Способ дефектоскопии электропроводящих элементов кабеля
Владельцы патента RU 2755605:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Кыргызско-Российский Славянский университет (КРСУ) (KG)
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для оперативного контроля технического состояния электропроводящих элементов электрического кабеля или провода. Технический результат: упрощение процедуры контроля и снижение ее трудоемкости. Сущность: на контролируемый участок кабеля и на эталонный отрезок кабеля воздействуют перпендикулярно их продольной оси направленным переменным электрическим полем при их нахождении в общей окружающей среде от одного источника переменного напряжения посредством разнесенных в пространстве соответствующих проходных двухэлектродных цилиндрических конденсаторов с сосредоточенной емкостью с идентичными конструктивными параметрами, возбуждая в электропроводящих элементах кабелей волновой физический процесс поляризации спиновых магнитных моментов свободных электронов на резонансной частоте. Посредством разнесенных в пространстве рабочего и дополнительного индукционных датчиков в виде проходных катушек индуктивности, идентичных по конструктивным параметрам, формируют сигналы ЭДС индукции. Измеряют вещественные и мнимые составляющие контрольного и эталонного сигналов посредством наборов соответствующих идентичных синхронных и квадратурных детекторов, синхронизируемых частотой переменного электрического поля. Определяют нормированные разностные величины между вещественными составляющими и между мнимыми составляющими эталонного и контрольного сигналов. По значениям нормированных разностных величин осуществляют допусковый контроль физико-технического состояния электропроводящих элементов контролируемого кабеля. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для оперативного контроля технического состояния электропроводящих элементов электрического кабеля или провода.
Известен способ бесконтактной дефектоскопии длинномерных электропроводящих объектов, заключающийся в том, что на продольно перемещающийся контролируемый длинномерный электропроводящий объект воздействуют перпендикулярно его продольной оси направленным физическим полем, регистрируют индукционным датчиком возбуждаемые в длинномерном немагнитном электропроводящем объекте физические процессы, используемые для определении места расположения дефекта, формируют и измеряют контрольный сигнал в виде ЭДС индукции, полученный контрольный сигнал подвергают обработке и осуществляют ранжирование дефекта посредством сравнения полученного результата измерения с соответствующими результатами, хранящимися в статистической базе данных, составленной по результатам измерения в образцах с искусственными дефектами в их электропроводящих элементах, причем в качестве направленного физического поля используют постоянное магнитное поле, создаваемое мощным постоянным магнитом, которым в электропроводящих элементах возбуждают вихревой ток, а жестко закрепленным напротив постоянного магнита индукционным датчиком измеряют напряжение, соответствующее изменению электромагнитного поля, наведенного указанным вихревым током [патент RU №2542624, С1, кл. G01B 7/06, 20.02.2015].
Недостатками данного способа являются низкая точность и чувствительность контроля, а также узкая область его применения.
Невысокие точность и чувствительность объясняются тем, что на величину наводимого вихревого тока существенно влияют величина и равномерность скорости перемещения объекта контроля, а также его поперечные колебания, вибрации и отклонения ориентации от плоскости, перпендикулярной магнитному полю. Кроме того, на результаты контроля будут сказываться пространственное положение контролируемого объекта относительно датчика. При этом указанные параметры в процессе контроля невозможно обеспечить полностью стабильными.
Узкая область применения известного способа объясняется тем, что он не позволяет осуществлять контроль технического состояния медных электропроводящих элементов большого диаметра, парамагнитных металлических проводников, а также электрических кабелей с многожильными немагнитными металлическими элементами.
