СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРОПОТЕНЦИАЛЬНЫМ МЕТОДОМ ГЛУБИНЫ ПОВЕРХНОСТНОЙ ТРЕЩИНЫ
METHOD FOR MEASURING THE DEPTH OF SURFACE CRACK BY ELECTRICAL POTENTIAL METHOD

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к неразрушающему контролю и может быть использовано для измерения глубины поверхностных трещин в металлах.
Уровень техники
0
r
r
0
0
r
0
0
Из уровня техники [Ritchie R.O., Bathe K.J. On the calibration of the electrical potential technique for monitoring crack growth using finite element methods // International Journal of Fracture, Vol. 15, №.1, February 1979, Pages 47-55] известен способ измерения глубины поверхностных трещин электропотенциальным методом, заключающийся в том, что электропотенциальный преобразователь, состоящий из размещенных на одной линии симметрично относительно центра двух токовых электродов и расположенных между ними симметрично относительно центра двух потенциальных электродов, устанавливают на бездефектном участке контролируемого объекта, пропускают через него электрический ток I и измеряют напряжение U между потенциальными электродами, затем устанавливают электроды электропотенциального преобразователя на линии, перпендикулярной к следу трещины на поверхности, симметрично относительно него, пропускают электрический ток I и измеряют напряжение U между потенциальными электродами, вычисляют относительное изменение напряжения (U-U)/U на дефектном участке и по нему судят о глубине h поверхностной трещины, используя градуировочные зависимости h=h[(U-U)/U], предварительно полученные для образцов с трещинами известной глубины.
Известный способ весьма трудоемок при использовании переменного тока, так как требует применения образцов, согласованных с электромагнитными свойствами контролируемого объекта [Cost H., Deutsch V., Ettel P., Platte - Wuppertal M. Crack Depth Measurement - Modern Measuring Technique for a Well-known Method // NDTnet - June 1996, Vol. 1 №6 https://www.ndt.net/article/platte/platte.htm].
0
-7
При использовании постоянного тока вариация электромагнитных свойств металла не влияет на градуировочную характеристику, но, по сравнению с переменным током, резко уменьшается абсолютная чувствительность и возрастает влияние таких факторов, как толщина металла, краевой эффект, длина трещины, контактная разность потенциалов. Это связано с тем, что при использовании переменного тока из-за скин-эффекта плотность тока концентрируется в слое, определяемом глубиной δ проникновения, зависящей от частоты ƒ тока, удельной электрической проводимости σ и относительной магнитной проницаемости μ металла , где μ=4π×10 Гн/м - магнитная постоянная.
1
2
1
2
1
1
2
2
0
r
r
0
r
0
0,
U
U
U
Из уровня техники [Cost H., Deutsch V., Ettel P., Platte - Wuppertal M. Crack Depth Measurement - Modern Measuring Technique for a Well-known Method // NDTnet - June 1996, Vol. 1 №6 https://www.ndt.net/article/platte/platte.htm] известен способ измерения глубины поверхностных трещин электропотенциальным методом, используемый в приборе RMG 4015 и заключающийся в том, что на бездефектном участке, идентичном дефектному устанавливаю друг напротив друга по разные стороны и симметрично относительно прямой линии L в точках T и Т контакта токовые электроды, пропускают переменный электрический ток между ними, выбирают пару точек контакта потенциальных электродов, так чтобы точки контакта P и Р были напротив друг друга, по разные стороны и симметрично относительно линии L, а расстояния между точками T, P и точками Т, Р были равны, измеряют напряжение  между потенциальными электродами, затем, сохраняя взаимное положение электродов, устанавливают их на дефектном участке так, чтобы след трещины на поверхности занимал относительно электродов такое же положение, как линия L при измерении на бездефектном участке и измеряют напряжение  между потенциальными электродами и по отношению напряжений U и U, измеренных на дефектном и бездефектном участках, судят о глубине трещины. В качестве градуировочной зависимости, устанавливающей связь между полученным отношением U/U и выбирают зависимость полученную на образце с искусственными дефектами известной глубины выполненном из металла с такой же величиной  как и измеренная на бездефектном участке контролируемого объекта.
