изделия из незапланированных марок сталей, металлов и их сплавов; оценивать твердость, прочностные характеристики, качество термической и химико-термической обработки объектов, в том числе их поверхностных слоев и т.д. Такие приборы могут выявлять неоднородные по структуре зоны, например мягкие пятна, оценивать глубину и качество механической, термической и химико-термической обработки на разных стадиях технологического процесса производства; определять степень механических напряжений, выявлять зоны усталости, контролировать качество поверхностных слоев.
Непроизводительные и дорогостоящие механические, металлографические и химические испытания можно заменить неразрушающим электромагнитным контролем только при установлении корреляционных связей между физико-химическими свойствами материала и сигналами преобразователя. Эти связи проявляются через электрофизические свойства материала, т.е. через удельную электрическую проводимость и магнитные характеристики. Поэтому при решении вопроса о возможности контроля того или иного параметра электромагнитным прибором необходимо знать, как влияет этот параметр на магнитные свойства материала.
Физико-механические характеристики металлических объектов в значительной степени обусловливаются структурой металла, поэтому приборы для определе
ния таких характеристик для краткости называют структуроскопами.
Электромагнитными структуроскопами можно измерять мгновенное значение несинусоидального напряжения преобразователя при перемагничивании стали в средних и сильных переменных магнитных полях либо амплитуду и фазу первой гармоники при перемагничивании объекта в слабых полях. Чтобы уменьшить влияние на показания приборов ряда мешающих факторов, необходимо разработать подробные методики контроля, основанные на экспериментальных статистических данных.
Электромагнитные структуроскопы разделяют на приборы для контроля объектов в низкочастотных полях большой напряженности и приборы контролирующие изделия в высокочастотных полях малой напряженности, а также приборы, использующие двух-, трех- или четырехчастотные возбуждающие поля.
Низкочастотные структуроскопы позволяют визуально (по экрану дисплея) или автоматически анализировать форму кривой напряжения измерительной обмотки проходного преобразователя, возбуждаемого током регулируемой амплитуды. Чаще используются частоты в диапазоне от единиц до двух-трех сотен герц, мощность источника при этом достаточно велика и позволяет получить сильное магнитное поле. Измерение проводят по кривой разностного напряжения, полученного при встречном включении обмоток двух преобразователей, в одном из которых находится контролируемый объект, а в другой - стандартный образец. Для разбраковки изделий с помощью таких приборов необходимо провести ряд предварительных экспериментов непосредственно на изделии. По результатам статистической обработки данных экспериментов выбирают намагничивающий ток и режим настройки блока автоматики.
Электромагнитные свойства сталей определяются содержанием углерода, видом и режимом термической обработки,
570
Глава 11. ВИХРЕТОКОВЫЕ ПРИБОРЫ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ
значениями внутренних напряжений, характером механической обработки и другими факторами. Удельная электрическая проводимость и магнитная проницаемость стали тем меньше, чем выше содержание углерода в ней и чем больше углерода при закалке перешло в твердый раствор.
Для контроля объектов из ферромагнитных марок сталей чаще всего используются структуроскопы с проходными преобразователями.
Структуроскопы комплектуются набором проходных преобразователей для контроля стальных деталей в широком диапазоне их диаметров от единиц до сотен миллиметров. Измерительные схемы современных моделей таких приборов строятся на основе встроенных однокристальных микропроцессоров, позволяющих реализовывать разнообразные довольно сложные алгоритмы цифровой обработки сигналов (быстрое преобразование Фурье, разделение сигналов на классы с применением методик распознавания образов и др.).
На рис. 11.37 представлена структурная схема такого структуроскопа, в который входят: генератор 7, проходной преобразователь 2, компенсатор 3, сумматор 4, усилитель 5, АЦП б, программируемый контроллер на основе однокристального микропроцессора 7, блок автоматической разбраковки 8 и цифровой дисплей 9.
Такие структуроскопы предназначены для контроля физико-механических характеристик стальных деталей с разме-
рами (условный диаметр поперечного сечения) от 2 до 200 мм. Частота тока возбуждения преобразователя от 10 до 300 Гц, амплитуда тока от 0,5 до 2 А. В качестве индикатора используется цифровой дисплей. Применяется диалоговый режим управления и калибровки прибора. Частота и величина тока выбираются оператором при калибровке структуроскопа с помощью настроечных образцов для каждой конкретной практической задачи контроля. Используется метод высших гармоник. Выделение первой, третьей и пятой гармоник проводится программно путем разложения в ряд Фурье измеряемой кривой информативного сигнала. Границы разбраковки («годный», «брак+», «брак-») формируются на основе анализа сигналов от настроечных образцов изделий с различными значениями контролируемого параметра, например твердости, предела прочности, содержания углерода, температуры закалки и т.д. Границы разбраковки могут представляться также в виде двумерных областей экрана дисплея, автоматическая оценка формы и расположения которых позволяет относить изделие к тому или иному классу. На рис. 11.38 показаны три области при сортировке изделий на три группы качества. Задача оператора состоит в том, чтобы выбрать такой режим контроля (частоту и ток возбуждения ВТП, например), при котором зоны объектов с различными контролируемыми свойствами не перекрываются.
Рис. 11.37. Структурная схема структуроскопа с встроенным микропроцессором
ИЗМЕРИТЕЛИ УДЕЛЬНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОВОДИМОСТИ МЕТАЛЛА
571
Рис. 11.38. Экран дисплея при сортировке объекта по трем группам качества
Структуроскопия изделий из неферромагнитных электропроводящих материалов основана на измерении удельной электрической проводимости.
Удельная электрическая проводимость металлических материалов определяется температурой, давлением, относительной концентрацией исходных элементов, внутренними механическими напряжениями и другими факторами. Поэтому с помощью измерителей удельной электрической проводимости удается решать такие задачи производственного контроля, как соответствие изделия запланированной марке сплава, наличие «мягких пятен», оценка качества термообработки, твердости, предела прочности и т.д.
Удельную электрическую проводимость различных неферромагнитных металлов и сплавов измеряют специальными приборами.
11.5. ИЗМЕРИТЕЛИ УДЕЛЬНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ
ПРОВОДИМОСТИ МЕТАЛЛА
В измерителях удельной электрической проводимости обычно применяются накладные ВТП.
Они относятся к двухпараметровым приборам, в которых подавляется влияние изменений зазора. Кроме того, существует ряд других мешающих факторов, влияние которых необходимо учитывать: кривизна и шероховатость поверхности, влияние края и толщины ОК.
Режим работы ВТП обычно соответствует обобщенному параметру р = 5 ... 10, т.е. несколько больше значения, обеспечивающего максимальную чувствительность ВТП к изменению о. Благодаря этому глубина проникновения вихревых токов в ОК невелика, что позволяет измерять удельную электрическую проводимость материала объектов малой толщины без дополнительной погрешности, связанной с возможными изменениями толщины ОК. Приборы обеспечивают измерение в диапазоне 0,5 ... 69 МСм/м, что полностью перекрывает диапазон значений неферромагнитных металлов и сплавов, используемых в машиностроении. Погрешность измерения удельной электрической проводимости согласно ГОСТ 27333-87 «Контроль неразрушающий. Измерение удельной электрической проводимости цветных металлов вихретоковым методом» не должна превышать 3 % в диапазоне 0,5... 60 МСм/м и 2 % в диапазоне
572
Глава 11. ВИХРЕТОКОВЫЕ ПРИБОРЫ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ
Рис. 11.39. Структурная схема прибора с фазовым способом обработки сигналов
3 ... 37 МСм/м. Измерения должны проводиться на плоской площадке ОК, с которой удалены лакокрасочные, плакирующие и другие покрытия, загрязнения и на которой отсутствуют видимые поверхностные дефекты. Обеспечение единства измерений, градуировка, аттестация и поверка вихретоковых измерителей осуществляется с помощью стандартных образцов удельной электрической проводимости. Всесоюзным институтом легких сплавов (ВИЛС) разработаны и выпускаются стандартные образцы удельной электрической проводимости с погрешностью аттестации: 0,5 ... 1,0 % - для диапазона 14 ... 36 МСм/м, 1 % - для диапазона 3 ... 15 МСм/м и 1,5 % - для диапазона 0,55 ... 2,15 МСм/м. Образцы для первых двух диапазонов представляют собой диски диаметром 20 мм, толщиной 2 мм и пластины размером 30 х 30 х 15 мм для последнего диапазона. Образцы предназначены для работы с накладными ВТП.
В приборах для измерения удельной электрической проводимости чаще всего используется фазовый способ обработки информативных сигналов. Структурная схема такого прибора представленная на рис. 11.39, включает в себя генератор /, накладной ВТП 2, компенсатор 3, фазовращатель 4, усилитель 5, формирователь прямоугольных импульсов 6, фазовый детектор 7, измеритель приращений фазы 8, линеаризатор 9 и цифровой индикатор 10.
Для исключения влияния на конечные результаты изменений амплитуды сигнала применяется узел формирования прямоугольных импульсов. На фазовом
детекторе выделяются приращения фазы информативного сигнала. Это приращение определяется измерителем приращения фазы 8. После линеаризации в блоке 9 сигнал поступает на индикатор 10.
Для исключения влияния основных мешающих факторов (краевого эффекта для ОК, имеющих недостаточную величину площадки; толщины для тонких ОК; толщины плакирующего слоя; кривизны поверхности) на погрешность измерений согласно ГОСТ 27333-87 рекомендуется вводить поправки. Размеры накладных ВТП определяют зону контроля и минимально допустимую толщину ОК.
Перед измерениями вихретоковый прибор настраивают по двум стандартным образцам, имеющим удельную электрическую проводимость, близкую к верхней и нижней границам диапазона измерений.
Структуроскопы и измерители удельной электрической проводимости металлов также выпускаются большим количеством фирм (см. приложение).
11.6. ВИХРЕТОКОВЫЕ УНИВЕРСАЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ
Такие приборы решают задачи дефектоскопии, толщинометрии и структу-роскопии в широком диапазоне как размеров и форм изделий, так и марок сталей и сплавов. Для этого они выполняются с широкими возможностями измерительных каналов, набором ВТП различных конструкций. Автоматизация режимов выбора основных параметров, режимов калибровки и способов обработки и предоставления
ВИХРЕТОКОВЫЕ УНИВЕРСАЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ
573
информативных сигналов достигается цифровой обработкой на основе применения встроенных микропроцессоров.
На жидкокристаллическом цифровом дисплее прибора может быть представлен вектор информативного сигнала на комплексной плоскости. Предусмотрены различные виды обработки сигнала ВТП. Имеются выходы для регистрации действительной X(t) и мнимой Y(t) составляющих сигнала, связь с внешним компьютером и вывод данных на принтер.
В приборах этого типа, по существу, используется амплитудно-фазовый метод обработки сигнала, но при компьютерной обработке сигнала приборы получают дополнительные возможности.
В качестве информативных признаков можно применять амплитуду либо фазу сигнала и соответственно амплитудно-фазовый или фазовый способ выделения информации. Сортировка может осуществляться оператором по изображению на экране либо автоматически.
Рис. 11.40 иллюстрирует процесс сортировки объектов из ферро- и неферромагнитных сплавов на частоте 60 кГц. Сигнал для объекта из феррита соответствует верхнему (вертикальному) годографу, а для других объектов по часовой стрелке: из инструментальной стали 7, коррозионно-стойкой стали 2, свинца 3 и алюминиевого сплава 4, Годографы получены в режиме индикации двумерного представления при поднесении накладного ВТП к поверхности ОК и удалении от нее (при изменении зазора h от бесконечности до минимума и снова до бесконечности). Прибор можно использовать: для дефектоскопии и общей оценки качества изделий; контроля стенок отверстий под болтовые соединения; определения тепловых повреждений деталей, возникших в результате трения или воздействия пламени, например, на фюзеляже самолета; измерения толщины непроводящих покрытий на электропроводящем основании; оценки качества термообработки; дефектоскопии труб теплообменников; контроля толщины
Рис. 11.40. Годографы сигнала при сортировке материалов по удельной электрической проводимости
листов. Все эти задачи решаются в результате оценки формы, размеров и положения сигнала. Эту работу сравнительно легко может выполнять оператор при условии, что режим контроля с учетом всех мешающих факторов предварительно тщательно исследован в лабораторных условиях. При этом необходимо определить возможные положения сигналов с учетом всех факторов и среди них выявить диапазон изменений формы под влиянием контролируемого параметра, а затем можно установить границы сортировки.
Универсальные приборы позволяют решать большинство задач вихретокового контроля. Часто приборы выполняются двухканальными, обеспечивая двухчастотное возбуждение преобразователя в диапазоне 1 кГц ... 1 МГц, причем выбор частоты по каждому каналу не зависит от частоты другого канала. Компенсировать начальное напряжение ВТП можно и одновременно в двух каналах, и независимо. Каждый канал может работать с любым типом ВТП как при абсолютном, так и при дифференциальном включении. Раздельная регулировка горизонтального и верти
574 Глава 11. ВИХРЕТОКОВЫЕ ПРИБОРЫ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ
кального усилений позволяет получить на экране дисплея формы сигналов в виде, наиболее удобном для анализа. Выпускаются также четырехканальные универсальные приборы. Возможности таких приборов существенно расширяются, так как на четырех частотах учитывается в 2 раза большее число влияющих на контроль параметров объекта.
Универсальные приборы комплектуются большим набором ВТП различной формы и конфигурации, статических и динамических, накладных и проходных, позволяющих вести контроль объектов из различных материалов, цилиндрической, плоской и сложной форм. В приложении приводятся данные по универсальным приборам различных модификаций.
Глава 12
МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ВИХРЕТОКОВЫХ СРЕДСТВ КОНТРОЛЯ
12.1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ
Вихретоковые, как и все другие средства неразрушающего контроля (СНК), относятся к косвенным средствам измерения.
Они должны с гарантированной достоверностью информировать о качественных или количественных характеристиках контролируемых объектов. Мерой этой достоверности в зависимости от вида контроля может быть либо погрешность, либо пороговое условие разделения контролируемых параметров, либо и то, и другое одновременно.
Метрологические параметры СНК имеют важнейшее значение для обеспечения высокого качества контролируемой продукции при минимальных производственных потерях. Они непосредственно влияют на экономические показатели предприятия. В случаях, когда метрологические показатели прибора не нормированы, возникает опасность выпуска некондиционной продукции. Если метрологические параметры прибора затрублены, то таким прибором нельзя контролировать изделия ответственного назначения. Необоснованное завышение метрологических параметров приводит к перебраковке и уменьшению выхода годной продукции.
Под метрологическим обеспечением СНК понимают совокупность методов, оценок и критериев, необходимых для нормирования и контроля метрологических параметров и характеристик изделий СНК. В число мероприятий по метрологическому обеспечению входят:
- разработка ряда метрологических показателей СНК;
- установление и обоснование норм на метрологические параметры базовых приборов;
- разработка методик поверки изделий СНК на соответствие указанным нормам;
- разработка стандартных образцов (СО) и образцовых мер для поверки СНК;
- разработка методики аттестации СО и образцовых мер;
- разработка и выпуск руководящих технических материалов по аттестации и поверке СНК.
Погрешностью измерений называют отклонение результатов измерений от истинного значения измеряемой величины. При оценке погрешностей истинное значение величины заменяют действительным значением, найденным экспериментальным путем и весьма близким к истинному.
Под разрешающей способностью прибора для контроля структуры или физико-механических свойств материалов понимают его способность уверенно различать два соседних значения контролируемого параметра при сближении этих значений. Разрешающую способность дефектоскопа оценивают по наименьшему расстоянию между двумя соседними искусственными дефектами в образце, при котором прибором регистрируются оба дефекта.
Основные метрологические параметры приборов, в том числе и вихретоковых, нормируются либо стандартами (например, ГОСТ 26737-85 «Толщиномеры покрытий. Магнитные и вихретоковые. Общие технические требования»; ГОСТ 8.502-84. «Толщиномеры покрытий. Методы и средства поверки»), либо ТУ и паспортом.
Качество измерений, отражающее близость их результатов к истинному значению измеряемой величины (точность), оценивают по отклонениям результатов
576 Глава 12. МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ВИХРЕТОКОВЫХ СРЕДСТВ КОНТРОЛЯ
измерений от истинных значений и называют погрешностями измерений. На практике за абсолютную погрешность измерения принимают
А — (12.1)
где - измеренное значение величины; б/д - действительное значение измеряемой величины.
При этом за действительное значение измеряемой величины принимают измеренное значение, но с погрешностью пренебрежимо малой в сравнении с определяемой для решения поставленной задачи. Погрешность измерения - сложная величина. В общем случае выделяют следующие группы составляющих погрешности измерения.
Методические погрешности возникают из-за несовершенства метода измерения, допущений, принятых при обосновании метода, ограниченной точности формул, используемых для описания явлений, которые положены в основу вычисления результатов измерений и т.п.
Воздействие средства измерения на измеряемую величину.
Инструментальные погрешности.
Погрешности отсчета и квантования. Первые обусловлены субъективными особенностями оператора, вторые -дискретностью представления результата измерений.
Погрешности обработки данных измерений {наблюдений).
В зависимости от поставленной задачи измерения и выбора классификационного признака структура погрешности измерения может быть следующей:
А “ Дел + АСИСТ, (12.2)
где Дед - случайная составляющая; Дсист -систематическая составляющая.
Такое разделение погрешности связано с тем, что при измерении существенной является случайная составляющая. Она используется и совместно с другими классификационными признаками.
К систематическим относят составляющие, которые закономерно изменяются (в том числе могут оставаться постоянными) при повторных измерениях одной и той же величины
Дсист АМ.С + Аис + Дс.К» (12.3) где Дмс - методическая составляющая; Дис - инструментальная составляющая; Ас к - составляющая погрешности измерения, обусловленная отсчетом (или квантованием) измеряемой величины.
К случайным относят составляющие, о появлении которых (в частности, при повторных измерениях) можно говорить только с какой-либо вероятностью.
Этот подход используется при аттестации методик измерения, выборе средств измерения, особенно тогда, когда существенна методическая составляющая погрешности измерения.
При проведении измерений важно определить влияние различных известных факторов на точность измерения. Обычно погрешность средства измерения представляют как сумму основной и дополнительной погрешностей. При этом дополнительная погрешность рассматривается как составляющая погрешности средства измерения, возникающая при отклонении условий эксплуатации средств измерений от нормальных.
12.2. МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДЕФЕКТОСКОПОВ
Вихретоковые дефектоскопы относятся к СНК, работающим при выявлении реальных дефектов в режиме порогового условия разделения контролируемого параметра (размер дефекта), т.е. в режиме «выхода за допуск». По этой причине дефектоскопы относятся к классу индикаторных, а не измерительных приборов. Однако в последние годы в вопросе метрологии вихретоковых дефектоскопов наметились новые подходы, заключающиеся в следующем.
МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДЕФЕКТОСКОПОВ
577
Калибровка дефектоскопа проводится, как известно, по стандартным образцам с искусственными дефектами, размеры которых нормируются различными стандартами (например, ASTM, API (США), DIN (Германия), ГОСТ (РФ) и др.). Поэтому при разработке метрологического обеспечения дефектоскопов следует исходить из двух положений: процесс измерения сигнала от искусственного дефекта с заданными размерами относится к измерительной операции и в этом смысле дефектоскоп следует считать измерительным прибором; процесс идентификации естественных дефектов по сигналам дефектоскопа из-за большого разнообразия форм, размеров и зоны расположения естественных дефектов к измерительному процессу в вихретоковой дефектоскопии не относится. Этот процесс производится на основе обработки статистических данных по выявлению реальных дефектов в условиях конкретных производственных процессов. Для этого формируются каталоги сигналов (их амплитуд, фаз, зон расположения на комплексной плоскости), на основе которых строятся алгоритмы ин-дентификации дефектов и оценки их размеров. Исходя из этого и с учетом необходимости обеспечения единства измерений вихретоковый дефектоскоп должен нормироваться погрешностью измерения сигнала от искусственного дефекта, а с точки зрения выявляемое™ естественных дефектов рассматриваться как индикационное техническое средство, работающее в режиме «выхода за допуск». Этот допуск на измеряемый сигнал устанавливается на основе различных подходов: по каталогам сигналов от опасных реальных дефектов конкретного объекта; в соответствии с условием, что все дефекты, сигналы от которых превышают сигнал от искусственного дефекта заданных размеров, относятся к числу опасных. На последнем подходе базируется контроль труб и проката по стандартам ASTM, API, DIN, ISO. Ужесточают контроль уменьшением размеров искусственного дефекта.
Форма, способ нанесения и размеры искусственных дефектов, по которым калибруются дефектоскопы, определяются стандартами в зависимости от назначения ОК.
В авиационной и космической промышленности, атомной и тепловой энергетике, нефтяной и газовой промышленности, судостроении, металлургии, трубопроводном и железнодорожном транспорте действуют самостоятельные стандарты на контроль деталей и узлов оборудования конкретной отрасли. Существуют такие стандарты на виды продукции; например, трубы различного назначения, прутки и проволоку, зубчатые зацепления, несущие стальные канаты, трубки парогенераторов и т.д.
Стандартами ASTM, API, DIN, ГОСТами при контроле труб вихретоковыми дефектоскопами с проходными преобразователями в качестве искусственного дефекта принято сквозное отверстие, диаметр которого зависит от диаметра контролируемых труб. Размеры таких отверстий приводились в гл. 11 (см. табл. 11.1). При контроле прутков в качестве искусственных дефектов применяются глухие сверления. Их диаметры в подавляющем большинстве случаев совпадают с данными табл. 11.1, а глубина выбирается из ряда, приводимого в гл. 11.
При использовании накладных преобразователей в качестве искусственного дефекта применяются продольная риска заданных размеров (глубина, ширина, длина). В табл. 12.1 приводятся размеры искусственной риски, нормируемые рядом стандартов при контроле труб.
Длина риски определяется соглашением между производителем и потребителем труб. Риска наносится электроискровым способом, реже фрезерованием.
Сигналы от искусственных дефектов измеряются по определенной методике. Результаты измерений заносятся в нормативную документацию на дефектоскоп (ТУ, паспорт) и служат основанием для обеспечения единства измерений дефектоскопами конкретного типа.
19 - 8193
578 Глава 12. МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ВИХРЕТОКОВЫХ СРЕДСТВ КОНТРОЛЯ
12.1. Размеры продольной риски, используемой в качестве искусственного дефекта при контроле труб
Уровень жесткости контроля Толщина стенки трубы, мм Глубина наружной риски в процентах от толщины стенки Ширина риски, мм
2 5...20 5, но не менее 0,3 мм 0,1 ... 0,3, но не более раз-мера глубины риски
3 10
4 12,5
В число основных параметров в нормативную документацию вносятся две метрологические характеристики:
- порог чувствительности (диаметр сквозного отверстия для разных диаметров контролируемых труб) в соответствии с табл. 11.1. Нормы порога чувствительности выбирает изготовитель труб по согласованию с потребителем;
- предел допускаемой абсолютной погрешности измерения сигнала от искусственного дефекта, определяемый как
Дд = ±(0,1х + (7ДОП), (12.4)
где х - измеряемое значение амплитуды сигнала от искусственного дефекта;
^/цоп ~ Дс.И + (12.5)
Дс и - погрешность (в милливольтах) средства измерения, с помощью которого измеряется амплитуда сигнала от искусственного дефекта; UKy - величина младшего разряда (в милливольтах) устройства дискретного изменения коэффициента усиления дефектоскопа.
Калибровку дефектоскопа выполняют с помощью стандартных образцов предприятия, число которых определяется диапазоном диаметров и марок сталей контролируемых изделий (труб или прутков).
Образцы поверяются в соответствии с методикой поверки.
Выпускаются образцы двух типов:
- для предварительной настройки дефектоскопа;
- для настройки в динамическом режиме и проверки параметров дефектоскопа перед контролем производственных партий изделий.
Образцы первого типа изготавливаются согласно паспорту предприятия -изготовителя дефектоскопа. Образцы второго типа изготавливаются из производственных партий труб того сортамента, который контролируется предприятием -пользователем дефектоскопа.
Количество образцов определяется диапазоном диаметров труб или прутков и марок сталей. Если диапазон не очень значителен, образцы желательно изготавливать для каждого диаметра и толщины стенки труб, для каждой марки стали. Если диапазон значителен, допускается изготовление образцов для группы изделий, формируя группы по диаметру, толщине стенки и марке стали. По диаметру труб группа формируется на основе диаметра измерительного модуля дефектоскопа (определяется диаметром ВТП).
Диаметр образца выбирается как среднее значение диаметров труб, контролируемых данным модулем. Например, измерительный модуль 66 допускает контроль труб с диаметрами от 58 до 62 мм. В этом случае диаметр образца равен 60 мм.
В зависимости от толщины стенки труб толщина стенки образца выбирается как среднее значение из следующих групп: 0,5 ... 1 мм; 1... 2 мм; 2 ... 3 мм; 3 ... 4 мм; 4 ... 5 мм; 5 ... 6 мм; 6 ... 7 мм; 7 ... 8 мм; 8...9 мм; 9... 10 мм ит.д.
В зависимости от марок сталей образцы выбираются из следующих групп материалов: углеродистые, слаболегированные, легированные, коррозионно-стой
МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДЕФЕКТОСКОПОВ
579
кие стали, титановые сплавы, цветные металлы.
Длина образцов выбирается, исходя из длины выпускаемых труб. Допускается длина образца меньшей величины для удобства хранения и эксплуатации. Минимальная длина образца определяется расстоянием между транспортными роликами рольганга.
Трубы для изготовления стандартных образцов отбираются из производственных партий путем внешнего осмотра и предварительного пропускания через дефектоскоп, настроенный согласно паспорту. Образцы не должны содержать окалины, грязи, забоин, раковин и других дефектов поверхности. С помощью дефектоскопа оценивают средний уровень сигнала по длине трубы (по экрану дисплея). Для образцов выбирают трубы, средний сигнал при контроле которых составляет более 0,2 ... 0,4 % уровня порога отбраковки, а также без локальных участков, сигналы от которых превышают средний уровень больше чем на 30 %.
На трубах, отобранных в качестве образцов стандартных предприятия, на расстоянии 0,2 м от переднего конца выполняется условный дефект в виде сквозного отверстия, диаметр которого должен соответствовать порогу чувствительности дефектоскопа согласно паспорту (см. табл. 11.1).
Изготовленному образцу присваивается шифр, например, ОСП-ВД-40П-СТЗ-1-98, который расшифровывается следующим образом: ОСП - образец стандартный предприятия; ВД-40П - шифр дефектоскопа; СТЗ - шифр предприятия, в данном случае Синарский трубный завод; 1 - номер образца; 98 - год выпуска.
Размеры образца и диаметр условного дефекта измеряются согласно методическим указаниям по методике поверки образцов стандартных.
На изготовленные данным предприятием образцы выпускается паспорт.
Предел допускаемой абсолютной погрешности измерения сигнала от искусст
венного дефекта устанавливается проведением не менее пяти измерений. Значение предела допускаемой абсолютной погрешности в милливольтах определяется по формуле
Дд =[дс|+4 (12.6)
где t = 2,0 при доверительной вероятности 0,87; Дс = хср - хн; хн - нормируемое значение сигнала от искусственного дефекта;
1 5
Xj - измеряемое значение амплитуды сигнала; хн = 1500 мВ; о - среднее квадратическое отклонение случайной составляющей погрешности:
Г" 0,22^-х.р)2. (12.8)
/=1
Идентификация естественных дефектов по сигналам дефектоскопа относится, как указывалось выше, к сложным процессам, требующим для их реализации большой базы экспериментальных данных, полученных на реальных объектах с учетом формы, размеров, зоны расположения дефектов, структурного состояния металла, состояния поверхности контролируемой детали и многих других факторов. Чем больше влияющих на контроль факторов приходится учитывать, тем большими информационными возможностями должен обладать дефектоскоп (действует принцип решения многопараметровых задач, см. разд. 8.6), заключающейся в том, что число измеряемых параметров информационных сигналов должно быть не меньше числа искомых переменных. В дефектоскопии наиболее информативными являются двух- и четырехчастотные приборы. Информационные образы дефектов с учетом помех формируются на нескольких частотах в виде комплексных плоскостей напряжений. Конец вектора этих напряжений в виде точки на экране дисплея описывает сложные замкнутые
19’
580 Глава 12. МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ВИХРЕТОКОВЫХ СРЕДСТВ КОНТРОЛЯ
траектории при движении ВТП относительно объекта контроля. Отображаются два параметра сигнала (составляющие X и Y) в зависимости от времени (или от связанных с ним пространственных координат ВТП относительно ОК). Базу данных заполняют на первом этапе образами искусственных дефектов различной формы и размеров, а затем дополняют образами естественных дефектов. Чем представительнее база данных, тем точнее идентификация естественных дефектов. Для иллюстрации методики приведем данные по форме сигналов от различных искусственных дефектов в трубках парогенераторов. Сигналы получены с помощью вихретокового дефектоскопа с внутренними ВТП.
Имеется восемь типов искусственных дефектов, в том числе цилиндрические и конические глухие отверстия разной глу
бины, сквозные отверстия, кольцевые проточки, поперечные и продольные пазы разного сечения. Сигналы ВТП при дифференциальном и абсолютном включении, полученные при его движении внутри трубы вдоль ее оси, регистрировались самописцами в комплексной плоскости АТ, а также в координатах X(t) и У(/), т.е. в режиме временной развертки.
На рис. 12.1 приведены примеры сигналов от дефектов различных типов в трубе из аустенитной стали диаметром 16 мм с толщиной стенки 1,5 мм, полученные с помощью внутренних проходных ВТП на частоте 100 кГц при дифференциальном включении ВТП. Имея достаточно обширный каталог сигналов от дефектов, можно идентифицировать дефект и приближенно оценить его параметры.
Рис. 12.1. Сигналы дефектоскопа, работающего в режиме К¥, от искусственных дефектов в трубах парогенераторов:
а - от кольцевой проточки глубиной 20 % толщины стенки;
б - от глухого отверстия глубиной 90 % толщины стенки;
в - от сквозного отверстия; г - от продольного паза глубиной 65 % толщины стенки
МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДЕФЕКТОСКОПОВ
581
Рис. 12.2. Сигналы и помехи при дефектоскопии труб парогенераторов
На рис. 12.2 в качестве примера показаны: сигнал от дефекта в виде сквозного отверстия диаметром 2 мм в трубе (а), помехи от прижимной плиты, закрепляющей трубу в парогенераторе (б), и сигнал от того же дефекта на фоне помехи (в). Из рисунка следует, что дефект можно определить и при наличии помехи. Описанная методика широко применяется в авиационно-космической отрасли для контроля деталей и узлов вихретоковыми дефектоскопами с накладными ВТП. В последние годы благодаря современным возможностями компьютерных и информационных технологий существенно расширилась область применения вихретоковой дефектоскопии и значительно повысилась достоверность контроля. Оказалось, что не обязательно каждому предприятию быть держателем и тем более формирователем базы данных электронных образцов дефектов. Такие базы создаются и накапливаются в нескольких специализированных известных фирмах, которые имеют через Интернет электронную связь с любым заинтересованным промышленным предприятием в любой стране мира. Такое предприятие после приобретения соответствующего вихретокового дефектоскопа с набором ВТП различной конструкции и различных размеров и современным электронным измерительным блоком должно обследовать конкретную конструкцию объекта, записать в память образы полученных сигналов и передать по электронной почте эти данные специализированной фирме. После анализа результаты идентификации дефектов передаются заказчику через достаточно короткое время.
Учитывая трудности изготовления большого числа стандартных образцов, изменение их характеристик во времени (старение), необходимость учета и хранения этих образцов, целесообразно минимизировать их число, используя настройку режима работы и поверку дефектоскопов с помощью имитаторов сигналов. Способы имитации сигналов от дефектов различны. Условно их можно разделить на физические и электрические.
Физические способы основаны на применении физической модели объекта, воздействие которой на ВТП эквивалентно воздействию дефекта. Например, для настройки и поверки порога чувствительности дефектоскопа тонкой проволоки в проходной ВТП вводят конец проволоки, диаметр которой значительно меньше диаметра проволоки, подлежащей дефектоскопии. Приближение конца проволоки к измерительной обмотке ВТП вызывает появление импульса огибающей, параметры которого определяются главным образом диаметром проволоки. Очевидно, что изготовить искусственные дефекты на проволоке из вольфрама, например, диаметром 50 ... 100 мкм весьма затруднительно.
Электрические способы базируются на создании электрических сигналов, параметры которых близки параметрам сигналов от дефектоскопов. При этом необходимо стремиться к тому, чтобы имитационные сигналы проходили как можно большую часть тракта дефектоскопа, включая и ВТП. Для этого целесообразно создавать эти сигналы на выходе генератора, возбуждающего ВТП. Например,
582 Глава 12. МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ВИХРЕТОКОВЫХ СРЕДСТВ КОНТРОЛЯ
можно модулировать ток возбуждения ВТП, создавая импульсы огибающей в измерительных обмотках. Очевидно, что в случае дифференциальных ВТП необходимо предварительно разбалансировать измерительные обмотки.
Электрические способы имитации удобны в реализации, хорошо воспроизводимы и контролируются измерительной аппаратурой. Однако они не позволяют проследить за взаимодействием ВТП с ОК. Поэтому их целесообразно применять для проверки работоспособности прибора и его настройки в сочетании со стандартными образцами, содержащими искусственные дефекты.
12.3. МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТОЛЩИНОМЕРОВ
И ИЗМЕРИТЕЛЕЙ УДЕЛЬНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОВОДИМОСТИ
Приборы этого типа относятся к чис-лу измерительных, поэтому их метрологическое обеспечение нормируется соответствующими стандартами. Для калибровки и поверки приборов выпускается ряд стандартных образцов и мер толщины. Параметры мер толщины покрытий нормируются ГОСТом 25177-82 «Меры толщины покрытий образцовые. Основные параметры и размер. Общие технические требования». Набор мер толщины выпускается ВНИИМСом (Институт метрологии и стандартизации, Москва).
