ПО МАТЕРИАЛАМ КОНФЕРЕНЦИИ

Предлагаем вниманию читателей окончание подборки статей по материалам 9-го Международного Симпозиума по измерительным технологиям и интеллектуальным приборам, проходившего летом 2009 г. в Санкт-Петербурге (начало подборки см. журнал «Измерительная техника» № 3, 2010 г.)

Использование измерений скорости ультразвука для определения напряженно-деформированного состояния металлических изделий

Л. Б. ЗУЕВ, Б. С. СЕМУХИН, А. Г. ЛУНЕВ

Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск,

Россия, e-mail: [email protected]

Исследовано изменение скорости рэлеевских волн в деформируемых материалах. Описан прибор для точного измерения скорости распространения ультразвуковых колебаний. Показана возможность применения метода измерения их скорости для контроля качества циркониевых заготовок, используемых при холодной прокатке оболочек тепловыделяющих элементов ядерных реакторов.

Ключевые слова: ультразвуковые колебания, неразрушающий контроль, напряженно-деформированное состояние, контроль качества.

The investigations of ultrasound propagation velocity variation in deformable materials were carried out in order to determine the correlation between this velocity and the mechanical characteristics of deformable material. A detailed description of instrument for ultrasound propagation velocity accurate measurement is presented. Using Zr base alloys as an example, it is shown that the method can be used for quality control of zirconium billets, from which the nuclear reactor fuel cladding is fabricated by cold rolling.

Key words: ultrasound, nondestructive control, stress-strained state, quality control.

Ранее было установлено , что скорость распространения ультразвуковой волны в деформируемом растяжением образце зависит от общей деформации, напряжения течения и структуры исследуемого материала. Аналогичные результаты были получены для малых пластических деформаций . При исследованиях привлекла внимание форма зависимости скорости ультразвуковых колебаний (УЗК) от напряжения течения (рис. 1). Зависимость состоит из трех линейных участков, каждый из которых можно описать уравнением вида

^ = ^ + %о, (1)

где v0, % - эмпирические величины, имеющие различные значения для разных стадий пластического течения. Коэффициент % может принимать любой знак, но пропорциональность зависимости ^$(о) всегда сохраняется в пределах одного участка с коэффициентом корреляции около 0,9.

Ниже показана возможность использования уравнения (1) для определения механических свойств материалов нераз-

рушающим методом. Для этого были получены зависимости ^(о) для широкого круга металлов и сплавов (таблица).

Изменение скорости рэлеевских волн регистрировалось методом автоциркуляции импульсов непосредственно в процессе растяжения плоских образцов. Полученные зависимости ^(о) имеют одинаковый вид для всех исследованных материалов. Используя безразмерные величины скорости и напряжения и аппроксимируя выделяемые стадии линейными функциями, получаем обобщенную зависимость

/ = р,- + а, о / ов, (2)

где - скорость рэлеевских волн в ненагруженном образце, м/с; р,-, а, - эмпирические величины, не зависящие от материала; / = 1, 2 - номер линейного участка на рис. 1; ов - предел прочности исследуемого материала, МПа.

Рассчитанные значения р,-, а, для участков 1 и 2 составили Р1 = 1,0 ± 2 ■ 10-4, р2 = 1,03 ± 10-3, а1 = 6,5 ■ 10-3 ± 4,7 ■ 10-4, а2 = 3,65 ■ 10-2 ± 3,2 ■ 10-3.

Рис. 1. Зависимость скорости ультразвука от действующих напряжений в образце латуни

Из (2) следует

<зв = щ о//vS -Р/). (3)

Уравнение (3) можно использовать для оценки предела прочности при малых пластических деформациях задолго до разрушения образца. Таким образом, чтобы определить ов, достаточно измерить скорость УЗК при напряжениях в образце в пределах о02 < о < 0,6ов (где о02 - предел текучести), т. е. на участке малых пластических деформаций.

По уравнению (3) предел прочности при деформации порядка 1 % (о ~ 0,1 ов) был рассчитан для большинства материалов, приведенных в таблице. Полученные ультразвуковым способом значения сравнивали со значениями ов, найденными традиционно из диаграмм растяжения до разрыва (рис. 2). Значения и ов оказались равны с коэффициентом корреляции Я = 0,96.

Это означает, что предлагаемый метод можно использовать для оценки предела прочности материалов задолго до их разрушения. Природа полученного соотношения скорости и напряжений, возможно, заключается в том, что, с одной стороны, упрочнение материала связано с полями внутренних напряжений, которые тормозят движение дислокаций . С другой стороны, с увеличением внутренних напряжений скорость УЗК уменьшается . Таким образом, обе эти величины оказываются зависимыми от одного параметра, что в результате определяет связь между скоростью УЗК и механическими характеристиками материала.

Для использования ультразвукового метода в лабораторных и полевых условиях были разработаны два прибора: ANDA (акустический прибор для неразрушающего анализа состояния материалов в лабораторных условиях) и ASTR (прибор для определения остаточных напряжений металлоконструкций в полевых условиях). Принцип измерения скорости распространения рэлеевских волн, примененный в приборах, основан на методе автоциркуляции импульсов . Погрешность измерения составляет 3 ■ 10-5, работа с прибором не требует от оператора специальных знаний.

Суть метода автоциркуляции состоит в создании замкнутого контура для прохождения импульса. Под действием короткого электрического импульса излучающий пьезопреоб-разователь формирует акустическую волну в образце. Прошедшая от передающего к приемному пьезопреобразова-телю волна преобразуется обратно в электрический сигнал и вновь поступает в излучающий преобразователь. Таким образом, при неизменном расстоянии между преобразователями частота появления импульса в определенной точке цепи будет зависеть от времени прохождения акустического сигнала в образце и задержки в схеме прибора. Поскольку задержка в схеме пренебрежимо мала по сравнению с временем распространения акустической волны в образце, частота автоциркуляции будет характеризовать скорость распространения УЗК в образце. В данном случае поверхностные волны Рэлея имеют частоту 2,5 МГц.

