ПЕРВИЧНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДЛЯ МАГНИТНОГО КОНТРОЛЯ НЕСУЩЕЙ АРМАТУРЫ ЛИНЕЙНО ПРОТЯЖЕННЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ Российский патент 2021 года по МПК G01N27/82 

Изобретение относится к неразрушающему контролю и может быть использовано для неразрушающего контроля предварительно напряженной несущей арматуры линейно протяженных железобетонных конструкций, например, предварительно напряженной арматуры, ориентированной вдоль железобетонных балок.

В процессе эксплуатации из-за коррозии скрытой под слоем бетона арматуры происходит потеря ее эффективного сечения и соответствующее уменьшение несущей способности. Для оценки технического состояния размещенных вдоль балок пучков предварительно напряженной арматуры применяется магнитный метод неразрушающего контроля. Достоверность магнитного контроля известными первичными преобразователями существенно снижается при наличии в балках и других линейно-протяженных железобетонных конструкциях поперечной арматуры (хомутов), обычно, размещенных ближе к поверхности, чем ориентированные вдоль балок пучки напряженной арматуры.

Известен первичный преобразователь для магнитного контроля несущей арматуры линейно протяженных железобетонных конструкций [Titus Michael D. Development and Field Test of Induced Magnetic Field Procedure for Nondestructive Evaluation of Deteriorated Prestressing Strand.-Submitted to the Graduate Faculty as partial fulfillment of the requirements for the Master of Science Degree in Civil Engineering.- The University of Toledo.- 2011.- p. 24-30], содержащий П-образную намагничивающую систему с электромагнитами в ее полюсах и датчики Холла для измерения магнитной индукции B_I намагничивающего магнитного поля, размещенные под рабочими торцами полюсов. Датчики Холла предназначены для подключения к электронному блоку, регистрирующему изменение их сигналов, пропорциональных изменению индукции B_I. При размещении намагничивающей системы над контролируемой арматурой вдоль нее величина изменения индукции B_I магнитного потока, проходящего по арматуре, пропорциональна сечению соответствующего участка. Это позволяет при перемещении первичного преобразователя вдоль арматуры получить информацию о величине ее сечения по длине.

Недостаток известного преобразователя состоит в пониженной достоверности контроля арматуры в железобетонных конструкциях, например, балках, содержащих как контролируемую, предварительно напряженную продольную арматуру, так и поперечную. Это связано с тем, что величина B_I определяется не только параметрами контролируемой продольной арматуры, но поперечной. Из-за этого происходит периодическое изменение регистрируемого сигнала на величину, зависящую от таких факторов, как расстояние до поперечной арматуры и ее сечение, которые не являются постоянными [Titus Michael D. Development and Field Test of Induced Magnetic Field Procedure for Nondestructive Evaluation of Deteriorated Prestressing Strand.-Submitted to the Graduate Faculty as partial fulfillment of the requirements for the Master of Science Degree in Civil Engineering.- The University of Toledo.- 2011.- p. 29, Figure 4-6.].

Известен первичный преобразователь для магнитного контроля несущей арматуры линейно протяженных железобетонных конструкций [Titus Michael D. Development and Field Test of Induced Magnetic Field Procedure for Nondestructive Evaluation of Deteriorated Prestressing Strand.-Submitted to the Graduate Faculty as partial fulfillment of the requirements for the Master of Science Degree in Civil Engineering.- The University of Toledo.- 2011.- p. 30-35], содержащий П – образную намагничивающую систему и датчики Холла для измерения тангенциальной составляющей B_τ индукции магнитных полей рассеяния. Чувствительные зоны датчиков Холла совмещены с плоскостью симметрии, равноудаленной от полюсов системы намагничивания и ортогональной соединяющему полюса магнитопроводу. При размещении намагничивающей системы над контролируемой арматурой через активную поверхность датчиков Холла проходит магнитное поле рассеяния, изменение индукции B_τ которого обратно пропорционально сечению контролируемой арматуры. Это позволяет при перемещении первичного преобразователя вдоль арматуры получить информацию об изменении величины её сечения по длине.

Однако и этот первичный преобразователь обладает пониженной достоверностью контроля арматуры в железобетонных конструкциях, например, балках, содержащих как контролируемую, предварительно напряженную продольную арматуру, так и поперечную. Это связано с тем, что величина B_τ определяется не только параметрами контролируемой продольной арматуры, но поперечной. Из-за этого происходит периодическое изменение регистрируемого сигнала на величину, зависящую от таких факторов, как расстояние до поперечной арматуры и ее сечение, которые не являются постоянными [Titus Michael D. Development and Field Test of Induced Magnetic Field Procedure for Nondestructive Evaluation of Deteriorated Prestressing Strand.-Submitted to the Graduate Faculty as partial fulfillment of the requirements for the Master of Science Degree in Civil Engineering.- The University of Toledo.- 2011.- p. 33 - 37, Figure 4-7.].

