NOWE ZASTOSOWANIA POMIAROWE. str. 1

Transkrypt

1 str. 1

2 str.

3 Zbigniew Hilary ŻUREK Politechnika Śląska NOWE ZASTOSOWANIA POMIAROWE METOD INDUKCYJNYCH W DIAGNOSTYCE MATERIAŁU I STRUKTURY STALI TEORIA POMIARY DIAGNOSTYKA Streszczenie: W artykule przedstawiono podstawy teoretyczne defektoskopii magneto indukcyjnej oraz jej modyfikacje ułatwiające badania zmian struktury i degradacji zmęczeniowej. Wykazano wysoką rozdzielczość pomiarów w identyfikowaniu stanu elementów metalowych poprzez analizę zmian eksploatacyjnych parametrów elektrycznych i magnetycznych w funkcji częstotliwości cewki pomiarowej. Przedstawiono rozwiązania praktyczne w postaci urządzeń i metod pomiarowych umożliwiające obniżenie kosztów badań w stosunku do profesjonalnych urządzeń defektoskopowych. Słowa kluczowe: przetworniki indukcyjne, mostki RLC, pomiary składowych impedancji, spektroskopia impedancji, diagnostyka rezonansowa, badania nieniszczące, NDT NEW MEASURING APPLICATIONS OF INDUCTIVE METHODS IN DIAGNOSTIC OF MATERIAL AND STEEL STRUCTURE Summary: The paper presents the theoretical basis flaw magneto - induction and its modifications to facilitate the study of changes in structure and fatigue degradation. It has been shown high resolution measurements to identify the state of metal through the analysis of changes in operating electric and magnetic parameters as a function of the frequency of the measuring coil. The paper presents practical solutions in the form of equipment and measurement methods allowing lowering the cost of research in relation to professional flaw detection equipment. Keywords: inductive converters, RLC bridges, impedance components measurements, impedance spectroscopy, resonance diagnostic, non-destructive testing, NDT WSTĘP Z punktu bezpieczeństwa eksploatacji i działań diagnostycznych i zapobiegawczych, niezbędna jest wiedza o zmianach parametrów fizycznych zachodzących podczas cyklów zmęczeniowych eksploatacji w materiale elementu urządzenia mechanicznego maszyny [1,, 3]. Obciążenia eksploatacyjne zmęczeniowe definiowane są według krzywej Wöhlera [4]. Jedną z możliwości poznania tych zmian są pomiary parametrów magnetycznych i elektrycznych, zachodzących pod wpływem obciążeń cyklicznie zmiennych prowadzących, do zmęczenia materiału i jego zniszczenia [5, 6, 7, 8, 11]. Zagadnienie to - tak na poziomie str. 3

4 laboratoryjnym jak i przemysłowym jest ważne. Pomimo współistnienia wielu czułych metod do określania procesu degradacji materiału (kamera rentgenowska lub neutronowa), metody magnetyczne są metodami przyszłościowymi. Nad metodami tymi pracuje wiele światowych laboratoriów naukowych tak przemysłowych jak i uczelnianych. Katastroficzny charakter zniszczenia zmęczeniowego wynika z kumulacji i rozprzestrzeniania się mikropęknięć rozwijających się do osiągnięcia parametrów krytycznych [4, 1] spowodowanych wzrostem obciążeń dynamicznych konstrukcji. Ma on miejsce (według najnowszych badań) w ostatnim odcinku czasu życia elementu, który dla większości materiałów nie przekracza 5 %. Zmiany wymiaru pęknięć lub ich istnienie wykrywane klasycznymi urządzeniami defektoskopowymi przestało być wystarczające. Nieniszczące metody pomiaru zmian parametrów magnetycznych i elektrycznych przy znacznym rozwoju technik pomiaru pola magnetycznego (przetworniki MR, GMR, Halla), powracają do pomiarów przetwornikami indukcyjnymi. Przetworniki te mają nadal właściwości (pomijając temperaturę pracy), których do tej pory nie zastąpiono. Świadczy o tym niezbicie ich obecność w kosmosie. Wykorzystując podstawowe równania opisujące próbkę materiału w cewce zasilanej prądem przemiennym, zdefiniowano nowy kierunek (a także parametr) diagnostyki magnetycznej, wskazujący na możliwość badania rozwoju uszkodzeń zmęczeniowych w czasie. Podstawowym problemem detekcji postępu degradacji materiału elementu w czasie eksploatacji są nieliniowe zmiany mierzonych parametrów elektrycznych i magnetycznych o wyraźnym punkcie maksimum lub minimum przebiegu. Powoduje to, że mierzona wartość parametru fizycznego może być wynikiem tak początkowego okresu eksploatacji jak i końcowego. 1. ZJAWISKA ZMĘCZENIOWE W STALI A ZMIANA PARAMETRÓW MAGNETYCZNYCH Naprężenia zmęczeniowe [4, 14] to odkształcenia zmieniające się w czasie od typowych obciążeń występujących w różnych układach mechanicznych. Zmieniające się parametry fizyczne materiału [1, 13, 15] w procesie obciążeń zmęczeniowych, jak granica plastyczności, wytrzymałość na rozciąganie, wytrzymałość rozdzielcza, sprężystość, współczynniki tłumienia fali dźwiękowej, własności cieplne, magnetyczne i elektryczne, są następstwem tychże obciążeń. Wszystkie wymienione zmiany parametrów fizycznych próbowano łączyć z procesem zmęczenia materiału dla konstruowania urządzeń wykrywających ten proces. Najwięcej rozwiązań konstrukcyjnych powstawało ze względu na potwierdzone istotne zmiany tłumienia fali dźwiękowej (np. kołpaki wirników) w materiale przed eksploatacją i po niej. Korelacja zmian parametrów fizycznych z procesem degradacji zmęczeniowej jest niejednokrotnie subtelniejsza od badań metalograficznych i mniej uciążliwa jak wykazano w szeregu pracach [16-38], Detekcja pomiarowa parametrów fizycznych jest ponadto mniej destrukcyjna dla powierzchni materiału. Jeżeli musi być prowadzona w warunkach poligonowych, jest znacznie tańsza od metod rentgenograficznych czy neutronowych. Problem stanowi znaczne zróżnicowanie kierunku ewolucji zmęczeniowej parametrów fizycznych materiału. Przykładem niech będzie kilka szczególnych przypadków przedstawionych poniżej Udział przemian fazowych Przemiany fazowe są jednym z najbardziej czytelnych zjawisk zmian parametrów fizycznych materiału. Związki odkształceń plastycznych ze zmianą struktury i jednoczesną str. 4

