ОПИСАНИЕ СРЕДСТВА КОНТРОЛЯ ДИАМЕТРА ТРУБЫ

Курсовой проект

на тему Средство контроля диаметра трубы

по дисциплине Электромагнитный контроль

Студент Чигоревский Валерий Александрович группы ФР-515

Пояснительная записка

Шифр проекта КП-2068998-32-14-42.76.716-ПЗ

Руководитель проекта

Волков Александр Юрьевич

Разработал студент

РЕФЕРАТ

В данной курсовой работе спроектировано средство контроля диаметра трубы из алюминиевого сплава марки АМг6М с номинальным внутренним диаметром 20 мм и толщиной стенки 1,0 мм, с максимальным отклонением внутреннего диаметра 1 мм. Контроль производится с погрешностью не более 2% в диапазоне рабочих температур от -10 до 30 С.

В ведении обосновывается актуальность и необходимость разработки.

В первом разделе приведен обзор литературы, в котором рассмотрены способы выделения информации с вихретокового преобразователя (ВТП), приведены примеры структурных схем приборов для контроля диаметра труб, взятые из патентной базы.

Во второй части произведен расчет основных параметров (ВТП) а также структурно реализован амплитудный способ выделения информации. Рассчитана чувствительность к контролируемому параметру и погрешности контроля.

В третьей части предложен вариант исполнения электронного блока, его настройка, калибровка и проведение измерений.

В заключении были сделаны выводы, полученные в результате произведенных расчетов, а также их сравнение с поставленной задачей.

Страниц основного текста 47, приведенных рисунков 16, использованных источников 10, графическая часть состоит из двух чертежей на формате А1.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение……………………………………………………………..........5

1. Обзор литературы……………………………………………………...6

1.1 Выбор структурной (функциональной) схемы прибора …………..6

1.1.1 Устройство измерения внутреннего диаметра полых электропроводящих изделий……………………………………………………...9

1.1.2 Вихретоковый преобразователь проходного типа……………….12

1.2 Выбор первичного преобразователя …………………………...…...15

2. Расчетная часть…………………………………………………..…….17

2.1 Расчет ВТП……………………………………………………………17

2.2 Расчет усилителя……………………………………………………..23

2.3 Построение годографа………………………………………...……..26

2.4 Чувствительность к контролируемому параметру………………....31

2.5 Чувствительность к подавляемому параметру……………………..32

3. Описание средства контроля диаметра труб………………………...33

3.1 Подготовка прибора к работе…………………………………….…34

3.2 Калибровка прибора……………………….……………………...…35

3.3 Измерение…………………………………………………..……..….36

Заключение……………………………………………………………….37

Библиографический список……………………………………………..38

Приложение А……………………………………………………………48

Приложение Б…………………………………………………………….49

Приложение В…………………………………………………………….51

Приложение Г…………………………………………………………….52

Приложение Д…………………………………………………………….53

Приложение Е…………………………………………………………….54

ВВЕДЕНИЕ

Появление современных крупномасштабных объектов - атомных электростанций, терминалов со сжиженным газом, морских буровых установок, крупных авиалайнеров, поставило человека перед высокой ответственностью за жизни других людей и природы в случае выхода из строя этих сооружений.

Основные причины роста числа аварий и катастроф: критический уровень износа оборудования, нарушение производственной и технологической дисциплины. Для решения этих проблем используется неразрушающий контроль и диагностика (НК и Д).

Средство контроля диаметра труб является неотъемлемой частью производственного процесса, ведь точность изготовления диаметрального размера необходима для правильного сочленения с другими узлами оборудования какого-либо объекта, когда геометрические размеры должны быть в рамках заданного предприятием-изготовителем. Всем этим занимается метрическая диагностика – измерение диаметров, толщины стенок (в т.ч. при одностороннем доступе), толщины покрытий, слоёв и зазоров.

Вихретоковый метод контроля позволяет контролировать размеры объекта контроля с большой скоростью и незначительной трудоёмкостью контроля, электрическая природа сигнала, быстродействие, позволяет автоматизировать контроль. Применение этого метода для контроля внутреннего диаметра трубы, значительно сэкономит время на производстве, т.к. труба будет контролироваться вихретоковым преобразователем бесконтактно, проходя через него после стадии изготовления (отливки) на другие стадии производства.

