УСТРОЙСТВО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРОВОДИМОСТИ МАГНИТНЫХ ОТЛОЖЕНИЙ НА ПОВЕРХНОСТИ ТРУБ ВИХРЕТОКОВЫМ МЕТОДОМ Российский патент 2019 года по МПК G01N27/72 

Изобретение относится к методам неразрушающего контроля и может быть использовано на тепловых и атомных энергоустановках, трубопроводах нефти и газа на химических и нефтехимических предприятиях.

Техническая целесообразность изобретения заключается в том, что наличие отложений ведет к нарушению протекания тепловых процессов в системе, а кроме того наличие отложений (особенно магнитных) существенно затрудняет процесс проведения вихретокового неразрушающего контроля, поэтому обнаружение отложений и определение значений их параметров представляет собой актуальную задачу.

Известны способ и устройство [1] для определения толщины и электропроводимости отложений на поверхности труб импульсным вихретоковым методом, но они применимы только для немагнитных отложений.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является устройство для определения толщины и магнитных свойств отложений на поверхности труб импульсным вихретоковым методом [2]. Измерение реализуется накладным датчиком, радиус возбуждающей катушки которого выбирается в соответствии с конфигурацией объекта контроля, период возбуждающего импульсного тока определяется в зависимости от электрофизических параметров металла трубы и отложения.

К недостаткам данного устройства можно отнести невозможность контроля значения удельной электрической проводимости материала магнитных отложений, хотя этот параметр коррелирует с плотностью и тепловыми свойствами отложения, и поэтому представляет интерес для технологов-эксплуатационников.

Предлагаемое устройство позволяет определить, как значения (при необходимости) толщины стенки трубки и электрической проводимости ее материала, так и толщину слоя отложения и магнитных и электрических свойств его материала.

Кроме того, информация о магнитных свойствах и значении удельной электрической проводимости материала отложения в значительной степени упрощает его структурный анализ.

Задачей предлагаемого технического решения является определение значения удельной электрической проводимости материала магнитного отложения.

Прототипом предлагаемого устройства является устройство, использованное в [2].

Технический эффект, получаемый при решении данной задачи, и заключающийся в определении структуры отложений посредством анализа его толщины, удельной электрической проводимости и магнитной проницаемости, достигается тем, что в известном устройстве вихретокового контроля удельной электрической проводимости магнитных отложений на поверхности труб, содержащем генератор прямоугольных периодических импульсов тока, вихретоковый датчик с возбуждающей катушкой, радиус R_в которой выбирают из условия 3(δ_м^н+δ_о^м)>R_в>1,0(δ_м^н+δ_o^м), где δ_м^н и δ_о^м, номинальная толщина стенки трубы и максимальная толщина отложений соответственно, измеритель магнитного потока и измерительную катушку, при этом выход генератора прямоугольных импульсов присоединен к возбуждающей катушке вихретокового датчика, измерительная катушка и измеритель магнитного потока через блоки усиления и АЦП подключены к микроконтроллеру, к выходам которого присоединены индикатор толщины отложений, и индикатор относительной магнитной проницаемости отложений, согласно изобретению, оно снабжено моделирующим устройством, двумя блоками нормировки сигналов измерительной катушки и моделирующего устройства, блоком сравнения значений этих сигналов и индикатором электропроводимости, при этом вход моделирующего устройства подключен к одному из выходов микроконтроллера, выход моделирующего устройства подсоединен к первому блоку нормировки, ко второму блоку нормировки подключен выход усилителя исследуемого сигнала, выходы первого и второго блоков нормировки подключены к блоку сравнения, выход которого соединен с индикатором электропроводимости.

На Фиг. 1 Показано взаимное расположение объекта контроля и вихретокового датчика, снабженного измерителем магнитного потока.

На Фиг. 2 Приведена временная диаграмма тока возбуждающей катушки.

На Фиг. 3 Приведены нормированные кривые разностного вносимого напряжения для различных значений параметров отложения

На Фиг. 4 Приведены начальные участки нормированных кривых, рассчитанных моделирующим устройством для различных значений электропроводимости отложения

На Фиг. 5 Приведено положение кривой нормированного разностного вносимого напряжение от исследуемого объекта на диаграмме (Фиг. 4) начальных участков семейства нормированных кривых

На Фиг. 6 Приведена блок-схема предлагаемого устройства.