Наиболее близок к предлагаемому первичный преобразователь для магнитного контроля несущей арматуры линейно протяженных железобетонных конструкций [Fernandes B., Nims D., Devabhaktuni V. Comprehensive MMF–MFL inspection for corrosion detection and estimation in embedded prestressing strands.- J Civil Struct Health Monit (2014) N4.- pp. 43–55.], содержащий П-образную намагничивающую систему, состоящую из двух соединенных стержневым магнитопроводом разноименно намагниченных полюсов, и две группы датчиков Холла, первую группу – для регистрации индукции B_I намагничивающего магнитного поля, и вторую группу – для регистрации нормальной B_n и тангенциальной B_τ составляющих индукции магнитного поля рассеяния. Датчики Холла первой группы размещены под рабочими торцами системы намагничивания, а датчики Холла второй группы – между её полюсами и симметрично относительно них. Чувствительные зоны датчиков Холла второй группы, предназначенные для регистрации B_τ, совмещены с плоскостью симметрии, равноудаленной от полюсов системы намагничивания и ортогональной соединяющему полюса магнитопроводу. Чувствительные зоны датчиков Холла второй группы, предназначенные для регистрации B_n, расположены симметрично относительно полюсов системы намагничивания, в плоскости, параллельной плоскости её рабочих торцов.

В процессе контроля одновременно регистрируются сигналы датчиков Холла, измеряющих B_n, B_τ и B_I. По полученным значениям B_I проводят оценку потери сечения пучков арматуры, а по значениям B_n, B_τ судят о наличии и параметрах локальных дефектов в них.

Однако и при использовании этого преобразователя достоверность контроля существенно уменьшается при наличии поперечной арматуры, обычно, имеющейся в большинстве железобетонных конструкций, в том числе, в балках мостов. Это связано с тем, что полученные сигналы зависят не только от параметров контролируемой продольной арматуры, но и от параметров и положения поперечной арматуры, обычно, имеющихся в железобетонных конструкциях, в частности, в балках мостов. Это приводит к тому, что регистрируемые с помощью известного преобразователя сигналы изменяются по сложному периодическому закону с переменным периодом, зависящем от расстояния между поперечной арматурой, и амплитудой, зависящей не только от параметров контролируемой продольной арматуры, но и от параметров и глубины залегания поперечной арматуры [Fernandes B., Nims D., Devabhaktuni V. Comprehensive MMF–MFL inspection for corrosion detection and estimation in embedded prestressing strands.- J. Civil Struct. Health Monit. – 2014.- N4.- fig. 5-9, 13, 17], которые могут изменяться по мере перемещения вдоль продольной арматуры. Таким образом, приходится судить о контролируемой арматуре по усредненным значениям сигнала, изменения которого имеют случайную составляющую.

Технический результат настоящего изобретения заключается в повышении достоверности контроля, путем подавления влияния поперечной арматуры на регистрируемый сигнал.

Указанный технический результат в заявляемом первичном преобразователе для магнитного контроля несущей арматуры линейно протяженных железобетонных конструкций, содержащем П-образную систему намагничивания, состоящую из двух соединенных стержневым магнитопроводом разноименно намагниченных полюсов, и две группы магниточувствительных элементов, чувствительные зоны магниточувствительных элементов первой группы размещены в плоскости, параллельной плоскостям рабочих торцов системы намагничивания, а чувствительные зоны магниточувствительных элементов второй группы - в плоскости, равноудаленной от полюсов системы намагничивания и перпендикулярной плоскостям ее рабочих торцов, достигается благодаря тому, что центры чувствительных зон каждого из магниточувствительных элементов первой группы смещены относительно края ближнего к ним торца системы намагничивания на величину R_x в направлении противоположного полюса, а центры чувствительных зон магниточувствительных элементов второй группы смещены на расстояние R_y от плоскости, проходящей через торцы системы намагничивания, в направлении магнитопровода.

Рекомендуется значения R_x, R_y и R_с выбирать из соотношений:

0,2R_c < R_x < 0,25 R_c,

0,07R_с < R_y < 0,09 R_c,

2R_k ≤ R_c,

где 2R_c – ширина межполюсного пространства П-образной системы намагничивания, R_k –глубина контроля.

