Magnetyczne Techniki Diagnostyczne Zakład Opracowań i Produkcji Aparatury Pomiarowej "Mag-Lab" s.c. INSTRUKCJA OBSŁUGI Miernik pola rozproszonego MPR-H2c 80-335 Gdańsk, ul. Sztormowa 1A/6, tel./fax (58) 57 82 44 1. Przedstawienie ogólne przyrządu Miernik MPR-H2c jest przyrządem służącym do pomiaru natężenia magnetycznego pola rozproszonego konstrukcji wykonanych ze stali ferrytycznych. Przyrząd przeznaczony jest głównie do detekcji i oceny wielkości wad powierzchniowych i podpowierzchniowych. Za pomocą tego przyrządu można zmierzyć jednocześnie dwie wielkości: B - natężenie indukcji magnetycznej oraz B - różnicę natężenia indukcji magnetycznej w dwóch blisko siebie położonych punktach. Przyrząd zawiera układy służące do pomiaru sygnału B i sygnału B oraz do wizualnej i dźwiękowej ich sygnalizacji. Zastosowano dwa wskaźniki poziomu tych sygnałów: cyfrowy dla sygnałów B i B oraz świetlny (linijka świetlna LS) dla sygnału B. Poziom sygnału B jest także sygnalizowany za pomocą sygnału dźwiękowego przy czym jest to albo dźwięk o częstotliwości modulowanej sygnałem B (stan 1) albo dźwięk o stałej częstotliwości występujący dopiero po przekroczeniu określonego poziomu przez sygnał B (stan 2). 2. Dane techniczne przyrządu Pomiar natężenia indukcji B Zakres 1. : 1 T - 2 mT Zakres 2.: 10 T - 20 mT Pomiar różnicy natężenia indukcji B Zakres 1. 0.4 mT Zakres 2. : 0.2 mT Zakres regulacji linijki świetlnej LS Liczba pól świetlnych: 24 (w tym 8 pól w kolorze czerwonym ) Dynamika wskazań : płynna regulacja zakresu od 0.4 V do 2.6 V. Zmiana sygnału dźwiękowego Wybierane są dwa stany sygnalizacji poziomu sygnału B: Stan 1.: płynna zmiana częstotliwości dźwięku względem częstotliwości bazowej fo = 2 kHz w zależności wartości parametru DB w zakresie od 0.5 kHz do 4 kHz. Stan 2.: Sygnał dźwiękowy o stałej częstotliwości (f 1 kHz) występuje po przekroczeniu przez różnicę DB progu poziomu równemu 80% zakresu wskazań linijki świetlnej Zakres temperatury otoczenia 2 Dla układu pomiarowego : od +5o C do +40o C Dla sondy (bez ekranu): od -20oC do + 40o C. Wpływ zmian temperatury na wskazania przyrządu: pomiar parametru B : 2 % pełnego zakresu na 1o C, pomiar parametru DB : 0.5 % pełnego zakresu na 1o C. Napięcie zasilające Zasilanie z sieci o napięciu 220 V lub zasilanie z akumulatora niklowokadmowego. Pojemność akumulatora: 850 mAh, napięcie znamionowe 14.4 V. Ładowanie za pomocą wbudowanego prostownika zasilanego przez zewnętrzny transformator . Pobór mocy maksymalnie 1.5 W. Czas pracy Czas pracy przy zasilaniu bateryjnym - około 5 h Wymiary Miernik: wysokość - 70 mm, szerokość - 145 mm, głębokość - 190 mm. waga: 1100 G. Głowica : wymiary sondy: podstawa 11 mm na 11.5 mm i o długość 62 mm, długość kabla - 180 cm; 3. Zasada pracy przyrządu Przyrząd MPR-H2c został skonstruowany w celu optymalizacji procesu lokalizacji wady struktury materiału poprzez pomiar natężenia indukcji pola rozproszonego z wykorzystaniem podwójnego czujnika pola magnetycznego.. Przyrząd zaopatrzony jest w głowicę oraz w miernik. Głowica zawiera dwa niezależne czujniki natężenia pola magnetycznego. Dzięki temu możliwy jest pomiar natężenia indukcji magnetycznej w dwóch sąsiednich punktach. Miernik składa się z szeregu podzespołów służących do pomiaru oraz wizualizacji i sygnalizacji dźwiękowej wyników pomiaru. Schemat blokowy przyrządu przedstawia rys. 1. 