Химический состав исследованных сплавов

Номер Материал Символ C N Si Mg Mn Li Cr Cu Ni Zn Pb Zr Ti Sn Nb

1 Сталь 0,12 - 0,8 - 2,0 - 17,0-19,0 0,3 9,0-11,0 - - - 0,5-0,8 - -

2 То же ■ < 0,12 0,008 0,5-0,8 - 1,3-1,7 - < 0,3 < 0,3 < 0,3 - - - - - -

3 » ▲ < 0,12 0,008 0,8-1,1 - 0,5-0,8 - 0,6-0,9 0,4-0,6 0,5-0,8 - - - - - -

4 » ♦ 0,14-0,22 - 0,12-0,3 - 0,4-0,65 - < 0,3 < 0,3 < 0,3 - - - - - -

5 Дюралюминий ® - - < 0,5 1,5 - - - 4,35 < 0,1 < 0,3

6 Al-Mg + - - 0,25 5,8-6,2 0,1-0,25 1,8-2,2 - - - - - 0,1 - - -

7 Al-Li X - - 0,15 - - 1,8-2,0 - 2,8-3,2 - - - 0,12 0,12 - -

8 Латунь - - < 0,1 - - - - - - 38,0-41,0 0,8-1,9 - - - -

9 Zr--Nb * - - - - - - - - - - - 99,0 - - 1,0

10 Zr-Nb - - - - - - - - - - - 97,5 - 1,0 1,0

600500-400^ 300^

200200 300 400 500 600

Рис. 2. Корреляция между пределами прочности, определенным ультразвуковым методом и пределом прочности, полученным по диаграмме растяжения образца (обозначения см. в таблице)

Ультразвуковой датчик, устанавливаемый на объект исследования, имеет два наклонных пьезопреобразователя, расположенных на фиксированном расстоянии друг от друга, называемом базой. Наклон пьезопреобразователей выбирают таким образом, чтобы формировать в объекте исследования поверхностную волну Рэлея. Для надежного измерения скорости необходимо обеспечить контакт с металлом контролируемого изделия зачисткой последнего от краски, грязи и окислов, поверхность должна быть ровной, датчик должен быть прижат к месту контроля. Акустический контакт с пьезопреобразователем обеспечивается жидкой неагрессивной смазкой, например, трансформаторным маслом. При этом следует помнить, что пространство между пьезопреобразователями должно оставаться сухим и чистым.

Одним из применений рассматриваемого ультразвукового метода является оценка напряженного состояния в циркониевых заготовках, используемых для производства оболочек тепловыделяющих элементов ядерных реакторов. В процессе холодной прокатки трубок из сплава Zr-Nb в заготовке формируется сложное распределение внутренних остаточных макронапряжений, которые могут привести к разрушению заготовки на одной из стадий обработки. Для оптимизации процесса прокатки требуется учитывать уровень и распределение остаточных напряжений в рабочих заготов-

а, МПа 1000"

Рис. 3. Распределение внутренних напряжений в Zr-заготовке круглого сечения

ках. Использование традиционных методов, таких как рентгеновский , для определения внутренних напряжений на заготовках большой протяженности связано со значительными временными затратами и фактически невозможно в условиях поточного производства.

Для рабочих заготовок было проведено исследование по определению внутренних напряжений с помощью ультразвукового прибора ASTR. В деформируемых в широких пределах напряжений образцах Zr-Nb-сплава 9 (см. таблицу) были выполнены измерения с целью установления зависимости скорости УЗК от напряжений. Наиболее важные результаты были получены для рабочих заготовок, в которых внутренние напряжения менялись в широком диапазоне. Предполагается расширить применение неразрушающих методов для определения остаточных напряжений в тонкостенных циркониевых трубках, производимых холодной прокаткой . Это позволит усовершенствовать существующую технологию их изготовления. Исследование выполняли как на трубках, так и заготовках из сплавов 9 и 10 на основе Zr.

Ресурс работы материалов и конструкций в большинстве случаев зависит от однородности структуры материала и напряженно-деформированного состояния конечного изделия выполненного из этого материала. На заготовках были измерены остаточные напряжения как рентгеновским методом, так и ультразвуковым, результаты полученных измерений были сопоставлены.

Обнаружено, что м

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст . Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут . Стоимость одной статьи — 150 рублей .

Пoхожие научные работыпо теме «Метрология»

  • OPTICAL EMISSION CHARACTERIZATION OF LASER ABLATED ZIRCONIUM PLASMA

    HANIF M., SALIK M. - 2015 г.

  • NON-DESTRUCTIVE EVALUATION OF THE YIELD STRESS FOR LOW CARBON STEEL BY ULTRASOUND MEASUREMENTS

    KAVARDZHIKOV V., PASHKOULEVA D., POPOV AL. - 2013 г.

  • ОЦЕНКА КАЧЕСТВА ДЕРЕВОПЛИТЫ УЛЬТРАЗВУКОВЫМИ И СТАТИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ УПРУГОЙ АНИЗОТРОПИИ

    АББАСИ МАРАШТ А., КАДЖЕМИ НАДЖАФИ С., ЭБРАХИМИ Г. - 2004 г.

  • THERMOGRAPHIC, ULTRASONIC AND OPTICAL METHODS: A NEW DIMENSION IN VENEERED WOOD DIAGNOSTICS

    AVDELIDISB N.P., KOUI M., SFARRAA S., THEODORAKEASB P. - 2013 г.

Одним из важнейших моментов наблюдений является контроль за напряжённым состоянием массива, с помощью которого устанавливаются места концентрации упругих деформаций, появляющиеся в нарушенном разработками массиве при разгрузке от напряжений. В настоящее время существует несколько методов определения напряжений в массиве горных пород .