Объект контроля (фиг. 6) состоит из слоя металла 1 и слоя отложения 2. Вихретоковый датчик (фиг. 1), возбуждающая катушка 3 которого подключена к генератору импульсов тока 4 (фиг. 2), расположен над объектом контроля. Измерительная катушка 9 через блоки усиления 10 и АЦП 11 соединена с микроконтроллером 8, выход которого соединен с индикаторами толщины отложения 12 и магнитной проницаемости отложения 13. Устройство функционирует следующим образом: Над поверхностью двухслойного объекта контроля (стенка трубы, плоская поверхность) со стороны слоя металла 1 (более удаленный - слой отложения 2) расположен вихретоковый датчик, возбуждающая катушка 3 которого питается от генератора 5 импульсным током i_в (фиг. 2) с периодом Т_в≥3R_вμ₀(δ^н_мσ^н_м+δ_о^мσ_о^мμ_r^м) (где σ^н_м, σ_о^м - номинальное и максимальное значение электропроводимости слоев металла и отложения, δ^н_м, δ_о^м - номинальное и максимальное значение толщины слоев металла и отложения, μ_r^м - максимальное значение магнитной проницаемости отложения). Сигналы измерительной катушки и измерителя потока 5 через блоки усиления 6, 10 и АЦП 7 и 11 поступают в микроконтроллер 8, в котором происходит определение толщины и магнитной проницаемости отложений, что фиксируется индикаторами 12 и 13.

Устройство функционирует следующим образом. Над поверхностью двуслойного объекта контроля (стенка трубы, плоская поверхность) со стороны слоя металла 1 (более удаленный - слой отложения 2) расположен вихретоковый датчик, возбуждающая катушка 3 которого питается от генератора 5 импульсным током i_в (фиг. 2) с периодом Т_в≥3R_вμ₀(δ^н_мσ^н_м+δ_о^мσ_о^мμ_r^м), где σ^н_м, σ_о^м - номинальное и максимальное значение электропроводности слоев металла и отложения, δ^н_м, δ_о^м - номинальное и максимальное значение толщины слоев металла и отложения, μ_r^м - максимальное значение магнитной проницаемости отложения). Сигналы измерительной катушки и измерителя потока 5 через блоки усиления 6,10 и АЦП 7 и 11 поступают в микроконтроллер 8, в котором происходит определение толщины и магнитной проницаемости отложений, что фиксируется индикаторами 12 и 13.

Алгоритм обработки сигнала предусматривает (если это необходимо) определение толщины стенки и электропроводимости металла трубы. Периоды Т_в импульсов тока генератора выбирают из условия Т_в≥3R_вμ₀(δ^н_мσ^н_м+δ_о^мσ_о^мμ_r^м), где σ^н_м и σ_о^м - номинальное и максимальное значение электропроводимости слоев металла и отложения, δ^н_м, δ_о^м - номинальное и максимальное значение толщины слоев металла и отложения, μ_r^м - максимальное значение магнитной проницаемости отложения, μ₀ - магнитная постоянная, в микроконтроллере реализован алгоритм определения магнитной проницаемости и толщины магнитного отложения посредством фиксации в определенные моменты времени приращений вносимого напряжения измерительной катушки, зависящего от вихревых токов, и измерителя магнитного потока по отношению к их значениям для объекта без отложения и сравнению этих приращений с их значениями в узлах градуировочной, полученной экспериментально или моделированием, сетки, находящейся в памяти микроконтроллера.

По специальному алгоритму моделирующее устройство 14 генерирует сигналы, подобные сигналам измерительной катушки для полученных значений толщины отложения δ_о и величины магнитных свойств его материала и различных значений удельной электрической проводимости σ_о. Полученные сигналы нормируются (фиг. 4) в блоке нормировки 15 и на градуировочную сетку (фиг. 5), построенную по начальным участкам нормированных кривых, наносится аналогичный нормированный в блоке 16 сигнал от исследуемого объекта, после чего нормированные сигналы сравниваются (в блоке сравнения 17) для момента t=14 мкс (на интервале максимальной различимости и упорядоченности) и их совпадение определяет величину удельной электрической проводимости материала магнитного отложения, фиксируемую блоком 18.

Значения параметров, при которых проводилось моделирование:

δ_м=2÷2.3 мм, σ_м=10±1 МСм/м - параметры трубы

δ_о=0.5÷2 мм, σ_о=0.05÷0.15 МСм/м, - параметры отложения

Т_в=2 мс, R_в=4 мм.

