Współpraca z naszymi klientami i dobre zdiagnozowanie ich potrzeb zaowocowało powstaniem innowacyjnego na skale światową produktu, jakim jest diagnoskop magnetyczny. Jesteśmy jedynym producentem i dystrybutorem tego prototypowego urządzenia.

Poniżej przedstawiamy szczegółowy opis urządzenia:

Diagnoskop magnetyczny ma zastosowanie do pośrednich pomiarów parametrów elektrycznych, magnetycznych materiałów ferro i para magnetycznych a także każdej grupy materiałów przewodzących, określania obecności stanów naprężenia mechanicznego I i II stopnia i jego kierunku, selekcjonowania stratności magnetycznej blach transformatorowych a także defektoskopii.

Diagnoskop magnetyczny jest innowacyjnym produktem opartym na mikroelektronice i rozwiązaniach wprowadzonych przez firmę TI (Texas Instruments). Idea badania materiału stosująca analizę unormowanych składowych impedancji i pojęcie przenikalności skutecznej umożliwia badanie szeregu procesów zachodzących w materiałach przewodzących. Oferowany diagnoskop pracuje w punkcie pomiarowym rezonansu magnetycznego cewka -próbka. Metodyka zastosowana została z powodzeniem w określania procesu zużycia eksploatacyjnego kołpaków wirników generatorów w pracy doktorskiej na wydziale Elektrycznym Politechniki Opolskiej, a w chwili obecnej jest stosowania w pracy doktorskiej z diagnozowania wytężenia eksploatacyjnego łopatek turbin parowych otwartej na Wydziale Transportu Politechniki Śląskiej w specjalności budowa eksploatacja maszyn pod kierunkiem promotora Z. H. Żurka. Teoretyczne podstawy metody są zawarte w publikacjach politechniki Śląskiej w tytule Obwody RLC w diagnostyce i eksploatacji muszych. Urządzenie USB współpracuję z programem, który może być dedykowany pod określony temat badawczy i życzenia nabywca. W wielu przypadkach może zastępować drogie profesjonalne urządzenia pomiarowe. O możliwościach pomiarowych świadczy artykuł zamieszczony wraz z ofertą produktu. Wersja oferowana została przebadana w wielu zastosowaniach a wyniki zebrano artykule.

Rys. Jedna z oferowanych wersji

Sonda – Diagnoskop magnetyczny

DOI: 10.13140/RG.2.2.11296.89604
09/2017, DOI: 10.13140/RG.2.2.11296.89604

Moduł LDC 1000 [1, 2] jest przetwornikiem pomiarowym indukcyjnym produkcji TI. Został zaprojektowany do pomiaru odległości od powierzchni materiałów przewodzących. Jego konstrukcja i oprogramowanie umożliwia wiele innowacyjnych zastosowań. Zastosowania można przenieść na diagnostykę maszyn (pomiar skręcenia walów napędowych, wykrywanie i pomiar niezrównoważenia mas wirujących) a także w obszar badań nieniszczących defektów ciągłości kształtu i struktury. W artykule opisano przykłady zastosowania w defektoskopii pęknięć, pomiarze parametrów elektrycznych i magnetycznych oraz w pomiarze odległości od powierzchni materiałów przewodzących.

Układ LDC 1000 jest dostępny od kilku lat na rynku. Obszar podstawowy jego zastosowania jest ciągle poszerzany [4, 5]. Jest tematem prac doktorskich [7]. Przedstawione na wstępie zasady pomiaru unormowanych składowych impedancji są wstępem do opisu działania przetwornika. Przetwornika LDC 1000 pracuje w obszarze rezonansu prądu: cewka indukcyjna – materiał badany.

Spośród możliwości diagnostycznych układu zaprezentowano jego zastosowanie w wykrywaniu defektów. Przeprowadzone pomiar pęknięć, pomiar przewodności oraz pomiar odległości. Wartościami rejestrowanymi była lokalna indukcja obwodu. Pomiary prowadzono na wzorcach stosowanych w defektoskopii magneto indukcyjnej. Wykonano badania na powtarzalność czasową pomiaru. Zwrócono uwagę na możliwość badań eksploatacyjnych kompozytów warstwowych a także na detekcje zawilgocenia pomiędzy warstwami kompozytowymi.