Для калибровки измерителей удельной электрической проводимости ВИЛС (Институт легких сплавов, Москва) выпускает следующие наборы стандартных образцов:
Тип набора Диапазон значений удельной электрической проводимости, МСм/м
ГОСТ 1395-78 14...37
ГОСТ 3434-86 3... 15
ГОСТ 3447-86 0,5... 2
В толщиномерах и измерителях удельной электрической проводимости (УЭП) нормируется предел допускаемой основной погрешности (мкм) Ад = (кх + /), где х - измеряемое значение толщины или УЭП; к = 0,03 - для толщиномеров, к = = 0,02 - для измерителей УЭП; / = 1 мкм -для толщиномеров.
Поверку толщиномеров выполняют по ГОСТ 8.502-84. «Толщиномеры покрытий. Методы и средства поверки».
Поверку измерителей УЭП проводят согласно методике поверки МП-ВЭ-24П-82, утвержденной Госстандартом.
12.4. МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СТРУКТУРОСКОПОВ
Сложность метрологического обеспечения структуроскопов обусловливается как широким диапазоном решаемых задач (от выявления изделий из незапланированной марки стали или сплава до оценки твердости или прогнозирования предела прочности), так и сложностью изготовления стандартных образцов с нормируемыми физико-механическими характеристиками. Поэтому для структуроскопов чаще всего применяется следующий подход. Прибор проектируется и изготавливается как измерительное средство с широкими функциональными возможностями. Для этого, как правило, в современных струк-туроскопах предусматриваются: 1) набор преобразователей: проходных, накладных либо тех и других; это позволяет охватить широкий диапазон размеров и марок материалов контролируемых деталей (от единиц миллиметров условного диаметра до нескольких их сотен); 2) широкие возможности измерительных блоков: их диапазон часто составляет от единиц герц до десятков мегагерц; изменение величины тока питания обмотки возбуждения - от единиц миллиампер до нескольких ампер; набор алгоритмов обработки сигналов - от амплитудно-фазового, метода высших
МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СТРУКТУРОСКОПОВ
583
гармоник до методов обработки изображений и распознавания образцов с применением встроенных микропроцессоров, дисплеев, компьютеров более высокого уровня. Структуроскоп строится как обучаемое автоматизированное измерительное средство широкого использования. Применение такого средства для решения конкретных практических задач требует: изготовления настроечных образцов с набором значений измеряемой характеристики изделия, выбора оптимальных значений параметров измерительного блока, установления границ сортировки. При этом на предприятии структуроскоп может использоваться как для решения одной задачи (контроль в автоматическом
режиме массовой продукции, например труб), так и в качестве универсального средства. В последнем случае для прибора требуется ряд комплектов настроечных образцов по числу решаемых задач. Методика изготовления настроечных образцов определяется особенностями решаемой задачи, но чаще всего строится она на изготовлении пары настроечный образец -образец-свидетель. На образце-свидетеле прямыми методами измеряется значение контролируемого параметра (твердости, предела прочности, глубины обезуглероженного слоя, содержания углерода и т.д.), а идентичность этих значений в настроечном образце обеспечивается идентичностью технологии их изготовления.
ПРИЛОЖЕНИЯ
Приложение 1
П1. ОСНОВНЫЕ УРАВНЕНИЯ, ОПИСЫВАЮЩИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ ВИХРЕТОКОВОМ КОНТРОЛЕ
Уравнения Максвелла, описывающие электромагнитное поле в заданном пространстве, имеют вид:
rot// = JnonH, (П1.1)
rot£ = -5B/5z, (П1.2)
где Н и Е - векторы напряженности маг-нитного и электрического полей соответственно; В - вектор магнитной индукции; Лолн - вектор плотности полного тока, равный сумме векторов плотности токов проводимости Jnp, смещения JCM, переноса Лер и сторонних JCTOp; t - время.
В проводящей среде токи смещения малы по сравнению с другими составляющими полного тока, поэтому Jnojm= Лр + + Лер + Лторэ ГДе Лр ~ &Е, Лер ~ х Д]? о - удельная электрическая проводимость; К - вектор скорости переноса.
В неподвижной относительно электромагнитного поля среде Лер = 0, поскольку К= 0. Учитывая, что В = ца/7, где Ца = ЦоМг - абсолютная магнитная проницаемость, а Цо - магнитная постоянная, можно преобразовать (П1.1):
rot£ = -ц,дН/д(9 (П1.3)
где цг = дВ / дН - дифференциальная магнитная проницаемость.
Для V = 0 выражения (П1.1) и (П1.3) можно свести в одно уравнение
д ы
У2Я-СТИг-^- = -гоЬ/сгор. (П1.4)
Уравнение (П1.4) для контролируемой среды, в которой отсутствуют сторонние токи, переходит в
У2Я-оцг^- = 0. (П1.5)
В случае контроля изотропных ферромагнитных объектов цг = тогда (П1.5) - нелинейное параболическое уравнение. В линейной изотропной среде цг = = ца выражение (П1.5) приобретает вид уравнения Фурье
Я//
У2Я-оИа — 0. (П1.6)
ot
Если Н изменяется во времени по синусоидальному закону с круговой частотой со (монохроматическое поле), то (П1.6) переходит в уравнение Гельмогольца
У2Я + *2Я = 0, (П1.7)
где A2 = -jtopaa.
Уравнение Максвелла можно свести к уравнению векторного потенциала Л, определяемого выражением
B = rot4. (П1.8)
Для неподвижной линейной изотропной среды уравнение векторного потенциала имеет вид
V2J_gaO—= -HaJ (П1.9)
Ot
а при монохроматическом возбуждении
у2л+*2л = -ца7сгор. (пью)
В движущейся линейной изотропной среде при монохроматическом возбуждении
V2 А + к2 А + цао[к х го1л]=
МаЛтор*
(П1.11)
Если ОК выполнен из полупроводящего материала, необходимо в (П1.1) учитывать токи смещения при условии о~соеа, где еа=808 - абсолютная диэлектрическая проницаемость, 80 - диэлектрическая постоянная. В этом случае при И = 0 и монохроматическом возбуж
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
585
дении поля в линейной изотропной среде уравнения Максвелла приобретают вид:
rotH = (о + jcoea )£ +
rot£ = -j©ga77. (П1.12)
Уравнения (П1.12) могут быть сведены к
72Л+^Л = -Иа7сгор (П1.13) ИЛИ
У2Я + Л2Я = -гойстор, (П1.14)
где к2 =ца(ю28а - joe).
При о>соеа къ=к и (П1.13) переходит в (П1.10), а (П1.14) - в (П1.7) с правой частью в виде -rot/CTop.
В монохроматическом поле векторный потенциал А связан с напряженностью электрического поля Ё соотношением
Ё = -j®A. (П1.15)
Мгновенное значение ЭДС измерительной обмотки преобразователя с числом витков может быть выражено формулой
5Ф «(0’-*,^. (П1.16)
ot
где Ф - магнитный поток, сцепленный с этой катушкой.
Для линейной среды и осесимметричного монохроматического поля комплексная ЭДС катушки равна:
Э = -усо™иФ; (П1.17)
3 = (П1.18)
где Z - длина контура измерительной обмотки, коаксиальной с возбуждающей.
Граничные условия для тангенциальных составляющих Н и нормальных составляющих В на границе раздела сред 1 и 2 имеют вид:
£п = £2/; (П1.19)
(П1.20)
В1Л = В2„. (П1.21)
Из (П1.19) и (П1.15), а также из (Ш .20) и (Ш. 18) следует:
Л1Г = Л2/; (П1.22)
—(гоЫ)], = — (rot4)2/. (П1.23)
Ml М2
Для расчетов обычно используют относительную ЭДС: Э* = Э / Эо, где Эо -модуль начальной ЭДС, соответствующий отсутствию объекта в зоне контроля. Относительное напряжение U*=UIUq связано с Эф относительным магнитным потоком Фф = Ф / Фо и относительным векторным потенциалом Л = А/А$ соотношением
^Ф=-Эф=7Фф=7Ч. (П1.24)
Комплексное сопротивление параметрического ВТП определяется соотношением
г = Ш/в=-Э//в, (П1.25)
где /в - ток возбуждения.
Нормирование проводится по индуктивному сопротивлению ВТП
7ф=7/(о£о=С/ф. (П1.26)
Чувствительность S' преобразователя к параметру р можно определить по формуле
£ = ^- = ^-, (П1.27)
фф фф
где /?ф = plpQ; pQ- номинальное значение параметра р.
Заметим, что S - комплексная величина, определяющая модуль и аргумент изменения выходной величины ВТП.
586
ПРИЛОЖЕНИЯ
Приложение 2
П2. ВЫВОД ОСНОВНЫХ УРАВНЕНИЙ ВНОСИМЫХ
НАПРЯЖЕНИЙ И ЭДС ПРОХОДНЫХ ВТП с
ФЕРРОМАГНИТНЫМ ПРОВОДЯЩИМ ОБЪЕКТОМ ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ФОРМЫ
П2.1. Проходные ВТП с однородным полем
Однородность поля обеспечивается выполнением обмотки возбуждения в виде длинного соленоида, у которого длина больше диаметра в 4-5 раз.
Для определения оптимальных условий контроля кругового цилиндра радиуса R с помощью преобразователя с Ьозбуж-дающей обмоткой в виде длинного соленоида радиуса RB необходимо найти зависимость ЭДС измерительной обмотки от параметров контролируемого цилиндра. С этой целью находят распределение напряженности магнитного поля Н и вычисляют поток Ф внутри контролируемого объекта или векторный потенциал А в месте расположения витков измерительной обмотки и по (П1.17) или (П1.18) определяют ЭДС преобразователя. Если контролируемый цилиндр характеризуется постоянными е и ц, а возбуждающее в нем вихревые токи электромагнитное поле изменяется по синусоидальному закону, то в соответствии с (П1.13) и (П1.14) внутри цилиндра магнитное поле описывается уравнениями:
V2/i + ^2j = 0; (П2.1)
У2Я + Л2Я = 0. (П2.2)
^Д^ + Л2Я = 0 dr1 г dr
(П2.4)
при условии
7 = 4=7, А = А^ H = HZ = Н.
В пространстве между соленоидом и ОК (при R < г < RB) Н = Яо, так как поле ослабляется вследствие действия вихревых токов только внутри цилиндра, а вне обмотки возбуждения (при г > RB) Н = 0.
Решение (П2.3) и (П2.4) получают, используя граничные условия для Н и А на поверхности контролируемого цилиндра (П1.20) и (П1.22):
Я = Я0
Л(^)
(П2.5)
(П2.6)
где 70 и Ц - модифицированные цилиндрические функции первого рода соответственно нулевого и первого порядков.
Плотность вихревых токов в цилиндре определяется уравнением
j = а£ = а И о - 7|- . (П2.7)
kI0(kR)
Электродвижущая сила измерительной обмотки, расположенной внутри обмотки возбуждения, имеющей витков и радиус 7?и, определяется из (П1.18).
Э = -j2raoM^ 7?и А. (П2.8)
Значения А при г = 7?и зависят от Но в соответствии с (П1.8):
Считая цилиндр бесконечно длинным (на практике значительно длиннее соленоида), получаем, что уравнения (П2.1), (П2.2) в цилиндрических координатах г, у и z приобретают вид:
гоЦ, = ц0Н0, (П2.9)
поскольку R<R„< RB.
В цилиндрических (П2.9) имеет вид
d2A 1 dA
---Х- +---+ dr2 г dr
к2
—у |Л = 0;
(П2.3)
74и + dr г
-Цо4-
координатах
(П2.10)
ПРИЛОЖЕНИЕ 2
587
Подставляя решение уравнения (П2.10) в (П2.8), получаем
При n = 1 Э. = -урэф.
Из (П2.15) видно, что ц - ком-
—эф
Э = -Лц0С0»и/70
/С, — к ч----------
kl^kR) J
плексная величина, а
И эф ^эф-1-
(П2.11)
При отсутствии цилиндра внутри проходного преобразователя ЭДС измерительной обмотки, называемая начальной ЭДС, равна
Поскольку на практике применяется обычно компенсация начального напряжения UQ, то представляет интерес вели-
t/Ф • 7
Э0 = ~wx •
at
(П2.12)
В практике электромагнитного контроля наибольший интерес представляет относительная величина напряжения измерительной обмотки
£Д=-ЭФ =
F'1
L
-Т] + ПР
I^kR)
(П2.13)
где т| = (R / Rh)2 - коэффициент заполнения, равный отношению площади поперечного сечения цилиндра к площади, охватываемой контуром измерительной обмотки.
Заметим, что при размещении измерительной обмотки вне обмотки возбуждения 7?и > RB, т| = (R„ / RB)2, поскольку вне соленоида Н = 0. Таким образом,
чина относительного вносимого напряжения преобразователя
(7в„.=-^^=/п(НЕэф-1)- <П216)
Если в проходном преобразователе с однородным синусоидальным магнитным полем находится труба (из проводящего материала), то вносимое напряжение измерительной обмотки определяется также формулой (П2.16), только выражение для Рэф в этом случае имеет более сложный вид:
ц . =
-эф20
Fu(x2X,x22)+^-FOi(x2l,x22)
2 ZVr2
~22 ^101 (*21 ’*22 ) + ~ Л)0 (—21 ’*22 )
(/?/Яи)2 при Яи <ЯВ;
(/?/Лв)2 при RB <R„.
(П2.14)
Для немагнитного цилиндра степень уменьшения магнитного потока за счет вихревых токов принято называть эффективной магнитной проницаемостью ци-
линдра цэф,
которая в соответствии с
(П2.13) выражается в виде
= 2А(х)
-эф1 х10(х)’
(П2.15)
(П2.23) где
Fh(x2i,^22) =
= (х21)/] (х22 ) - 1\ (*21 Vm (*22 )’
^*01 (*21’*22 ) =
= *0 (*21 V1 (—22 ) + Л) (*21 )^Ч (—22 )’ ^1о(*21’^22) =
= (х21 Vo(*22) + А (—21 )^о(*22^’
Л)о(*21 ’*22 ) ~
= ^о(*21 Vo(*22) “ ^0(*21)^0(*22)’
*21 =^2^1’ —22 = —2^2’
=7--/“СТ2Нг2Но;
где x = kR.
а2 и цг2 - удельная электрическая проводимость и относительная магнитная про-
588
ПРИЛОЖЕНИЯ
ницаемость стенки трубы; R} - внутренний радиус трубы; R2 - внешний радиус трубы.
Выражение для эффективной магнитной проницаемости, определяющей напряжение наружного проходного преобразователя при контроле двухслойных неферромагнитных цилиндров, имеет вид
2
Ц . =----х
-3*1 2 *22
F11 С*21 22 ) +72 / Л)1 (^21 ’—22 )
х_____________*1 _________________
г ( ч . ^2 А (—1 1 ) 17 / ч
Fio(*21 ,*22) + / 7 z ;F00(—21 ’—22)
А)(*ц)
(П2.24) где R\ - радиус внутреннего цилиндра; R2 - внешний радиус слоя; х21
*22 =*2Л2; *2 =V->(0^0Pr2CT2; *11 = k\R\,
= V-^oPrl^i; CTbklrb CT2-^r2 - удель-ная электрическая проводимость и относительная магнитная проницаемость соответственно материала внутреннего цилиндра и верхнего слоя.
П2.2. Проходные ВТП с неоднородным полем
Для ВТП такого типа характерным является небольшое отношение длины возбуждающей обмотки к ее диаметру (//£)< 1). В этом случае электромагнитное поле ВТП неоднородно (зависит от координат г и z).
Для теоретического анализа проходных преобразователей с неоднородным полем рассматривают задачу о распределении электромагнитного поля витка радиуса R3 с гармоническим током / частоты со, охватывающего контролируемый объект.
Приведем основные результаты решения задачи о контроле однородного кругового цилиндра радиуса R с удельной электрической проводимостью о и постоянной магнитной проницаемостью ца
Используем уравнение (П1.10), которое в цилиндрических координатах имеет вид
1д( ЭлЙ д2А (,2 —— г— +—=-+ к г drdr ) dz2 V
(П2.25)
Векторный потенциал А здесь по-прежнему имеет только одну угловую составляющую, а плотность сторонних токов JCT задается дельта-функцией
JCT=/S(r-/?B)5(z). (П2.26)
Уравнение (П2.26) решается с помощью интегрального преобразования Фурье1.
С учетом граничных условий (П1.22) и (П1.23) получим выражение для векторного потенциала А вне контролируемого цилиндра (R < г < оо), приняв Х7?в = х :
^0 + ^вн
= Л) —— f/;BH(x)A:1(x)/C1(xr.)cosxz.4Zv, 71 о
(П2.27)
где jo(r,z) - векторный потенциал катушки без контролируемого объекта,
pCj (x)I} (xr*)cosxz*dx, о
4,=^ п
RB > г > 0;
ОО
J/j (хГф) cos xr*dx,
о
оо > z > 0;
1 Прямое преобразование -
00
Я'(гД) = |y4(r,z)cosXzdfe; обратное -о
2 °°г •
A(r, z) = — \А (г, X) cos Xzdk . по
ПРИЛОЖЕНИЕ 2
589
Авн - векторный потенциал поля вихревых токов;
г ( л_ /1(^)-хР1/р(х^)
Ж ttu С >
Kx(xR.)-xPxK0(xR.)
р М|Ш 1 g/o(g^) ’
г» =г/R3; R* =R/R3; z* -zlR3\ q = -Jx2 +уЛв<оцгц0а.
На практике иногда рассматривают преобразователь с тонкой возбуждающей обмоткой длиной /. Векторный потенциал поля вихревых витков wB, можно определить по формуле
Лн=-^х вн
°fr- z \ir z 4Izz 4sin0,5x/. ,
X r BH (X)^4 (xr.)-------cosxz.tZr,
J X
0
(П2.28)
где /♦ = / / RB.
Полученные соотношения дают возможность рассчитывать ЭДС трансформаторных преобразователей с возбуждающей и измерительной обмотками, расположенными на расстоянии z друг от друга, а также изменение полного сопротивления Z параметрических преобразователей. Переход от Лвн к ЭВНФ осуществляется в соответствии с (П2.8).
Сравнивая проходные преобразователи, использующие однородное и неоднородное возбуждающие поля, необходимо отметить, что основные зависимости, характеризующие эти преобразователи, подобны. Одна из особенностей преобразователей с неоднородным полем состоит в том, что амплитуда и фаза ЭДС измерительной обмотки преобразователя зависят не только от параметров ОК, но и от расстояния z между возбуждающей и измерительной катушками и от длины катушек.
590
ПРИЛОЖЕНИЯ
Приложение 3
ПЗ. ВЫВОД ОСНОВНЫХ УРАВНЕНИЙ ВНОСИМЫХ НАПРЯЖЕНИЙ И ЭДС НАКЛАДНЫХ ВТП НАД ФЕРРОМАГНИТНЫМ
ПРОВОДЯЩИМ ОБЪЕКТОМ ПЛОСКОЙ ФОРМЫ
Рассмотрим методику получения решения для накладного преобразователя на примере витка с гармоническим током I частотой со, расположенного на высоте Лв над листом толщиной Т (рис. П3.1) с постоянной удельной электрической проводимостью о и магнитной проницаемостью ца. Среду считаем линейной. Электромагнитное поле в системе, показанной на рис. П3.1, описывается формулой (П2.15), а /ст = /8(г - 7?в )S(z - йв ). Используя интегральное преобразование Фурье-Бесселя1, приведем уравнение (П 1.10) к виду
где Л*(гД) - преобразованный векторный потенциал;
/’ст = q2 * = Х2-к2.
О
Граничные условия для преобразо
ванных векторных потенциалов Л/, Л2*,
Л3* записываются в виде
Л1 -А2;
= 1 d/g dz ц dz 9 z = 0;
(П3.2)
Л] -Л3; _гал£_йл£. >z = -т,
ц dz dz 9
d2 А*
(П3.1) dz
Рис. П3.1. Виток с переменным током над проводящим листом
где Л/, Л2*, Л3* - значения преобразованных векторных потенциалов в среде, где расположен источник поля, листе и под листом. С учетом ограниченности значений векторных потенциалов при z -> ±оо можно записать
A' = ^/?bJ1(X/?b)L’Z|z-Ab| +ф е"Х(г+Ав)1 1 v —1 л
^2 -
= RBJx(KRB)[/ еч * *- + <р е'4-2]е-^+А»);
УЛ *
1 Формула прямого преобразования -
00
Л*(гД) = jA(r9z)rJl(kr)dr, обратного-
о
A(r, z) = °pT(z, X) V, (kr)dk.
О
a; = ^-RBJ}(kRB)f e~4:-h‘\
где фр / , ф2, / - неизвестные функции, определяемые из граничных условий. Определяя Ф!» /2 > Ф2, /3 из системы (П3.2) и проводя обратное преобразование, получаем:
ПРИЛОЖЕНИЕ 3
591
л = А + 4ш =^2-рдхадсме-хИ»1</х+-^-P/.w Jj(Xr) e-^+h^dk-, 2 о 2 о
о
11 л“^в
------Jx(kRb)Jx{U)d^, Я
А
= кзеХ(г-Ав) J> №>J' <V)^’
где
(Хц - <?)(Хц + q) е- - (Хц - q)(Хц + q) е Т-Ф> =
A
(ПЗ.З)
(П3.4)
2^(Хц + 9) Т(? 2^(<7-Хц> Т-
д
(П3.5)
= W'T
-з Д
(П3.6)
Д = (Хц + q)2 е1- - (Хц - q)2 е Т-
Рассмотрим накладной трансформаторный преобразователь, состоящий из возбуждающей и измерительной обмоток с числами витков wB и wH соответственно и размерами, показанными на рис. П3.2. Для вносимого напряжения UBH измерительной обмотки можно записать, приняв хя, = х:
~xh*dx, (П3.7)
^вн =J®Ho7l/?HWHWB/x “ ( о \
х ]<P(*,₽Vi Jx(x)e о к )
где (р(х, р) определяется выражением
(П3.4), в котором вместо X необходимо подставить х, вместо Т вводят Т* = Т / /?в;
Рис. П3.2. Накладной преобразователь вблизи объекта контроля
592
ПРИЛОЖЕНИЯ
при этом
+УР2;
Р = Яв h> = ;
лв=ло+/и+с1+°>5/в;
Ли =Ло+О,5/и;
/?в = ^вср
/?и ” ср
WB 24Я2в.ср
2
Ии 24Яи2ср>
(П3.8)
п _ + *в, .
вср 2 ’
р , р
п _ "г /хи/ . ™ _ р р .
^и.ср 2 ’ ^в/ ’
“ *и/.
Начальное напряжение UQ может быть подсчитано по формуле
где wB - число витков преобразователя; йв - расстояние от преобразователя до контролируемой среды.
Зависимость от параметров объектов контроля выражается для трансформаторных и параметрических преобразователей с помощью функции <р1 (Р), структура которой определяется объектом контроля. Основные свойства трансформаторных и параметрических преобразователей в смысле возможностей раздельного контроля параметров объектов подобны, поэтому в дальнейшем анализируются в основном трансформаторные преобразователи.
При анализе чаще рассматривают относительные значения вносимого напряжения Uw измерительной катушки. Нормировку проводят по начальному напряжению Uq или по максимальному вносимому напряжению С/внлтшх, соответствующему
^вн.тах “
• 2ho<owbwh/
и0 - J
к
.-17 к2\
1-—,
= 7®ЦолЛии'ни'в
г ( R
i\JSx)Jx
0 V °в .
e^dx.
(П3.9)
где
1и .
л 2 _____"Г1<и*____. р _ ^1
(1 + Яи#)2+сф2 ’ и* RJ
с. =7“> c = hB~h^
Е, К - полные эллиптические интегралы первого и второго рода с модулем к.
Если рассмотреть параметрический преобразователь, то его полное сопротивление изменяется при поднесении контролируемого изделия на величину
00 -2х—
ZBH = j^onRBwl JФ] (х> PV12 (х)е Rb dx,
о
(П3.11)
Это напряжение может быть рассчитано по формуле (П3.9) при с = hB + Аи
Несобственные интегралы, которые характеризуют вносимое напряжение (П3.7) или вносимое сопротивление (П3.10), через элементарные функции не выражаются. Поэтому для анализа преобразователей используют численные данные, полученные по точным формулам путем расчета на компьютере, или составляют приближенные формулы, например
г г ;34%-10
Ц.н « О --------~л--х
4л
Z п X хл/лвлие D ЧР- = 7Г ;
(П3.12)
ZBH
= /“цои-в£>е £’ф1
(П3.13)
(П3.10)
ПРИЛОЖЕНИЕ 3
593
где у - меньшее из —- и —-; D - боль-шее из 2RB и 2/?и.
Формулы (П3.12), (П3.13) обеспечивают удовлетворительную для инженер
ных расчетов точность (15 ... 25 %) при
0,5 < % < 1,0 и 0,1 < < 0,4, т.е. для
D
наиболее употребительных на практике случаев.
594
ПРИЛОЖЕНИЯ
Приложение 4
П4. СВОДНАЯ ТАБЛИЦА ФОРМУЛ, ОТРАЖАЮЩИХ ВЛИЯНИЕ ОБЪЕКТА КОНТРОЛЯ НА ПАРАМЕТРЫ ПРОХОДНЫХ И НАКЛАДНЫХ ВТП
П4.1. Проходные ВТП
Формулы для определения Рт, Э„ <р(^, лД <р(<7, х)
Формула
Случай контроля
Сплошной (однородный) цилиндр
. 2 Л(*)
-3* х!0(х)
Однородная труба
Двухслойный цилиндр
и-слойный цилиндр
Труба с бесконечно толстой стенкой (тоннель)
2 Л1(*2Р*22) +
^~Foi(x2l;x22)
В эф20
*22 ^1о(^21»^22)+о 21 ^*оо(*21’*22 ) 2Рг2
2 Л1(^21^22) +
Нэф2
М ж
—эфл
*22 Ло (—21 i*22 ) Нэф! Ло (*2Р*22 )
2Мг2
2 Л1 (Ьл-1 ) + ~":"~1Мг("~1) МзфпчЛ)! (Ьл-1 '^пп )
Г' / \ . — Л,Л-1Нг(л-1) г- / Ч
^*10 п,п-1 ’ — пп ) М эфл-1 00 (—л,л-1 ’ — пп )
—пп
2Мт
МгЛ1(*1) •
ПРИЛОЖЕНИЕ 4
595
Продолжение прил. П4
Случай контроля
Однослойная труба
Формула
^2^01(^21^22) 4г^1о(* *21’ *22)
Двухслойная среда
РГ29&2.
^io(*21’ ^22)“* /лЛ)о(*21’ ^22)
Нг2
w-слойная среда
1 (*/и,/и-1 mm ) + £и-Л1 (—т,т-\ ’-mm )
Рг/и
k
^01 (х.т,т-\ ’-mm ) Е.т~]^00^—т,т~\ ’-тт )
Н/7И
Однослойная труба
—21
*21
2Мг
Двухслойная труба
Э2, —
Эн;
*32 ^10 (*32 ’*33 ) + Вэф20 Г°° ^-32 ’ -33 )
Трехслойная труба
*43
Э
Т^оС^З’ *44) + 2ц г3 НзфЗО^00^43’ -44)
596
ПРИЛОЖЕНИЯ
Продолжение прил. П4
Случай контроля
Формула
Г)
10 (—/и+1,/и т+1,т+1) +
/и-слойная труба
—т+\,т№гт — ,
О — Э(Ь/л 'w+L'w /и+1,/и+1
2Mrm+l
— А у0 (Хя,) - /0 )/, (хя,)
ф(^1) = -------------—Г----------------,
К' (XR} )I0(qR}) + )КМ )
Я ~
где <7 = д/х2 -А2
^А(^2)/0(ХЯ2)-/0(^Я2)А(ХЯ2)+ ф(?Я]) = ----------------------------
К. (ХЯ2 )/0(?Я2) + А (?Я2)Я0(ХЯ2 ) +
Ч -
^\\x\\\\\\\\\wv к
Я0(^2)/(^2) + —Я1(?Я2)/0(ХЯ2) L “ 1 ~
+^н K0(qR2 )Я0(ХЯ2 ) + ЬЛ К} (qR1 )^0(ХЯ2 ) 9
А> («/Я, )/| (ХУ?!) - /0 О/Я, )/0 (Х7?!)
_ - <7
где ^Н=-------------------------ТТ--------------------
Ко (ХУ?!)/, К} (qR} )/0 (X/?!)
~ Я ~
к0 (ХЯ, )Я| (<7Я,) - К} (ХЯ! )Я0 (9Я,) Я ~
Ф(^я,) = - --------------------------------
/0 (ХЯ, )Я, (дЯ!) + А (ХЯ! )К0 (qR}) Я ~
ПРИЛОЖЕНИЕ 4
597
Продолжение прил. П4
Случай контроля
Формула
/0 (qRy )К} (ХЯ,) +—/, )К0 (ХЯ,) -
Ч ~
^qRx) = —-----------------=-----------------
10 (ХЯ,)/, ) -1} (7Я, )/0 (ХЯ,) +
Ч “
VZZZZZZZZZZZZZEZZZ
Ко (qR\ )КХ (ХЯ, ) - к. (qR\ )К0 (ХЯ, )
Ч ~
R0 (4Rx Уо (ХЯ, ) + К} )/0 (ХЯ,)
Ч ~
где q2 = А2 + X2;
/0 (<?Я2 )Kj (ХЯ2 )+ьЛ 7] (^я2 )Я0 (ХЯ2 ) ~g
Kt (ХЯ2 )К0 (9Я2 ) - я, (qR2 )К0 (ХЯ2 )
~ Ч ~
П4.2. Накладные ВТП
Случай контроля
Формула
Ф(<7,Х) =
g-нА
<7 + ц,Х
t (цг2Х2-<Л (1-е2Т**)
=--------7=--------2 _2Т.„ >
(HrX+2)2-(HA-g)2e -где Т. =Т/ЯВ
Т»9
<P(gA)=--------=1----
(MVi +g,) (Мгг?! +Нн72)« ' "
-T^q
-(МгЛ+g,) (Цг\Ч2~ЦГ2Ч{)е
" Z1 ч Z ч -Т,<?| ’
-(ЛИн-^) (РГ1Ч2+РГ2Ч})е
где q} =-Jx2 -X2 ; q2 =^Х2 -Л2
598
ПРИЛОЖЕНИЯ
Продолжение прил. П4
Случай контроля
Формула
О
49Хцгехт’
ф(?А) = -------о--^г.-------7
е- (кцг+д)2-е- (кцг-д)2
ф (kR) = R2n+x- ^Я/л_05 (kR) - pJn+ots (kR)
" «(1-Мг)Л+О,5(^)-ЛЛ/л_о,5(^)’
Л - o,5i Л + о,5 - цилиндрические функции Бесселя первого рода полуцелого порядка
Ф (kR) = R2n+l P]£2D + k2R1R1E+ ~n “ pn(p,r-V)F - pkR2D-
+ p2F + kRxpG
-k2R2RxE + kRxn(pr - 1)G ’
где D = Nn+Q 5 (kRx )*/„-o,5 (^2 ) “
“ *^w+0,5 ^iW„-o,5(A^2);
£=^-o,5(^1w„_Oi5(A/?2)-
-4-o,5(^2Wn-o,5^i);
= ~^n+0,5 (4^1 )^n+0,5 (^2 ) “
— ^n+0,5 (Л/?2) ^w+0,5(^l)j
= ^л-0,5 (^1) A+0,5 (4^2 ) “
~ ^n-0,5 ) ^л+0,5 (^2 )’
Nn _ 0,5; Mi + 0,5 - цилиндрические функции второго рода (Неймана) полуцелого порядка
ПРИЛОЖЕНИЕ 5
599
Приложение 5
П5. ОСНОВНЫЕ УРАВНЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМА В СИСТЕМЕ СИ
Содержание уравнения (закона) Формула
Сила взаимодействия между зарядами (закон Кулона) 1 СМэ F = 7-у-, где q - заряд; г - расстояние 4ле0 гг2 между зарядами; е - диэлектрическая проницаемость; е0 - диэлектрическая постоянная
Сила, действующая на заряд в электрическом поле F = qE, где Е - напряженность электрического поля
Связь между смещением и напряженностью электрического поля D = 80е£
Теорема Гаусса (поток смещения сквозь замкнутую поверхность) 4d=DS
Напряженность поля точечного заряда е=— 4ле0 ег2
Напряженность поля в плоском конденсаторе „ 1 о Е = , где о - поверхностная плотность 80 8 заряда
Напряженность поля в цилиндрическом конденсаторе _ 1т Е = , где т - плотность заряда на еди- 2л80 8Г ницу длины конденсатора
Напряженность поля по оси диполя 1 Р Е = y , где Рэ = qd - электрический мо- 2л80 8Г3 мент диполя; d - расстояние между зарядами диполя (+д) и (-д)
Сила взаимодействия двух диполей, расположенных на одной оси Р __ 3 Рэ1 Рз2 2л80 8Г4
Поляризуемость диэлектрика (интенсивность поляризации) Р Р = -$- = XqE , где ~ объем
Связь между диэлектрической проницаемостью и диэлектрической восприимчивостью £ = 1 + Хе
600
ПРИЛОЖЕНИЯ
Продолжение прил. П5
Содержание уравнения (закона) Формула
Связь между напряженностью поля и потенциалом £ = -qradt/
Потенциал поля точечного заряда 4те0 8Г
Потенциал внутри цилиндрического конденсатора [ г ] £/ = £Л-Ег!п — , где U\ - потенциал, R\ -1*1 J радиус внутреннего цилиндра
Связь между емкостью, зарядом и потенциалом q = CU
Емкость уединенного шара С = 4л808/?
