Komputerowe wsparcie badań nieniszczących i monitorowania konstrukcji na przykładzie metody MPM

Transkrypt

1 Komputerowe wsparcie badań nieniszczących i monitorowania konstrukcji na przykładzie metody MPM Motywacja Problem badawczy Dobór obserwatora stanu Metoda magnetycznej pamięci metalu (MPM) Prace badawczo-rozwojowe metody MPM Oprogramowanie EXPERT MPM Wnioski Mirosław WITOŚ Mariusz ZIEJA XVIII MIĘDZYNARODOWA KONFERENCJA NAUKOWA Komputerowe Systemy Wspomagania Nauki, Przemysłu i Transportu TransComp 2014 Zakopane,

2 Motywacja W Polsce: a) ponad 70% bloków energetycznych opalanych węglem ma przekroczoną pierwotną trwałość eksploatacyjną (resurs techniczny), b) istnieją poważne zaległości w modernizacji sieci przesyłowych dekapitalizacja techniczna sieci przesyłowej 220 kv przekracza 87%, c) nie ma wystarczających środków finansowych na budowę nowych mocy energetycznych. Dane Eurostat z 2012 i referat prof. K. Żmijewskiego na seminarium Szanse realizacji Pakietu Klimatyczno-Energetycznego z 2010 Problem decyzyjny: 1. Jak bezpiecznie przedłużać trwałość eksploatacyjną obiektów technicznych stosowanych w energetyce, np. turbin parowych z do godz.? 2. Które metody badań NDT, SHM i PHM należy stosować?

3 Motywacja Różne stalowe obiekty/elementy, ale ten sam problem badawczy

4 Mechanizmy odkształcenia plastycznego T/Tm < 0.3 umocnienie na zimno Odkształcenie bez defektów naprężenia przewyższają teoretyczną wytrzymałość na ścinanie. Poślizg dyslokacji odkształcenie zachodzi w wyniku poślizgu poprzecznego dyslokacji. Pełzanie dyslokacji przy wysokich temperaturach zdolność dyslokacji do wspinania jest taka sama jak do poślizgu poprzecznego. Pełzanie Nabarro-Harringa: przemieszczanie się defektów punktowych przez ziarna. Pełzanie Coble a - przemieszczanie się defektów punktowych wzdłuż granic ziaren. Podczas odkształcania na zimno ulegają zmianie: - gęstość dyslokacji, - średnia średnica ziarna. Defekty mikrostruktury i granice ziaren utrudniają ruch domen magnetycznych są źródłem anomalii magnetycznych

5 Motywacja Większość elementów krytycznych jest wykonana z materiałów ferromagnetycznych lub metastabilnych stali austenitycznych metody magnetyczne NDT. Metoda MPM - unormowana metoda badań nieniszczących (NDT), realizowanych na bazie pomiaru i analizy zastanego namagnesowania materiału i detekcji anomalii magnetycznych: a) PN-ISO :2009P Badania nieniszczące. Magnetyczna pamięć metalu. Część 1. Słownictwo (wprowadza ISO :2007) b) PN-ISO :2008P Badania nieniszczące. Magnetyczna pamięć metalu. Część 2. Wymagania ogólne (wprowadza ISO :2007) c) PN-ISO :2009P Badania nieniszczące. Magnetyczna pamięć metalu. Część 3. Kontrola złącz spawanych (wprowadza ISO :2007) Aplikacja metody MPM w Polsce metoda MPM jest kojarzona z produktami firmy Energodiagnostyka Sp. z o.o., m.in.: Rejestrator IKN-3M-12 (do 16 kanałów) Sonda Typ 1-8M (4 magnetometry 2D, enkoder inkrementacyjny) Sonda Typ 2M (2 magnetometry 2D, enkoder inkrementacyjny) Oprogramowanie MMM-System