Метод разгрузки применяется для измерения упругих деформаций в достаточно крепких породах после их отделения от массива с последующим восстановлением характеристик элементов формы пород.

Значения напряжений в горном массиве определяются тремя способами (рис. 7):

упругое восстановление торца скважины при выбуривании керна (способ ВНИМИ);

изменение диаметра центрального отверстия в выбуриваемом керне (способ Хаста);

деформации стенок центрального отверстия в выбуриваемом керне (способ Лимана).

Рис. 7. Схема определения напряжений методом разгрузки: I - по ВНИМИ; II - по Хасту; III - по Лиману; 1 - буровой станок; 2 - измерительная скважина; 3 - регистрирующая аппаратура; 4 - датчик на торце скважины; 5-деформометр; 6 - наклеиваемые тензометры

При измерении упругих деформаций в породном массиве в результате его разгрузки от напряжений, необходимо учитывать, трещиноватость и неоднородность пород, значения коэффициента Пуассона и модуля упругости, направление и глубину измерительных скважин. Для этих целей в местах наблюдения бурятся скважины.

Метод компенсационной нагрузки основан на восстановлении упругой деформации после повторного нагружения, частично разгруженного массива, давильным устройством. Прибор для измерения напряжений в породном массиве устанавливается на репере, забетонированном в неглубоких скважинах, пробуренных в стене выработки (рис. 8). В образованную недалеко от репера щель, необходимую для разгрузки от напряжений на наблюдаемом участке, устанавливается давильное устройство. Удельное давление в щели, создаваемое гидродомкратом, повышается до исходного уровня, что соответствует величине напряжения в массиве в данный момент.

Рис. 8. Схема определения напряжений методом компенсационной нагрузки: 1 - гидродомкраты; 2 - шланг; 3 - гидронасос; 4 - измерители деформаций

Метод разности давлений основан на создании в скважине, пробуренной в породе, окружающей горную выработку, в которой помещен гидравлический баллон, принудительной начальной величины давления (рис. 9).


Рис. 9. Схема определения напряжений методом разности давлений: 1 - гидродатчик; 2 - трубопровод; 3 - самопишущий манометр; 4 - вентильные устройства; 5 - пресс-расходомер; 6 - манометр; 7 - ручной насос

В результате деформирования баллона, находящегося в скважине, вызванного изменением напряженного состояния массива, меняются показания давления жидкости на манометре, присоединенном к баллону. Разность показаний на манометре величин первоначального и последующего давлений, характеризует изменения напряжений на обследуемом участке во времени и в пространстве.

Метод упругих включений основан на наблюдении за изменением величин напряжений в датчике из стекла, оптического или других материалов, прикрепленных на крепь выработки или породу (рис. 10).

Рис. 10. Схема определения напряжений методом упругих включений: 1 - фотоупругий датчик; 2 - цементный слой

Метод буровых скважин основан на измерении деформометром, находящимся в скважине, величины давления горных пород в поперечном и продольном направлениях (рис. 11).

Для расчёта величины напряжённого состояния массива пород по измеренным деформациям применяют формулы теории упругости с учётом реологических параметров пород, коэффициента Пуассона, модуля упругости.

Рис. 11. Схема определения напряжений методом буровых скважин: 1 - измеритель деформаций; 2 - опора деформометра; 3 - кабель

Акустический метод основан на использовании способности большинства горных пород при изменении напряженного состояния массива генерировать упругие звуковые импульсы микроразрушений.

Для регистрации звуковых импульсов, возникающих в горных породах, используются пьезоэлектрические и электродинамические геофоны, электронные усилители мощности сигналов, полученных геофонами, регистрирующие устройства с электропитанием и соединительными проводами (рис. 12).

Ультразвуковой метод основан на регистрации скорости прохождения упругих волн через массив горных пород, находящийся в напряжённом состоянии (рис. 12).

На обследуемом участке при увеличении напряжённого состояния горных пород скорость прохождения упругих волн в породном массиве увеличивается, снижается при уменьшении напряжений. В зависимости от поставленной задачи определяется количество, глубина и направление скважин в которых устанавливается излучатель, и приёмник ультразвуковых колебаний.

Рис. 12. Схема сквозного каротажа: 1 и 2 - электроды

Рис. 13. Схема электрического прозвучивания массива между двумя параллельными шпурами: 1 - излучатель; 2 и 2" - приемное устройство (два положения)

Электрический метод основан на определении удельного электрического сопротивления и электропроводности горных пород в зависимости от изменения напряжённого состояния в массиве пород (рис. 13).

В пробуренную скважину устанавливается каротажный снаряд. В результате его перемещения по скважине определяются изменения удельного электрического сопротивления пород, что соответствует с учётом установленных корреляционных связей изменению напряжённого состояния массива.

Радиометрический метод заключается в получении информации об изменении интенсивности потока гамма-излучений, в зависимости от изменения напряжённого состояния массива, после их прохождения через изучаемый участок горных пород.

Источник гамма-излучения, находящийся в измерительном зонде, перемещается по скважине. Величина напряжённого состояния массива определяется по тарировочной кривой соответствующих пород в зависимости от интенсивности потока излучения.

Оценка относительно напряжённого состояния массива осуществляется методами изменения:

сечения скважины с удалением от устья, на выход и крупность выбуриваемого штыба;

усилия подачи бура при бурении скважин на выход и крупность выбуриваемого штыба;

усилий вдавливания штампа в стенки или торец скважины;

степени разрушения кернов при бурении скважин.

Измерение напряжённого состояния в породном массиве и вокруг подземных выработок методом разгрузки производится с помощью аппаратуры и деформометров, находящихся в скважине диаметром от 36 мм до 76 мм, глубиной от 0,3 м до 20 м. При этом измеряются деформации от 110 -6 до 110 -3 единиц относительных деформаций, чувствительность приборов составляет 110 -6 единиц относительных деформаций (табл. 8).

