ВИХРЕТОКОВЫЙ ДЕФЕКТОСКОП

Полезная модель относится к неразрушающему контролю и может быть использована при диагностике трубопроводов.
Прототипом полезной модели является вихретоковый дефектоскоп для контроля ферромагнитных труб, содержащий последовательно соединенные генератор переменного тока, вихретоковый преобразователь проходного типа, компенсатор начальной ЭДС, усилитель высокой частоты, амплитудно-фазовый детектор, фильтр нижних частот, усилитель низкой частоты, фильтр верхних частот, пороговое устройство, блок управления сортировкой, а также фазовращатель, источник постоянного тока и соленоид, при этом, генератор связан со вторым входом компенсатора напрямую, а со вторым входом амплитудно-фазового детектора - через фазовращатель. Имеется набор из m магниточувствительных преобразователей, например, датчиков Холла, многоканальный аналоговый коммутатор, измерительный магнитный канал - в составе последовательно соединенных регулируемого усилителя, аналого-цифрового преобразователя (АЦП), кусочно-линейного линеаризатора, цифрового индикатора, а также микропроцессорного программно-управляющего контроллера, связанного по адресным шинам и шинам данных с генератором, фазовращателем, усилителем низкой частоты, фильтром верхних частот, пороговым устройством, блоком управления сортировкой, регулируемым усилителем, АЦП, кусочно-линейным линеаризатором и цифровым индикатором - патент РФ на изобретение №2370762, G01N 27/90, 2009 г.
Недостатки известного дефектоскопа следующие:
- низкая информативность контроля из-за интегральной оценки состояния поверхности, т.е. отсутствия конкретного указания на место расположения дефекта;
- наличие отдельной системы намагничивания трубы для реализации магнитного канала, что повышает габариты устройства;
- традиционная технология сборки преобразователей, выполняемая намоткой провода и предусматривающая намотку многовитковых катушек на жестком каркасе с использованием ферритовых сердечников. Конструкции преобразователей, выполненных с использованием намотки, нетехнологичны и трудоемки в случае многоканальных систем, состоящих из большого количества однотипных элементов.
В связи с этим, технической задачей, решаемой полезной моделью, является повышение информативности контроля и технологичности изготовления.
Эта задача решена в вихретоковом дефектоскопе, содержащем сканер с размещенными на его платформе блоками многоэлементных дифференциальных вихретоковых преобразователей, установленными с перекрытием, и устройство управления и обработки сигналов. Сканер, выполненный с возможностью перемещения вдоль объекта контроля, содержит четыре пары магнитных колес с тяговым приводом каждое, две левые и две правые пары колес имеют поворотный привод и объединены с помощью несущих балок, одна из которых жестко соединена с платформой, а другая посажена на ось; на платформе расположены также системы измерения, передачи-приема информации по радиоканалу и энергоснабжения.
Каждый многоэлементный дифференциальный вихретоковый преобразователь содержит N>1 одноэлементных дифференциальных преобразователей, расположенных в один ряд на печатной плате, одно- или многовитковую шину возбуждения с участками прямого и обратного тока, симметрично относительно которой расположены дифференциальные преобразователи, каждый из которых включает в себя прямоугольную измерительную катушку с выходом, при этом, участок прямого тока шины возбуждения размещен на печатной плате, а участок обратного тока - внутри ферромагнитного экрана, накрывающего печатную плату.
Устройство управления и обработки сигналов содержит N предварительных усилителей, блок выделения и преобразования квадратурных составляющих сигналов дифференциальных преобразователей, два аналого-цифровых преобразователя, микропроцессор, персональный компьютер, синтезатор SIN-сигнала, усилитель мощности шины возбуждения, при этом, вход каждого из N предварительных усилителей соединен с выходом измерительной катушки соответствующего дифференциального преобразователя, выходы предварительных усилителей подключены к соответствующим аналоговым входам блока выделения и преобразования квадратурных составляющих сигналов дифференциальных преобразователей, выход которого соединен, через первый аналого-цифровой преобразователь, с первым цифровым входом микропроцессора, первый цифровой выход которого соединен, через синтезатор SIN-сигнала, со входом усилителя мощности, подключенного к шине возбуждения, выход усилителя мощности соединен, через второй аналого-цифровой преобразователь, со вторым цифровым входом микропроцессора, второй цифровой выход которого соединен со входом интегратора блока выделения и преобразования квадратурных составляющих сигналов дифференциальных преобразователей, третий цифровой выход микропроцессора соединен со входом коммутатора выбора квадратурных составляющих указанного блока, микропроцессор имеет связь с персональным компьютером.
На фиг.1 приведена блок-схема дефектоскопа, на фиг.2 - конструкция сканера, на фиг.3 - конструкция многоэлементного дифференциального вихретокового преобразователя, на фиг.4 - та же конструкция с экраном.