6 3 2 1 R DIAGNOZA Koszty Bezpieczeństwo Magnetostatyka (detekcja A, P, I) A P I B m = μ 0 H E + M M M 0 + ΔM H + ΔM T + ΔM σ + ΔM D + ΔM t Magnetyzacja naprężeniowa i wpływ historii eksploatacji Metoda MPM S = A + P + I Dekompozycja sygnału B p = B i + B r S Składowa indukowana Namagnesowanie szczątkowe Pomiary pola magnetycznego (pasywny magnetyczny obserwator stanu) B p = μ 0 H p = f M, h + ΔB noise -2

7 Mocne strony metody MPM Pamięć ferromagnetyka i efekty magnetomechaniczne B [T] B r H [A/m] t [s] B = μ 0 (H+M) B =B i + B r B r σ, N B 1 σ + A σ ln(n) m B = μ 0 (H+M) ΔB σ = B i (σ) + B r (σ,n) M.F. Fischer, Note on the effect of repeated stresses on the magnetic properties of steel. Bureau of Standards Journal of Research, 1928, Vol. 1, No. 5, pp

8 Mocne strony metody MPM Bardzo wysoka czułość parametrów magnetycznych na zmiany mikrostruktury i odkształcenia H c ρ d, d 1 L i 1, σ r B r, μ rmax ρ d 1, d μ i L i 2, σ r 1 gdzie: H c siła koercji B r remanencja m rmax maksymalna przenikalność magnetyczna m i początkowa przenikalność magnetyczna d średnia średnica ziarna L i okresowość odległości między centrami naprężeń wewnętrznych ρ d gęstość dyslokacji s r naprężenia wewnętrzne odwzorowujące niejednorodność rozkładu energii magnetoelastycznej, Pasywne i aktywne metody magnetyczne i elektromagnetyczne są stosowane do diagnozowania jakości mikrostruktury.

9 Mocne strony metody MPM Metody magnetyczne (aktywne i pasywne) Skład chemiczny Obróbka cieplno-mechaniczna Początkowa struktura materiału Materiał B < 1T Początkowe własności mechaniczne Początkowe własności magnetyczne - Jakość produkcji + + Oczekiwane własności magnetyczne

10 Metoda MPM - kontrola jakości spoin spawalniczych Anomalia magnetyczna, której przyczyną są: defekt struktury (zwiększona gęstość dyslokacji, wtrącenie, pęknięcie lub inna mikrostruktura spoiny/strefy HAZ), strefa koncentracji naprężeń s I, s II i s III

11 Pasywna detekcja pęknięć (od 1970) Detekcja degradacji stali austenitycznych Wtrącenie Fe

12 Monitorowanie lin i skipów (od 2005) SKIP 270 kn Anomalia magnetyczna liny Mocne strony: możliwość prognozowania degradacji materiału do 3 lat! Słabe strony: pominięcie właściwości magnetycznych materiału.

13 Mocne strony metody MPM Metody magnetyczne w NDT i SHM Skład chemiczny Obróbka cieplno-mechaniczna Historia eksploatacji (poziom wytężenia, liczba cykli obciążenia i przeciążenia, błędy remontowe i eksploatacji) Czynniki środowiskowe (temperatura, korozja, erozja, kawitacja, prom. γ) Materiał Początkowa struktura materiału Czas eksploatacji Bieżąca struktura materiału Początkowe własności mechaniczne Początkowe własności magnetyczne Bieżące własności magnetyczne Bieżące własności mechaniczne + Prognoza stanu technicznego + - Bieżący - stan techniczny + + Oczekiwane własności magnetyczne

14 Słabe strony metody MPM Symptom MPM = f loc μ r, H c, B r, W h, H s, M s, λ, ω, S ω, t lokalne własności magnetyczne f avg μ r, H c, B r, W h, H s, M s, λ, ω, S ω, t? średnie własności magnetyczne Symptom MPM f loc %Fe α, %Fe γ, %faz i wtrąceń, d, ρ d, σ r, t f avg %Fe α, %Fe γ, %faz i wtrąceń, d, ρ d, σ r, t lokalne parametry struktury średnie parametry struktury? Symptom MPM f loc R p0.2, R p1.0, R m, A 5, KV, HV, σ y, σ u, t f avg R p0.2, R p1.0, R m, A 5, KV, HV, σ y, σ u, t lokalne własności mechaniczne średnie własności mechaniczne Czy jest możliwe prognozowanie stanu technicznego obiektów tylko na bazie badań MPM?

