Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Анализ современного состояния методов и средств контроля качества паяных соединений стержней статорных обмоток турбогенераторов 10
1.1 Объект контроля, контролируемые параметры, мешающие параметры 10
1.2 Анализ современного состояния применяемых методов контроля качества паяных соединений стержней статорных обмоток турбогенераторов
1.3 Анализ технических средств контроля качества паяных соединений стержней статорных обмоток турбогенераторов 28
1.4 Постановка задачи исследования 29
Глава 2 Теоретическое обоснование применения вихретокового вида неразрушающего контроля качества паяных соединений стержней статорных обмоток турбогенераторов 30
2.1 Взаимодействие электромагнитного поля с материалами токоведущих соединений 30
2.2 Выбор метода вихретокового контроля и обоснование выбора типа преобразователей 33
2.3 Выбор информативных параметров и принципов оптимизации характеристик преобразователей 52
2.4 Мешающие параметры и компенсация (уменьшение) их влияния 53
2.5 Алгоритм, реализующий способ подавления геометрических мешающих параметров взаимного расположения визретокового преобразователя и объекта контроля 59
2.6 Выводы по главе 2 67
Глава 3 Научно-методические принципы неразрушающего контроля качества паяных соединений стержней статорных обмоток турбогенераторов 68
3.1 Метрологическое обеспечение средств контроля неразрушающего контроля качества паяных соединений стержней статорных обмоток турбогенераторов 68
3.2 Требования к методике неразрушающего контроля качества паяных соединений стержней статорных обмоток турбогенераторов 68
3.3 Требования к методике калибровке средства неразрушающего контроля качества паяныхсоединений стержней статорных обмоток турбогенераторов
69
3.4 Требования к контрольным образцам 73
3.4.1 Разработка контрольных образцов и расчет погрешности измерения, определяемой погрешностью изготовления контрольных образцов 73
3.4.2 Разработка методики калибровки контрольных образцов 76
3.4.3 Практическая реализация контрольных образцов 79
3.5 Разработка методики неразрушающего контроля качества паяных соединений стержней статорных обмоток турбогенераторов 79
3.5.1 Процедура подготовки к использованию 80
3.5.2 Процедура калибровки средства неразрушающего контроля 81
3.5.3 Процедура проведения контроля паяного соединения 81
3.6 Определение критериев приемки 82
3.7 Выводы по главе 3 83
Глава 4 Разработка прибора контроля качества неразрушающего контроля качества паяных соединений стержней статорных обмоток турбогенераторов 84
4.1 Структурная схема вихретокового дефектоскопа 84
4.2 Функциональная схема вихретокового дефектоскопа 86
4.3 Построение векторной диаграммы двухобмоточного абсолютного трансформаторного первичного измерительного вихретокового преобразователя 90
4.4 Детектирование сигнала двухобмоточного абсолютного трансформаторного первичного измерительного преобразователя 93
4.5 Разработка конструкции вихретокового преобразователя. Исходные требования к конструкции вихретокового преобразователя 96
4.6 Принципы оптимизации вихретоковых первичных измерительных преобразователей 96
4.7 Выводы по главе 4 99
Глава 5 Экспериментальные исследования характеристик прибора контроля
качества паяных соединений 100
5.1 Экспериментальные исследования с целью определения характеристик прибора при наличии дефектов в различных частях объекта контроля 100
5.2 Экспериментальные исследования с целью определения характеристик прибора при наличии различных мешающих параметров 106
5.3 Возможности развития и области применения результатов работы 119
5.3.1 Принципы оптимизации конструкциивихретокового преобразователя119
5.3.2 Принципы оптимизации электронной схемы вихретокового преобразователя 121
5.4 Выводы по главе 5 122
Заключение 123
Список сокращений и условных обозначений 125
Список литературы
- Анализ современного состояния применяемых методов контроля качества паяных соединений стержней статорных обмоток турбогенераторов
- Выбор информативных параметров и принципов оптимизации характеристик преобразователей
- Требования к методике неразрушающего контроля качества паяных соединений стержней статорных обмоток турбогенераторов
- Разработка методики неразрушающего контроля качества паяных соединений стержней статорных обмоток турбогенераторов
Введение к работе
Актуальность работы. На современном этапе развития промышленного производства получение электроэнергии средней и большой мощности невозможно без использования турбогенераторов. Особое внимание к качеству производства турбогенераторов уделяют на предприятиях, производящих оборудование для электростанций всех типов.Выход из строя турбогенератора может приводить не только к финансовым потерям и отключению от энергоснабжения потребителей, но и в некоторых случаях к выходу из строя дорогостоящего оборудования. Одной из составляющих турбогенератора является статор, обмотка которого состоит из стержней, имеющих паяные соединения. Ухудшение электрического контакта, относительно нормируемого, в соединении стержней статора, приводит к существенному увеличению его сопротивления. Это приводит к локальному увеличению плотности тока, что в свою очередь приводит к существенному увеличению температуры контакта и выходу его из строя. Для предотвращения подобных ситуаций проводят контроль паяных соединений как в процессе производства турбогенератора, так и во время плановых ремонтов.