Блок-схема дефектоскопа по фиг.1 - содержит N одноэлементных дифференциальных преобразователей 1, соответствующее количество предварительных усилителей 2, блок 3 выделения и преобразования квадратурных составляющих сигналов дифференциальных преобразователей, первый и второй аналого-цифровые преобразователи (АЦП) 4, 5, микропроцессор 6, персональный компьютер 7, синтезатор SIN-сигнала 8, усилитель мощности 9 шины возбуждения.
Вход каждого из N предварительных усилителей 2 соединен с выходом измерительной катушки соответствующего дифференциального преобразователя 1, выходы предварительных усилителей 2 подключены к соответствующим аналоговым входам блока 3 выделения и преобразования квадратурных составляющих сигналов дифференциальных преобразователей, выход которого соединен, через первый аналого-цифровой преобразователь 4, с первым цифровым входом микропроцессора 6, первый цифровой выход которого соединен, через синтезатор SIN-сигнала 8, со входом усилителя мощности 9, подключенного к шине возбуждения.
Выход усилителя мощности 9 соединен, через второй аналого-цифровой преобразователь 5, со вторым цифровым входом микропроцессора 6, второй цифровой выход которого соединен со входом интегратора блока 3 выделения и преобразования квадратурных составляющих сигналов дифференциальных преобразователей, третий цифровой выход микропроцессора 6 соединен со входом коммутатора выбора квадратурных составляющих блока 3.
Микропроцессор 6 имеет связь с персональным компьютером 7.
Сканер, представленный на фиг.2, выполнен с возможностью перемещения вдоль объекта контроля (OK) - трубы, на которую он опирается с помощью четырех пар магнитных колес 10, 11, 12, 13, каждое из которых имеет тяговый привод. Колеса 10-13 обслуживают платформу 14. Две левые пары колес 10, 11 и две правые пары колес 12, 13 имеют поворотный привод, обеспечивающий удержание веса конструкции во всех пространственных положениях. Для изменения направления движения по поверхности трубы все поворотные приводы могут синхронно изменять направление пар колес 10-13 в пределах от нуля до 180 градусов. Пары колес 10, 11 объединены с помощью несущей балки 15, которая посажена на ось 16, обеспечивая степень свободы этой группы колес относительно платформы 14 для устранения их зависания. Пары колес 12, 13 объединены с помощью несущей балки 17, которая жестко соединена с платформой 14 для стабильного положения платформы относительно поверхности трубы.
Возможность задания направления движения с помощью поворотных приводов позволяет сканеру всегда сохранять параллельность относительно оси трубы, двигаться по произвольной траектории: вращаться по кольцу, перемещаться вдоль оси трубы вперед-назад, двигаться по спиральной траектории также вперед-назад, совмещая вращательное и продольное перемещение. Система управления движением обеспечивает синхронное управление поворотными приводами пар колес 10-13 и тяговыми приводами отдельных магнитных колес и управление положением сканера параллельно образующей трубы при контроле. Поскольку сканер должен быть полностью автономным при движении по поверхности трубы, на платформе 14 располагаются, кроме блоков 18 многоэлементных дифференциальных вихретоковых преобразователей, также системы управления, измерения, передачи-приема информации по радиоканалу и энергоснабжения (не показаны). Величина энергоресурсов на борту сканера зависит от допустимого веса конструкции и энергопотребления, но должна обеспечивать непрерывную работу в течение не менее двух часов без замены источников питания.
Конструкция представленного многоэлементного дифференциального вихретокового преобразователя, показанная на фиг.3 и 4, выполнена с применением современных технологий путем изготовления матриц преобразователей методом печатных плат. Преобразователи, выполненные по этой технологии, обладают высокой идентичностью размеров, что позволяет добиться хорошей повторяемости результатов.
Блок 18 многоэлементных дифференциальных вихретоковых преобразователей содержит N>1 одноэлементных дифференциальных преобразователей 1, расположенных в один рядна печатной плате 19.
Каждый преобразователь 1 включает в себя прямоугольную измерительную катушку 20 с выходом 21 и общую для всех преобразователей одно- или многовитковую шину 22 возбуждения.
Прямоугольная форма измерительной катушки 20 является оптимальной, т.к. позволяет обеспечить полное перекрытие зоны контроля без пропусков и охватить наибольшую площадь при сканировании поверхности ОК.
Измерительные катушки 20 преобразователей расположены симметрично относительно шины 22 возбуждения, выполненной в виде двух участков: участка 23 прямого тока, размещенного на печатной плате 19, и участка 24 обратного тока, размещенного внутри экрана 25, накрывающего печатную плату 19 (фиг.4).
Применение ферромагнитного экрана 25 ограничивает уровень наводок от шины 22 возбуждения для размещаемых вблизи нее электронных схем, что позволяет повысить уровень поля в материале ОК при одновременном сохранении высокой степени балансировки измерительной катушки 20 вихретокового преобразователя 1.