1. WPROWADZENIE

Praca jest kontynuacją badań [4, 7], nad zastosowaniem spektroskopii impedancji oraz unormowanych składowych w wykrywaniu zmian ciągłości struktury lub geometrii oraz procesów zmian parametrów materiału w procesie eksploatacji [5, 6]. Za pomocą przetwornika LDC wyznaczamy parametry elektryczne i magnetyczne w rezonansie utworzonym przez parametry cewki obejmującej materiał lub będącej w jego bezpośredniej bliskości [1]. Współczynnik odmagnesowania, w pomiarach indukcyjnych jest zależny jest od lokalizacji przetwornika testującego kształtu i wielkości elementu. Niezwykle istotna jest przestrzeń pomiędzy cewka a badaną próbką, definiowana wartością współczynnika wypełnienia [11, 12]. Przeprowadzenie badań na próbkach znormalizowanych pozwoli nam wyeliminować dodatkowe badania parametrów materiału.

Rys. 1. Ogólny schemat układu pomiarowego

Napięcie uzwojenia cewki (sondy) przed włożeniem próbki wynosi ε0, a po włożeniu próbki ε zmienia się proporcjonalnie do impedancji Z. W rozważaniu analitycznym zaproponowanym przez Förstera i zastosowaniach opisanych w pracy [11, 12] wprowadzono pojęcie przenikalności skutecznej – μsk, oraz założenie, że część rzeczywista R0 dla pustej cewki pomiarowej jest pomijana. Pozostaje jedynie składowa urojona ωL0 i składowa rzeczywista przyrostowa R:

 

(1)

z czego wynikają następujące zależności dla unormowanych składowych impedancji [10]:

(2) (3)

Gdzie:

μr– przenikalność magnetyczna względna,

η – współczynnik wypełnienia cewki,

definiowany, jako stosunek średnic próbki Dp i cewki Ds.

(4)

Dla przekroju prostokątnego otworu cewki i złożonego kształtu, współczynnik wypełnienia zależy od ilorazu powierzchni:

(5)

2. EXPERIMENTAL DETAILS

Badania eksperymentalne przeprowadzono przy użyciu certyfikowanych materiałów i próbek do badań wiroprądowych, dobrano cewkę testującą TI [2], oraz podana zasady pracy modułu LDC1000EVM [1].

2.1. Materiał badań

Testowi poddano wzorce stosowane do kalibrowania defektoskopów wiroprądowych. Badane wzorce są wykonane ze stali węglowej, tytanu i aluminium. Na powierzchni każdego wzorca wykonane są trzy nacięcia o stałej szerokości, lecz zmiennej głębokości 0,2 mm, 0,5 mm
i 1 mm, jak pokazano na rysunku 2:

Rys. 2. Przykłady wzorców kalibracyjnych z tytanu i aluminium

Parametry magnetyczne i elektryczne materiału przedstawia tabela 1:

Cewkę wzbudzającą pole magnetyczne wybrano z zestawu cewek oferowanych przez Texas Instruments do wszystkich modułów ewolucyjnych LDC evaluation module LDC EVM [2].


2.2. Measurement Coil

Zastosowano moduł LDC 1000 EVM oraz cewkę E z zestawu [2]. Cewka jest strukturą czterowarstwową o 48 zwojach. Na rysunku 3 zamieszczono układ zwojów jednej warstwy i fotografię cewki z zestawu:

 

Charakterystyka częstotliwościowa cewki, jej wartość szeregowa Rs i indukcyjność L pokazana jest na wykresie fabrycznym, zamieszczonym na rysunku 4:

 

Rys. 4. Charakterystyka częstotliwościowa cewki E [3]

Przewidywana częstotliwość graniczna rezonansu równoległego dla materiałów poddanych testowaniu zmienia się w przedziale od 3 do 6 MHz.

2.3. Moduł pomiarowy LDC 1000 EVM

Zasada pomiaru modułem LDC 1000 jest podobna do pomiaru odległości za pomocą defektoskopu wiroprądowego. Metodą pomiaru za pomocą prądów wirowych przedstawiono na rysunku 5. Prądy wirowe, generowane w materiale o przenikalności μ i przewodności γ wpływają na impedancję cewki, zmieniając wartości jej składowej czynnej i biernej. Indukcyjność szeregowa cewki Ls pozostaje indukcyjnością L a rezystancja cewki Rs jest powiększona o szeregową rezystancją pasożytniczą R(d). Szeregowa rezystancja R(d) jest zależna od odległości d, czyli jest funkcją materiału i odległości d od jego powierzchni jak pokazano na rysunku 6.