Емкость плоского конденсатора 8)5* С = 80 —, где 5 - площадь пластины; d - рас-d стояние между пластинами
Емкость цилиндрического конденсатора 8^7 С = 2те0 , где Яь R2 - радиусы обкла- 1п(7?1 / ) док конденсатора
Емкость двухпроводной линии 8/ С = те0 —’ где 1 ~ Длина линии; R - радиус 1 | d ] In — провода; d - расстояние между проводами
Энергия заряженного проводника w=bU_=cu^_=^ 2 2 2С
Объемная плотность энергии электрического поля 2 2 2е0 £
Определение силы тока проводимости 1 = ^. dt
Закон Ома II so | с:
Мощность тока P=UI
Сила, действующая на элемент тока в магнитном поле (формула Ампера) F = II В, где I - длина проводника; В - индукция
ПРИЛОЖЕНИЕ 5
601
Продолжение прил. П5
Содержание уравнения (закона) Формула
Момент силы, испытываемый контуром с током в магнитном поле М = рмВ, где рм = IS - магнитный момент контура с током
Работа перемещения контура с током в магнитном поле А = /Ду
Связь между индукцией и напряженностью магнитного поля В = ЦоЦг#
Напряженность магнитного поля бесконечно длинного прямолинейного проводника с током Н = —— 2п г
Напряженность магнитного поля в центре кольца, обтекаемого током н=--2г
Напряженность поля на оси длинного соленоида гт In Н = — = InQ, п0 - число витков на единицу длины /
Связь между магнитным потоком и магнитной индукцией Ф = Д$
Связь между магнитной проницаемостью и магнитной восприимчивостью М= 1 +Х
Связь между потокосцеплением, силой тока и индуктивностью контура у = LI
Индуктивность соленоида - \ЬгГ?8 2.z L = ц0 — = ЦоНгло v > где п - число витков; и0 - число витков на единицу длины; V- объем
Индуктивность двухпроводной линии L = ЕоЕ/1п_£ 9 где / _ длина линии; R - радиус п R проводов; а - расстояние между проводами
Электродвижущая сила Э,=-—; 1 dt 2 dt
Вектор Пойнтинга (плотность потока электромагнитной энергии) S = ЕН
Скорость распространения электромагнитных волн у 1 1 JeoMo
602
ПРИЛОЖЕНИЯ
Продолжение прил. П5
Содержание уравнения (закона) Формула
Уравнения Максвелла:
- закон Фарадея „ дв rotE = ; dt
- закон полного тока (закон • dD
Ампера) rotH = j+—; dt
- уравнение Пуассона (теорема Гаусса) divZ) = p;
- непрерывность силовых линий магнитной индукции (теорема Гаусса) divB = 0
Магнитная Цо и диэлектрическая е0 постоянные ц0 = 4n -10’7 Гн/м; Eo = 8,85 • IO’12 Ф/м
ПРИЛОЖЕНИЕ 6
603
Приложение 6
П6. МАГНИТНЫЕ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЕДИНИЦЫ В СИСТЕМЕ ЕДИНИЦ СИ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В ВИХРЕТОКОВОМ КОНТРОЛЕ
Наименование величины Единица измерения
Наименование Обозначение Определение Размерность
Количество электричества (электрический заряд) q Кулон Кл Количество электричества через поперечное сечение проводника при силе тока в 1 ампер в течение 1 секунды А • с
Электрическое смещение (индукция) D Кулон на квадратный метр Кл / м2 Электрическое смещение, при котором поток электрического смещения через поперечное сечение в 1 м2 равен 1 кулону Кл / м2
Электрическое напряжение (разность потенциалов) и Вольт в Вольт равен электрическому напряжению на участке электрической цепи, при котором проходит ток силой 1 ампер и затрачивается мощность 1 ватт Вт/А
Напряженность электрического поля Е Вольт на метр В / м Вольт на метр равен напряженности однородного электрического поля, при которой между точками на расстоянии 1 м создается разность потенциалов в 1 вольт В/м
Электрическая емкость С Фарада Ф Фарада равна электрической емкости конденсатора, при которой электрический заряд в 1 кулон создает электрическое напряжение 1 вольт Кл/В
604
ПРИЛОЖЕНИЯ
Продолжение прил. П6
Наименование величины Единица измерения
Наименование Обозначение Определение Размерность
Абсолютная диэлектрическая проницаемость еа Фарада на метр Ф / м Фарада на метр равна абсолютной диэлектрической проницаемости среды, в которой напряженность электрического поля в 1 вольт на метр создает электрическое смещение 1 кулон на 1 м2 Ф/м
Относительная диэлектрическая проницаемость 8 Безразмерная величина 8а = 880, где 80 -электрическая постоянная; 8 - относительная диэлектрическая проницаемость Безразмерная величина
Электрическое сопротивление R Ом Ом Ом равен электрическому сопротивлению такого проводника, между концами которого при силе тока в 1 ампер возникает падение напряжения в 1 вольт В/А
Удельное электрическое сопротивление р Ом-метр Ом • м Ом-метр равен удельному электрическому сопротивлению, при котором участок выполненной из такого же вещества электрической цепи площадью поперечного сечения 1 м2 и длиной 1 м имеет электрическое сопротивление 1 ом Ом • м
ПРИЛОЖЕНИЕ 6
605
Продолжение прил. П6
Наименование величины Единица измерения
Наименование Обозначение Определение Размерность
Электрическая проводимость G Сименс См Сименс равен электрической проводимости проводника сопротивлением 1 Ом Ом1
Удельная электрическая проводимость о Сименс на метр См / м Сименс на метр равен удельной электрической проводимости проводника с удельным сопротивлением 1 Ом • м (Ом • м)"1
Магнитный поток Ф Вебер Вб Вебер равен магнитному потоку, при убывании которого до нуля в сцепленной с ним электрической цепи сопротивлением в 1 Ом через поперечное сечение проводника проходит количество электричества 1 кулон Кл • Ом
Магнитная индукция В Тесла Тл Тесла равна магнитной индукции, при которой магнитный поток через поперечное сечение площадью 1 м2 равен 1 веберу Вб/м2
Магнитодвижущая сила F Ампер А Ампер равен магнитодвижущей силе, возникающей вдоль замкнутого контура из п витков, сцепленного с электрической цепью, в которой течет ток силой 1 ампер: F = In, где / -ток; п - число витков А
606
ПРИЛОЖЕНИЯ
Продолжение прил. П6
Наименование величины Единица измерения
Наименование Обозначение Определение Размерность
Напряженность магнитного поля Н Ампер на метр А / м Ампер на метр равен напряженности магнитного поля в центре длинного соленоида с равномерно распределенной обмоткой, по которой проходит ток силой 1 А / п, где п - число витков на каждый метр длины соленоида А/м
Индуктивность (взаимная индуктивность) L Генри Гн Генри равен индуктивности электрической цепи, с которой при силе тока в ней 1 ампер сцепляется магнитный поток в 1 вебер Вб/А
Абсолютная магнитная проницаемость ца Генри на метр Гн/м Генри на метр равен абсолютной магнитной проницаемости среды, в которой напряженность магнитного поля 1 ампер на метр создает магнитную индукцию 1 тесла Гн/м
Относительная магнитная проницаемость цг Безразмерная величина ца = ЦоЦг, где цо = = 4л-10-7 — - маг-м нитная постоянная Безразмерная величина
Уровень усиления, звукового давления и т.д.: лога- Бел Б 1 Б = lg(P2 / Р\) или \Б = 2\^А2/АХ\9 Б
рифмическая величина Децибел дБ дБ = 10 lg(P2/РД где Р2, Р\ - одноименные энергетические величины; А2, Ai - одноименные силовые величины: напряжение, сила тока, давление и т.д. дБ
ПРИЛОЖЕНИЕ 6
607
Продолжение прил. П6
Наименование величины Единица измерения
Наименование Обозначение Определение Размерность
Частота периодического процесса f Герц Гц Частота, при которой за время в 1 секунду происходит один цикл периодического процесса Гц
Угловая скорость со Радиан в секунду Рад/с Угловая скорость равномерно вра- щающегося тела, при которой за 1 секунду совершается поворот тела относительно оси вращения на угол 1 радиан Рад/с
608
ПРИЛОЖЕНИЯ
Приложение 7
П7. ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВИХРЕТОКОВОГО КОНТРОЛЯ
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ
1. Вихретоковый неразрушающий контроль (eddy current поп-destructive testing) - неразрушающий контроль, основанный на анализе взаимодействия внешнего электромагнитного поля с электромагнитным полем вихревых токов, наводимых в ОК этим полем.
Примечание. ГОСТ 16504-81.
2. Вихретоковый преобразователь, или преобразователь (eddy current probe) -устройство, состоящее из одной или нескольких индуктивных обмоток, предназначенных для возбуждения в ОК вихревых токов и преобразования зависящего от параметров объекта электромагнитного поля в сигнал преобразователя.
3. Начальная ЭДС вихретокового преобразователя, или начальная ЭДС (initial electromotive force eddy current probe) - ЭДС на выходах разомкнутой измерительной обмотки вихретокового преобразователя при отсутствии ОК.
Примечание. Ндп. (недопустимо) ЭДС холостого хода.
4. Вносимая ЭДС вихретокового преобразователя, или вносимая ЭДС (added electromotive force of eddy current probe) - приращение ЭДС на выводах разомкнутой измерительной обмотки вихретокового преобразователя, обусловленное внесением в его электромагнитное поле ОК.
5. Относительная вносимая ЭДС вихретокового преобразователя (added relative electromotive force of eddy current probe) - отношение ЭДС вихретокового преобразователя к его начальной ЭДС.
6. Вносимое напряжение вихретокового преобразователя, или вносимое напряжение (added voltage of eddy current probe) - приращение напряжения на выходах измерительной обмотки ВТП, обу
словленное внесением в его электромагнитное поле ОК.
7. Вносимое сопротивление вихретокового преобразователя, или вносимое сопротивление (added resistance of eddy current probe) - приращение сопротивления обмотки ВТП, обусловленное внесением в его электромагнитное поле ОК.
Примечание. В зависимости от вида вносимого сопротивления допускается различать активное, реактивное или комплексное вносимое сопротивление ВТП.
8. Комплексная плоскость вихретокового преобразователя (complex plane of eddy current probe) - плоскость с двумя ортогональными координатными осями, по одной из которых откладываются действительные составляющие ЭДС, напряжения или комплексного преобразователя, а по другой - мнимые.
9. Годограф вихретокового преобразователя (hodograph diagram of eddy current probe) - геометрическое место концов вектора ЭДС или напряжений на комплексной плоскости преобразователя, полученное в результате изменения частоты, удельной электрической проводимости, относительной магнитной проницаемости, размеров ОК, размеров преобразователя, других влияющих факторов или образованных из них обобщенных переменных величин.
10. Диаграмма комплексного сопротивления вихретокового преобразователя (impedance diagram of eddy current probe) - комплексная плоскость, точки которой изображают числовые значения комплексного сопротивления ВТП, полученные в результате измерения частоты, удельной электрической проводимости, относительной магнитной проницаемости, размеров ОК, размеров преобразователя или образованных из них обобщенных переменных.
11. Сигнал вихретокового преобразователя (eddy current probe signal) - сигнал (ЭДС, напряжение или сопротивление преобразователя), несущий информацию о
ПРИЛОЖЕНИЕ 7 609
параметрах ОК и обусловленный взаимодействием электромагнитного поля преобразователя с ОК.
12. Глубина проникновения электромагнитного поля вихретокового преобразователя, или глубина проникновения {electromagnetic field penetration depth of eddy current probe) - расстояние от поверхности OK до слоя, в котором плотность вихревых токов в е раз меньше, чем на поверхности.
Примечание, е = 2,7183 - основание натурального логарифма.
13. Обобщенный параметр вихретокового контроля, или обобщенный параметр {generalised parameter of eddy current testing) - безмерная величина, характеризующая свойства ВТП, ОК или условия контроля.
Например: р = , где R -
радиус эквивалентного витка обмотки преобразователя или радиус цилиндрического ОК при использовании однородного поля; со - круговая частота тока возбуждения; ц0 =4л-10“7 Гн/м - магнитная .постоянная; - относительная магнитная проницаемость среды; а - удельная электрическая проводимость среды.
14. Локальность вихретокового контроля {locality of eddy current testing) -площадь поверхности OK, в пределах которой контролируемый параметр интегрируется преобразователем и его среднее значение принимается за значение параметра в зоне измерения.
15. Ток возбуждения вихретокового преобразователя {exciting current of current probe) - ток обмотки возбуждения ВТП.
Примечание. Ндп. Ток питания.
16. Частота тока возбуждения вихретокового преобразователя {exciting current frequency of eddy current probe).
Примечание. Ндп. Рабочая частота.
17. Отношение сигнал/шум вихретокового преобразователя {signal-to-noise ratio of eddy current probe) — отноше
ние пикового значения сигнала преобразователя, вызванного изменением контролируемого параметра, к среднему квадратическому значению амплитуды шумов, обусловленных влиянием мешающих параметров ОК.
18. Контролируемый параметр при вихретоковом контроле {test parameter of eddy current testing) - параметр объекта, подлежащий контролю путем преобразования в сигнал ВТП.
19. Мешающий параметр вихретокового контроля {stray parameter of eddy current testing) - параметр объекта, не подлежащий контролю, изменение которого оказывает влияние на результаты контроля.
20. Чувствительность к контролируемому параметру при вихретоковом контроле {sensitivity to test parameter at eddy current testing) - отношение приращения сигнала ВТП к вызвавшему его малому приращению контролируемого параметра.
21. Отстройка при вихретоковом контроле {suppression at eddy current testing) - подавление влияния на результаты контроля изменения мешающего параметра.
22. Направление отстройки при вихретоковом контроле {suppression direction at eddy current testing) - направление на комплексной плоскости ВТП, нормальное к годографу напряжения, вызванному изменением мешающего параметра.
МЕТОДЫ ВИХРЕТОКОВОГО НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ
23. Амплитудный метод вихретокового неразрушающего контроля, или амплитудный метод {amplitude method of eddy current non-destructive testing) - метод вихретокового неразрушающего контроля, основанный на измерении амплитуды сигнала преобразователя.
24. Фазовый метод вихретокового неразрушающего контроля, или фазовый метод {phase method of eddy current nondestructive) - метод вихретокового неразрушающего контроля, основанный на измерении фазы сигнала преобразователя.
20 - 8193
610
ПРИЛОЖЕНИЯ
25. Амплитудно-фазовый метод вихретокового неразрушающего контроля, или амплитудно-фазовый метод {amplitude-phase method of eddy current поп-destructive testing) - мечоп вихретокового неразрушающего контроля, основанный на измерении проекции вектора напряжения преобразователя на направлении отстройки.
26. Частотный метод вихретокового неразрушающего контроля, или частотный метод (frequency method of eddy current поп-destructive testing) - метод вихретокового неразрушающего контроля, основанный на измерении частоты сигнала параметрического ВТП, включенного в колебательный контур автогенератора.
27. Многочастотный метод вихретокового неразрушающего контроля, или многочастотный метод (multifrequency method of eddy поп-destructive testing) -метод вихретокового неразрушающего контроля, основанный на анализе и (или) синтезе сигналов ВТП, обусловленных взаимодействием электромагнитного поля различной частоты с ОК.
28. Переменно-частотный метод вихретокового неразрушающего контроля, или переменно-частотный метод (variable-frequency method of eddy current поп-destructive testing) - метод вихретокового неразрушающего контроля, основанный на анализе и (или) синтезе амплитуды и частоты сигнала ВТП при постоянном за счет изменения частоты заданном значении обобщенного параметра.
29. Импульсный метод вихретокового неразрушающего контроля, или импульсный метод (pulse method of eddy current поп-destructive testing) - метод вихретокового неразрушающего контроля, основанный на измерении амплитуды и (или) длительности сигнала ВТП импульсной формы, обусловленного взаимодействием нестационарного электромагнитного поля с ОК.
30. Абсолютный метод вихретокового неразрушающего контроля, или абсолютный метод (absolute method of
eddy current поп-destructive testing) - метод вихретокового неразрушающего контроля, основанный на измерении сигнала ВТП, на который воздействует абсолютное значение контролируемого параметра.
31. Модуляционный метод вихретокового неразрушающего контроля, или модуляционный метод (modulation method of eddy current поп-destructive testing) ~ метод вихретокового неразрушающего контроля, основанный на анализе сигнала ВТП, модулируемого в результате изменения в пространстве параметров объекта при относительном перемещении преобразователя и ОК.
32. Дифференциальный метод вихретокового неразрушающего контроля, или дифференциальный метод (differential method of eddy current поп-destructive testing) - метод вихретокового неразрушающего контроля, основанный на измерении сигнала ВТП, обусловленного приращением контролируемого параметра.
33. Спектральный метод вихретокового неразрушающего контроля, или спектральный метод (spectral method of eddy current поп-destructive testing) - метод вихретокового неразрушающего контроля, основанный на измерении спектрального состава сигнала ВТП.
СРЕДСТВА ВИХРЕТОКОВОГО НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ
34. Обмотка возбуждения вихретокового преобразователя, или обмотка возбуждения (drive winding of eddy) - обмотка преобразователя, предназначенная для возбуждения в ОК вихревых токов.
35. Измерительная обмотка вихретокового преобразователя, или измерительная обмотка (measuring winding of eddy current probe) - обмотка преобразователя, предназначенная для преобразования электромагнитного поля вихревых токов в сигнал преобразователя.
36. Компенсационная обмотка вихретокового преобразователя, или компенсационная обмотка (compensating wind
ПРИЛОЖЕНИЕ 7
611
winding of eddy current probe) - обмотка преобразователя, предназначенная для создания дополнительного напряжения, суммируемого с напряжением измерительной обмотки.
37. Зазор вихретокового преобразователя, или зазор {eddy current probe liftoff) - расстояние между торцовой плоскостью ВТП и поверхностью ОК.
38. Конструктивный зазор вихретокового преобразователя, или конструктивный зазор {design lift-off of eddy current probe) - расстояние между торцовой плоскостью ВТП и плоскостью эквивалентного витка обмотки возбуждения.
39. Эквивалентный виток обмотки вихретокового преобразователя, эквивалентный виток обмотки {equivalent turn of eddy current probe winding) - математическая модель обмотки ВТП в виде одного витка с пренебрежимо малым поперечным сечением, контур которого повторяет контур витков обмотки, а диаметр выбирается из условия эквивалентности контуров обмотки и модели по формуле
D3KB=D(\ + r2/D2),
где £>cp = 2^BH ’ &н ~ наРУжный диа“ метр обмотки; £>вн - внутренний диаметр обмотки; £>ср - средний диаметр.
40. Компенсатор сигнала вихретокового преобразователя, или компенсатор {signal compensator of eddy current probe) - устройство, предназначенное для создания регулируемого по амплитуде и фазе напряжения, для его суммирования с напряжением преобразователя.
41. Блок вихретокового преобразователя {protection unit of eddy current probe) - устройство, предназначенное: для защиты преобразователя от механических воздействий и воздействий внешней среды; для фиксации и регулирования положения преобразователя относительно ОК, сканирования преобразователем контролируемой поверхности в случае необходимости; предварительной обработки сиг
нала, а также решения других задач, связанных с обеспечением контроля в заданных условиях.
42. Накладной вихретоковый преобразователь {surface eddy current probe) -ВТП, расположенный вблизи одной из поверхностей ОК.
43. Экранный вихретоковый преобразователь {screening eddy current probe) - ВТП, возбуждающая и измерительная обмотки которого разделены ОК.
44. Проходной вихретоковый преобразователь {encircling eddy current probe) - ВТП, расположенный при контроле либо с внешней стороны объекта, охватывая его, либо с внутренней, когда ОК охватывает преобразователь.
45. Наружный проходной вихретоковый преобразователь {encircling external eddy current probe) - проходной ВТП, расположенный с внешней стороны ОК.
46. Внутренний проходной вихретоковый преобразователь {encircling internal eddy current probe) - проходной ВТП, расположенный с внутренней стороны ОК.
47. Коэффициент заполнения вихретокового проходного преобразователя (fill factor of encircling eddy current probe) -отношение площади поперечного сечения ОК к меньшей из площадей поперечного сечения эквивалентного витка измерительной или возбуждающей обмотки проходного ВТП:
с
П = -^ при 5ИО<5ВО;
*^И.О
с
П = -^ при SB.O<SHO, *\.о
где 5ИО - площадь поперечного сечения эквивалентного витка измерительной обмотки; SB 0 - площадь поперечного сечения эквивалентного витка обмотки возбуждения.
48. Комбинированный вихретоковый преобразователь {composite eddy current probe) - ВТП, содержащий обмотки как накладного, так и проходного типов.
20*
612
ПРИЛОЖЕНИЯ
49. Параметрический вихретоковый преобразователь (parametric eddy current probe) - ВТП, преобразующий контролируемый параметр в активное, реактивное или комплексное сопротивление.
50. Трансформаторный вихретоковый преобразователь (transformerial eddy current probe) - ВТП, содержащий не менее двух индуктивно связанных обмоток (возбуждающую и измерительную) и преобразующий контролируемый параметр в ЭДС измерительной обмотки.
51. Абсолютный вихретоковый преобразователь (absolute eddy current probe) - ВТП, сигнал которого определяется абсолютным значением параметра ОК.
52. Дифференциальный вихретоковый преобразователь (differential eddy current probe) - ВТП, сигнал которого определяется приращением параметра ОК.
53. База дифференциального вихретокового преобразователя (base of differential eddy current probe) - расстояние между плоскостями, в которых расположены эквивалентные витки обмоток параметрического преобразователя или измерительных обмоток трансформаторного преобразователя.
54. Относительная база дифференциального вихретокового преобразователя (relative base of differential eddy current probe) - база дифференциального ВТП, выраженная в долях диаметра измерительной обмотки преобразователя.
55. Одноэлементный вихретоковый преобразователь (single-unit eddy current probe) - устройство, состоящее из одного ВТП, обеспечивающего требуемую чувствительность и локальность контроля.
56. Многоэлементный вихретоковый преобразователь (multiple-unit eddy current probe) - устройство, состоящее из заданного числа однотипных одноэлементных ВТП, работающих на параллельные информационные каналы и размещенных на заданной площади так, чтобы обеспечить большую зону контроля при
сохранении высокой локальности одного преобразователя.
57. Компенсирующее напряжение вихретокового преобразователя (compensating voltage of eddy current probe) -напряжение, суммируемое с напряжением ВТП для его компенсации.
58. Опорное напряжение вихретокового преобразователя (reference voltage of eddy current probe) — синхронное c сигналом ВТП переменное напряжение, подаваемое на один из входов фазочувствительного устройства.
59. Вихретоковый толщиномер (eddy current thickness gauge) - прибор, основанный на методах вихретокового неразрушающего контроля и предназначенный для измерения толщины ОК.
Примечание. ОК могут быть как однослойными, так и многослойными.
60. Вихретоковый структуроскоп (eddy current structuroscope) - прибор, основанный на методах вихретокового неразрушающего контроля и предназначенный для контроля физико-механических свойств объектов, связанных со структурой, химическим составом и внутренними напряжениями их материалов.
61. Вихретоковый дефектоскоп (eddy current flaw detector) - прибор, основанный на методах вихретокового неразрушающего контроля и предназначенный для выявления дефектов ОК типа нарушений сплошности.
62. Порог чувствительности вихретокового дефектоскопа (sensitivity threshold of eddy current flaw detector) - минимальные размеры дефекта заданной формы, при которых отношение сигнал/шум равно двум.
Примечание. В случае, когда определяющим является один размер дефекта, порог чувствительности определяется по этому размеру.
63. Краевой эффект при вихретоковом контроле (end effect at eddy current testing) - изменение сигнала ВТП, обусловленное краевыми участками ОК.
ПРИЛОЖЕНИЕ 7 613
64. Эффект зазора при вихретоковом контроле (lift-off effect at eddy current testing) - изменение сигнала ВТП, обусловленное изменением зазора.
65. Скоростной эффект при вихре
токовом контроле (velocity effect at eddy current testing) - изменение сигнала ВТП, обусловленное вихревыми токами, возникающими в результате движения ОК в магнитном поле ВТП.
614
ПРИЛОЖЕНИЯ
Приложение 8
П8. ВИХРЕТОКОВАЯ АППАРАТУРА ОТЕЧЕСТВЕННЫХ И ЗАРУБЕЖНЫХ
ФИРМ. 2002 - 2003 гг.
Представленный перечень не охватывает всего спектра моделей и модификаций. Такая задача и не ставилась, поскольку полную информацию о выпускаемых приборах можно получить в каталогах фирм-производителей и в Интернете. Цель данного раздела - отразить основные тенденции развития вихретокового контроля путем оценки конструктивных особенностей и технических характеристик моделей приборов передовых фирм-производителей.
П8.1. Портативные и переносные дефектоскопы для работы в цеховых и полевых условиях
Дефектоскопы имеют много общего с точки зрения как измерительных схем, так и конструкций электронных блоков. Используются, как правило, параметрические накладные ВТП, включаемые в контур генератора. Выполняются приборы портативными, массой менее 0,5 кг, или переносными, массой до 3 ... 5 кг. Область их применения: контроль сплошности деталей и узлов в цеховых условиях их производства на машиностроительных заводах или контроль оборудования сложных технических объектов в полевых и цеховых условиях их эксплуатации или при ремонте. Имеется в виду контроль оборудования авиакосмической техники,
трубопроводного и железнодорожного транспорта, морских судов, автомобилей и тепловых электростанций. Будем называть такую область применения типовой.
Рассматривая конструктивные особенности дефектоскопов, следует выделить две модели.
Модель 1 - портативные малогабаритные приборы со встроенным микропроцессором, кнопочным управлением, цифровой, световой и звуковой индикацией, автономным питанием.
Модель 2 - переносные приборы с набором ВТП различной конструкции (параметрических, трансформаторных, абсолютных, дифференциальных карандашного типа и более сложных конструкций), со встроенным микропроцессором, жидкокристаллическим дисплеем и программным управлением режимами калибровки и работы.
Выявляемые дефекты: поверхностные и подповерхностные трещины различной ориентации, в том числе усталостного, термического происхождения, волосовины, раковины, неметаллические включения, различные дефекты сварных швов. Настройку приборов проводят по искусственным дефектам заданных размеров (глубина, длина, ширина раскрытия).
В разделе «Технические характеристики» приведены следующие параметры:
1) размеры минимального выявляемого дефекта (например, 0,3 х 0,3 х 5 мм);
2) частота или диапазон частот тока возбуждения ВТП;
3) масса.
Таблица П8.1
Шифр дефектоскопа Область применения Конструктивные особенности Технические характеристики Фирма-производитель
ВД-89Н Типовая Модель 1 1) 0,2x0,3x5 мм 2) 2 МГц 3) 0,5 кг ЗАО «НИИИН МНПО “Спектр”», Москва, РФ
ПРИЛОЖЕНИЕ 8
615
Продолжение табл. П8.1
Шифр дефектоскопа Область применения Конструктивные особенности Технические характеристики Фирма-производитель
ВД-89НМ Контроль газонефте-проводов на наличие стресс-коррози-онных трещин Модель 2 с многоэлементным ВТП с зоной контроля 100 мм 1) 0,5x0,3x20 мм 2) 5 МГц 3) 3,5 кг ЗАО «НИИИН МНПО “Спектр”», Москва, РФ
ВД-2НФМ Контроль оборудования ж/д транспорта Модель 2 1) 0,5x0,3x10 мм 2) 300 кГц 3) 0,8 кг
ВД-26Н Типовая Модель 1 1) 0,3x0,3x4 мм 2) 2 МГц 3) 0,5 кг Фирма «Ультрасон», Киев, Украина
ВИТ-ЗМ Типовая Модель 1 1) 0,2x0,2x5 мм 2) 4 МГц 3) 0,5 кг Фирма НПО «Ин-тротест», Екатеринбург, РФ
Дефектоскоп S2.830 Типовая Модель 2 1) 0,2x0,3x5 мм 2) 100 Гц... 1 МГц 3) 3,5 кг Фирма Institut dr Fdrster, Германия
Локатор 2 Типовая Модель 1 1) 0,2x0,3x5 мм 2) 100 Гц... 6 МГц 3) 1 кг Фирма Hocking, Англия
МВП-2 Типовая Модель 1 1) 0,2x0,3x5 мм 2) 2 МГц 3) 0,4 кг Фирма НПП «Технотест-М», Москва, РФ
ED-810 Типовая Модель 2 1) 0,3x0,3x5 мм 2) 40 Гц... 6 МГц 3) 11 кг Фирма Centurion NDT, США Представитель в РФ - фирма «Па-натест», Москва
ED-1100 Типовая Модель 2 1) 0,2x0,3x10 мм 2) 100 Гц... 6 МГц 3) 3,4 кг Фирма Centurion NDT, США Представитель в РФ - фирма «Па-натест», Москва
616
ПРИЛОЖЕНИЯ
П8.2. Стационарные вихретоковые дефектоскопы для поточного контроля труб, прутков, проволоки
Типовой областью (в табл. П8.2 «Типовая») применения таких дефектоскопов является контроль продукции трубных, прокатных и проволочных цехов металлургических заводов (черной и цветной металлургии), а также их использование при входном контроле металла на машиностроительных заводах, трубных базах нефтяных и газовых компаний.
В разделе «Конструктивные особенности» выделим две модели.
В модели 1 используются дифференциальные проходные ВТП в виде сменных модулей, устанавливаемых в блоке намагничивания. Способ обработки сигналов амплитудно-фазовый. Для выбора фазы опорного сигнала применяется режим «точки» (на экране дисплея отображаются кривые сложной формы типа восьмерок, формируемые за счет разверток по направлениям X и Y. Управление калибровкой, выбором режимов работы дефектоскопа, измерение сигналов ВТП и принятие решения о сортности изделия - программные, посредством применения встроенного микропроцессора. Настройка приборов проводится по контрольным образцам с искусственными дефектами в виде сквозных (для труб) или глухих сверлений различных размеров (диаметров для сквозных сверлений и глубин для глухих сверлений).
Чувствительность (размеры сверлений в зависимости от диаметра труб или прутка) определяется стандартами DIN, API, ASTM, ГОСТ РФ.
В модели 2 используются накладные вращающиеся дифференциальные ВТП, устанавливаемые в механический блок для их вращения. Частота тока питания ВТП 300 ... 400 кГц. Способ обработки сигналов амплитудно-фазовый. Способы развертки: линейная, развертка X-Y. Управление программное. Настройка по контрольным образцам с искусственными рисками заданных размеров по глубине, ширине, длине.
Дефектоскопы моделей 1 и 2 выявляют дефекты типа трещин, волосовин, плен, раковин, неметаллических включений и другие дефекты глубиной обычно более 0,3 ... 0,5 мм в зависимости от качества поверхности проката. Контролируются изделия из ферромагнитных и коррозионно-стойких сталей, цветных и тугоплавких металлов.
В разделе «Технические характеристики» приведены следующие параметры:
1) диапазон диаметров контролируемых труб и прутков, мм (например, от 10 до 75 мм);
2) скорость контроля, м/с (например, от 0,5 до 3 м/с);
3) масса, кг.
Таблица П8.2
Шифр дефектоскопа Область применения Конструктивные особенности Технические характеристики Фирма-производитель
ВД-41П Типовая Модель 1 1)3...219мм 2) 0,01... 5 м/с 3) 120 ....180 кг в зависимости от диаметра контролируемых труб ЗАО «НИИИН МНПО “Спектр”» Москва, РФ
ПРИЛОЖЕНИЕ 8
617
Продолжение табл. П8.2
Шифр дефектоскопа Область применения Конструктивные особенности Технические характеристики Фирма-производитель
ЭД207 Типовая (контроль труб) Модель 1; комбинированные ВТП 1) 10... 50 мм 2) 1... 5 м/с 3) 70 кг НИИ интроскопии при Томском политехническом институте, Томск, РФ
Defectomat моделей S, С, F с блоками датчиков М40, М90, Ml70 Типовая Модель 1 1)3... 170 мм 2) 0,01 ...5 м/с 3)90...200 кг Фирма Institut dr Forster, Германия
Circograph с механическими блоками Ro25, Rol, Rolli Типовая Модель 2 1)2... 220 мм 2) 0,2... 1 м/с 3)50... 150 кг
Eddychek LAB2 Типовая Модель 1 1) 1... 170 мм 2) 0,001 ...3 м/с 3)90... 180 кг Фирма Pruftech-nik, Германия Представитель в РФ - фирма «Пер-гам», Москва
Eddyscan 3D Типовая Модель 1 1) 2... 220 мм 2) 0,001... 3 м/с 3)50... 150 кг Фирма CMS, Франция Представитель в РФ - ЗАО «Пана-тест», Москва
Elotest PL.E Типовая Модели 1 и 2 1) 2... 150 мм 2) 0,01 ...3 м/с 3) 150 кг Фирма Pohmann, Германия
«Эддо Сорт» Типовая Модель 1 1) 2... 200 мм 2)0,2...2 м/с 3) 120 кг Фирма «Эддо», Япония
«Эддо Poto» Типовая Модель 2 1)20... 160 мм 2) 0,5... 1 м/с 3) 180 кг Фирма «Эддо», Япония
618
ПРИЛОЖЕНИЯ
П8.3. Вихретоковые и магнитные толщиномеры покрытий
П8.3.1. Магнитные толщиномеры рассматриваются только индукционного принципа действия (с использованием переменного электромагнитного поля).