5 zmianą parametrów fizycznych materiału są szczególnie wyraźne na przykładzie austenitycznej stali nierdzewnej chromowo-niklowej (gatunek: AISI - 34, DIN ). Pomiary wykonano na wycinku rurki (obwodu chłodzenia silnika elektrycznego produkcji KOMEL). W wyniku odkształcenia, w ściance rurki (rys. 1) o grubości 1 mm wystąpiły zmiany fazowe (mechaniczne i termiczne zaburzenie stabilności austenitu) uzależnione od stopnia odkształcenia plastycznego. Na rysunku pokazano mapę struktury fazowej dla zaznaczonego wycinka (rys. 1) usytuowanego w strefie odkształconej odcinka rurki. Rys.1. Lokalizacja wycinka poddanego badaniu struktury fazowej i katów Eulera Fig.1. Location of sector put to the tests of phase structure and Euler angles Kolor niebieski to struktura ściennie centrowana (FCC), czyli austenit, czerwony to ferryt. Strefy najbardziej odkształcone (na lewo ściskane, na prawo rozciągane) wykazują znaczną utratę stabilności austenitu, który podlega przemianie fazowej w ferryt. W środkowej części (najmniej odkształconej) pozostaje przewaga austenitu (rys. a). Na obrazie kątów Eulera (rys. b) widać teksturę i strefy najbardziej rozdrobnione w wyniku deformacji plastycznej. Są to obszary skrajne po lewej i prawej stronie ścianki rurki zgodnie z zaznaczeniem na rys. 1. a) b) Rys.. Rozkład fazy austenitu i ferrytu (a), obraz kątów Eulera (b) z wycinka na rys.1 Fig.. Distribution of austenite and ferrite phase (a), view of Euler angles (b) of the sector on Fig.1 Badanie kątów Eulera to jeden ze sposób (niszczących) uwidoczniania zakresów obszarów deformacji struktury (obszarów degradacji zmęczeniowej). Kolor zielony na str. 5

6 mapach fazowych to miejsca nieindeksowane przez system pomiarowy. 1.. Udział degradacji struktury W niektórych gatunkach stali można wskazać przebiegi narastania zmian zmęczeniowych związane z defektami liniowymi lub punktowymi. Najprostsze z nich to linie poślizgu i składające się z nich pasma poślizgu. Dobry przykład dla ilustracji tego zagadnienia stanowi stal chromowo-manganowa (ASTM A98 class C), której parametry fizyczne zostały tak dobrane składem chemicznym i procesem obróbki, aby parametry elektryczne i magnetyczne (paramagnetyka) nie ulegały zmianie podczas pracy, ze względu na obecność silnego pola przemiennego. Stal X8CrMn1818 jest stabilną parametrycznie stalą chromowo-manganową. W stali tej obserwujemy rozwój i przemieszczanie linii pasm poślizgu [17, 18, 19] w stosunku do struktury początkowej, nadanej materiałowi elementu podczas obróbki plastycznej w procesie produkcji. a) b) Rys.3. Struktura stali A98 class C. Struktura wejściowa a) i po mln cykli obciążenia b) Fig.3. Structure of A98 class C steel. Input structure a) and after million loading cycles b) W miarę wzrostu liczby cykli obciążeń zwiększa się liczba pasm poślizgu i zmienia się kierunek ich ułożenia w stosunku do obrazu powstałego w procesie obróbki kucia i walcowania i zmieniają się parametry fizyczne. Wzrost pasm poślizgu zmienia przewodność elektryczną a także zwiększa tłumienie fali dźwiękowej (podstawa metody badawczej zaniechanej w energetyce).. WPŁYW EKSPLOATACJI NA ZMIANY PARAMETRÓW MAGNETYCZNYCH STALI (ENERGETYKA CIEPLNA) Charakter obciążenia materiału wpływa na ilościowy i jakościowy obraz zmian parametrów magnetycznych. Porównano stale wejściowe stosowane w energetyce [18, 19, 3]. Już w pierwszych porównaniach stali (energetyka węglowa, elektrownia Bełchatów) 13HMF, 15HM oraz H1M1F (rys. 4, 5) obserwujemy istotne zmiany przenikalności magnetycznej pomiędzy stanem początkowym i po eksploatacji. str. 6

7 35 Re r specimen material before use 15HM before use 13HMF before use H1M1F effect of operation 15HM effect of operation 13HMF effect of operation H1M1F,,5 1, 1,5 f, khz, Rys.4. Krzywe zmian przenikalności biernej w funkcji gatunku materiału i częstotliwości pola magnetycznego Fig.4. Curves of reactive permeability changes versus material grade and magnetic field frequency 1 Im r 1 8 specimen material before use 15HM before use 13HMF before use H1M1F effect of operation 15HM effect of operation 13HMF effect of operation H1M1F 6 4,,5 1, 1,5 f, khz, Rys.5. Krzywe zmian przenikalności czynnej w funkcji gatunku materiału i częstotliwości pola magnetycznego Fig.5. Curves of active permeability changes versus material grade and magnetic field frequency Znaczące zmiany parametru indukcyjności związanej z eksploatacją zaobserwowano dla stali 15HM oraz H1M1F. W stali 13HMF nie wykryto istotnych zmian eksploatacyjnych paramentów magnetycznych w zakresie założonych parametrów pomiaru. Przyczyną nieznacznych zmian indukcyjności mogą być różnice w charakterze obciążeń elementu lub w składzie chemicznym. 3. WALEC METALOWY W PODŁUŻNYM POLU MAGNETYCZNYM UNORMOWANE SKŁADOWE IMPEDANCJI W długiej próbce walcowej (rys. 6) poddanej działaniu podłużnego i zmiennego pola magnetycznego rozkład pola magnetycznego i prądów wirowych zmienia się wraz z głębokością [5, 6, 9, 17-19]. str. 7