15 Weryfikacja symptomów MPM : Eksperymenty czynne na Politechnice Śląskiej Prace realizowane przez zespół dr. inż. Macieja Roskosza w ramach Strategicznego Programu Badawczego Zaawansowane technologie pozyskiwania energii i prac magisterskich. LOAD F(t) A 0 60 X BARKHAUSEN B 140 NOISE MEASUREMENT LINE 200 Ht,y Measuring segment R Y F(t) LOAD Hn,z 700 B E dh [A/m] n = 0.3 s r 0 MPa F=0 N n (0.3; 0.5) s r s p - s 50 B H After s [MPa] Naprężenia I rodzaju B H2 Porównanie metody MPM z: - defektoskopią rentgenowską - metodą szumu Barkhausena - replikami Analiza ilościowa σ eqv =f(dh/dx) stal 16Mo3

16 Weryfikacja symptomów MPM : Eksperyment czynny na Politechnice Warszawskiej projekt MONIT Monitorowanie stanu technicznego konstrukcji i ocena jej żywotności, POIG Magnetometr 3D Komputerowo sterowana siła F 1 i F 2 Pomiar: odkształceń (tensometry), położenia (akcelerometry) pola magnetycznego (2D i 3D magnetometry) Potwierdzono możliwość wiarygodnej obserwacji odwracalnych i nieodwracalnych efektów magnetomechanicznych oraz diagnozowania stanu wytężenia materiału metodą MPM Do opracowania wiarygodnych kryteriów diagnostycznych MPM i oceny ryzyka uszkodzenia konstrukcji niezbędne jest sprzęgnięcie zweryfikowanych algorytmów MPM z modelem numerycznym obiektu.

17 Weryfikacja symptomów MPM : Eksperyment bierny w ITWL - łopatki ND-37 turbiny parowej i elementy silnika SO-3 Test sigma Możliwa jest detekcja wczesnej fazy degradacji mikrostruktury Test sigma Witos M., High sensitive methods for health monitoring of compressor blades and fatigue detection. The Scientific World Journal, Vol (2013), Article ID , 31 p.,

18 Weryfikacja symptomów MPM : Eksperyment bierny w AGH - diagnozowanie słupów linii WN 110 kv Symptomy MPM są powtarzalne 2010: wzmocnienie konstrukcji Iwaniec M. et al., Diagnosis of Supporting Structures of HV Lines Using Magneto-mechanical Effects. Solid State Phenomena, Vol. 208, 2013, 70

19 Wyniki weryfikacji metody MPM Potwierdzono obecność symptomów MPM dla: 1) Klasycznego zagadnienia metody MPM (wg PN-ISO 24497) H E 50 A/m s(t) Ferromagnetyk M(t, t/t r ) 2) Obiektów narażonych na wpływ pola elektromagnetycznego 50 Hz H E 50 A/m s(t) Ferromagnetyk M(t, t/t r ) Jak ilościowo identyfikować: - poziom destrukcji struktury - czas zdatności do eksploatacji? H 50 (t) < 60 A/m B E B 50Hz 3) Obiektów narażonych na wirujące pole elektromagnetyczne silnika/generatora H E 50 A/m s(t) Ferromagnetyk M(t, t/t r ) H S (t, ) < 700 A/m

20 Projekt badawczy PBS1/B4/6/2012 Wykrywanie wczesnych faz uszkodzeń stalowych elementów konstrukcyjnych na podstawie analizy zjawisk magnetomechanicznych w ziemskim polu magnetycznym Konsorcjum: PW (SIMR, Mechatronika, Inż. Mat.) ITWL EC System Termin realizacji: Projekt obejmują badania podstawowe i badania przemysłowe. W ramach projektu realizowanych jest 10 zadań badawczych. Jaka jest relacja pomiędzy indukcją magnetyczną B zmierzoną w pobliżu obiektu, a parametrami mającymi wpływ na trwałość eksploatacyjną?