Для упрощения построения таблиц введем несколько разделов, общих для всех приборов.
Область применения.
Магнитные толщиномеры
Типовая (М). Измерение толщины немагнитных покрытий на деталях из ферромагнитных сталей. Примеры покрытий: хром, медь, краска, эмаль, пластик. Применяется на предприятиях автомобильной, судостроительной, химической и других отраслей промышленности.
Вихретоковые приборы
Типовая (В). Измерение толщины непроводящих покрытий на деталях из немагнитных металлов. Примеры покрытий: лаки, краски, пластик, эмаль. Примеры металлов: алюминий, медь, аустенитная
немагнитная сталь и др. Используется на предприятиях авиакосмической, электротехнической, химической, машиностроительной и других отраслей.
Конструктивные особенности.
Модель 1 - портативное исполнение, встроенный микропроцессор, цифровая индикация, кнопочное управление, статистическая обработка результатов, запоминание результатов измерений в памяти процессора. Преобразователь выносной на кабеле.
Модель 2 - переносное исполнение, остальные показатели аналогичны модели 1.
Технические характеристики:
1) диапазон измеряемых толщин, мкм или мм (например, от 10 до 1250 мкм);
2) предел допускаемой основной погрешности (например, 0,03х + 1, где х -измеряемое значение в мкм или мм; 1 -добавляемое значение в мкм или мм);
3) питание: автономное, сетевое или комбинированное;
4) масса, кг.
Таблица П8.3.1
Шифр толщиномера Область применения Конструктивные особенности Технические характеристики Фирма-производитель
ВТ-51НП Типовая (В) Модель 1 1) 10... 1250 мкм 2) (0,03х +1) мкм 3) автономное 4) не более 0,3 кг ЗАО «НИИИН МНПО “Спектр”», Москва, РФ
МТ-51НП Типовая (М) Модель 1 I вариант исполнения: 1) 5... 1250 мкм 2) (0,03х + 1) мкм II вариант исполнения: 1) 0,5 ... 10 мм 2) (0,03’х + 0,01) мм 3) автономное 4) не более 0,3 кг ЗАО «НИИИН МНПО “Спектр”» Москва, РФ
ПРИЛОЖЕНИЕ 8
619
Продолжение табл. П8.3.1
Шифр толщиномера Область применения Конструктивные особенности Технические характеристики Фирма-производитель
«Константа К5»(другие применения прибора, кроме тол-щиномет-рии покрытий, не рассматриваются) Типовая (M); типовая (В) Используется комбинация импульсного индукционного и вихретокового параметрического методов, комплектуется набором преобразователей 1) для ВТП до 12 мм: до 200 мкм; до 300 мкм; до 2000 мкм; до 5000 мкм; нижние пределы измерений не указываются 2) (0,03х + 1) мкм 3) автономное 4) не более 0,3 кг Фирма «Константа», Санкт-Петербург, РФ
Deltascope Типовая (М) Модель 1 1) 5 ... 1200 мкм 2) (0,02.x + 1) мкм 3) комбинированное 4) не более 0,3 кг Фирма Helmut Fischer, Германия
Leptoskop 2051; Leptoskop 2041 Типовая (М) Модель 1 1) 5... 1200 мкм; 5... 3000 мкм; 5... 4750 мкм 2) (0,02х + 1) мкм 3) автономное 4) не более 0,3 кг Фирма Karl Deutsch, Германия
Pocket-Leptoskop 2030 Типовая (М) Модель 2 со встроенным преобразователем 1) 5 ... 1250 мкм 2) (0,02х + 1) мкм 3) автономное 4) не более 0,3 кг Фирма Karl Deutsch, Германия
Elcometer 355 Типовая (М); типовая (В) Модель 1 с набором преобразователей 1) 5... 500 мкм; 5... 800 мкм 5... 1500 мкм 5 мкм ... 5 мм 5 мкм... 13 мм 2) (0,02.x + 1) мкм 3) автономное 4) не более 0,5 кг Фирма Elcometer, Англия
Elcometer 345 Типовая (М); типовая (В) Модель 1 со встроенным преобразователем 1) 5... 1250 мкм 2) (0,02.x + 1) мкм 3) автономное 4) не более 0,2 кг
620
ПРИЛОЖЕНИЯ
Продолжение табл. П8.3.1
Шифр толщиномера Область применения Конструктивные особенности Технические характеристики Фирма-производитель
Микротест FD1250 Типовая (М); типовая (В) Модель 1 1)5... 500 мкм 2) (0,03х + 1) мкм 3) автономное 4) не более 0,2 кг Фирма «Электрофизик», Германия
MEGA-Check FE/FES/FN Типовая (М); типовая (В) Модель 1 со встроенным и выносными преобразователями 1) 5... 5000 мкм 2) (0,03.x + 1) мкм 3) автономное 4) не более 0,2 кг Фирма List-Mag-netik, Голландия Представитель в РФ - фирма Tesis, Москва
CMI-120 CMI-140 Типовая (М); типовая (В) Модель 1 1) 1... 350 мкм 2) 0,01 мкм при толщине покрытия до 254 мкм; 0,1 мкм при толщине покрытия выше 254 мкм 3) автономное 4) не более 0,1 кг Фирма CMI, США Представитель в РФ - фирма «Пер-гам», Москва
ТТ-220 ТТ-230 Типовая (М); типовая (В) Модель 1 со встроенным преобразователем 1)5... 1250 мкм 2) (0,03х + 1) мкм 3) автономное 4) 0,35 кг Фирма Tinu Group, Голландия Представитель в РФ - фирма «Па-натест», Москва
П8.3.2. Вихретоковые толщиномеры неферромагнитных проводящих слоев на неферромагнитной непроводящей и проводящей основах. Первая типовая область применения (типовая 1) - измерение проводящих слоев на непроводящей основе. Примеры материалов слоя: медь, латунь, серебро. Примеры основы: стеклопластик, пластик. Примеры изделий: заготовки для печатных плат.
Вторая типовая область применения (типовая 2) - измерение неферромагнитных проводящих слоев на металлической неферромагнитной основе. Примеры покрытий: медь, цинк, хром, олово, серебро, золото, платина и др. Примеры оснований:
алюминий, титан, латунь, бронза. Примеры изделий: детали из немагнитных металлов, покрытые гальваническими покрытиями.
По конструктивным особенностям, как и в разделе П8.3.1, выделяются: модель 1 - портативное исполнение; модель 2 - переносные приборы. Технические характеристики моделей аналогичны моделям 1 и 2 раздела П8.3:
1) диаметры отверстий контролируемых изделий, мм;
2) диапазон измеряемых толщин, мкм;
3) погрешность измерения, мкм;
4) питание;
5) масса, кг.
ПРИЛОЖЕНИЕ 8
621
Таблица П8.3.2
Шифр толщиномера Область применения Конструктивные особенности Технические характеристики Фирма-производитель
«Интромет» серии ИТМ Измерение толщины медного слоя в отверстиях печатных плат Модели 1 и 2 (используются миниатюрные линейные ВТП) 1) 0,6 ... 2 мм 2) 5 ... 50 мкм 3) 2 мкм 4) комбинированное 5) 0,8 кг Фирма «Интрон плюс», Москва, РФ
«Константа К5» Типовая 1 и 2 Модель 1 2)2... 100 мкм 3) (0,03х + 1) мкм 4) автономное 5) не более 0,3 кг Фирма «Константа», Санкт-Петербург, РФ
Fischer-scop multi 750 Типовая 1 и 2 Модель 2 2)2... 150 мкм 3) (0,03х +1) мкм 4) сетевое 5) не более 3,5 кг Фирма Helmut Fischer, Германия
Dermitron D9E Типовая 1 и 2 Модель 2 2) 5... 5000 мкм 3) (0,03х + 1) мкм 4) комбинированное 5) не более 4 кг Фирма UPA Technology, США
П8.4. Вихретоковые структуроскопы немагнитных металлов и измерители их удельной электрической проводимости, структуроскопы ферромагнитных сталей
К задачам структуроскопии изделий из немагнитных проводящих металлов относится контроль физико-механических характеристик деталей и узлов из алюминиевых, титановых, медных и других металлов и сплавов путем измерения их электрической проводимости.
Физико-механическими характеристиками являются такие параметры, как: твердость, состояние структуры, химический состав, предел прочности, предел текучести и др.
Область применения: авиационно-космическая, электротехническая, прибо-
ростроительная промышленность, атомная и тепловая энергетика и другие отрасли.
Измерители удельной электрической проводимости относятся к классу измерительных средств, в которых показания градуируются в единицах измеряемого параметра (МСм / м).
В таких приборах используются накладные ВТП и фазовый способ измерения сигналов.
Область их применения определяется функциональным назначением. Такая область обозначена «типовая 1».
В структуроскопах используют различные способы представления обработанных сигналов - от цифровой индикации в единицах измерения контролируемого параметра (например, твердости, предела прочности, предела текучести) до разделения сигналов на заданные классы
622
ПРИЛОЖЕНИЯ
(например, контроль термообработки, соответствие заданной марке стали, сортировка деталей на группы: «годные», «отклонение в минус», «отклонение в плюс»).
Области применения таких приборов обозначены «типовая 2» для неферромагнитных металлов и «типовая 3» для ферромагнитных сталей.
Как и ранее, под термином «модель 1» подразумеваются портативные современные приборы с программным управлением, «модель 2» - переносные приборы с цифровым дисплеем, диалоговым режимом выбора основных режимов контроля и различными способами представления обработанных сигналов (классы сортности
в виде различных областей экрана дисплея, различные формы кривых, описывающих сигналы дефектных зон и т.д.).
Для измерителей удельной электрической проводимости в разделе «Технические характеристики», как и для толщиномеров, приведены следующие параметры:
1) диапазон измерения удельной электрической проводимости, МСм/м;
2) предел основной допустимой погрешности (в процентах от измеряемой величины);
3) тип источника питания: автономный, сетевой, комбинированный.
Таблица П8.4
Шифр структуро-скопа Область применения Конструктивные особенности Технические характеристики Фирма-производитель
ВЭ-26Н Типовая 1 Модель 1 1)0,5... 59 МСм/м 2) 3 % 3) автономное 4) не более 0,5 кг ЗАО «НИИИН МНПО “Спектр”», Москва, РФ
ВС-ЗОН: 1) измеряет о, МСм/м; 2) оценивает предел прочности ав деталей из алюминиевых и других сплавов (Д16, В59, АК6) Типовая 1 и 2 Модель 2 1)10,5... 58 МСм/м 2,38... 65 МСм/м 2) 2 % для о; 5 % для ов 3) комбинированное 4) не более 1,5 кг
«Константа К5» с датчиком ФД2 Типовая 1 Модель 1 1)0,5... 60 МСм/м 2) 1 % 3) автономное 4) не более 0,5 кг Фирма «Константа», Санкт-Петербург, РФ
Sigmascope SMP-10 Типовая 1 Модель 1 1)0,5... 60 МСм/м 2) 1 % 3) автономное 4) не более 0,5 кг Фирма Helmut Fischer, Германия
ПРИЛОЖЕНИЕ 8
623
Продолжение табл. П8.4
Шифр структуро-скопа Область • применения Конструктивные особенности Технические характеристики Фирма-производитель
Auto Sigma 3000 Типовая 1 Модель 1 1)0,45... 64 МСм/м 2) 1 % 3) автономное 4) 0,5 кг Фирма Hocking, Англия
FM-140XL Типовая 1 Модель 2 1)5...64 МСм/м 2) 0,5 % Фирма Centurion NDN, США Представитель в РФ - фирма «Па-натест», Москва
Магнатест QP Типовая 3 Модель 2 (метод высших гармоник) Разделение на классы сортности по амплитудам третьей, пятой, седьмой гармоник, выделение областей раздела на дисплее Фирма Institut dr Forster, Германия
Eddyvigor Типовая 2 Модель 2 1) диапазон частот 25 Гц...250 кГц; 2) разделение на классы сортности по областям экрана дисплея Фирма Rohmann, Германия
П8.5. Универсальные вихретоковые приборы
Универсальность такой аппаратуры определяется ее многофункциональным назначением: с ее помощью можно обнаруживать дефекты, измерять толщину покрытий, решать многообразные задачи структуроскопии.
В последние годы переход на выпуск универсальных приборов является характерной тенденцией в вихретоковом неразрушающем контроле. Универсальность достигается благодаря выпуску электронного блока с широкими измерительными
возможностями по частотному диапазону, коэффициенту усиления, набору способов обработки сигналов (амплитудно-фазовый, фазовый, переменно-частотный и др.), набору полосовых низкочастотных фильтров, применению встроенных микропроцессоров с высокими техническими характеристиками, АЦП, жидкокристаллических дисплеев, набором возможностей представления информации на экранах (двумерные и трехмерные изображения полей рассеяния над дефектами, X-Y-развертка, одновременное изображение информационных сигналов на нескольких частотах и др.) Универсальные приборы
624
ПРИЛОЖЕНИЯ
комплектуются набором ВТП для статического и динамического режимов работы. По требованию заказчика можно обеспечить как контроль изделий в потоке их производства (например, труб и проката), так и контроль деталей и узлов сложного технического объекта (самолета, автомобиля, трубопровода, атомной электростанции) в полевых или цеховых условиях эксплуатации. Для представления данных об универсальных приборах выделим несколько общих разделов.
Область применения. Типовая 1 -прибор решает разнообразные задачи дефектоскопии и структуроскопии. Типовая 2 - дополнительно можно проводить измерение толщины покрытий и металлических слоев.
Конструктивные особенности.
Модель 1 - портативное исполнение; встроенные микропроцессор и жидкокристаллический дисплей, набор ВТП разнообразных конструкций; управление в диалоговом режиме «связь с компьютером верхнего уровня».
Модель 2 - переносной прибор, жидкокристаллический дисплей больших размеров, встроенный микропроцессор ббльшей вычислительной мощности, более широкий набор ВТП.
Технические характеристики:
1) частотный диапазон (например, от 100 Гц до 5 мГц);
2) число измерительных каналов с одновременным измерением параметров объекта на разных частотах;
3) масса, кг.
Таблица П8.5
Шифр прибора Область применения Конструктивные особенности Технические характеристики Фирма-производитель
MIZ-17ET Типовая 2 Модель 2 1) 100 Гц... 1 МГц 2) до 4-х каналов 3) 14 кг Фирма Zetek, США
MIZ-20 Типовая 2 Модель 2 1)50 Гц... 2 МГц 2) один канал 3) 7,3 кг
MIZ-40 Типовая 2 Модель 2 1) 100Гц... 6МГц 2) до 4-х каналов 3) 15,9 кг
MIZ-21A Типовая 1 Модель 1 1)50 Гц... 8 МГц 2) один канал 3) 3,5 кг
MIZ-21A/ DF Типовая 1 Модель 1 1)50 Гц... 8 МГц 2) два канала 3) 3,5 кг
Phases 2200 Типовая 1 Модель 2 1)60 Гц... 6 МГц 2) один канал 3) 2,7 кг Фирма Hocking, Англия
ПРИЛОЖЕНИЕ 8
625
Продолжение табл. П8.5
Шифр прибора Область применения Конструктивные особенности Технические характеристики Фирма-производитель
Phases DC2 Типовая 1 Модель 2 1)60Гц... 6МГц 2) два канала 3)5,1 кг Фирма Hocking, Англия
Hocking AV 100 Типовая 1 Модель 2 1)80 Гц... 10 МГц 2) один канал 3) 6,4 кг
Elotest М2 Типовая 1 Модель 1 1) 10 Гц... 10 МГц 2) один канал 3) 1 кг Фирма Rohmann, Германия
Elotest 310 Elotest 320 Elotest 330 Elotest 340 Типовая 1 Модель 2 1) 10 Гц... 10 МГц 2) 310 - один канал; 320 - два канала; 330 - три канала; 340 - четыре канала; 3) 3,1 кг без батарей
P-scan Типовая 1 Модель 2 1) 1 кГц... 4 МГц 2) четыре канала 3) 4 кг Фирма Force, Дания
21 - 8193
626
ПРИЛОЖЕНИЯ
Приложение 9
П9. УДЕЛЬНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОВОДИМОСТЬ И ПЛОТНОСТЬ ПРОМЫШЛЕННЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ
Таблица П9
Наименование металла или сплава Значение удельной электрической проводимости о, МСм / м Плотность р, кг / мм3
Алюминий (99,9 %) 37,67 2,7
Бериллий с || 27,9; о132,06 1,84
Ванадий 5,5 6,5...7,1
Висмут 0,77 9,8
Вольфрам 2,2 19,3
Галлий 6,2 5,91
Золото 48,5 19,32
Кадмий о II 12,0; al 14,5 8,64
Кобальт 17,9 8,9
Магний а || 2,87; а 123,9 1,74
Медь 64,5 8,94
Молибден 19,9 10,3
Марганец 36,0 7,3
Натрий 23,4 0,97
Никель 16,3 8,9
Олово о || 9,1; al 10,8 7,3
Палладий 10,2 12,0
Платина 10,2 21,3
Свинец 5,2 11,37
Серебро 67,1 10,5
Таллий 6,2 11,85
Тантал 7,6 16,6
Титан 2,4 4,5
Цинк a|| 17,9; al 18,6 7,13
Хром 7,1 7,14
Цирконий 2,4 6,53
Примечание: ст || - удельная электрическая проводимость вдоль главной кристаллографической оси; с 1-то же в перпендикулярном направлении.
ПРИЛОЖЕНИЕ 9
627
Продолжение табл. П9
Наименование металла или сплава Значение удельной электрической проводимости о, МСм / м Плотность р, кг / мм3
Алюминиевые сплавы: Д16 12...22 2,6
В93 22,5 2,4
В95 19,0 2,2
АК8 22,4 2,55
Сталь конструкционная 9,6 7,85
Сталь быстрорежущая с 5 %-ным содержанием вольфрама 8,4 8,10
Магниевые сплавы: МА1 16,4 1,76
МАИ 15,3 1,8
ВМ17 16,8 1,78
ВМД1 17,4 1,8
Титановые сплавы: ОТ4 0,8 4,2
ВТ1 2,2 4,5
ВТЗ 0,58 4,0
ВТ6 0,6 4,0
ВТ8 0,5 4,1
ВТ16 0,75 4,2
Бронзы: БРАМц 3,25 7,6
БРАЖ 5 7,5
БРБ9 14,2 8,2
Латуни (медно-цинковые сплавы): ЛС59 16,5 8,5
ЛК80 16,2 8,3
Л96 17,4 8,6
21*
628
ПРИЛОЖЕНИЯ
Приложение 10
П10. НАЦИОНАЛЬНЫЕ И МЕЖДУНАРОДНЫЕ СТАНДАРТЫ ПО СЕРТИФИКАЦИИ СПЕЦИАЛИСТОВ. СЕРТИФИКАЦИЯ СПЕЦИАЛИСТОВ ПО ВИХРЕТОКОВОМУ КОНТРОЛЮ.
ПРОГРАММЫ ОБУЧЕНИЯ И АТТЕСТАЦИИ СПЕЦИАЛИСТОВ I, II, III УРОВНЕЙ ПО ВИХРЕТОКОВОМУ КОНТРОЛЮ. ПЕРЕЧЕНЬ ВОПРОСОВ ДЛЯ СДАЧИ КВАЛИФИКАЦИОННЫХ ЭКЗАМЕНОВ НА I, II И III УРОВНИ
П10.1. Национальные и международные стандарты по сертификации специалистов
П10.1.1. Назначение и основные определения. Американские нормы (инструкция SNT-TC-1 А) были сформулированы в конце 1960-х годов и в настоящее время широко используются в США, Европе и Азии. Работа по созданию международного стандарта ИСО-9712 по сертификации специалистов НК, начатая в середине 1980-х годов была завершена в 1991 г. Новый европейский стандарт EN 473, описывающий систему сертификации персонала, проводящего НК, принятый в 1993 г., включил в себя большую часть содержания ИСО-9712, и его нормы в области подготовки и сертификации специалистов считаются обязательными в 18 странах Европы.
Современные экономические отношения в мире и, в частности, между США, странами ЕС и Российской Федерацией требуют гармонизации аттестационных критериев по отношению к квалификации специалистов НК, поэтому знание международных норм необходимо специалистам промышленных предприятий.
Приведем ряд определений, принятых в инструкции SNT-TC-1A, стандартах ИСО 9712 и EN 473.
Квалификация - это подтверждение образования, специальных знаний, навыков, опыта и физической пригодности, позволяющих персоналу технически грамотно проводить НК.
Сертификация на соответствие -процесс, предназначенный для подтверждения квалификации специалистов по НК при работе их в определенном секторе промышленности, который завершается выдачей удостоверения компетентности (сертификата, свидетельства).
Система сертификации - система, которая имеет свои собственные правила технологического процесса по осуществлению сертификации на соответствие.
Удостоверение (сертификат) - документ, выданный в соответствии с нормами аттестационной системы и удостоверяющий, что данный специалист является компетентным в выполнении определенных работ.
Кандидат на сертификацию - это лицо, ходатайствующее о сертификации и работающее под контролем аттестованного персонала в целях накопления опыта, необходимого для получения данной квалификации. Кандидаты могут работать самостоятельно.
Независимый сертификационный орган {сертифицирующая инстанция) - орган, который проводит сертификацию персонала на соответствие.
Уполномоченный орган - орган, уполномоченный независимым сертифицирующим органом подготавливать кандидатов и проводить экзамены по квалификации персонала.
Экзаменационный центр - центр, который признан непосредственно независимым сертифицирующим органом или через уполномоченный орган и предназначен для проведения квалификационных экзаменов. Экзаменационный центр может находиться в ведении работодателя (предприятие, в котором работает кандидат).
Квалификационный экзамен - экзамен, который принимают представители независимого сертифицирующего органа или уполномоченного органа и который выявляет общие и специальные знания, а также практические навыки кандидатов.
Промышленный сектор - это определенная отрасль промышленности или вид техники, где необходимы специалисты по
ПРИЛОЖЕНИЕ 10
629
НК. Промышленный сектор может относиться к ОК (сварное соединение, отливка и т.п.) или отрасли промышленности (авиация, нефтехимия).
Лицам, аттестуемым согласно американским и европейским нормам, в соответствии с их квалификацией присваивается один из трех уровней (разрядов).
I уровень. Лицо, аттестуемое по I уровню, должно иметь квалификацию, позволяющую проводить НК по инструкции под контролем персонала И и III уровней. Специалист этого уровня должен: а) настраивать и регулировать приборы; б) проводить НК; в) записывать результаты контроля и оценивать их на основании заданных критериев; г) составлять отчет о полученных результатах.
Специалист I уровня не может отвечать ни за выбор метода, средств НК, ни за оценку результатов НК.
II уровень. Специалист, аттестованный по II уровню, должен иметь квалификацию, позволяющую руководить НК по утвержденным инструкциям. Он должен: а) правильно выбирать средства для проведения НК; б) знать возможности того или иного метода НК; в) понимать стандарты по НК и правила контроля (специализации), относящиеся к практике его работы; г) налаживать приборы; д) осуществлять контроль и наблюдение за ним; е) представлять результаты НК и проводить их оценку по стандартам, другим нормативным документам и правилам контроля (ПК); ж) составлять письменные инструкции по НК; з) выполнять и контролировать всю работу специалистов 1 уровня; и) документировать результаты НК.
Здесь и далее под инструкцией понимается письменное описание последовательных этапов проведения НК согласно нормативным документам, а под ПК (спецификацией) - письменное описание всех основных параметров и операций, которых необходимо придерживаться при выполнении НК, соблюдая нормативы и стандарты.
III уровень. Специалист, аттестованный по III уровню, должен уметь управлять любой работой в НК. Он, в частности, несет ответственность за персонал и выбор средств для проведения НК, использование и совершенствование этих средств, за разработку стандартов, спецификаций и инструкций. Специалист III уровня должен: а) давать правильную оценку и интерпретацию результатов НК; б) знать возможности различных методов НК и использовать их для контроля продукции; в) руководить работой персонала с уровнями ниже III; иметь достаточный практический опыт работы с используемыми в современном производстве материалами и технологиями изготовления изделий с тем, чтобы правильно выбрать метод НК, усовершенствовать технику и содействовать составлению критериев годности продукции.
В соответствии с указанными национальными и международными нормами по сертификации персонала в НК квалификацию специалиста определяют на основании пяти признаков:
- наличия профессионального образования;
- достаточного практического опыта работы в НК;
- физической пригодности;
- прохождения курса обучения;
- сдачи квалификационных экзаменов.
Для каждого из этих признаков в отношении метода проверки и уровня квалификации устанавливаются минимальные требования, например, по продолжительности практической работы по конкретному виду НК, сроку обучения (для I и II уровней), минимальному количеству вопросов на квалификационном экзамене и минимальному результату, которого необходимо достичь на экзамене. При выполнении этих условий специалист может рассчитывать на подтверждение достигнутой квалификации.
Все известные важнейшие нормы сертификации персонала практически совпадают по требованиям к признакам
630
ПРИЛОЖЕНИЯ
квалификации, но расходятся в определении сертифицирующей инструкции.
Американские нормы согласно инструкции SNT-TC-1A определяют для лица (кандидата), подлежащего сертификации, предприятие* (работодателя) в качестве сертифицирующей инстанции.
Европейские нормы по EN 473 и международный стандарт ИСО-9712 в качестве сертифицирующей инстанции определяют внепроизводственный сертифицирующий орган.
Сертификация предприятия имеет наибольшее распространение в мире, и соглашения по ней до настоящего времени осуществляются по контрактам между изготовителем и заказчиком в таких отраслях промышленности, как авиационная, машиностроительная и т.п. Это обусловлено следующими причинами.
1. Для предприятий, у которых заказчик требует сертификаты на персонал, проще и дешевле проводить сертификацию непосредственно на предприятии.
2. Сертификация на предприятии тесно связана с практической работой специалиста на конкретном рабочем месте. Например, если для просвечивания ОК на предприятии используется только рентгеновская техника, нет необходимости обучать персонал работе с гамма-дефектоскопами.
К предприятию (работодателю) как к сертифицирующей инстанции предъявляются два важных требования. Оно должно:
1) письменно изложить свою программу сертификации, т.е. составить так называемое “written practice”;
2) располагать персоналом для проведения сертификации, т.е. иметь по крайней мере одного экзаменатора с III уровнем квалификации.
* Предприятие (работодатель) — общество, частные или общественные организации, выплачивающие персоналу зарплату, пособие, содержание, гонорар или осуществляющие другие виды социальных услуг за проделанную работу.
Сертифицирующая инстанция согласно евростандарту должна иметь руководителя и компетентный персонал для выполнения своих задач. Она должна описать собственную систему сертификации в своем стандарте (вместо “written practice”) и располагать документированной системой обеспечения качества, которая излагается в руководстве по обеспечению качества.
Хотя согласно EN 473 выдача сертификата осуществляется вне предприятия, отнюдь не верно заключение, что работодатель исключается из процесса сертификации. Чтобы выдать компетентное заключение, сертифицирующей инстанции приходится сотрудничать с работодателем, который по меньшей мере должен дать подтверждение о профессиональном опыте и физической пригодности кандидата. Кроме того, сертификат, полученный вне предприятия, автоматически не дает права использовать специалиста на предприятии по соответствующему профилю, что имеет место при сертификации работодателем. Предприятие должно «специализировать» контролера для проведения им конкретного вида деятельности по НК. Для подобной специализации могут потребоваться последующие производственные квалификационные мероприятия, если подтверждение сертифицирующей ин* станции недостаточно для работодателя (специфические виды продукции, техника поверки, аппаратура, требования клиента). Тем самым для европейского стандарта EN 473 характерно тесное сотрудничество между сертифицирующей инстанцией и работодателем.
По евростандарту самой сертифицирующей инстанции в принципе нужно провести только завершающий процесс сертификации. Все остальные виды деятельности она может делегировать, т.е. поручать другим инстанциям. Прямо или косвенно многие сертификационные мероприятия могут, таким образом, проводиться работодателем. Но если даже работодатель в последующем оставляет в сво
ПРИЛОЖЕНИЕ 10
631
их руках значительную долю видов деятельности по сертификации, сертифицирующая инстанция остается ответственной за все сертификационные мероприятия. Так, она должна убедиться в надлежащем выполнении делегированных предприятию видов деятельности, вести всю документацию по проходящим сертификацию лицам, выдавать сертификаты и разрешать деятельность этих инстанций (делегирование полномочий). Делегированные
полномочия даются экзаменационным центрам и уполномоченным по приему экзаменов (экзаменаторам).
П10.1.2. Квалификационные требования к специалистам I и II уровней
Минимальные требования к продолжительности практической работы по конкретному виду НК и сроку обучения представлены в табл. П10.1.2.1 и П10.1.2.2.
П10.1.2.1. Минимальные требования к продолжительности практической работы (в месяцах) по конкретному виду НК для специалистов I и II уровней
Вид контроля Обозначение Уровень I Уровень II
Название стандарта
SNT-TC-1A EN473 SNT-TC-1A EN473
Вихретоковый ЕТ 1 3 9 9
Капиллярный РТ 1 1 2 3
Магнитопорошковый МТ 1 1 3 3
Радиационный RT 3 3 9 9
Ультразвуковой UT 3 3 9 9
Течеискание LT 1 3 2 9
Примечание. Под продолжительностью практической работы понимается работа под руководством специалиста с более высоким уровнем квалификации.
П10.1.2.2. Минимальные требования к специалистам I и II уровней к сроку обучения (в часах)
Вид контроля Уровень I Уровень II
Название стандарта
SNT-NC-1A* EN473** SNT-TC-1A* EN473**
ЕТ 48 40 24 40
РТ 12 16 16 24
мт 24 16 16 24
RT 88 40 80 80
ит 40 40 80 80
LT 40 40 24 80
Примечания: * Программа обучения должна соответствовать требованиям работодателя.
♦* Программа обучения должна соответствовать требованиям независимого сертифицирующего органа.
632
ПРИЛОЖЕНИЯ
Все международные сборники регламентирующих актов по квалификации персонала для НК разделяют квалификационные экзамены на три вида: общие, специальные и практические, включающие, как правило, один определенный вид НК, используемый в одном или нескольких промышленных секторах.
Общие и специальные экзамены сдают в письменной форме. Практический экзамен должен выявить способность кандидата применить на практике свои навыки в выполнении конкретного вида НК.
Общий экзамен включает в себя вопросы, отобранные по случайному принципу из актуальных заданий, утвержденных аттестационным органом.
Специальный экзамен подразумевает вопросы на знание оборудования, действующих методик НК, с которыми может встретиться специалист при работе в данном промышленном секторе. Эти вопросы по случайному принципу выбирает сертифицирующий орган.
Минимальное число вопросов к кандидату на общем и специальном экзаменах указано в табл. П10.1.2.3.
Общий экзамен оценивается отдельно от специального, поэтому для сертификации в другом промышленном секторе кандидат не сдает заново общий экзамен. Отсюда следует, что оценки общего экзамена сохраняются для всех промышленных секторов.
П10.1.2.3. Минимальное число вопросов на общем и специальном экзаменах
Вид контроля Уровень I Уровень II
Название стандарта
SNT-NC-1A* EN 473** SNT-TC-1A* EN 473**
Общий экзамен
ЕТ 40 40 40 40
РТ 30 30 30 30
МТ 30 30 30 30
RT 40 40 40 40
UT 40 40 40 40
LT 30 30 30 30
Специальный экзамен
ЕТ 20 20 20 20
РТ 20 20 15 15
мт 20 20 15 15
RT 20 20 20 20
ит 20 20 20 20
LT 20 20 20 20
Примечание. Если специальный экзамен сдается в рамках двух и более промышленных секторов, то число заданий для каждого следующего сектора возрастает на 5.
ПРИЛОЖЕНИЕ 10
633
Общая оценка квалификационного экзамена рассчитывается по формуле
N = 0,25и9 + 0,25п5 + 0,25ир;
где nq - оценка общего экзамена; ns -оценка специального экзамена; пр - оценка практического экзамена.
Для получения сертификата кандидат должен получить на каждом экзамене по меньшей мере 70 % и общую оценку не менее 80 %.
П10.1.3. Квалификационные требования к специалистам III уровня
В табл. П10.1.3.1 указаны минимальные требования, предъявляемые к срокам приобретения опыта кандидатами на III уровень квалификации в зависимости от их образования.
Все кандидаты на присвоение III уровня квалификации по тому или иному виду НК должны успешно (с оценкой не менее 70 %) сдать практический экзамен по II уровню этого вида контроля.
По нормам EN 473 каждый экзамен на III уровень содержит следующие части, выполняемые в письменной форме.
На базовом экзамене соискатель должен продемонстрировать:
- технические знания в области материаловедения и технологии, относящиеся к сфере деятельности кандидата;
- знания системы квалификации и сертификации;
- общие знания четырех методов контроля, требующиеся от специалиста II уровня и выбранные кандидатом в соответствии с табл. П10.1.2.1.
В эти четыре метода должны входить основной метод, по которому кандидат добивается сертификации, и три других, не менее одного из которых должен быть объемным (интроскопический UT или RT).
Базовый экзамен сдается первым, и его результаты действительны 5 лет, в течение которых должен быть сдан экзамен по основному методу.
