СПОСОБ КОНТРОЛЯ ИЗМЕНЕНИЙ ЭЛЕКТРОПРОВОДИМОСТИ ВНУТРЕННИХ СЛОЕВ НЕМАГНИТНОГО МЕТАЛЛА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR MONITORING ELECTROCONDUCTIVITY CHANGES OF NON-MAGNETIC METAL INNER LAYERS AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Предлагаемое техническое решение относится к области вихретоковых неразрушающих методов контроля электропроводимости немагнитных металлических изделий или коррелирующих с ней таких характеристик изделий, как температура, структурное состояние. Изобретение может быть использовано при контроле температуры внутренних слоев стенки из рафинированной меди - медной рубашки (используется в системах непрерывной разливки расплавленного жидкого материала) кристаллизатора путем измерения электропроводимости внутренних слоев меди.
Существует много типов стандартных измерителей электропроводимости, аналогичных по устройству, характеристикам и применению [1, 2]. Все эти приборы (например, [1]) содержат генератор гармонического тока, накладной вихретоковый преобразователь, состоящий из возбуждающей и измерительной катушек, блок обработки сигнала, индикатор.
Общим недостатком всех стандартных измерителей электропроводимости в свете решения поставленных задач, является то, что они контролируют только поверхностные слои изделий, электропроводимость которых подразумевается неизменной по всему объему объекта, поэтому глубина проникновения электромагнитного поля (следовательно, и область контроля) ограничена глубиной проникновения вихревых токов δ.
0
где: ω - частота тока возбуждающей катушки, σ - удельная электропроводимость металла, µ - магнитная постоянная.
Задачами предлагаемого технического решения являются: возможность контроля за параметрами металла при промышленном производстве - плавке металла и процессе его остывания, возможность определения электропроводимости (температуры) в области удаленных слоев металла (т.е. стенки кристаллизатора, контактирующей с жидким металлом), определение области изменения электропроводимости, т.е. распределения электропроводимости (температуры) по стенке металла (рубашки кристаллизатора).
макс
макс
макс
макс
Поставленная задача решается тем, что в способе контроля изменений электропроводимости внутренних слоев немагнитного металла, заключающемся в использовании накладного вихретокового преобразователя, по возбуждающей катушке которого циркулирует создаваемый генератором ток, а сигнал его измерительной катушки обрабатывают в блоке обработки, к выходу которого подключен индикатор электропроводимости, согласно изобретению в возбуждающей катушке циркулирует периодический импульсный ток в форме меандра с периодом T, выбираемом таким, чтобы за время половины периода заканчивались электромагнитные переходные процессы, определяют максимальное значение ΔФ разностного по отношению к объекту с постоянным значением электропроводимости магнитного потока и значение интервала времени t достижения этого максимума, по этим значениям, используя градуировочные кривые на плоскости состояния с осями ΔФ-t, определяют величину изменения электропроводимости и координаты области, где имеют место эти изменения, при этом градуировочные кривые на плоскости состояния строят предварительно путем моделирования для предполагаемых законов изменения электропроводимости и хранят в памяти блока обработки.
в макс
m
m
В устройстве для контроля изменений электропроводимости внутренних слоев немагнитного металла, содержащем генератор тока, подключенный к возбуждающей катушке преобразователя, блок обработки сигнала, индикатор, согласно изобретению генератор выбран с импульсным периодическим током в форме меандра, возбуждающая катушка выполнена плоской со спиралевидной намоткой, максимальный радиус которой R≥1,5 l, где l - толщина слоя исследуемого металла, преобразователь снабжен измерителем магнитного потока, расположенным между возбуждающей катушкой и поверхностью металла, выход которого через аналого-цифровой преобразователь соединен со входом блока обработки, выход которого соединен со входом индикатора.
в
m
m
Для определения электропроводимости производится рациональный выбор размеров и конструкции возбуждающей катушки, которая для обеспечения более равномерной чувствительности ко всем слоям металла выполняется в виде плоской спиралевидной обмотки с максимальным радиусом R≥1,5l (l - толщина слоя металла). В качестве информационной величины регистрируется магнитный поток возбуждающей катушки и вихревых токов.
Используется импульсный возбуждающий ток в форме меандра с периодом, зависящим от характеристик кристаллизатора.
Используется разность сигналов магнитных потоков возбуждающей катушки и вихревых токов для объекта с постоянным значением электропроводимости и объектом в рабочем режиме для построения градуировочных характеристик, с помощью которых определяются все необходимые величины.
На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства для контроля изменений электропроводимости внутренних слоев немагнитного металла.