21 Projekt PBS1/B4/6/2012 Projekt uwzględnia wymogi metodologii badawczej z załącznika do rozporządzenia MNiSW z dnia 4 stycznia 2011 r. (Dz.U Nr 18, poz. 91). Założony poziom opanowania technologii po zakończeniu projektu Do realizacji w odrębnym projekcie ze względu na specyfikę Programu PBS1

22 Zadania badawcze projektu PBS1 Zadania 1-3 Badania podstawowe w warunkach laboratoryjnych ukierunkowane na wyznaczenie właściwości magnetycznych i magnetomechanicznych wybranych materiałów niezbędnych do analizy ilościowej: stan wytężenia i degradacji materiału stan namagnesowania (zagadnienie proste magnetostatyki) stan namagnesowania materiału stan wytężenia i degradacji (zagadnienie odwrotne magnetostatyki) Badania są realizowane na próbkach z zamkniętym i otwartym obwodem magnetycznym. Próbki są wykonane m.in. z: stali do pracy w podwyższonej temperaturze : 10H2M, 15HM, 13HMF, 26H2MF, 10CrMoVNb9-1 staliw do pracy w podwyższonej temperaturze: L17HMF, L21HMF, L20HM; stali odpornych na korozje: 0H13, 2H13; stali kwasoodpornych: 0H18N9. Szczegółowej analizie podlegają również dane materiałowe i publikacje naukowe (artykuły, doktoraty, sprawozdania z całego świata) odwzorowujące wyniki badań realizowanych w przemyśle i różnych ośrodkach naukowych na świecie w okresie ostatnich 150 lat Internet, biblioteki cyfrowe Metoda MPM jest rozwinięciem metody S. M. Saxbyego z XIX w. (oceny stanu technicznego obiektów ferromagnetycznych na podstawie detekcji anomalii magnetycznych przy pomocy kompasu), która zapoczątkowała rozwój współczesnej defektoskopii magnetycznej.

23 Zewnętrzne dane wejściowe Źródło danych Waga Producenci stali, staliw i żeliw 1.0 Raporty laboratoriów ISO Bazy danych materiałowych 0.8 Raporty z zagranicznych projektów badawczych 0.7 Tabele właściwości fizyko-chemicznych 0.6 Monografie 0.6 Doktoraty Artykuły naukowe i materiały konferencyjne Raporty z krajowych projektów badawczych Artykuły branżowe Informacje użytkowników metody NDT Zweryfikowane dane wejściowe są gromadzone w tworzonej bazie danych materiałowych i bazie reguł diagnostycznych

24 Analiza ilościowa efektu Villariego Hysteresisgraph HB-PL30 Próbka: cylindryczna, prostokątna Stal X30Cr13 Stal 15HM H m = 450 A/m Jackiewicz D. et al.: Stress assesment in construction steel elements utilising magnetoelastic Villari effect. Proc. of the 20th Int. Conference on Applied Physics of Condensed Matter (APCOM2014)

25 Wpływ warstwy wierzchniej Już od σ > 0.2 σ e w warstwie wierzchniej zmienia się gęstość dyslokacji Warstwa wierzchnia (<100 μm) Rdzeń Vilysa J., Kvedarasb V., Dislocation Structure of Near Surface Layers of Deformed Low-carbon Steel. 15 th Int. Metallurgical & Material Conference METAL 2006, , Hradec nad Moravicí