На фиг.1 схематично показан заявляемый первичный преобразователь для магнитного контроля несущей арматуры линейно протяженных железобетонных конструкций; на фиг. 2 показан заявляемый первичный преобразователь, установленный над контролируемым участком железобетонной конструкции с продольной и поперечной арматурой; на фиг. 3 приведены зависимости изменения тангенциальной составляющей B_τ(х), воздействующей на элемент второй группы, при перемещении магнитной системы вдоль продольной арматуры от центра участка с потерей сечения; на фиг. 4 показано изменение магнитной индукции B_τ(х), воздействующей на магниточувствительный элемент второй группы при перемещении магнитной системы вдоль контролируемой арматуры и наличии поперечной арматуры; на фиг. 5 показано изменение средней величины сигналов магниточувствительных элементов первой группы, возникающих в результате взаимодействия каждого из элементов с одним и тем же участком арматуры, при их перемещении вместе с системой намагничивания вдоль продольной арматуры и наличии поперечной; на фиг. 6 приведены зависимости изменения сигнала магниточувствительного элемента первой группы при его перемещении вместе с системой намагничивания вдоль контролируемой арматуры и наличии в ней участка с локальной потерей сечения; на фиг. 7 приведено отношение сигналов U_Д5П/U_Д5k магниточувствительных элементов первой группы, связанных с воздействием поперечной арматуры и локальной потери сечения в продольной арматуре; на фиг. 8 приведено распределение тангенциальной составляющей индукции B_τ магнитного поля в зоне возможного размещения магниточувствительного элемента второй группы; на фиг. 9 приведена рекомендуемая схема измерения с использованием заявляемого преобразователя.

Представленный на фиг. 1 первичный преобразователь для магнитного контроля несущей арматуры линейно протяженных железобетонных конструкций, содержит П-образную систему 1 намагничивания, состоящую из стержневого магнитопровода 2 и полюсов 3 и 4, включающих в себя постоянные магниты, имеющих на рабочих торцах разноименные магнитные полюса. Между полюсами 3 и 4 размещены магниточувствительные элементы 5 и 6, относящиеся к первой группе, и магниточувствительный элемент 7, относящийся ко второй группе. Для увеличения площади контролируемой зоны число чувствительных элементов в каждой группе может быть увеличено. При этом дополнительно элементы одной группы должны быть одинаковым образом размещены в поперечных сечениях системы 1 намагничивания. Магниточувствительные элементы рекомендуется выполнять на основе датчиков Холла. Чувствительные зоны магниточувствительных элементов 5 и 6 первой группы размещены в плоскости, параллельной плоскостям рабочих торцов системы 1 намагничивания, а чувствительная зона магниточувствительного элемента 7 второй группы - в плоскости, равноудаленной от полюсов 2 и 3 системы 1 намагничивания и перпендикулярной плоскостям ее рабочих торцов. Центры чувствительной зоны каждого из магниточувствительных элементов 5 и 6 первой группы смещены относительно края ближнего к ним торца системы 1 намагничивания на величину R_x в направлении дальнего торца, а центр чувствительной зоны магниточувствительного элемента 7 второй группы смещен на расстояние R_y от плоскости, проходящей через торцы системы 1 намагничивания, в направлении её магнитопровода 2. Значения R_c, R_x и R_y выбираются из соотношений:

0,2R_c < R_x < 0,25 R_c, (1)

0,07R_с < R_y < 0,09 R_c, (2)

2R_k ≤ R_c, (3)

где 2R_c – ширина межполюсного пространства П-образной системы намагничивания, R_k – глубина контроля.

Глубина R_k контроля в железобетонной конструкции 8 должна быть не меньше глубины R_а залегания контролируемой арматуры 9 (фиг. 2). Исходя из требуемой глубины контроля, определяется ширина R_c межполюсного пространства П-образной системы намагничивания. При изменении технического состояния арматуры 9 изменяется отношение магнитного потока Ф_а через арматуру 9 и магнитного потока Ф_р рассеяния, замыкающегося по воздуху над поверхностью железобетонной конструкции 8. При этом сумма потоков Ф_а, Ф_р и Ф_п, где Ф_п – магнитный поток, пересекающий поперечную арматуру, остается примерно постоянной. Следовательно, в случае уменьшения сечения арматуры 9 за счет коррозии, например, на дефектном участке 11, магнитный поток Ф_а уменьшается, что приведет к увеличению потока Ф_р и, соответственно, тангенциальной составляющей B_τ магнитной индукции, регистрируемой элементом 7.

