СПОСОБ ДЕФЕКТОСКОПИИ ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ КАБЕЛЯ
METHOD FOR NON-DESTRUCTIVE TESTING OF ELECTRICALLY CONDUCTIVE ELEMENTS OF CABLE

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для оперативного контроля технического состояния электропроводящих элементов электрического кабеля или провода.
Известен способ бесконтактной дефектоскопии длинномерных электропроводящих объектов, заключающийся в том, что на продольно перемещающийся контролируемый длинномерный электропроводящий объект воздействуют перпендикулярно его продольной оси направленным физическим полем, регистрируют индукционным датчиком возбуждаемые в длинномерном немагнитном электропроводящем объекте физические процессы, используемые для определении места расположения дефекта, формируют и измеряют контрольный сигнал в виде ЭДС индукции, полученный контрольный сигнал подвергают обработке и осуществляют ранжирование дефекта посредством сравнения полученного результата измерения с соответствующими результатами, хранящимися в статистической базе данных, составленной по результатам измерения в образцах с искусственными дефектами в их электропроводящих элементах, причем в качестве направленного физического поля используют постоянное магнитное поле, создаваемое мощным постоянным магнитом, которым в электропроводящих элементах возбуждают вихревой ток, а жестко закрепленным напротив постоянного магнита индукционным датчиком измеряют напряжение, соответствующее изменению электромагнитного поля, наведенного указанным вихревым током [патент RU №2542624, С1, кл. G01B 7/06, 20.02.2015].
Недостатками данного способа являются низкая точность и чувствительность контроля, а также узкая область его применения.
Невысокие точность и чувствительность объясняются тем, что на величину наводимого вихревого тока существенно влияют величина и равномерность скорости перемещения объекта контроля, а также его поперечные колебания, вибрации и отклонения ориентации от плоскости, перпендикулярной магнитному полю. Кроме того, на результаты контроля будут сказываться пространственное положение контролируемого объекта относительно датчика. При этом указанные параметры в процессе контроля невозможно обеспечить полностью стабильными.
Узкая область применения известного способа объясняется тем, что он не позволяет осуществлять контроль технического состояния медных электропроводящих элементов большого диаметра, парамагнитных металлических проводников, а также электрических кабелей с многожильными немагнитными металлическими элементами.
Наиболее близким к заявляемому является способ дефектоскопии электропроводящих элементов кабеля, заключающийся в том, что на контролируемый участок кабель воздействуют перпендикулярно его продольной оси направленным переменным электрическим полем, за счет которого в электропроводящих элементах кабеля возбуждают волновой физический процесс поляризации спиновых магнитных моментов свободных электронов на резонансной частоте этой поляризации, формируют и измеряют посредством рабочего индукционного датчика контрольный сигнал в виде ЭДС индукции, создаваемой в электропроводящих элементах кабеля за счет указанного волнового физического процесса, полученный контрольный сигнал подвергают обработке и осуществляют ранжирование дефекта посредством сравнения полученного результата измерения с соответствующим эталонным сигналом, хранящимися в статистической базе данных, составленной по результатам измерения в образцах кабеля с искусственными дефектами в их электропроводящих элементах [патент RU №2701754, С1, кл. G01N 27/82, G01R 31/08, 01.10.2019].
Недостатками данного способа являются сложность и высокая трудоемкость его реализации. Это объясняется тем, что для создания статистической базы эталонных сигналов необходимо провести большое количество измерений, предварительно создав большое количество образцов кабеля с искусственными дефектами в их электропроводящих элементах. Кроме того, при переходе на дефектоскопию очередного типа кабеля с другими эксплуатационными характеристиками необходимо вновь проделать указанные измерения и загрузить их в статистическую базу данных, что существенно затрудняет и удлиняет процесс переналадки системы контроля. Повышенная трудоемкость объясняется также необходимостью постоянного учета влияния температуры или других внешних факторов на текущие параметры контролируемого кабеля и обеспечения тем самым помехоустойчивости системы контроля путем соответствующей дополнительной калибровки ее измерительных блоков в режиме реального времени.