Rys. 5. Schemat wykrywania materiału w odległości d

Dodany, zewnętrzny kondensator C ogranicza pobór prądu w zakresie częstotliwości poza przedziałem pracy sondy w rezonansie. Główne zmiany parametrów obwodu widoczne są
w pomiarach rezystancji Rs(d) i są funkcją prądów wirowych. Układ szeregowy podłączony do oscylatora przedstawiono na rysunku 6.

Rys. 6. Układ szeregowy cewki podłączony do oscylatora

Na rysunku 7 przedstawiono sposób pomiaru realizowany przez LDC 1000. Rezystancja szeregowa jest mierzona przez ekwiwalentną rezystancję równoległą Rp(d) (9):

(9)

 

Rys. 7. Równoległy ekwiwalent cewki pomiarowej modułu LDC 1000

3. Pomiary

Element badań to głównie wzorce do kalibrowania defektoskopów wiroprądowych a także wzory konduktywności.

3.1. Pomiar defektów

Wzorce kalibracyjne wykonane są z aluminium, tytanu i stali. Metale te charakteryzują się różnymi wartościami przenikalności, zbliżonej do powietrza dla aluminium i tytanu oraz znacznie większej dla stali. Przewodność tych materiałów jest różna. Dlatego odpowiedzi składowych cewki pomiarowej jej indukcyjności i rezystancji równoległej muszą być różne. Pomiar zmian parametrów cewki pomiarowej ma w tym przypadku jedynie odzwierciedlać zmianę kształtu defektu. Na kolejnym rysunku (rys. 8) przedstawiono zarejestrowane zmiany indukcji cewki pomiarowej.

Rys.8. Porównanie trzech kolejnych pomiarów dla próbki ze stali węglowej.

Geometria defektu jej szerokość i głębokość wpływa na zróżnicowanie amplitudy sygnału sody LDC. Odległość powierzchni sondy od powierzchni materiału podyktowana była grubością folii teflonowej ograniczającą tarcie. Wyniki pomiaru trzech kolejnych próbek wzorcowych zamieszczono na rysunku 9:

Rys. 9. Zestawienie trzech kolejnych pomiarów dla trzech próbek.

Teoretyczny rozkład magnesującego pola magnetycznego stałego jak i przemiennego podczas pomiaru dowolnym typem przetwornika został uśredniony. Wynik pomiaru jest zależny od czynnej powierzchni przetwornika lub jego geometrii w stosunku do głębokości d i szerokości a defektu wyrażonego w metrach (rys. 10). Wielkość wartości mierzonej jest zależna, co do wartości amplitudy od kształtu wzajemnych relacji wymiarów, defekt – przetwornik. Teoretyczny rozkład pola magnetycznego uzyskany w programie MATHEMATICA przedstawia rys. 10. Przebiegi teoretyczne są zbliżone dla pola magnetycznego stałego jak i przemiennego [8, 9, 10, 13]

Rys. 10. Teoretyczny rozkład pola magnetycznego zależny od głębokości i szerokości defektu

Wymiar przetwornika wpływa na wynik pomiaru pola magnetycznego nad defektem Najniższe błędy można uzyskać, stosując miniaturowe przetworniki GMR, MR, lub super miniaturowe sondy indukcyjne Förstera. Użyta do badań cewka ma wymiar 6 x 11 mm (rys.3) i w pomiarze defektu wzorcowego i powoduje błąd co do amplitudy i kształtu.