Для контроля качества паяных соединений стержней статор-ных обмоток турбогенераторов в настоящее время применяют как разрушающий, так и неразрушающий контроль (НК). Применение разрушающего контроля состоит в том, что рекомендуется разрубить две-три пайки и проверить качество пайки. Понятно, что этот метод приводит к серьезным материальным потерям. Он не допустим при ремонте оборудования и возможен только при его производстве в момент отладки технологии пайки. В настоящее время большее применение находит неразрушающий контроль. Магнитный вид НК не применим из-за того, что все применяемые в паяных соединениях материалы не магнитные (медь, различные типы припоев). Радиоволновый вид НК не применим из-за невозможности прохождения радиоволн внутрь объекта контроля (ОК) для обнаружения непропая. Контроль проникающими веществами также не применим из-за невозможности проникновения внутрь паяного соединения соответствующих веществ. Радиационный вид контроля
рассматривается в качестве рентгеновского контроля. Применение ограничено громоздкостью оборудования и невозможностью обнаружения тонких обширных по площади не пропаянных зон. Причем их невозможно обнаружить под любым углом расположения рентгеновской аппаратуры, а такие зоны в некоторых случаях очень опасны и пропуск таких дефектов недопустим. Оптический вид НКприменим только в варианте визуально-оптическом. В нормативных документах рекомендовано проводить следующие операции: все загрязнения и углубления на поверхности паек проверяют тонкой проволокой, определяя, является ли этот дефект наружным или отверстие проходит через всю пайку.Тепловой вид контроля применяют пропуская через обмотку ток в течение 10-15 мин, контролируя температуру паек термопарами или (и) тепловизионными приборами. Недостатком данного вида контроля является необходимость пропускать слишком большие токи, а при уменьшении этих токов не хватает чувствительности измерительной аппаратуры. Электрический вид контроля применяется, используя метод сравнения сопротивлений паяных соединений постоянному току. Недостатком является невозможность обнаружения местного сосредоточенного дефектапайки на участке минимальной длины, обычно не отражающегося на величине сопротивления постоянному току. Акустический вид контроля рекомендован для применения как справочниками по ремонту, так и руководящими документами по испытаниям электрооборудования. Применение ультразвукового контроля ограничивается сильной неоднородностью и многослойностью паяных соединений, а также возможностью наличия не обнаруживаемых ультразвуком плоских воздушных образований толщиной 0,1-0,2 мм, расположенных продольно относительно направления распространения ультразвуковой волны.
Наиболее перспективным для контроля паяных соединений является применение методов вихретокового вида НК. Выбором параметров тока возбуждения и формой первичных измерительных преобразователей можно добиться проникновения вихревых токов по всему объему паяного соединения для получения интегральной оценки его качества.
Цель работы: повышение производительности и достоверности контроля качества паяных соединений стержней статорных обмоток турбогенераторов путем применения вихретокового вида НК.
Идея работы: использование вихретокового экранного первичного измерительного преобразователя, содержащего экранированные обмотки, совместно со схемой, обеспечивающей измерение амплитуды и фазы вносимого напряжения, основанных на моделях распределения электромагнитного поля в ОК и в вихретоковых преобразователях (ВТП), позволяет эффективно осуществлять неразру-шающий контроль качества паяных соединений стержней статорных обмоток турбогенераторов.
