СПОСОБ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА СВЕРХПРОВОДЯЩЕЙ ПРОВОЛОКИ Российский патент 2017 года по МПК G01N27/90 

Изобретение относится к неразрушающему контролю и может быть использовано для контроля качества двухслойной проволоки с верхним слоем, имеющим большую электрическую проводимость. К таким проволокам, в частности, относятся стабилизированные Nb₃Sn сверхпроводники, с медной оболочкой и сердцевиной из сплава ниобий-олово. Медная оболочка необходима для сохранения требуемого минимального уровня электрической проводимости проволоки при утрате сверхпроводником свойств сверхпроводимости. Удельная электрическая проводимость медной оболочки при нормальной температуре в 10 раз превышает удельную электрическую проводимость сверхпроводящей сердцевины. Качество стабилизированных сверхпроводников определяется отношением Cu/non Cu, которое должно находиться в пределах 1,0±0,01. Стабилизированные сверхпроводники имеют вид проволоки диаметром менее 1 мм и применяются, в частности, в токовых обмотках мощных магнитных систем ядерного коллайдера.

Известен весовой метод определения отношением Cu/non Cu, заключающийся в том, что образец длиной взвешивают, затем стравливают медную оболочку и повторно взвешивают, а отношение Cu/non Cu определяют по формуле

,

где ρ - плотность меди, D - диаметр проволоки, Δm=m₁-m₂ - вес медной оболочки, m₁ - масса образца до стравливания меди, m₂ - масса образца после стравливания меди [1, С. 54].

Недостаток известного способа заключается в том, что он требует разрушения провода.

Известен электрический способ измерения отношения Cu/non Cu в сверхпроводящей проволоке с заданными наружным диаметром D_н, удельной электрической проводимостью σ_м медной оболочки и удельной электрической проводимостью σ_с - сверхпроводящей сердцевины, заключающийся в том, что создают электрическую цепь, включающую источник тока и участок контролируемой проволоки, соединенных друг с другом через токовые электроды, пропускают электрический ток I по проволоке и измеряют с помощью измерителя напряжения, подключенного через потенциальные электроды к контролируемому участку проволоки, напряжение U на участке заданной длины , расположенном между токовыми электродами, а об отношении Cu/non Cu судят по измеренному сопротивлению R₀=U/I участка с учетом величин , D_н, σ_м и σ_c [1, С. 55]. Формула для вычисления отношения Cu/non Cu имеет вид

где - измеренная общая удельная электрическая проводимость на участке провода длиной I с поперечным сечением S=0,25×πD_н².

Недостаток известного способа состоит в низкой производительности контроля, что связано с необходимостью обеспечения надежных электрических контактов между токовыми и потенциальными электродами, с одной стороны, и поверхностью контролируемой проволоки, с другой стороны. В связи с этим данный способ применяется для лабораторных исследований или выборочного контроля на отдельных участках бухты сверхпроводящей проволоки, общая длина которой в бухте составляет десятки километров [1, С. 52].

Наиболее близок к предложенному по технической сущности способ измерения отношения Cu/non Cu в сверхпроводящей проволоке с заданными наружным диаметром D_н, удельной электрической проводимостью σ_м медной оболочки и удельной электрической проводимостью σ_с сверхпроводящей сердцевины, заключающийся в том, что с помощью проходного вихретокового преобразователя на контролируемом участке проволоки создают вихревые токи, измеряют с помощью электронного блока их реакцию и по ней с помощью предварительно полученных градуировочных характеристик определяют отношение Cu/non Cu на контролируемом участке [2].

Недостаток известного способа заключается в необходимости высокой стабильности измерений в течение довольно длительного промежутка времени, требуемого для контроля всей бухты провода. Это связано с тем, что отсутствует возможность коррекции чувствительности электронного блока с помощью контрольных образцов с известным отношением Cu/non Cu, так как извлечение контролируемой проволоки из полости проходного вихретокового преобразователя возможно только после перемотки всей бухты длиной до нескольких десятков километров.