Экзамен по основному методу состоит из трех частей:
- общего экзамена, охватывающего объем знаний III уровня, касающихся применяемого метода контроля;
П10.1.3.1. Минимальные требования, предъявляемые к срокам приобретения опыта кандидатами на присвоение III уровня квалификации
Уровень квалификации Уровень общего образования Опыт работы (месяцы)
Кандидат, имеющий II уровень квалификации Успешное окончание (присвоение степени) или по меньшей мере 3 года обучения в вузе. Окончание техникума или по меньшей мере 2 года обучения в вузе. Отсутствие указанного образования 12 24 48
Кандидат, не имеющий квалификации II уровня, для прямого допуска к III уровню должен сдать практический экзамен по указанному методу по II уровню Окончание (присвоение степени) или по меньшей мере 3 года обучения в вузе. Окончание техникума или по меньшей мере 2 года обучения в вузе. Отсутствие указанного образования 24 48 72
634
ПРИЛОЖЕНИЯ
- специального экзамена по методу НК в соответствующем производственном секторе, включая применяемые нормы, стандарты и технические условия;
- практического экзамена, заключающегося в разработке проекта или нескольких методик НК в соответствующем секторе.
Согласно нормам EN 473 и SNT-TC-1A по стандартам некоторых сертифицирующих органов экзамены по проверке основополагающих знаний состоят из части А, отражающей содержание норм по квалифика
ции персонала в НК и включающей в себя вопросы по материаловедению, обработке материалов и дефектности продукции (табл. Ш0.1.3.2), и части В (табл. П10.1.3.3), в которую входят вопросы общего экзамена на II уровень по всем видам НК, перечисленным в табл. П10.1.2.1.
Все вопросы общего экзамена имеют выборочные ответы, и экзаменующиеся должны отличить (отметить) правильный ответ.
Структура экзамена по основному методу представлена в табл. П10.1.3.4.
П10.1.3.2. Структура базового экзамена по части А
Разделы экзамена Минимальное число вопросов Тематика
А1 15 Знание EN473
А2 15 Знание SNT-TC-1A
АЗ 30 Знание материаловедения, производства и дефектности продукции
Всего 60 Время экзамена 3 ч
Ш0.1.3.3. Структура базового экзамена по части В
Разделы экзамена Минимальное число вопросов Сборники вопросов II уровня по видам НК
В1 15 RT
В2 15 МТ
ВЗ 15 ит
В4 15 РТ
В5 15 ЕТ
В6 15 LT
Всего 90 Время экзамена 4 ч
ГН 0.1.3.4. Структура общего (С1), специального (С2) и практического (СЗ) экзаменов на III уровень квалификации по какому-либо виду НК
Разделы экзамена Минимальное число вопросов Тематика
С1.1 30 Основы и принципы данного вида НК
С1.2 15 Типичное использование этого вида НК
С2.1 10 Интерпретация в данном секторе промышленности американских норм
ПРИЛОЖЕНИЕ 10
635
Продолжение табл. П10.1.3.4
Разделы экзамена Минимальное число вопросов Тематика
С2.2 10 Интерпретация в данном секторе промышленности европейских норм
Всего 65 Время экзамена 3 ч
СЗ Один пример Разработка правил контроля (спецификации)
Время экзамена 4 ч
Для сдачи практического экзамена необходимо разработать правила контроля (ПК), или спецификацию, включающие письменное описание всех основных параметров и операций, которые выполняются при использовании техники НК для контроля объектов, относящихся к данному промышленному сектору согласно установленным нормативам и стандартам.
Оценка по проверке основополагающих знаний основного метода проводится раздельно. Общая оценка по проверке основополагающих знаний рассчитывается по формуле
NB = 0,5иа + 0,5пв, где лА - оценка за часть А; пв - оценка за часть В.
Для успешной сдачи этих экзаменов кандидат должен получить по меньшей мере 70 % за любую часть и общую оценку NB не менее 80 %.
Общая оценка по проверке знаний основного вида НК рассчитывается по формуле
Ае = (Мл+^с2 + 7Усз)/3,
где АСь NC3 - оценки соответственно за части Cl, С2 и СЗ.
Для успешной сдачи этого экзамена кандидат должен получить по меньшей мере 70 % за каждую часть и общую оценку не меньше 80 %.
Для получения сертификата кандидат должен успешно сдать оба экзамена: по проверке основополагающих знаний и знаний основного вида НК.
Если не были получены необходимые положительные результаты по отдельным частям экзамена или если в целом не был получен общий положительный результат, то в соответствии с решением экзаменатора экзамен можно сдать повторно полностью или частично с учетом требований EN 473. Второй раз экзамен может быть сдан не менее чем через 30 дней. Если на повторном экзамене кандидату не удалось достичь требуемого результата или с его стороны последовало какое-либо нарушение порядка проведения экзамена, устанавливается срок ожидания 12 месяцев и полная пересдача всего экзамена.
П10.1.4. Преимущества новой европейской системы сертификации
EN 473 дополнен целым рядом усовершенствований для пользователей системы, т.е. предприятий промышленности и лиц, которые должны пройти сертификацию. Их неполный перечень содержит следующие положения.
1. Для экзамена на I и II уровни установлены так называемые факторы важности, благодаря которым практическая часть экзамена приобретает большой вес в общем результате. Практическая часть в
636
ПРИЛОЖЕНИЯ
соответствии с этим входит в общий результат с долей в 50 %, т.е. имеет такое же значение, как и письменные части экзамена. Это дает значительное преимущество дефектоскопистам-практикам.
2. Если не выдержан квалификационный экзамен, то при известных обстоятельствах нет необходимости в его полной пересдаче. При определенных условиях повторно можно сдать экзамен по той части, где не был достигнут положительный результат.
3. Для специалистов I и II уровней необязательно обновлять сертификат каждые три года, так как для специалистов всех уровней действителен 5-летний срок действия сертификата, по истечении которого следует переаттестация (табл. П10.1.4.1).
4. При повторной полной сертификации через 10 лет после аттестации (табл. П10.1.4.2) необходима новая сдача экзамена, который может быть значительно сокращен по объему. Так, для специалистов I и II уровней достаточна сдача практического экзамена.
5. Сертификат в значительной степени защищен от подделки, так как он изготавливается в виде удостоверения с фотографией.
П10.1.4.1. Сроки действия сертификатов (лет)
Стандарт Уровень I или II Уровень III
SNT-TC-1A 3 5
EN473 5 5
П10.1.4.2. Нормы обновления сертификатов
Стандарт I период* II период*
SNT-TC-1A Е или Р** Е или Р**
EN473 Е Р
Примечания: * Под периодом подразумевается интервал времени в 3 или 5 лет (см. табл. П10.8).
** Символом Е обозначена переаттестация специалиста, т.е. обновление сертификата на основании только подтверждения деятельности в данном виде НК.
♦** Символ Р означает повторную аттестацию, т.е. обновление сертификата на основании нового экзамена.
6. Сфера действия сертификата распространяется не только на вид ПК и уровень квалификации, но и на сектор промышленности. При смене рабочего места в пределах сектора промышленности сертификат сохраняет свое действие. Если новое рабочее место относится к сектору промышленности вне сферы действия сертификата, требуется сдать только специальный и практический экзамены.
При введении EN 473 устанавливается переходный период в 5 лет, в котором действуют следующие правила.
1. Если до выхода стандарта персонал был уже сертифицирован независимой инстанцией, то эта сертификация действительна до истечения своего срока, но не более 5 лет. Затем может последовать обновление (Е или Р).
2. Если до выхода EN 473 персонал был сертифицирован на производстве, то производственная система сертификации должна быть подвергнута аудиту со стороны сертифицирующей инстанции. Если отчет по аудиту положителен, то может последовать переаттестация по истечении срока действия существующего сертификата на основе квалификационного экзамена.
ПРИЛОЖЕНИЕ 10
637
П10.2. Типовые программы обучения специалистов по вихретоковому контролю
П 10.2.1. Программа обучения специалистов I уровня (не менее 40 часов)
1. Физические основы вихретокового неразрушающего контроля.
1.1. Электрические цепи. Электрический ток, ЭДС, напряжение.
1.2. Свойства проводящей среды. Удельная электрическая проводимость, магнитная проницаемость.
1.3. Магнитная индукция, напряженность магнитного поля, магнитный поток, индуктивность.
1.4. Переменное магнитное поле. Закон электромагнитной индукции. Потокосцепление. Вихревые токи. Глубина их проникновения в проводящую среду.
1.5. Эффективная магнитная проницаемость. Полное сопротивление индуктивной катушки.
1.6. Принцип действия, классификация, способы включения и основные параметры вихретоковых преобразователей (ВТП). Коэффициент заполнения проходного ВТП.
2. Приборы и средства вихретокового контроля.
2.1. Области применения проходных, накладных и экранных ВТП.
2.2. Абсолютные и дифференциальные, параметрические и трансформаторные ВТП.
2.3. Влияние перемещений ВТП по отношению к объекту контроля (ОК) на параметры ВТП.
2.4. Основные способы ослабления влияния мешающих факторов при вихретоковом контроле.
2.5. Принцип действия и структурные схемы основных типов вихретоковых приборов.
3. Технологии и методики вихретокового контроля.
3.1. Подготовка изделий к контролю.
3.2. Настройка и калибровка вихретоковых приборов по утвержденной методике.
3.3. Наиболее распространенные виды дефектов.
3.4. Статический и динамический виды контроля.
3.5. Выявляемые дефекты, границы применимости методов вихретокового контроля.
4. Оценка и интерпретация результатов контроля.
4.1. Контрольные и стандартные образцы и их применение.
4.2. Амплитудный, фазовый и амплитудно-фазовый способы выделения сигналов при вихретоковом контроле (ВК).
4.3. Влияние фильтров на результаты контроля.
4.4. Протоколирование результатов контроля.
4.5. Расшифровка дефектограмм в целях нахождения местоположения дефектов.
4.6. Критерии для принятия решения о допустимости использования ОК.
4.7. Хорошая и плохая представительность при контроле серии ОК.
5. Правила безопасности на опасных производственных объектах. Охрана труда.
5.1. Конструкция технических устройств, эксплуатируемых на опасных производственных объектах.
5.2. Правила безопасности при эксплуатации опасных производственных объектов.
5.3. Требования к качеству технических устройств, зданий, сооружений (объектов контроля) на опасных производственных объектах.
5.4. Техническая оснащенность и организация работ по вихретоковому контролю в лаборатории неразрушающего контроля.
5.5. Требования безопасности при проведении неразрушающего контроля.
5.6. Требования техники безопасности на производстве. Общие положения.
5.7. Требования пожарной безопасности.
638
ПРИЛОЖЕНИЯ
6. Физические принципы и технические возможности других методов неразрушающего контроля (радиационного, акустического, магнитопорошкового, капиллярного, оптического). Краткое ознакомление.
П. 10.2.2. Программы обучения специалистов II уровня (не менее 40 часов)
1. Физические основы вихретокового неразрушающего контроля.
1.1. Распределение электромагнитного поля и вихревых токов в ОК различной формы для основных типов преобразователей.
1.2. Глубина проникновения вихревых токов и ее зависимость от вида возбуждающего поля и ОК.
1.3. Преобразователи вихретокового контроля различных типов. Зависимость сигналов преобразователей от параметров ОК цилиндрической и плоской форм. Зависимость сигналов преобразователей от параметров дефектов для объектов различной формы. Особенность контроля изделий из ферромагнитных материалов.
1.4. Методы анализа сигналов преобразователей, уменьшение влияния мешающих факторов, цифровая обработка сигналов преобразователей с помощью микропроцессоров.
2. Приборы и средства вихретокового контроля.
2.1. Дефектоскопы с накладными преобразователями: основные типы, особенности конструкций, методика настройки и калибровки, контрольные образцы с дефектами.
2.2. Дефектоскопы с проходными преобразователями: основные типы, особенности конструкций, методика настройки и калибровка, контрольные образцы с дефектами.
2.3. Измерители удельной электрической проводимости: основные типы, особенности конструкций, методика настройки и калибровки, меры удельной электрической проводимости.
2.4. Структуроскопы с проходными преобразователями для контроля изделий из ферромагнитных сталей: методика настройки и калибровки, контрольные образцы структуроскопии.
2.5. Толщиномеры покрытий: основные типы, их конструктивные особенности, методика настройки и калибровки, меры толщины покрытий.
3. Технологии и методики вихретокового контроля.
3.1. Подготовка объекта к контролю.
3.2. Статический и динамический виды контроля.
3.3. Настройка и калибровка дефектоскопов. Разработка методики контроля.
3.4. Настройка и калибровка толщиномеров. Разработка методики контроля.
3.5. Настройка и калибровка структу-роскопов. Разработка методики контроля.
4. Оценка и интерпретация результатов контроля.
4.1. Контрольные образцы для дефектоскопии, способы их изготовления и аттестации.
4.2. Меры удельной электрической проводимости, способы их изготовления и аттестации.
4.3. Меры толщины покрытий, способы их изготовления и аттестации.
4.4. Контрольные образцы из ферромагнитных сталей для калибровки струк-туроскопов.
4.5. Государственные стандарты по вихретоковому контролю.
4.6. Сортировка изделий по результатам контроля.
4.7. Оформление результатов контроля.
5. Правила безопасности на опасных производственных объектах. Охрана труда.
5.1. Конструкция технических устройств, эксплуатируемых на опасных производственных объектах.
5.2. Правила безопасности при эксплуатации опасных производственных объектов.
5.3. Требования к качеству технических устройств, зданий, сооружений (объ
ПРИЛОЖЕНИЕ 10
639
ектов контроля) на опасных производственных объектах.
5.4. Техническая оснащенность и организация работ по вихретоковому контролю в лаборатории неразрушающего контроля.
5.5. Требования безопасности при проведении неразрушающего контроля.
5.6. Требования техники безопасности на производстве. Общие положения.
5.7. Требования пожарной безопасности.
6. Метрологическое обеспечение средств вихретокового контроля.
7. Автоматизация и компьютеризация вихретоковых средств контроля.
8. Физические принципы и технические возможности других методов неразрушающего контроля. Краткое ознакомление.
П10.2.3. Программа обучения специалистов III уровня
1. Физические основы вихретокового неразрушающего контроля.
1.1. Основные уравнения, описывающие электромагнитное поле в электропроводящей линейной и нелинейной средах (неподвижной и подвижной).
1.2. Граничные условия.
1.3. Краевые задачи электродинамики.
1.4. Области применения вихретокового НК.
1.5. Классификация и сравнительные характеристики ВТП.
1.6. Выражение напряжения и сопротивления ВТП через характеристики электромагнитного поля.
2. Приборы и средства вихретокового контроля.
2.1. Конструкции и параметры проходных, накладных и экранных ВТП.
2.2. Особенности конструкций ВТП для контроля горячих объектов и объектов сложной формы.
2.3. Характеристики и методики применения дефектоскопов для контроля проволоки, прутков и труб.
2.4. Портативные дефектоскопы с накладными ВТП.
2.5. Вихретоковые толщиномеры для контроля листов и толщины покрытий.
2.6. Измерители удельной электрической проводимости.
2.7. Вихретоковые приборы для сортировки по маркам сплавов и по качеству термообработки.
2.8. Методики применения толщиномеров и структуроскопов.
2.9. Автоматизация вихретокового контроля на основе применения микропроцессоров и компьютеров.
2.10. Структурная схема универсального вихретокового прибора, управляемого микропроцессором.
2.11. Математическое обеспечение микропроцессорных вихретоковых приборов НК.
2.12. Метрологическое обеспечение средств вихретокового неразрушающего контроля.
2.13. Перспективы развития вихретокового контроля.
3. Анализ сигналов ВТП.
3.1. Распределение электромагнитного поля в цилиндрических объектах, расположенных в однородном поле.
3.2. Годографы относительного напряжения проходного ВТП при различных параметрах ОК и ВТП.
3.3. Годографы проходного ВТП при контроле ферромагнитных цилиндрических объектов.
3.4. Чувствительность проходного ВТП к параметрам кругового цилиндра и трубы.
3.5. Влияние длины катушек ВТП на годографы сигналов.
3.6. Выбор оптимальных условий контроля проходными ВТП.
3.7. Накладной ВТП над электропроводящим листом.
3.8. Годографы сигналов накладных ВТП при контроле электропроводящих листов и двухслойных объектов.
3.9. Чувствительность накладного ВТП к параметрам листа.
640
ПРИЛОЖЕНИЯ
3.10. Особенности годографов экранного накладного ВТП.
3.11. Выбор оптимальных условий контроля накладными ВТП.
3.12. Особенности контроля накладными ВТП с ферромагнитными сердечниками.
3.13. Методы решения задач вихретоковой дефектоскопии.
3.14. Годографы сигналов проходных ВТП от дефектов цилиндрических ОК.
3.15. Чувствительность проходного ВТП к дефектам цилиндров и труб.
3.16. Годографы сигналов накладных ВТП от дефектов электропроводящих листов, чувствительность к дефектам.
3.17. Динамический режим дефектоскопии.
3.18. Спектральный состав сигналов ВТП при динамическом режиме дефектоскопии.
3.19. Связь параметров импульсных сигналов проходного ВТП с параметрами цилиндрических объектов.
3.20. Связь параметров импульсных сигналов накладных ВТП с параметрами электропроводящих листов.
3.21. Особенности и преимущества импульсного возбуждения ВТП.
3.22. Влияние скорости перемещения цилиндрических объектов на сигналы проходных ВТП.
3.23. Влияние скорости перемещения плоских ОК на сигналы накладных ВТП.
3.24. Распределение напряженности магнитного поля в ОК в зависимости от режима возбуждения ВТП.
3.25. Гармонический состав сигналов ВТП при контроле ферромагнитных объектов.
3.26. Особенности дефектоскопии объектов из ферромагнитных материалов.
3.27. Влияние подмагничивания ОК постоянным магнитным полем на отношение сигнал/помеха.
4. Технология и методики вихретокового контроля.
4.1. Методики испытаний при ручном и динамическом контроле объектов цилиндрической и плоской форм.
4.2. Контрольные образцы для дефектоскопии, способы их изготовления и аттестации.
4.3. Меры толщины покрытий; меры удельной электрической проводимости; способы их изготовления и аттестации.
4.4. Контрольные образцы из ферромагнитных сталей для калибровки струк-туроскопов.
4.5. Методики настройки и калибровки вихретоковых дефектоскопов. Интерпретация результатов контроля.
4.6. Методики настройки и калибровки вихретоковых толщиномеров. Оценка погрешности измерений.
4.7. Методика настройки структуро-скопов для контроля объектов из немагнитных металлов и ферромагнитных сталей. Способы оценки результатов контроля.
4.8. Государственные стандарты по вихретоковому контролю.
4.9. Документирование результатов контроля.
5. Оценка и интерпретация результатов контроля.
5.1. Способы ослабления влияния мешающих факторов.
5.2. Способы контроля и структурные схемы приборов, основанные на амплитудно-фазовых соотношениях сигналов ВТП.
5.3. Способы контроля и структурные схемы приборов, основанные на использовании резонансных контуров.
5.4. Способы стабилизации и вариации режимов контроля.
5.5. Многочастотные способы вихретокового контроля.
5.6. Фильтрация сигналов ВТП при динамическом режиме дефектоскопии.
5.7. Методики настройки различных вихретоковых приборов.
5.8. Сравнение и области применения разных способов выделения информации.
ПРИЛОЖЕНИЕ 10
641
6. Правила безопасности на опасных производственных объектах. Охрана труда.
6.1. Конструкция технических устройств, эксплуатируемых на опасных производственных объектах.
6.2. Правила безопасности при эксплуатации опасных производственных объектов.
6.3. Требования к качеству технических устройств, зданий, сооружений (объектов контроля) на опасных производственных объектах.
6.4. Техническая оснащенность и организация работ по вихретоковому кон
тролю в лаборатории неразрушающего контроля.
6.5. Требования безопасности при проведении неразрушающего контроля.
6.6. Требования техники безопасности на производстве. Общие положения.
6.7. Требования пожарной безопасности.
7. Физические принципы (основы) и технические возможности (основные показатели) других методов неразрушающего контроля (радиационного, акустического, магнитопорошкового, капиллярного, оптического).
642
ПРИЛОЖЕНИЯ
П10.3. Перечень вопросов для сдачи квалификационных экзаменов по вихретоковому контролю
Ш 0.3.1. Перечень вопросов для специалистов I уровня
1. Какую из перечисленных систем можно считать электрической цепью?
а) электрическая ванна, подключенная к источнику постоянного напряжения и предназначенная для гальванических покрытий металлических деталей;
б) система, состоящая из аккумулятора, лампы накаливания, амперметра и выключателя, соединенных между собой;
в) система, состоящая из источника электрической энергии, соединительных проводов и электродов, помещенных в электропроводящую массу бетона, предназначенная для его подогрева;
г) все системы.
2. Чему равно напряжение на зажимах аккумулятора с ЭДС 12 В и внутренним сопротивлением 1 Ом, подключенного к резистору с сопротивлением 5 Ом?
а) 12 В;
б) 10 В;
в) 4 В;
г) 2 В.
3. Какой из перечисленных материалов имеет наибольшую удельную электрическую проводимость?
а) алюминий;
б) латунь;
в) медь;
г) серебро.
4. Какая кривая соответствует зависимости магнитной проницаемости стали от напряженности магнитного поля (рис. 1)?
а) кривая /;
б) кривая 2;
в) кривая 3;
г) кривая 4.
Рис. 1
5. Какой магнитный поток возбуждается в тороидальном магнитопроводе, изготовленном из электротехнической стали, кривая намагничивания которой приведена на рис. 2, если длина средней линии кольца магнитопровода /ср = 2 дм, площадь поперечного сечения магнитопровода S = = 10 см2, ток в обмотке 1 = 5А, а количество витков обмотки W= 100?
а) 1,6- 10’3Вб;
б) 1,2 • 10'3 Вб;
в) 2 Вб;
г) 1,2 Вб.
ПРИЛОЖЕНИЕ 10
643
6. Каким должен быть ток в обмотке тороидального магнитопровода из электротехнической стали, кривая намагничивания которой приведена на рис. 2, чтобы обеспечить магнитный поток в ней Ф = = 1,2 • 10"3 Вб, если длина средней линии кольца магнитопровода /ср = 2 дм, площадь поперечного сечения магнитопровода S' = 10 см2, а количество витков обмотки W = 100?
а) 0,5 А;
б) 1 А;
в) 5 А;
г) 10 А.
7. Что является основной единицей измерения напряженности магнитного поля?
а) генри (Гн);
б) тесла (Тл);
в) А/м;
г) А/см.
8. Что является единицей измерения магнитной индукции?
а) генри (Гн);
б) тесла (Тл);
в) вебер (Вб);
г) А/м.
9. Что является единицей измерения индуктивности?
а) генри (Гн);
б) тесла (Тл);
в) вебер (Вб);
г) Гн/м.
10. Что является единицей измерения магнитного потока?
а) тесла (Тл);
б) вебер (Вб);
в) Вб/м;
г) Гн/м.
11. Что является единицей измерения магнитной постоянной?
а) генри (Гн);
б) вебер (Вб);
в) Гн/м;
г) Вб/м.
12. Что является причиной создания вихревых токов?
а) переменное электрическое поле;
б) постоянное электрическое поле;
в) переменное магнитное поле;
г) постоянное магнитное поле.
13. Закон электромагнитной индукции определяется формулой:
В) e = -w—; dr
где В - магнитная индукция; IV - число витков контура; i - ток в контуре; Ф -магнитный поток.
14. Потокосцепление определяется формулой:
а) у = соВ;
б) у = £/;
в) у = coZ;
г) у = м>Ф, где w - число витков.
15. Если активное сопротивление индуктивной катушки равно R, а индуктивность L, то полное ее сопротивление равно:
a) R + coZ;
б) R +(со£)2;
в) 7^2 + (<oL)2;
ч RtoL
г) .
Д+coZ
16. Если активное сопротивление индуктивной катушки R = 100 Ом, а индуктивность L = 0,32 Гн, то на частоте /= 50 Гц полное сопротивление катушки равно:
а) 16 Ом;
б) 100 Ом;
в) 141 Ом;
г) 200 Ом.
17. Чему равна реактивная проводимость индуктивной катушки с индуктивностью L и активным сопротивлением R?
а) —-—;
R+aL
644
ПРИЛОЖЕНИЯ
б) --------г;
Л2+(ш£)2
. <о£
в) --------г;
R2 +(со£)2
г)
7я2+(®£)2
18. При контроле объектов из ферромагнитных материалов глубина проникновения электромагнитного поля в объекте определяется:
а) удельной электрической проводимостью материала;
б) магнитной проницаемостью материала;
в) геометрической формой объекта контроля;
г) всеми указанными факторами.
19. При какой частоте глубина проникновения электромагнитного поля будет наибольшей?
а) 100 Гц;
б) 10 кГц;
в) 1 МГц;
г) 10 МГц.
20. Для контроля каких объектов могут применяться внутренние проходные ВТП:
а) металлических прутков;
б) биметаллических стержней;
в) электропроводящих пластин;
г) металлических труб.
21. Металлическая труба, содержащая прорезь, проходящую от одного конца к другому и имеющую одинаковую ширину и глубину, при движении ее вдоль дифференциального проходного ВТП будет создавать:
а) одинаковое постоянное напряжение;
б) изменяющийся во времени сигнал;
в) переменное напряжение с постоянной амплитудой;
г) нулевой сигнал.
22. В целях понижения влияния изменений толщины стенки трубы на результаты вихретокового контроля диаметра трубы следует:
а) повысить рабочую частоту ВТП;
б) понизить рабочую частоту ВТП;
в) увеличить коэффициент заполнения ВТП;
г) не существует практического способа понижения указанного влияния.
23. Значение коэффициента заполнения трансформаторного проходного ВТП с радиусами возбуждающей обмотки /?в = 4 мм и измерительной обмотки /?и = 3 мм при контроле проволоки R = 1,5 мм равно:
а) 0,75;
б) 0,5;
в) 0,375;
г) 0,25.
24. В трансформаторном ВТП напряжение измерительной обмотки зависит:
а) от формы и размеров объекта контроля;
б) от магнитной проницаемости материалов объекта;
в) от рабочей частоты ВТП;
г) от всех указанных факторов.
25. При каком материале объекта контроля на определенной рабочей частоте ВТП глубина проникновения электромагнитного поля в объект будет наибольшей?
а) алюминии;
б) латуни;
в) меди;
г) свинце.
26. Какой из параметров трубы легче выявлять дифференциальным ВТП при ее контроле?
а) постепенное изменение диаметра;
б) постепенное изменение удельной электрической проводимости;
в) изменение температуры;
г) короткие трещины.
27. Значение коэффициента заполнения трансформаторного проходного ВТП с радиусами возбуждающей обмотки RB = 3 мм; ’ измерительной обмотки Rh = 4 мм, при контроле проволоки R = 1,5 мм равно:
а) 0,25;
б) 0,375;
ПРИЛОЖЕНИЕ 10
645
в) 0,5;
г) 0,75.
28. При контроле прутков проходными ВТП наибольшая чувствительность достигается:
а) при наибольшем диаметре измерительной обмотки;
б) при наибольшем коэффициенте заполнения;
в) при коэффициенте заполнения, равном 0,5;
г) коэффициент заполнения не влияет на чувствительность ВТП.
29. Если удельная электрическая проводимость объекта контроля уменьшится, то плотность вихревых токов в ОК:
а) увеличится;
б) уменьшится;
в) останется неизменной;
г) может увеличиться или уменьшиться.
30. Глубина проникновения электромагнитного поля в ОК уменьшится, если:
а) уменьшится рабочая частота ВТП;
б) уменьшится удельная электрическая проводимость ОК;
в) увеличится рабочая частота ВТП;
г) уменьшится магнитная проницаемость ОК.
31. При вихретоковой дефектоскопии ферромагнитных цилиндрических объектов изменение магнитной проницаемости может оказать сильное мешающее влияние. Каким из указанных способов можно ослабить этот мешающий фактор?
а) подмагничиванием постоянным магнитным полем до насыщения;
б) малой скоростью контроля;
в) применением низкой рабочей частоты ВТП;
г) всеми указанными способами.
32. Какие факторы влияют на результаты вихретокового контроля?
а) влажность и загрязненность окружающей среды;
б) атмосферное давление;
в) радиоактивное излучение;
г) температура воздуха.
33. Объекты из каких материалов нельзя контролировать вихретоковыми методами?
а) из металлов и их сплавов;
б) из полупроводников;
в) из углеродных материалов;
г) из пластмасс.
34. Вихревые токи были открыты:
а) французским физиком Д. Арого;
б) английским исследователем М. Фарадеем;
в) французским ученым Л. Фуко;
г) русским академиком Э.Х. Ленцем.
35. Достоинством экранного накладного ВТП является:
а) простота конструкции;
б) большая чувствительность к толщине листов;
в) возможность раздельного контроля о и толщины тонких листов;
г) отсутствие влияния поперечных перемещений контролируемых листов.
36. Наибольшую чувствительность к локальным дефектам имеют ВТП:
а) внешние проходные;
б) внутренние проходные;
в) экранные проходные;
г) накладные.
37. Какие проходные ВТП, содержащие короткую измерительную катушку, имеют наибольшую чувствительность к поперечным перемещениям контролируемых цилиндрических объектов?
а) с длинной возбуждающей катушкой;
б) с возбуждающей катушкой типа колец Гельмгольца;
в) с короткой возбуждающей катушкой;
г) все проходные ВТП имеют одинаковую чувствительность к поперечным перемещениям цилиндрических ОК.
38. Чувствительность проходных ВТП к изменениям диаметра цилиндрических неферромагнитных объектов наибольшая:
646
ПРИЛОЖЕНИЯ
а) на низких частотах;
б) на средних частотах;
в) на высоких частотах;
г) чувствительность ВТП не зависит от частоты.
39. Какое из утверждений является правильным? Эффективная магнитная проницаемость проводящего неферромагнитного цилиндра:
а) уменьшается с увеличением диаметра;
б) уменьшается с уменьшением диаметра;
в) уменьшается с уменьшением частоты;
г) уменьшается с уменьшением удельной электрической проводимости.
40. Как изменяется магнитный поток в катушке с магнитопроводом, если при неизменных прочих условиях и питании от источника напряжения: 1) увеличить вдвое количество витков катушки; 2) увеличить вдвое частоту напряжения?
а) если 1, то уменьшится вдвое; если
2, то увеличится вдвое;
б) если 1, то увеличится вдвое; если
2, то увеличится вдвое;
в) если 1, то уменьшится вчетверо; если 2, то уменьшится вдвое;
г) если 1, то увеличится вдвое; если 2, то уменьшится вдвое.
41. В каком случае целесообразно применять дифференциальные проходные ВТП?
а) при контроле изменений диаметра цилиндрических изделий;
б) при контроле изменений толщины стенки труб;
в) при контроле удельной электрической проводимости;
г) при обнаружении дефектов.
42. С какой целью целесообразно применять дифференциальные накладные ВТП?
а) для обнаружения дефектов;
б) для контроля толщины проводящих листов;
в) для контроля удельной электрической проводимости;
г) для контроля толщины диэлектрических покрытий листов.
43. В чем заключается достоинство экранных накладных ВТП?
а) увеличивается чувствительность к толщине листов;
б) увеличивается чувствительность к удельной электрической проводимости;
в) увеличивается чувствительность к толщине диэлектрических покрытий листов;
г) уменьшается влияние поперечного перемещения контролируемых проводящих листов.
44. В чем заключается достоинство миниатюризации накладных ВТП?
а) увеличивается чувствительность к толщине проводящих листов;
б) увеличивается чувствительность к удельной электрической проводимости;
в) уменьшается влияние поперечного перемещения контролируемых проводящих листов;
г) улучшается локальность контроля.
45. Какой способ подавления влияния вариации удельной электрической проводимости основания можно применить при контроле толщины диэлектрических покрытий накладными ВТП?
а) увеличение радиуса ВТП;
б) уменьшение радиуса ВТП;
в) увеличение рабочей частоты ВТП;
г) уменьшение рабочей частоты ВТП.
46. В чем заключается основное преимущество трансформаторных ВТП по сравнению с параметрическими при контроле труб?
а) большая чувствительность к толщине стенки труб;
б) меньшее влияние температуры окружающей среды;
в) большая чувствительность к дефектам;
ПРИЛОЖЕНИЕ 10
647
г) большая чувствительность к удельной электрической проводимости.
47. При каком ВТП меньше влияние радиальных перемещений труб?
а) при наружном проходном ВТП с однородным полем;
б) при наружном проходном ВТП с короткими катушками;
в) при внутреннем проходном ВТП с короткими катушками;
г) при накладном параметрическом ВТП.
48. Для реализации амплитудного способа отстройки от влияния мешающего параметра не требуется:
а) усилитель;
б) компенсатор;
в) детектор;
г) фазовращатель.
49. Какой из изображенных на рис. 3 преобразователей соответствует проходному?
50. Какой из изображенных на рис. 3 преобразователей соответствует трансформаторному накладному?
51. Какой из изображенных на рис. 3 преобразователей соответствует экранному накладному?
52. Какой из изображенных на рис. 3 преобразователей соответствует параметрическому накладному?
53. Для чего используется подмагничивание постоянным магнитным полем при дефектоскопии ферромагнитных изделий?
а) для повышения абсолютного уровня сигнала от дефекта;
б) для уменьшения влияния постоянного магнитного поля Земли;
в) для уменьшения влияния изменений магнитной проницаемости;
г) для уменьшения влияния диаметра при контроле протяженных изделий.
54. Чем обычно создаются вихревые токи в объекте контроля?
а) постоянным магнитом;
б) трансформатором с замкнутым магнитопроводом;
в) катушкой с переменным током;
г) катушкой с постоянным током.
П га га
в)
П - преобразователь
ВО - возбуждающая обмотка ИО - измерительная обмотка ОК - объект контроля
Рис. 3
648
ПРИЛОЖЕНИЯ
55. При вихретоковом контроле ферромагнитных цилиндрических изделий на наличие поверхностных трещин могут быть заметны местные колебания магнитной проницаемости, оказывающие мешающее воздействие. Каким образом можно подавить этот мешающий эффект?