С уменьшением величины R_c отношение Ф_а/Ф_р уменьшается, так как возрастает отношение магнитных сопротивлений для этих потоков. Таким образом, уменьшение R_c приводит к уменьшению чувствительности контроля и, соответственно, уменьшению глубины R_k контроля. Как показали выполненные расчетно-экспериментальные исследования, достаточная чувствительность к параметрам арматуры 9, залегающей на глубине R_а = R_k обеспечивается при выполнении условия (3).

Сигнал U₇, регистрируемый элементом 7, является суммой двух составляющих

U ₇ = U_7k + U_7п, (4)

где U_7k – сигнал, определяемый техническим состоянием контролируемой арматуры 9, а U_7п – влиянием поперечной арматуры 10.

Чувствительность контроля к параметрам арматуры 9 зависит от величины R_y, увеличиваясь при ее уменьшении. Характер изменения воздействующей на элемент 7 тангенциальной составляющей магнитной индукции В_Т в межполюсном пространстве системы 1 намагничивания, размещенной над арматурой 9 с дефектным участком 11, представлен на фиг. 3. Здесь приведены зависимости B_τ(х) вдоль координаты х, направленной вдоль арматуры 9 и имеющей начало в центре системы 1 намагничивания. Зависимости приведены только для х > 0, так как они симметричны относительно центра системы 1 намагничивания и B_τ(-х) = В_Т(х). Распределения B_τ(х) даны при разных значениях R_y. Под действием изменения B_τ за счет локального утонения продольной арматуры 9 формируется информативная составляющая U_7k сигнала элемента 7.

Вместе с тем, при уменьшении R_y увеличивается влияние поперечной арматуры10, что приводит к росту составляющей U_7п сигнала U₇, регистрируемого элементом 7. На фиг. 4 показано изменение магнитной индукции, воздействующей на элемент 7 при перемещении магнитной системы 1 вдоль контролируемой арматуры 9 (по координате х) и наличии поперечной арматуры, размещенной с шагом 250 мм. Зависимости приведены при значениях R_y = 0, 10, 20, 30 и 40 мм для магнитной системы с величиной R_c = 330 мм.

Таким образом, величина R_y должна определяться из компромисса между обеспечением приемлемой чувствительности к параметрам продольной арматуры и возможно большим ослаблением влияния поперечной арматуры. Анализ совокупности полученных зависимостей показал, что величину R_y при R_c = 330 мм целесообразно выбирать в диапазоне 23 мм < R_y < 30 мм, что соответствует соотношению 0,07 R_с < R_y < 0,09 R_c. Однако и в этом случае отношение сигналов U_7k/U_7п = 0,8 …0,9. Для обеспечения получения информации о техническом состоянии контролируемой продольной арматуры 9 независимо от влияния арматуры 10 выполняются измерения дополнительного сигнала U_Д с помощью магниточувствительных элементов 5 и 6.

Сигналы U_Д5 и U_Д6, получаемые с помощью элементов 5 и 6, также имеют две составляющие

U _Д5 = U_Д5k + U_Д5П и U_Д6 = U_Д6k + U_Д6П, (5)

где U_Д5k, U_Д6k – сигналы, связанные с влиянием контролируемой арматуры 9, а U_Д5П, U_Д6П – с влиянием поперечной арматуры 10.

Положение элементов 5 и 6 выбирается так, чтобы выполнялись соотношения U_Д5П >> U_Д5k и U_Д6П >> U_Д6k, что позволит использовать его для коррекции сигнала, регистрируемого элементом 7.

Элементы 5 и 6 работают в потоках Ф_П1 и Ф_П2, замыкающихся с торцов полюсов системы 1 намагничивания на магнитопровод 2. Потоки Ф_П1 и Ф_П2 в меньшей степени взаимодействуют с арматурой 9, так как R_a >> R_п. Очевидно, что отношение R_a/R_п максимально при размещении элементов 5 и 6 в плоскости рабочих торцов системы 1.

Расстояния R_x элементов 5 и 6 от полюсов 3 или 4, соответственно, выбираются на основе анализа зависимости сигналов от влияния поперечной арматуры 10 (U_Д5П, U_Д6П) и с учетом влияния других факторов, таких как локальное изменение поперечного сечения арматуры 9 (U_Д5k, U_Д6k), а также возможных изменений рабочего зазора между полюсами системы 1 намагничивания и арматурой 10. На фиг. 5 показано изменение средней величины U_Д56 сигналов U_Д5 и U_Д6, возникающих в результате взаимодействия каждого из элементов с одним и тем же участком арматуры, при их перемещении вместе с системой 1 намагничивания вдоль координаты x и наличии поперечной арматуры 10. Зависимости, приведенные для разных значений расстояния R_x, показывают, что сигнал U_Д56 от поперечной арматуры 10 монотонно возрастает с уменьшением R_x.