Проведенные исследования показали, что горные выработки и массив пород находятся в постоянном взаимодействии друг с другом и оказывают взаимное влияние на параметры измерений в процессе маркшейдерского мониторинга. Технологическая и экологическая безопасность выработок вторичной многоцелевой эксплуатации может быть обеспечена только при условии проведения маркшейдерских наблюдений за их состоянием в режиме непрерывного или дискретно непрерывного мониторинга как в подземном технологическом пространстве, так и в окружающих выработки породах. Слежение за динамикой изменения параметров состояния среды объекта наблюдения должно обеспечиваться различными типами сигнализаторов, фиксирующих один или несколько критических уровней.

Таблица 8. Приборы и средства для определения напряжений в массиве пород и подземных сооружениях

Наименование прибора

Код прибора

Погрешность измерения

База измерений

Диапазон измерений

Изготовитель

Дополнительная информация

Комплект аппаратуры для метода разгрузки

ДМ-18 (деформометр);

71Р 01 (тензометрическая приставка);

М 195/1; СБ-8М-(гальванометры)

Деформации 7;

(относит. деформ) чувствительность прибора 110-6 (ОТНОСИТ. ДЕФОРМАЦ,)

d скв - 76 мм

L скв - 20 м

Определение напряженного состояния массива горных пород при подземной разработке полезных ископаемых

Унифицированный комплект

d скв - 75 мм

ВНИМИ, Кольский филиал АН СССР

Определение механических напряжений в массиве горных пород методом разгрузки

Установочное устройство

Криворожский горнорудный институт

Определение напряжений в массиве горных пород методом полной разгрузки

Комплект аппаратуры для разгрузки

Деформация

относит. деф. Чувствительность прибора 1*10-6

относит. деф.

d скв - 36-112 мм

L скв - 250 м

Определение полного тензора напряжений в массиве горных пород методом разгрузки

Гидравлический преобразователь

ИГД СО АН

г. Новосибирск

Определение абсолютных значений напряжений и их приращений, действующих в массиве горных пород, по методу разности давлений

Деформометр

d скв - 45 мм

L скв - 280 м

Определение напряжений методом разгрузки

Репер-деформометр струнного типа

Продольное смещение: 0,2-0,01 мм; радиальное смещение: 0,001 мм

Продольное смещение: ; радиальное смещение:

Одновременное измерение продольных и радиальных деформаций скважин глубиной до 30м, не заполненных водой

Шахтный ультразвуковой прибор

ИГТМ АН УССР

г. Днепропетровск

Определение физико-механических свойств и относительного изменения напряженного состояния массива горных пород по скорости продольных и поперечных ультразвуковых волн

Ультразвуковая шахтная станция

СБ - 22 (ШУС)

Скорость:

1000- 5000 м/с;

Затухания

Оценка нарушенности и напряженности горных пород в целиках и вокруг выработок по скорости и затуханию упругих волн

Выбор места размещения измерительных устройств в каждом конкретном случае должен осуществляться с учётом экономических, технологических и других факторов, определяющих эффективность контроля.

При проведении маркшейдерских наблюдений в подземных выработках вторичной многоцелевой эксплуатации, пройденных в неустойчивых породах (III категория) и средней устойчивости (II категория), закреплённых монолитной железобетонной, металло-бетонной, сборной железобетонной или бетонной крепью с податливой забутовкой и последующим тампонажем закрепного пространства с анкерным упрочнением, необходимо устанавливать измерительные приборы непрерывного или дискретно непрерывного действия. Установка конкретного прибора зависит от состояния выработки, цели её использования. Так, в выработках долговременной эксплуатации при размещении складов целесообразно вести наблюдения как за породами, так и за крепью выработки. Для этого необходимо использовать импульсные радиометрические датчики дискретно непрерывного действия. Они срабатывают в зависимости от заложенных в измерительное устройство фиксированных параметров, несущей способности пород и конструктивной податливости крепи. Измерительное устройство при контроле состояния породного массива устанавливается в пробуренное в породе, окружающей выработку, отверстие. Изменения геометрических и прочностных характеристик крепи определяются при установке устройства на крепь.