Целью данного курсового проекта является разработка средства контроля внутреннего диаметра трубы (20 мм) и толщиной стенки 1 мм из алюминиевого сплава марки АМг6М с применением вихретокового метода контроля и погрешностью не более 2%.

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 Выбор структурной (функциональной) схемы прибора

За последние годы создано и успешно эксплуатируется большое количество разнообразных приборов и систем неразрушающего вихретокового контроля. Они отличаются друг от друга типами вихретоковых преобразователей, режимами их возбуждения, а также схемами аналоговой и цифровой обработки сигналов.

Традиционная структура вихретоковых приборов содержит следующие основные блоки: блок генератора; блок вихретокового преобразователя; блок обработки сигналов и индикатор. Автоматизированная вихретоковая аппаратура дополнительно содержит блок управления и обработки информации, а также блок ввода-вывода информации. Блоки соединяются между собой прямыми и обратными связями, определяющими специфику контроля, функциональные и метрологические характеристики вихретоковой аппаратуры [9, стр. 66].

По заданию курсового проекта нужно контролировать внутренний диаметр алюминиевой трубы, когда при контроле выходная информация, поступающая от вихретокового преобразователя (ВТП), зависит от большинства параметров объекта контроля (ОК) и других влияющих факторов. Под изменением температуры ОК будет изменяться его удельная электрическая проводимость (УЭП). УЭП будет мешающим параметром вихретокового контроля алюминиевой трубы и для ослабления влияния этого параметра применяется двухпараметровый способ выделения информации.

В соответствии с условиями задачи, при изменении внутреннего диаметра , толщина стенки трубы не меняется, а значит, изменяется вместе с внутренним диаметром и внешний диаметр трубы . Нужно задать такую глубину проникновения, чтобы она была меньше толщины стенки трубы, благодаря этому, ОК можно контролировать как сплошной цилиндр, а не как трубу, контролируя внешний диаметр трубы. Зная толщину стенки трубы, которая не изменяется, можно будет перейти к внутреннему диаметру трубы.

Для контроля диаметра сплошных цилиндров целесообразно применять амплитудный способ выделения информации [3, стр. 223].

Рассмотрим более подробно этот способ выделения информации.

Амплитудный способ выделения информации.

Рассмотрим часть годографа вносимых напряжений , обусловленных изменениями контролируемого параметра и подавляемого фактора (параметра) (рисунок 1). Амплитуда напряжения ВТП (модуль комплексного напряжения) может лишь в небольшой степени зависеть от изменения подавляемого параметра, если рабочая точка из начала координат смещается в точку комплексной плоскости , расположенную на нормали к годографу в точке , соответствующей ОК с номинальными параметрами ( ). Этого можно добиться вычитанием компенсирующего напряжения из напряжения измерительной обмотки ВТП: , где – начальное вносимое напряжение при и . Если изменение подавляемого фактора вызывает смещение конца вектора из точки в точку , то разность модулей векторов и .

Рисунок 1 – Векторная диаграмма амплитудного способа выделения информации

В тоже время при изменении контролируемого параметра (точка ) , где – модуль чувствительности ВТП к контролируемому параметру ; – угол в точке между направлениями па комплексной плоскости линий влияния факторов и .

Амплитудный способ двухпараметрового контроля целесообразно применять тогда, когда годографы близки дугам концентрических окружностей, а угол между касательными к ним и годографами значителен . Очень важно, чтобы этот угол мало изменялся при значительных приращениях параметров и . В противном случае, т. е. когда линия влияния отличается от окружности, а линии влияния – от прямой линии, амплитудный способ приводит к погрешностям контроля, которые тем больше, чем сильнее отличие от окружности, а – от прямой линии. Так как в этом случае выходное напряжение прибора пропорционально , то наилучшие условия выделения информации о параметре будут при .

Амплитудный способ выделения информации целесообразно применять, например, для контроля диаметра прутков проходными ВТП или толщины диэлектрических покрытий (что идентично изменению зазора между ВТП и ОК) накладными ВТП с подавлением влияния изменений удельной электрической проводимости [3, стр. 222].

