Способ определения удельного поперечного сопротивления электроизолирующего покрытия в различных местах подводной части корпуса корабля, находящегося на плаву
METHOD OF DETERMINING SPECIFIC TRANSVERSE RESISTANCE OF ELECTRICALLY INSULATING COATING IN VARIOUS LOCATIONS OF UNDERWATER PART OF SHIP HULL AFLOAT

Изобретение относится к защите кораблей по электрическому полю и касается вопросов оперативного контроля удельного поперечного сопротивления электроизолирующего покрытия корпуса корабля на плаву.
Актуальность оперативного контроля указанной величины определяется тем, что уровень электрического поля корабля, а следовательно, и защищенность корабля по электрическому полю напрямую зависит от состояния электроизолирующего покрытия (ЭИП) корпуса. Состояние ЭИП определяет также защищенность корпуса корабля от коррозии.
Известен способ качественной оценки сопротивления ЭИП всего корпуса корабля, находящегося на плаву, в процессе контроля состояния узла электрического разъединения (УЭР) методом вольтметра, амперметра и омметра [Руководство по защите корпусов надводных кораблей ВМФ от коррозии и обрастания (РЗК НК-2001), М., Военное издательство, 2002, с. 78-80]. Этим методом чаще всего пользуются как специалисты службы защиты ВМФ, так и личный состав кораблей. При измерении сопротивления УЭР данным методом используются многопредельные приборы с входным сопротивлением не менее 20 кОм/В типа Ц-4340, Ц-4315, Ц-4353. Основной целью измерений в методе вольтметра, амперметра и омметра является контроль состояния УЭР, однако данные измерений позволяют судить и о состоянии ЭИП корпуса корабля. Заключается он в последовательном измерении напряжения, силы тока и сопротивления на участке УЭР. Последовательность операций такова:
1. Контроль качества узла разъединения начинают с измерения напряжения. При подключении прибора к УЭР в качестве вольтметра, величина измеренного напряжения между деталями УЭР качественно характеризует сопротивление изоляции УЭР. В этом случае, если измеряемая разность потенциалов близка к разности стационарных электродных потенциалов электрода и корпуса корабля, то сопротивление УЭР высокое. Если измеренная разность потенциалов равна нулю (или незначительно отличается от нуля), то УЭР поврежден.
2. Измеряют силу тока в цепи прибора, включенного как амперметр и подключенного параллельно к УЭР. Значение тока, протекающего по прибору, зависит от электродных потенциалов материалов, образующих гальваническую пару, от сопротивления УЭР, а также от качества ЭИП корпуса корабля. При отсутствии ЭИП корпуса значения тока, протекающего через амперметр, тем больше, чем выше сопротивление УЭР. Если же сопротивление ЭИП высокое и в нем нет повреждений, то при исправном УЭР сила тока через амперметр близка к нулю.
3. При включении прибора в качестве омметра измеряют сопротивление параллельно соединенных УЭР и остальной части цепи гальванической пары, включая ЭИП. При этом подключение прибора к контролируемому УЭР производят дважды (с переменой полярности). Показания омметра при отсутствии контакта по металлу в УЭР должны отличатся друг от друга. Ясно, что показания омметра не определяют ни истинное значение сопротивления УЭР, ни общее сопротивление ЭИП корпуса.
4. На основе полученных данных измерений состояние узла разъединения и состояние ЭИП корпуса корабля качественно оценивают по приведенной ниже таблице 1, заимствованной из РЗК НК-2001, с.80.
Недостатками метода вольтметра, амперметра и омметра как способа определения сопротивления ЭИП корпуса корабля на плаву являются:
- косвенный и сугубо качественный характер метода, позволяющего дать лишь качественную оценку состояния всего ЭИП корпуса;
- отсутствие возможности определения удельного поперечного сопротивления ЭИП в различных местах подводной части корпуса корабля, находящегося на плаву, в интересах локализации возможных мест повреждения ЭИП.