8 Rys.6. Próbka cylindryczna w podłużnym polu magnetycznym uzwojenia wzbudzającego Fig.6. Cylindrical sample in the longitudinalmagnetic field of excitation coil W kontroli próbki prętowej metodą indukcyjną bardzo częste zastosowanie znajduje cewka z dwiema uzwojeniami [5, 6], przedstawiona na rysunku rys. 7. Rys.7. Rozmieszczenie materiału próbki w cewce [5, 6] Fig.7. Material sample location [5, 6] Jeśli zewnętrzne pole magnetyczne H ma tylko składową osiową, gęstość prądów wirowych wtedy próbce ma tylko składową kątową, która wyraża się wzorem [ 5, 6, 9 ] J ( kr) j (1) 1 ( r) k H, J ( kr ) gdzie J kr - funkcja Bessela pierwszego rodzaju rzędu zero, J1 kr - funkcja Bessela pierwszego rodzaju rzędu jeden. Zespolony współczynnik propagacji fali elektromagnetycznej w przewodniku k j k jk, () r o str. 8

9 gdzie współczynnik tłumienia fali r o 1 k (3) zaś Δ jest głębokością wnikania fali do środowiska przewodzącego. W rozpatrywanym przypadku indukcja magnetyczna ma tylko składową osiową daną wzorem [ 5, 6, 9 ]: J( kr) B( r) r oh. (4) J ( kr ) F. Förster i K. Stambke wprowadzili równomierne pole magnetyczne w całym przekroju próbki wyrażone przez indukcję magnetyczną BFS ro H sk, (5) gdzie jest tzw. przenikalnością skuteczną [5, 6]. sk Indukcja ta uwzględnia zjawisko naskórkowości w przewodzącym walcu o konkretnej wartości promienia r, jeśli obliczony dla niej strumień magnetyczny jest równy strumieniowi magnetycznemu wyznaczonemu dla indukcji określonej wzorem (4), czyli jeżeli spełnione jest równanie r r BF Srdr (6) π π B( r) rdr. Stąd otrzymuje się, że zespolona przenikalność magnetyczna skuteczna W rozwiązaniu otrzymuje się J r sk J krrdr r J kr. (7) kr 1 sk. kr J kr (8) Przenikalność skuteczna, zależy zatem od średnicy próbki Dp = r, przewodności właściwej γ i przenikalności magnetycznej materiału próbki r oraz od częstotliwości f pola wzbudzającego. Dla niskich częstotliwości ( kr << 1) prądy wirowe w próbce są pomijalnie małe. Pole magnetyczne H( r) przyjmuje wtedy w całym przekroju stałą wartość H. Ponadto kr J kr 1 oraz J1 kr, co implikuje sk 1. Częstotliwość f g dla której wartość modułu kr =1 nazywamy częstotliwością graniczną. Z warunku uwzględniając równość j 1dostajemy: a stąd kr = r jπf γμμ j r f γ μμ 1, (9) g r o g r o πr f γμ μ 1, (1) g r o f. (11) g πd p γμ rμo str. 9

10 W przypadku materiałów niemagnetycznych (μ 1) częstotliwość graniczna zależy wyłącznie od średnicy próbki i konduktywności. W przypadku zrównania częstotliwości granicznej dla danej próbki z częstotliwością zasilania, do obliczenia przenikalności skutecznej we wzorze (8) podstawiamy kr =1. Dla częstotliwości pracy f f g moduł kr możemy wyrazić przez wielokrotność f g : r kr f kr r πfγμ μ f r (1) kr r f γμ μ f g g r f f g Równanie (1) implikuje zależność przenikalności skutecznej jedynie od stosunku f / f. g Wynika z tego, że rozkład natężenia pola i prądów wirowych w próbkach cylindrycznych oraz ich przenikalność skuteczna dla jednakowego stosunku f / f g są identyczne. Jest to tzw. prawo podobieństwa, sformułowane przez F. Förstera i jego współpracowników. Przenikalność skuteczna sk wyrażona wzorem (8) jest podstawową wielkością charakteryzująca stan próbki znajdującej się w zmiennym polu magnetycznym. Przenikalność skuteczna, jako funkcja zmiennej zespolonej kr jest wielkością zespoloną: Re[ ] j Im [ ]. (13) sk sk sk Szczegółową informację o parametrach materiału otrzymamy wyznaczając impedancję i napięcie pomiarowe cewki przelotowej. Napięcie E indukowane w uzwojeniu pomiarowym, gdy cewka jest pusta przy założeniu H Hwyznaczamy z zależności: d d μ jt E z z He Ss zj μ SsH ( t ), (14) dt dt gdzie π f, Oznaczmy z liczba zwojów, S π 4 s Ds, S D średnica uzwojenia pomiarowego. E jzμ π D H ( t) je. (15) 4 s Ponieważ średnica próbki D p jest mniejsza od średnicy cewki pomiarowej próbki to pole przekroju szczeliny powietrznej pomiędzy próbką i cewką wynosi S L π( Ds Dp). (16) 4 Po wprowadzeniu próbki w obszar cewki indukowane napięcie jest sumą geometryczną napięć indukowanych w szczelinie i w próbce π E L jzμ Ds DpH ( t) (17) 4 str. 1

