СПОСОБ КОНТРОЛЯ ЦЕЛОСТНОСТИ ИЗДЕЛИЯ
METHOD OF CHECKING ARTICLE INTEGRITY

Изобретение относится к области исследования материалов без нарушения их структуры и свойств с помощью электромагнитных средств, например, путем измерения магнитной восприимчивости и может использоваться при разработке способов обнаружения нарушения целостности изделий, в частности контейнеров с содержимым, без их вскрытия.
Известен способ контроля целостности изделия, заключающийся в использовании пьезоэлектрического щупа, упирающегося в поверхность контролируемого изделия, и ультразвукового луча, смещаемых в совокупности вдоль и поперек поверхности изделия (авторское свидетельство СССР №155989; МПК: G01N 29/04; 1963 г.). Недостатки способа обусловлены его недостаточными быстродействием, достоверностью и надежностью, которые связаны со сложностью технологического процесса и ограничением передачи искомой информации скоростью звука в среде.
Известен способ контроля целостности изделия, например контроль состояния трещин деталей авиационной техники (патент РФ №2020464; МПК: G01N 27/82, 1994 г.), заключающийся в том, что в системе, состоящей из контролируемого изделия и преобразователя электромагнитных полей, формируют сигнал электромагнитной эмиссии, излучаемой динамически нагруженным телом, и измеряют на выходе преобразователя электромагнитных сигналов параметры сигнала за счет установки его в заведомо выбранной зоне, наиболее подверженной образованию механического дефекта. Контролируемое изделие - авиационный двигатель, выполнен из электропроводных материалов. Электромагнитные преобразователи закреплены на контролируемом изделии неподвижно, охватывают поперечное сечение аварийноопасных участков изделия и выполнены в виде тороидальных соленоидальных катушек, витки которых размещены на гибком каркасе. Для контроля целостности изделия из электропроводных материалов непосредственно измеряют и анализируют сигналы электромагнитной эмиссии, образуемые при динамическом перемещении зарядов в процессе разрыва атомных связей нагруженного изделия, переменного тока проводимости, текущего по изделию, индуцируемого электромагнитной эмиссией, и индуцирования сигналов электродвижущей силы (ЭДС) индукции в преобразователях. В качестве параметров сигналов электромагнитной эмиссии используют непрерывно измеряемые амплитуду и частоту ЭДС на выходе преобразователя и форму сигнала ЭДС индукции, которые сравнивают с полученными на паспортном (бездефектном целостном) изделии. Работа на паспортном изделии сопровождается характерными сигналами ЭДС индукции, свойственными рабочему процессу в двигателе. При динамически нагруженном состоянии двигателя при воздействии внешних явлений или появлении усталостных явлений индуцируются сигналы, отличные по амплитуде, форме и частоте от характерных сигналов, полученных на бездефектном изделии. Данный способ был принят за прототип заявляемого изобретения по наибольшему количеству сходных признаков.
Недостатком прототипа является то, что он ограничивает область применения по выбору контролируемых изделий, так как при контроле целостности изделий, содержащих взрывоопасные, пожароопасные и другие опасные вещества, пропускание электрического тока по ним недопустимо. К другому недостатку следует отнести то, что невозможен контроль сохранности массы и состава контролируемого изделия.
Техническим результатом заявляемого изобретения является расширение функциональных возможностей контроля. Дополнительным техническим результатом, который может быть получен при использовании изобретения, является упрощение регистрации и обработки сигналов и повышение чувствительности метода.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в способе контроля целостности изделия, включающем в себя подачу переменного тока и формирование магнитного поля в системе, состоящей из контролируемого объекта и преобразователя электромагнитных полей, которым охватывают заранее выбранное поперечное сечение контролируемого изделия, измерение амплитуды электродвижущей силы индукции на выходе преобразователя, по которой судят о целостности контролируемого изделия путем сравнения ее с полученной на паспортном изделии, преобразователь электромагнитных полей выполняют двухконтурным и на контролируемое изделие воздействуют магнитным полем, создаваемым первичным контуром преобразователя при пропускании по нему тока с той же частотой, при которой были получены паспортные данные, при этом нижний торец первичного контура размещают заподлицо или выше по отношению к нижней поверхности контролируемого изделия, в соответствии с месторасположением первичного контура при получении паспортных данных.
Частота тока первичной обмотки может быть выбрана в диапазоне 200-1500 Гц.
Анализируемый сигнал с выхода преобразователя может быть пропущен через систему компенсации, в которую включают дополнительный преобразователь, для вычитания из него величины тока холостого хода вторичной обмотки преобразователя.
Выполнение преобразователя электромагнитных полей двухконтурным и воздействие на контролируемое изделие магнитным полем, создаваемым первичным контуром преобразователя при пропускании по нему тока, позволяет избежать пропускание тока через контролируемый объект, чем расширяет диапазон контролируемых изделий. При этом в качестве контролируемого изделия могут быть опасные вещества, например делящиеся материалы.