Наиболее близким к заявляемому является способ дефектоскопии электропроводящих элементов кабеля, заключающийся в том, что на контролируемый участок кабель воздействуют перпендикулярно его продольной оси направленным переменным электрическим полем, за счет которого в электропроводящих элементах кабеля возбуждают волновой физический процесс поляризации спиновых магнитных моментов свободных электронов на резонансной частоте этой поляризации, формируют и измеряют посредством рабочего индукционного датчика контрольный сигнал в виде ЭДС индукции, создаваемой в электропроводящих элементах кабеля за счет указанного волнового физического процесса, полученный контрольный сигнал подвергают обработке и осуществляют ранжирование дефекта посредством сравнения полученного результата измерения с соответствующим эталонным сигналом, хранящимися в статистической базе данных, составленной по результатам измерения в образцах кабеля с искусственными дефектами в их электропроводящих элементах [патент RU №2701754, С1, кл. G01N 27/82, G01R 31/08, 01.10.2019].
Недостатками данного способа являются сложность и высокая трудоемкость его реализации. Это объясняется тем, что для создания статистической базы эталонных сигналов необходимо провести большое количество измерений, предварительно создав большое количество образцов кабеля с искусственными дефектами в их электропроводящих элементах. Кроме того, при переходе на дефектоскопию очередного типа кабеля с другими эксплуатационными характеристиками необходимо вновь проделать указанные измерения и загрузить их в статистическую базу данных, что существенно затрудняет и удлиняет процесс переналадки системы контроля. Повышенная трудоемкость объясняется также необходимостью постоянного учета влияния температуры или других внешних факторов на текущие параметры контролируемого кабеля и обеспечения тем самым помехоустойчивости системы контроля путем соответствующей дополнительной калибровки ее измерительных блоков в режиме реального времени.
Задачей изобретения является упрощение процедуры контроля и снижение ее трудоемкости.
Поставленная задача достигается тем, что в способе дефектоскопии электропроводящих элементов кабеля, заключающимся в том, что на контролируемый участок кабеля воздействуют перпендикулярно его продольной оси направленным переменным электрическим полем, за счет которого в электропроводящих элементах кабеля возбуждают волновой физический процесс поляризации спиновых магнитных моментов свободных электронов на резонансной частоте этой поляризации, формируют посредством рабочего индукционного датчика контрольный сигнал в виде ЭДС за счет указанного волнового физического процесса, согласно изобретению, переменным электрическим полем одновременного воздействуют на дополнительный конечной длины эталонный отрезок кабеля перпендикулярно его продольной оси и возбуждают в нем волновой физический процесс поляризации спиновых магнитных моментов свободных электронов аналогично процессу в контролируемом кабеле, формируют посредством дополнительного индукционного датчика эталонный сигнал в виде ЭДС индукции за счет указанного физического процесса, измеряют в реальном масштабе времени вещественные и мнимые составляющие контрольного и эталонного сигналов, определяют нормированные разностные величины между вещественными составляющими и между мнимыми составляющими эталонного и контрольного сигналов, по значениям указанных разностных величин осуществляют допусковый контроль физико-технического состояния электропроводящих элементов контролируемого кабеля. При этом вещественные и мнимые составляющие контрольного и эталонного сигналов измеряют в реальном масштабе времени посредством наборов соответственно синхронных и квадратурных детекторов, синхронизируемых частотой переменного электрического поля, а переменное электрическое поле в электропроводящих элементах длинномерного контролируемого кабеля и конечной длины эталонного кабеля возбуждают при их нахождении в общей окружающей среде. В качестве эталонного отрезка кабеля используют неподвижный отрезок контролируемого кабеля конечной длины без дефектов, а контролируемый кабель перемещают или фиксируют неподвижным относительно источника направленного переменного электрического поля. Переменное электрическое поле в немагнитных электропроводящих элементах длинномерного контролируемого кабеля и конечной длины эталонного отрезка кабеля возбуждают от одного источника переменного напряжения посредством соответствующих разнесенных в пространстве проходных двухэлектродных цилиндрических конденсаторов с сосредоточенной емкостью с идентичными конструктивными параметрами, а в качестве рабочего и дополнительного индукционных датчиков используют разнесенные в пространстве соответствующие проходные катушки индуктивности, идентичные по своим конструктивным параметрам. Принципиальная схема реализации предложенного способа дефектоскопии электропроводящих элементов кабеля показана на фиг. 1. Здесь обозначено: 1 - контролируемый кабель; 2 - эталонный отрезок контролируемого кабеля конечной длины без дефектов; 3 и 4 - первый и второй спиновые модуляторы; 5 и 6 - рабочий и дополнительный индукционные датчики; 7 - источник переменного высокочастотного напряжения.