а) путем подмагничивания постоянным магнитным полем участка контроля до насыщения;
б) перемещением ОК через преобразователь с низкой скоростью;
в) использованием очень низкой частоты тока возбуждения преобразователя;
г) применением всех трех способов подавления одновременно.
56. Каково процентное содержание углерода в стали?
а) меньше 0,2 %;
б) меньше 2 %;
в) от 2 до 3 %;
г) от 3 до 4 %.
57. Низкоуглеродистые стали содержат углерод (%):
а) от 0,06 до 0,25 %;
б) от 0,5 до 1,6 %;
в) от 0,6 до 2,5 %;
г) от 5 до 16 %.
58. В большинстве вихретоковых приборов преобразователи возбуждаются током:
а) прямоугольной формы;
б) треугольной формы;
в) синусоидальной формы;
г) импульсной формы.
59. При использовании метода «точки» ожидаемый отклик может проявляться в виде смещения точки на экране ЭЛТ по:
а) вертикали;
б) горизонтали;
в) под улом 45° к горизонтали;
г) в любом направлении.
60. Метод эллипса особенно эффективно применим для контроля изделий:
а) цилиндрической формы;
б) с эллиптическим сечением;
в) коротких;
г) все ответы верны.
61. При использовании метода линейной временной развертки гармоники проявляются:
а) как фазовый сдвиг сигнала базовой формы;
б) как искажение базовой формы сигнала;
в) нет искажений формы сигнала;
г) как амплитудная модуляция.
62. Широкое распространение средств вихретокового контроля обусловлено главным образом:
а) бесконтактностью;
б) радиационной безопасностью и высокой приспосабливаемостью;
в) многопараметровостью и селективностью;
г) всем сказанным.
63. Дефекты на контрольных образцах для калибровки вихретоковых дефектоскопов обычно наносятся:
а) электроискровым способом;
б) фрезерованием;
в) сверлением;
г) напылением металлического слоя;
д) первыми тремя способами.
64. Калибровку вихретоковых толщиномеров покрытий проводят по:
а) двум точкам;
б) четырем точкам;
в) двум точкам на каждом диапазоне измерений;
г) заданному в техническом паспорте числу калибровочных точек.
65. Дефекты для калибровки вихретоковых дефектоскопов с проходными преобразователями выполняются обычно в виде:
а) поперечных рисок с равномерной глубиной по всему периметру контрольного образца;
б) продольных рисок с равномерной глубиной по всей длине контрольного образца;
в) продольных коротких рисок;
г) сверлений заданного диаметра и глубины;
ПРИЛОЖЕНИЕ 10
649
д) перечисленных в последних двух случаях.
66. Относительное перемещение объекта и ВТП имеет место при контроле:
а) статическом;
б) динамическом;
в) в обоих случаях.
67. Меры толщины для калибровки вихретоковых толщиномеров покрытий могут выполняться из материалов:
а) металлических;
б) диэлектрических;
в) углепластиков;
г) из всех перечисленных материалов.
68. При калибровке вихретоковых дефектоскопов с проходными преобразователями компенсацию начального напряжения следует проводить:
а) без контрольного образца;
б) на контрольном образце без дефекта;
в) на контрольном образце с дефектом.
69. При калибровке вихревых струк-туроскопов компенсацию начального напряжения следует проводить:
а) без контрольного образца;
б) на контрольном образце без дефекта;
в) на контрольном образце с дефектом;
г) допускается как случай а), так и случай б).
70. При калибровке вихретоковых толщиномеров покрытий установка нуля выполняется:
а) без контрольного образца;
б) на контрольном образце без покрытия;
в) на контрольном образце с покрытием минимальной толщины;
г) на контрольном образце с покрытием максимальной толщины.
71. Порог срабатывания вихретокового дефектоскопа устанавливают:
а) по контрольному образцу с дефектом заданной максимальной глубины;
б) без контрольного образца;
в) по контрольному образцу с дефектом заданной минимальной глубины;
г) глубина дефекта значения не имеет.
72. В вихретоковом дефектоскопе с амплитудным способом выделения сигна
лов фазу опорного напряжения устанавливают:
а) на контрольном образце с минимальным дефектом;
б) на контрольном бездефектном образце;
в) без контрольного образца;
г) такой операции производить не следует.
73. В дефектоскопе с амплитуднофазовым способом выделения сигнала фаза опорного напряжения выбирается с помощью:
а) контрольного образца на бездефектном участке;
б) фазовращателя при отсутствии контрольного образца;
в) фазовращателя на контрольном образце с дефектом;
г) фазовращателя на двух контрольных образцах: бездефектном и с дефектом.
74. Участок объекта признается дефектным, если сигнал дефектоскопа:
а) равен порогу срабатывания дефектоскопа;
б) меньше порога срабатывания дефектоскопа;
в) больше порога срабатывания дефектоскопа;
г) верны а) и б).
75. Диаметр контрольного образца с мерой толщины должен быть:
а) меньше диаметра ВТП;
б) равен диаметру ВТП;
в) превышать диаметр ВТП незначительно;
г) в 3-5 раз больше.
76. Какой глубины дефект можно выявить в диэлектрической пластине толщиной 5 мм с помощью накладного ВТП?
а) более 0, 1 мм;
б) любой глубины в пределах толщины пластины;
в) ВТП не пригоден для этой цели;
г) глубиной более половины толщины пластины.
77. В каком из указанных металлов можно выявить более глубоко залегаю
650
ПРИЛОЖЕНИЯ
щую подповерхностную трещину вихретоковым накладным преобразователем с заданной частотой f тока обмотки возбуждения?
а) в меди;
б) в бронзе;
в) в титане;
г) в алюминии.
78. Можно ли использовать вихретоковый метод для выявления дефектов в стальной проволоке, нагретой до 1000 °C?
а) можно, если колебания температуры проволоки не более 100 °C;
б) можно, если скорость перемотки проволоки не более 1 м/с;
в) нельзя;
г) можно, если использовать интенсивное охлаждение преобразователя.
79. Можно ли применить вихретоковый проходной преобразователь для дефектоскопии стальной проволоки при скорости перемотки 50... 100 м/с?
а) можно, если температура проволоки не превышает 50 °C;
б) можно, если диаметр проволоки не более 2 мм;
в) можно, если обеспечить отсутствие механического контакта проволоки и преобразователя;
г) нельзя в любом случае из-за влияния поперечных перемещений проволоки.
80. Можно ли использовать вихретоковый метод для дефектоскопии внутренней поверхности труб нефтепроводов, заполненных нефтью?
а) нельзя из-за изменений удельной электрической проводимости нефти;
б) можно, если температура нефти не более 15 °C;
в) можно, если скорость перемещения нефти не более 1 м/с;
г) можно, если выполнить прибор взрывобезопасным, с хорошей герметичностью.
81. Какова последовательность операций при настройке вихретокового дефектоскопа с проходным преобразовате
лем и амплитудным способом выделения информации?
а) - пометить контрольный образец (КО) в ВТП;
- установить нужный коэффициент усиления;
- установить «нуль» прибора;
- выполнить калибровку прибора по образцам с номинальными параметрами дефектов;
б) - установить «нуль» при отсутствии КО;
- поместить КО в ВТП;
- с помощью компенсатора добиться минимального влияния подавляемого параметра;
- выполнить калибровку прибора по образцам с минимальным и максимальным значениями глубины дефектов;
в) - установить «нуль» при отсутствии КО;
- поместить КО в ВТП;
- осуществить калибровку прибора по образцам с минимальными параметрами дефектов;
- настройкой компенсатора добиться минимального влияния подавляемого параметра;
г) - поместить бездефектный участок КО в ВТП;
- осуществить компенсацию начального сигнала ВТП;
- установить значения коэффициента усиления усилителя и порога срабатывания в соответствии с инструкцией по настройке прибора;
- перемещая внутри проходного преобразователя бездефектны й участок КО, проверить отсутствие срабатывания индикатора дефектности ОК;
- установить в ВТП дефектный участок КО. При перемещении этого участка индикатор дефектности объекта должен срабатывать.
82. Какова последовательность операций при настройке вихретокового изме
ПРИЛОЖЕНИЕ 10
651
рителя удельной электрической проводимости немагнитных металлических объектов?
а) - установить ВТП на контрольный образец, соответствующий нижней границе диапазона измерений; - ручкой «Нижний предел» на цифровом индикаторе установить указанное на образце значение удельной электрической проводимости;
- установить ВТП на контрольный образец, соответствующий верхней границе диапазона измерений;
- ручкой «Верхний предел» на цифровом индикаторе установить указанное на образце значение удельной электрической проводимости;
б) - осуществить установку «нуля» при отсутствии КО;
- установить ВТП на КО;
- установить компенсационное напряжение, соответствующее минимальному влиянию мешающего параметра;
- выполнить калибровку прибора по образцам с минимальным и максимальным значениями контролируемого параметра;
в) - установить ВТП на КО;
- установить «нуль» прибора;
- с помощью компенсатора установить напряжение, соответствующее минимальному влиянию мешающего параметра;
- выполнить калибровку прибора по образцам с номинальными значениями контролируемого параметра;
г) - установить «нуль» прибора при отсутствии КО;
- установить ВТП на КО;
- выполнить калибровку прибора по образцам с минимальным и максимальным значениями контролируемого параметра;
- установить компенсационное напряжение, соответствующее влиянию подавляемого параметра.
83. Какова последовательность операций при настройке вихретокового дефектоскопа с проходным преобразователем и амплитудно-фазовым способом выделения сигналов?
а) - скомпенсировать начальный сигнал преобразователя без КО;
- поместить КО в ВТП;
- с помощью фазорегулятора добиться подавления сигнала от поперечных перемещений контрольного образца внутри ВТП;
- осуществить калибровку прибора по образцу с минимальной глубиной дефекта;
б) - поместить КО с дефектом ВТП;
- с помощью компенсатора установить минимальное значение начального сигнала;
- осуществить калибровку прибора по образцам с минимальным и максимальным значениями глубины дефекта;
- с помощью фазорегулятора подавить сигнал от дефекта максимальной глубины;
в) - скомпенсировать начальный сигнал преобразователя без КО;
- поместить КО с номинальными параметрами дефекта в ВТП;
- осуществить калибровку прибора по образцу с номинальными параметрами дефекта;
- с помощью фазорегулятора провести отстройку от поперечных перемещений КО внутри преобразователя;
г) - поместить бездефектный участок КО в ВТП;
- скомпенсировать начальный сигнал ВТП;
- фазорегулятором установить такое положение фазы опорного сигнала, при котором сигнал от поперечного перемещения КО внутри преобразователя становится минимальным;
652
ПРИЛОЖЕНИЯ
- установить значение коэффициента усиления усилителя и порог срабатывания дефектоскопа в соответствии с инструкцией по настройке прибора. При этом индикатор дефектности объекта должен срабатывать при перемещении внутри преобразователя дефектного участка КО и не срабатывать - при перемещении бездефектного участка.
84. Можно ли проводить поиск неисправности источника питания вихретокового дефектоскопа при включенном приборе?
а) можно, если напряжение менее 1000 В;
б) можно, если проверяется напряжение на вторичной обмотке трансформатора;
в) запрещается;
г) можно, если проверяется напряжение на стабилизаторе.
85. Можно ли регулировать зазор между вихретоковым преобразователем и трубой в дефектоскопе с вращающимся ротором?
а) можно, если число оборотов менее 300 мин"1;
б) можно, если труба неподвижна;
в) можно, если труба движется со скоростью менее 0,1 м/с;
г) запрещается.
86. Электробезопасность должна обеспечиваться:
а) выполнением требований к конструкции вихретоковых приборов;
б) правильной организацией эксплуатации вихретоковых приборов;
в) современными техническими способами и средствами защиты;
г) всеми перечисленными мерами.
87. В каких случаях не может произойти поражение человека электрическим током?
а) прикосновение к изолированным токоведущим частям, находящимся под напряжением 40 В;
б) прикосновение к неизолированным токоведущим частям, находящимся под напряжением менее 50 В;
в) прикосновение к корпусу ВТ-при-бора в случае пробоя изоляции проводов питания на этот корпус;
г) во всех перечисленных случаях может произойти поражение человека электрическим током.
88. Как разделяются электроустановки по условиям электробезопасности?
а) на установки до 1 кВ включительно и выше 1 кВ;
б) на установки до 500 В и выше 500 В;
в) на установки до 380 В включительно и выше 380 В;
г) ни один из ответов не является правильным.
УРОВЕНЬ I Ответы на вопросы
1. Г 12. В 23. Г 34. а 45. В 56. б
2. б 13. г 24. г 35. г 46. б 57. а
3. г 14. г 25. б 36. г 47. а 58. в
4. б 15. в 26. г 37. в 48. г 59. г
5. а 16. в 27. а 38. г 49. б 60. г
6. б 17. г 28. б 39. а 50. г 61. б
7. в 18. г 29. б 40. в 51. в 62. г
8. б 19. а 30. в 41. г 52. а 63. д
9. а 20. г 31. а 42. а 53. в 64. г
10. б 21. г 32. г 43. г 54. в 65. д
11. в 22. а 33. г 44. г 55. а 66. б
ПРИЛОЖЕНИЕ 10
653
67. г 71. В 75. Г 79. В 83. Г 87. а
68. б 72. г 76. в 80. г 84. в 88. а
69. г 73. г 77. в 81. г 85. г
70. б 74. в 78. г 82. б 86. г
П10.3.2. Перечень вопросов для специалистов II уровня
1. Чему равно напряжение на зажимах аккумулятора с ЭДС 12 В и внутренним сопротивлением 1 Ом, подключенного к резистору с сопротилением 5 Ом?
а) 12 В;
б) 10 В;
в) 4 В;
г) 2 В.
2. Какой из перечисленных материалов имеет наибольшую удельную электрическую проводимость?
а) алюминий;
б) латунь;
в) медь;
г) серебро.
3. Какая кривая на рис. 1 соответствует зависимости магнитной проницаемости стали от напряженности магнитного поля?
а) кривая У;
б) кривая 2;
в) кривая 3;
г) кривая 4.
4. Какой магнитный поток возбуждается в тороидальном магнитопроводе, изготовленном из электротехнической стали, кривая намагничивания которой приведена на рис. 2, если длина средней линии кольца магнитопровода Zcp = 2 дм, площадь поперечного сечения магнитопровода 5 = 10 см2, ток в обмотке I = 5А, а количество витков обмотки W= 100?
а) 1,6- 10’3Вб;
б) 1,2 - 10’3 Вб;
в) 2 Вб;
г) 1,2 Вб.
5. Каким должен быть ток в обмотке тороидального магнитопровода из электротехнической стали, кривая намагничивания которой приведена на рис. 2, чтобы обеспечить магнитный поток в ней
Ф = 1,2-10’3 Вб, если длина средней линии кольца магнитопровода Zcp = 2 дм, площадь поперечного сечения магнитопровода S = 10 см2, а количество витков обмотки W = 100?
а) 0,5 А;
б) 1 А;
в) 5 А;
г) 10 А.
6. Объекты из каких материалов нельзя контролировать вихретоковыми методами?
654
ПРИЛОЖЕНИЯ
а) из металлов и сплавов;
б) из полупроводников;
в) из углеродных материалов;
г) из пластмасс.
7. Вихревые токи были открыты:
а) французским физиком Д. Арого;
б) английским исследователем М. Фарадеем;
в) французским ученым Л. Фуко;
г) русским академиком Э.Х. Ленцем.
8. Объектами вихретокового контроля не могут быть:
а) биметаллические прутки;
б) железнодорожные рельсы;
в) диэлектрические материалы;
г) атомные реакторы.
9. Наибольшую чувствительность к локальным дефектам имеют ВТП:
а) внешние проходные;
б) внутренние проходные;
в) экранные проходные;
г) накладные.
10. Какие проходные ВТП, содержащие короткую измерительную катушку, имеют наибольшую чувствительность к поперечным перемещениям контролируемых цилиндрических объектов?
а) с длинной возбуждающей катушкой;
б) с возбуждающей катушкой типа колец Гельмгольца;
в) с короткой возбуждающей катушкой;
г) все проходные ВТП имеют одинаковую чувствительность к поперечным перемещениям цилиндрических ОК.
U.K каким параметрам трубы внешний проходной ВТП имеет наибольшую чувствительность?
а) к изменениям удельной электрической проводимости;
б) к изменениям внешнего радиуса трубы;
в) к изменениям внутреннего радиуса трубы;
г) ко всем перечисленным параметрам чувствительность внешнего проходного ВТП одинакова.
12. Чувствительность проходных ВТП к изменениям диаметра цилиндрических неферромагнитных объектов наибольшая:
а) на низких частотах;
б) на средних частотах;
в) на высоких частотах;
г) чувствительность ВТП не зависит от частоты.
13. Какое из утверждений является правильным? Эффективная магнитная проницаемость проходного ВТП с проводящим электромагнитным цилиндром:
а) уменьшается с увеличением диаметра;
б) уменьшается с уменьшением диаметра;
в) уменьшается с уменьшением частоты;
г) уменьшается с уменьшением удельной электрической проводимости.
14. Как изменяется магнитный поток в катушке с магнитопроводом, если при неизменных прочих условиях и питании от источника напряжения: 1) увеличить вдвое количество витков катушки; 2) увеличить вдвое частоту напряжения?
а) если 1, то уменьшится вдвое, если
2, то увеличится вдвое;
б) если 1, то увеличится вдвое, если
2, то увеличится вдвое;
в) если 1, то уменьшится вчетверо; если 2, то уменьшится вдвое;
г) если 1, то увеличится вдвое, если 2, то уменьшится вдвое.
15. Как изменится ток / и магнитный поток Ф катушки с ферромагнитным магнитопроводом, если создать в нем очень большой немагнитный участок (зазор), а амплитуду приложенного переменного напряжения считать неизменной?
а) / уменьшится, Ф уменьшится;
б) I уменьшится, Ф увеличится;
в) / увеличится, Ф увеличится;
г) I увеличится, Ф уменьшится.
16. Как изменится ток I и магнитный поток Ф катушки с ферромагнитным магнитопроводом, если частота напряжения
ПРИЛОЖЕНИЕ 10
655
уменьшится до нуля, а значение напряжения при этом останется неизменным?
а) / уменьшится, Ф увеличится;
б) / уменьшится, Ф увеличится;
в) / увеличится, Ф увеличится;
г) / увеличится, Ф уменьшится.
17. В каком случае целесообразно применять дифференциальные проходные ВТП?
а) при контроле изменений диаметра цилиндрических изделий;
б) при контроле изменений толщины стенки труб;
в) при контроле удельной электрической проводимости;
г) при обнаружении дефектов.
18. В чем заключается достоинство экранных накладных ВТП?
а) увеличивается чувствительность к толщине листов;
б) увеличивается чувствительность к удельной электрической проводимости;
в) увеличивается чувствительность к толщине диэлектрических покрытий листов;
г) уменьшается влияние поперечного перемещения контролируемых проводящих листов.
19. В чем заключается достоинство миниатюризации накладных ВТП?
а) увеличивается чувствительность к толщине проводящих листов;
б) увеличивается чувствительность к удельной электрической проводимости;
в) уменьшается влияние поперечного перемещения контролируемых проводящих листов;
г) улучшается локальность контроля.
20. Какой способ подавления влияния вариации удельной электрической проводимости основания можно применить при контроле толщины диэлектрических покрытий накладными ВТП?
а) увеличение радиуса ВТП;
б) уменьшение радиуса ВТП;
в) увеличение рабочей частоты ВТП;
г) уменьшение рабочей частоты ВТП.
21. Какие меры следует принять при выборе параметров, способов включения и режима работы накладного ВТП для увеличения относительной чувствительности к узким поверхностным дефектам?
а) уменьшить радиус ВТП;
б) использовать дифференциальный ВТП;
в) увеличить рабочую частоту до максимально возможного значения;
г) уменьшить рабочую частоту до малых значений.
22. В чем заключается основное преимущество трансформаторных ВТП по сравнению с параметрическими при контроле труб?
а) большая чувствительность к толщине стенки труб;
б) меньшее влияние температуры окружающей среды;
в) большая чувствительность к дефектам;
г) большая чувствительность к удельной электрической проводимости.
23. При каком ВТП меньше влияние радиальных перемещений труб?
а) при наружном проходном ВТП с однородным полем;
б) при наружном проходном ВТП с короткими катушками;
в) при внутреннем проходном ВТП с короткими катушками;
г) при накладном параметрическом ВТП.
24. На каких частотах чувствительность к поверхностным дефектам с очень малым раскрытием наибольшая?
а) на низких частотах;
б) на средних частотах;
в) на высоких частотах;
г) на всех частотах чувствительность одинакова.
25. Как влияет напряженность магнитного поля на глубину проникновения электромагнитного поля в ферромагнитный объект?
а) глубина проникновения уменьшается;
656
ПРИЛОЖЕНИЯ
б) глубина проникновения увеличивается;
в) глубина проникновения может уменьшаться и может увеличиваться;
г) глубина проникновения от напряженности магнитного поля не зависит.
26. Если при использовании в вихретоковом приборе электронно-лучевой трубки на ее отклоняющие пластины подаются синусоидальные напряжения одинаковой амплитуды, сдвинутые на 90°, то на экране ЭЛТ появится изображение:
а) синусоиды;
б) прямой линии;
в) эллипса;
г) окружности.
27. Две одинаковые индуктивно связанные катушки, соединенные последовательно и встречно, подключены к источнику переменного напряжения. Как изменится ток в этой цепи, если эти катушки максимально приблизить друг к другу?
а) ток увеличится;
б) ток уменьшится;
в) ток не изменится;
г) ток станет равен нулю.
28. Какая из схем на рис. 3 может быть использована в качестве схемы сглаживающего фильтра?
а) обе схемы;
б) только схема рис. 3, а;
в) только схема рис. 3, б;
г) ни одна из схем рис. 3 не может быть использована в качестве схемы сглаживающего фильтра.
29. Как влияет увеличение зазора между контролируемой пластиной и па
раметрическим накладным ВТП на его сопротивление?
а) индуктивное сопротивление возрастает, а активное не изменяется;
б) индуктивное сопротивление уменьшается, а активное сопротивление не изменяется;
в) уменьшаются и активное, и индуктивное сопротивления;
г) индуктивное сопротивление увеличивается, а активное уменьшается.
30. Как изменяются активное R и индуктивное X сопротивления параметрического проходного ВТП с немагнитным ОК при увеличении коэффициента заполнения?
a) R уменьшается, X увеличивается;
б) R увеличивается, X уменьшается;
в) R и X уменьшаются;
г) R и X увеличиваются.
31. Какое преимущество имеет импульсный режим работы ВТП по сравнению с возбуждением синусоидальным током?
а) высокая чувствительность к дефектам;
б) высокая чувствительность к удельной электрической проводимости;
в) большое количество информативных параметров;
г) простота прибора.
32. Как зависит чувствительность к изменению удельной электрической проводимости ОК от частоты возбуждающего тока ВТП?
а) чем выше частота, тем больше чувствительность;
1 -
Сф 1 ^8* V О 1 < У вых о
а)
0)
О
^Вых
Рис. 3
ПРИЛОЖЕНИЕ 10
657
б) чем ниже частота, тем больше чувствительность;
в) чувствительность от частоты не зависит;
г) чувствительность максимальна при определенной частоте.
33. Как зависит чувствительность проходного ВТП к изменениям диаметра немагнитного прутка от частоты возбуждающего тока?
а) чем выше частота, тем больше чувствительность;
б) чем ниже частота, тем больше чувствительность;
в) чувствительность от частоты не зависит;
г) чувствительность максимальная при определенной частоте.
34. Как влияет скорость продольного перемещения в проходном ВТП контролируемых цилиндрических изделий?
а) с увеличением скорости напряжение возрастает;
б) с увеличением скорости напряжение уменьшается;
в) напряжение от скорости перемещения не зависит;
в)
П - преобразователь
ВО - возбуждающая обмотка ИО - измерительная обмотка ОК - объект контроля
г) напряжение с увеличением скорости может увеличиваться, а может уменьшаться.
35. Как влияет скорость продольного перемещения контролируемых листов по отношению к накладным ВТП на напряжение измерительной обмотки?
а) с увеличением скорости напряжение возрастает;
б) с увеличением скорости напряжение уменьшается;
в) напряжение от скорости перемещения не зависит;
г) напряжение с увеличением скорости может увеличиваться, а может уменьшаться.
36. Какой из изображенных на рис. 4 преобразователей соответствует проходному?
37. Какой из изображенных на рис. 4 преобразователей соответствует трансформаторному накладному?
38. Какой из изображенных на рис. 4 преобразователей соответствует экранному накладному?
39. Какой из изображенных на рис. 4 преобразователей соответствует параметрическому накладному?
ОК
г)
Рис. 4
22 - 8193
658
ПРИЛОЖЕНИЯ
40. Если установить накладной параметрический преобразователь на массивный электропроводящий лист из немагнитного материала, то:
а) его индуктивность (Z) и активное сопротивление (R) уменьшаются;
б) L возрастает, a R уменьшается;
в) L и R не изменяются;
г) L уменьшится, a R увеличится;
д) правильного ответа нет.
41. Тот же вопрос, но ОК магнитный:
a) L и R увеличатся;
б) L увеличится, R уменьшится;
в) L уменьшится, R увеличится;
г) правильны оба ответа а) и в).
42. Какое соотношение между частотой возбуждения fBO36 преобразователя и собственной резонансной частотой /0 его возбуждающей катушки правильно?
а)/возб
б)Увозб ~7ch
в)Увозб «То,
г) среди приведенных ответов нет корректного.
43. Тот же вопрос по отношению к измерительной катушке.
44. Диапазон частот возбуждения ВТП вихретокового прибора у^озб = 1 ... 100 кГц. Какое соотношение для собственных резонансных частот возбуждающей f0 в и измерительной fo и обмоток допустимо?
а)/0.в = 1 кГц,/0 И = ЮО кГц;
б)/0.в= ЮГц,/о и= 15 Гц;
в)/о.в =/о.и = 50 кГц;
г)Ав= 400 кГЦ>/о.и = 600 кГц.
45. Метод высших гармоник для оценки структурного состояния рациональнее использовать при контроле:
а) объектов, которые можно рассматривать как плоские протяженные;
б) протяженных цилиндрических объектов (проволока, трубы большой длины и небольшого диаметра);
в) объектов небольшого размера сложной формы (шары, гайки и т.п.);
г) объектов любой формы и размеров.
46. Метод высших гармоник рациональнее использовать, применяя:
а) проходные преобразователи;
б) накладные преобразователи;
в) экранные накладные преобразователи;
г) любые преобразователи, так как никаких практических ограничений при использовании этого метода не существует.
47. С какой целью используется подмагничивание постоянным магнитным полем при дефектоскопии ферромагнитных изделий?
а) для повышения абсолютного уровня сигнала от дефекта;
б) для уменьшения влияния постоянного магнитного поля Земли;
в) для уменьшения влияния изменений магнитной проницаемости;
г) для уменьшения влияния диаметра при контроле протяженных изделий.
48. Какие характеристики режима контроля объектов изменяются при использовании постоянного подмагничивающего поля (проходной преобразователь)?
а) увеличивается обобщенный параметр контроля;
б) увеличивается глубина проникновения магнитного поля;
в) увеличивается значение коэффициента заполнения;
г) правильного ответа нет.
49. Во время вихретокового контроля ферромагнитных цилиндрических изделий на наличие поверхностных трещин могут быть заметны местные колебания магнитной проницаемости, оказывающие мешающее воздействие. Каким образом можно подавить этот мешающий эффект?
а) путем подмагничивания постоянным магнитным полем участка контроля до насыщения;
б) за счет низкой скорости перемещения ОК через преобразователь;
в) использованием очень низкой частоты тока возбуждения преобразователя;
г) за счет использования всех трех способов подавления одновременно.
ПРИЛОЖЕНИЕ 10
659
50. Какой из перечисленных случаев наиболее труден для обнаружения при вихретоковом контроле прутков проходным преобразователем?
а) короткая поверхностная трещина глубиной 10 % диаметра прутка;
б) небольшое включение в центре прутка;
в) 5 %-ные изменения диаметра;
г) 10 %-ные изменения удельной электрической проводимости.
51. Каково процентное содержание углерода в стали?
а) меньше 0,2 %;
б) меньше 2 %;
в) от 2 до 3 %;
г) от 3 до 4 %.
52. Низкоуглеродистые стали содержат углерод:
а) от 0,06 до 0,25 %;
б) от 0,5 до 1,6 %;
в) от 0,6 ло 2,5 %;
г) от 5 до 16 %.
53. Если в проходной трансформаторный ВТП поместить немагнитный электропроводящий цилиндр, то напряжение измерительной катушки:
а) увеличится;
б) останется неизменным;
в) уменьшится;
г) изменится по фазе на 90°.
54. Открытие электромагнитной индукции сделано:
а) Ленцем;
б) Максвеллом;
в) Фарадеем;
г) Фуко.
55. Чему равна глубина проникновения плоской волны электромагнитного поля в медную пластину (о = 57 МСм/м) на частоте/= 10 кГц:
а) 0,1 мм;
б) 0,2 мм;
в) 0,66 мм;
г) 6,6 мм.
56. Активное сопротивление катушки на постоянном токе зависит:
а) от материала проволоки;
б) от длины проволоки;
в) от площади поперечного сечения проволоки;
г) от всего перечисленного.
57. Чему равно полное сопротивление катушки на частоте 100 кГц, если ее L = 0,1 мГн, a R = 20 Ом?
а) 62,8 Ом;
б) 4343,8 Ом;
в) 628 Ом;
г) 65,9 Ом.
58. Использование накладного преобразователя с ферритовым сердечником позволяет:
а) увеличить абсолютную величину сигнала;
б) добиться хорошей температурной стабильности преобразователя;
в) увеличить собственную резонансную частоту преобразователя;
г) согласовать преобразователь с усилителем мощности.
59. Недостатком накладного преобразователя с ферритовым сердечником является:
а) более низкая температурная стабильность;
б) невозможность использования преобразователя в широком диапазоне частот;
в) более высокая температурная стабильность;
г) правильного ответа нет.
60. Какой способ можно рекомендовать как наиболее целесообразный для обработки сигнала вихретокового структуроскопа неферромагнитных изделий с отстройкой от влияния изменений зазора?
а) амплитудный;
б) амплитудно-фазовый;
в) фазовый;
г) необходимо использовать все способы.
61. Как определить глубину проникновения вихревых токов, индуцированных возбуждающей катушкой (радиуса /?в) накладного преобразователя?
а) рассчитать по формуле
22'
660
ПРИЛОЖЕНИЯ
5» =----у-- =, где 8» = —;
Лв>/(ОЦаО Лв
б) рассчитать по формуле
S-
в) рассчитать по формуле
г) построить график распределения вихревых токов по глубине ОК и из этого графика определить 5.
Здесь ра = - абсолютная маг-
нитная проницаемость; о - удельная электрическая проводимость материала ОК; со - угловая частота тока возбуждения.
62. Глубину проникновения вихревых токов 8, созданных возбуждающей катушкой радиуса RB, можно рассчитать по формуле
2
где со - угловая частота возбуждающего тока; ца,а - электромагнитные параметры ОК,
при условии:
а)8>Яв;
6)8<ДВ;
в) 8 « Яв;
г) эта формула верна всегда и никаких оговорок не требует.
63. Основные преимущества экранного накладного преобразователя по сравнению с накладным заключаются в том, что:
а) конструктивное решение проще;
б) чувствительность к параметрам ОК выше;
в) малая чувствительность к перемещениям ОК;
г) правильного ответа нет.
64. При амплитудно-фазовом методе отстройки от влияния мешающих параметров используют проекцию вектора сигнала на вектор, совпадающий по фазе:
а) с вектором тока возбуждающей катушки;
б) с вектором напряжения возбуждающей катушки;
в) с вектором влияния мешающего фактора;
г) с вектором, перпендикулярным вектору влияния мешающего фактора.
65. Амплитудно-фазовый метод отстройки от влияния мешающих факторов лучше использовать, если направление влияния измеряемого параметра:
а) совпадает на комплексной плоскости с направлением вектора тока возбуждающей катушки;
б) образует с направлением влияния мешающего параметра угол 3 ... 10°;
в) образует с направлением влияния мешающего параметра угол 35... 90°; г) образует с направлением влияния мешающего параметра угол 1... 3°.
66. Типовыми блоками приборов вихретокового контроля могут быть: 1) генератор гармонического напряжения; 2) усилитель мощности; 3) блок датчика с компенсатором; 4) усилитель; 5) фазочувствительный выпрямитель; 6) амплитудный детектор; 7) ограничитель; 8) фазовращатель; 9) фазовый детектор; 10) индикаторный блок; 11) частотный детектор; 12) микропроцессор; 13) однокатушечный датчик, включенный в контур автогенератора; 14) однокатушечный датчик, включенный в одно из плеч моста переменного тока.
Какие из блоков обычно используют в приборах с амплитудно-фазовым методом выделения полезной информации и подавления влияния мешающей?
а) 1,2, 3,4, 6, 12;
б) 1,2, 3, 4, 7, 9, 12;
в) 1,2, 3,4, 8,9, 10;
г) 1,2, 3,4, 7, 5, 11.
67. Какие из указанных в вопросе 66 блоков обычно используют в приборах с амплитудным методом выделения полезной информации?
ПРИЛОЖЕНИЕ 10
661
а) 1,2, 3,4, 6, 10;
б) 1,2, 3,4, 7, 9, 10;
в) 1,2,3,4, 5, 8, 10;
г) 1,2, 3,4, 7, 5,11;
д) 1,2, 3,4, 6, 8, 10.
68. Какие из указанных в вопросе 66 блоков обычно используют в приборах с фазовым методом выделения полезной информации?