3 b MPRH2c a W1 G2 a W2 T BZ b B SB b W4 s1 UZ1 LCD a s2 P1 a G1 b LS W3 a W5 b R1 B GZ GD G3 UZ2 P2 GW 1 GW 2 Rys. 1. Schemat blokowy MPR-H2c. SB - sonda, B - układ pomiaru indukcji, UZ1 - układ zerowania układu B, B - układ pomiaru sygnału B, UZ2 - układ - układ zerowania układu B, BZ - blok zasilania, LCD - woltomierz i wyświetlacz cyfrowy, LS - woltomierz z linijką świetlną, GD - generator dźwięku, GW1, GW2 - przetworniki dźwięku, T - zasilacz zewnętrzny, GZ - słuchawka. Elementy podstawowe przyrządu to: - SB - sonda, - B i B - podzespoły wzmacniaczy wraz z układami zerowania UZ1 i UZ2, - LCD - woltomierz cyfrowy z wyświetlaczem ciekłokrystalicznym, - LS - woltomierz cyfrowy z wyświetlaczem z diod luminescencyjnych (linijka świetlna), - GD - generator sygnałów dźwiękowych wraz z przetwornikami dźwiękowymi GW1 i GW2 - BZ - blok zasilania. W skład przyrządu wchodzą także zasilacz zewnętrzny T oraz słuchawka GZ. Sygnały napięciowe z sondy są analizowane za pomocą dwóch podzespołów analogowych. Podzespół B dostarcza napięcia proporcjonalnego do natężenia indukcji magnetycznej natomiast podzespół B dostarcza napięcia proporcjonalnego do różnicy dwóch natężeń indukcji magnetycznej. Układy zerowania UZ1 oraz UZ2 służą do automatycznego zerowania napięciowego sygnału wyjściowego podzespołów B i B. Zerowanie następuje 4 po naciśnięciu odpowiednio przełączników P1 i P2. Przełączniki W2 i W3 są wykorzystywane do zmiany wzmocnienia napięciowego tych podzespołów. Podzespół woltomierza z wyświetlaczem ciekłokrystalicznym (LCD) jest przełączany za pomocą przełącznika W4 na wyjścia podzespołów B (położenie 'b') i B (położenie 'a'). Podzespół woltomierza i linijki świetlnej LS jest połączony na stałe do wyjścia podzespołu B. Zakres czułości podzespołu LS (położenia świecącej diody w zależności od napięcia wejściowego) można regulować za pomocą potencjometru R1. Skrajne cztery diody elektroluminescencyjne z linijki świetlnej emitują kolor czerwony. Zmiany poziomu sygnału B są także sygnalizowane na dwa sposoby za pomocą dźwięku. Generator dźwięku GD, sterowany napięciem sygnału z B, dostarcza albo sygnału dźwiękowego o częstotliwości modulowanej tym napięciem, albo sygnału dźwiękowego ciągłego, które jest generowane po przekroczeniu przez sygnał B wybranego progu napięcia. Sposób sygnalizacji wybierany jest za pomocą przełącznika W5. W położeniu 'a' generowany jest dźwięk o modulowanej częstotliwości natomiast w położeniu 'b' dźwięk (o stałej częstotliwości) generowany jest tylko wtedy, gdy sygnał B przekroczy pewien poziom (ustalony na około 80% pełnego zakresu wskazań podzespołu LS). Blok zasilania BZ dostarcza odpowiednich napięć a także służy do ładowania akumulatorów. Blok ten jest załączany za pomocą przełącznika W1. 5 4. Obsługa przyrządu. 