Detekcija napak v feromagnetnih materialih z metodo vrtincnih tokov Matic Marki, Henrik Lavrič, Klemen Drobnič, Danilo Makuc, Rastko Fišer Univerza v Ljubljani, Fakulteta za elektrotehniko, Tržaška cesta 25, 1000 Ljubljana, Slovenija E-pošta: markl.matic@gmail.com Fault detection in ferromagnetic materials by eddy current method The paper presents development of a probe for eddy current testing of ferromagnetic materials. Multiple types of probes were tested with FEM analysis. All relevant parameters of the probe (geometrical and electrical) were evaluated and discussed. The same procedure was used also for evaluating probability of detecting the irregularity in material. In addition to simulations real probe was constructed, as well as auxiliary electric circuits and an user interface for controlling the examination procedure. Comparison between simulation and measurement results show good agreement and some further improvements of measuring systems were proposed. 1 Uvod Metoda preiskovanja materialov z vrtincnimi toki je ena izmed mnogih metod, ki spadajo med neporusne preiskave NDT (Non-Destructive Testing). Neporusne se imenujejo zato, ker se vzorcu med preiskavo ne spremenijo lastnosti, kar pomeni, da je vzorec enako uporaben kot pred preiskavo. Materiale je mozno preiskovati z magnetnimi delci, ultrazvokom, radiografijo, penetranti idr. Preiskave se opravljajo tako med samo proizvodnjo, kot tudi kasneje med obratovanjem. Vzorce, ki ne dosegajo zahtev po različnih standardih, se zavrze ze med proizvodnjo, s cimer se doseze visja stopnja zanesljivosti koncnega izdelka. Med obratovanjem je s pomocjo on-line preiskave vzorca mozno spremljati njegovo obrabo, nastanek razlicsnih razpok itd. ter tako povecsati zanesljivost obratovanja in obenem napovedati morebitni remont. Ce online spremljanje ni mozno, se vzorec podvrze preiskavi na periodicsnih pregledih. V strokovni literaturi se pogosto pojavi tudi kratica NDE (Non-Destructive Evaluation), ki je v bistvu nadpomenka za NDT. NDE zahteva pridobitev dodatnega geometrijskega parametra napake iz podatkov, pridobljenih v preiskavi, medtem ko NDT zahteva le potrditev, da gre za nepravilnost v vzorcu [1]. 2 Princip delovanja preiskave Za preiskavo z vrtincnimi toki je potrebno ustvariti ca-sovno spreminjajoce magnetno polje, ki v prevodnem materialu inducira vrtincne toke. Ti toki povzrocijo magnetno polje, ki po smeri nasprotuje vzbujalnemu. Na mestu, kjer je v materialu napaka, se inducira manj vrtincnih tokov in posledično je tudi manjše nasprotujoče magnetno polje. Z merjenjem inducirane napetosti v navitju sonde je možno odkriti rahlo deviacijo v skupnem magnetnem polju, ko je sonda nad napako [2]. Izmenicno magnetno polje se vzbuja s konstantnim sinusnim tokom nizke frekvence skozi vzbujalno navitje. Vdorna globina S, ki jo izracunamo z S = ^/(nf^a)-1, je poleg frekvence f odvisna tudi od permeabilnosti p in prevodnosti a materiala. Pri preiskavi feromagnetnih materialov je zaradi visoke relativne permeabilnosti zelo pomembno, da se uporablja nizka frekvenca, reda velikosti nekaj Hz. Ker se preiskuje feromagnetni material, je potrebno paziti tudi na amplitudo vzbujalnega toka, da magnetenje ne doseze nasicenjana BH-karakteristiki materiala. Po drugi strani pa mora biti ta tok dovolj velik, da v vzorcu inducira ustrezno kolicšino vrtincšnih tokov. V clanku je predstavljena metoda, po kateri se vzorec preiskuje po korakih, kar pomeni, da se meritev izvaja