Предлагаемое устройство отличается тем, что после определения толщины отложения δ_o и величины магнитных свойств его материала моделирующее устройство (компьютер) по специальному алгоритму генерирует сигналы, подобные сигналам измерительной катушки для полученных значений δ_о и и различных значений удельной электрической проводимости в таком диапазоне, чтобы он, превосходил возможное ее значение. Полученные сигналы нормируются по их максимальному значению и начальные участки этих кривых образуют в какой-то фиксированный момент времени регулярную зависимость. Сравнивая полученные значения и нормированные значения исследуемого сигнала определяют значение электропроводимости σ_о исследуемого отложения.

Таким образом, благодаря совместному использованию вихретокового датчика, состоящего из возбуждающей и измерительной катушек и измерителя магнитного потока, микроконтроллера с его алгоритмом обработки сигналов, осуществляется измерение толщины магнитного отложения, количественная оценка магнитных свойств и удельной электрической проводимости материала отложения, что характеризует в значительной степени его структурное состояние.

Источники информации:

1. Патент 2487343 Р; опубл. 10.07.2013.

2. Пат. 143178, опубл. 20.07.2014.

Использование: для неразрушающего контроля. Техническая целесообразность изобретения заключается в том, что устройство вихретокового контроля удельной электрической проводимости магнитных отложения на поверхности труб содержит генератор прямоугольных периодических импульсов тока с периодом Тв, выбираемым из условия Т_в≥3R_вμ₀(δ^н_мσ^н_м+δ_о^мσ_о^мμ_r^м), где δ^н_м и σ^н_м - номинальные значения толщины и электропроводимости металла, δ_о^м, σ_о^м и μ_r^м - максимальные значения толщины, удельной электрической проводимости и магнитной проницаемости отложений, μ₀ - магнитная постоянная, вихретоковый датчик с возбуждающей катушкой, радиус R_в которой выбирают из условия 3(δ_м^н+δ_о^м)>R_в>1,0(δ_м^н+δ_o^м), где δ_м^н и δ_о^м - номинальная и максимальная толщина стенки трубы и отложений соответственно, измеритель магнитного потока и измерительную катушку, выход генератора прямоугольных импульсов присоединен к возбуждающей катушке вихретокового датчика, измерительная катушка и измеритель магнитного потока через блоки усиления и АЦП подключены к микроконтроллеру, к выходам которого присоединены индикатор толщины отложений и индикатор относительной магнитной проницаемости отложений, также снабжено моделирующим устройством, двумя блоками нормировки сигналов измерительной катушки и моделирующего устройства, блоком сравнения значений этих сигналов и индикатором электропроводимости, при этом вход моделирующего устройства подключен к одному из выходов микроконтроллера, выход моделирующего устройства подсоединен к первому блоку нормировки, ко второму блоку нормировки подключен выход усилителя исследуемого сигнала, выходы первого и второго блоков нормировки подключены к блоку сравнения, выход которого соединен с индикатором электропроводимости. Технический результат: обеспечение возможности определения структуры отложений. 6 ил.

Устройство вихретокового контроля удельной электрической проводимости магнитных отложений на поверхности труб, содержащее генератор прямоугольных периодических импульсов тока с периодом Тв, выбираемым из условия Т_в≥3R_вμ₀(δ^н_мσ^н_м+δ_о^мσ_о^мμ_r^м), где δ^н_м и σ^н_м - номинальные значения толщины и электропроводимости металла, δ_о^м, σ_о^м и μ_r^м - максимальные значения толщины, удельной электрической проводимости и магнитной проницаемости отложений, μ₀ - магнитная постоянная, вихретоковый датчик с возбуждающей катушкой, радиус R_в которой выбирают из условия 3(δ_м^н+δ_о^м)>R_в>1,0(δ_м^н+δ_o^м), где δ_м^н и δ_о^м - номинальная и максимальная толщина стенки трубы и отложений соответственно, измеритель магнитного потока и измерительную катушку, выход генератора прямоугольных импульсов присоединен к возбуждающей катушке вихретокового датчика, измерительная катушка и измеритель магнитного потока через блоки усиления и АЦП подключены к микроконтроллеру, к выходам которого присоединены индикатор толщины отложений и индикатор относительной магнитной проницаемости отложений, отличающееся тем, что оно снабжено моделирующим устройством, двумя блоками нормировки сигналов измерительной катушки и моделирующего устройства, блоком сравнения значений этих сигналов и индикатором электропроводимости, при этом вход моделирующего устройства подключен к одному из выходов микроконтроллера, выход моделирующего устройства подсоединен к первому блоку нормировки, ко второму блоку нормировки подключен выход усилителя исследуемого сигнала, выходы первого и второго блоков нормировки подключены к блоку сравнения, выход которого соединен с индикатором электропроводимости.