4.1. Rozmieszczenie elementów regulacyjnych Schemat rozmieszczenia tych elementów na płycie czołowej pokazuje rys. 2. B LS R1 B, B P2 P1 0 B 0B £ I I B I a ON b OFF LCD 1999 II II B B W5 W4 W3 W2 W1 B II LCD SM MPR-H2 c Mag-Lab s.c. Rys. 2. Płyta czołowa MPR-H2c. - linijka świetlna, LCD - wyświetlacz, R1 regulacja czułości LS, P1 - zerowanie B, P2 - zerowanie B, W1 - wyłącznik zasilania, W2 - zmiana wzmocnienia B, W3 - zmiana wzmocnienia B, W4 - przełączenie LCD, W5 - zmiana sygnalizacji dźwiękowej. Na tym rysunku zaznaczono występujące na płycie napisy oraz czcionką pochyloną zaznaczono nazwy tych elementów, jaki zostały użyte na schemacie blokowym (rys. 1). Wyszczególnione na rys. 2 elementy to: LS - linijka świetlna (opisana na płycie symbolem B), LCD - wyświetlacz ciekłokrystaliczny woltomierza LCD (opisany na płycie symbolem B, B); P1 i P2 - przyciski układów zerowania UZ1 (P1 oznaczony na płycie jako 0B) i UZ2 (P2 oznaczony jako 0 B); R1 - potencjometr regulacji czułości linijki świetlnej LS (oznaczony na płycie jako B) ; W1 - przełącznik zasilania (oznaczony jako ON/OFF ) w położeniu 'a' miernik jest załączony, w położeniu 'b' - wyłączony; W2 - przełącznik zakresu (czułości) podzespołu pomiaru natężenia indukcji magnetycznej B (oznaczony jako B), w położeniu 'a' (oznaczony jako I) zakres o mniejszej czułości, w położeniu 'b' (oznaczony jako II) zakres wskazań o większej czułości; 6 W3 - przełącznik zakresu (czułości) podzespołu pomiaru sygnału B (oznaczony jako B), w położeniu 'a' (oznaczony jako I) - zakres wskazań o mniejszej czułości a w położeniu 'b' (oznaczony jako II) zakres o większej czułości); W4 - przełącznik wskazań wyświetlacza LCD (oznaczony na płycie jako LCD), w położeniu 'a' - (oznaczonym jako B) - wskazywane są wartości sygnału B a w położeniu 'b' - wartości sygnału B (położenie oznaczone na płycie jako B); W5 - przełącznik zmiany sposobu sygnalizacji dźwiękowej natężenia sygnału B, w położeniu 'a' - (oznaczony jako I) - generowany jest dźwięk modulowany a w położeniu 'b' (oznaczony jako II)n - dźwięk ciągły. Na rys. 3 pokazano rozmieszczenie gniazd na tylnej stronie miernika. Są to: G1 - gniazdo sondy SB, G2 - gniazdo zasilania dla zasilacza T, G3 - gniazdo słuchawek. G3 G2 G1 Rys. 3. Rozmieszczenie gniazd na płycie tylnej MPR-H2c: G1 - gniazdo sondy, G2 -gniazdo zasilania , G3 - gniazdo słuchawek 4.2. Metodyka pracy 7 4.2.1. Przygotowanie przyrządu do pracy i kontrola jego wskazań. Miernik jest gotowy do pracy po jego włączeniu przełącznikiem W1 (w położenie górne 'a', rys. 1). Stabilne wskazania miernika uzyskuje się po czasie około kilkunastu sekund, w którym ustala się temperatura czujników natężenia pola magnetycznego. W przypadku stwierdzenia zaniku wskazań wyświetlacza LCD należy naładować akumulator za pomocą zasilacza T. Zerowanie wskazań miernika Po włączeniu zasilania należy wstępnie wyzerować wskazania miernika. Zerowanie układów pomiaru indukcji B oraz sygnału B wykonuje się automatycznie po wciśnięciu przycisków P1 i P2. Taki sposób zerowania pozwala na pomiary sygnału B i B względem danego poziomu indukcji B i poziomu lokalnych przyrostów B. Układ zerowania po wciśnięciu przycisku zapamiętuje aktualną wartość napięcia wyjściowego. Wartość ta jest następnie odejmowana od sygnału wyjściowego. Układ elektroniczny kompensuje wartość napięcia wyjściowego obu układów analogowych z dokładnością 5 ostatniej cyfry wyświetlacza LCD. Aby