Структурная схема прибора, действие которого основано на амплитудном способе выделения информации, приведена на рисунке 2. Сигнал, полученный от блока 2 ВТП, возбуждаемого генератором 1, усиливается усилителем 3 и детектируется амплитудным детектором 4. А постоянное напряжение детектора 4 подается на индикатор 5. Характерная особенность блока 2 в данной схеме – наличие компенсатора, позволяющего смешать точку компенсации в положение, требуемое по условиям подавления влияния мешающего фактора.

Рисунок 2 – Структурная схема амплитудного способа выделения информации

В итоге выберем структурную схему вихретокового средства контроля, разрабатываемого в данном курсовом проекте. Используем самую простейшую схему вихретокового прибора, реализующую амплитудный способ, представленную на рисунке 2.

Проведены патентные исследования по теме курсового проекта, и выяснилось, что внутренний диаметр труб контролируют в основном внутренними проходными ВТП и соответственно имеются патенты только для таких типов преобразователей. Рассмотрим данные изобретения, касающиеся проходных внутренних ВТП, взятые из патентной базы.

1.1.1 Устройство измерения внутреннего диаметра полых электропроводящих изделий [8]

Устройство относится к неразрушающему контролю и может быть использовано для измерения внутреннего диаметра полых электропроводящих объектов.

В устройстве реализовано повышение точности измерения за счет одновременной отстройки от вариации электропроводности материала контролируемого изделия и смещения оси преобразователя от оси изделия.

На рисунке 3 представлена блок-схема устройства, реализующего способ измерения внутреннего диаметра полых электропроводящих изделий.

Рисунок 3 – Блок схема устройства

Устройство содержит два идентичных канала измерения. Первый канал состоит из последовательно соединенных генератора 1, ВТП 2, усилителя 3, фазового детектора 4 и блока 5 ограничения сигнала, а также амплитудного детектора 6, подключенного входом к выходу усилителя 3, и ограничителя 7, подключенного входом к выходу амплитудного детектора 6. Второй канал состоит из последовательно соединенных генератора 8, усилителя 9, фазового детектора 10 и блока 11 ограничения сигнала, а также амплитудного детектора 12, подключенного входом к выходу усилителя 9 и ограничителя 13, подключенного входом к выходу амплитудного детектора 12.

Кроме того, устройство содержит сумматоры 14 и 15, вычитатель 16 и индикатор 17, подключенный к выходу вычитателя 16. Сумматор 14 соединен первым и вторым входами с выходами ограничителей 7 и 13 соответственно и выходом – с первым входом вычитателя 16, сумматор 15 соединен первым и вторым входами с выходами блоков 5 и 11 ограничения сигнала соответственно, и выходом – со вторым входом вычитателя 16.

Вихретоковый преобразователь 2 (рисунок 4)состоит из соосных возбуждающих 18 и 19 и измерительных 20 и 21 обмоток. Рекомендуется пары обмоток 18,20 и 19,21 относящихся к разным каналам измерения, размещать с осевым зазором друг относительно друга.

Рисунок 4 – Размещение преобразователя в изделии

Способ измерения внутреннего диаметра полых электропроводящих изделий реализуют следующим образом.

С помощью набора образцов предварительно на каждой из частот получают градуировочные характеристики , где – проекция вектора с выхода ВТП 2 на вектор, ортогональный вектору приращения под действием смещения осей ВТП 2 и образца, а также под действием изменения электропроводности . Значения частот и выбирают исходя из оптимальной чувствительности к внутреннему диаметру D.

Преобразуя характеристики 22 и 23 (рисунок 5) , полученные на двух разных частотах, получают характеристику 24, которая существенно меньше зависит от вариации подавляемых параметров. Преобразование осуществляется путем выбора большего из значений по характеристикам 22 и 23.

Рисунок 5 – Зависимости преобразованной величины от внутреннего диаметра при различных значениях влияющих параметров

1.1.2 Вихретоковый преобразователь проходного типа [7]

Устройство относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для контроля геометрических параметров цилиндрических изделий и электропроводящих материалов вихретоковым методом.