2
5
2
2
6
2
ПИП
Известен способ измерения удельного поперечного сопротивления ЭИП корпуса корабля, находящегося в сухом доке, с помощью прибора Р-5046 [Руководство по защите корпусов надводных кораблей ВМФ от коррозии и обрастания (РЗК НК-2001), М., Военное издательство, 2002, с. 139]. В процессе контрольных измерений перед спуском корабля на воду измерения удельного поперечного сопротивления ЭИП корпуса выполняют в различных местах корпуса на специально определенной сетке точек. Измеритель Р-5046 предназначен для определения электроизолирующих свойств ЭИП, нанесенных на металлическую поверхность, путем измерения модуля полного удельного поперечного сопротивления покрытия на переменном токе с помощью выносных датчиков. Частота питания измерительной цепи 3,14 Гц, в состав прибора входят два выносных датчика (ПИП). ПИП №1 имеет площадь 1 см и позволяет измерить удельное поперечное сопротивление покрытия в пределах от 1 до 10 Ом×м. ПИП №2 имеет площадь 1 дм и позволяет измерить удельное поперечное сопротивление покрытия в пределах покрытия от 10 до 10 Ом×м. Способ измерения удельного поперечного сопротивления ЭИП корпуса корабля с помощью измерителя Р-5046 (прототип) заключается в том, что ПИП, последовательно подключенный к источнику с известной эдс  и амперметру, приводят в контакт с ЭИП корпуса корабля, причем другой конец измерительной электрической цепи приводят в контакт с металлом корпуса, и измеряют с помощью амперметра действующее значение силы тока , возбуждаемого в цепи источником эдс, после чего определяют удельное поперечное сопротивление ЭИП в данном месте корпуса по формуле , где S - площадь ПИП. Упрощенная схема измерений, заимствованная из Технического описания измерителя Р-5046, показана на фиг. 1. Фактически шкала измерительного прибора проградуирована в значениях удельного поперечного сопротивления.
Недостатком способа измерения удельного поперечного сопротивления ЭИП корпуса корабля с помощью измерителя типа Р-5046 (прототип) является то, что он применим лишь при нахождении корабля в сухом доке и не позволяет измерять удельное поперечное сопротивление ЭИП при нахождении корабля на плаву в процессе его эксплуатации, в том числе при наличии каких-либо повреждений ЭИП.
Целью настоящего изобретения является определение сопротивления ЭИП в различных местах корпуса при нахождении корабля на плаву, в том числе и при наличии повреждений ЭИП в разных местах корпуса.
Для достижения поставленной цели на подводной части корпуса корабля размещают систему из N (N>1) электродов-зондов, изолированных от корпуса корабля и подключенных к специальной электрической цепи. Каждый из зондов поочередно работает в качестве источника электрического поля в прилегающем к корпусу слое проводящей морской среды при подаче на него зондирующего сигнала (напряжения между зондом и корпусом корабля) с помощью электрической цепи. При этом все зонды, включая зонд - источник, работают в режиме приема и служат для измерения потенциала этого электрического поля в точках их размещения (точнее, разности потенциалов между зондом и корпусом корабля). В цепи зонда - источника поля также измеряют силу тока. Указанный цикл измерений выполняют дважды: сразу после докования корабля (опорное измерение), когда состояние ЭИП корпуса соответствует всем требованиям защиты корабля по электрическому полю, и после некоторого времени эксплуатации корабля (контрольное измерение). Измерения производят на переменном токе, чтобы снизить влияние на них стационарного электрического поля электрохимических источников, при этом измеряют комплексные амплитуды напряжений (потенциалов) и токов. Перед спуском корабля на воду выполняют контрольные измерения удельного поперечного сопротивления ЭИП в различных местах корпуса измерителем Р-5046. Результатом опорного и контрольного измерения являются двумерные массивы размерностью N×N значений потенциала электрического поля в опорном ,  и контрольном ,  измерениях, а также одномерные массивы силы тока  в цепях зондов-источников в обоих измерениях. Здесь  - радиус-вектор j-го зонда в режиме приема сигнала,  - радиус-вектор k-го зонда в режиме источника сигнала. Среднее значение удельного поперечного сопротивления ЭИП , полученное в сухом доке с помощью измерителя Р-5046, также включают в число исходных данных. Значения удельного поперечного сопротивления ЭИП корпуса корабля на момент контрольного измерения вычисляют путем совместной обработки данных опорного и контрольного измерения по формуле:
где
- найденное значение удельного поперечного сопротивления покрытия в месте расположения j-го зонда (j=1, 2, …, N) на момент контрольного измерения;
- начальное значение удельного поперечного сопротивления покрытия, полученное путем измерений в сухом доке перед спуском корабля на воду;
j
X - j-й элемент N-мерного вектора-столбца, вычисляемого по формуле:
- вектор-столбец размерности JV2, составленный из измеряемых данных;
2
- прямоугольная матрица размером N×N, также составленная из данных опорного и контрольного измерения.