wyzerować wskazania miernika indukcji B dla B = 0, należy przełączyć wskaźnik LCD na pomiar B (przełącznik W4 w położenie dolne 'B'), umieścić sondę poza polem magnetycznym i nacisnąć przycisk P1 ('0B'). Takie zerowanie wskazań miernika indukcji należy wykonywać po zmianie czułości miernika. UWAGA 1 Podczas zerowania wskazań miernika indukcji B w warunkach polowych należy uwzględnić pole magnetyczne Ziemi. Jego składowa pionowa wynosi około 40 T a składowa pozioma przyjmuje wartość maksymalną około 18 T (zależnie od kierunku pomiaru względem powierzchni Ziemi i kierunku północnego bieguna). W budynkach o konstrukcji stalowej pole to może być w znacznym stopniu osłabione. Aby wyzerować wskazania miernika sygnału B należy użyć przycisku P2 ('0B'). Po takim wyzerowaniu zaświetlane są dwie środkowe diody linijki świetlnej LS. W przypadku zerowania poziomu sygnału B, czynność tę można wykonać dla dowolnej wartości indukcji magnetycznej. 4.2.2. Pomiar indukcji magnetycznej B. 8 Dla odczytu natężenia indukcji B należy przełączyć wyświetlacz LCD za pomocą przełącznika W4 (LCD) w położenie dolne ('B', rys. 3). Zakres pomiaru można zmienić za pomocą przełącznika W3. Korekcję poziomu wskazań (zerowanie) wykonuje się za pomocą przycisku P1 ('0B', rys. 3). UWAGA 2 Dla przeliczenia wskazań miernika z indukcji magnetycznej B wyrażonej w teslach [T] na często stosowane natężenie pola magnetycznego H wyrażone w amperach na metr [A/m] należy stosować podstawową zależność: H = B/ 4 10-7, z której wynika przybliżona relacja: H [A/m] 0.8 B [T]. Stosując miernik MPR-H2c można zatem przy ocenie pola w jednostkach [A/m] ograniczyć się do pomnożenia jego wskazań na zakresie I (mniej czułym) w przybliżeniu przez 10 lub stosowania bezpośrednio wskazań miernika na zakresie II (bardziej czułym). 4.2.3. Pomiar przyrostów natężeń indukcji magnetycznej B. Odczyt poziomu różnicy uzyskuje się na dwa sposoby: przybliżony za pomocą linijki świetlnej (zmienia się położenie plamki względem pozycji środkowej) oraz dokładny za pomocą wyświetlacza ciekłokrystalicznego LCD (odczyt cyfrowy). Wyświetlacz LCD załącza się na pomiar sygnału B za pomocą przełącznika W4 (w położenie górne 'a') a zakres pomiaru parametru B można zmieniać za pomocą przełącznika W3. Linijka świetlna LS wskazuje zawsze zmiany poziomu sygnału B. Dla wartości dodatnich napięcia B zapalają się fotodiody w lewej strony linijki. Czułość wskazań tej linijki można zmieniać za pomocą potencjometru R1 (B, rys. 2). Dla wybranego poziomu parametru B (zmierzonego równolegle za pomocą wyświetlacza LCD), potencjometrem R1 ustala się żądane położenie świecącej diody linijki LS. 4.2.4. Zmiana rodzaju sygnalizacji dźwiękowej Za pomocą przełącznika W5 (oznaczony jako SM na płycie czołowej) zmienia się stan pracy dźwiękowego sygnalizatora poziomu sygnału B. W położeniu górnym tego przełącznika 'I' , generator emituje dźwięk ciągły o częstotliwości zależnej od poziomu sygnału B. Po przełączeniu w położenie dolne 'II' - sygnał dźwiękowy występuje dopiero po przekroczeniu przez sygnał B poziomu 80% 9 pełnego wskazania linijki świetlnej. Sygnał dźwiękowy modulowany jest również doprowadzony do gniazda G3 na tylnej płycie miernika. 