Другой весьма существенный недостаток известного способа состоит в необходимости для градуировки устройства контрольных образцов с известным отношением Cu/non Cu во всем диапазоне измерений. Сложность получения контрольных образцов состоит в том, что они могут быть получены только при перенастройке сложнейшей технологической линии, производящей сверхпроводящую проволоку [3, С. 8]. Это связано с тем, что внешний диаметр сверхпроводящей проволоки строго постоянен, а изменение отношения Cu/non Cu происходит за счет изменения диаметра сверхпроводящей сердцевины. Имитация изменения отношения Cu/non Cu за счет изменения внешнего диаметра медной оболочки недопустима, так как вихретоковый сигнал при равных отношениях Cu/non Cu, но различных внешних диаметрах радикально различается. Следует отметить, что сверхпроводящая проволока имеет ряд параметров, не связанных с отношением Cu/non Cu, но оказывающих влияние на вихретоковый сигнал. К ним, например, относится шаг твиста (скручивания), изменяющийся на величину до 25%. Таким образом, необходимо иметь контрольные образцы, изготовленные с теми же параметрами, что и контролируемая проволока. Так как технология изготовления провода постоянно корректируется, возникает необходимости изготовления контрольных образцов для каждой модификации технологии изготовления сверхпроводящей проволоки.

Цель предлагаемого изобретения - повышение достоверности измерения.

Поставленная цель в заявляемом способе измерения отношения Cu/non Cu в сверхпроводящей проволоке с заданными наружным диаметром D_н, удельной электрической проводимостью σ_м медной оболочки и удельной электрической проводимостью δ_с сверхпроводящей сердцевины, заключающемся в том, что предварительно в полость проходного вихретокового преобразователя поочередно вводят выполненные из отрезков проволоки контрольные образцы с такими же параметрами D_н, σ_м и σ_с, что и у контролируемой проволоки и с известным, изменяющимся от образца к образцу отношением Cu/non Cu, измеряют с помощью электронного блока, подключенного к выходу вихретокового преобразователя, вносимый образцами вихретоковый сигнал и по совокупности измерений получают градуировочную зависимость между вихретоковым сигналом и отношением Cu/non Cu, контролируемую проволоку перемещают через проходной вихретоковый преобразователь, измеряют с помощью электронного блока, подключенного к выходу вихретокового преобразователя, вихретоковый сигнал, регистрируют с помощью датчика перемещения текущую линейную координату контролируемого участка проволоки, получают зависимость изменения вихретокового сигнала вдоль контролируемой проволоки, а по ней, с помощью предварительно полученных градуировочных характеристик, и отношение Cu/non Cu, достигается благодаря тому, что периодически выполняют контрольное измерение отношения Cu/non Cu электрическим методом, для чего создают электрический ток I вдоль участка контролируемой проволоки, измеряют создаваемое этим током на участке заданной длины падение напряжение U и по отношению U/I, с учетом параметров D_н, σ_м, σ_с и , вычисляют среднее отношение Cu/non Cu на этом участке, затем ставят в соответствие полученную величину Cu/non Cu со средней величиной вихретокового сигнала, измеренного на этом же участке, и по полученному соответствию корректируют градуировочную характеристику.

Дополнительно, поставленная цель достигается благодаря тому, что следующее контрольное измерение отношения U/I на участках проволоки выполняют либо по истечении заданного временного промежутка, либо при изменении вихретокового сигнала на заданную величину относительно его среднего значения при последнем контрольном измерении.

На фиг. 1 представлена схема контроля для реализации заявляемого способа.

Схема контроля состоит из вихретокового преобразователя (ВТП) 1, включающего возбуждающую обмотку 2 и измерительную обмотку 3, генератора 4, подключенного выходом к обмотке 2, измерительного блока 5, подключенного входом к обмотке 3, аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 6, подключенного первым входом к выходу измерительного блока 5, датчика 7 перемещения сверхпроводящей проволоки 8, подключенного ко второму входу АЦП 6 и персонального компьютера (ПК) 9, подключенного своим портом к выходу АЦП 6. Для контрольных измерений отношения Cu/non Cu электрическим методом в схеме контроля используется источник 10 тока, подключенный выходом к токовым электродам 11.1-11.2, и измерительный блок 12, подключенный входом к потенциальным электродам 13.1-13.2, а своим выходом - к третьему входу АЦП 6. Для выравнивания проволоки 8 используются опорные ролики 14.1-14.4, один из которых (14.4) механически связан с датчиком 7 перемещения 7. Для коррекции изменения удельной электрической проводимости σ_м медной оболочки и сверхпроводящей середины σ_с в схему контроля введен измеритель 15 температуры, подключенный к четвертому входу АЦП 6.