На фиг. 2 изображена кривая зависимости удельного электросопротивления меди от температуры.
На фиг. 3 показана форма тока возбуждающей катушки.
На фиг. 4 показано предполагаемое распределение электропроводимости по глубине объекта.
На фиг. 5 изображены временные зависимости изменений магнитного потока ΔФ(t) преобразователя, вызванные вариацией электропроводимости внутренних слоев металла, происходящих по линейному закону.
макс
макс
макс
макс
На фиг. 6 изображены на плоскости состояния (в осях ΔФ-t, где ΔФ - максимальное значение разностного магнитного потока, достигаемое в момент t) градуировочные характеристики, хранящиеся в памяти блока обработки и используемые для получения значений параметров объекта.
Характеристики получены путем моделирования процессов в программе Maxwell v. 14.0, ANSYS.
Способ может быть реализован с любым вихретоковым преобразователем - проходным (наружным и внутренним) или накладным. Описание составлено на примере накладного преобразователя (фиг. 1) при контроле внутренних слоев медной рубашки кристаллизатора, непосредственно контактирующей с расплавленным металлом.
0
Кристаллизатор представляет собой сложное сборочное устройство для производства металлических заготовок различного поперечного сечения (круглых, прямоугольных и т.п., размером от единиц мм до десятков мм) внутри медной рубашки. Слои меди, контактирующие с жидким металлом, имеют температуру, близкую к температуре плавления меди 300…400°C, и удельную проводимость меди при этом [3] . Внешние слои меди (где расположен преобразователь) охлаждаются потоком воды и имеют температуру, близкую к 60…100°C. Таким образом, электропроводимость (σ) медной рубашки меняется от значения (σ на внешней поверхности), которое принято при расчетах равным  до значения  на внутренней поверхности (фиг. 1).
m
Предлагаемое устройство содержит генератор 1 (фиг. 1), подключенную к нему возбуждающую катушку 2 накладного преобразователя, измеритель магнитного потока 3, выход которого через аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 4 подключен к блоку обработки 5, выход которого соединен с индикатором 6. Измеритель магнитного потока 3 расположен между измерительной катушкой 2 над объектом контроля - медным листом 7 толщиной l.
макс
макс
к
макс
макс
Генератор 1 питает импульсным током (как на фиг. 3), период которого выбирается из условия (1), возбуждающую катушку 2 преобразователя, магнитный поток ее наводит вихревые токи, создающие свой магнитный поток. Возбуждающая катушка 2 выполнена плоской, со спиралевидной намоткой с максимальным радиусом по условию (3). Общий магнитный поток возбуждающей катушки и вихревых токов фиксируется измерителем магнитного потока 3 (датчик Холла), напряжение которого через АЦП 4 поступает в блок обработки сигналов 5, где последующая обработка осуществляется в цифровой форме, выделяются две величины ΔФ и t, характеризующие разность ΔФ(t) магнитных потоков для холодного металла (с постоянным значением электропроводимости Ф(t)) и металла в рабочем режиме Ф(t). По значениям ΔФ и t, используя градуировочные характеристики типа как на фиг. 6, определяется путем интерполяции значение электропроводимости нижнего слоя металла 7 и примерный закон ее изменения по металлу (как, например, на фиг. 4). Эти значения передаются на индикатор 6.
Чтобы обеспечить чувствительность вихретокового преобразователя по всем слоям объекта (фиг. 1), необходимо выполнить два условия:
в
1. Возбуждающий ток i(t) с широким спектром частот (фиг. 3), например меандр, период которого T выбирается таким, чтобы электромагнитные переходные процессы затухали в интервале , т.е. при условии [2]:
где
- постоянная временная электромагнитных переходных процессов [2],
в
R - радиус возбуждающей катушки ВТП (фиг. 1).
в
2. Радиус R (фиг. 1) возбуждающей катушки ВТП
m
где l - толщина медной рубашки (фиг. 1).
Кроме того, для обеспечения более равномерной чувствительности ко всем слоям медной рубашки выполняем возбуждающую катушку со спиралевидной намоткой, в которой максимальный радиус выбираем из условия (3). Для получения необходимых зависимостей и решения поставленной задачи проводилось моделирование измерительного процесса в программе Maxwell v. 14.0 с использованием математической 2D модели.