а) 1,2, 3,4, 6, 12:
б) 1,2, 3,4, 7, 9, 10;
в) 1,2, 3,4, 5, 8,10
г) 1,2, 3,4, 7, 5, 11;
д) 1,2, 3,4, 6, 8, 10.
69. Какие из указанных в вопросе 66 блоков обычно используют в приборах с частотным методом выделения полезной информации?
а) 14, 2,3,4, 6, 9, 10, 12;
б) 1,2,3,4, 7,9, 10;
в) 14, 1,4, 6, 12;
г) 13,4, 11, 10;
д) верны а) и г);
е) верны в) и г).
70. Амплитудно-фазовый метод позволяет выделить полезную информацию при вихретоковом контроле и ослабить влияние мешающей, так как используются два параметра гармонического сигнала -амплитуда и фаза.
Возможно ли амплитудным (или фазовым) методом выделения полезной информации ослабить влияние мешающего параметра?
а) да, если при изменении мешающего параметра изменятся и амплитуда, и фаза сигнала, а при изменении контролируемого параметра изменяется лишь амплитуда (фаза);
б) да, если при изменении мешающего параметра изменяется лишь фаза (амплитуда) сигнала;
в) нет, так как используется только один параметр сигнала;
г) верно а) и б).
71. Какой диапазон значений обобщенного параметра контроля X(X = RJgvqq) лучше использовать для
разделения по маркам немагнитных прутков радиуса R ± &R и средним значением удельной электрической проводимости а при амплитудно-фазовом методе контроля:
а) А"= 0,1... 1 %;
б)Х=2...6%;
в)Х= 6,5... 10 %;
г)Х> 10%;
д) при б) и в).
72. Какой диапазон значений обобщенного параметра контроля Х(Х = целесообразно исполь-
зовать для измерения прутков диаметра 2R из различных марок немагнитных сталей со значением удельной электрической проводимости а ± Ас?
а)X = 0,1... 1,5 (амплитудный метод);
б) X = 2 ... 6 (амплитудно-фазовый метод);
в) Х> 8 (амплитудный метод);
г) верно а) и б).
73. Если обобщенный параметр контроля X = Ry[apQG > 10, то угол между направлениями влияния диаметра 2R и удельной электрической проводимостью о близок к максимальному значению 45°.
Какой метод целесообразно использовать при выделении информации об изменении диаметра?
а) фазовый метод, так как при таком значении X чувствительность по фазе достаточна;
б) амплитудно-фазовый метод, чтобы подавить влияние изменений структуры;
в) амплитудный метод, так как при Х> 10 чувствительность к изменению о мала и влияние ее изменений обычно невелико;
г) можно а) и в);
д) можно б) и в).
74. Имеются три комплекта образцов с различными значениями удельной электрической проводимости: а) аттестованный Госстандартом с погрешностью ±2 %; б) измеренный с помощью двойного
662
ПРИЛОЖЕНИЯ
моста постоянного тока с погрешностью ± 1 %; в) комплект, подготовленный с помощью прибора фирмы «Фишер» (погрешность ±3 %).
Какой из комплектов можно использовать для ежегодной поверки прибора для измерения о с погрешностью ±5 %?
а) только комплект 1;
б) только комплект 2;
в) только комплект 3;
г) комплект 1 или 2;
д) комплект 2 или 3.
75. Главное требование к токам ВТП в двухчастотных приборах - это:
а) оптимальная, обычно большая разница частот;
б) кратность частот;
в) когерентность токов:
г) несинфазность.
76. Решающее извлечение информации из сигнала происходит обычно в блоках:
а) формирователей сигналов;
б) цепей балансировки;
в) амплитудно-фазового детектора;
г) индикации и регистрации.
77. Большинство вихретоковых приборов имеют возбуждение преобразователя током:
а) прямоугольной формы;
б) треугольной формы;
в) синусоидальной формы;
г) импульсной формы.
78. При использовании метода «точки» ожидаемый отклик может проявляться в виде смещения точки на экране ЭЛТ по:
а) вертикали;
б) горизонтали;
в) под углом 45° к горизонтали;
г) в любом направлении.
79. Метод эллипса особенно эффективно применим для контроля изделий:
а) цилиндрической формы;
б) с эллиптическим сечением;
в) коротких;
г) все ответы верны.
80. При использовании метода линейной временной развертки гармоники проявляются:
а) как фазовый сдвиг сигнала базовой формы;
б) как искажение базовой формы сигнала;
в) без искажений формы сигнала;
г) как амплитудная модуляция.
81. В импульсных вихретоковых приборах, использующих короткие и длинные импульсы, короткие импульсы применяются для ослабления:
а) краевого эффекта;
б) поверхностного эффекта;
в) влияния скорости;
г) влияния зазора.
82. Широкое распространение средств вихретокового контроля обусловлено главным образом:
а) бесконтактностью;
б) радиационной безопасностью и высокой приспосабливаемостью;
в) многопараметровостью и селективностью;
г) всем сказанным.
83. Многопараметровость всегда является достоинством вихретокового контроля:
а) да, но в сочетании с бесконтактностью;
б) да, всегда;
в) нет, не всегда;
г) многопараметровость - это недостаток.
84. В каком из указанных металлов можно выявить более глубоко залегающую подповерхностную трещину вихретоковым накладным преобразователем с заданной частотой f тока обмотки возбуждения?
а) в меди;
б) в бронзе;
в) в титане;
г) в алюминии.
85. Можно ли использовать вихретоковый метод для выявления дефектов в стальной проволоке, нагретой до 1000 °C?
а) можно, если колебания температуры проволоки не более 100 °C;
б) можно, если скорость перемотки проволоки не более 1 м/с;
ПРИЛОЖЕНИЕ 10
663
в) нельзя;
г) можно, если использовать интенсивное охлаждение преобразователя.
86. Можно ли применить вихретоковый проходной преобразователь для дефектоскопии стальной проволоки при скорости перемотки 50... 100 м/с?
а) можно, если температура проволоки не превышает 50 °C;
б) можно, если диаметр проволоки не более 2 мм;
в) можно, если обеспечить отсутствие механического контакта проволоки и преобразователя;
г) нельзя в любом случае из-за влияния поперечных перемещений проволоки.
87. Можно ли использовать вихретоковый метод для дефектоскопии внутренней поверхности труб нефтепроводов, заполненных нефтью?
а) нельзя из-за изменений удельной электрической проводимости нефти;
б) можно, если температура нефти не более 15 °C;
в) можно, если скорость перемещения нефти не более 1 м/с;
г) можно, если выполнить конструкцию прибора во взрывобезопасном исполнении с хорошей герметичностью.
88. В каком государственном стандарте нормируются основные технические характеристики дефектоскопов?
а) ГОСТ 8.283-78 «Дефектоскопы электромагнитные. Методы и средства поверки»;
б) ГОСТ 23048-83 «Преобразователи вихретоковые. Общие технические требования»;
в) ГОСТ 26697-85 «Дефектоскопы магнитные и вихретоковые»;
г) ни в одном из перечисленных ГОСТов.
89. ГОСТ 8.283-78 «Дефектоскопы электромагнитные. Методы и средства поверки» не распространяется на дефектоскопы, работающие в диапазоне частот:
а) не более 1 МГц;
б) не более 500 кГц;
в) от 1 до 10 кГц;
г) от 300 до 900 кГц.
90. Положительные результаты государственной поверки дефектоскопов оформляются:
а) клеймением дефектоскопа и оформлением протокола поверки;
б) только оформлением протокола;
в) записью в выпускном аттестате (паспорте).
91. Сколько основных параметров вихретоковых дефектоскопов нормируется в ГОСТ 26697-85 «Дефектоскопы магнитные и вихретоковые. Общие технические требования»?
а) десять;
б) пять;
в) двенадцать для дефектоскопов с накладными преобразователями и тринадцать с проходными;
г) двенадцать для каждого типа преобразователей.
92. Сколько ступеней качества продукции предусмотрено в изменении № 1 и ГОСТ 26697-85 «Дефектоскопы магнитные и вихретоковые. Общие технические требования»?
а) пять;
б) две;
в) три;
г) одна.
93. Порог чувствительности дефектоскопа в ГОСТ 26697-85 «Дефектоскопы магнитные и вихретоковые. Общие технические требования» определяется по размерам:
а) контрольного образца;
б) естественной трещины на реальной детали;
в) искусственной риски на контрольном образце;
г) меры удельной электрической проводимости.
94. Укажите один из технических параметров вихретокового преобразователя, который нормируется в ГОСТ 23048-83
664
ПРИЛОЖЕНИЯ
«Преобразователи вихретоковые. Общие технические требования»:
а) частота тока возбуждения;
б) индуктивность первичной и вторичной обмоток преобразователя;
в) мощность потребляемой энергии;
г) значение максимального допускаемого отношения разности напряжений вторичных обмоток дифференциального преобразователя к напряжению на одной из вторичных обмоток.
95. Укажите один их технических параметров вихретокового преобразователя, который нормируется в ГОСТ 23048-83 «Преобразователи вихретоковые. Общие технические требования»:
а) коэффициент трансформации преобразователя;
б) внутренний диаметр проходных преобразователей;
в) длина соединительного кабеля;
г) действующее значение напряжения на концах вторичной обмотки без контролируемого объекта.
96. Как нормируется предел допустимой основной погрешности вихретоковых толщиномеров покрытий в ГОСТ 26737-85 «Толщиномеры покрытий магнитные и вихретоковые. Общие технические требования»?
а) (0,03^ + 0,5) мкм, где X - значение измеряемой толщины покрытий;
б) 0,03ЛГ мкм, где X - верхнее значение диапазона;
в) (0,1^ + 1) мкм, где X - значение измеряемой толщины покрытия;
г) А мкм; А - значение предела допустимой погрешности.
97. По ГОСТ 26737-85 «Толщиномеры покрытий магнитные и вихретоковые. Общие технические требования» время одного измерения толщины в заданной точке не превышает:
а) Юс;
б) 1 с;
в) 5 с.
98. По ГОСТ 26737-85 «Толщиномеры покрытий магнитные и вихретоковые. Общие технические требования» диаметр зоны измерения толщиномеров с верхним значением диапазона измеряемых толщин до 1 мм не превышает:
а) 5 мм;
б) 10 мм;
в) 2,5 мм;
г) 1 мм.
99. Дефекты на контрольных образцах для калибровки вихретоковых дефектоскопов обычно наносятся:
а) электроискровым способом;
б) фрезерованием;
в) сверлением;
г) напылением металлического слоя;
д) первыми тремя способами.
100. Калибровку вихретоковых толщиномеров покрытий выполняют по:
а) двум точкам;
б) четырем точкам;
в) двум точкам на каждом диапазоне измерений;
г) заданному техническим паспортом числу калибровочных точек.
101. Дефекты для калибровки вихретоковых дефектоскопов с проходными преобразователями выполняются обычно в виде:
а) поперечных рисок с равномерной глубиной по всему периметру контрольного образца;
б) продольных рисок с равномерной глубиной по всей длине контрольного образца;
в) продольных коротких рисок;
г) сверлений заданного диаметра и глубины;
д) перечисленных в последних двух случаях.
102. Относительное перемещение объекта и ВТП имеет место при контроле:
а) статическом;
б) динамическом;
в) в обоих случаях.
103. Меры толщины для калибровки вихретоковых толщиномеров покрытий могут выполняться из материалов:
ПРИЛОЖЕНИЕ 10
665
а) металлических;
б) диэлектрических;
в) углепластиков;
г) из всех перечисленных материалов.
104. При калибровке вихретоковых дефектоскопов с проходными преобразователями компенсацию начального напряжения следует проводить:
а) без контрольного образца;
б) на контрольном образце без дефекта;
в) на контрольном образце с дефектом.
105. При калибровке вихретоковых структуроскопов компенсацию начального напряжения следует проводить:
а) без контрольного образца;
б) на контрольном образце без дефекта;
в) на контрольном образце с дефектом;
г) допускаются как случай а), так и случай б).
106. При калибровке вихретоковых толщиномеров покрытий установка нуля проводится:
а) без контрольного образца;
б) на контрольном образце без покрытия;
в) на контрольном образце с покрытием минимальной толщины;
г) на контрольном образце с покрытием максимальной толщины.
107. Порог срабатывания вихретокового дефектоскопа устанавливают:
а) по контрольному образцу с дефектом заданной максимальной глубины;
б) без контрольного образца;
в) по контрольному образцу с дефектом заданной минимальной глубины;
г) глубина дефекта значения не имеет.
108. В вихретоковом дефектоскопе с амплитудным способом выделения сигналов фазу опорного напряжения устанавливают:
а) на контрольном образце с минимальным дефектом;
б) на контрольном бездефектном образце;
в) без контрольного образца;
г) такой операции проводить не следует.
109. В дефектоскопе с амплитуднофазовым способом выделения сигнала фаза опорного напряжения выбирается с помощью:
а) контрольного образца без дефекта;
б) фазовращателя при отсутствии контрольного образца;
в) фазовращателя и двух контрольных образцов: бездефектного и с дефектом.
ПО. Участок изделия признается дефектным, если сигнал дефектоскопа:
а) равен порогу срабатывания дефектоскопа;
б) меньше порога срабатывания дефектоскопа;
в) больше порога срабатывания дефектоскопа;
г) верны ответы а) и б).
111. Диаметр контрольного образца с мерой толщины должен быть:
а) меньше диаметра ВТП;
б) равен диаметру ВТП;
в) превышать диаметр ВТП незначительно;
г) быть в 3-5 раз больше.
112. Можно ли проводить поиск неисправности источника питания вихретокового дефектоскопа при включенном приборе:
а) можно, если напряжение менее 1000 В;
б) можно, если проверяется напряжение на вторичной обмотке трансформатора;
в) запрещается;
г) можно, если проверяется напряжение на стабилизаторе.
113. Можно ли регулировать зазор между ВТП и трубой в дефектоскопе с вращающимся ротором:
а) можно, если число оборотов менее 300 мин’1;
б) можно, если труба неподвижна;
в) можно, если труба движется со скоростью менее 0,1 м/с;
г) запрещается.
114. Электробезопасность должна обеспечиваться:
666
ПРИЛОЖЕНИЯ
а) выполнением требований к конструкции ВТ-приборов;
б) правильной организацией эксплуатации ВТ-приборов;
в) современными техническими способами и средствами защиты;
г) всеми перечисленными мерами.
115. В каких случаях не может произойти поражение человека электрическим током?
а) прикосновение к изолированным токоведущим частям, находящимся под напряжением 40 В;
б) прикосновение к неизолированным токоведущим частям, находящимся под напряжением менее 50 В;
в) прикосновение к корпусу ВТ-при-бора в случае пробоя изоляции проводов питания на этот корпус;
г) во всех перечисленных случаях может произойти поражение человека электрическим током.
116. Как разделяются электроустановки по условиям электробезопасности?
а) на установки до 1 кВ включительно и выше 1 кВ;
б) на установки до 500 В и выше
500 В;
в) на установки до 380 В включительно и выше 380 В;
г) ни один из ответов не является правильным.
117. На какие классы подразделяются электротехнические изделия по способу защиты людей от поражения электрическим током?
а) на четыре класса: 0,1, II и III;
б) на три класса: I, II и III;
в) на пять классов: 0, 01,1, II и III;
г) на пять классов: I, II, III, IV и V.
118. Какое воздействие оказывает электрический ток на организм человека?
а) только термическое;
б) термическое и механическое;
в) электрическое;
г) термическое, электрическое, биологическое и механическое.
УРОВЕНЬ II Ответы на вопросы
1. б 21. а 41. а 61. а 81. Г 101. д
2. г 22. б 42. в 62. б 82. г 102. б
3. б 23. а 43. в 63. в 83. в 103. г
4. а 24. б 44. г 64. г 84. в 104. б
5. б 25. г 45. б 65. в 85. г 105. г
6. г 26. г 46. а 66. в 86. в 106. б
7. а 27. б 47. в 67. а 87. г 107. в
8. в 28. в 48. б 68. б 88. в 108. г
9. г 29. в 49. а 69. г 89. б 109. в
10. в 30. г 50. б 70. б 90. а ПО. в
11. б 31. в 51. б 71. б 91. в 111. г
12. в 32. г 52. а 72. в 92. в 112. в
13. а 33. а 53. в 73. в 93. в 113. г
14. в 34. г 54. в 74. а 94. г 114. г
15. г 35. г 55. б 75. а 95. г 115. а
16. в 36. б 56. г 76. в 96. а 116. а
17. г 37. г 57. г 77. в 97. в 117. в
18. г 38. в 58. а 78. г 98. в 118. б
19. г 39. а 59. а 79. г 99. д
20. в 40. г 60. в 80. б 100. г
ПРИЛОЖЕНИЕ 10
667
П10.3.3. Перечень вопросов для специалистов III уровня
1. Какая кривая на рис. 1 соответствует зависимости магнитной проницаемости стали от напряженности магнитного поля?
а) кривая /;
б) кривая 2;
в) кривая 3;
г) кривая 4.
2. Каким должен быть ток в обмотке тороидального магнитопровода из электротехнической стали, кривая намагничивания которой приведена на рис. 2, чтобы обеспечить магнитный поток в ней Ф = 1,2-10’3 Вб, если длина средней линии
кольца магнитопровода /ср = 2 дм, площадь поперечного сечения магнитопровода S = 10 см2, а количество витков обмотки 100?
а) 0,5 А;
б) 1 А;
в) 5 А;
г) 10 А.
3. Наибольшую чувствительность к локальным дефектам имеют ВТП:
а) внешние проходные;
б) внутренние проходные;
в) экранные проходные;
г) накладные.
4. Какие проходные ВТП, содержащие короткую измерительную катушку, имеют наибольшую чувствительность к поперечным перемещениям контролируемых цилиндрических объектов?
а) с длинной возбуждающей катушкой;
б) с возбуждающей катушкой типа колец Гельмгольца;
в) с короткой возбуждающей катушкой;
г) все проходные ВТП имеют одинаковую чувствительность к поперечным перемещениям цилиндрических ОК.
5. Какой магнитный поток возбуждается в тороидальном магнитопроводе, изготовленном из электротехнической стали, кривая намагничивания которой приведена на рис. 2, если длина средней линии кольца магнитопровода /ср = 2 дм, площадь поперечного сечения магнитопровода S = 10 см2, ток в обмотке I = 5А, а количество витков обмотки W= 100?
а) 1,6- 10'3 Вб;
б) 1,2- 10’3Вб;
в) 2 Вб;
г) 1,2 Вб.
6. На какой из позиций (а - д) рис. 3 правильно показано распределение плотности вихревых токов по поверхности ОК?
7. На какой позиции (а-д) рис. 4 правильно изображено распределение плотности вихревых токов по сечению ОК (цилиндр)?
668
ПРИЛОЖЕНИЯ
Рис. 5
8. На какой позиции (а-г) рис. 5 правильно изображено распределение напряженности магнитного поля по сечению 1-1 для преобразователя с возбуждающей катушкой в виде соленоида для немагнитного цилиндрического ОК?
9. Указать график зависимости (рис. 6) относительного напряжения
сигнала измерительной обмотки проходного преобразователя для 1 % приращения диаметра ОК в зависимости от частоты?
10. Тот же вопрос для 1 % приращения о (см. рис. 6 к вопросу 9).
11. Указать график зависимости относительного сигнала (bUIU^ измерительной обмотки накладного преобразователя
ПРИЛОЖЕНИЕ 10
669
Рис. 6
для 1 % приращения зазора в зависимости от частоты (см. рис. 6 к вопросу 9).
12. Как и в вопросе 11, но для 1 % приращения о (см. рис. 6 к вопросу 9).
13. В каком диапазоне значений обобщенного параметра контроля (Р = = /?^/copoc) накладного ВТП чувствительность к удельной электрической проводимости материала ОК (массивный лист) максимальна?
а)Р = 0,1 ...0,3;
б)Р = 2...6;
в)Р = 8...24;
г) р > 50.
14. Если поставить накладной параметрический преобразователь на массивный лист из немагнитного материала, то:
а) его индуктивность (£) и активное сопротивление (R) уменьшаются;
б) L возрастает, a R уменьшается;
в) L и R не изменяются;
г) L уменьшается, a R увеличивается;
д) правильного ответа нет.
15. Тот же вопрос, но ОК магнитный:
a) L и R увеличиваются;
б) L и R не изменятся;
в) L увеличивается, a R уменьшается; г) L уменьшается, a R увеличивается;
д) вопрос не имеет однозначного ответа.
16. Ток возбуждения проходного преобразователя структуроскопа ферромагнитных материалов /в = Im sin со/.
Какая из приведенных формул для напряжения измерительной катушки правильна?
a) U = UmX sin(cor + <pj) ;
б) U = Um} sin(co Z + ф!) +
+ Um2 sin(2co t + ф2 ) +
+ Um3 sin(3co t + ф3) +...;
в) (7 = (7о+С7,Л|8т(соГ4-ф1);
= 2jt+1sin[(2A + l)io/+<p2*+1].
17. Тот же вопрос, но для неферромагнитных материалов. Варианты ответов, как в вопросе 16.
18. Какое соотношение для частоты возбуждения преобразователя и собственной резонансной частоты fQ его возбуждающей катушки правильно?
&) Аозб
tyfavsb ® А»
В)7возб «/()>
г) среди приведенных ответов нет корректного.
19. Тот же вопрос по отношению к измерительной катушке.
20. Диапазон частот возбуждения ВТП вихретокового прибора fB036 = 1 ... 100 кГц. Какое соотношение для собственных резонансных частот возбуждающей f0 в и измерительной f0 и обмоток допустимо?
а)А.в= 1 кГц,Аи = ЮО кГц;
б) Ав = 10 Гц,Л и = 15 кГц;
в)Л.в==Аи = 50 кГц;
г) Ав = 400 кГц, Аи = 6Q0 кГц.
21. Собственная резонансная частота измерительной катушки 600 кГц (собственная емкость 50 пФ), частота тока возбуждения 50 кГц. Какой наибольшей дли
670
ПРИЛОЖЕНИЯ
ны можно использовать кабель (погонная емкость 50 пФ/м) для соединения преобразователя с прибором? (Отношение резонансной частоты катушки к частоте возбуждения/возб равно/рез//возб = 4... 5.)
а) 4 м;
б) 6 м;
в) 8 м;
г) 10 м.
22. Метод высших гармоник рациональнее использовать, применяя:
а) проходные преобразователи;
б) накладные преобразователи;
в) экранные накладные преобразователи;
г) любые преобразователи, так как никаких практических ограничений при использовании этого метода не существует.
23. Какие эффекты могут быть дополнительно использованы при контроле ферромагнитных изделий методом вихревых токов?
а) нелинейная зависимость В
б) эффект притяжения ферромагнитного ОК постоянным магнитом;
в) эффект Баркгаузена;
г) верны варианты а) и в).
24. Для чего используется подмагничивание постоянным магнитным полем при дефектоскопии ферромагнитных изделий?
а) для повышения абсолютного уровня сигнала от дефекта;
б) для уменьшения влияния постоянного магнита поля Земли;
в) для уменьшения влияния изменений магнитной проницаемости;
г) для уменьшения влияния изменения диаметра при контроле протяженных изделий.
25. Какими мерами можно повысить чувствительность при контроле подповерхностных дефектов ферромагнитных материалов с использованием проходных преобразователей?
а) понижением рабочей частоты;
б) использованием постоянного подмагничивающего поля;
в) повышением рабочей частоты;
г) уменьшением диаметров измерительной катушки;
д) верны варианты а) и б).
26. Какие характеристики режима контроля ферромагнитного ОК изменяются при использовании сильного постоянного подмагничивающего поля (проходной преобразователь)?
а) увеличивается значение обобщенного параметра контроля;
б) увеличивается значение глубины проникновения магнитного поля;
в) увеличивается значение коэффициента заполнения;
г) правильного ответа нет.
27. При проектировании усилителей мощности для структуроскопов ферромагнитных материалов каково требование к коэффициенту гармоник Я*г?
а) Кг должен быть больше 10 %;
б) Кг должен быть больше 2 %;
в) Кг должен быть меньше или равен
1 %;
г) Кг должен быть больше 2 %, но меньше 10 %.
28. Прибор для контроля ферромагнитных изделий с использованием метода высших гармоник может работать в режимах:
а) первой (1-й) гармоники;
б) третьей (3-й) гармоники;
в) совместного использования 1-й и
3-й гармоник;
г) пятой (5-й) гармоники;
д) использования всех гармоник;
е) все ответы правильные.
29. Недостатком накладного преобразователя с ферритовым сердечником является:
а) более низкая температурная стабильность;
б) невозможность использования преобразователя в широком диапазоне частот;
в) более высокая температурная стабильность;
г) правильного ответа нет.
ПРИЛОЖЕНИЕ 10
671
30. Для контроля глубины слоя 0,2 ... 0,5 мм немагнитного ОК имеются приборы с рабочими частотами:
а) 50 кГц;
б) 200 кГц;
в) 500 кГц;
г) 1 МГц.
Какой из приборов можно рекомендовать, если о=16 МСм/м?
31. Какое из утверждений является правильным? Эффективная магнитная проницаемость проходного ВТП с проводящим электромагнитным цилиндром:
а) уменьшается с увеличением диаметра;
б) уменьшается с уменьшением диаметра;
в) уменьшается с уменьшением частоты;
г) уменьшается с уменьшением удельной электрической проводимости.
32. Как изменяется магнитный поток в катушке с магнитопроводом, если при неизменных прочих условиях и питании от источника напряжения: 1) увеличить вдвое количество витков катушки; 2) увеличить вдвое частоту напряжения?
а) если 1, то уменьшится вдвое, если
2, то увеличится вдвое;
б) если 1, то увеличится вдвое, если
2, то увеличится вдвое;
в) если 1, то уменьшится вчетверо; если 2, то уменьшится вдвое;
г) если 1, то увеличится вдвое, если 2, то уменьшится вдвое.
33. Как изменится ток I и магнитный поток Ф катушки с ферромагнитным магнитопроводом, если создать в нем очень большой немагнитный участок (зазор), а амплитуду приложенного переменного напряжения считать неизменной?
а) I уменьшится, Ф уменьшится;
б) / уменьшится, Ф увеличится;
в) / увеличится, Ф увеличится;
г) / увеличится, Ф уменьшится.
34. Как изменится ток / и магнитный поток Ф катушки с ферромагнитным магнитопроводом, если частота напряжения уменьшится до нуля, а значение напряжения при этом останется неизменным?
а) 1 уменьшится, Ф уменьшится;
б) 1 уменьшится, Ф увеличится;
в) / увеличится, Ф увеличится;
г) / увеличится, Ф уменьшится.
35. В каком случае целесообразно применять дифференциальные проходные ВТП?
а) при контроле изменений диаметра цилиндрических изделий;
б) при контроле изменений толщины стенки труб;
в) при контроле удельной электрической проводимости;
г) при обнаружении дефектов.
36. В чем заключается достоинство миниатюризации накладных ВТП?
а) увеличивается чувствительность к толщине проводящих листов;
б) увеличивается чувствительность к удельной электрической проводимости;
в) уменьшается влияние поперечного перемещения контролируемых проводящих листов;
г) улучшается локальность контроля.
37. Какой способ подавления влияния вариации удельной электрической проводимости основания можно применить при контроле толщины диэлектрических покрытий накладными ВТП?
а) увеличение радиуса ВТП;
б) уменьшение радиуса ВТП;
в) увеличение рабочей частоты ВТП;
г) уменьшение рабочей частоты ВТП.
38. В чем заключается основное преимущество трансформаторных ВТП по сравнению с параметрическими при контроле труб?
а) большая чувствительность к толщине стенки труб;
б) меньшее влияние температуры окружающей среды;
в) большая чувствительность к дефектам;
672
ПРИЛОЖЕНИЯ
г) большая чувствительность к удельной электрической проводимости.
39. При каком ВТП меньше влияние радиальных перемещений труб?
а) при наружном проходном ВТП с однородным полем;
б) при наружном проходном ВТП с короткими катушками;
в) при внутреннем проходном ВТП с короткими катушками;
г) при накладном параметрическом ВТП
40. На каких частотах чувствительность к поверхностным дефектам с очень малым раскрытием наибольшая?
а) на низких частотах;
б) на средних частотах;
в) на высоких частотах;
г) на всех частотах чувствительность одинакова.
41. Если при использовании в вихретоковом приборе электронно-лучевой трубки на ее отклоняющие пластины подаются синусоидальные напряжения одинаковой амплитуды, сдвинутые на 90°, то на экране ЭЛТ появится изображение:
а) синусоиды;
б) прямой линии;
в) эллипса;
г) окружности.
42. Две одинаковые индуктивно связанные катушки, соединенные последовательно и встречно, подключены к источнику переменного напряжения.
Как изменится ток в этой цепи, если эти катушки максимально приблизить друг к другу?
а) ток увеличится;
б) ток уменьшится;
в) ток не изменится;
г) ток станет равен нулю.
43. Какая из схем на рис. 7 может быть использована в качестве схемы сглаживающего фильтра?
а) обе схемы;
б) только схема на рис. 7, а\
в) только схема на рис. 7, б;
г) ни одна из схем рис. 7 не может быть использована в качестве схемы сглаживающего фильтра.
44. Как влияет увеличение зазора между контролируемой пластиной и параметрическим накладным ВТП на его сопротивление?
а) индуктивное сопротивление возрастает, а активное не изменяется;
б) индуктивное сопротивление уменьшается, а активное сопротивление не изменяется;
в) уменьшаются и активное, и индуктивное сопротивления;
г) индуктивное сопротивление увеличивается, а активное уменьшается.
45. Как изменяются активное R и индуктивное X сопротивления параметрического проходного ВТП с немагнитным ОК при увеличении коэффициента заполнения?
a) R уменьшается, Xувеличивается;
б) R увеличивается, Xуменьшается;
в) R и Xуменьшаются;
г) R и Xувеличиваются.
а)
UffblX
7
О
Рис. 7
ПРИЛОЖЕНИЕ 10
673
46. Какое преимущество имеет импульсный режим работы ВТП по сравнению с возбуждением синусоидальным током?
а) высокая чувствительность к дефектам;
б) высокая чувствительность к удельной электрической проводимости;
в) большое количество информативных параметров;
г) простота прибора.
47. Как зависит чувствительность проходного ВТП к изменениям диаметра немагнитного прутка от частоты возбуждающего тока?
а) чем выше частота, тем больше чувствительность;
б) чем ниже частота, тем больше чувствительность;
в) чувствительность от частоты не зависит;
г) чувствительность максимальна при определенной частоте.
48. Как влияет скорость продольного перемещения в проходном ВТП контролируемых цилиндрических изделий?
а) с увеличением скорости напряжение возрастает;
б) с увеличением скорости напряжение уменьшается;
в) напряжение от скорости перемещения не зависит;
г) напряжение с увеличением скорости может увеличиваться, а может уменьшаться.
49. Как влияет скорость продольного перемещения контролируемых листов по отношению к накладным ВТП на напряжение измерительной обмотки?
а) с увеличением скорости напряжение возрастает;
б) с увеличением скорости напряжение уменьшается;
в) напряжение от скорости перемещения не зависит;
г) напряжение с увеличением скорости может увеличиваться, а может уменьшаться.
50. Какой из изображенных на рис. 8 преобразователей соответствует проходному?
51. Какой из изображенных на рис. 8 преобразователей соответствует трансформаторному накладному?
ВО - возбуждающая обмотка
ИО - измерительная обмотка г)
ОК - объект контроля
Рис. 8
674
ПРИЛОЖЕНИЯ
52. Какой из изображенных на рис. 8 преобразователей соответствует экранному накладному?
53. Какой из изображенных на рис. 8 преобразователей соответствует параметрическому накладному?
54. Метод высших гармоник для оценки структурного состояния рациональнее использовать при контроле:
а) объектов, которые можно рассматривать как плоские протяженные;
б) протяженных цилиндрических объектов (проволоки, труб большой длины и небольшого диаметра);
в) объектов небольшого размера сложной формы (шаров, гаек и т.п.);
г) объектов любой формы и размеров.
55. Метод высших гармоник рациональнее использовать, применяя:
а) проходные преобразователи;
б) накладные преобразователи;
в) экранные накладные преобразователи;
г) любые преобразователем, так как никаких практических ограничений при использовании этого метода не существует.
56. Во время вихретокового контроля ферромагнитных цилиндрических изделий на наличие поверхностных трещин могут быть заметны местные колебания магнитной проницаемости, оказывающие мешающее воздействие.
Каким образом можно подавить этот мешающий эффект?
а) путем подмагничивания постоянным магнитным полем участка контроля до насыщения;
б) за счет низкой скорости перемещения ОК через преобразователь;
в) использованием очень низкой частоты тока возбуждения преобразователя;
г) использованием всех трех способов подавления одновременно.
57. Какой из перечисленных случаев наиболее труден для обнаружения при вихретоковом контроле прутков проходным преобразователем?
а) короткая поверхностная трещина глубиной 10 % диаметра прутка;
б) небольшое включение в центре прутка;
в) 5 %-ные изменения диаметра;
г) 10 %-ные изменения удельной электрической проводимости.
58. Каково процентное содержание углерода в стали?
а) меньше 0,2 %;
б) меньше 2 %;
в) от 2 до 3 %;
г) от 3 до 4 %.
59. Низкоуглеродистые стали содержат углерод:
а) от 0,06 до 0,25 %;
б) от 0,5 до 1,6 %;
в) от 0,6 до 2,5 %;
г) от 5 до 16 %.
60. Если в проходной трансформаторный ВТП поместить немагнитный электропроводящий цилиндр, то напряжение измерительной катушки:
а) увеличится;
б) остается низменным;
в) уменьшится;
г) изменится по фазе на 90°.
61. Чему равна глубина проникновения плоской волны электромагнитного поля в медную платину (о = 57 МСм/м) на частоте/= 10 кГц?