Задачи исследования:
анализ современного состояния методов и приборов НК паяных соединений турбогенераторов;
теоретическое обоснование применимости методов вихре-токового вида НК для решения рассматриваемых задач и проведение анализа контролируемых и мешающих параметров;
разработка модели вихретокового первичного измерительного преобразователя и ОК с дефектами, имитирующими реальные;
разработка способа выделения информативного параметра сигнала ВТП на фоне влияния мешающих параметров, позволяющего измерять степень монолитности паяных соединений стержней статорных обмоток турбогенераторов;
изготовление и испытание разработанных средств НК паяных соединений стержней статорных обмоток турбогенераторов;
внедрение результатов работы на промышленном предприятии.
Методы исследований.
Для расчета параметров ВТП использовался метод формализации. Для исследования взаимодействия ВТП и ОК использовались методы моделирования, в частности, метод конечных элементов. Исследование алгоритмов выделения информативного параметра сигнала ВТП проводилось с применением методов математического моделирования. Для получения сигналов с макетов ВТП на контрольных образцах использовались экспериментальные методы исследования.
Научная новизна работы:
-
Разработана модель вихретокового первичного измерительного преобразователя и ОК с дефектами, имитирующими реальные, позволяющая рассчитать чувствительность, а также оценить влияние основных мешающих параметров и погрешность измерения при контроле паяных соединений;
-
Разработан способ контроля качества паяных соединений стержней статорных обмоток электрических машин, отличающийся от известных тем, что в качестве информативного параметра сигнала ВТП используется его амплитуда, вычисленная относительно точки на комплексной плоскости, координаты которой определяются установленной закономерностью, обеспечивающей измерение степени монолитности с заданной погрешностью в заданных диапазонах девиации мешающих параметров;
3. Выполнен теоретический и экспериментальный анализ
влияния расположения дефекта пайки внутри паяного соединения на
достоверность НК паяных соединений стержней статорных обмоток
турбогенераторов, выявлена закономерность замкнутости соответст
вующего годографа, доказана возможность применения вихретоково-
го первичного измерительного преобразователя при любых измене
ниях расположения дефекта пайки внутри ОК;
4. Разработана метод контроля паяных соединений стержней
статорных обмоток турбогенератора с применением ВТП экранного
типа, использующая в качестве контрольных образцов изделия рас
считанной формы, не содержащие элементарных проводников.
Обоснованность и достоверность научных положений
подтверждается результатами аналитических расчетов и моделирования методом конечных элементов, а также сходимостью с результатами экспериментальных исследований в лабораторных условиях и на контрольных образцах изделий.
Научные положения, выносимые на защиту:
1.Разработана модель вихретокового экранного первичного измерительного преобразователя, содержащего экранированные обмотки, и объект контроля, которая учитывает влияние контролируемого и мешающих параметров, позволяет рассчитать чувствитель-
ность и достигаемую погрешность измерения монолитности паяного соединения, а также определить условие исключения недобраковки при заданном браковочном уровне;
-
Использование в качестве информативного параметра амплитуды сигнала вихретокового экранного преобразователя, вычисляемой относительно точки на комплексной плоскости, координаты которой определяются формой годографа сигнала преобразователя, обеспечивает подавление мешающих параметров и измерение степени монолитности с рассчитанной погрешностью в заданных диапазонах девиации мешающих параметров;
-
Разработан метод калибровки, контрольный образец со степенью монолитности 0 % без элементарных проводников и контрольный образец со степенью монолитности 100 % в виде цельного медного образца рассчитанной формы, обеспечивающие заданную погрешность и повторяемость измерений.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
разработана совокупность средств неразрушающего контроля, предназначенная для измерения монолитностипаянных соединений стержней статорных обмоток турбогенераторов;
разработан алгоритм обработки сигнала первичного измерительного преобразователя на фоне воздействия мешающих параметров при проведении измерения монолитности паяных соединений вихретоковым видом НК;
разработаны контрольные образцы паяных соединений
стержней статорных обмоток турбогенераторов;
обеспечено серийное производство вихретоковых средств
НК паяных соединений.
Реализация выводов и рекомендаций работы.
Результаты диссертационной работы могут быть рекомендованы к внедрению на предприятиях-изготовителях турбогенераторов, а так же на предприятиях, обслуживающих указанную продук-цию.Помимо этого результаты диссертационной работы могут быть применены для разработки средств вихретокового контроля сварных соединений токоведущих проводников обмоток роторов турбогенераторов, а также паяных соединений электрических двигателей.