medtem ko sonda miruje. V vsaki tocki sta zabelezena dva parametra detekcijske napetosti (amplituda in fazni kot glede na vsiljeni tok). Odkrivanje napake temelji na odklonu parametrov od povprecšne vrednosti, ki nastopi, ko je sonda nad napako. S tako metodo ni potrebno dolo-cšiti absolutne vrednosti parametrov napetosti ob napaki, ampak le mejno vrednost odklona parametrov od pov-precšne vrednosti. S tem se iznicši vpliv spremembe per-meabilnosti materiala. Poleg belezenja parametrov detekcijske napetosti se sproti izracšunavata tudi gradienta spreminjanja amplitude in faznega kota detekcijske napetosti. Majhen gradient predstavlja pocšasno spremembo teh dveh velicšin skozi meritve. To je znacilno za nehomogene materiale, kjer prevodnost in permeabilnost materiala nista enaki po vsem volumnu. Višji gradient pa predstavlja hitro spremembo razmer v materialu. Sem sodita priblizevanje sonde robu materiala ali pa priblizevanje napaki v materialu. Zaradi tega sta poleg samih potekov vrednosti parametrov detek-cijske napetosti med preiskavami vedno prikazana tudi njuna gradienta. 3 Konstrukcija in evalvacija sonde v simu-lacijskem modelu Za preiskovanje materialov z vrtincšnimi toki se uporablja vec razlicnih sond. Deliti jih je mozno po izvedbi ERK'2018, Portorož, 269-272 269 (površinske, za izvrtine, za pregledovanje notranjih sten cevi, za pregledovanje palic) in po nacinu delovanja (absolutne, diferencialne, refleksijske in hibridne) [3]. Zato je prvi korak konstrukcije sonde izbira pravilnega načina delovanja sonde. V ta namen je bil razvit 2D simulacijski model v programskem paketu Ansys Simplorer, ki temelji na metodi koncnih elementov. Opravljenih je bilo vec izracunov z razlicnimi sondami, ki so oznacene na sliki 1. Tabela 1: Primerjava SNR gradienta osnovnega signala. (e) (f) Abs. Dif. Refvl. Ref v2. Ref v3. Hib. SNRamp 83 36 196 56 159 87 SNRo 10 38 21 1 22 110 metrov, oznacenih na sliki 2, so bili preverjeni še vplivi amplitude in frekvence vzbujalnega toka, števila ovojev posameznih navitij, permeabilnosti vzorca in jedra sonde ter oblike jedra sonde. d Slika 1: Sonde za izvajanje preiskav: (a) absolutna, (b) hibridna, (c) diferencialna, (d) refleksijska v2, (e) refleksijska v1, (f) refleksijska v3. Vse razlicice sonde so bile napajane s konstantnim sinusnim tokovnim virom in na vseh je bila izmerjena inducirana napetost na navitju sonde. Da se lahko izvrši primerjava med razlicnimi tipi sond, je vse potrebno oceniti po enakem kriteriju. Izbran je bil kriterij SNR (Signal-to-noise ratio) [4]. Algoritem poišce najvecji odklon od povprecne vrednosti parametra detekcijske napetosti med meritvami, ki so zajete v okolici napake, in ga primerja z najvišjim odklonom od povprecne vrednosti med meritvami, ki so bile zajete dalec stran od napake. Razmerje SNR je bilo izracunano posebej za vsak parameter napetosti. Kot optimalna izbira glede na pridobljene rezultate (visok SNR) v tabeli 1 in enostavnost izdelave se je izkazala refleksijska sonda vi (slika 1(e)). Znacilnost refleksijske sonde je, da ima loceno vzbujalno in detekcijsko navitje. To pomeni, da je mozno vsako navitje posebej optimirati. Za vzbujalno navitje se lahko uporabi nekoliko debelejša zica, ki prevaja višji tok, detekcijsko navitje pa je navito z zelo tanko zico. S tem lahko na enaki površini naredimo vec ovojev, kar zviša inducirano napetost v detekcijskem navitju. Čeprav je hibridna sonda v simulacijah pokazala veliko višje vrednosti