Замена двух индексов j, k одним (m) в формулах (2)-(4) производится по следующему правилу: сначала новым индексом последовательно нумеруются элементы первой строки (k=1, 2, …, N; j=1; m=k) соответствующего двумерного массива, затем второй строки (k=1, 2, …, N; j=2; m=N+k) и т.д.
Описанный алгоритм обработки данных двух измерений основан на решении задачи восстановления удельного поперечного сопротивления ЭИП корпуса корабля как функции координат точки на корпусе по измеренному системой зондов распределению потенциала электрического поля, возбуждаемого по очереди каждым из этих зондов. Постановка задачи и ее решение приведены ниже в приложении.
Для реализации предлагаемого способа на корпусе корабля размещают систему электродов-зондов, изолированных от корпуса и подключенных к электрической цепи. Требования к конструкции электродов-зондов, его рабочей поверхности и технологии размещения аналогичны требованиям к электродам автоматической системы катодной защиты корпуса корабля. В состав устройства входят электроды-зонды 1, 2, …, N, размещенные на корпусе корабля, коммутатор Q1 для поочередного подключения каждого из электродов к измерительной части схемы, предназначенной для измерения напряжения между электродом и корпусом корабля с помощью вольтметра V, коммутатор Q2 для поочередного подключения каждого из электродов к источнику зондирующего сигнала G и амперметру A для измерения силы тока в цепи электрода - источника электрического поля в морской среде (фиг. 2).
Электрическую схему целесообразно реализовать с применением АЦП, ЦАП и ПЭВМ с соответствующим математическим обеспечением, чтобы можно было производить цифровое формирование зондирующего сигнала, все измерения и обработку полученных данных по приведенным выше формулам автоматически. Среднее значение начального удельного поперечного сопротивления ЭИП корпуса корабля , измеренное прибором Р-5046 в сухом доке перед спуском корабля на воду, известно. Сразу после спуска корабля на воду с помощью коммутатора Q2 поочередно на каждый из зондов подают напряжение от источника зондирующего сигнала G и измеряют силу тока в цепи этого зонда амперметром A, при этом с помощью коммутатора Q1 поочередно подключают каждый зонд к вольтметру V и измеряют разность потенциалов электрического поля между соответствующим зондом и корпусом корабля. Результатом этого (опорного) измерения является двумерный массив значений потенциалов , и одномерный массив значений силы тока  (индекс k указывает номер зонда, подключенного к источнику G, индекс j указывает номер зонда, на котором измерялся потенциал электрического поля). В контрольном измерении, которое проводится во время эксплуатации корабля, выполняют цикл измерений, аналогичный тем, которые были выполнены в опорном измерении. Результатом контрольного измерения является двумерный массив значений потенциалов , , и одномерный массив значений силы тока . После этого с использованием начального значения  удельного поперечного сопротивления ЭИП корпуса корабля и данных опорного и контрольного измерений по формуле (4) определяют матрицу , затем по формуле (3) - вектор , затем по формуле (2) вектор , затем по формуле (1) определяют искомые значения удельного поперечного сопротивления ЭИП в местах нахождения каждого из зондов для момента времени проведения контрольного измерения.