26 Warstwa wierzchnia w stali Fe 3% Si Gęstość dyslokacji zależy od: odległości od powierzchni poziomu odkształcenia s Naprężenia graniczne dla ε = 1% = 0.015% s S (warstwa wierzchnia) = 0.01% s i (rdzeń) Relacje Halla-Petcha i Baileya-Hirscha σ y σ f T + k HP d σ y = σ 0 + τ i σ 0 + αgb ρ d Głębokość warstwy wierzchniej Dla elementu wykonanego bez obróbki powierzchniowej inicjacja pęknięcia jest oczekiwana od powierzchni w SKN (np. na linii węzłowej drgań, defektach struktury) Kramer I.R., Kumar A., Balasubramanian N.: The effects of surface layer on plastic deformation and crack propagation. Martin Marietta Corporation, AMMRC CR 71-2/4, Watertown, Massachusetts, 1972

27 Zmęczenie LCF/HCF stali ferromagnetycznej Mikroskop TEM - zmiany gęstości i lokalizacji dyslokacji obserwowane w ferrytycznej stali nierdzewnej 430 (specyfikacja AMS 5503 i ASTM A 240) po: a) 0 cyklach b) 1x10 3 cyklach c) 1x10 4 cyklach d) 2x10 4 cyklach e) 4x10 5 cyklach W stalach ferromagnetycznych anomalie magnetyczne odwzorowują f) 5x10 5 cyklach głównie stan warstwy wierzchniej. Do weryfikacji wyników MPM należy używać metod NDT przeznaczonych do badań powierzchniowych. Magnetometr SQUID - rozkład namagnesowania szczątkowego na obszarze 10x20 mm po: a) 0, b) 1x10 3, c) 5x10 3 ; d) 2x10 4 ; e) 1,2x10 5 ; f) 1,45x10 5 ; g) 2,8x10 5 ; h) 9,2x10 4 cyklach. Tae-Kyu Lee, J.W. Morris, Jr., Seungkyun Lee and J. Clarke: Detection of fatigue damage prior to crack initiation with scanning SQUID microscopy. Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation, Vol. 25

28 Wpływ temperatury na właściwości magnetyczne Stanowisko: kriostat MLW MK 70 Podczas typowych badań MPM istnieje liniowy wpływ temperatury otoczenia na przenikalność magnetyczną materiału Temperatura otoczenia wpływa na: przenikalność magnetyczną materiału magnetostrykcję materiału

29 Test step cooling Profil testu step cooling Rewersor siły Wpływ zakończenia testu przy różnej temperaturze materiału Stal 13CrMo4-5, test przerwany po wygrzewaniu w 524 o C Kachniarz M. et al., Charakterystyki temperaturowe i magnetosprężyste stali 13CrMo4-5 z uwzględnieniem step coolingu test. Zeszyty Naukowe Instytutu Pojazdów 2(98)/2014,

30 Wnioski z zadania 1-3 Metodami magnetycznymi możliwe jest diagnozowanie I i II etapu zmęczenia materiału Dyslokacje (1D defekty sieci krystalicznej) są źródłem naprężeń III rodzaju, s III Tabela: Relacja między granicą plastyczności i parametrami mikrostruktury ŻYCIE OBIEKTU Bieżąca granica plastyczności materiału s R = s P + s MK + s VS + s KF + s AH gdzie: s P - naprężenia Peierlsa niezbędne do przesunięcia dyslokacji w T = 0 K; s MK wpływ roztworu stałego (substytucji atomów tj. Si, Mn, P lub atomów śródmiąszowych tj. C lub N); s VS wpływ dyslokacji; s kf wpływ granicy ziaren; s AH wpływ wtrąceń

31 Projekt PBS1/B4/6/2012 Zadanie 4 Cel: - identyfikacja problemów metody MPM i jej aplikacji - weryfikacja nowych algorytmów - weryfikacja możliwości metody MPM w warunkach przemysłowych. Łopatki ND nowe awaryjny wirnik Dominuje składowa aperiodyczna A Model: 2 dipole (pióro i zamek) S = A + P + I Zmiana wartości składowej aperiodycznej A Obecne składowej periodyczne, P Model: 2 dipole (pióro i zamek) i 4 dipole anomalii magnetycznych