Задачей изобретения является упрощение процедуры контроля и снижение ее трудоемкости.
Поставленная задача достигается тем, что в способе дефектоскопии электропроводящих элементов кабеля, заключающимся в том, что на контролируемый участок кабеля воздействуют перпендикулярно его продольной оси направленным переменным электрическим полем, за счет которого в электропроводящих элементах кабеля возбуждают волновой физический процесс поляризации спиновых магнитных моментов свободных электронов на резонансной частоте этой поляризации, формируют посредством рабочего индукционного датчика контрольный сигнал в виде ЭДС за счет указанного волнового физического процесса, согласно изобретению, переменным электрическим полем одновременного воздействуют на дополнительный конечной длины эталонный отрезок кабеля перпендикулярно его продольной оси и возбуждают в нем волновой физический процесс поляризации спиновых магнитных моментов свободных электронов аналогично процессу в контролируемом кабеле, формируют посредством дополнительного индукционного датчика эталонный сигнал в виде ЭДС индукции за счет указанного физического процесса, измеряют в реальном масштабе времени вещественные и мнимые составляющие контрольного и эталонного сигналов, определяют нормированные разностные величины между вещественными составляющими и между мнимыми составляющими эталонного и контрольного сигналов, по значениям указанных разностных величин осуществляют допусковый контроль физико-технического состояния электропроводящих элементов контролируемого кабеля. При этом вещественные и мнимые составляющие контрольного и эталонного сигналов измеряют в реальном масштабе времени посредством наборов соответственно синхронных и квадратурных детекторов, синхронизируемых частотой переменного электрического поля, а переменное электрическое поле в электропроводящих элементах длинномерного контролируемого кабеля и конечной длины эталонного кабеля возбуждают при их нахождении в общей окружающей среде. В качестве эталонного отрезка кабеля используют неподвижный отрезок контролируемого кабеля конечной длины без дефектов, а контролируемый кабель перемещают или фиксируют неподвижным относительно источника направленного переменного электрического поля. Переменное электрическое поле в немагнитных электропроводящих элементах длинномерного контролируемого кабеля и конечной длины эталонного отрезка кабеля возбуждают от одного источника переменного напряжения посредством соответствующих разнесенных в пространстве проходных двухэлектродных цилиндрических конденсаторов с сосредоточенной емкостью с идентичными конструктивными параметрами, а в качестве рабочего и дополнительного индукционных датчиков используют разнесенные в пространстве соответствующие проходные катушки индуктивности, идентичные по своим конструктивным параметрам. Принципиальная схема реализации предложенного способа дефектоскопии электропроводящих элементов кабеля показана на фиг. 1. Здесь обозначено: 1 - контролируемый кабель; 2 - эталонный отрезок контролируемого кабеля конечной длины без дефектов; 3 и 4 - первый и второй спиновые модуляторы; 5 и 6 - рабочий и дополнительный индукционные датчики; 7 - источник переменного высокочастотного напряжения.
Спиновые модуляторы 3 и 4 выполнены в виде разнесенных в пространстве проходных двухэлектродных цилиндрических конденсаторов с сосредоточенной емкостью с идентичными конструктивными параметрами, а индукционные датчики 5 и 6 выполнены в виде разнесенных в пространстве проходных катушек индуктивности, идентичных по своим конструктивным параметрам.
Г
m
На контролируемый кабель 1 в зоне контроля воздействуют перпендикулярно его продольной оси направленным переменным электрическим полем  Это поле создают посредством первого спинового модулятора 3, электроды которого запитывают от источника 7 переменным высокочастотным напряжением вида U(t)=Ccosωt.
Одновременно это же напряжение подается на электроды второго спинового модулятора 4, который также создает направленное переменное электрическое поле, которым воздействуют на дополнительный эталонный отрезок 2 контролируемого кабеля конечной длины без дефектов перпендикулярно его продольной оси.