Для проверки предлагаемого способа был разработан лабораторный экспериментальный комплекс, включающий, наряду с аналоговой (пластиковый бак с водой, макет подводной части корпуса корабля вместе с системой электродов, подводящими проводами и коммутаторами), цифровую часть (АЦП, ЦАП, ПЭВМ со специальным программным обеспечением). Схема комплекса представлена на фиг. 3, макет подводной части корпуса корабля показан на фиг. 4. Размещение электродов-зондов, выполненных из титана в форме дисков диаметром 5 мм, на подводной части корабля схематически показано на фиг. 5, а на фиг. 6 для примера показаны два из них (вид снаружи и изнутри). Устройство электродного узла обеспечивает герметичность корпуса корабля, а диэлектрическая прокладка под электродом обеспечивает изоляцию его от корпуса. С помощью шлейф-кабеля все электроды, а также корпус корабля подключены к штырьковому разъему (коммутатору). В процессе измерений каждый из электродов поочередно работает в активном режиме - на него подается зондирующий сигнал, тогда как остальные работают в режиме приема. Подключение электродов к генератору сигналов и к измерителю потенциалов осуществляется через коммутатор. На фиг. 7 показаны схема подключения электродов к плате АЦП и коммутатор.
Цифровая часть экспериментального комплекса обеспечивает формирование зондирующих сигналов, подаваемых на каждый из электродов поочередно, измерение силы тока в цепи электрода - источника поля, измерение потенциалов всех электродов относительно корпуса корабля, а также различные виды обработки принимаемых сигналов в ПЭВМ.
Методика обработки результатов экспериментальных измерений была обоснована с применением метода масштабного моделирования. Из анализа уравнений теории электрического поля в морской среде следует основной критерий подобия: если модель корпуса корабля в K раз меньше реального объекта, то проводимость воды в баке также должна быть в K раз меньше, чем в морской среде. При этом численные значения удельного поперечного сопротивления ЭИП на модели корпуса и реальном объекте совпадают. Поэтому в качестве рабочей среды в экспериментах, в соответствии с критериями подобия при масштабном моделировании, использовалась пресная (водопроводная) вода.
2
2
2
4
2
Обработка данных измерений показала, что уже при наличии двух-трех электродов-зондов можно выявить наличие серьезных повреждений ЭИП корпуса, если зонды достаточно удалены друг от друга и один из них находится в области повреждения. Например, при использовании данных всего двух зондов для наполовину окрашенного плоского листа стали полученные значения удельного поперечного сопротивления ЭИП оказались равными 4118 Ом×м (зонд на окрашенной половине) и 11 Ом×м (зонд на неокрашенной половине), для трех зондов, один из которых размещался на границе окрашенной части, соответственно, 3153, 27 и 7 Ом×м, тогда как реальное значение удельного поперечного сопротивления ЭИП на окрашенной половине составляло 10 Ом×м, а на неокрашенной, естественно, было нулевым.
В таблице 2 приведены восстановленные значения удельного поперечного сопротивления ЭИП наполовину окрашенного корпуса при обработке данных измерений для шести зондов (два варианта размещения), располагавшихся эквидистантно вдоль прямой, перпендикулярной границе окрашенной части. В экспериментах сначала выполнялось контрольное измерение (корпус наполовину окрашен), затем другая половина корпуса также покрывалась лакокрасочным материалом и выполнялось опорное измерение.
Обработка данных измерений для макета подводной части корпуса корабля с одним и двумя локальными повреждениями ЭИП в форме круга радиусом 2 см показала, что при наличии достаточно большого количества зондов (шесть и более) можно определить местонахождение повреждения ЭИП с высокой точностью, однако для поддержания достаточно высокой точности определения удельного поперечного сопротивления ЭИП хотя бы один из них должен находиться в области повреждения.
Лабораторные эксперименты подтверждают возможность определения удельного поперечного сопротивления ЭИП в различных местах подводной части корпуса корабля по измерениям с помощью системы зондов и совместной обработке полученных данных. При этом уже при небольшом количестве зондов и простых методах обработки данных измерений можно получить надежную информацию о состоянии ЭИП корпуса корабля.