11 Zatem π E pjzμ Dpsk H ( t)μ r. (18) 4 π E E L E p jzμ H ( t) Ds Dp Dp μ rsk, (19) 4 π D D μ ( ) 1 p p E jz H t D s μr sk. () 4 Ds D s Wprowadzając współczynnik wypełnienia cewki uzyskamy zależność: Dp Ds (1) E E 1 μ r sk. () Interpretując E i E jako spadki napięcia, dla cewki pustej i dla cewki z próbką otrzymujemy odpowiednio: E (3) I Z I jl, E I Z I R jl, (4) gdzie I natężenie prądu wzbudzającego, L indukcyjność cewki pustej, L indukcyjność cewki z próbką, Z impedancja cewki pustej, Z impedancja cewki z próbką. Podzielenie stronami równości (4) przez (3) prowadzi do zależności: E E Z Z. (5) Dochodzimy zatem do wniosku, że napięcie indukowane w uzwojeniu wzbudzającym zmienia się po włożeniu próbki w takim samym stosunku jak impedancja uzwojenia wzbudzającego. Ponieważ E je oraz Z jl więc E Z j1 μ rsk, E L (6) str. 11

12 a stąd wynikają następujące zależności dla znormalizowanych składowych impedancji [5, 6]: Re [ E] R μr Im [ sk ], E L Im[ E] L 1 μr Re [ sk ]. E L (7) (8) Dla próbek niemagnetycznych (μr 1) całkowicie wypełniających cewkę ( 1) Otrzymamy następujące uproszczenie wzoru: Re [ E] R E L Im [ ], sk (9) Im[ E] L E L Re [ ]. sk (3) W tym przypadku wykres unormowanego napięcia (impedancji) cewki pokrywa się z wykresem przenikalności skutecznej próbki. W przypadku materiałów magnetycznych sk ze wzrostem średnicy próbki uzyskujemy wzrost napięcia pomiarowego. Wzrost napięcia wywołany jest przez przewagę zmiennego pola magnetycznego nad prądami wirowymi. W badaniach nieniszczących, aby pominąć kolejne straty sygnału od sprzężenia pracujemy z obwodem, w którym cewka zasilająca jest jednocześnie pomiarową. Uproszczenie to umożliwia także bezpośrednie zastosowanie mostka pomiarowego RLC. 4. ANALIZA TEORETYCZNA POMIARU CEWKĄ POMIAROWĄ Dotychczasowe badania i wyniki pomiarów parametrów elektrycznych i magnetycznych materiału poddanego obciążeniom eksploatacyjnym zmęczeniowym dotyczyły rozdzielonych związków elektrycznych (przewodność elektryczna właściwa) i magnetycznych (przenikalność magnetyczna) z historią obciążenia. Połączenie obu parametrów w funkcji częstotliwości w całym przedziale czasu eksploatacji wyeliminowało uciążliwy problemem metrologiczny zrównywania wartości wyników pomiarów parametrów elektrycznych i magnetycznych, w różnych przedziałach czasowych po zniszczenie elementu. Zdefiniowano nowy kierunek diagnostyki magnetycznej (nowy parametr diagnostyczny), wskazujący na możliwość ilościowego badania postępu uszkodzeń zmęczeniowych (degradacji materiału) w czasie. str. 1

13 Wykorzystanie manipulatorów programu MATHEMATICA do prezentacji obliczeń oraz analizy zmian składowych impedancji, w różnych zakresach częstotliwości pracy przetwornika indukcyjnego, pozwoliło na szybsze uzyskanie niezbędnych danych do konstrukcji cewki pomiarowej i wyboru optymalnych zakresów częstotliwości pomiarowych. Zakres optymalnych stosunków częstotliwości f f jest definiowany w przedziale od 3 do 7. W przedziale tym wykrywalne są subtelne zmiany parametrów materiału. Zakresy częstotliwości stosowane w aparaturze wiroprądowej do badania defektoskopowego (pęknięcia) materiałów nie są przydatne w detekcji procesów zmęczeniowych i naprężeń własnych w materiale. Przyspieszenie analizy wykrywalności zmian parametrów fizycznych materiału za pomocą zmian składowych czynnej i urojonej cewki wprowadza możliwość doboru zakresu częstotliwości optymalnej pomiaru (rys. 8 i rys.9) dla każdego gatunku stali. / g Rys. 8. Porównanie wpływu dwóch wartości współczynnika wypełnienia na zmianę składowych Re [ sk ] oraz Im [ sk ] Im [ sk ] cewki z próbką materiału paramagnetycznego Rys. 8 Dla stali ferromagnetycznej (konstrukcje inżynierskie) o przenikalności magnetycznej względnej jest znacznie większej od jedności, obserwujemy zmianę składowej urojonej powodowanej zmianą konduktywności materiału i przenikalności materiału. Zmiana wyjściowej składowej rzeczywistej (wzory 7 i 8) jest w przeważającej mierze powodowana eksploatacyjnymi zmianami przenikalności magnetycznej oraz wpływem zjawisk sprężystych (efekt Villariego). str. 13

14 Rys. 9. Porównanie wpływu dwóch wartości współczynnika wypełnienia na zmianę składowych Re [ sk ] oraz Im [ sk ] cewki z próbką materiału ferromagnetycznego Rys. 9. Zastosowanie wyznaczonych zakresów częstotliwości pomiarowych przyspiesza czas pomiędzy testami laboratoryjnymi a badaniami poligonowymi. Możliwość szybkiego testowania zmian parametrów elektrycznych i magnetycznych dla różnych stali, przedstawiono na poniższych przykładach manipulatorów w MATHEMATICA. Dla stabilnej parametrycznie stali paramagnetycznej (np. kołpaki generatorów), dla której przenikalność magnetyczna względna jest nieco większa od jedności, obserwujemy głównie zmianę składowej urojonej powodowanej zmianą konduktywności materiału i zasilanej cewki (wzory 9 i 3). Na podstawie wykresów teoretycznych dobieramy przybliżony przedział częstotliwości, dla której z największą rozdzielczością można wykryć zmiany parametrów magnetycznych i elektrycznych testowanego materiału. W materiale paramagnetycznym zakres użytecznych diagnostycznie częstotliwości jest znacznie wyższy. W wyższym zakresie częstotliwości możliwe jest wykrywanie zmian parametrów elektrycznych i magnetycznych, a tym samym możliwa jest diagnostyka subtelnych procesów destrukcji struktury zachodzących w materiale, mających odzwierciedlenie w postaci zmian przenikalności magnetycznej i przewodności elektrycznej materiału badanego stalowego elementu. 5. MOSTKI POMIAROWE RLC Mostki pomiarowe RLC są produkowane w wielu grupach i klasach. Z punktu widzenia niniejszego opracowania skupiono się na dwóch grupach mostków RLC. W pierwszej str. 14