0
Указанные направленные переменные электрические поля возбуждают в электропроводящих элементах контролируемого кабеля 1 и эталонного отрезка кабеля 2 физические процессы поляризации спинов магнитных моментов свободных электронов. Следует отметить, что эти процессы возникает независимо от того, передвигаются кабели 1, 2 относительно спиновых модуляторов или находятся в состоянии покоя. Для создания необходимых условий для возникновения устойчивого процесса поляризации спиновых магнитных моментов свободных электронов переменное электрическое поле создают на резонансной частоте ω поляризации спиновых магнитных моментов свободных электронов структур электропроводящих элементов кабелей.
Известно, что при распространении в реальных средах различные электродинамические процессы испытывают затухание, т.е. происходит потеря энергии, переносимой этими процессами. При этом основные потери в электропроводящей среде связаны с проводимостью, которая для данных сред существенно отличается от нуля. Для описания изменения фазы и затухание волны при распространении в среде с потерями используется комплексное волновое число . В электропроводящей среде между волновым числом , частотой ω, диэлектрической проницаемостью ε и удельной проводимостью σ существует следующее дисперсионное соотношение (Якубовский Ю.Я. Электроразведка. - М.: Недра, 1980, стр. 80):
Для наглядности, выражение (1) представим в следующем виде:
Из представленных выражений (1) и (2) следует, что действительная часть α пропорциональна диэлектрической проницаемости среды ε, а мнимая часть β пропорциональна удельной проводимости среды σ.
С учетом выражений (1)и (2) рассмотрим физически процессы, происходящие в электропроводящих структурах кабелей.
к
Процесс в контролируемом кабеле 1 регистрируют рабочим индукционным датчиком 5, которым формируют контрольный сигнал (КС) в виде ЭДС индукции U(t):
к
к s
к
к sm
0
к
к
к
к
к
где w - количество витков первого индукционного датчика 5 для контролируемого объекта (КО);Ф - поток спиновой индукции через КО; S - средняя площадь сечения КО; В - амплитудное значение вектора спиновой индукции КО;  - комплексный коэффициент распространения спиновой волны для КО; ω - резонансная частота спиновой поляризации; ε - диэлектрическая проницаемость КО; σ - удельная проводимость КО, фактически определяющая электродинамические свойства неферромагнитных металлов; μ≈1- магнитная проницаемость КО; α - коэффициент фазы спиновой волны при распространении по длине КО; β - коэффициент затухания спиновой волны при распространении по длине КО; х - координатная ось, совпадающая с продольной осью КО.
Для комплексного значения КС в соответствии с (1)÷(3) можем записать:
к Re
к Im
где U и U - соответственно, вещественная (синфазная) и мнимая (квадратурная) составляющие комплексного значения ЭДС индукции (контрольного сигнала) датчика 5, регистрируемые соответственно синфазным и квадратурным синхронными детекторами измерительного канала КС (на чертеже не показаны).
Известно, что в общем случае статическую функцию преобразования (СФП) практически любой измерительной системы можно представить в виде (Бромберг Э.М., Куликовский К.Л. Тестовые методы повышения точности измерений. М.: Энергия, 1978, стр. 23):
у
а
а
х
1
n
где  - выходная величина; , …, - параметры СФП;  - измеряемая величина.
Тогда статические функции синхронного и квадратурного преобразования КСв соответствии с (1)÷(5) можно представить в следующем виде:
1
2
1
2
где а и а - параметры статической функции синхронного преобразования КС; b и b - параметры статической функции квадратурного преобразования КС.
1
1
Параметры СФП а и b представляют собой медленно меняющиеся случайные величины, содержащие аддитивную помеху и представляющие собой нулевой дрейфовый сигнал.