Личный вклад автора:
предложено и обосновано применение вихретокового экранного первичного измерительного преобразователя, содержащего экранированные обмотки;
разработан алгоритм обработки сигнала первичного измерительного преобразователя, обеспечивающий измерение монолитности в широком диапазоне девиации мешающих параметров;
предложены конструкция, технология изготовления контрольных образцов для проверки работоспособности и калибровки вихретоковых приборов измерения монолитности паяных соединений стержней статорных обмоток турбогенераторов;
выполнены расчеты параметров вихретокового экранного первичного измерительного преобразователя, разработаны аналитическая и конечно-элементная модели взаимодействия вихретокового первичного измерительного преобразователя с ОК, получены зависимости сигналов от контролируемых и мешающих параметров.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и получили положительную оценку на конференциях: «XIX Всероссийская научно-техническая конференция по неразрушающему контролю и технической диагностике», Самара, 2011 г.; «IIВсеросийская научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Измерения, контроль и диагностика – 2012», Ижевск, 2012 г.; «Совещание Совета главных механиков нефтеперерабатывающих и нефтехим. предприятий», 2012 г.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 11 печатных работ, в том числе 5 работ в изданиях, рекомендуемых ВАК Минобрнауки России. Имеется 2 патента.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения, изложенных на 134 страницах. Содержит 61 рисунок, 5 таблиц и список литературы из 81 наименования.
Анализ современного состояния применяемых методов контроля качества паяных соединений стержней статорных обмоток турбогенераторов
Для определения состояния качества паяных соединений возможно применение как разрушающего, так и неразрушающего (НК) контроля.
Применение разрушающего контроля [31] состоит в том, что рекомендуется разрубить две-три пайки и проверить их качество. Очевидно, что этот метод приводит к серьезным материальным потерям. Он недопустим при ремонте оборудования и возможен только при его производстве в момент отладки технологии пайки.
Целесообразнее применять неразрушающие методы контроля. Анализ современного состояния методов НК начнем с рассмотрения возможности применения всех видов контроля в соответствии с [ГОСТ 18353], это: - магнитный; - электрический; - вихретоковый; - радиоволновый; - тепловой; - оптический; - радиационный; - акустический; - проникающими веществами. Рассмотрим каждый вид по отдельности.
Магнитный вид контроля не применим из-за того, что все применяемые в паяных соединениях материалы не магнитные (медь, различные типы припев).
Радиоволновый вид контроля не применим из-за невозможности прохождения радиоволн внутрь объекта контроля для обнаружения непропая.
Контроль проникающими веществами также не применим из-за невозможности проникновения внутрь паяного соединения соответствующих веществ.
Радиационный вид контроля можно применить с технической точки зрения. Чаще всего рассматривается возможность применения рентгеновского контроля. Распространенность рентгеновского оборудования облегчает задачу контроля, однако, данный вид контроля не получил широкого распространения для контроля паяных соединений обмоток статоров турбогенераторов по следующим причинам. Первой причиной является громоздкость оборудования и невозможность расположить его непосредственно вокруг паяного соединения. Второй причиной является невозможность обнаружения тонких обширных по площади не пропаянных зон. Причем их не возможно обнаружить под любым углом расположения рентгеновской аппаратуры, а такие зоны в некоторых случаях очень опасны и пропуск таких дефектов не допустим.
Оптический вид контроля применим только в варианте визуально-оптическом. В [31]рекомендовано проводить следующие операции: все загрязнения и углубления на поверхности паек проверяют тонкой проволокой, определяя, является ли этот дефект наружным или отверстие проходит через всю пайку.
Тепловой вид контроля применяют в следующем варианте [31]. Для проверки нагрева паек через обмотку пропускают постоянный ток в течение 10-15 мин, контролируя температуру паек термопарами или (и) тепловизионными приборами. Плотность тока выбирают в пределах 80-100 % номинального значения. Качественные пайки нагреваются практически одинаково. Температура плохо пропаянного соединения превышает среднюю температуру качественных паек не менее, чем на 4-5 С. Для выявления дефектных паек можно использовать термокраски с температурой срабатывания (изменения цвета) в диапазоне от 45 до 50 С. Эти методы контроля применяются на практике, однако, они вызывают существенные затруднения при контроле турбогенераторов большой мощности, т.к. через обмотки требуется пропускать слишком большие токи, а при уменьшении этих токов не хватает чувствительности измерительной аппаратуры.
