Мобильное средство для технической диагностики от ученых ИФМ УрО РАН

Уральские ученые разработали уникальную мобильную портативную аппаратно-программную систему, которая позволит оценить качество изделия из ферромагнитных материалов на прочность и уровень деформации.

Для определения многих типов деформации и уровня нагрузок на механизмы и сооружения применяют разного рода аппаратно-программные системы контроля и диагностики. Поиск нового технического решения с учетом многопараметрового подхода в подобных системах может предоставить возможность высокой степени достоверности диагностики и выявления мешающих факторов. Поэтому, например, в области магнитной структуроскопии, эксперты ищут перспективные методы анализа упругих и пластических деформаций, чтобы предупредить разрушение объектов.

Итогом многолетней работы специалистов Института физики металлов имени М.Н. Михеева Уральского отделения Российской академии наук стала разработка многоцелевой портативной системы диагностики DIUS-1.15M с комплектом преобразователей, позволяющая решать широкий круг задач магнитной структуроскопии для ферромагнитных изделий. Путем выявления характеристик и преимуществ методов работы такого рода систем ученые ИФМ предложили оригинальную модель и специальное программное обеспечение, которые будут выполнять функции мобильной экспертной системы и также найдут применение в различных областях промышленности.

Владимир Николаевич Костин – доктор технических наук, доцент, заместитель директора ИФМ УрО РАН по научной работе, главный научный сотрудник и заведующий лабораторией комплексных методов контроля ФГБУН Институт физики металлов им. М.Н. Михеева УрО РАН (г. Екатеринбург), профессор кафедры ФМПК Уральского федерального университета (г. Екатеринбург), главный редактор журнала РАН «Дефектоскопия» – рассказал, в чем принцип работы и новизна авторской разработки портативной аппаратно-программной системы DIUS-1.15 и каковы ее потенциальные возможности.

«Неразрушающий контроль (НК) и техническая диагностика (ТД) уже стали неотъемлемыми элементами современной промышленности. Наиболее востребован неразрушающий контроль в таких отраслях, как космическое и авиастроение, железнодорожный транспорт, машиностроение, автомобилестроение, нефтегазовая промышленность, предприятия военно-промышленного комплекса. Необходимость технической диагностики обусловлена повышением нагрузок на механизмы и сооружения, а также деградацией материалов под действием таких факторов, как коррозия, локальные пластические деформации, статические и переменные упругие напряжения, изменения температурного режима. Широкое применение и постоянное совершенствование методов и средств НК и ТД позволяют повысить качество продукции, снизить риски техногенных аварий, оценивать остаточный ресурс и продлевать сроки безопасной эксплуатации изделий и объектов.

Электромагнитный контроль (ЭМК) относится к наиболее востребованным видам НК и ТД. Он основан на существующих взаимосвязях магнитных (см. рис. 1) и электрических параметров контролируемых объектов, с одной стороны, и различных эксплуатационных характеристик материалов (твердость, прочность, состав и т.д.), с другой стороны. Методики и средства измерений ЭМК постоянно совершенствуются. Выпускаются сотни различных устройств и приборов. Однако до последнего времени все приборы имели узкую специализацию (коэрцитиметр, измеритель магнитной проницаемости и т.д.) и решали очень ограниченный круг задач. Во многих случаях для диагностики конкретного изделия, например, коленчатого вала автомобиля, приходилось разрабатывать и изготавливать специальный прибор, который не мог быть использован для других задач. К настоящему времени возможности однопараметровой магнитной структуроскопии, т.е. определения прочностных свойств или химического состава изделий по какому-то одному магнитному параметру, фактически исчерпаны», – Владимир Костин пояснил, чем вызвана потребность в разработке новых перспективных многоцелевых мобильных аппаратно-программных систем.

Для чего они предназначены и какие специфические задачи выполняют?

«Необходимость измерения двух и более параметров для достоверной диагностики ферромагнитных сталей и сплавов обусловлена двумя причинами. Первая причина – методическая, когда для оценки состояния изделия требуется определение нескольких его магнитных и электрических параметров. Например, для оценки качества закалки шарикоподшипников приходится измерять и коэрцитивную силу, которая показывает величину твердости, и намагниченность насыщения, которая показывает количество опасного для эксплуатации остаточного аустенита в стали. Вторая причина – измерительная, когда для достоверного измерения необходимого параметра контроля требуется знание двух и более электромагнитных величин, характеризующих как объект контроля, так и условия измерений. Например, нашим коллективом получен патент на способ измерения коэрцитивной силы, в котором для снижения влияния мешающих факторов дополнительно измеряется величина магнитного потока в измерительной цепи.