Спиновые модуляторы 3 и 4 выполнены в виде разнесенных в пространстве проходных двухэлектродных цилиндрических конденсаторов с сосредоточенной емкостью с идентичными конструктивными параметрами, а индукционные датчики 5 и 6 выполнены в виде разнесенных в пространстве проходных катушек индуктивности, идентичных по своим конструктивным параметрам.
На контролируемый кабель 1 в зоне контроля воздействуют перпендикулярно его продольной оси направленным переменным электрическим полем Это поле создают посредством первого спинового модулятора 3, электроды которого запитывают от источника 7 переменным высокочастотным напряжением вида UГ(t)=Cmcosωt.
Одновременно это же напряжение подается на электроды второго спинового модулятора 4, который также создает направленное переменное электрическое поле, которым воздействуют на дополнительный эталонный отрезок 2 контролируемого кабеля конечной длины без дефектов перпендикулярно его продольной оси.
Указанные направленные переменные электрические поля возбуждают в электропроводящих элементах контролируемого кабеля 1 и эталонного отрезка кабеля 2 физические процессы поляризации спинов магнитных моментов свободных электронов. Следует отметить, что эти процессы возникает независимо от того, передвигаются кабели 1, 2 относительно спиновых модуляторов или находятся в состоянии покоя. Для создания необходимых условий для возникновения устойчивого процесса поляризации спиновых магнитных моментов свободных электронов переменное электрическое поле создают на резонансной частоте ω0 поляризации спиновых магнитных моментов свободных электронов структур электропроводящих элементов кабелей.
Известно, что при распространении в реальных средах различные электродинамические процессы испытывают затухание, т.е. происходит потеря энергии, переносимой этими процессами. При этом основные потери в электропроводящей среде связаны с проводимостью, которая для данных сред существенно отличается от нуля. Для описания изменения фазы и затухание волны при распространении в среде с потерями используется комплексное волновое число . В электропроводящей среде между волновым числом , частотой ω, диэлектрической проницаемостью ε и удельной проводимостью σ существует следующее дисперсионное соотношение (Якубовский Ю.Я. Электроразведка. - М.: Недра, 1980, стр. 80):
Для наглядности, выражение (1) представим в следующем виде:
Из представленных выражений (1) и (2) следует, что действительная часть α пропорциональна диэлектрической проницаемости среды ε, а мнимая часть β пропорциональна удельной проводимости среды σ.
С учетом выражений (1)и (2) рассмотрим физически процессы, происходящие в электропроводящих структурах кабелей.
Процесс в контролируемом кабеле 1 регистрируют рабочим индукционным датчиком 5, которым формируют контрольный сигнал (КС) в виде ЭДС индукции Uк(t):
где wк - количество витков первого индукционного датчика 5 для контролируемого объекта (КО);Фк s - поток спиновой индукции через КО; Sк - средняя площадь сечения КО; Вк sm - амплитудное значение вектора спиновой индукции КО; - комплексный коэффициент распространения спиновой волны для КО; ω0 - резонансная частота спиновой поляризации; εк - диэлектрическая проницаемость КО; σк - удельная проводимость КО, фактически определяющая электродинамические свойства неферромагнитных металлов; μк≈1- магнитная проницаемость КО; αк - коэффициент фазы спиновой волны при распространении по длине КО; βк - коэффициент затухания спиновой волны при распространении по длине КО; х - координатная ось, совпадающая с продольной осью КО.