Электрический вид контроля применяется по следующей методике. Сравнение измеренных сопротивлений обмотки постоянному току, выявление фаз и параллельных ветвей с повышенными сопротивления позволяет обнаружить значительные дефекты: обрывы параллельных ветвей или элементарных проводников, неполную пайку отдельных элементарных 1 – проводники; 2 – хомут; 3 – милливольтметр. Рисунок 1.5 – Проверка припайки элементарных проводников проводников, наличие значительных пустот под хомутом [73]. Местный сосредоточенный дефект пайки на участке минимальной длины обычно не отражается на величине сопротивления постоянному току. Для выявления дефектов необходимо разизолировать пайку, разделяющую фазу обмоткина две равные половины, пропустить по обмотке постоянный ток (не превышающий 20% номинального тока обмотки), вольтметром при неизменном токе измерить падение напряжения на обеих половинах. С дефектной половиной фазной группы (с большим значением сопротивления) поступают аналогично до нахождения стержня с дефектной пайкой. Если участок разделяют на две неравные части, то при отсутствии дефектов в паяных соединениях сопротивление их должно быть пропорционально количеству стержней в частях. После обнаружения дефектной пайки осмотром проверяют количество припайки отдельных проводников стержней, измеряя падение напряжения (Рисунок1.5) между отдельными проводниками (1) и хомутом пайки (2) непосредственно у места соединения.
Если элементарный проводник не припаян, показания милливольтметра (3) близки к значению падения напряжения на стержне; если проводник припаян, показания милливольтметра близки к нулю.
Акустический вид контроля [58] рекомендован для применения как справочниками по ремонту [31], так и руководящими документами по испытаниям электрооборудования [47]. Указывается необходимость проведения ультразвукового контроля только полностью спаянного соединения. При пайке каждой пары элементарных проводников в отдельности необходимо проводить только визуальный осмотр. Для ультразвукового контроля введено понятие монолитности паяного соединения. Монолитность – это степень пропаянности соединения, выраженная в процентах. За 100 % монолитности принимают монолитность специально изготавливаемых эталонов. Это могут быть специально изготовленные соединения, качество пайки которых гарантируется. Нормируется среднее значение монолитности четырех или шести измерений, которое должно быть не менее 15 % монолитности эталона при использовании оловянистого припоя и не менее 20 % при использовании серебряного припоя. В то же время ни одно значение измеренной монолитности не должно быть меньше 10 % значения монолитности эталона при использовании оловянистого припоя и 15 % при использовании твердого припоя.
Ультразвуковой контроль достаточно хорошо развит и применяется во всех отраслях промышленности. Существует несколько методов ультразвукового контроля, но в рассматриваемом нами случае используется метод прошедшего излучения [52].При отсутствии дефекта на пути ультразвуковых колебаний (Рисунок1.6) некоторая их часть отражается от нижнего края прозвучиваемого соединения и рассеивается, а остальная часть попадает в приемный преобразователь.
Выбор информативных параметров и принципов оптимизации характеристик преобразователей
1 – годограф нормированного сигнала модели ВТП, соответствующего изменению толщины тела, имитирующего дефект ОК, в диапазоне от 1 до 21 мм, расположенного возле обмотки возбуждения модели ВТП (приведен для наглядного сравнения степени влияния контролируемого и мешающих параметров);
2 – годографы нормированного сигнала модели ВТП, соответствующего смещению модели ВТП относительно ОК вдоль оси модели ВТП в диапазоне от 0 до 11 мм;
3 – годографы нормированного сигнала модели ВТП, соответствующего смещению модели ВТП вдоль оси X ОК, в диапазоне от 0 до 15 мм;
4.1 и 4.2 – годографы нормированного сигнала модели ВТП, соответствующего смещению модели ВТП вдоль оси Y ОК. 4.1 – в диапазоне от 0 до 15 мм, 4.2 – в диапазоне от -15 до 0 мм; 5 – годографы нормированного сигнала модели ВТП, соответствующего повороту модели ВТП вокруг осей X и Y ОК в диапазоне от 0 до 9.
Влияние мешающих параметров показано при толщине тела, имитирующего дефект ОК, 0 мм и 15 мм.