32 Nowe algorytmy analizy Automatyczna identyfikacja i korekta błędów Analiza wyników wg wzorca statystycznego Ł12 Nieciągłość Łopatka 12 szum Analiza ilościowa składowej A i P Brak danych

33 Metodyki badawcze Uwzględnienie klasy obiektu badań i mechanizmów procesu degradacji materiału Klasa obiektu badań MPM Mechanizm procesu zmęczeniowego (degradacji materiału) Obiekty stacjonarne Umocnienie na zimno, zmęczenie niskocyklowe (LCF) i wysokocyklowe (HCF), korozja atmosferyczna, erozja Naprężenia termiczne Pełzanie Kruchość wodorowa, korozja chemiczna i elektrochemiczna (siarkowa, słona woda) Przykładowe obiekty badań MPM Szyny, rurociągi przesyłowe, konstrukcje wsporcze, butle ciśnieniowe Spoiny, kadłuby turbin Rurociągi przegrzanej pary, łopatki dyfuzora turbiny, Elementy instalacji chemicznych, morskie platformy wiertnicze i turbiny wiatrowe Obiekty stacjonarne w polu elektromagnetycznym Obiekty ruchome Obiekty ruchome w polu elektromagnetycznym Obiekty specjalne Umocnienie na zimno, LCF i HCF Umocnienie na zimno, LCF, HCF i zmęczenie gigacyklowe (VHCF), erozja, korozja Pełzanie i zmęczenie termomechaniczne (TMF) Umocnienie na zimno, LCF, HCF i VHCF Promieniowania jonizujące, niska temperatura, LCF udarowe Słupy wysokiego napięcia, stojany i kadłuby generatorów oraz silników dużej mocy Pojazdy i maszyny robocze, wały i osie, koła zębate, łożyska, łopatki wirnikowe sprężarki i części NP turbiny Łopatki wirnikowe części WP i SP turbiny Twornik generatora i silnika dużej mocy Elementy reaktora jądrowego, instalacje kriogeniczne, crash test

34 Projekt PBS1/B4/6/2012 Zadanie 5 Cel: - analiza zbiorcza wyników badań zrealizowanych w zadaniach 1 4; - opracowanie wiarygodnych podstaw teoretycznych metody MPM: a) uwiarygodnienia symptomów MPM i analizy ilościowej b) określenie możliwości metody MPM jako metody NDT c) opracowanie podstaw do monitorowania konstrukcji d) opracowanie podstaw do działań proaktywnych (prognozowania stanu technicznego, sterowania zmęczeniem na poziomie zjawisk odwracalnych, identyfikacja przyczyn). Modele histerezy Model skalarny J-A-S Stal C45 Skalarne Wektorowe Założenie: pętla histerezy zamyka się w każdym cyklu Założenie: pętla histerezy zamyka się po kilku cyklach Craik D.J., Wood M.J.: Magnetization changes induced by stress in a constant applied field. Journal of Applied Physics D: Applied Physics, 3, pp , Jackiewicz D. et al.: Application of Extended Jiles-Atherton Model for Modeling the Influence of Stresses on Magnetic Characteristics of the Construction Steel. Acta Physica Polonica A, Vol. 126 (2014)