Изобретение относится к области неразрушающего контроля физических характеристик материалов. Способ заключается в измерении параметров магнитных полей на поверхности исследуемого объекта и определении зоны скопления дислокаций, соответствующих аномальным зонам внутренних напряжений. Измеряют абсолютную величину максимума нормальной составляющей напряженности магнитного поля, дополнительно измеряют магнитную проницаемость материала в зоне максимума напряженности и вычисляют величину внутренних напряжений, по которой судят о напряженно-деформированном состоянии исследуемого материала. Дополнительно можно определить направление максимума тангенциальной составляющей напряженности магнитного поля, измерить ее абсолютную величину и вычислить вектор максимума внутренних напряжений. Дополнительно можно одним из известных способов измерить расстояние от поверхности исследуемого объекта до зоны аномальных внутренних напряжений, вычислить величину энергии, накопленной в этой зоне, по которой можно судить о степени активности зарождения и роста трещин. Изобретение дает возможность получать количественные характеристики внутренних напряжений. 4 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к области неразрушающего контроля физических характеристик конструкционных, преимущественно ферромагнитных, материалов магнитными методами и может быть использовано для измерения характеристик напряженно-деформированного состояния материалов и сварных соединений в деталях различных конструкций ответственного назначения, например, в сварных и клепаных фермах, в стенках трубопроводов, сосудах высокого давления и других объектах энергетической, химической, машиностроительной отраслей промышленности и различных видов транспорта, испытывающих значительные нагрузки в процессе эксплуатации. Современная диагностика имеет большой арсенал разновидностей средств и методов измерения механических характеристик материалов, причем основное место в этом арсенале занимают методы и средства измерения остаточных и рабочих внутренних напряжений. Все известные магнитные методы диагностики конструкционных материалов можно разделить на две группы: активные - с созданием в материале исследуемой детали "принудительного" магнитного поля заданной ориентации и пассивные - использующие остаточную намагниченность изделия, вызванную внешними магнитными полями естественного или искусственного происхождения . Недостатки известных активных магнитных методов диагностики состояния конструкционных материалов заложены в самой физической сути этих методов и выражаются в полной нечувствительности к аномалиям материала, расположенным в глубине детали, а также к аномалиям (даже трещинам), расположенным на поверхности детали, но ориентированным вдоль силовых линий магнитного поля. Известные пассивные магнитные методы определения напряженно-деформированного состояния ферромагнитных конструкционных материалов представляют более тонкий инструмент, поскольку позволяют качественно отслеживать изменение остаточных напряжений под действием внешних сил. Недостатками пассивных магнитных методов являются низкая чувствительность к аномалиям, расположенным в глубине материала, и неоднозначность результатов определения напряженно-деформированного состояния. Эти методы основаны на зависимости магнитных характеристик материала от его структуры или фазового состояния, которые определяются технологической или эксплуатационной предысторией материала и начинают заметно изменяться только при больших значениях пластических деформаций, соответствующих околопредельным уровням механических напряжений. Более того, известные в настоящее время средства диагностики измеряют лишь некие параметры используемых физических полей, связанные в общем случае не с механическими напряжениями в чистом виде, а с совокупностью характеристик напряженно-деформированного состояния материала, причем связанные недостаточно изученными и не всегда монотонными и однозначными зависимостями. А это значит, что измеренные параметры не могут достоверно характеризовать состояние материала. Наиболее близким является способ определения зон остаточных напряжений в изделиях из ферромагнитного материала, заключающийся в том, что измеряют нормальную и тангенциальную составляющие напряженности магнитного поля рассеяния в каждой из заданного множества точек на поверхности исследуемого объекта, сравнивают измеренные значения составляющих напряженности магнитного поля и по точкам, в которых нормальная и тангенциальная составляющие напряженности равны, определяют границы зоны остаточных напряжений . Недостатком этого способа определения зон остаточных напряжений является большая погрешность, обусловленная значительной размытостью границ равенства нормальной и тангенциальной составляющих напряженности магнитного поля вследствие сильной зависимости величины тангенциальной составляющей от расстояния до поверхности исследуемого объекта и направления ее измерения. Однако главным недостатком этого и всех других известных способов определения характеристик напряженно-деформированного состояния материала деталей конструкций является невозможность получения абсолютных значений исследуемых характеристик, показывающих количественную степень близости фактически существующего в материале конструкции напряженно-деформированного состояния к критическому. Кроме того, необходимо заметить, что в большинстве случаев термин "остаточные напряжения" применяется некорректно, поскольку в любой эксплуатируемой конструкции остаточные напряжения действуют в совокупности с рабочими нагрузочными напряжениями и напряжениями, возникающими в процессе старения и деградации материала, поэтому следует говорить о "внутренних напряжениях". Задачами, на решение которых направлено предлагаемое изобретение, являются получение количественных характеристик напряженно-деформированного состояния конструкционных материалов (преимущественно ферромагнитных металлов) при одновременном повышении чувствительности, точности и достоверности результатов за счет использования собственных магнитных полей, создаваемых микродефектами структуры - дислокациями и их скоплениями. Разработанный способ обеспечивает:

Получение количественных характеристик внутренних напряжений;

Получение количественной информации о степени опасности или активности зарождающихся и развивающихся трещин;

Реконструкцию скалярных и векторных полей распределения внутренних напряжений;