U
0
Трудоемкость и этого способа достаточно высока, так как и здесь требуется предварительное получение градуировочных характеристик на образце с искусственными дефектами, обладающем такой величиной , что и на контролируемом объекте.
Все рассмотренные способы, несмотря на их очевидную трудоемкость, связанную с необходимостью изготовления большого числа образцов для градуировки, не позволяют подавить влияние вариации электромагнитных свойств. Это обусловлено различием электромагнитных свойств металла на дефектном и бездефектном участках натурных объектов. Причина состоит в том, что развитие дефектов в реальных условиях связано с воздействием механических напряжений, приводящих к изменению электромагнитных свойств металла на дефектном участке [Улыбин А.В., Васильков С.Д. Использование резистивного электро- контактного метода для контроля напряженно-деформированного состояния элементов стальных конструкций. Научно-технические ведомости СПб ГПУ. - СПб: Изд-во СПб ГПУ, 2009. - №6 (91). - С. 155-160].
1
2
1
2
3
4
1
2
12
1
2
34
3
4
Наиболее близок к заявляемому по технической сущности способ измерения электропотенциальным методом глубины поверхностной трещины, заключающийся в том, что устанавливаю друг напротив друга по разные стороны относительно трещины в точках T и T контакта токовые электроды, пропускают электрический ток между ними, выбирают две пары точек (P, P) и (Р, Р) контакта потенциальных электродов, так чтобы точки контакта каждой пары находились напротив друг друга и по разные стороны относительно трещины, а линии, проходящие через точки контакта первой и второй пар, были на разных расстояниях относительно линии, соединяющей точки T и Т контакта токовых электродов, измеряют напряжение U, между точками Р, Р первой пары и напряжение U, между точками Р, Р второй пары, определяют отношение измеренных напряжений и по нему судят о глубине трещины [Шкатов П.Н., Кузуб И.Г. Повышение достоверности измерения глубины трещин электропотенциальным методом, путем ослабления влияния изменения электромагнитных свойств металла в зоне трещины // Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения. 2017. Т. 17. №1. С. 235-238. (elibrary_32828300_96486794)].
12
34
В этом случае отношение напряжений U/U практически не зависит от вариации электромагнитных свойств металла в широких пределах, а измерения на бездефектном участке не требуется. Однако известный способ обладает малым диапазоном измерения и более низкой чувствительностью, что видно из приведенного в цитируемом источнике на рис. 4 графика.
Раскрытие сущности изобретения
Технический результат настоящего изобретения заключается в повышении чувствительности к глубине трещины и увеличении диапазона ее измерения.
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
П1
П2
1
2
3
1
2
1
2
Указанный технический результат в способе измерения электропотенциальным методом глубины поверхностной трещины, заключающемся в том, что на поверхности дефектного участка устанавливают токовые электроды в точках T и Т контакта, размещенных друг напротив друга и на разных берегах трещины, устанавливают первый и второй потенциальные электроды в точках P и Р контакта, соответственно, так, чтобы P и Р находились друг за другом на одном из берегов трещины и были смещены в одном направлении вдоль трещины от линии, соединяющей точки T и Т, пропускают электрический ток между точками T и Т, измеряют напряжения U и U первой и второй пар потенциальных электродов и по измеренным напряжениям судят о глубине трещины, достигается благодаря тому, что первую пару потенциальных электродов образуют между потенциальными электродами, установленными в точках P и Р, устанавливают третий потенциальный электрод в точке контакта Р, расположенной на другом относительно точек P и Р берегу трещины, и образуют вторую пару потенциальных электродов между третьим потенциальным электродов и потенциальным электродом, установленным в точке P или Р.
1
1
2
1
2
1
2
3
2
1
2
TP3
3
1
2
12
1
2
Дополнительно указанный технический результат достигается благодаря тому, что точки Т, Р и Р выбирают на одной прямой, перпендикулярной линии ТТ, проходящей через точки T и Т, точку Р выбирают на линии, проходящей через точку Т и перпендикулярной линии ТТ, а расстояние R от Р до линии ТТ и расстояние ΔR между точками P и Р выбирают из условий
TP1
TP3
TP2
R≤R≤R,
T
12
T
0,9R<ΔR<1,1R,
TP1
TP2
1
2
1
2
T
где R и R - расстояния от точек P и Р до линии TT, соответственно, a R - расстояние между токовыми электродами.