В последнее время все большее применение находят комплексные методы контроля и диагностики, предполагающие использование нескольких, различных по физической природе параметров. Например, обнаружение магнитными методами мест концентрации опасных напряжений в объектах из ферромагнитных сталей влечет за собой необходимость поиска в этих местах появившихся трещин, что целесообразно выполнять вихретоковым методом. Еще одним аргументом в пользу применения комплексных методов является то, что сопоставление результатов определения одного и того же контролируемого параметра разными методами позволяет повысить достоверность выявления дефектов продукции.

Таким образом, возникает необходимость создания таких средств диагностики, которые способны измерять целый комплекс диагностических параметров, выполняя функции “мини-лаборатории”. Такие разработки возможны на основе новых сведений о взаимосвязях функциональных (твердость, прочность, коррозионная стойкость и т.д.) и электромагнитных характеристик материалов, применения цифровых технологий генерации и анализа сигналов, достижений современной электроники», – подробно пояснил ученый.

Каким критериям они должны отвечать?

«Перспективные многоцелевые программно-аппаратные системы электромагнитного контроля должны отвечать следующим нескольким критериям: возможность управляемого воздействия на объект контроля постоянным или переменным магнитным полем; многопараметровость, т.е. возможность измерять одним устройством несколько диагностических параметров (параметры петли магнитного гистерезиса, напряженность постоянного или переменного магнитного поля и т.д.); цифровые технологии генерации электромагнитных полей и обработки измерительной информации, что позволит легко адаптировать алгоритмы контроля и диагностики под определенные объекты и условия контроля, а также под требования конкретного пользователя; мобильность, т.е. питание от автономных источников питания, минимизация размеров и веса устройств, защита от неблагоприятных внешних воздействий; возможность многоцелевого применения, т.е. возможность изменения методики и объекта диагностики путем смены подключаемых измерительных преобразователей и запуска соответствующей управляющей программы (например, сотовый телефон также можно использовать в различных целях – звонки, часы, чтение книг и просмотр кинофильмов, компас, датчик атмосферного давления и т.д.); приемлемая для широкого круга пользователей стоимость, что весьма важно в условиях рыночной экономики», – детально уточнил исследователь.

Под руководством Владимира Костина проходит исследование по разработке мобильной портативной аппаратно-программной системы DIUS-1.15M. В основной состав рабочей группы входят к.т.н. Ольга Николаевна Василенко (исследование взаимосвязей магнитных свойств и эксплуатационных характеристик материалов и изделий), аспирант Данила Григорьевич Ксенофонтов (разработка измерительных преобразователей, разработка нового программного обеспечения), м.н.с. Александр Викторович Бызов (компьютерное моделирование намагничивающих устройств, разработка методик диагностики различных изделий). Отдельные виды работ выполняются сотрудниками и инженерами лабораторий интеллектуальных технологий диагностики и магнитного структурного анализа ИФИ.  К исследованию привлекались также студенты кафедры «Физические методы и приборы неразрушающего контроля» Уральского федерального университета.

Разработка уральских ученых является результатом 40-летних исследований, которые велись в Отделе неразрушающего контроля Института физики металлов имени М.Н. Михеева Уральского отделения Российской академии наук. На десятках марок сталей и сплавов специалистами были исследованы зависимости электромагнитных свойств материалов от различных режимов термической обработки (закалка, отпуск, отжиг), от величины холодной пластической деформации, от глубины и твердости поверхностно-упрочненных слоев на стальных изделиях. Проведенная работа показала необходимость многопараметровой электромагнитной диагностики материалов.

Портативная аппаратно-программная система DIUS-1.15, предложенная коллективом ИФМ УрО РАН, состоит из измерительного блока, приставного преобразователя, с помощью которого выполняются намагничивание контролируемых объектов и измерение их свойств, а также планшетного компьютера, программа которого управляет всем циклом измерения (см. рис. 2).

По замечанию Владимира Костина, «при наличии корреляционной связи между контролируемыми параметрами и измеряемыми устройством магнитными свойствами устройство позволяет контролировать качество объемной и поверхностной термических обработок, оценивать уровень пластической и упругой деформаций, определять прочностные свойства изделий и объектов из ферромагнитных материалов, определять количество остаточного аустенита в закаленных сталях и решать другие задачи магнитной структуроскопии.  Устройство АПС DIUS-1.15M имеет автономное питание и может быть использовано при диагностике объектов в полевых условиях. Программное обеспечение устройства имеет алгоритмы компенсации мешающих при магнитных измерениях факторов».