э
Процесс в эталонном отрезке кабеля 2 регистрируют дополнительным индукционным датчиком 6, которым формируется эталонный сигнал (ЭС) в виде ЭДС индукции U(t). По аналогии с (3) имеем:
э
к
э
к
к
sm
к sm
кs
э
э
0
э
э
э
где w=w - количество витков второго индукционного датчика 6 для эталонного объекта (ЭО); S=S - средняя площадь сечения ЭО; B=B - амплитудное значение вектора спиновой индукции ЭО; Ф - поток спиновой индукции через ЭО;  - комплексный коэффициент распространения спиновой волны для ЭО; ε - диэлектрическая проницаемость ЭО; σ - удельная проводимость ЭО; ω - резонансная частота спиновой поляризации; μ≈1 - магнитная проницаемость ЭО; α - коэффициент, характеризующий распределение амплитуды спиновой волны по длине ЭО; β - коэффициент фазы спиновой волны при распространении по длине ЭО.
Для комплексного значения ЭС в соответствии с (4) можем записать:
э Re
э Im
где U и U - соответственно, вещественная (синфазная) и мнимая (квадратурная) составляющие комплексного значения ЭДС индукции (контрольного сигнала) датчика 6, регистрируемые соответственно синфазным и квадратурным синхронными детекторами измерительного канала ЭС (на чертеже не показаны).
С учетом того, что индукционные датчики 5 и 6, а также функциональные узлы вторичной обработки КС и ЭС в виде соответствующих наборов синхронных и квадратурных детекторов обладают достаточно высокой степенью идентичности своих параметров, то для статических функций синхронного и квадратурного преобразования ЭС согласно (8) можем аналогично (6) записать:
2
2
где а b - параметры СФП, определяемые на этапе предварительной калибровки для каждого вида ЭО и обладающие достаточной временной стабильностью.
э
σ
Решая совместно системы уравнений (6) и (9), определим нормированную разностную величину Δ между вещественными составляющими ЭС и КС и нормированную разностную величину Δ между мнимыми составляющими ЭС и КС:
ε
σ
Посредством нормированных разностных величин Δ и Δ осуществляется допусковый контроль физико-технического состояния КО по диэлектрической проницаемости ε и удельной проводимости σ, результаты которого не зависят от состояния дрейфовых параметров СФП.
В соответствии с изложенным предлагаемый способ дефектоскопии можно представить в следующей интерпретации.
1. Одновременно воздействуют посредством соответствующих спиновых модуляторов направленным переменным электрическим полем на КО и ЭО.
2. Регистрируют посредством соответствующих индукционных датчиков волновые процессы спиновой поляризации свободных электронов в КО и ЭО.
3. Регистрируют посредством набора синхронных и квадратурных детекторов, синхронизируемых частотой переменного электрического поля, вещественные и мнимые составляющие КС .
ε
σ
4. Определяют нормированную разностную величину Δ и между вещественными составляющими ЭС и КС и нормированную разностную величину Δ между мнимыми составляющими ЭС и КС, посредством которых осуществляется допусковый контроль физико-технического состояния КО.
Следует отметить, что рассматриваемые процессы спин-волновой динамики существенно отличаются от электродинамических процессов, которые, как правило, сопровождаются возникновением токов проводимости и вихревых токов в электропроводящих структурах с соответствующим разогревом электропроводящего материала и выделением тепловой энергии. В рассматриваемом случае происходит преобразование энергии переменного электрического поля в энергию бегущей волны спиновой поляризации свободных электронов без дополнительных побочных эффектов в виде электромагнитных или тепловых излучений.
Преимущества предложенного способа дефектоскопии электропроводящих элементов кабеля заключаются в следующем:
- обнаружение дефектов реализуется как в случае неподвижного, так и перемещающегося контролируемого кабеля;
- обеспечивает высокую точность измерения и повышение помехоустойчивости за счет существенного снижения влияния внешних дестабилизирующих факторов, например, температуры, на текущие параметры контролируемого кабеля;
- обеспечивает упрощение конструкции измерительной системы;
- обеспечивает быструю перенастройку для контроля различных кабелей путем соответствующей замены эталонного отрезка конечной длины этого кабеля без дефектов;
- позволяет оперативно выполнять отбраковку неисправного кабеля в полевых условиях непосредственно в процессе монтажа кабеля при его размотке с бобины.