В устройстве реализовано повышение чувствительности преобразователя к изменению внутреннего диаметра контролируемой трубы и, как следствие, увеличения точности измерения диаметра. Поставленная цель достигается тем, что вихретоковый проходной преобразователь, содержащий соосно размещенные полесоздающую и две измерительные дифференциально включенные обмотки, одна из которых размещена в плоскости полесоздающей обмотки внутри нее, а другая – в параллельной плоскости, дополнительно снабжен второй полесоздающей обмоткой, размещенной в плоскости другой измерительной обмотки и снаружи относительно нее, включенной последовательно и согласно с первой полесоздающей обмоткой, причем параметры обмоток связаны соотношением:

,

где - начальный диаметр первой и второй измерительных обмоток;

- количество витков и ширина первой (второй) полесоздающей и первой (второй) измерительной обмотки; - расстояние между первой и второй парами обмоток, измеренное вдоль оси преобразователя.

На рисунке 6 представлен вихретоковый преобразователь, продольный разрез; на рисунке 7 – график зависимости чувствительности преобразователя от расстояния между обмотками, измеренного вдоль оси преобразователя.

Рисунок 6 – Вихретоковый преобразователь (продольный разрез):

1 и 2 – полесоздающие обмотки; 3 и 4 – измерительные обмотки; 5 и 6 – кольцевые проточки; 7 – цилиндрический корпус (оргстекло); 8 – ОК (образец)

Рисунок 7 – График чувствительности преобразователя к изменению расстояния между обмотками

Преобразователь работает следующим образом.

На полесоздающие обмотки 1 и 2 (рисунок 6) подается сигнал от генератора переменного напряжения (не показан). Переменный ток, протекающий в полесоздающих обмотках 1 и 2, создает переменное магнитное поле, возбуждающее вихревые токи в образце 8, при этом магнитное поле вихревых токов противоположно первичному полю полесоздающих обмоток 1 и 2, и в измерительных обмотках 3 и 4 наводится ЭДС, определяемая потокосцеплением магнитного поля, которая регистрируется измерительным устройством (не показано), отградуированным, например, в величинах внутреннего диаметра образца 8.

Выбор соотношения осуществлен с учетом диаметра провода, заполняющего сечение обмоток с размером , и обусловлен максимальной чувствительностью преобразователя с минимальной паразитной индуктивностью. Диапазон изменения в пределах 15-20 мм выбран экспериментальным путем для достижения максимальной чувствительности преобразователя. Коэффициент 1,5-1,7 выбран для получения равенства левой и правой частей выражения, связывающего основные параметры преобразователя.

1.2 Выбор первичного преобразователя

Геометрические размеры, электрические и магнитные параметры цилиндрических объектов кругового сечения целесообразно контролировать с помощью проходных преобразователей с однородным магнитным полем в зоне контроля [6, стр. 28].

Проходные ВТП в процессе контроля проходят либо снаружи ОК (наружные), охватывая его, либо внутри ОК (внутренние), либо погружаются в жидкий ОК (погружные).

В задании курсового проекта сказано, что доступ к контролируемой трубе возможен только снаружи. Поэтому будем рассматривать только проходные наружные ВТП (рисунок 8).

а)

б)

Рисунок 8 – Проходные наружный ВТП (трансформаторные):

а) абсолютный; б) дифференциальный; 1 – ОК; 2 – возбуждающая обмотка

3 – измерительная обмотка (обмотки)

По виду преобразования параметров объекта контроля в выходную величину ВТП делятся на трансформаторные и параметрические. Первые содержат как минимум две обмотки (возбуждающую и измерительную), параметры объекта контроля преобразуются в напряжение измерительной обмотки, а в параметрических, имеющих, как правило, одну обмотку, – в комплексное сопротивление.

Достоинством трансформаторных ВТП, по сравнению с параметрическими ВТП, является лучшая температурная стабильность, т.к. под влиянием температуры изменяются электрические параметры обеих обмоток сразу (на примере трансформаторного ВТП с двумя обмотками).

В зависимости от способа соединения обмоток различают абсолютные и дифференциальные ВТП (рисунок 8). Выходная величина абсолютного ВТП в основном зависит от абсолютного значения параметров объекта, а выходная величина дифференциального – от приращений этих параметров.