На рисунке 2.11 годографы 5 выглядят точками, так как их длина столь мала, что они не могут быть отображены точнее в выбранном масштабе. Как видно из рисунка 2.11, мешающие параметры взаимного расположения модели ВТП и ОК оказывают влияние преимущественно на фазу сигнала модели ВТП.
Годографы нормированных сигналов модели ВТП, показывающие влияние геометрических мешающих параметров ОК, а так же влияние изменения расстояния между обмотками модели ВТП, представлены на рисунке 2.12.
Влияние мешающих параметров показано при толщине тела, имитирующего дефект ОК 0, 5, 10 и 15 мм.
Анализируя годографы на рисунке 2.12, мы видим, что рассматриваемые мешающие параметры оказывают влияние как на фазу, так и на амплитуду сигнала модели ВТП.
Обобщая данные, представленные на рисунках 2.10, 2.11 и 2.12 очевиден ряд выводов:
Мешающие параметры взаимного расположения ВТП и ОК на практике встречаются чаще всего. Они оказывают значительное влияние на фазу сигнала модели ВТП, однако их влияние на амплитуду сигнала модели ВТП мало. Это говорит о том, что для уменьшения их влияния следует использовать в качестве информативного параметра амплитуду сигнала ВТП.
Зависимость рассчитанной амплитуды нормированного сигнала модели ВТП от толщины тела имитирующего дефект ОК показана на рисунке 2.13, из которого видно, что эта характеристика монотонная и её кривизна изменяется незначительно во всем диапазоне изменения толщины тела, имитирующего дефект ОК. Рисунок 2.13 – Зависимость рассчитанной амплитуды нормированного сигнала модели ВТП от толщины тела имитирующего дефект ОК
Дополнительная погрешность измерения возникает вследствие отклонения мешающих параметров от нормального значения. Зависимость абсолютной дополнительной погрешности измерения от мешающих параметров приведена на рисунке 2.14. а)
Для обеспечения требуемой погрешности измерения смещение реального ВТП относительно заданного положения следует ограничить нанесением соответствующих меток на экраны обмоток реального ВТП и их совмещения с характерными точками ОК или за счет применения позиционирующих оснасток. Так же возможно использование приемов, основанных на анализе формы сигнала ВТП, обеспечивающих выделение из сигнала ВТП информативных параметров, менее подверженных влиянию указанных мешающих параметров.
Алгоритм, реализующий способ подавления геометрических мешающих параметров взаимного расположения визретокового преобразователя и объекта контроля
Способ реализуется с применением амплитудно-фазовой обработки сигнала ВТП в программном обеспечении микроконтроллера ВТП [24]. Рисунок 2.15 – Годографы влияния контролируемого параметра и геометрических мешающих параметров взаимного расположения модели ВТП и КО
С применением амплитудно-фазовой схемы принимается сигнал с преобразователя. Зависимость сигнала от изменения контролируемого параметра (степени пропаянности соединения) и от основного мешающего параметра (смещения преобразователя относительно объекта контроля) приведены на рисунке 2.15.
Алгоритм состоит из пяти шагов [17]. Первые 4 шага выполняются при настройке прибора, пятый шаг выполняется в процессе выполнения измерений.
Шаг 1.Определяется влияние мешающего параметра в заданном диапазоне контролируемого параметра (степень пропаянности П от 0% до 100%) и в допускаемом диапазоне мешающего параметра (смещение преобразователя относительно объекта контроля от 0 мм до 10 мм): Определяются координаты точек (П; С): (100%; 0мм), (100% ;10 мм), (0%; 0мм), (0% ;10 мм), точки 3 на рисунке 2.16.
Требования к методике неразрушающего контроля качества паяных соединений стержней статорных обмоток турбогенераторов
Чаще всего для возбуждения ВТП используется гармонический сигнал, содержащий в своем спектре одну единственную гармонику. В качестве генератора гармонического сигнала может применяться аналоговый генератор, например мост Вина, или один из вариантов цифрового синтеза: фильтрация прямоугольного сигнала, широтно-импульсная модуляция, ЦАП, собранный из дискетных логических элементов. Для расширения возможностей применяются специализированные высокоскоростные ЦАП или синтезаторы прямого цифрового синтеза (DDS).
В данном случае генератор синусоидального сигнала организован на фильтрации прямоугольного сигнала, частота которого 50 Гц, поступающего с микроконтроллера. Сглаживание меандра осуществляется с помощью фильтра, состоящего из трех интегрирующих RC-цепей, который отфильтровывает все гармоники, кроме первой.