SNR, je bila izbrana refleksijska sonda v1, ker le-ta povzroci veliko ozji odklon (indikacijo) ob napaki. Prednost ozje indikacije je predvsem v primerih, ko je vec manjših napak na majhni medsebojni razdalji. Ko je bila izbrana osnovna postavitev navitij v sondi, je bilo potrebno preveriti še vplive vseh parametrov sonde na uspešnost detekcije napake. Poleg geometrijskih para- Slika 2: Geometrijski parametri sonde in merjenca. Za izracšun vplivov vsakega posameznega parametra sonde je bilo izvedenih mnogo simulacij. V vsaki izmed njih se je naenkrat spremenil le en parameter, preostali pa so imeli nespremenjene privzete vrednosti. Ker je bilo v tem koraku potrebno le preveriti trend SNR, ki ga povzroci posamezen parameter, je bila vecina simulacij izvedenih v 2D modelu (npr. ce se globina napake prepolovi, se SNRamp ne spremeni, SNRo pa pade za priblizno 30%). Vplivi vsakega posameznega parametra so predstavljeni v [4]. Absolutne vrednosti napetosti v 2D simulacijah niso enake tistim na realnem modelu, zato jih je potrebno pomnoziti s prilagoditvenim faktorjem. Najvecja prednost 2D simulacij je, da so zelo hitre pri izracunih, kar omogoci vecje število preverjenih parametrov v enakem cšasovnem obdobju. Za vse parametre ni bilo mozno preveriti trendov v 2D kartezicnem koordinatnem sistemu, zato je bilo nekaj izracšunov izvedenih tudi v valjnem koordinatnem sistemu. V zakljucni fazi simulacijskega procesa je bil narejen tudi 3D model, ki omogoca pregled trendov, ki jih ni mozno preveriti v 2D simulacijah, primerjavo simulacijskih izracunov z meritvami in nenazadnje sledljivost rezultatov od meritev vse do 2D modela. Slika 3 predstavlja koncni simulacijski model. Koncna oblika sonde, ki je bila predlagana v simulacijah, je bila tudi fizicno izdelana in je prikazana na sliki 4. Slika 3: Simulacijski model sonde za preiskovanje feromagne-tnega diska. 270 'Smer premikanja vsonde Slika 4: Izdelana sonda za preiskovanje feromagnetnega diska. 4 Meritve na realnem vzorcu 4.1 Merilni sistem Za praktično opravljanje meritev je bilo potrebno konstruirati poleg same sonde tudi vsa pomožna električna vezja, ki so skrbela za napajanje in merjenje električnih veličin na sondi. Izdelan je bil konstantni sinusni tokovni vir v vezju izboljšane Howlandove vezave, ojačevalnik detekčijske napetosti skupaj z nizkoprepustnim filtrom ter merilnik toka. Pri konstrukčiji napajalnika je zelo pomembno, da ta v vzbujalno navitje pošilja tok s čim manj višjimi harmoniki. Ti povzročajo tezave pri izračunu faznega kota sinusnega signala, ki je pomemben za detek-čijo napake v vzorču. Tudi vezji za zajemanje električnega toka in napetosti morata signal dobro filtrirati, da je izračun faznega kota čim bolj natančen. Sprememba faznega kota ob napaki v vzorču se meri v desetinkah kotnih stopinj, sprememba amplitude detekčijske napetosti pa v mi-livoltih. Krmiljenje tokovnega vira in zajem električnih veličin je naloga algoritma v programskem paketu LabVIEW. Računalniški program zajema časovne poteke vzbujalne-ga toka in detekčijske napetosti ter iz njiju izračunava amplitudi ter fazni kot med njima. Za izračun amplitu-dne vrednosti program izračuna efektivno vrednost, katero pomnozi s \/2, za izračun faznega kota pa uporablja Fourierovo vrsto. Poleg osnovnih parametrov algoritem izračunava še njuna gradienta. Izdelan je bil tudi čeloten uporabniški vmesnik, preko katerega se lahko spreminja parametre vzbujalnega toka. Program v realnem