Краткое описание чертежей
U
U
П1
П2
П1
П2
На фиг. 1 показана схема устройства для реализации заявляемого способа; на фиг. 2 показано взаимное положение точек контактирования электродов с принятыми обозначениями расстояний между ними; на фиг. 3 приведено распределение потенциала вдоль трещины при пропускании тока; на фиг. 4-6 показаны зависимости отношения синфазных с током составляющих напряжений  и  от глубины трещины при разных положениях 3-х потенциальных электродов; на фиг. 7 приведены зависимости отношения напряжений U и U от глубины трещины при оптимальном варианте размещения электродов, но при пропускании не переменного, а, практически, постоянного тока.
Схема для реализации заявляемого способа состоит из электропотенциального преобразователя 1, содержащего два токовых электрода 2, 3 и три потенциальных электрода 4-6, источника 7 тока, подключенного к токовым электродам 2, 3 и электронного блока 8, соединенного своими тремя входами с соответствующими потенциальными электродами 4-6. Электронный блок 8 выполнен с возможностью выделения квадратурных составляющих поступающих на его входы напряжений. Для этого его опорный вход соединен с выходом источника 7 тока.
Осуществление изобретения
Заявляемый способ реализуется следующим образом.
1
2
1
2
1
2
3
1
2
1
2
1
3
Токовые электроды 2 и 3 устанавливают в точках T и T, находящихся друг напротив друга по разные стороны относительно трещины 9. Выбирают точки контакта P и Р потенциальных электродов 4 и 5, так чтобы они находились друг за другом на одном из берегов трещины и были смещены в одном направлении вдоль трещины от линии TT. Устанавливают потенциальный электрод 6 в точке контакта Р, расположенной на другом относительно точек Р и Р берегу трещины 9. Первую пару потенциальных электродов, подключенную к первому входу электронного блока 8, образуют между установленными в точках P и Р потенциальными электродами 4 и 5. Вторую пару потенциальных электродов, подключенную ко второму входу электронного блока 8, образуют между установленными в точках P и Р потенциальными электродами 4 и 6.
1
1
2
1
2
1
2
3
2
1
2
Рекомендуется точки T, P и Р выбирать на одной прямой, перпендикулярной линии TT, проходящей через точки T и T, а точку Р - на линии, проходящей через точку T и перпендикулярной линии TT (фиг. 2).
TP3
3
1
2
12
1
2
Расстояние R от Р до линии TT и расстояние ΔR между точками P и Р рекомендуется выбирать из условий
TP1
TP3
TP2
R≤R≤R,
T
12
T
0,9R<ΔR<1,1R,
TP1
TP2
1
2
1
2
T
где R и R - расстояния от точек P и Р до линии T-T, соответственно, a R - расстояние между токовыми электродами (фиг. 2).
1
2
П1
П2
П1
П2
U
U
U
U
После установки электродов пропускают создаваемый источником 1 переменный синусоидальный электрический ток, вводимый токовыми электродами 2 и 3 в точках контактирования T, T. Измеряют с помощью электронного блока 8 изменяющиеся по гармоническому закону напряжение  между электродами 4, 6 и  между электродами 4, 5. По измеренным напряжениям  и  судят о глубине h трещины.
U
U
U
U
U
U
U
U
П1
П2
П1
П2
П1
П2
Как известно [Шкатов П.Н., Кузуб И.Г., Ермолаев А.А. Компьютерное моделирование взаимодействия электропотенциального преобразователя с поверхностной трещиной при использовании переменного тока // Приборы. - 2019. - №5 (227). - С. 49-55], при использовании для электропотенциальных измерений переменного тока требуется подавление шумовой составляющей, возникающей за счет индуктивной связи измерительной и токовой цепей. Для этой цели в качестве информативной составляющей синусоидальных напряжений используется их квадратурная составляющая Re() синфазная с током (активная составляющая). Активные составляющие Re() и Re()  напряжений  и  поступивших на соответствующие входы электронный блока 8, выделяются с помощью амплитудно-фазового преобразования, а затем вычисляется отношение Re()/Re(), по которому и определяют глубину h трещины.