В качестве усилителя сигнала возбуждения применяется операционный усилитель с низким внутренним сопротивлением, который является источником напряжения. В предложенной схеме ток возбуждения зависит от импеданса2В первичного преобразователя (обмотки возбуждения), вычисляемого по формуле: ZВ= /i?В2+(jLВ)2, (4.1) где RВ - активное сопротивление обмотки возбуждения; LВ - индуктивность обмотки возбуждения; j - мнимая единица; со - круговая частота тока обмотки возбуждения. Первичный измерительный преобразователь представляет собой двухобмоточный абсолютный трансформаторный экранный преобразователь. В главе 2 приводится расчет ширины и диаметров обмоток.
Напряжение от измерительной обмотки мИ() через усилитель У2 подается на квадратурный детектор КД. Квадратурный детектор представляет собой два высокоскоростных электронных ключа, управляемых опорными сигналами с разницей фаз 90. Опорными сигналами квадратурного детектора служат сигналы, сформированные из сигнала возбуждения с помощью компараторов К1 и К2 с RC-цепями. Сигналы с квадратурного детектора сглаживаются фильтрами ФНЧ2 и ФНЧ3. Постоянные напряжения Re(U) иІт(Ц) подаются на двухканальный 24-битный сигма-дельта АЦП, где преобразуются в цифровые коды NRe и Nim, пропорциональные реальной и мнимой составляющей мИ(). Оцифрованные сигналы по цифровому интерфейсу поступают в микроконтроллер преобразователя, где вычисляется значение амплитуды и фазы напряжения на измерительной обмотке. С помощью алгоритмов, описанных в главе 2, а также градуировочной и калибровочной характеристик, хранящихся в микроконтроллере, рассчитывается значение монолитности или степени пропаянности. Это значение по цифровому интерфейсу UART через соединительный кабель передается в блок обработки информации, функциональная схема которого представлена на рисунке 4.3 [40].
Рисунок 4.3 – Функциональная схема блока обработки информации
Полученное значение монолитности или степени пропаянности от преобразователя, отображается на ЖК индикаторе блока обработки информации 2,4” с разрешением 128х64 пикселей. Передача информации для отображения на индикаторе осуществляется с помощью последовательного интерфейса. По интерфейсу USB может быть осуществлена передача записанных значений контроля для последующей обработки на ПК.
Питание всех элементов прибора осуществляется с помощью двух элементов ААА через импульсный повышающий стабилизатор питания. Многокнопочная клавиатура позволяет управлять настройкой параметров преобразователя, таких как калибровка, записью в память прибора значений контроля, передачей информацией через USB в ПК, а также сервисными функциями для настройки прибора.
Построение векторной диаграммы двухобмоточного абсолютного трансформаторного первичного измерительного вихретокового преобразователя
Рассмотрим электрическую схему двухобмоточного абсолютного трансформаторного измерительного вихретокового преобразователя без ферромагнитных сердечника и экрана (Рисунок 4.4). Г - генератор; - усилитель; Wв и Жи - обмотки возбуждения и измерительная первичного измерительного преобразователя.
Структурная электрическая схема двухобмоточного абсолютного трансформаторного измерительного преобразователя без ферромагнитных сердечника и экрана От генератора Г гармонического (синусоидального) напряжения мВ() = иВsin(Ш) (4.2) питается обмотка возбуждения Wв c активным сопротивлением гв и реактивным сопротивлением Х в= jcoLв. Через обмотку возбуждения протекает ток Z B(0= /Bsin( jot + ф), (4.3) где /в=—, (4.4) ZB Ф = arctg((joLB/rB). (4.5)
Обмотка возбуждения WB индуктивно связана с измерительной обмоткой Жи. Параметры измерительной обмотки - активное сопротивление ги и реактивное сопротивление Хщ = jcoLH.
На измерительной обмотке индуцируется ЭДС взаимоиндукции еи(0-Измерительная обмотка подключена к операционному усилителю с высокоомным входом, что позволяет пренебречь протекающим через нее током. Поэтому можно считать ЭДС еи(0 равным напряжению Ии(0 [81].