Так как сигнал U_Д56 должен нести информацию от поперечной арматуры 10 его изменение при наличии дефектов в контролируемой арматуре 9 нежелательно и является мешающим фактором. На фиг. 6 приведены зависимости изменения сигнала U_Д56 при перемещении системы 1 намагничивания вдоль координаты х и наличии участка с локальной потерей сечения в контролируемой арматуре 9. Здесь, напротив, сигнал U_Д56 = U_Д56k возрастает при увеличении R_x.

Таким образом, величина R_x определяется на основе компромисса между чувствительностью к продольной арматуре 10 и подавлением влияния арматуры 10. Это определяется отношением сигналов U_Д56П/ U_Д56k, представленным на фиг. 7. Приведенный график показывает, что отношение U_Д56П/U_Д56k монотонно растет с уменьшением R_x. Вместе с тем, с уменьшением R_x растет неоднородность тангенциальной составляющей индукции B_τ магнитного поля в зоне возможного размещения элементов 5 и 6 (фиг. 8).

Из-за этого незначительные перекосы при установке преобразователей могут приводить к существенной разнице между сигналами элементов U_Д5 и U_Д6, что недопустимо. В связи с этим целесообразно выбирать величину R_x из условия размещения элементов 5 и 6 в зонах с меньшими значениями градиента B_τ, но при достаточно высоком отношении U_Д5П/ U_Д5k. Этому условию при R_с = 330 мм соответствует выбор R_x в диапазоне 66 мм< R_x < 82,5 мм, что соответствует соотношению 0,2R_c < R_x < 0,25 R_c.

Формирование единого сигнала происходит программно, как комбинация сигналов элементов 5,6 и 7 с учетом сигнала от измерителя пути первичного преобразователя вдоль арматуры 9. Для этого может использоваться стандартная схема измерения (фиг. 9), состоящая из трехканального электронного блока 12, соединенного своими входами с элементами 5-7, аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 13 и компьютера 14, подключенного своими входами к трем выходам АЦП 13 и выходу измерителя 15 пути.

Заявляемый первичный преобразователь для магнитного контроля предварительно напряженной арматуры линейно протяженных железобетонных конструкций по сравнению с известным обеспечивает повышение достоверности контроля путем подавления влияния поперечной арматуры на регистрируемый сигнал. Это достигается за счет размещения одной из групп магниточувствительных элементов в зоне, позволяющей получить информацию о воздействии преимущественно поперечной арматуры и использовать ее для коррекции сигнала о техническом состоянии контролируемой продольной предварительно напряженной арматуры.

Изобретение относится к неразрушающему контролю. Первичный преобразователь для магнитного контроля несущей арматуры линейно протяженных железобетонных конструкций содержит П-образную систему намагничивания, при этом центры чувствительной зоны каждого из магниточувствительных элементов первой группы смещены относительно края ближнего к ним торца системы намагничивания на величину R_x в направлении дальнего торца, а центры активной площадки магниточувствительных элементов второй группы смещены на расстояние R_y от плоскости, проходящей через торцы системы намагничивания, в направлении её магнитопровода. Технический результат - повышение достоверности контроля арматуры в железобетонных конструкциях. 1 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Первичный преобразователь для магнитного контроля несущей арматуры линейно протяженных железобетонных конструкций, содержащий П-образную систему намагничивания, состоящую из двух соединенных стержневым магнитопроводом разноименно намагниченных полюсов, и две группы магниточувствительных элементов, чувствительные зоны магниточувствительных элементов первой группы размещены в плоскости, параллельной плоскостям рабочих торцов системы намагничивания, а чувствительные зоны магниточувствительных элементов второй группы - в плоскости, равноудаленной от полюсов системы намагничивания и перпендикулярной плоскостям ее рабочих торцов, отличающийся тем, что центры чувствительной зоны каждого из магниточувствительных элементов первой группы смещены относительно края ближнего к ним торца системы намагничивания на величину R_x в направлении дальнего торца, а центры активной площадки магниточувствительных элементов второй группы смещены на расстояние R_y от плоскости, проходящей через торцы системы намагничивания, в направлении её магнитопровода.

2. Первичный преобразователь для магнитного контроля несущей арматуры линейно протяженных железобетонных конструкций по п.1, отличающийся тем, что значения R_c, R_x и R_y выбираются из соотношений:

0,2R_c < R_x < 0,25 R_c,

0,07R_с < R_y < 0,09R_c,

2R_k ≤ R_c,

где 2R_c – ширина межполюсного пространства П-образной системы намагничивания, R_k – глубина контроля.