Абсолютные ВТП применяются для контроля удельной электрической проводимости (УЭП), магнитной проницаемости и др. свойств с ними связанных, а также контроля диаметра и толщины стенки ОК. Дифференциальные используются для оценки неоднородности структуры и нарушения сплошности или каких-либо других инженерных соображений, например, повышение чувствительности преобразователя и точности измерения контролируемого параметра ОК.

Исходя из всего сказанного, выбираем проходной наружный трансформаторный абсолютный ВТП (рисунок 8, а).

РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ

2.1 Расчёт ВТП

Расчет проходных преобразователей следует начинать с выбора значений обобщенного параметра , которые определяются условиями задачи и принятым способом выделения полезной информации. Зная параметры объекта контроля и значение , находят рабочую частоту [6, стр. 166].

В нашем случае, для перехода от контроля трубы к контролю сплошного цилиндра, рабочая частота генератора рассчитывается через глубину проникновения электромагнитной волны в стенку трубы (ОК).

Толщина стенки трубы по заданию равна 1,0 мм, зададим глубину проникновения электромагнитной волны 0,75 мм, и через эту глубину рассчитаем рабочую частоту генератора по формуле:

(1)

где – электропроводность материала ОК, МСм; – глубина проникновения электромагнитной волны, ; – абсолютная магнитная проницаемость ОК, .

УЭП алюминиевого сплава АМг6М находится как среднегеометрическое значение интервала (рисунок 9) [10, стр. 219]. Относительная магнитная проницаемость алюминия может быть принята равной единице, так как сплав неферромагнитный.

Рисунок 9 – Таблица значений электропроводности для разных марок сплавов

УЭП сплава АМг6М:

Рабочую частоту генератора рассчитаем по формуле (1):

Примем рабочую частоту 28 кГц, рассчитаем обобщенный параметр контроля:

(2)

где – радиус ОК (в нашем случае внешний радиус трубы).

По формуле (2):

.

Примерный вид ВТП представлен на рисунке 10.

Рисунок 10 – примерный вид проходного ВТП для контроля внутреннего диаметра алюминиевых труб из сплава АМг6М: 1 – возбуждающая обмотка; 2 – измерительная обмотка; 3 – корпус (текстолит); 4 – протектор между измерительной и возбуждающей обмоткой; 5 – ОК.

На рисунке не указан протектор возбуждающей обмотки, который наматывается поверх неё изолирующей лентой толщиной 0,5 мм. Протекторы для возбуждающей и измерительной обмотки нужны для защиты от внешних воздействий.

Средний диаметр однослойной измерительной обмотки, намотанной медным проводом ПЭЛ-0,03 (с эмалевым лакостойким покрытием), , равен:

, (3)

где – диаметр ОК (максимальный внешний диаметр трубы), ; – толщина воздушного зазора, ; – толщина протектора, ; – диаметр провода измерительной катушки, .

Средний диаметр однослойной возбуждающей обмотки, намотанной медным проводом ПЭВ-1-0,315 (изолированный эмалевым высокопрочным покрытием), , равен:

, (4)

где – диаметр провода возбуждающей катушки, ; – толщина изоляции между возбуждающей и измерительной катушкой, .

Минимальный диаметр провода возбуждающей обмотки находят, задавшись током возбуждения (обычно ), по допустимой плотности тока в обмотке . Диаметр провода измерительной обмотки обычно лежит в пределах [6, стр. 162].

Положим толщину воздушного зазора равной 0,25 , толщину протектора – 1 , диаметр провода измерительной катушки (с изоляцией) – 0,03 (0,045) , диаметр провода возбуждающей катушки (с изоляцией) – 0,315 (0,35) и толщину изоляции между возбуждающей и измерительной катушкой равной 0,5 мм, тогда в соответствии с формулами (3) и (4):

,

.

Выбираем длину возбуждающей катушки, , из условия, что соотношения должно быть не менее [6, стр. 167], примем :

.

Количество витков однослойной возбуждающей обмотки равно отношению длины этой катушки , , к диаметру провода обмотки в изоляции , :

(5)

Подставив полученные значения для возбуждающей катушки, получим:

.