Для комплексного значения КС в соответствии с (1)÷(3) можем записать:
где Uк Re и Uк Im - соответственно, вещественная (синфазная) и мнимая (квадратурная) составляющие комплексного значения ЭДС индукции (контрольного сигнала) датчика 5, регистрируемые соответственно синфазным и квадратурным синхронными детекторами измерительного канала КС (на чертеже не показаны).
Известно, что в общем случае статическую функцию преобразования (СФП) практически любой измерительной системы можно представить в виде (Бромберг Э.М., Куликовский К.Л. Тестовые методы повышения точности измерений. М.: Энергия, 1978, стр. 23):
где у - выходная величина; а1, …, аn - параметры СФП; х - измеряемая величина.
Тогда статические функции синхронного и квадратурного преобразования КСв соответствии с (1)÷(5) можно представить в следующем виде:
где а1 и а2 - параметры статической функции синхронного преобразования КС; b1 и b2 - параметры статической функции квадратурного преобразования КС.
Параметры СФП а1 и b1 представляют собой медленно меняющиеся случайные величины, содержащие аддитивную помеху и представляющие собой нулевой дрейфовый сигнал.
Процесс в эталонном отрезке кабеля 2 регистрируют дополнительным индукционным датчиком 6, которым формируется эталонный сигнал (ЭС) в виде ЭДС индукции Uэ(t). По аналогии с (3) имеем:
где wэ=wк - количество витков второго индукционного датчика 6 для эталонного объекта (ЭО); Sэ=Sк - средняя площадь сечения ЭО; Bк sm=Bк sm - амплитудное значение вектора спиновой индукции ЭО; Фкs - поток спиновой индукции через ЭО; - комплексный коэффициент распространения спиновой волны для ЭО; εэ - диэлектрическая проницаемость ЭО; σэ - удельная проводимость ЭО; ω0 - резонансная частота спиновой поляризации; μэ≈1 - магнитная проницаемость ЭО; αэ - коэффициент, характеризующий распределение амплитуды спиновой волны по длине ЭО; βэ - коэффициент фазы спиновой волны при распространении по длине ЭО.
Для комплексного значения ЭС в соответствии с (4) можем записать:
где Uэ Re и Uэ Im - соответственно, вещественная (синфазная) и мнимая (квадратурная) составляющие комплексного значения ЭДС индукции (контрольного сигнала) датчика 6, регистрируемые соответственно синфазным и квадратурным синхронными детекторами измерительного канала ЭС (на чертеже не показаны).
С учетом того, что индукционные датчики 5 и 6, а также функциональные узлы вторичной обработки КС и ЭС в виде соответствующих наборов синхронных и квадратурных детекторов обладают достаточно высокой степенью идентичности своих параметров, то для статических функций синхронного и квадратурного преобразования ЭС согласно (8) можем аналогично (6) записать:
где а2 b2 - параметры СФП, определяемые на этапе предварительной калибровки для каждого вида ЭО и обладающие достаточной временной стабильностью.
Решая совместно системы уравнений (6) и (9), определим нормированную разностную величину Δэ между вещественными составляющими ЭС и КС и нормированную разностную величину Δσ между мнимыми составляющими ЭС и КС:
Посредством нормированных разностных величин Δε и Δσ осуществляется допусковый контроль физико-технического состояния КО по диэлектрической проницаемости ε и удельной проводимости σ, результаты которого не зависят от состояния дрейфовых параметров СФП.
В соответствии с изложенным предлагаемый способ дефектоскопии можно представить в следующей интерпретации.
1. Одновременно воздействуют посредством соответствующих спиновых модуляторов направленным переменным электрическим полем на КО и ЭО.
2. Регистрируют посредством соответствующих индукционных датчиков волновые процессы спиновой поляризации свободных электронов в КО и ЭО.
3. Регистрируют посредством набора синхронных и квадратурных детекторов, синхронизируемых частотой переменного электрического поля, вещественные и мнимые составляющие КС .