M
0
Для моделирования различных вариантов распределения электропроводимости по глубине слоя меди объект (в виде плоского листа фиг. 1) моделировался набором из тонких листов толщиной 0,5 мм при общей толщине рубашки l=21 мм (фиг. 1). Возбуждающая катушка моделировалась 6-ю концентрическими витками с радиусами 4, 8, 15, 18, 25, 32 мм, в которых задавался одинаковый ток I=1 A, как на фиг. 3 с периодом T=40 мс. Измеритель магнитного потока 3 на фиг. 1 (датчик Холла) фиксирует магнитный поток возбуждающей катушки и вихревых токов в металле. В качестве анализируемой величины был выбран вносимый (т.е. от вихревых токов в металле) магнитный поток Ф(t).
0
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
Для моделирования были выбраны линейные законы изменения проводимости (фиг. 4), отображающие движение тепловой волны и остывание жидкого металла. Так кривая 1 характеризует самый большой перепад температур (и электропроводимости - от  на внутренней поверхности до  на внешней поверхности меди, точка H). Кривая для несколько остывшего металла (ему соответствует  на внутренней поверхности). Аналогично построены кривые 3, 4. Горизонтальная прямая №5 на уровне  соответствует случаю холодного слоя, электропроводимость которого постоянна. Вторая серия кривых построена также, как и первая на фиг. 4, но начальные точки H, H, H, H, Н изменения проводимости находятся на глубинах H=3,75 мм; H=7 мм; H=10,5 мм; H=14 мм; H=17,5 мм. Конечные точки (на внутренней поверхности) те же, что и для первой серии (фиг. 4).
Модели, как на фиг. 4, используются для получения сигналов о положении слоев, где происходит изменение σ. Для получения алгоритма решения задачи анализировались разностные сигналы ΔФ(t).
к
0
макс
макс
макс
где Ф(t) - значение магнитного потока для холодной медной рубашки (вариант 5, фиг. 4, ), Ф(t) - значение магнитного потока для одного из вариантов (фиг. 4) распределения электропроводимости (температуры). На фиг. 5 изображены кривые 1…4 для варианта H. Каждая кривая характеризуется максимальным значением ΔФ, которое тем больше, чем значительнее перепад электропроводимостей и t - соответствующим моментом времени. Для всех кривых (1…4) t меняется незначительно, что соответствует физическим представлениям.
макс
макс
0
5
0
5
макс
макс
На фиг. 6 изображена плоскость состояния в осях ΔФ-t для всех вариантов H…H (фиг. 4). Часть плоскости, заключенная между кривыми H…Н, можно рассматривать как градуировочную, которая позволяет по координатам точки (т.е. значениям ΔФ и t для исследуемого варианта) определить координаты участка, где происходит изменение электропроводимости (температуры) и величину этих изменений, произведя интерполяцию по кривым на фиг. 6.
При необходимости плоскость состояния (фиг. 6) может быть построена для других законов изменения электропроводимости, однако расчеты показывают, что если закон изменения электропроводимости объекта отличается от линейного (как на фиг. 4), то градуировочная область на плоскости состояния меняется незначительно.
Способ реализуется с помощью устройства, структурная схема которого представлена на фиг. 1.
Генератор 1 питает импульсным током (как на фиг. 3), период которого выбирается из условия (1), возбуждающую катушку 2 преобразователя, магнитный поток ее наводит вихревые токи, создающие свой магнитный поток.
макс
макс
к
макс
макс
Возбуждающая катушка 2 выполнена плоской, со спиралевидной намоткой с максимальным радиусом по условию (3). Общий магнитный поток возбуждающей катушки и вихревых токов фиксируется измерителем магнитного потока 3 (датчик Холла), напряжение которого через АЦП 4 поступает в блок обработки сигналов 5, где последующая обработка осуществляется в цифровой форме, выделяются две величины ΔФ и t, характеризующие разность ΔФ(t) магнитных потоков для холодного металла (с постоянным значением электропроводимости Ф(t) и металла в рабочем режиме Ф(t). По значениям ΔФ и t, используя градуировочные характеристики типа как на фиг. 6, определяется путем интерполяции значение электропроводимости нижнего слоя металла 7 и примерный закон ее изменения по металлу (как, например, на фиг. 4). Эти значения передаются на индикатор 6.
Источники информации
1. Техническое описание прибора ELOTEST M2 (V3) Rohmann GmbH.
2. Неразрушающий контроль: В 5 кн. Кн. 3. Электромагнитный контроль: Практ. Пособие / В.Г. Герасимов, А.Д. Покровский, В.В. Сухоруков. Под ред. В.В. Сухорукова. - М.: Высш. шк., 1992. - 312 с.: ил.
3. Справочник по электротехническим материалам. Т. 3. Под редакцией Ю.В. Корицкого и др. 3-е издание, переработанное. - М.: Энергоатомиздат, 1988.