15 uwzględniono mostki profesjonalne o szerokim zakresie regulacji częstotliwości, napięcia zasilania i prądu pomiarowego z automatyką pomiaru i zapisów. W drugiej grupie znajdują się mostki z jednym poziomem napięcia i prądu testowania oraz ograniczonym zakresem częstotliwości pomiaru, najczęściej w przedziale 1 Hz, 1 Hz, 1 khz, 1 khz (1 khz 1 MHz). Drugą grupę mostków uproszczonych przedstawiono w celu wykazania, że ograniczoność ich zakresów pomiarowych nie umniejsza zakresu ich zastosowań, a czułość i rozdzielczość detekcji zmian parametrów elektrycznych i magnetycznych na podstawie zmian unormowanych składowych impedancji jest dostateczna i wystarczająca. Procedura badań musi być związana z jednym i tym samym urządzeniem pomiarowym, zgodnie z ustalonymi zasadami pomiaru mostkiem, co decyduje o doborze podstawowego układu pomiaru i maksymalnej wartości rezystancji cewki. Mostki tensometryczne RLC prądu przemiennego pracują w dwóch podstawowych układach: szeregowych (serial s), mierząc Ls, Rs, Cs, lub równoległym (paralel p), mierząc Lp, Pp, Cp. Podstawowe układy pracy pokazano na rysunku 1. Układy zastępcze równoległe mają zastosowanie do pomiarów elementów o dużej impedancji, a szeregowe o małej impedancji, w celu ograniczenia strat mocy i błędów. Cewki do pomiarów diagnostycznych mają impedancję w zakresie od,5 do 5, dlatego stosujemy pomiar szeregowy parametrów Ls, Rs. Przykład obwodu pomiarowego wraz z poziomami sygnału pomiarowego pokazano na rysunku 11. Zastosowanie cewek pomiarowych w niewłaściwej konfiguracji szeregowej, czy równoległej mostka, a także zmiana konfiguracji mostka podczas pracy może prowadzić do znacznych błędów [17-19]. Taki przypadek ilustruje wynik pomiaru cewką próbek ferromagnetycznych, podłączonych w zastępczy układ pomiarowy szeregowy (Rs, Ls) lub równoległy (Rp, Lp). Wyniki pomiarów próbek testowych w dwóch układach pomiarowych pokazano na rysunku 1. Rys.1. Podstawowe zastępcze szeregowe i równolegle układy pracy mostka RLC Fig.1. Basic substitute series and parallel systems of RLC bridge operation Rys.11. Poziomy sygnałów pomiarowych V przy stałym poziomie napięcia CV i przy stałej wartości prądu CC Fig.11. Measuring signal levels at V at constant voltage level CV and constant current level CC str. 15

16 L/L rdzeń 1, p rdzeń 1, s rdzeń, p rdzeń, s (R-R )/L Rys.1. Porównanie pomiaru składowych impedancji dwóch rdzeni ferromagnetycznych w układzie szeregowym s i równoległym p Fig.1. Comparison of impedance components measurement of two ferromagnetic cores in series (s) and parallel (p) system Przebiegi zamieszczone na rysunku 1 są znacznie zróżnicowane ze względu na parametry cewek i sposób realizacji pomiaru szeregowy lub równoległy. 6. METODA SPEKTROSKOPII IMPEDANCJI, REZONANSU NAPIĘCIA LUB PRĄDU W DIAGNOZOWANIU MATERIAłU Ocena zmian parametrów fizycznych metali i ich stopów jest często wykorzystywana w diagnostyce technicznej w zakresie wykrywania rozwoju zmian degradacyjnych w tych materiałach. Przykładem takiego diagnozowania (rys.13) są np.: stopy aluminium modyfikowane domieszkami ze względu na ścieralność (zjawiska tribologiczne). Czyste 6 chemicznie aluminium jest paramagnetykiem o podatności magnetycznej x1 i przewodności elektrycznej (mniejszej od miedzi o 3%) równej 37,67 MS/m Z, cewka pusta,388e6 Hz probki stopu Al w cewce p1al pal p3al p4al 8 6 3,36E6 Hz 3,59659E6 Hz 4 f, Hz Rys.13. Wykres zmian impedancji cewki pustej i z próbkami materiału w funkcji zakresu częstotliwości pomiarowej Fig.13. Figure change in the impedance of the coil and blank samples of material as a function of the measurement frequency range Możliwość rozróżnienia subtelnych zmian domieszek i ich wpływu na parametry tribologiczne w znaczący sposób przyspiesza badania i umożliwia natychmiastową analizę str. 16