3.2. Pomiar przewodności elektrycznej
Do pomiaru przewodności elektrycznej sondą LDC 1000 zastosowano profesjonalne standardy konduktywności pokazane na rysunku 11. Wartość Rp(d) zmienia się łącznie ze zmianę odległości d jak przewodność elektryczną

Rys. 11. Zestawy standardów przewodności elektrycznej

Wyniki pomiaru zmian składowej Rs + Rp(d) są związane ze zmianą przewodności i dystansu d. W przeprowadzonej serii, dystans ustalono grubością folii teflonowej, którą zabezpieczono powierzchnię cewki. Wyeliminowano w ten sposób wpływ odległości d. Zmiana
R(p)d=const. jest zależna od przewodności materiału i przenikalności magnetycznej (F. Förster). Pomierzone wartości rezystancji równoległej w stosunku do zmiany przewodności eklektycznej wzorców wskazują statystycznie istotną korelację jak pokazano na rysunku 12.

Rys. 12. Wykres zmian rezystancji Rp w funkcji konduktywności wzorców z rys. 11.

Zależność pomiędzy standardem konduktywności dla kolejnych badanych materiałów (rys.13) a rezystancją Rp potwierdza zastosowanie sondy LDC do pomiaru przewodności materiału.
Wpływ dystansu d na pomiar jest zawarty w pomiarze kolejnego wzorca przedstawionego na rysunku 14. Wzorzec ten zawiera grupę sześciu materiałów przeznaczonych do identyfikacji przewodności elektrycznej. Wymiar wzorców i sposób ich montażu uniemożliwił pomiar dla dystansu minimalnego (grubość folii teflonowej). Pomiary wykonano w odległości 0,9 mm.

Rys.13. Zestaw sześciu wzorców konduktywności

Wyniki pomiaru rezystancji równoległej Rp(d) zamieszczono na wykresie (rys. 17):

Rys. 14. Wyniki pomiaru wartości rezystancji Rp(d)

Parametry przewodności ferrytu znacznie odbiegają od pozostałych materiałów. W celu wykazania wpływu odległości d, przeprowadzono pomiar konduktywności na płycie stalowe ze stali węglowej w zmiennej odległości d.

5. Pomiar dystansu
Pomiar dystansu d jest założonym przez twórców zadaniem pomiarowym dla przetwornika LDC 1000. Uzyskana liniowość świadczy o czułości przetwornika. Zmiany rezystancji Rp
w funkcji odległości badano dla płytki stalowej o wymiarach 50×50 mm i grubości7,65 mm.
Wyniki pomiaru zamieszczono na rysunku 15. Na rysunku 16 podano odpowiadające kolejnym pomiarom zmiany częstotliwości rezonansowej przetwornika LDC:

Rys. 18. Zmiany rezystancji Rp w funkcji d

Rys. 19. Zmiany częstotliwości rezonansowej w funkcji d

Krzywa uzyskana z pomiarów testowych odległości d jest charakterystyczna dla konstrukcji sondy przetwornika [1, 3]

6. Weryfikacja zastosowań przetwornika LDC 1000

Weryfikacja polegała na porównaniu wyników z zastosowaniem standardowych wzorców częstotliwości oraz sposobu obsługi przetwornika. Dla uzyskania powtarzalności w przebiegu czasu i wartości urządzenie musi pracować jałowo przez okres min 30 min. Po tym czasie powtarzalność czasowa pomiędzy wynikami jest znacząca, jak pokazano na serii trzech pomiarów wzorca stalowego wykonanych w odstępach kilkunastu minut. Wyniki pokazano na rysunku 19. Wielkość błędu i możliwość rozróżniania konduktywności jak i odległości d, została wykazana na wzorcach i uwzględniona na rysunku 19 i 20. Jednoczesny pomiar częstotliwości rezonansowej i indukcyjności umożliwia wyznaczenie przenikalności magnetycznej materiału w niskich polach magnetycznych. Aproksymacja liniowa i wielomianowa wykazuje błąd umożliwiający zastosowanie w szybkiej ocenie poligonowej parametrów materiału.

7. Podsumowanie

Założony cel sformułowany w zadaniu badawczym został zrealizowany wykazując możliwość zastosowania przetwornika w diagnostyce materiału i defektów. Jego dostępność i niskie koszty oraz różnorodność zastosowań została potwierdzona i udokumentowana w pomiarami. Innowacyjność zastosowań przetwornika LDC 1000 omawiano w wielu artykułach, referatach oraz prezentacjach konferencyjnych. Szerokie zastosowania badawcze przetwornika LDC 1000 firmy TI, prezentowano na WCNDT 2016 w Monachium.