Применение симметрично расположенной шины 22 для возбуждения поля в материале ОК дает возможность уменьшить чувствительность измерительных катушек 20 вихретоковых преобразователей к перекосам системы относительно ОК и уменьшить влияние на работу измерительной системы погрешностей при изготовлении печатной платы. Шина 22 может выполняться как одновитковой, так и многовитковой.
Работа дефектоскопа осуществляется следующим образом.
Сканер с размещенными на его платформе 14 блоками 18 многоэлементных дифференциальных вихретоковых преобразователей начинает движение, управляемый системой управления по ОК.
Блоки 18 установлены с перекрытием для исключения «мертвой зоны», находящейся в торцах блоков 18 из-за отсутствия там преобразователей.
В начале работы программа управления персональным компьютером 7 путем обмена командами управления с микропроцессором 6 производит начальную подготовку к работе системы. Цикл измерения сигналов дифференциальных преобразователей 1-N начинается с установки частоты шины 22 возбуждения для этих преобразователей.
С помощью программы микропроцессора 6 устанавливается частота возбуждения шины 22. Сформированный в синтезаторе SIN-сигнала 8 сигнал усиливается до нужного уровня усилителем мощности 9 и подается на шину 22 возбуждения. Сигналы с выходов измерительных катушек 20 преобразователей 1-N через предварительные усилители 2-N согласования поступают в блок 3 выделения и преобразования квадратурных составляющих сигналов дифференциальных преобразователей. Одновременно, с помощью АЦП 5 измеряется амплитуда тока в шине 22 возбуждения. После окончания периода накопления сигналов в блоке 3, кратного числу периодов тока возбуждения шины 22, производится считывание сигналов по всем каналам измерительных катушек 20 с помощью АЦП 4 и результаты вводятся в программу микропроцессора 6.
По показаниям амплитуды тока в шине 22 возбуждения производится корректировка сигналов дифференциальных каналов, с помощью которой достигается постоянство коэффициентов передачи каналов измерения сигналов по току питания шины 22 возбуждения.
После окончания цикла измерения сигналов измерительных катушек 20, программа микропроцессора 6 формирует пакет данных для передачи одной строки карты поверхности ОК в персональный компьютер 7, программное обеспечение которого преобразует и выводит данные на монитор и сохраняет на жестком диске для дальнейшей обработки.
При отсутствии дефектов в зоне чувствительности дифференциальных преобразователей 1 сигналы с их выходов 21 равны нулю, поэтому карта поверхности ОК будет представлена на мониторе компьютера 7 однородным фоном.
При наличии дефекта в области одного или нескольких преобразователей 1, на их выходах 21 появится сигнал, отличный от нуля, что приведет к появлению сигнала на выходах блока 3 выделения и преобразования квадратурных составляющих сигналов, которые будут преобразованы с помощью АЦП 4 в цифровую форму и поступят в микропроцессор 6. После обработки информации микропроцессором 6, строка карты поверхности ОК передается в персональный компьютер 7 для вывода на монитор и сохранения в памяти. Далее циклы измерения сигналов измерительных катушек 20 повторяются до момента получения микропроцессором 6 команды останова.
Сигнал, характеризующий наличие дефекта, будет представлен на мониторе компьютера 7 уровнем цветовой интенсивности, отличным от начального однородного фона и пропорциональным амплитуде сигнала соответствующего дифференциального преобразователя. Положение дефекта на поверхности ОК будет определяться номером дифференциального преобразователя 1, которому соответствует сигнал дефекта и координатами многоэлементного преобразователя на поверхности ОК. Зона дефекта будет выделяться на общем фоне карты поверхности ОК ярким цветом высокой интенсивности.
Поскольку событие, связанное с появлением дефекта в поле зрения оператора в процессе контроля происходит редко, это избавит оператора от монотонного визуального контроля поверхности ОК на мониторе компьютера 7 с высоким уровнем зрительного напряжения. Появление яркого пятна, цвет которого отличен от цвета начального однородного фона монитора, легко замечается оператором, заставляя его повысить уровень внимания.
Таким образом оператор будет освобожден от нагрузки повышенной интенсивности при проведении контроля, что позволит сохранить высокий уровень его работоспособности длительное время. Повышение внимания к процессу контроля позволит снизить риск пропуска дефектов и предотвратить эксплуатацию трубопровода с опасными дефектами.
Предлагаемый дефектоскоп за счет совмещения конструкции многоэлементного дифференциального вихретокового преобразователя, выполненного с использованием технологии печатных плат со схемой управления этим преобразователем и сканером, являющимся автономной мобильной системой, представляет собой конструкцию в целом достаточно легкую и мобильную, обеспечивающую высокую информативность контроля путем получения подробной карты дефектности поверхности ОК.