času prikazuje rezultate meritev, iz katerih je mozno razbrati, ali se pod sondo nahaja napaka. Komunikačija s pomoznimi vezji poteka skozi razvojno ploščo myRIO. Na razvojni plošči so uporabljeni en digitalno-analogni pretvornik kot izhod ter dva analogno-digitalna pretvornika kot vhoda. Pretvorniki delujejo na območju ±10 V z 12-bitno ločljivostjo [5]. To pomeni, da je napetost na vhodu mozno odčitati/nastaviti z ločljivostjo 4,9 mV. Zaradi tega so bili v pomoznih vezjih uporabljeni ojačevalniki z visokim faktorjem ojačanja, da je bilo mozno izmeriti tako majhne razlike v parametrih detekčijske napetosti. Na sliki 5 je prikazana čelotna shema povezave merilnih instrumentov. 4.2 Testni vzorec Pri meritvah je bil kot vzoreč uporabljen zavorni disk iz sive litine, na katerem so bile namerno povzročšene tri napake. Disk je bil zarezan z zago na površini do globine 2 in 4 mm ter z zadnje strani do 2 mm pod površino. Tako Slika 5: Shema postavitve merilnih instrumentov. sta bili umetno narejeni dve povrsšinski in ena napaka pod površino. Sonda se je po površini vzorča pomikala tako, daje bila razdalja med merilnima mestoma 2 mm. Smeri premikanja sonde sta označeni ze na slikah 3 in 4. Kot je razvidno s teh dveh slik, napako naprej prečška steber sonde, ki ne nosi navitja in nato še steber, ki nosi navitje. Slika 6: Zavorni disk z napakami kot vzoreč za preskušanje: (a) površinska 2 mm, (b) površinska 4 mm, (č) 2 mm pod površino. 5 Primerjava meritev in simulacijskih izračunov 5.1 Rezultati meritev Na sliki 7 sta prikazana poteka parametrov ob pregledu vzorča s sondo. V prvi vrstiči grafa prikazujeta izračunana parametra detekčijske napetosti, druga vrstiča pa pripadajoče gradiente. V levem stolpču sta prikazana poteka amplitude detekčijske napetosti, desna pa potek faznega kota. Odklon od povprečne vrednosti (indikačijo) se lahko opazi kot znizanje amplitude in povišanje faznega kota detekčijske napetosti. Levo indikačijo na vseh štirih grafih povzroči prehod stebra sonde brez navitja čez napako. Desno, večjo indikačijo, pa povzroči prehod stebra sonde, ki nosi detekčijsko navitje. Oba odklona sta na grafih za 12 mm oddaljena od središča, saj je koordinatno izhodišče točno na sredini napake. Indikačiji se pojavita izmaknjeni za točno toliko, kolikor znaša vsota poloviče razdalje med stebroma in radija stebra. Enaki meritvi sta bili opravljeni tudi na ostalih dveh poškodbah na disku. Absolutne vrednosti maksimalnega odklona posameznega parametra od povprečšne vrednosti so podane v tabeli 2. Opazno je, da je sprememba amplitude pri obeh napakah na površini enaka, ne glede na globino napake. Razlika je le v odklonu faznega kota. Iz 271 4 3 2 -10 0 10 20 30 Pozicija (mm) -10 0 10 20 30 Pozicija (mm) -10 0 10 20 30 Pozicija (mm) -10 0 10 20 30 Pozicija (mm) -30 -20 -10 0 10 20 30 Pozicija (mm) -30 -20 -10 0 10 20 30 Pozicija (mm) 4 3 2 š 0.01 \ y l/ -30 -20 -10 0 10 Pozicija (mm) -10 0 10 20 30 Pozicija (mm) Slika 7: Spreminjanje parametrov napetosti ob napaki na Slika 8: Spreminjanje parametrov napetosti ob napaki na površini globine 2 mm - meritev površini globine 2 mm - simulacija u u u u amp amp tega lahko zaključimo, daje globino napake možno oceniti na podlagi spremembe v faznem kotu. Pri dvakratni globini napake je odklon faznega kota približno dvakrat večji. Pri meritvi spremembe amplitude nad napako, kije pod površino, pa se odklon v amplitudi prepolovi. V tem primeru se je bolje zanesti na spremembo v