Пропускание по первому контуру преобразователя электромагнитных полей тока с той же частотой, при которой были получены паспортные данные, позволяет использовать частоту в качестве паспортного параметра. Использование выбранной частоты позволяет контролировать как сохранность массы контролируемого изделия, так и его состав.
При размещении нижнего торца первичного контура преобразователя заподлицо или выше по отношению к нижней поверхности контролируемого изделия в соответствии с месторасположением первичного контура при получении паспортных данных позволяет использовать месторасположение в качестве паспортного параметра и оптимизировать проводимые измерения с точки зрения чувствительности метода к изменению массы или состава контролируемого изделия.
Выбор частоты тока первичной обмотки в диапазоне 200-1500 Гц обусловлен тем, что в данном диапазоне происходят заметные изменения в характеристиках тока вторичного контура, что объясняется отсутствием существенного влияния скин-эффекта в контролируемом изделии на этот параметр.
Для вычитания величины тока холостого хода вторичной обмотки преобразователя анализируемый сигнал с его выхода пропускают через систему компенсации, в которую включают дополнительный преобразователь, что понижает фоновые сигналы и, как следствие, повышает чувствительность метода.
На фиг.1 изображена схема экспериментальной установки с системой компенсации, поясняющая заявляемый способ, где:
1 - контейнер AT400R-01;
2 - первичная обмотка (обмотка возбуждения);
3 - вторичная обмотка;
4 - блок конденсаторов;
5 - генератор;
6 - усилитель мощности;
7 - блок компенсации;
8 - воздушный трансформатор системы компенсации;
9 - система компенсации;
10 - вольтметр.
вт
вт
На фиг.2 представлены зависимости амплитуды электродвижущей силы вторичной обмотки U от частоты f для различных состояний контролируемого изделия (пустой контейнер и с образцами).
Примером конкретного выполнения устройства, поясняющего заявляемый способ, может служить установка, схематично изображенная на фиг.1, которая позволяет определить целостность контролируемого изделия без его вскрытия. В качестве контролируемого изделия был использован контейнер AT400R-01. Рассматривался как пустой контейнер, так и с образцами, в качестве которых использовали железный или алюминиевый шары, выполненные одинаковой массой. Необходимо было определить наличие или отсутствие того или иного образца внутри контейнера. Рассматриваемая установка для контроля целостности содержимого контейнера кроме контролируемого изделия включает в себя преобразователь электромагнитных полей - трансформатор, состоящий из первичной и вторичной обмоток (катушек), систему подачи тока на первичную катушку с выбранными характеристиками, систему регистрации параметров напряжения на вторичной катушке и систему компенсации. Трансформатор был установлен вокруг контейнера на расстоянии h от его нижнего торца. Контролируемый контейнер AT400R-01 представляет собой цилиндрический металлический корпус с защитными слоями из полиуретана и включает металлическую бюксу, содержащую образец. Генератор низкой частоты типа 1026 (Bruel & Kjer), усилитель мощности типа 2719 (Bruel & Kjer) и блок конденсаторов формировали на первичной катушке воздушного трансформатора ток с заранее выбранными параметрами. Напряжение на вторичной катушке воздушного трансформатора измерялось вольтметром типа 2636 (Bruel & Kjer). Система компенсации, в которую включены дополнительные катушки, усилители сумматор и вольтметр, предназначена для понижения фонового сигнала вторичной катушки, что приводит к повышению чувствительности метода.
вх
вх
вых
Рассмотрим на примере конкретного выполнения, как осуществляется контроль материала, размещенного в контейнере. Контейнер 1 (массой вместе с наполнением ~100 кг) с размещенным внутри контролируемым материалом устанавливают в первичную обмотку 2. После этого фиксируют расстояние h от нижнего торца катушки до нижнего торца контейнера. Через генератор 5, усилитель мощности 6 и блок конденсаторов 4 подают ток с заранее выбранными характеристиками (сила тока I, частота f). Вольтметром 10 фиксируется напряжение U на вторичной обмотке трансформатора, фоновый сигнал которой понижается подключением системы компенсации 9.
вх
вх
вых
Расстояние h параметры тока на первичной катушке I и f, а также напряжение U на вторичной обмотке трансформатора являются паспортными характеристиками и фиксируются для каждого контролируемого объекта.
вх
вх
вых
вых
вх
вх
В случае замены образца на другой или его изъятия из контейнера при фиксированных параметрах h, I и f значение U существенно изменится, что и послужит признаком вмешательства в контролируемый объект. Так при замене стального шара на алюминиевый той же массы (5 кг) значение U при h=0, I=15 А и f=1500 Гц увеличилось на 24.4%.
вых
вх
вх
На фиг.2 показана зависимость значения U от f при h=0, I=15 А для различных состояний контролируемого изделия.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет с помощью простой, доступной и дешевой аппаратуры в течение нескольких минут определить сохранность содержимого контейнера без его вскрытия. Такой способ особенно полезен при контроле большого числа объектов, содержащих опасные или радиоактивные компоненты.