Возможность прогнозирования динамики изменения напряженно-деформированного состояния конструкционных материалов в реальных условиях эксплуатации. Решение поставленных задач достигается тем, что в способе определения характеристик напряженно-деформированного состояния материалов деталей и конструкций, заключающемся в измерении параметров магнитных полей на поверхности исследуемого объекта, по изменению которых определяют зоны скопления дислокаций, соответствующие аномальным зонам внутренних напряжений, измеряют абсолютную величину максимума нормальной составляющей напряженности магнитного поля, дополнительно измеряют магнитную проницаемость материала в зоне максимума напряженности, вычисляют величину внутренних напряжений, по которой судят о напряженно-деформированном состоянии исследуемого материала. Кроме того, дополнительно определяют направление максимума тангенциальной составляющей напряженности магнитного поля, измеряют ее абсолютную величину и вычисляют вектор максимума внутренних напряжений. Кроме того, дополнительно одним из известных способов измеряют расстояние от поверхности исследуемого объекта до зоны аномальных внутренних напряжений, вычисляют величину накопленной в этой зоне энергии, по которой судят о степени активности зарождения и роста трещины. Кроме того, измерения проводят по всей поверхности исследуемого объекта, выполняют необходимые вычисления и строят скалярные или векторные поля распределения внутренних напряжений. И, наконец, измерения проводят повторно, через определенный период эксплуатации исследуемого объекта, сравнивают поля распределения внутренних напряжений и по разности значений напряжений оценивают скорость деградации материала, а по характеру изменения полей определяют зону и направление возможного разрушения. Сущность предлагаемого способа заключается в использовании малоизвестных и неизученных в аспекте практического применения свойствах дефектов кристаллической структуры металлов - дислокаций. Дислокация как реально существующий объект обладает вполне реальными физическими свойствами, обусловленными несбалансированностью электромагнитных полей, вызванной локальным разрушением элементов кристаллической атомной решетки . В случае ферромагнитного материала, элемент решетки представляет собой куб с атомами в его углах, а вся решетка - строгую пространственную структуру. Разрушение такого порядка проявляется как появление полуплоскости, являющейся своеобразным клином, на границах которого оказываются "оторванные" электрические заряды и спиновые моменты. Наличие избыточного количества свободных электронов по обе стороны границ позволяет компенсировать несбалансированность электрических зарядов, однако, "новые" электроны не в состоянии компенсировать разность спиновых моментов, что приводит к появлению элементарного магнитного момента - источника собственного магнитного поля дислокации. Поскольку в материале, даже в ненапряженном состоянии, существует значительное количество дислокаций, то материал представляет собой совокупность произвольно ориентированных "магнитиков", создающих собственное интегральное магнитное поле материала. В идеальном - однородном изотропном материале напряженность магнитного поля, создаваемого магнитными моментами дислокаций, будет равно нулю. Но любая неоднородность материала, свойственная всем реальным материалам, вызывает перемещения и группирование дислокаций , что приводит к появлению скоплений дислокаций, которые имеют существенно большие магнитные моменты. Это и является причиной неравномерности напряженности магнитного поля. Поскольку магнитное сопротивление ферромагнитных материалов мало, то магнитные потоки, создаваемые скоплениями дислокаций, векторно суммируясь, будут распространяться во всем объеме исследуемого материала с минимальными потерями, что дает возможность регистрировать скопления дислокаций, находящихся не только на поверхности исследуемой детали, но и в толще материала, и даже на противоположной стороне детали. Этим объясняется высокая чувствительность нового способа. Таким образом, принципиальное отличие предлагаемого способа от известных магнитных способов заключается в том, что измеряются параметры собственных магнитных полей дислокаций и их скоплений, тогда как все известные магнитные методы измеряют поля рассеяния, т.е. отклонения искусственно созданных магнитных полей, вызванные неоднородностями исследуемого материала. При этом искусственно создаваемые поля, обладая гораздо большей энергией, чем собственные поля скоплений дислокаций, практически полностью подавляют последние. Следует отметить, что предлагаемый способ принципиально может быть применен и для диагностики диамагнитных материалов. Однако здесь имеются серьезные осложнения технического характера, связанные с большим магнитным сопротивлением этих материалов и приводящие к необходимости обеспечения высокой чувствительности приемного тракта и глубокой компенсации внешних магнитных полей. В случае парамагнитных материалов применение предлагаемого способа невозможно вследствие того, что элементом их кристаллической структуры является гране- или объемноцентрированный куб, разрушение которого не приводит к разбалансу магнитных моментов . Реализуют способ следующим образом. Перемещая датчик напряженности магнитного поля по поверхности исследуемого объекта, по показания прибора находят глобальный или локальный максимум и измеряют значение нормальной составляющей напряженности - H z , затем одним из известных способов измеряют абсолютную магнитную проницаемость a материала в зоне максимума. Если применяемый прибор измеряет относительную магнитную проницаемость , то абсолютную вычисляют по формуле:

Где 0 - абсолютная магнитная проницаемость вакуума. Поскольку дислокация или их скопление является магнитным диполем, то сила, действующая на концы диполя - границы дефекта элемента кристаллической структуры - края будущей трещины, определяется следующей формулой:

F z = B z H z S д, (2)

Где B z - проекция магнитной индукции на нормаль к поверхности изделия в зоне максимума напряженности, причем:

B z = a H z ; (3)

Здесь S д - площадь поверхности, пронизываемая магнитным потоком. Но поскольку эта поверхность является поверхностью, на которую действует сила магнитного поля, то можно определить величину проекции напряжения, действующего в зоне дислокации или их скопления:

Z = F z:S д = a (H z) 2 . (4)

Таким образом получается количественная оценка величины внутренних напряжений, действующих в зоне зарождающегося или растущего дефекта. В таком варианте способ целесообразно применять при определении напряженно-деформированного состояния материала тонких изделий, испытывающих одноосные нагружения. Проводя аналогичные операции в точках, определяемых заданной или выбранной координатной сеткой, можно построить скалярное поле распределения внутренних напряжений. Для получения более полной характеристики напряженно-деформированного состояния материала объемных изделий или в случае сложного нагружения необходимо дополнительно измерять тангенциальную составляющую напряженности магнитного поля в тех же точках, где измерялась нормальная составляющая. Для этого необходимо, поворачивая датчик напряженности, найти максимальное значение тангенциальной составляющей - H , измерить ее величину и угол - между направлением максимума тангенциальной составляющей и одной из осей используемой системы координат. При этом вектор напряженности магнитного поля определяется модулем - |H| и направляющими углами - и . Для вычисления модуля - |H| и угла в плоскости, нормальной к поверхности обследуемого объекта, - используют следующие формулы:

|H| = [(H z) 2 +(H ) 2 ] 0,5 (5)

Arctg(H z:H ). (6)

Затем, проведя вычисления, аналогичные приведенным выше, можно получить полные характеристики вектора внутреннего напряжения в отдельной точке (локальной зоне) и построить векторные поля распределения внутренних напряжений в исследуемом изделии. Кроме того, если измерить каким-либо подходящим из известных методов (например, ультразвуковым) расстояние до аномальной зоны L и ее толщину L, a по координатам этой зоны на карте распределения полей напряжений вычислить площадь зоны S 3 , то можно рассчитать W 3 - величину энергии, запасенной в скоплении дислокаций и определяющей активность зарождения или роста трещины:

Следует отметить, что приведенные формулы показывают методику расчета параметров характеристик напряженно-деформированного состояния материала и могут служить для приближенных расчетов в объектах простой формы. При исследовании реальных объектов, а также для получения более точных результатов необходимо учитывать геометрию объекта и зоны, что отразится на формулах введением функций, описывающих геометрию и характер распределения напряженности магнитного поля и переходом к интегрированию по поверхности для внутренних напряжений и по объему для энергии. При этом для однотипных объектов могут быть разработаны специальные программы. Источники информации, принятые во внимание

1. Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий. Справочник, Т. 2, -М,: Машиностроение, 1986 г. 2. Неразрушающий контроль. , Кн. 3., Электромагнитный контроль, -М.: Высшая школа, 1992 г. 3. Патент РФ, М. кл. G 01 L 1/12, N 1727004, 1990 г. 4. Ч. Киттель, Элементарная физика твердого тела, -М.: Наука, 1969 г. 5. Фридман Я. Б., Механические свойства металлов, Ч. 1., Деформация и разрушение, Изд. "Машиностроение", Москва, 1974 г.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ определения характеристик напряженно-деформированного состояния материалов деталей и конструкций, заключающийся в измерении параметров магнитных полей на поверхности исследуемого объекта, по измерению которых определяют зоны скопления дислокаций, соответствующие аномальным зонам внутренних напряжений, отличающийся тем, что измеряют абсолютную величину максимума нормальной составляющей напряженности магнитного поля, дополнительно измеряют магнитную проницаемость материала в зоне максимума напряженности, вычисляют величину внутренних напряжений, по которой судят о напряженно-деформированном состоянии исследуемого материала. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно определяют направление максимума тангенциальной составляющей напряженности магнитного поля, измеряют ее абсолютную величину и вычисляют вектор максимума внутренних напряжений. 3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что дополнительно одним из известных способов измеряют расстояние от поверхности исследуемого объекта до зоны аномальных внутренних напряжений, вычисляют величину энергии, накопленной в этой зоне, по которой судят о степени активности зарождения и роста трещин. 4. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что измерения проводят по всему телу исследуемого объекта и после соответствующих вычислений строят картину распределения скалярных или векторных полей внутренних напряжений. 5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что измерения проводят повторно через определенный период эксплуатации исследуемого объекта, сравнивают картины распределения полей внутренних напряжений и по разности значений напряжений оценивают скорость деградации материала, а по изменению картины полей определяют зону и направление возможного разрушения.

При исследовании способности изделий выдерживать различные механические нагрузки проводят как измерения самих нагрузок (сил, моментов), так и измерения деформаций, которые испытывает конструкция изделия или ее отдельные элементы. Область измерений, предметом которой является исследование деформаций, называется тензометрией (от латинского tensus– напряженный).

Одним из наиболее распространенных методов измерения деформаций является метод хрупких покрытий. Тензочувствительное покрытие наносится на поверхность исследуемого объекта. В результате воздействия некоторых усилий объект подвергается деформациям, а на покрытии появляются мелкие трещины. Анализируя места концентрации трещин и их плотность можно восстановить значения деформации в каждой точке объекта. В этом случае пользуются зависимостью между плотностью трещин и величиной деформации, которая снимается с помощью тарировочной балки – сужающегося к одному конце стержня, толстый конец которого жестко закреплен, а к тонкому концу которого прикладывается усилие. На тарировочной балке нанесено то же покрытие, что и на объекте, а величина деформации в каждой точке может быть однозначно определена теоретически по перемещению тонкого конца. Недостатком данного метода измерения деформаций является то, что он применим только для анализа статических деформаций и максимального значения динамических деформаций.

Менее распространен другой метод измерения статических деформаций – метод муаровых сеток, который заключается в нанесении на поверхность объекта мелкой сетки и последующем его фотографировании в нормальном и в деформированном состояниях. При совмещении этих двух фотографических изображений в местах деформаций визуально наблюдается муар – последовательность темных и светлых полос.

Для того, чтобы измерять не только статические, но и динамические деформации, прибегают к использованию информационно-измерительных тензометрических систем, осуществляющих электрические измерения. В качестве первичного преобразователя в таких системах выступает тензорезистор – резистор, меняющий свое сопротивление при деформации.

Ранее уже упоминалось о полупроводниковых (кремниевых) тензорезисторах. Другим типом преобразователей являются проволочные тензорезисторы, представляющие собой размещенную на специальной подложке проволоку (см. рис.3.1). Тензорезистор состоит из тонкой проволоки диаметром 0.015 – 0.05 мм, уложенной в форме решетки между двумя эластичными изоляционными пластинами из тонкой бумаги, или пленками лака. В настоящее время также используется тензорезистор из травленой фольги толщиной 0,005-0,025 мм. Фольговый тензорезистор обеспечивает большую площадь поверхности резистора, и, как следствие, его большую теплоотдачу. Поэтому, повышается допустимая плотность тока, и увеличивается чувствительность тензорезистора.

Так как изменение тензорезистора невелико, то используется мостовая схема включения тензорезисторов с использованием переменного тока. Одна из главных трудностей применения тензорезисторов состоит в их сильной температурной зависимости (близкой по порядку с зависимостью от деформации). Для компенсации этого, в соседнее плечо моста включается идентичный тензорезистор, расположенный рядом с рабочим, но не испытывающий деформации. Подложка закрепляется на исследуемом объекте (приклеивается или приваривается), и при его деформациях происходит изменение длины (растяжение или сжатие) проволоки, что приводит к изменению ее электрического сопротивления. При установке тензорезисторы ориентируют в направлении максимальных деформаций, а если такое направление не известно, то применяют розетку из трех тензорезисторов, установленных под углом 120 0 . П

Рис. 3. 1. Проволочный тензорезистор

одключаются терморезисторы, по мостовой схеме, простейший вариант которой изображен на рис. 3.2. Компенсационный резисторR К , идентичный измерительному, служит для исключения температурной погрешности, связанной с изменением сопротивления тензорезистораR Т при изменении температуры. С помощью подстроечного резистораR 1 добиваются баланса моста (нулевой выходной сигнал) при отсутствии деформаций. В этом случае выходной сигнал тензометрического моста будет определяться выражением:

Рис. 3. 2. Мостовая схема включения

3.1

Всвязи с определенными трудностями, связанными с построением усилителя постоянного тока для очень слабых сигналов, питание моста часто осуществляется от источника переменного напряжения. В этом случае величина деформации оценивается по амплитуде выходного сигнала (3.1), а ее тип (растяжение или сжатие тензорезистора вдоль базы) - по фазе выходного сигнала. В случае, когда сопротивление тензорезистора увеличивается по сравнению с номиналом, фаза выходного сигнала будет противоположна фазе напряжения питания (положительной полуволне напряжения питания соответствует отрицательная полуволна выходного сигнала).