Заявляемый способ реализуется следующим образом. В исходном состоянии электроды 11.1, 11.2, 13.1 и 13.2 не контактируют с поверхностью проволоки 8. Первоначальная градуировка выполняется с помощью комплекта контрольных образцов из сверхпроводящей проволоки, изготовленной с произвольными технологическими параметрами. Для этого контрольные образцы с известным отношением Cu/non Cu поочередно вводятся в рабочую полость ВТП 1, измеренный сигнал с первого выхода АЦП 6 поступает на вход ПК 9, а с клавиатуры ПК 9 вводятся значения Cu/non Cu, соответствующие введенному образцу.

В память ПК 9 с клавиатуры вводится длительность временного интервала dT, через который выполняется контрольное измерение. Величина интервала dT зависит от временной стабильности измерения вихретокового сигнала и предварительно выбирается экспериментально. Для этого при фиксированном положении проволоки 8 регистрируется вихретоковый сигнал и определяется промежуток времени, при котором изменение вихретокового сигнала составляет не более 20% от допустимой погрешности измерений.

В память ПК 9 также вводится величина порогового изменения вихретокового сигнала относительно его среднего значения при последнем контрольном измерении. Она выбирается, исходя из диапазона возможного изменения отношения Cu/non Cu, и составляет порядка 20% от него.

Затем через рабочую полость ВТП 1 перемещается контролируемая сверхпроводящая проволока 8. В процессе перемещения проволоки 8 измерительным блоком 5 проводится измерение вихретокового сигнала, а датчиком 7 перемещения регистрируется текущая координата. Сигналы с выходов блока 5 и датчика 7 через АЦП 6 поступают в ПК 9 и сохраняются в его памяти. В процессе перемещения проволоки 8 вычисляется среднее значение вихретокового сигнала и сравнивается с его текущим значением.

В процессе перемотки проволоки 8 периодически проводится ее остановка для контрольного измерения. Остановка выполняется при отклонении вихретокового сигнала от среднего значения на заданную величину или по истечении заданного промежутка времени, по истечении которого возможен уход параметров измерительного блока 5 или ВТП 1.

При контрольном измерении перемотка проволоки прекращается, токовые электроды 11.1, 11.2 и потенциальные электроды 13.1, 13.2 прижимаются к поверхности проволоки 8, по ней пропускается электрический ток I и измеряется напряжение U между потенциальными электродами 13.1 и 13.2. Результат измерения поступает на второй вход АЦП 6 и далее в ПК 9, где проводится вычисление отношения Cu/non Cu с учетом σ_м, σ_с, D_н и . Вычисление проводится по формуле [3]

,

где - общая удельная электрическая проводимость проволоки, - электрическое сопротивление участка проволоки длиной и с поперечным сечением .

Измерение проводится с учетом влияния внешней температуры на удельные электрические проводимости σ_м и σ_с. Для этого внешняя температура непрерывно измеряется измерителем 15 температуры, выполненным, например, на основе термопары и вводится соответствующая поправка. Полученное соответствие между вихретоковым сигналом и измеренным отношением Cu/non Cu используется для коррекции градуировочной характеристики.

Контрольные измерения могут проводиться на участке проволоки, предшествующем участку, введенному в полость ВТП 1, участке, находящемся в полости ВТП 1 или расположенном за ним. Коррекция проводится с учетом координатной привязки измерений вихретокового сигнала и измерений отношения Cu/non Cu электрическим методом.

После этого электроды 11.1, 11.2, 13.1 и 13.2 приводятся в исходное состояние и осуществляется дальнейшая перемотка проволоки 8 с одновременным считыванием вихретокового сигнала и координаты, поступающих на ПК 9 с соответствующих выходов АЦП 6.

Технический результат при реализации заявляемого способа, по сравнению с прототипом, заключается в повышении достоверности измерения отношения Cu/non Cu в сверхпроводящей проволоке путем периодической коррекции градуировочной характеристики за счет периодического измерения отношения Cu/non Cu электрическим методом.

Источники информации

1. Крылова М.В., Балаев С.М., Дергунова Е.А., Абдюханов A.M., Воробьева А.Е., Фигуровский Д.К., Шкатов П.Н. Сравнительный анализ результатов определения параметра Cu/Non Cu, полученного различными методами в Nb₃Sn сверхпроводниках для ИТЭР // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Материаловедение и новые материалы - вып. 1(80). - 2015. - С. 49-60.

2. Шкатов П.Н. Вихретоковый контроль качества сверхпроводящей проволоки в процессе производства // XX Всероссийская конференция по неразрушающему контролю и технической диагностике: тезисы докладов. Москва, 3-6 марта 2014 г. - М.: Издательский дом «Спектр», 2014. - С. 84-86 (прототип).