4. Определяют нормированную разностную величину Δε и между вещественными составляющими ЭС и КС и нормированную разностную величину Δσ между мнимыми составляющими ЭС и КС, посредством которых осуществляется допусковый контроль физико-технического состояния КО.
Следует отметить, что рассматриваемые процессы спин-волновой динамики существенно отличаются от электродинамических процессов, которые, как правило, сопровождаются возникновением токов проводимости и вихревых токов в электропроводящих структурах с соответствующим разогревом электропроводящего материала и выделением тепловой энергии. В рассматриваемом случае происходит преобразование энергии переменного электрического поля в энергию бегущей волны спиновой поляризации свободных электронов без дополнительных побочных эффектов в виде электромагнитных или тепловых излучений.
Преимущества предложенного способа дефектоскопии электропроводящих элементов кабеля заключаются в следующем:
- обнаружение дефектов реализуется как в случае неподвижного, так и перемещающегося контролируемого кабеля;
- обеспечивает высокую точность измерения и повышение помехоустойчивости за счет существенного снижения влияния внешних дестабилизирующих факторов, например, температуры, на текущие параметры контролируемого кабеля;
- обеспечивает упрощение конструкции измерительной системы;
- обеспечивает быструю перенастройку для контроля различных кабелей путем соответствующей замены эталонного отрезка конечной длины этого кабеля без дефектов;
- позволяет оперативно выполнять отбраковку неисправного кабеля в полевых условиях непосредственно в процессе монтажа кабеля при его размотке с бобины.
1. Способ дефектоскопии электропроводящих элементов кабеля, заключающийся в том, что на контролируемый участок кабеля воздействуют перпендикулярно его продольной оси направленным переменным электрическим полем, за счет которого в электропроводящих элементах кабеля возбуждают волновой физический процесс поляризации спиновых магнитных моментов свободных электронов на резонансной частоте этой поляризации, формируют посредством рабочего индукционного датчика контрольный сигнал в виде ЭДС индукции за счет указанного волнового физического процесса, отличающийся тем, что переменным электрическим полем одновременно воздействуют на дополнительный конечной длины эталонный отрезок кабеля перпендикулярно его продольной оси и возбуждают в нем волновой физический процесс поляризации спиновых магнитных моментов свободных электронов аналогично процессу в контролируемом кабеле, формируют посредством дополнительного индукционного датчика эталонный сигнал в виде ЭДС индукции за счет указанного волнового физического процесса, измеряют в реальном масштабе времени вещественные и мнимые составляющие контрольного и эталонного сигналов, определяют нормированные разностные величины между вещественными составляющими и между мнимыми составляющими эталонного и контрольного сигналов, по значениям нормированных разностных величин осуществляют допусковый контроль физико-технического состояния электропроводящих элементов контролируемого кабеля, при этом переменное электрическое поле в электропроводящих элементах контролируемого и эталонного кабелей возбуждают при их нахождении в общей окружающей среде от одного источника переменного напряжения посредством разнесенных в пространстве соответствующих проходных двухэлектродных цилиндрических конденсаторов с сосредоточенной емкостью с идентичными конструктивными параметрами, в качестве рабочего и дополнительного индукционных датчиков используют разнесенные в пространстве соответствующие проходные катушки индуктивности, идентичные по своим конструктивным параметрам, а вещественные и мнимые составляющие контрольного и эталонного сигналов измеряют посредством наборов соответствующих идентичных синхронных и квадратурных детекторов, синхронизируемых частотой переменного электрического поля.
2. Способ дефектоскопии электропроводящих элементов кабеля по п. 1, отличающийся тем, что в качестве эталонного отрезка кабеля используют неподвижный отрезок контролируемого кабеля конечной длины без дефектов, а контролируемый кабель перемещают или фиксируют неподвижным относительно источника направленного переменного электрического поля.