Измерительные обмотки выполняются, как правило, с малым соотношением длины к диаметру , примерно для повышения локальности контроля [6, стр. 167]. Из этого условия выбираем длину измерительной катушки равной :

.

Аналогично формуле (5) рассчитываем количество витков однослойной измерительной обмотки:

.

По уже рассчитанным параметрам можно вычислить собственные индуктивности катушек, [4, стр. 247]:

, (6)

где – число витков обмотки катушки; – диаметр катушки, ; – величина, значения которой заданы таблицей в зависимости от отношения [4, стр. 248-249]. Подставим в формулу (6) параметры возбуждающей и измерительной катушек:

;

.

Далее рассчитаем ток возбуждающей катушки , по формуле:

,

где – максимально допустимая плотность тока обмотки возбуждающей катушки, выполненной из медного провода, составляет 3-4 ; – площадь поперечного сечения провода обмотки, , находится по формуле:

Исходя из всего выше сказанного, ток в возбуждающей катушке равен:

.

Принимаем .

Напряженность магнитного поля внутри возбуждающей катушки :

.

Напряжение холостого хода , находим через напряженность магнитного потока :

,

где – площадь сечения магнитного потока, сцепленного с измерительной обмоткой, , вычисляемая по формуле [6, стр. 167]:

.

.

Подставив все значения в формулу вычисления , получим:

.

Нет необходимости получать ЭДС холостого хода на измерительной катушке больше 10 В, уменьшим количество витков измерительной катушки до 30 витков. Подкорректируем расчёты:

напряжение холостого хода: ;

собственная индуктивность измерительной катушки: .

Рассчитаем резонансную частоту возбуждающей катушки по формуле Томпсона:

, (7)

где – индуктивность возбуждающей катушки, Гн;

– паразитная емкость возбуждающей обмотки, Ф.

Для того чтобы собственная резонансная частота возбуждающей обмотки превышала рабочую частоту не менее чем в два раза, паразитная емкость этой обмотки и емкость подводящих проводов не должна превышать [6, стр. 174]:

По формуле (7):

Активные сопротивления возбуждающей и измерительной обмоток преобразователя [6, стр. 175]:

;

,

где – удельное электрическое сопротивление провода обмотки, .

;

.

Полные сопротивления обмоток:

;

,

;

;

;

;

;

.

Входное сопротивление усилителя должно быть как минимум в 10 раз больше сопротивления измерительной обмотки .

Генератор должен обеспечивать ток не менее 300 мА частотой 28 кГц в нагрузке .

2.2 Расчет усилителя

Сигнал с выхода ВТП поступает на усилитель, который является согласующим элементом, чтобы уменьшить влияние последующих схем обработки сигнала на ВТП. Максимальный сигнал с ВТП будет при отсутствующем ОК и равен напряжению холостого хода . Напряжение холостого хода, получаемое с ВТП, имеет значение по амплитуде 2,912 В и даже с уменьшением его, за счёт вносимого напряжения (до 0, 71 В, таблица 1 приложения Б) не требует усиления, для нормальной работы последующих схем (амплитудный детектор), поэтому в качестве усилителя в исходной структурной схеме прибора (рисунок 2), используем эмиттерный повторитель, схема которого приведена на рисунке 11.

Рисунок 11 – Усилительный каскад с включением БТ по схеме с ОК

Выбираем тип биполярного транзистора (БТ):

– он должен быть кремниевый n-p-n, для лучшей температурной стабильности;

– из класса низкой или средней мощности;

– наиболее дешевый;

– работающий в диапазоне низких или средних частот.

Задаем , равный приведенному в справочнике [5, стр. 201] типовому режиму измерения параметров БТ, например, справочный , соответствующий режиму измерения статического коэффициента передачи тока или режиму измерения модуля коэффициента передачи тока на высокой частоте.

Тип БТ: КТ503А, ; (определено по графику зависимости );

;

Критерий выбора – такое положение рабочей точки БТ на семействе выходных ВАХ, при котором получается максимально возможная амплитуда переменной составляющей на выходе усилительного каскада.

Рисунок 12 – Семейство выходных ВАХ для БТ КТ503

Задаем н