4.2.5. Metodyka ustawiania sondy. Mierzone jest natężenie pola magnetycznego w kierunku prostopadłym do osi głowicy. Położenie czujników jest symetryczne względem osi symetrii głowicy. W przypadku pomiaru parametru B wskazania dotyczą różnicy natężenia indukcji magnetycznej w punktach odległych od siebie o około 50.5 mm. Odległość ta związana jest z konstrukcją sondy. 5. Metodyka użycia miernika MPR-H2c jako defektoskopu 5.1. Pole rozproszone Pomiar pola rozproszonego przy powierzchni konstrukcji stalowej pozwala na ujawnienie wad powierzchniowych i podpowierzchniowych, gdyż wady tę są źródłem specyficznych anomalii w rozkładzie przestrzennym indukcji magnetycznej przy powierzchni metalu. Natężenie pola rozproszonego zależy istotnie i od stopnia namagnesowania materiału i od geometrii samej wady. Rysunek 4 i rysunek 5 ilustrują zmiany natężenia składowej normalnej Bn a także szybkości zmian (przyrosty B) tej składowej dla materiału zawierającego wadę powierzchniową w formie wąskiej szczeliny. Zobrazowane są dwa przypadki stanu namagnesowania: - stan magnesowania za pomocą pola zewnętrznego (np. przy użyciu magnesu stałego) oraz dla stan namagnesowania resztkowego. Na rysunkach tych wykreślono cztery funkcje dotyczące natężenia składowej normalnej Bn. Są to: 1) - rozkład pola od wady, 2) - rozkład długozasięgowy składowej, 3) - suma obu składników oraz 4) - przyrosty Bn. Funkcja rozkładu składowej Bn(x) odpowiada rozkładowi pola pochodzącego od wąskiej szczeliny powierzchniowej. 10 Rys. 4. Schemat zmian składowej normalnej Bn w okolicy wady próbki magnesowanej: 1 składowa pola od wady, 2 - składowa długozasięgowa, 3 - pole wypadkowe, 4- przyrosty B. 100 200 150 75 1 50 100 50 25 0 0 -25 -50 2 -100 -50 B [ j.w. ] Bn [ j.w. ] 4 -75 -150 3 -100 -200 -125 -250 -15 -10 -5 0 5 10 15 x [ mm ] Rys. 5. Schemat zmian składowej normalnej Bn w okolicy wady próbki w stanie namagnesowania resztkowego: 1 składowa pola od wady, 2 - składowa długozasięgowa, 3 - pole wypadkowe, 4 - przyrosty B. 11 Kierunki zmian tej składowej są przeciwstawne dla stanu "magnesowania" i dla stanu "namagnesowania resztkowego". Składowa długozasięgowa Bn(x) jest przedstawiona przez linię prostą o nachyleniu ujemnym i także o wartościach ujemnych, gdyż założono, że wada znajduje się w strefie, w której wektory indukcji skierowane są w kierunku powierzchni. Wypadkowa funkcja Bn(x) zmienia się najszybciej w okolicy wady i tę właśnie cechę zmian składowej Bn wykorzystano dla detekcji położenia wady za pomocą miernika MPR-H2c. Należy znaleźć miejsce o maksymalnej wartości różniczki z zależności Bn(x). Wyliczone rozkłady zmian wartości B (dla x stałego) pokazano na rysunkach 4 i 5 w formie wykresów (4) ze skalą po prawej stronie rysunków. Wykresy przyrostów B ujawniają ekstrema, przy czym środkowe największe ekstremum jest położone centralnie nad wadą i to niezależnie od tego, czy materiał jest magnesowany, czy też w stanie namagnesowania resztkowego. Wynika stąd wniosek, iż lokalizacja wady może być oparta na procedurze sprowadzającej się do znalezieniu położenia maksimum (lub minimum) przyrostów B składowej indukcji Bn (normalnej do powierzchni badanego elementu). Miernik MPR-H2c pozwala na pomiar natężenia składowej Bn indukcji magnetycznej B przy powierzchni metalu a w szczególności przyrostów B tej składowej. 