U
U
U
U
U
U
П1
П2
П1
П2
r
0
Для того, чтобы определить величину h по вычисленному отношению Re()/Re() предварительно в память электронного блока 8 вводится градуировочная характеристика, полученная на образце с искусственными дефектами известной глубины. Как показали выполненные исследования, на градуировочную характеристику с информативным параметром в виде измеренного отношения Re()/Re() влияние вариации электромагнитных свойств образца влияет на порядок меньше, чем на градуировочные характеристики с информативным параметром Re()/Re(), используемые в приборе RMG 4015 [https://www.ndt.net/article/platte/platte.htm]. Это объясняется тем, что берется отношение сигналов с рядом расположенных дефектных участков металла, имеющих по этой причине максимально близкие свойства.
V
Обоснование достигаемого положительного эффекта можно получить, анализируя приведенные на фиг. 3 и полученные методом конечных элементов (МКЭ) графики изменения реальной составляющей Re() электрического потенциала вдоль
1
2
T
TP
1
2
T
T
TP
T
T
T
P
T
P
T
P
T
поверхностных трещин разной глубины. Графики приведены при симметричном положении точек T и Т относительно трещины длиной L=20R. Расстояние R вдоль трещины от линии TT и глубина трещины h, с целью обобщения, нормированы здесь по расстоянию R=5 мм между токовыми электродами, т.е. h*=h/R. Так как распределение потенциала симметрично относительно центра трещины, графики приведены только для положительных значений R/R. Зависимости приведены для частоты ƒ=5000 Гц Шаг между соседними точками для рассмотренных вариантов установки контактов вдоль трещины составляет 0,5R=2,5 мм. На таком же расстоянии 0,5R=2,5 мм находятся точки измерения потенциала относительно трещины, что соответствует выполнению условия R=R. Выбор расстояний R и R обусловлен, с одной стороны, чувствительностью к глубине трещины, а с другой стороны, допустимой погрешностью установки электродов симметрично относительно следа трещины. С уменьшением расстояния чувствительность растет, а погрешность возрастает. Так как данное соображение справедливо как для токовых, так и для потенциальных электродов целесообразно выбирать R=R.
V
12
T
TP1
T
T
На графиках показаны значения Re() для трех потенциалов в точках 1, 2, 3 и в точках 1', 2', 3' при одинаковых расстояниях ΔR=0,5R и двух различных значениях R=0,5R и 1,5R, соответственно.
U
U
U
V
U
V
V
V
П1
П2
П1
1
П2
2
1
2
Из приведенных зависимостей видно, что разность потенциалов между точками 1 и 3 существенно превышает разность между потенциалами точек 1 и 2. За счет этого отношение Re()/Re() достаточно велико. Отметим, что в прототипе используется отношение напряжений двух пар потенциальных электродов, симметрично установленных относительно трещины и смещенных друг относительно друга вдоль нее. Соответствующие активные составляющие напряжений для прототипа при размещении одного из потенциальных электродов каждой пары в точках 1 и 2, с учетом симметрии, определяются как Re()=2Re() и Re()=2Re(). Из графика видно, что это отношение существенно меньше, чем в заявляемом способе, что и определяет получение большей чувствительности. С увеличением глубины трещины отношение Re()/Re() довольно быстро стабилизируется, что и определяет малый диапазон измерения глубины трещины в прототипе.
3
T
12
T
3
1
2
TP3
TP1
TP3
TP1
П1
П2
П1
П2
T
12
U
U
U
U
На фиг. 4 и фиг. 5 приведены градуировочные характеристики для двух значениях положения Р третьего электрода 6 близких к границам рекомендуемого диапазона: 0,9R<ΔR<1,1R. На фиг. 4 положение Р третьего электрода 6 смещено от линии TT на расстояние R= R а на фиг. 5 - на расстояние R=R. На каждой из диаграмм приведены зависимости отношения Re(/)=Re()/Re() от относительной глубины h*=h/R при различных расстояниях ΔR между положениями первого потенциального электрода 4 и второго потенциального электрода 5.