а) 0,1 мм;
б) 0,2 мм;
в) 0,66 мм;
г) 6,6 мм.
62. Чему равно полное сопротивление катушки на частоте 100 кГц, если ее £ = 0,1 мГн, a R = 20 Ом?
а) 62,8 Ом;
б) 4343,8 Ом;
в) 628 Ом;
г) 65,9 Ом.
63. Использование накладного преобразователя с ферритовым сердечником позволяет:
а) увеличить абсолютную величину сигнала;
б) добиться хорошей температурной стабильности преобразователя;
ПРИЛОЖЕНИЕ 10
675
в) увеличить собственную резонансную частоту преобразователя;
г) согласовать преобразователь с усилителем мощности.
64. Недостатком накладного преобразователя с ферритовым сердечником является:
а) более низкая температурная стабильность;
б) невозможность использования преобразователя в широком диапазоне частот;
в) более высокая температурная стабильность;
г) правильного ответа нет.
65. Какой способ можно рекомендовать как наиболее целесообразный для обработки сигнала вихретокового струк-туроскопа неферромагнитных изделий с отстройкой от влияния изменений зазора?
а) амплитудный;
б) амплитудно-фазовый;
в) фазовый;
г) необходимо использовать все способы.
66. Как определить глубину проникновения вихревых токов, индуцированных возбуждающей катушкой (радиуса RB) накладного преобразователя?
а) рассчитать по формуле
я V2 _ 5
о* =---т= , где 8* = —;
б) рассчитать по формуле
S. :
V
в) рассчитать по формуле 8=A/c°iLloa;
г) построить график распределения вихревых токов по глубине ОК и из этого графика определить 8.
Здесь ца = - абсолютная маг-
нитная проницаемость; о - удельная электрическая проводимость материала ОК; со - угловая частота тока возбуждения.
67. Основные преимущества экранного накладного преобразователя по сравнению с накладным заключаются в том, что:
а) конструктивное решение проще;
б) чувствительность к параметрам ОК выше;
в) малая чувствительность к перемещениям ОК;
г) правильного ответа нет.
68. Амплитудно-фазовый метод отстройки от влияния мешающих факторов лучше использовать, если направление влияния измеряемого параметра:
а) совпадает на комплексной плоскости с направлением вектора тока возбуждающей катушки;
б) образует с направлением влияния мешающего параметра угол 3 ... 10°;
в) образует с направлением влияния мешающего параметра угол 35 ... 90°;
г) образует с направлением влияния мешающего параметра угол 1... 3°.
69. Глубина проникновения вихревых токов 8, созданных возбуждающей катушкой радиуса RB и длиной /в (ZB » R*) накладного преобразователя, можно опреде-
I 2
лить по формуле 8 = ------, если обоб-
щенный параметр Р:
а) Р < 1,5;
б)8<3;
в)8> 10;
г) эта формула верна всегда и никаких оговорок не требует.
70. Возможно ли на одной частоте обнаружение дефектов с ослаблением влияния изменений зазора, перекосов преобразователя и положения края ОК?
а) на одной частоте возможно ослабить лишь влияние изменений зазора;
б) на одной частоте можно ослабить влияние перекосов;
в) на одной частоте можно ослабить лишь влияние положения края;
616
ПРИЛОЖЕНИЯ
г) изменение всех указанных мешающих параметров в первом приближении обусловливает одинаковый фазовый угол на годографах (7ВЬ1Х, и поэтому можно ослабить влияние всех параметров;
д) на одной частоте ослабить влияние изменений трех параметров невозможно.
71. Ток возбуждения катушки преобразователя задан формулой /(/) = /-/(О, где 1(f) - единичный скачок. На каком графике рис. 9 правильно отражена зависимость глубины проникновения вихревых токов 8(0?
72. Форма тока возбуждающей катушки накладного преобразователя задана как 1(f) = 11(f), где 1(f) - единичный скачок, ОК - неферромагнитный. Указать правильный график напряжения измерительной катушки на рис. 10.
73. Форма тока возбуждающей катушки накладного экранного преобразователя задана как 1(f) = 11(f), где i(f) - единичный скачок. Указать правильный график напряжения U(f) измерительной катушки (а, б, в, г, д) на рис. 10 к вопросу 72.
74. Какие факторы определяют величину напряжения измерительной катушки при t = 0?
а) удельная электрическая проводимость с материала ОК;
б) магнитная проницаемость ц материала ОК;
в) радиус возбуждающей катушки;
г) расстояние между возбуждающей катушкой и ОК.
75. Чем определяется длительность переходного процесса для накладного преобразователя при контроле массивного немагнитного плоского ОК?
Рис. 9
ПРИЛОЖЕНИЕ 10
677
а) б)
в) г) д)
Рис. 10
а) величиной » где
1
со =---; /изм - момент отсчета на-
цизм
пряжения измерительной катушки;
б) величиной Яи, где RH - радиус измерительной катушки;
в) величиной R, где R большее из RB и ^и>
г) величиной R%цос •
76. Какую размерность и физический смысл имеет параметр ПРИ им"
пульсном возбуждении преобразователя?
а) безразмерный параметр, который определяет развитие переходного процесса при t = 0;
б) безразмерный параметр, который определяет развитие переходного процесса при / -> оо;
в) этот параметр имеет размерность времени и определяет развитие переходного процесса в функции безразмерного времени t / т;
г) корректного ответа нет.
77. Каким образом можно контролировать удельную электрическую проводимость немагнитных листов с помощью накладного преобразователя при импульсном возбуждении:
а) по величине напряжения U(t) в момент t = 0;
б) по величине напряжения U(t) при / -> оо;
678
ПРИЛОЖЕНИЯ
в) по величине напряжения U(t) при t = Зт = 3 7?вцот;
г) по величине напряжения U(f) при таких /, при которых глубина проникновения поля меньше, чем толщина листа.
78. Какие меры целесообразно применять для ослабления величины перекосов преобразователя относительно ОК в дефектоскопе?
а) увеличить рабочую частоту;
б) уменьшить рабочую частоту;
в) увеличить диаметр преобразователя;
г) ввести отстройку от зазора, так как влияние перекосов совпадает в первом приближении с влиянием зазора;
д) ввести отстройку от проводимости, так как влияние перекосов совпадает в первом приближении с влиянием проводимости.
79. Какое должно быть (приближенно) минимальное расстояние / от центра ВТП радиуса R до края ОК, чтобы можно было не учитывать влияние положения края ОК на сигнал ВТП?
а)/«7?;
б)7« 10 7?;
в)/«(2-3)7?;
г)/«5 7?.
80. Какие меры целесообразно принять для ослабления влияния скорости движения ОК относительно накладного ВТП?
а) уменьшить рабочую частоту;
б) увеличить расстояние между ВТП и ОК;
в) уменьшить расстояние между ВТП и ОК;
г) увеличить рабочую частоту.
81. Какие меры можно рекомендовать для увеличения чувствительности накладного ВТП к поверхностным дефектам?
а) увеличение рабочей частоты до значений обобщенного параметра ₽ = 40...50;
б) уменьшение рабочей частоты до значений обобщенного параметра ₽ = 0,2... 0,3;
в) уменьшение размеров ВТП (радиуса и высоты);
г) увеличение зазора между ВТП и ОК.
82. В чем преимущество модуляционного дефектоскопа перед статическим?
а) возможность устранить влияние всех мешающих параметров, годографы которых отличаются от годографов (/вых, обусловленных дефектами;
б) возможность устранить влияние изменений тех мешающих параметров ОК, пространственный спектр которых отличается от пространственного спектра дефектов;
в) возможность устранить влияние зазора (при использовании проходного ВТП);
г) правильного ответа нет.
83. Характеристика ОК: алюминиевая катаная лента, движущаяся в потоке со скоростью 10 м/с, ширина ленты 100 мм, толщина 0,6 ... 1,5 мм, зона контроля -полоса шириной Т = 10 мм в середине ленты, доступ к ОК - двухсторонний. Измеряемый параметр - толщина.
Какой вид НК целесообразен?
а) электрический (емкостной);
б) вихретоковый;
в) акустический;
г) тепловой.
84. Характеристика ОК, как в вопросе 83.
Какой основной мешающий фактор сопутствует вихретоковому НК толщины листа?
а) вариации шероховатости;
б) возможные вариации скорости движения ленты;
в) перемещения ленты в направлении оси преобразователя;
г) на вопрос трудно ответить, так как не указано, какой преобразователь использован - накладной или экранный накладной.
85. Характеристика ОК, как в вопросе 83.
ПРИЛОЖЕНИЕ 10
679
Какой основной мешающий фактор сопутствует вихретоковому контролю толщины ленты с помощью накладного преобразователя?
а) вариации шероховатости;
б) возможные вариации скорости движения ленты;
в) перемещения ленты в направлении оси преобразователя;
г) верны варианты а) и б).
86. Характеристика ОК, как в вопросе 83.
Какой основной мешающий фактор сопутствует вихретоковому НК толщины листа накладным экранным ВТП?
а) вариации шероховатости;
б) возможные вариации скорости движения ленты;
в) перемещения ленты в направлении оси преобразователя;
г) вариации удельной электрической проводимости ленты вследствие допустимых вариаций технологических примесей и режимов обработки.
87. Характеристика ОК, как в вопросе 83.
Какой тип вихретокового преобразователя целесообразно выбрать для решения этой задачи?
а) накладной параметрический;
б) накладной трансформаторный;
в) накладной экранный;
г) проходной.
88. Характеристика ОК, как в вопросе 83.
Выбрать частоту возбуждения для решения задачи с помощью экранного накладного ВТП диаметром 5 мм:
а) 5 кГц;
б) 10 кГц;
в) 20 кГц;
г) 40 кГц.
89. Характеристика ОК, как в вопросе 83.
Выбрать способ обработки информации при использовании экранного накладного ВТП диаметром 5 мм и рабочей частотой 40 кГц:
а) амплитудный;
б) амплитудный с переносом рабочей точки на величину Uo / 2 по мнимой оси (Uo - напряжение измерительной катушки без ОК);
в) амплитудно-фазовый;
г) фазовый.
90. Характеристика ОК, как в вопросе 83.
Г раду ировочная характеристика
(зависимость фазы напряжения от толщины ленты) выражается формулой ср =
Т
= а,РТ. +а2 (при Т.Р = —Р>2, а,, а2 -постоянные).
Оценить погрешность при изменении су на ± 10 % от номинального значения:
а) примерно ± 10 %;
б) примерно ±6,2 %;
в) примерно ±8,1 %;
г) примерно ±3,1 %.
91. Характеристика ОК: плоские детали размером 30 х 40 мм толщиной 1 ... 5 мм из неферромагнитного сплава с удельной электрической проводимостью q = 12 ... 56 МСм/м имеют лакокрасочное покрытие толщиной 0,02 ... 1 мм, среднее значение которого необходимо измерить с погрешностью ± 3 % измеряемой величины. Возможная вариация о основания при контроле однотипных деталей ± 10 %.
Какой вид НК можно применить для решения задачи?
а) магнитный, положив под основание магнитную подложку;
б) термоэлектрический;
в) радиоволновый;
г) вихретоковый.
92. Характеристика ОК, как в вопросе 91.
Какой тип ВТ преобразователя можно применять для решения задачи?
а) накладной экранный;
б) накладной трансформаторный;
в) накладной параметрический;
г) проходной.
93. Характеристика ОК, как в вопросе 91.
680
ПРИЛОЖЕНИЯ
Каким образом можно уменьшить влияние изменений о и толщины основания при контроле толщины лакокрасочного покрытия накладным ВТП?
а) уменьшить диаметр ВТП;
б) уменьшить частоту так, чтобы обобщенный параметр контроля ₽«1;
в) установить такую рабочую частоту, чтобы 2 < Р < 6;
г) увеличить рабочую частоту, так чтобы р > 20;
д) перечисленные факторы не обеспечат уменьшения влияния параметров основания.
94. Имеются три комплекта образцов с различными значениями удельной электрической проводимости: а) аттестованный Госстандартом с погрешностью ±2 %; б) измеренный с помощью двойного моста постоянного тока с погрешностью ± 1 %; в) комплект, подготовленный с помощью прибора фирмы «Фишер» (погрешность ±3 %).
Какой из комплектов можно использовать для ежегодной поверки прибора для измерения о с погрешностью ±5 %?
а) только комплект 1;
б) только комплект 2;
в) только комплект 3;
г) комплект 1 или 2;
д) комплект 2 или 3.
95. Главное требование к токам ВТП в двухчастотных приборах - это:
а) оптимальная, обычно большая разница частот;
б) кратность частот;
в) когерентность токов;
г) несинфазность.
96. Решающее извлечение информации из сигнала происходит обычно в блоках:
а) формирователей сигналов;
б) цепей балансировки;
в) амплитудно-фазового детектора;
г) индикации и регистрации.
97. Большинство вихретоковых приборов имеют возбуждение преобразователя током:
а) прямоугольной формы;
б) треугольной формы;
в) синусоидальной формы;
г) импульсной формы.
98. При использовании метода «точки» ожидаемый отклик может проявляться в виде смещения точки на экране ЭЛТ по:
а) вертикали;
б) горизонтали;
в) под углом 45° к горизонтали;
г) в любом направлении.
99. Метод эллипса особенно эффективно применим для контроля изделий:
а) цилиндрической формы;
б) с эллиптическим сечением;
в) коротких;
г) все ответы верны.
100. При использовании метода линейной временной развертки гармоники проявляются:
а) как фазовый сдвиг сигнала базовой формы;
б) как искажение базовой формы сигнала;
в) без искажений формы сигнала;
г) как амплитудная модуляция.
101. В импульсных вихретоковых приборах, использующих короткие и длинные импульсы, короткие импульсы применяются для ослабления:
а) краевого эффекта;
б) поверхностного эффекта;
в) влияния скорости;
г) влияния зазора.
102. В каком из указанных металлов можно выявить более глубоко залегающую подповерхностную трещину вихретоковым накладным преобразователем с заданной частотой f тока обмотки возбуждения?
а) в меди;
б) в бронзе;
в) в титане;
г) в алюминии.
103. Можно ли использовать вихретоковый метод для выявления дефектов в стальной проволоке, нагретой до 1000 °C?
а) можно, если колебания температуры проволоки не более 100 °C;
ПРИЛОЖЕНИЕ 10
681
б) можно, если скорость перемотки проволоки не более 1 м/с;
в) нельзя;
г) можно, если использовать интенсивное охлаждение преобразователя.
104. Можно ли применить вихретоковый проходной преобразователь для дефектоскопии стальной проволоки при скорости перемотки 50... 100 м/с?
а) можно, если температура проволоки не превышает 50 °C;
б) можно, если диаметр проволоки не более 2 мм;
в) можно, если обеспечить отсутствие механического контакта проволоки и преобразователя;
г) нельзя в любом случае из-за влияния поперечных перемещений проволоки.
105. В каком государственном стандарте нормируются основные технические характеристики дефектоскопов?
а) ГОСТ 8.283-78 «Дефектоскопы электромагнитные. Методы и средства поверки».
б) ГОСТ 23048-83 «Преобразователи вихретоковые. Общие технические требования»;
в) ГОСТ 26697-85 «Дефектоскопы магнитные и вихретоковые»;
г) ни в одном из перечисленных ГОСТов.
106. ГОСТ 8.283-78 «Дефектоскопы электромагнитные. Методы и средства поверки» не распространяется на дефектоскопы, работающие в диапазоне частот:
а) не более 1 МГц;
б) не более 500 кГц;
в) от 1 до 10 кГц;
г) от 300 до 900 кГц.
107. Положительные результаты государственной поверки дефектоскопов оформляются:
а) клеймением дефектоскопа и оформлением протокола поверки;
б) только оформлением протокола;
в) записью в выпускном аттестате (паспорте).
108. Сколько основных параметров вихретоковых дефектоскопов нормируется в ГОСТ 26697-85 «Дефектоскопы магнитные и вихретоковые. Общие технические требования»?
а) десять;
б) пять;
в) двенадцать для дефектоскопов с накладными преобразователями и тринадцать с проходными;
г) двенадцать для каждого типа преобразователей.
109. Сколько ступеней качества продукции предусмотрено в изменении № 1 и ГОСТ 26697-85 «Дефектоскопы магнитные и вихретоковые. Общие технические требования»?
а) пять;
б) две;
в) три;
г) одна.
ПО. Порог чувствительности дефектоскопа в ГОСТ 26697-85 «Дефектоскопы магнитные и вихретоковые. Общие технические требования» определяется по размерам:
а) контрольного образца;
б) естественной трещины на реальной детали;
в) искусственной риски на контрольном образце;
г) меры удельной электрической проводимости.
111. Укажите один из технических параметров ВТП, который нормируется в ГОСТ 23048-83 «Преобразователи вихретоковые. Общие технические требования»:
а) частота тока возбуждения;
б) индуктивность первичной и вторичной обмоток преобразователя;
в) мощность потребляемой энергии;
г) значение максимального допускаемого отношения разности напряжений вторичных обмоток дифференциального преобразователя к напряжению на одной из вторичных обмоток.
112. Укажите один их технических параметров вихретокового преобразователя,
682
ПРИЛОЖЕНИЯ
который нормируется в ГОСТ 23048-83 «Преобразователи вихретоковые. Общие технические требования»:
а) коэффициент трансформации преобразователя;
б) внутренний диаметр проходных преобразователей;
в) длина соединительного кабеля;
г) действующее значение напряжения на концах вторичной обмотки без контролируемого объекта.
113. Как нормируется предел допустимой основной погрешности вихретоковых толщиномеров покрытий в ГОСТ 26737-85 «Толщиномеры покрытий магнитные и вихретоковые. Общие технические требования»?
а) (0,03^ + 0,5) мкм, где X - значение измеряемой толщины покрытий;
б) 0,03Jf мкм, где X - верхнее значение диапазона;
в) (0,1 А" +1) мкм, где X - значение измеряемой толщины покрытия;
г) А мкм; А - значение предела допустимой погрешности.
114. По ГОСТ 26737-85 «Толщиномеры покрытий магнитные и вихретоковые. Общие технические требования» время одного измерения толщины в заданной точке не превышает:
а) Юс;
б) 1 с;
в) 5 с.
115. По ГОСТ 26737-85 «Толщиномеры покрытий магнитные и вихретоковые. Общие технические требования» диаметр зоны измерения толщиномеров с верхним значением диапазона измеряемых толщин до 1 мм не превышает:
а) 5 мм;
б) 10 мм;
в) 2,5 мм;
г) 1 мм.
116. Дефекты на контрольных образцах для калибровки вихретоковых дефектоскопов обычно наносятся:
а) электроискровым способом;
б) фрезерованием;
в) сверлением;
г) напылением металлического слоя;
д) первыми тремя способами.
117. Калибровку вихретоковых толщиномеров покрытий проводят по:
а) двум точкам;
б) четырем точкам;
в) двум точкам на каждом диапазоне измерений;
г) заданному техническим паспортом числу калибровочных точек.
118. Дефекты для калибровки вихретоковых дефектоскопов с проходными преобразователями выполняют обычно в виде:
а) поперечных рисок с равномерной глубиной по всему периметру контрольного образца;
б) продольных рисок с равномерной глубиной по всей длине контрольного образца;
в) продольных коротких рисок;
г) сверлений заданного диаметра и глубины;
д) перечисленных в последних двух случаях.
119. Относительное перемещение объекта и ВТП имеет место при контроле:
а) статическом;
б) динамическом;
в) в обоих случаях.
120. Меры толщины для калибровки вихретоковых толщиномеров покрытий могут выполняться из материалов:
а) металлических;
б) диэлектрических;
в) углепластиков;
г) из всех перечисленных материалов.
121. При калибровке вихретоковых дефектоскопов с проходными преобразователями компенсацию начального напряжения следует проводить:
а) без контрольного образца;
б) на контрольном образце без дефекта;
в) на контрольном образце с дефектом.
ПРИЛОЖЕНИЕ 10
683
122. При калибровке вихретоковых структуроскопов компенсацию начального напряжения следует проводить:
а) без контрольного образца;
б) на контрольном образце без дефекта;
в) на контрольном образце с дефектом;
г) допускаются как случай а\ так и случай б).
123. При калибровке вихретоковых толщиномеров покрытий установка нуля проводится:
а) без контрольного образца;
б) на контрольном образце без покрытия;
в) на контрольном образце с покрытием минимальной толщины;
г) на контрольном образце с покрытием максимальной толщины.
124. В вихретоковом дефектоскопе с амплитудным способом выделения сигналов фазу опорного напряжения устанавливают:
а) на контрольном образце с минимальным дефектом;
б) на контрольном бездефектном образце;
в) без контрольного образца;
г) такой операции проводить не следует.
125. В дефектоскопе с амплитуднофазовым способом выделения сигнала фаза опорного напряжения выбирается с помощью:
а) контрольного образца без дефекта;
б) фазовращателя при отсутствии контрольного образца;
в) фазовращателя и двух контрольных образцов - бездефектного и с дефектом.
126. Диаметр контрольного образца с мерой толщины должен быть:
а) меньше диаметра ВТП;
б) равен диаметру ВТП;
в) превышать диаметр ВТП незначительно;
г) быть в 3-5 раз больше.
127. Можно ли проводить поиск неисправности источника питания вихретокового дефектоскопа при включенном приборе:
а) можно, если напряжение менее 1000 В;
б) можно, если проверяется напряжение на вторичной обмотке трансформатора.
в) запрещается;
г) можно, если проверяется напряжение на стабилизаторе.
128. Можно ли регулировать зазор между вихретоковым преобразователем и трубой в дефектоскопе с вращающимся ротором:
а) можно, если число оборотов менее 300 мин-1;
б) можно, если труба неподвижна;
в) можно, если труба движется со скоростью менее 0,1 м/с;
г) запрещается.
129. В каких случаях не может произойти поражение человека электрическим током?
а) прикосновение к изолированным токоведущим частям, находящимся под напряжением 40 В;
б) прикосновение к неизолированным токоведущим частям, находящимся под напряжением менее 50 В;
в) прикосновение к корпусу ВТ-прибора в случае пробоя изоляции проводов питания на этот корпус;
г) во всех перечисленных случаях может произойти поражение человека электрическим током.
130. Как разделяются электроустановки по условиям электробезопасности?
а) на установки до 1 кВ включительно и выше 1 кВ;
б) на установки до 500 В и выше 500 В;
в) на установки до 380 В включительно и выше 380 В;
г) ни один из ответов не является правильным.
684
ПРИЛОЖЕНИЯ
131. На какие классы подразделяются электротехнические изделия по способу защиты людей от поражения электрическим током?
а) на четыре класса: О, I, II и III;
б) на три класса: I, II и III;
в) на пять классов: 0, 01,1, II и III;
г) на пять классов: I, II, III, IV и V.
132. Какое воздействие оказывает электрический ток на организм человека?
а) только термическое;
б) термическое и механическое;
в)электрическое;
г) термическое, электрическое, биологическое и механическое.
УРОВЕНЬ III Ответы на вопросы
1. б 23. Г 45. Г 67. В 89. Г 111. Г
2. б 24. в 46. в 68. в 90 г 112. г
3. г 25. д 47. а 69. в 91. г 113. а
4. в 26. б 48. г 70. г 92. б 114. в
5. а 27. в 49. г 71. б 93. г 115. в
6. д 28. д 50. б 72. б 94. а 116. Д
7. б 29. а 51. г 73. г 95. а 117. г
8. в 30. а 52. в 74. г 96. в 118. д
9. а 31. а 53. а 75. г 97. в 119. б
10. б 32. в 54. б 76. в 98. г 120. г
11. а 33. г 55. а 77. б 99. г 121. б
12. б 34. в 56. а 78. г 100. б 122. г
13. б 35. г 57. б 79. г 101. г 123. б
14. г 36. г 58. б 80. г 102. в 124. Г
15. а 37. в 59. а 81. в 103. г 125. В
16. г 38. б 60. в 82. б 104. в 126. г
17. а 39. а 61. в 83. б 105. в 127. в
18. в 40. б 62. г 84. г 106. б 128. г
19. в 41. г 63. а 85. в 107. а 129. а
20. г 42. б 64. а 86. г 108. в 130. а
21. в 43. в 65. в 87. в 109. в 131. в
22. а 44. г 66. а 88. г ПО. в 132. б
ПРИЛОЖЕНИЕ 11
685
Приложение 11
П11. ПЕРЕЧЕНЬ ГОСУДАРСТВЕННЫХ СТАНДАРТОВ РФ И СТАНДАРТОВ ЗАРУБЕЖНЫХ СТРАН В ОБЛАСТИ ВИХРЕТОКОВОГО КОНТРОЛЯ
1. ГОСТ 18353-79. Контроль неразрушающий. Классификация видов и методов.
2. ГОСТ 24289-80. Контроль неразрушающий вихретоковый. Термины и определения.
3. ГОСТ 8.283-78. Дефектоскопы электромагнитные. Методы и средства поверки.
4. ГОСТ 8.362-79. Измерение толщины покрытий. Термины и определения.
5. ГОСТ 8.503-84. Толщиномеры покрытий. Методы и средства поверки.
6. ГОСТ 22238-76. Контроль неразрушающий. Меры образцовые для поверки толщиномеров покрытий. Общие положения.
7. ГОСТ 27333-87. Контроль неразрушающий. Измерение удельной электрической проводимости цветных металлов вихретоковым методом.
8. ГОСТ 26697-85. Контроль неразрушающий. Дефектоскопы магнитные и вихретоковые. Общие технические требования.
9. ГОСТ 26737-85. Контроль неразрушающий. Толщиномеры покрытий магнитные и вихретоковые. Общие технические требования.
10. EN473:2000. Неразрушающий контроль. Квалификация и сертификация персонала неразрушающего контроля. Основные принципы.
11. Е-309-77. Контроль стальных трубных изделий с помощью вихревых токов с использованием магнитного насыщения.
12.Е-571-82. Электромагнитная (вихревых токов) проверка трубных изделий из никеля и никелевых сплавов.
13. Е-703-79. Электромагнитная (вихревых токов) сортировка цветных металлов.
14. Е-426-76-76. Электромагнитный (вихревых токов) контроль бесшовных и сварных трубных изделий, аустенитная нержавеющая сталь и аналогичные сплавы.
15.Е-243-80. Электромагнитный (вихревых токов) контроль бесшовных труб из меди и медных сплавов.
16 .Е-566-82. Электромагнитная (вихревые токи) сортировка черных металлов.
17. Е-215-79. Электромагнитный
контроль бесшовных труб из алюминиевых сплавов.
18. Е-376-79. Электромагнитный
(вихревых токов) контроль немагнитных труб теплообменников.
19. Е-376-79. Измерение толщины покрытий с помощью электромагнитных методов контроля: магнитного поля и вихревых токов.
20. Е-268-81. Электромагнитный
контроль.
21. API 5L. Нефтепроводные трубы. Раздел 8. Неразрушающий контроль. Подраздел SR4. Неразрушающий контроль бесшовных нефтегазопроводных труб (методы ультразвуковой, электромагнитный, магнитопорошковый).
22. API ИВ. Насосные штанги. Раздел II. Неразрушающий контроль (методы электромагнитные).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. История электротехники / Под. ред. Н.А. Глебова. М.: Изд-во МЭИ, 1999.
2. Электротехнический справочник: В 4 т. Т. 1: Общие вопросы. Электротехнические материалы / Под общ. ред. профессоров МЭИ В.Г. Герасимова и др. 8-е изд., испр. и доп. М.: Изд-во МЭИ, 1995.
3. Электротехника и электроника: Учеб, для вузов: В 3 кн. Кн. 1: Электрические и магнитные цепи / В.Г. Герасимов, Э.В. Кузнецов, О.В. Николаева и др. М.: Энергоиздат, 1996.
4. Неразрушающий контроль качества изделий электромагнитными методами / В.Г. Герасимов, Ю.Я. Останин, А.Д. Покровский и др. М.: Энергия, 1978, 216 с.
5. Герасимов В.Г., Клюев В.В., Ша-терников В.Е. Методы и приборы электромагнитного контроля промышленных изделий. М.: Энергоатомиздат, 1983.
6. Неразрушающий контроль: В 5 кн. Кн. 3: Электромагнитный контроль / В.Г. Герасимов, А.Д. Покровский, В.В. Сухоруков. М.: Высш, шк., 1993. 199 с.
7. Неразрушающий контроль. Россия. 1990 - 2000 гг.: Справочник / Под ред. В.В. Клюева. М.: Машиностроение, 2001.
8. Вологдин В.П. Поверхностная закалка индукционным способом. М.: Гос-металлургиздат, 1939.
9. Бабат Г.И. Индукционный нагрев металлов и его промышленное применение. М.-Л.: Энергия, 1946.
10. Родигин Н.М. Индукционный нагрев стальных изделий. М.-Свердловск: Металлургиздат, 1950.
11. Эфрос А.М. Вихревые токи в цилиндре с разрезом // ЖТФ. 1940. Т. X. Вып. 6.
12. Родигин Н.М., Коробейникова И.Е. Контроль качества изделий методом вихревых токов. М.: Машгиз, 1958.
13. Соболев В.С., Шкарлет Ю.М. Накладные и экранные датчики. Новосибирск: Наука, 1967.
14. Герасимов В.Г. Электромагнитный контроль однослойных и многослойных изделий. М.: Энергия, 1972.
15. Дорофеев А.Л., Никитин А.И., Рубин А.Л. Индукционная толщиномет-рия. М.: Энергия, 1978.
16. Курозаев В.П., Шатерников В.Е., Стеблев Ю.И. Расчет поля кругового контура над проводящим сфероидом: Тр. ин-та НИКИМП «Неразрушающий контроль качества изделий». М., 1972.
17. Гончаров Б.В. Теория и практика безэталонных электромагнитных методов контроля. М.: Машиностроение, 1975.
18. Калашников М.А. Переменночастотный метод электромагнитного контроля // Дефектоскопия. 1973. № 4.
19. Дюжардэн Р., Самоэль А. Вихретоковый контроль с использованием принципа качания частоты // Дефектоскопия. 1973. №5.
20. Клюев В.В. Расчет токовихревого преобразователя для контроля движущихся объектов // Измерительная техника. 1974. №1.
21. Русскевич Ю.Н., Шкарлет Ю.М. Импульсный электромагнитный метод измерения параметров проводящих материалов и изделий // Электромагнитные методы контроля. М., 1969.
22. Методы неразрушающих испытание: Пер. с англ. / Под. ред. Р. Шарпа. М.: Мир, 1972.
23. Федосенко Ю.К. К вопросу о применении вращающегося магнитного поля для контроля цилиндрических изделий // Дефектоскопия. 1966. № 2.
24. Зацепин Н.И. Метод высших гармоник в неразрушающем контроле. Мн.: Наука и техника, 1980.
25. Федосенко Ю.К. Приближенный расчет трехмерных моделей в теории вихретоковой дефектоскопии накладными преобразователями // Дефектоскопия. 1982. №9.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
687
26. Стеблев Ю.И. Синтез заданных характеристик вихретоковых преобразователей // Дефектоскопия. 1984. №11.
27. Лазарев С.Ф., Копылов С.И. Ортогональные ВТП для контроля угловых смещений электропроводящих изделий // Дефектоскопия. 1990. № 9.
28. Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий / Под ред. В.В. Клюева. М.: Машиностроение, 1976.
29. Неразрушающий контроль и диагностика: Справочник / Под ред. В.В. Клюева. М.: Машиностроение, 1995.
30. Калантаров П.Л., Цейтлин Л.А. Расчет индуктивностей. Л.: Энергия, 1980. 115с.
31. Немцов В.М., Шамаев Ю.Н. Справочник по расчету параметров катушек индуктивностей. М.: Энергоиздат, 1981. 136 с.
32. Дорофеев А.Л. Индукционная структуроскопия. М.: Энергия, 1973. 176 с.
33. Останин Ю.Я., Рубин А.Л. Неразрушающий контроль толщины покрытий. М.: Машиностроение, 1981. 50 с.
34. Лунин В.П. Метод конечных элементов в задачах прикладной электротехники. М.: Изд-во МЭИ, 1996. 76 с.
35. Беда ILH. Исследование сигнала накладного датчика в зависимости от изменения размеров и расположения дефектов типа трещин // Дефектоскопия. 1970. № 1. С. 62-68.
СПРАВОЧНОЕ ИЗДАНИЕ
НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ
Справочник в 7 томах под редакцией чл.-корр. РАН
В.В. КЛЮЕВА
Том 2
А.И. Евлампиев, Е.Д. Попов, С.Г. Сажин, Л.Д. Муравьева, С.А. Добротин, А.В. Половинкин, Ю.А. Кондратьев КОНТРОЛЬ ГЕРМЕТИЧНОСТИ
Книга 1
Ю.К. Федосенко, В.Г. Герасимов, А.Д. Покровский, Ю.Я. Останин
ВИХРЕТОКОВЫЙ КОНТРОЛЬ
Книга 2
Лицензия ИД № 05672 от 22.08.2001
Редакторы: А.П. Лебедева, С.В. Сидоренко
Переплет художника Т.Н. Погореловой
Корректор М.Я. Барская
Инженеры по компьютерному моделированию: И.В. Евсеева, М.А. Филатова
Сдано в набор 17.02.03. Подписано в печать 19.05.03. Формат 70x100/16
Бумага офсетная. Гарнитура Times. Печать офсетная
Усл. печ. л. 55,9. Уч.-изд. л. 58,3.
Тираж 1000 экз. Заказ 8193
ФГУП «Издательство «Машиностроение» 107076, Москва, Стромынский пер., 4
Отпечатано в полном соответствии с качеством предоставленного оригинал-макета в ГУП ППП «Типография Наука» РАН 121099, Москва, Шубинский пер., 6