faznem kotu, saj je ta večja. Ta je skoraj enaka tisti pri 4 mm globoki napaki na povrsšini. Tabela 2: Sprememba amplitude in faznega kota ob napaki -meritev AUamp [mV] AU g [°] napaka na površini (2 mm) -1.5 +0.12 napaka na površini (4 mm) -1.5 +0.20 napaka 2 mm pod povrsšino -0.8 +0.17 5.2 Simulacijski izračuni Z namenom primerjave simulacijskih rezultatov s tistimi, pridobljenimi na praktičnem modelu, je bil narejen simulacijski model, ki kar najbolj posnema realne razmere. Model je izveden v 3D prostoru. Na tem modelu so bile preskušane enake napake kot pri meritvah. Da sta poteka parametrov podobna, kaze slika 8. Glede na meritve je opazno, da je povprecšna vrednost amplitude nekoliko višja. Do razlike pride zaradi nepoznavanja natancne vrednosti permeabilnosti materiala. Visšja permeabilnost v simulacijskem modelu rezultira v navzgor premaknjeni karakteristiki. Tudi med potekoma faznega kota obstaja razlika med povprecnima vrednostima parametra. Ta razlika nastane zaradi filtra, ki je na vhodu merilnika detek-cijske napetosti. Absolutne vrednosti odklonov od povprecne vrednosti za oba parametra detekcijske napetosti so bile v simulacijah nekoliko manjše za vse tri napake. To je posledica zaganja materiala in tako lokalno spremenjene (znizane) permeabilnosti v okolici napake na zavornem disku. Ob pregledu razmerij med rezultati, pridobljenimi z meritvami in izracšuni, pa lahko zakljucšimo, da se rezultati skladajo. Tako je tudi v simulacijskem modelu ob dvakrat globlji povrsšinski napaki odklon faznega kota priblizšno dvakrat vecji. 6 Zaključek Metoda z vrtinčnimi toki ne more povsem nadomestiti drugih metod neporušnega testiranja, lahko pa jih odlično dopolnjuje. Ena izmed največjih prednosti te metode je predvsem velika moZnost avtomatizacije. Metoda predvideva zaznavo indikacije napake z električnim signalom. Zaradi tega je mozno izvajanje preiskav prepustiti mikro-krmilniku. Izbira parametra napetosti, po katerem je zaznava napak zanesljivejša, je odvisna od vrste napak, ki jih poskušamo odkriti. Pri površinskih napakah seje smiselno v večji meri zanesti prav na parameter amplitude, pri napakah pod površino pa na parameter faznega kota. V splosšnem je seveda potrebno opazovati in ustrezno reagirati na oba parametra. Dosedanje delo dokazuje, daje detekčija napak z vrtinčnimi toki mozna. Sistem zaenkrat deluje v laboratorijskih razmerah, kjer je relativno malo motenj. Za praktično uporabo sistema je sondo in vezja najprej potrebno nadgraditi glede robustnosti. K aplikačiji te metode bi zelo pripomogla tudi avtomatizačija premikanja sonde po površini vzorča in programsko prepoznavanje napak na vzorču. Sem sodi razširitev algoritma, ki bi izračunaval geometrijske razseznosti napak. Literatura [1] J. Prasad and C. Gouri Krishnadas Nair: Non-Destručtive Test And Evaluation Of Materials, Tata MčGraw-Hill, 2009. [2] J. Garčia-Martin, J. Gomez-Gil in E. Vazquez-Sančhez: Non-destručtive tečhniques based on eddy čurrent testing, Sensors, vol. 11, no. 3, 2011, pp. 2525-2565. [3] Iowa State University, Center for NDE: ECT NDT Course Material, Dosegljivo: https://www.nde-ed.org/EdučationResourčes/CommunityCollege/EddyCurr-ents/čč_eč_index.htm, Dostopano: 9.10.2017. [4] M. Markl: Detekčija napak v feromagnetnih materialih z metodo vrtinčnih tokov, Magistrsko delo, Fakulteta za elektrotehniko, Univerza v Ljubljani, 2018. [5] National Instruments: User guide and spečifičations, NI myRI0-1900, Datasheet, 2016. 272