12
12
П1
П2
12
П1
П2
12
12
T
12
T
U
U
U
U
Сравнение полученных зависимостей показывает, что в обоих вариантов относительная чувствительность к h* возрастает при уменьшении расстояния ΔR. Это связано с тем, что при уменьшении ΔR величина Re() падает медленнее, чем Re(). Однако сопровождающее уменьшение ΔR уменьшение обеих измеряемых величин Re() и Re() приводит к увеличению приборной погрешности их измерения, что ограничивает возможность уменьшение ΔR. Рекомендуется, с учетом изложенных соображений, выбирать ΔR из соотношения 0,9R<ΔR<1,1R.
12
TP3
TP1
П1
П2
3
TP3
TP2
TP3
TP1
TP3
TP2
U
U
Сравнивая градуировочные характеристики на фиг. 4 и фиг. 5 при одинаковых значениях ΔR, можно видеть, что они имеют сопоставимую чувствительность к h*. Однако при уменьшении R менее R происходит увеличение отношения Re(/) на бездефектном участке, без увеличения чувствительности к глубине трещины. При этом электрод Р размещается в зоне с более неравномерным распределением потенциала, что повышает погрешность, связанную с неточностью позиционирования электродов относительно трещины (нарушение симметрии). При увеличении R более R усиливается влияние длины трещин без выигрыша в чувствительности к измеряемому параметру. Рекомендуется, с учетом изложенного, выбирать R на основе соотношения R≤R≤R.
TP1
TP1
1
1
12
1
2
TP1
T
П2
П1
TP1
T
TP1
12
U
U
На фиг. 6 показаны градуировочные зависимости, показывающие влияние на них расстояния R. Из представленных зависимостей видно, что с увеличением расстояния R между точками Т и P при фиксированном расстоянии ΔR между точками P и Рчувствительность к измеряемому параметру - глубине трещины h* возрастает. Это можно объяснить, анализируя зависимости на фиг. 3. Здесь видно, что при перемещении точек контактирования 1, 2 3 (R=0,5R) в точки 1', 2' 3' Re() уменьшается быстрее, чем Re(). Одновременно с увеличением чувствительности происходит увеличение линейности соответствующей градуировочной характеристики, что увеличивает диапазон измеряемых глубин. Возможность увеличения R ограничено соответствующим уменьшением абсолютной чувствительности, а также длиной трещины. При измерении трещины длиной L должно выполняться условие L>2(R+R+ΔR). При меньших значениях L чувствительность к глубине трещины резко падает из-за значительного увеличения части тока, обтекающего трещину с ее краев.
T
На линейность градуировочной характеристики и чувствительность влияет и частота ƒ пропускаемого тока. На фиг. 7 приведены зависимости, полученные при тех же параметрах, что и для фиг. 5, но для постоянного тока. Как видно из графиков, переход к постоянному току привел к уменьшению чувствительности к глубине трещин в начальном диапазоне до величины h/R=0,3 (1,5 мм в абсолютных значениях). Это связано с тем, что из-за скин-эффекта с увеличением частоты плотность тока сосредотачивается в верхних слоях, прижимаясь к трещине и удлиняя свой путь на ее удвоенную глубину. При использовании постоянного тока его плотность распределяется более равномерно по толщине и для обеспечения достаточной чувствительности к глубине трещины электроды должны быть на расстоянии не более, чем глубина трещины. Однако с уменьшением расстояния между электродами уменьшается и верхний предел диапазон измерения глубины трещины. Выравнивание чувствительности во всем диапазоне измерений происходит по мере увеличения частоты до величины порядка 1000…1500 Гц [Шкатов П.Н., Сандуляк А.А., Кузуб И.Г., Ермолаев А.А. Исследование сигналов питаемого переменным током электропотенциального преобразователя при измерении параметров ферромагнитных объектов с трещиной // Приборы. - 2020. - №6 (240). - С. 22-31]
По сравнению с прототипом в заявляемом способе достигается существенное повышение чувствительности к глубине трещины и увеличения диапазона ее измерения при одновременном значительном подавлении влияния вариации электромагнитных свойств металла на градуировочную характеристику.
Технические преимущества предлагаемого способа заключаются в повышении чувствительности к глубине трещины и увеличении диапазона ее измерения за счет выбора положений точек контактирования потенциальных электродов.