Построим векторную диаграмму токов и напряжений представленной схемы. Вектор тока в обмотке возбуждения /в отложим по оси реальных значений. Вектор напряжения на обмотке возбуждения UB опережает /в на угол ф, определенный по формуле (4.5). В идеальном случае, не учитывая активное сопротивление ги измерительной обмотки, на л/2 радиан от вектора /в отстает вектор напряжения [/и на измерительной обмотке (Рисунок 4.5, (а)).
Разработка методики неразрушающего контроля качества паяных соединений стержней статорных обмоток турбогенераторов
Экспериментальное исследование влияния электромагнитных мешающих параметров, характеризуемых свойствами ОК, произведено с применением монолитных КО: КО 100% изготовленного из меди М1Е (а=58,6 МСм/м)(Рисунок 5.6), изготовленного из АК6 (а=26,5 МСм/м)(Рисунок 5.7) и изготовленного из ЛМц58-2 (а=9,79 МСм/м)(Рисунок 5.8).
КО по очереди устанавливаются в ВТП, сигнал с ВТП вводится в ПК. Испытания проводятся при температуре КО 20 С. Результаты экспериментальных исследований приведены на рисунке 5.9. Таким способом определено влияние электромагнитных параметров ОК в широком диапазоне их изменения, не встречающемся на практике. На практике электромагнитные мешающие переметы встречаются чаще всего в виде отклонения удельной электропроводности материала ОК от номинального значения вследствие отклонения их температуры от нормального значения. Такие мешающие параметры следует именовать климатические-электромагнитные. Так при температуре 20 С удельная электропроводность меди М1Е, используемой для изготовления ОК ст= 58,6 МСм/м. Учитывая температурный коэффициент удельной электрической проводимости меди а = 4,3 10-3 [1/кельвин], при температуре 25 С удельная электропроводность той же меди составит 57,3 МСм/м. В цеховых условиях температура окружающего воздуха, а следовательно и температура ОК во время проведения контроля может колебаться в пределах от +15 С до +30 С.
Влияние климатических-электромагнитных мешающих параметров, вызванных изменением температуры ОК в указанных диапазонах, определено с применением КО 0 %, КО 100 %, и паяных КО, изготовленных из меди М1Е, нагретых (или охлажденных) до заданной температуры. Задание требуемой температуры производится с применением инверторного кондиционера, установленного в комнату малого объема.
Температура окружающего воздуха воздействует не только на КО и ОК, но и на ВТП, однако сколь-нибудь существенного отклонения сигналов ВТП вследствие изменения его температуры не наблюдается. Это обеспечивается схемотехническими и алгоритмическими решениями, реализованными в электронной схеме и программном обеспечении микроконтроллера ВТП, устраняющими влияние изменения температуры обмоток и экранов катушек, а так же температурного дрейфа элементов электронной схемы.
Результаты экспериментального исследования влияния климатических-электромагнитных мешающих параметров, характеризуемых свойствами материала ОК, приведены на рисунке 5.15.
В первом варианте конструкции каждая из планок обмоток возбуждения и измерительной закреплялась на основании с помощью двух винтов. Таким образом, для изменения расстояния между обмотками необходимо откручивать 4 винта, а также увеличивается сложность установки параллельности обмоток, что дополнительно увеличивает погрешность измерения вихретокового преобразователя.
Рисунок 5.16 – Конструкция вихретокового преобразователя с облегченной настройкой расстояния между обмотками
Для уменьшения трудоемкости настройки преобразователя была разработана новая конструкция вихретокового преобразователя (Рисунок 5.16). В данной конструкции каждая планка устанавливается на основании с помощью одного винта, а форма основания и планок автоматически обеспечивает параллельность обмоток.
Изготовлен набор монолитных КО из материалов с различной удельной электропроводностью. Монолитные КО применялись как при калибровке конечно-элементной модели (п.2.2) так и при испытании преобразователя. Изготовлен набор паяных КО, в состав которого входят КО содержащие искусственные дефекты размером 100 % и 50 %, а так же бездефектные КО.
Изготовлен испытательный стенд для проведения экспериментальных исследований влияния геометрических мешающих параметров, связанных с взаимным расположением объекта контроля и преобразователя.
С использованием набора КО и испытательного стенда проведены экспериментальные исследования влияния мешающих параметров на сигналы ВТП, подтверждена сходимость расчетных и экспериментальных данных.
Предложены пути к дальнейшему развитию конструкции и вариантов применения разработанных ВТП.