17 (rys. 14) dokonywanych zmian. 4 L/L 3 p1al pal p3al p4al punkt pom. 78 3,49658E6 Hz (3,4159, 3,58) 1 punkt pom. 53 -,3883E6 Hz (-3,6198,,9841) punkt pom.73 3,361E6 Hz (,9913,,57456) (R-R )/(L ) -3, Rys.14. Zależność wyliczonych unormowanych składowych impedancji w przedziale częstotliwości pomiarowej Fig.14. Course of impedance calculated normalized components W profesjonalnych mostkach pomiarowych stan podzespołu elektronicznego (w naszym zastosowaniu cewki z rdzeniem badanej stali) szacujemy na podstawie zmian impedancji rdzenia cewki Z, w stosunku do wzorca odniesionego do czasu eksploatacji. W zakresie zadanych częstotliwości prądu przemiennego, przepływającego w obwodzie, mierzone są długości wektorów prądu i napięcia. Z wektorów tych procesor oblicza wartość impedancji Z i kąt fazowy, z których otrzymujemy rezystancję R, reaktancję X oraz moduł impedancji Z niezbędny do tworzenia wykresów. Wiele innych parametrów mierzonych przez mostki RLC nie jest wykorzystywanych w tej formie diagnostyki. Mierniki profesjonalne charakteryzuje szeroki zakres częstotliwości pracy, szerokie zakresy prądu i napięcia pomiarowego oraz ich wysoka stabilność czasowa i temperaturowa. W wyniku prowadzonych badań wykazano użyteczność pomiarową tanich mostków pomiarowych RLC. 7. POMIARY MOSTKIEM O UPROSZCZONEJ KONSTRUKCJI W mostkach RLC o uproszczonej konstrukcji ustalona jest liczba zakresów częstotliwości od czterech do pięciu, jeden zakres prądu oraz jeden zakres napięcia. Przełączanie zakresów pomiarowych w obwód szeregowy lub równoległy, zmiana parametru mierzonego i zakresu częstotliwości odbywa się ręcznie. W celu uzyskania wysokiego stopnia czułości i rozdzielczości pomiarowej podstawowego miernika RLC wykonano pomiary porównawcze dla różnych parametrów cewek. Materiałem mierzonym jest stal węglowa stosowana w transporcie do budowy zestawów kołowych. Na rysunku 15 przedstawiono wynik pomiaru zmian składowych impedancji uzyskany miernikiem RLC dysponując jedynie pięcioma zakresami częstotliwości. Odpowiedni dobór liczby zwojów i rezystancji cewki zbliża pomiar do przebiegu teoretycznego. Zbieżność pomiaru w kilku wartościach częstotliwości ograniczonych typem mostka RLC z przebiegiem teoretycznym (manipulator MATHEMATICA), uzyskano dzięki użyciu cewki pomiarowej o bardzo niskiej rezystancji uzwojenia. Cechą charakterystyczną przebiegu teoretycznego jest zbliżanie się wyników pomiaru do zera układu współrzędnych, wraz z wzrostem częstotliwości pracy do nieskończoności. Na rysunku 16 zamieszczono wyniki str. 17

18 pomiaru próbek ze stali węglowej tym samym mostkiem, w tej samej konfiguracji, lecz przy zastosowaniu dwóch różnych cewek pomiarowych, różniących się liczbą zwojów, wartością rezystancji i jej impedancji L/L Hz 1 Hz 5 1 Hz stal P35/3 1 Hz khz 5 1 khz Hz (R-R )/L Rys.15. Nałożenie przebiegu teoretycznego z manipulatora MATHEMATICA i pomiarów w pięciu podzakresach wartości częstotliwości Fig.15. Comparison of measured and theoretical courses 45 P35/3 cewka 1 4 zw., 7,73 P35/3 cewka 4 zw.,, L/L 1 Hz 1 Hz khz 5 1 khz (R-R )/L -1, -7,5-5, -,5,,5 5, 7,5 1, Rys.16. Porównanie wyników pomiaru wzorcowej próbki stalowej wykonanego z użyciem dwóch konstrukcji cewek pomiarowych Fig.16. Comparison of steel sample measurements for two measuring coil designs W obu przypadkach zastosowane zakresy częstotliwości pomiarowej, dla której wykonano pomiar, zmieniają przebiegi krzywych na niekorzyść cewki o wysokiej wartości rezystancji. Wysoka rezystancja zmienia przebieg krzywej łączącej punkty pomiaru i wartości koordynat punktów w zakresie znormalizowanych składowych impedancji. W zastosowaniach porównawczych strukturoskopii, obie cewki są użyteczne, ze wskazaniem na cewkę o podwyższonej rezystancji uzwojenia. Zbyt wysoka rezystancja cewki uniemożliwia pomiar dla ferromagnetyków. Wartość rezystancji powinna być dobrana ze względu na parametry elektryczne oraz magnetyczne materiału i częstotliwość graniczną. Zakres parametrów cewek podany na rysunku 16 jest właściwy dla stali ferromagnetycznych. 8. BADANIE EFEKTU VILLARIEGO W UKŁADZIE UNORMOWANYCH SKŁADOWYCH IMPEDANCJI Pomiar zmian krzywej magnesowania pierwotnego lub przenikalności magnetycznej w materiale został przeprowadzony dla większości stali stosowanych w transporcie. Krzywe str. 18

19 pierwszego magnesowania i przenikalności wykonano dla próbki prętowej stali P35. Na rysunku 17 i rysunku 18 pokazano krzywe dla pręta bez obciążenia i z obciążeniem 5 MPa od siły rozciągającej. 1,4 B, T 1, 1,,8 P35 producent 1,6 MPa 5 MPa,4,, H, A/m Rys.17. Krzywe pierwszego magnesowania stali P35 bez obciążenia i z obciązeniem Fig.17. First magnetization curves of P35 steel 4 r 3 P35, 1 MPa 5 MPa 1 H, A/m Rys.18. Krzywe przenikalności magnetycznej stali P35 bez obciążenia i z obciążeniem Fig.18. Magnetic permeability curves of P35 steel Efekt Villariego zarejestrowany w obrazie unormowanych składowych impedancji pokazano na rysunku L/L P55AT - MPA P55AT - 4 MPA po 1 min P55AT - 4 MPA po 4 H P55AT - 4 MPA po 168 H P35_3 - MPa po 1 min P35_3-4 MPa R/L Rys.19. Efekt Villariego zarejestrowany przez zmienności unormowanych składowych impedancji dla pięciu zakresów podstawowych miernika RLC str. 19