5.2. Detekcja wady 5.2.1. Warunki magnesowania Wielkość natężenia pola rozproszonego od wady jest tym większa im większe jest namagnesowanie materiału zawierającego. W przypadku konstrukcji technicznych stan namagnesowania można w przybliżeniu ocenić mierząc poziom składowej normalnej Bn. W tym celu odczytuje się wskazania miernika MPR-H2c dla sygnału B, przykładając sondę prostopadle do badanej powierzchni. Należy w tych pomiarach uwzględnić przestrzenny rozkład poziomu tej składowej, który zależny jest od kształtu badanego obiektu. W przypadku, gdy stan namagnesowania obiektu był niewielki - to znaczy, gdy składowa Bn przyjmuje wartości na poziomie pola ziemskiego, koniecznym staje się lokalne namagnesowanie materiału. 5.2.2. Określenie położenia wady Metodyka detekcji wad za pomocą miernika MPR-H2c oparta jest bezpośrednio o przedstawioną cechę rozkładu przyrostów B składowej normalnej natężenia indukcji magnetycznej. Sprowadza się ona do poszukiwania miejsca w którym sygnał B osiąga wartość maksymalną. Oś sondy znajduje się wówczas nad osią 12 wady. W przypadku występowania silnych długozasięgowych zmian sygnału B, należy ten poziom sygnału wyzerować za pomocą przycisku 'O B' . 5.2.3. Określenie wielkości wady. Wielkość sygnału B zależy od szybkości zmian składowej normalnej Bn indukcji pola rozproszonego wokół wady a tym samym od geometrii wady i od stopnia namagnesowanie materiału w okolicy wady. Przyjmując za słuszną regułę, iż praktycznie występujące wady przypowierzchniowe typu pęknięć mają bardzo niewielką szerokość w porównaniu z ich głębokością, można założyć iż wielkość sygnału B jest w tym przypadku zależna głównie od głębokości wady dla danego stopnia namagnesowania. Należy także wziąć pod uwagę relację między głębokością wady a grubością materiału. Ze względu na złożony charakter ilościowej zależności poziomu sygnału B od geometrii wady zasadne jest zatem w badaniach ilościowych wielkości wady stosować metodę porównawczą. Metoda ta polega na ustaleniu najpierw stopnia namagnesowania materiału a następnie na wykorzystaniu odpowiednich nomogramów uzyskanych w procedurze skalowania lub na porównaniu wskazań miernika MPR-H2c dla maksimum B z poziomem tego sygnału zmierzonym dla wzorca wady. 5.2.3. Detekcja wad podpowierzchniowych Powyższe uwagi na temat metodyki detekcji wad powierzchniowych i oceny ich wielkości dotyczą również badań wad podpowierzchniowych. Pole rozproszone od wad podpowierzchniowych cechuje się istotnym osłabieniem dynamiki zmian składowej normalnej Bn indukcji magnetycznej. To powoduje, iż sygnał przyrostów B mierzony miernikiem MPR-H2c jest znacznie słabszy i bardziej rozmyty przestrzennie w porównaniu z rozkładem tego sygnału obserwowanym dla wad powierzchniowych. 13 Spis treści 1. Przedstawienie ogólne przyrządu 2. Dane techniczne przyrządu 3. Zasada pracy przyrządu 4. Obsługa przyrządu 4.1. Rozmieszczenie elementów regulacyjnych 4.2. Metodyka pracy 2 2 3 6 6 8 5. Metodyka użycia miernika MPR-H2c jako defektoskopu 5.1. Pole rozproszone 5.2. Detekcja wady 10 10 12 14