35 Analiza ilościowa danych MPM Symptom MPM = f loc μ r, H c, B r, W h, H s, M s, λ, ω, S ω, t lokalne własności magnetyczne f avg μ r, H c, B r, W h, H s, M s, λ, ω, S ω, t średnie własności magnetyczne Symptom MPM f loc %Fe α, %Fe γ, %faz i wtrąceń, d, ρ d, σ r, t f avg %Fe α, %Fe γ, %faz i wtrąceń, d, ρ d, σ r, t lokalne parametry struktury średnie parametry struktury Symptom MPM f loc R p0.2, R p1.0, R m, A 5, KV, HV, σ y, σ u, t f avg R p0.2, R p1.0, R m, A 5, KV, HV, σ y, σ u, t lokalne własności mechaniczne średnie własności mechaniczne Wielowymiarowa regresja liniowa y = a 0 + a 1 x 1 + a 2 x a i x i i = 1, 2,, n Współczynnik korelacji n-wymiarowej Regresja 1-D Regresja 2-D y y = ax+b a = tan(α) α x y α 1 α 2 x 1 x 2 CC = 1 n i=1 n i=1 y = a 0 +a 1 x 1 +a 2 x 2 a 1 = tan(α 1 ) a 2 = tan((α 2 ) y i y 2 i y i y 2 m gdzie: y i parametr wyznaczony metodą niszczącą, y m średnia arytmetyczna zmierzonych własności y i CC = 1 wszystkie punkty leżą na krzywej kalibracyjnej, CC = 0 brak liniowej zależności między wartościami zmierzonymi i obliczonymi

36 Modelowanie oczekiwanego rozkładu pola COMSOL Multiphysics W powietrze K kątownik z Fe H=[0, 0, 50] A/m Linia zerowa H p = 0 składowych rozproszonego pola magnetycznego jest wypadkową: tensora rozmagnesowania (kształtu), przestrzennego położenia obiektu względem zewnętrznego pola magnetycznego, rozkładu naprężeń.

37 Projekt PBS1/B4/6/2012 Zadanie 7 Cel: rozpoznanie potrzeb metrologicznych do magnetowizji przemysłowej i opracowanie toru pomiarowego do badan przemysłowych NDT i SHM, w tym zintegrowanych czujników zawierających trójosiowy magnetometr i trójosiowy akcelerometr (platform 6DOF) gęstej macierzy czujników rozwiązań do bezprzewodowego monitorowania konstrukcji miniaturowych czujników zintegrowanych z rejestratorem. Platforma 6DOF w technologii MEMS (3x3x1.2 mm, f s = 800 Hz, I 2 C i SPI): 16-bitowy magnetometr 3D 14-bitowy akcelerometr 3D Platforma 6DOF z rejestratorem 2 GB i zasilaniem bateryjnym zapewniającym ciągłą pracę układu przez 4 7 dni Pomiar pola magnetycznego nie stanowi problemu metrologicznego w XXI wieku.

38 Detekcja niejednorodności magnetycznej materiału Kamera magnetyczna - gęsta macierz magnetometrów Firma MagCam Chip 128x128 2D czujników Halla Obszar obserwacji: 13x13 mm Rozdzielczość: 100 μm Zakres pomiarowy: do 796 ka/m Firma Matesy C-MOS MO (Efekt Faradaya) Obszar obserwacji: do 50x60 mm Rozdzielczość: od 10 μm Zakres pomiarowy: ka/m 8x8 mm Pomiar Wartość oczekiwana = Anomalia magnetyczna Jakość magnetogramu zależy od: rozdzielczości przestrzennej pomiaru (kryterium Nyquista) rozdzielczości dyskretyzacji pola magnetycznego oprogramowania. 7PR: projekt IMAGIC kamera 32x32 magnetometrów GMR do badań NDT metodą ET

39 Nowe czujniki MPM (demonstrator technologii) Linijka magnetyczna - 16 magnetometrów trójosiowych MI w technologii MEMS, ΔL = 5 mm, transmisja danych: USB 2.0, możliwość łączenia w warstwy (macierz) Macierz gradiometrów (3D AMR), ΔL = 3x3 mm z USB,2.0, I 2 C lub SPI y-axis x-axis z-axis 1 16 Platforma 6D (3D magnetometr i 3D akcelerometr) firmy Honeywell z USB 2.0 Magnetometr ΔB(h) h -3 Gradiometr ΔB(h) h -1 Aplikacje dla SHM (koszt jednostkowy < 150 Euro) SensorTag firmy TI (platforma 12D: - 3D magnetometr, - 3D akcelerometr - 3D żyroskop - wilgotność i temperatura otoczenia - ciśnienie otoczenia - temperatura obiektu (IR) z LE 4.0 Bluetooth i baterią Wireless Sensor Application Board firmy RTX (3D magnetometr, 3D akcelerometr 16 kanałowy przetwornik A/C) z Wi-Fi i baterią Nowe czujniki i metody transmisji danych wymagają nowego oprogramowania i urządzeń rejestrujących.