20 Fig.19. Villary effect recorded by impedance normalized components changes for five basic ranges of RLC bridge W stali P55AT zarejestrowano pełzanie i zmiany relaksacyjne w przedziale czasowym od,6 h do 168 h. Czytelność zmian składowych impedancji (rys. 19) w stosunku do pomiarów klasycznych ( zmiana krzywej pierwszego magnesowania) nawet dla mostków o uproszczonej konstrukcji jest wysoka. 9. BADANIA STANU BLACH KRZEMOWYCH STOJANA GENERATORA Przydatność dla diagnostyki badań w energetyce potwierdzono testami zmian parametrycznych blach stojana turbogeneratora po okresie eksploatacji. Pakiety skrajne blach rdzenia stojana generatora należą do elementów strefy skrajnej generatora, na które oddziałuje pole magnetyczne rozproszenia, wytwarzane przez prądy w połączeniach czołowych uzwojeń stojana i wirnika, wirujące synchronicznie względem stojana. Intensywność dodatkowego nagrzewania się pakietów skrajnych jest zależna od charakteru obciążenia generatora, od którego zależy kształt drogi strumienia rozproszenia. Najbardziej niekorzystne efekty tego zjawiska występują w warunkach pracy generatora z niedowzbudzeniem, przy obciążeniu pojemnościowym i prądzie twornika zbliżonym do znamionowego. W generatorach dużych mocy stosowanych jest wiele metod ograniczających skutki tego zjawiska, jednak pomimo tego, przegrzewanie się pakietów skrajnych jest przyczyną licznych awarii i uszkodzeń generatorów. Na rysunku -1 pokazano schemat stojana i przykładowy widok pakietów skrajnych [ 18, 1, 5 ]. Pakiety skrajne Pakiety środkowe Rys.. Widok pakietów skrajnych stojana generatora i schemat lokalizacji Fig.. View of generator stator end core stacks with their location Rys.1. Widok na pakiety skrajne stojana Fig.1. View of stator end core stacks str.

21 Z blach pakietu skrajnego i środkowego wycięto próbki do badań. Pomiary prowadzono mostkiem RLC Agilent 463B. Cewkę sondy pomiarowej zasilano napięciem (1 mv) o częstotliwości od 1 Hz do 1 Hz w dostępnych nastawach mostka. Z przeprowadzonych pomiarów parametrów Z, R, L cewki pomiarowej wyznaczono składowe czynne i urojone magnetycznej przenikalności skutecznej, dla częstotliwości 1 Hz, 1 Hz, 1 Hz, Hz i 1 Hz (rys. ). Rys.. Wyniki pomiaru zmian składowych przenikalności skutecznej blach elektrotechnicznych dla wybranych częstotliwości Fig.. Measurement results of effective magnetic permeability components changes of electromagnetic steel sheets for selected frequencies Krzywe unormowanych składowych impedancji wyznaczone w pięciu podzakresach częstotliwości dla f = 1, 1, 1, i 1Hz charakteryzują dynamiczne zmiany parametrów przenikalności materiału i przewodności właściwej. Istotne zmiany parametryczne po okresie eksploatacji wykazują próbki blachy pakietu skrajnego, pobrane z miejsca zwarcia E oraz próbki blachy poddanej regeneracji D. Dla dwóch próbek wybranych ze względu na lokalizacje i procesy degradacyjne wpływające na zmiany parametrów, przeprowadzono pełnozakresowe pomiary profesjonalnym mostkiem RLC HIOKI w zakresie częstotliwości od 1 Hz do 1 Hz. 1. REALIZACJA PRZETWORNIKA POMIAROWEGO NA BAZIE MODUŁU POMIAROWEGO FIRMY TEXAS INSTRUMENTS Znakomite przyspieszenie badań umożliwia moduł pomiarowy Texas Instruments pokazany na rysunku 3. Moduł ten wraz z modyfikowaną metodyką opisany został w przygotowywanej pracy doktorskiej Dariusza Barona (EthosEnergy, dawniej TurboCare) Moduł produkcji TI umożliwił wykonanie miniaturowego testera degradacji eksploatacyjnej materiału zarówno dla próbek, jak i powierzchni materiału ferro i paramagnetycznego. Widok modułu w zastosowaniu do testowania powierzchni pokazano na poniższych rysunkach. str. 1

22 Rys.3. Moduł pomiarowy z modyfikowaną pozycją cewki pomiarowej Fig.3. Measuring module with modified coil Rys.4. Prototyp sondy Fig.4. Probe prototype Urządzenie pokazane na rysunku 4 zostało zastosowane do badań nieniszczących stopnia wyeksploatowania kołpaków wirników turbogeneratorów przez dyplomanta Dariusza Barona. 11. PODSUMOWANIE Metoda oparta o historyczne rozwiązania wprowadzone przez Förstera do badań nieniszczących pęknięć i selekcjonowania materiału (np. po hartowaniu) uzyskała nowe zastosowanie w diagnostyce procesu degradacji zmęczeniowej. Nowe zastosowanie umożliwiła ilościową ocenę postępu zużywania elementu w czasie. Dla środowisk naukowych bezpośrednio związanych z badaniami nieniszczącymi zjawisk degradacji zmęczeniowej materiału, fakt możliwości łączenia procesu degradacji z nieliniowymi zmianami parametrów fizycznych w czasie daje szereg nowych możliwości badawczych. Powstaje możliwość oceny materiału poprzez analizę składowych impedancji cewki pomiarowej próbki lub powierzchni materiału. Metoda dodatkowo zapewnia obniżeniem kosztów badań laboratoryjnych jak i poligonowych. Rozpowszechnienie metodyki badań umożliwi przyspieszy badanie nad rozwojem urządzeń defektoskopowych nowych generacji o nowych możliwościach pomiarowych. Miniaturyzacja profesjonalnych i tanich modułów pomiarowych powszechnie dostępnych od kilku lat zwiększaj liczbę możliwych aplikacji metody pomiaru. BIBLIOGRAFIA 1. Baron D., Żurek Z.H.: Spektroskopia impedancji metoda oceny stopnia wyeksploatowania kołpaków wirników generatorów. Przegląd Elektrotechniczny, nr 3/14, s str.