Приложение
Зондирующий сигнал считают гармонически зависящим от времени, переменное электромагнитное поле, возбуждаемое в морской среде точечным электродом, описывают скалярным потенциалом, удовлетворяющим уравнению Гельмгольца:
поскольку поле рассматривают в ближней зоне по отношению к источнику. Здесь , σ, k - соответственно, комплексная амплитуда тока в цепи источника, проводимость морской среды и комплексное волновое число электромагнитной волны данной частоты в морской среде. Решение этого уравнения должно удовлетворять граничным условиям: непрерывности потенциала и нормальной компоненты плотности тока при переходе через границы раздела «морская среда-атмосфера» и «морская среда-грунт дна», а также граничному условию третьего рода на поверхности корпуса корабля и его деталей, омываемых морской водой:
0
Здесь ,, где  - исходное значение удельного переходного сопротивления корпуса после докования корабля,  - отрицательная добавка к нему, увеличивающаяся с течением времени, которая обусловлена постепенным снижением электроизоляционных свойств ЭИП из-за воздействия морской среды и различными повреждениями ЭИП, а - проводимость морской среды, b - удельная поляризуемость металла корпуса,  - удельное поперечное сопротивление ЭИП сразу после докования корабля. Очевидно, что величина , а вместе с ней и  является функцией координат точки на поверхности корпуса.
Сформулированную граничную задачу для потенциала сводят к интегральному уравнению с помощью функцию Грина , которая удовлетворяет уравнению Гельмгольца  и таким же граничным условиям, что и потенциал , за исключением граничного условия на поверхности корпуса корабля, которое имеет иной вид:
Используя вторую формулу Грина, которую записывают для потенциалов, нормированных на ток , , исключив производные потенциалов по нормали с помощью граничных условий (6), (7), получают равенство:
причем точки  и  находятся на поверхности корпуса корабля. Интегрирование в (8) производят только по поверхности подводной части корпуса корабля, так как на остальных границах раздела граничные условия для потенциала  и функции Грина  одинаковы, и интегралы по этим поверхностям исчезают. В равенстве (8) введена новая величина
Функции  и  получают путем измерений, так как их аргументы соответствуют точкам поверхности корпуса корабля, на которых, по условию, имеются измерительные электроды. При этом функция Грина  описывает распределение потенциала на поверхности корпуса корабля в опорном измерении (сразу после докования корабля, когда ЭИП корпуса удовлетворяет всем требованиям защиты корабля по электрическому полю). Функция  описывает распределение потенциала на поверхности корпуса корабля в контрольном измерении в какой-либо момент времени в процессе его эксплуатации, когда свойства ЭИП уже ухудшились. Зная эти функции, рассматривают равенство (8) как уравнение для нахождения неизвестной функции (9), или функции , которая просто выражается через  и полностью характеризует состояние ЭИП корпуса в этот момент времени.
Так как потенциалы  и  измеряют только на дискретной сетке точек на поверхности корпуса корабля, то есть в результате опорного и контрольного измерений получают двумерные массивы , то вместо интегрального уравнения (8) используют его дискретный аналог, который получается в результате применения простой квадратурной формулы для вычисления интеграла в этом уравнении:
Здесь  - величина площади  площадки поверхности корпуса;  N-мерный массив значений параметра (9), имеющих смысл средних значений этой величины в пределах  площадки поверхности корпуса. Для достижения большей точности при вычислении интеграла в (8) вместо простой квадратурной формулы используют какую-либо подходящую квадратурную формулу вида
где ,  - узлы и веса квадратурной формулы; тогда .
2
Равенства (10) представляют собой набор из N линейных алгебраических уравнений, служащих для определения N неизвестных параметров . При достаточно большом значении числа N электродов, размещенных на корпусе, число уравнений намного превосходит число неизвестных, что и требуется для снижения погрешности в результате обработки полученных данных измерений. Объединяя индексы j, k в один , записывают систему уравнений (10) в виде уравнения стандартной задачи линейного оценивания:
где
-  - вектор-столбец оцениваемых параметров размерности N;
-   - вектор-столбец размерности
2
N, полученный из измеряемых данных (напомним, что потенциалы нормируются на силу тока в цепи зонда - источника поля);
2
- прямоугольная матрица размером N×N.
Выбор алгоритма решения этой задачи зависит от полноты имеющейся информации о погрешностях измерений и допустимой сложности оценивателя. Наиболее простым и часто используемым является метод наименьших квадратов. Так называемое псевдоинверсное решение для оптимальной оценки по методу наименьших квадратов имеет вид:
Полученная оценка является линейной функцией данных измерений. С помощью формулы (9) найденный массив значений  пересчитывают в массив значений удельного поперечного сопротивления ЭИП , что приводит к формуле (1) описания изобретения.