3. Тронза В.И. Определение и контроль структурных и геометрических параметров, влияющих на эксплуатационные свойства композиционных сверхпроводников на основе Nb₃Sn для термоядерного реактора ИТЭ // Автореферат диссертации на соиск. уч. ст. к.т.н - М. - МГУПИ - 2012.

Использование: для контроля качества сверхпроводящей проволоки с медной оболочкой и сверхпроводящей сердцевиной из сплава ниобий-олово. Сущность изобретения заключается в том, что способ измерения отношения Cu/non Cu в сверхпроводящей проволоке с заданными наружным диаметром D_H, удельной электрической проводимостью σ_м медной оболочки и удельной электрической проводимостью σ_с сверхпроводящей сердцевины, заключается в том, что предварительно в полость проходного вихретокового преобразователя поочередно вводят выполненные из отрезков проволоки контрольные образцы с такими же параметрами D_н, σ_м и σ_с, что и у контролируемой проволоки и с известным, изменяющимся от образца к образцу отношением Cu/non Сu, измеряют с помощью электронного блока, подключенного к выходу вихретокового преобразователя, вносимый образцами вихретоковый сигнал и по совокупности измерений получают градуировочную зависимость между вихретоковым сигналом и отношением Cu/non Сu, контролируемую проволоку перемещают через проходной вихретоковый преобразователь, измеряют с помощью электронного блока, подключенного к выходу вихретокового преобразователя, вихретоковый сигнал, регистрируют с помощью датчика перемещения текущую линейную координату контролируемого участка проволоки, получают зависимость изменения вихретокового сигнала вдоль контролируемой проволоки, а по ней, с помощью предварительно полученных градуировочных характеристик, и отношение Cu/non Сu, согласно изобретению периодически выполняют контрольное измерение отношения Cu/non Cu электрическим методом, для чего создают электрический ток I вдоль участка контролируемой проволоки, измеряют создаваемое этим током на участке заданной длины падение напряжение U и по отношению U/I, с учетом параметров D_н, σ_м, σ_с и , вычисляют среднее отношение Cu/non Cu на этом участке, затем ставят в соответствие полученную величину Cu/non Cu со средней величиной вихретокового сигнала, измеренного на этом же участке, и по полученному соответствию корректируют градуировочную характеристику. Технический результат: обеспечение возможности повышения достоверности измерения. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ измерения отношения Cu/non Cu в сверхпроводящей проволоке с заданными наружным диаметром D_H, удельной электрической проводимостью σ_м медной оболочки и удельной электрической проводимостью σ_с сверхпроводящей сердцевины, заключающийся в том, что предварительно в полость проходного вихретокового преобразователя поочередно вводят выполненные из отрезков проволоки контрольные образцы с такими же параметрами D_н, σ_м и σ_с, что и у контролируемой проволоки и с известным, изменяющимся от образца к образцу отношением Cu/non Сu, измеряют с помощью электронного блока, подключенного к выходу вихретокового преобразователя, вносимый образцами вихретоковый сигнал и по совокупности измерений получают градуировочную зависимость между вихретоковым сигналом и отношением Cu/non Сu, контролируемую проволоку перемещают через проходной вихретоковый преобразователь, измеряют с помощью электронного блока, подключенного к выходу вихретокового преобразователя, вихретоковый сигнал, регистрируют с помощью датчика перемещения текущую линейную координату контролируемого участка проволоки, получают зависимость изменения вихретокового сигнала вдоль контролируемой проволоки, а по ней, с помощью предварительно полученных градуировочных характеристик, и отношение Cu/non Сu, отличающийся тем, что периодически выполняют контрольное измерение отношения Cu/non Cu электрическим методом, для чего создают электрический ток I вдоль участка контролируемой проволоки, измеряют создаваемое этим током на участке заданной длины падение напряжение U и по отношению U/I, с учетом параметров D_н, σ_м, σ_с и , вычисляют среднее отношение Cu/non Cu на этом участке, затем ставят в соответствие полученную величину Cu/non Cu со средней величиной вихретокового сигнала, измеренного на этом же участке, и по полученному соответствию корректируют градуировочную характеристику.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что следующее контрольное измерение отношения U/I на участках проволоки выполняют либо по истечении заданного временного промежутка, либо при изменении вихретокового сигнала на заданную величину, относительно его среднего значения при последнем контрольном измерении.