23 . Bozorth R.: Ferromagnetism. The Institute of Electrical and Electronics Engineers. IEEE Magnetics Society, Sponsor, Inc., New York 1936, An IEEE Press Classic Reissue, Magnetic Society, 1993, Brailsford F.: Materiały magnetyczne. PWN, Warszawa Dietrich L., Rutecka A., Kowalewski Z.: Mechanical characterization Fatigue and Creep of A356+TiB based MMC. IPPT Report 9 for INASMET w San Sebastian, Hiszpania. 5. Förster F.: Theoretische und experimentelle Ergebnisse des magnetischen Streufluseverfahrens. Materialprüfung, 3, 1981, pp Heptner H., Stroppe H.: Magnetische und Magnetoinduktive Werkstoffprüfung, VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig Janeczek T.: Diagnostyka eksploatacyjna kolejowych zestawów kołowych metodą magnetyczną. Politechnika Śląska, Wydział Transportu, Katowice 9 (rozprawa doktorska). 8. Kocańda S.: Zmęczeniowe niszczenie metali. WNT, Warszawa Krakowski M.: Elektrotechnika teoretyczna. PWN, Warszawa Kurzydłowski K.J.: Metody monitorowania degradacji struktury materiałów. Badania mechanicznych właściwości materiałów i konstrukcji. Wykłady, Zakopane 1-13 grudnia 3, IPPT, Warszawa Markuszewicz M., Mierzejewski A.: Materiały magnetyczne. Wydawnictwo Górniczo- Hutnicze, Katowice Rasek J.: Materiały amorficzne i ich właściwości. W kręgu krystalografii i nauki o materiałach. Wydawnictwo Uniwersytetu Śląskiego, Katowice, s Sikora R.: Elektromagnetyczne metody testowania materii. Instytut Naukowo-Badawczy ZTurek, Warszawa Socha G.: Experimental investigation of fatigue cracks nucleation, growth and coalescence in structural steel. Int. J. Fatigue, 5, 3, pp Starke P., Walther F., Eifler D.: PHYBAL - A new method for lifetime prediction based on strain, temperature and electrical measurements. International Journal of Fatigue 8 (9), 6, pp Żurek Z.H.: Badanie stanu ferromagnetyków w polu magnetycznym dla diagnostyki technicznej, ELEKTRYKA. Prace Naukowe 1(6), Politechnika Radomska, Radom 3, VI Konferencja Systemy TRANSCOMP, Zakopane, Żurek Z.H.: Wprowadzenie do elektromagnetycznej diagnostyki degradacji stali. Wyd. Politechniki Śląskiej, Gliwice Żurek Z.H.. Piotr D.: Obwody RLC w diagnostyce i eksploatacji maszyn Adres wydawniczy: Gliwice, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, 14, PL ISBN Żurek Z.H. Piotr D.: RLC circuits for material testing and NDT Adres wydawniczy: Katowice 15, KOMEL, PL ISBN Żurek Z.H.: Aplication of flaw detection methods for detection of fatigue processes in low-alloyed steel. European NDT Days in Prague, 7, November 5-9, 7, Czech Republic Żurek Z.H.: Metoda diagnostyki stanu stalowych (paramagnetycznych i ferromagnetycznych) elementów maszyn elektrycznych na przykładzie bandaży i kap wirników generatorów, N N (raport).. Żurek Z.H.: Opracowanie metody magnetycznej do wczesnej detekcji procesów zmęczeniowych w stalach niskostopowych niskowęglowych, N N (raport). str. 3

24 3. Żurek Z.H., Janeczek T., Maciejewski J.: Steel Magnetic Parameters as Material Fatigue Diagnostics Criterion. NDT.net, Issue 9-3, pp Żurek Z.H., Szudyga M.: Magnetometric diagnostics of constructional steels. Electrical Review, Przegląd Elektrotechniczny, no. 1/9, pp Żurek Z.H., Baron D.: Measurement of changes of magnetic permeability and electric conductivity values in generator rotor retaining rings, Oficyna Wyd. Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 1, pp Żurek Z.H.: Ocena możliwości bezstykowej diagnostyki stanu zestawu kołowego metodą magnetyczną, Przegląd Elektrotechniczny, nr 6/5, s Żurek Z.H., Sieradzki S., Adamek J.: Ocena stanu technicznego kołpaków czół uzwojeń turbogeneratorów na podstawie magnetycznych niestabilności austenitu G18H18. Przegląd Elektrotechniczny, nr 7a/1, s Żurek Z.H., Kukla D., Kurzydłowski J.: Wybrane metody wykrywania degradacji zmęczeniowej w stalach ferromagnetycznych. Przegląd Elektrotechniczny, nr a/1, s Żurek Z.H., Baron D.: Niestabilność eksploatacyjna parametrów magnetycznych i elektrycznych blach rdzenia stojana generatora TWW--A. Przegląd Elektrotechniczny, nr 1/14, s Żurek Z.H., Baron D.: Spektroskopia impedancji metoda oceny stanu technicznego kołpaków wirników generatorów. XVIII Konferencja Energetyki, Gniew Żurek Z.H., Baron D.: Badanie stabilności eksploatacyjnej parametrów magne-tycznych i elektrycznych blach rdzenia stojana generatora typu TWW--A. XVIII Konferencja Energetyki, Gniew Żurek Z.H., Baron D.: Spektroskopia impedancji uniwersalny parametr diagnostyki elementów maszyn i urządzeń. XLIX Sympozjum SME, Gdynia/Gdańsk Żurek Z.H., Baron D.: Pomiar zmian wartości przenikalności magnetycznej i przewodności elektrycznej właściwej kołpaków generatorów. XLVIII Sympozjum SME, Książ Żurek Z.H., Kukla D., Baron D.: Materiałowe warunki brzegowe blach elektrotechnicznych krzemowych. XLVIII Sympozjum SME, Książ Żurek Z.H, Baron. D. Niestabilność eksploatacyjna parametrów magnetycznych i elektrycznych blach rdzenia stojana generatora TWW--A. Przegląd Elektrotechniczny, 14 R. 9 nr 1, s Żurek Z.H, Baron. D. Diagnostyka maszyn w transporcie i energetyce metodą spektroskopii impedancji. Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne 13 nr 1, cz. 1, s Żurek Z.H, Kurzydłowski J. K., Kukla D., Baron D. Material edge conditions of electromagnetic silicon steel sheets. Przegląd Elektrotechniczny 13 R. 89 nr b, s Dr hab. inż. Zbigniew Hilary ŻUREK, Profesor Politechniki Śląskiej Politechnika Śląska Wydział Transportu Katedra budowy pojazdów zbigniew.zurek@polsl.pl str. 4