Какие конкретно задачи магнитной структуроскопии ферромагнитных изделий ваша система позволит решать и для каких научных целей?

«Применение в составе устройства многоканального АЦП-ЦАП преобразователя и полноценного компьютера позволяет реализовать самые разнообразные цифровые методы генерации и анализа сигналов, оперативно менять схемы измерений и алгоритмы обработки результатов, обрабатывать и хранить большие массивы разнородной информации. Таким образом, наше устройство отвечает всем указанным выше требованиям к перспективным многоцелевым аппаратно-программным системам. Одно устройство АПС DIUS-1.15M способно в заводских лабораториях заменить целый ряд таких приборов, как коэрцитиметр, измеритель магнитной проницаемости, дифференциальный магнитный структуроскоп, магнитный толщиномер», – сообщил Владимир Костин.

Основным мешающим фактором при измерениях, как подчеркивает ученый, «является неконтролируемый зазор между поверхностью объекта и полюсами преобразователя, который может появиться вследствие искривления поверхности объекта или перекоса преобразователя при установке его на объект. Для устранения влияния этого фактора проводится измерение трех дополнительных параметров, учет которых позволяет компенсировать влияние зазора» (см. рис. 3).

В составе системы работает специализированная управляющая программа, которая, по словам уральского исследователя, «вырабатывает сигналы, которые через канал цифро-аналогового преобразования превращаются в электрический ток, который передается в намагничивающее устройство и по заданной программе перемагничивает объект контроля. С измерительных преобразователей, представляющих собой магнитные датчики Холла, сигналы о магнитных свойствах объекта поступают на многоканальный аналого-цифровой преобразователь, преобразуются в цифровой код и обрабатываются, давая информацию о магнитных свойствах объекта в цифровом и графическом виде (см. рис. 3 и рис. 4).

«Для градуировки нашей системы по каналу магнитной индукции мы разработали и изготовили набор стандартных образцов с различной величиной остаточной магнитной индукции ОМИ, а для градуировки канала поля мы используем набор стандартных образцов коэрцитивной силы СОКС. Оба набора аттестованы с помощью измерительного комплекса REMAGRAPH C – 500 производства фирмы Magnet-Physik Dr. Steingroever GmbH, Германия», – прокомментировал ученый.

Владимир Костин обращает особое внимание: «АПС DIUS-1.21M не имеет аналогов в мире. Все права на интеллектуальную собственность принадлежат Институту физики металлов имени М.Н. Михеева Уральского отделения Российской академии наук. Разработка защищена патентом РФ RU 2483301, свидетельством о регистрации программы для ЭВМ 2020614584 «Гистерезис 1.15М» и рядом технологических секретов».

Как вы оцениваете возможности портативной аппаратно-программной системы DIUS-1.15M? Есть ли заинтересованные лица/сторонники вашей разработки для внедрения на заводах или промышленных предприятиях?

«Для АПС DIUS уже разработаны две управляющих программы и два набора измерительных преобразователей. Наше устройство может быть использовано как магнитный структуроскоп, измеряющий все магнитные свойства изделий из ферромагнитных материалов, а также как магнитометр, то есть как прибор для измерения магнитных полей в пространстве (см. рис. 5). В настоящее время мы разрабатываем специальные датчики и программу для решения с помощью нашей аппаратно-программной системы широкого круга задач вихретокового контроля, в первую очередь для обнаружения трещин в металлических объектах, изготовленных как из магнитных, так и немагнитных сплавов.

Потенциальными пользователями нашего устройства являются предприятия машиностроения и металлообработки, черной металлургии, трубного производства, трубопроводного транспорта, автомобилестроения и других отраслей. К настоящему времени АПС DIUS-1.15M внедрена на двух крупнейших предприятиях Урала - АО «Научно-производственная корпорация «УРАЛВАГОНЗАВОД» и ОАО ЕВРАЗ Нижнетагильский металлургический комбинат. Кроме того, для научных исследований наше устройство приобретено и используется в Тюменском индустриальном университете», – отмечает востребованность и эффективность работы авторской разработки сотрудников ИФМ УрО РАН Владимир Костин.

Итак, предложенная уральскими учеными портативная система диагностики – это альтернативный действенный вариант, позволяющий проводить измерения и осуществлять контроль физико-механических свойств изделий из ферромагнитных сталей.

Фото и изображения предоставлены В. Костиным

Фарберович Олеся