40 Urządzenia rejestrujące Przetworniki A/C: 24-bit: 2 4 kanałów 94 db SNR 16-bit: 12 kanałów Wzmocnienie: 1-32x Analogowy nt magnetometr Transmisja danych: 4 x UART 2 x SPI 2 x I 2 C Temperatura pracy: -40 do +80 o C Tablet jako przyrząd pomiarowy

41 Projekt PBS1/B4/6/2012 Zadanie 8 w trakcie realizacji Oprogramowanie doradczo-eksperckie EXPERT MPM Oprogramowanie będzie zawierało: jądro systemu, 6 relacyjnych baz danych - bazę danych opisowych, - bazę materiałową, - bazę danych pomiarowych, - bazę procedur obsługi urządzeń zewnętrznych, - bazę reguł diagnostycznych, - bazę modeli kodowany, automatyczny dziennik pracy, monitorujący działania użytkownika oprogramowania. Oprogramowanie EXPERT MPM będzie realizowało m.in.: a) analizę doradczo-ekspercką danych pomiarowych MPM; b) automatyczną oceną jakości badań MPM; c) współpracę z istniejącą aplikacją firmy Energodiagnostyka i danymi pomiarowymi w formacie *.mms; d) obsługę nowych typów urządzeń rejestrujących i czujników; e) pobieranie danych pomocniczych z zewnętrznych ogólnodostępnych serwerów.

42 Projekt badawczy PBS1/B4/6/2012 Ekspercki klasyfikator stanu Magnetogram analiza numeryczna danych pomiarowych jest prosta, ale Co jest źródłem anomalii magnetycznych? zdefiniowanie poprawnych kryteriów diagnostycznych wymaga współpracy różnych specjalistów!

43 Proces badań MPM Analiza wyników Diagnoza MPM Użytkownik Odpowiedzialność za negatywne skutki Zobrazowanie wyników Korekta błędów Pomiar Dobór aparatury Metodyka badawcza Magnetogram musi być skojarzony z geometrią badanego obiektu! Co jest źródłem anomalii? Decyzja Wiedza Informacja Dane pomiarowe Obiekt badań (black box): 1. nieznany stan techniczny cel badań 2. nieznany stan energetyczny cel badań 3. nieznane dane materiałowe 4. nieznane założenia konstrukcyjne 5. nieznane źródło magnesowania naturalnego Magnetogram odwzorowuje tylko rozkład pola magnetycznego Klasa zagadnienia Obiekt badań Zlecenie badania Magnetometr na jezdni

44 Wnioski 1. Komputerowe wsparcie badań nieniszczących jest jednym z głównych zadań prac B+R realizowanych dla wszystkich metod NDT oraz innych działań profilaktycznych podejmowanych u użytkowników odpowiedzialnych konstrukcji mechanicznych. 2. Używanie wiarygodnych metody NDT i algorytmów analizy danych zmniejsza ryzyko: awarii i nieplanowych remontów oraz zagrożenia życia ludzkiego i zagrożeń środowiskowych. 3. Wiarygodne metody NDT i SHM są niezbędnym elementem optymalizacji działań logistycznych zabezpieczających bezpieczeństwo eksploatacji starzejącej się techniki. Praca została zrealizowana w ramach projektu badawczego PBS1/B4/6/2012, finansowanego przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju, przy współpracy z firmami TurboCare Sp. z o.o, Tauron Wytwarzanie S.A. i Energodiagnostyka Sp. z o.o.