С

Рис. 3. 3. Схема тензометрического усилителя


хема усилителя, предназначенного для работы с тензорезисторным мостом, питающимся от источника переменного напряжения, показана на рисунке 3.3. Переменное выходное напряжение с тензорезисторного мостаR T поступает на нормирующий усилительНУ , образованный трансформаторным усилителем и усилителем переменного тока. После прохождения масштабирующего усилителяМУ сигнальное напряжение поступает на вход фазового детектораФД , на выходе которого появляется постоянное напряжение, соответствующее амплитуде входного сигнала. Знак выходного напряжения определяется соотношением фаз измеряемого сигнала и опорного напряжения, которое совпадает по фазе с напряжением питания.

На выходе этой усилительной схемы стоят фильтр низких частот ФНЧ для подавления помех и дополнительный усилитель мощностиУМ . Установка нуля усилителя осуществляется с помощью делителя на резисторахR 1 иR 2 .

В таблице 3.1 приводятся характеристики некоторых серийных усилителей, предназначенных для использования в тензометрических информационно-измерительных системах.

Таблица 3.1.

Напряжение питания

Переменное

220 В или 110 В

Переменное

220 В или 110 В

Постоянное

Постоянное

Напряжение

7 В или 14 В,

Постоянное

Постоянное

Максималь- ный выходной ток


РАЗРАБОТАНЫ в лаборатории прочности газопроводных конструкций ВНИИГАЗа к.т.н. В.В.Харионовским, к.т.н. В.И.Дегтяревым, зав. группой С.А.Стрельцовым, инж. В.В.Сараевым, ст. инж. В.В.Калявиным. Оформление материалов выполнено лаборантом Борисовой О.И.

СОГЛАСОВАНЫ

Заместителем Начальника Управления по транспортировке и поставкам газа МИНГАЗПРОМА СССР А.Н.Козаченко

Заместителем директора д.т.н., профессором Э.М.Гутманом

Руководителем лаборатории прочности газопроводных конструкций, к.т.н. В.В.Харионовским

УТВЕРЖДЕНЫ Начальником Технического Управления Мингазпрома СССР А.Д.Седых 27 июня 1984 г.


Методические рекомендации по натурным измерениям напряженного состояния магистральных газопроводов разработаны в развитие рекомендаций, выполненных ВНИИГАЗом в 1983 г. и включают в себя описания методов измерения на газопроводах, измерительных схем и типов тензорезисторов, расчетов напряженного состояния. Составлены методики, отражающие особенности измерений и расчетов напряжений в трубопроводах КС и линейной части магистральных газопроводов, в том числе, в условиях Крайнего Севера, а также методики измерения вибрационных деформаций.

1. ВВЕДЕНИЕ

1. ВВЕДЕНИЕ

Развитие газовой промышленности на основе мощных магистральных газопроводов и эксплуатация их в районах со сложными природными условиями поставили на повестку дня вопросы контроля и оценки прочности и работоспособности газопроводных конструкций. При этом теоретические расчеты прочности магистральных газопроводов, закладываемые в проекты, являются ориентировочными, т.к. в принципе не могут учесть всех эксплуатационных факторов. С учетом того, что при строительстве неизбежны различные отклонения от проекта, реальный газопровод может иметь совсем другое напряженное состояние. Указанные соображения приводят к необходимости изучения действительного напряженного состояния газопроводов методами натурных измерений.

При натурных исследованиях напряженно-деформированного состояния положительно зарекомендовал себя метод тензометрирования, который применяется в авиации, машиностроении, строительстве, когда затруднительно вычислить напряжения и деформации в нагруженной конструкции или детали /1-3/.

Применительно к газопроводам метод тензометрирования имеет свои особенности, в первую очередь, это относится к условиям измерений. Если в вышеупомянутых отраслях тензометрирование применяется, как правило, в условиях стабильных температур, нормальной влажности, силового нагружения, то натурные условия газопровода включают в себя весь комплекс природных факторов-воздействий грунта, температур, осадков, а также переменного давления газа. Очевидно, напряженное состояние газопроводной конструкции будет сложным. Отсюда понятно, почему являются неудачными отдельные попытки измерить напряженное состояние трубопроводов магнитными, рентгеновскими, ультразвуковыми методами, которые оценивают, в основном, одноосное напряженное состояние деталей в лабораторных условиях и в принципе не могут отразить истинную картину напряжений.

Свободным от указанных недостатков является метод тензометрирования, который требует тщательной установки тензорезисторов на трубе. При выполнении этого требования тензометрирование является надежным долговременным инструментом получения информации о деформациях и напряжениях газопровода в эксплуатации.

Данные методические рекомендации служат для практического использования метода тензометрирования в натурных условиях эксплуатации трубопроводов компрессорных станций и линейных участков магистральных газопроводов и последующей оценки прочности обследуемых объектов. Они отражают особенности измерений на магистральных газопроводах и обобщают опыт натурных прочностных исследований, выполняемых в газовой промышленности начиная с 1977 года, в различных климатических и эксплуатационных условиях /4-6/.

Методические рекомендации предназначены для специализированных объединений отрасли, газотранспортных объединений, а также для научно-исследовательских организаций отрасли.

2. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ ДЕФОРМАЦИЙ И НАПРЯЖЕНИЙ

Опытным путем можно измерить только линейные деформации, то есть измерять удлинения или укорочения выбранного отрезка прямой, расположенного на поверхности трубы. Такой отрезок прямой называется фиксированной длиной; величина этого отрезка определяется базой прибора. Измерение удлинений (или укорочений) фиксированной длины (или базы) при помощи приборов в пределах упругих деформаций называется тензометрированием.

Тензометрирование может быть осуществлено оптическими, механическими и электрическими приборами, которые, в конечном счете, регистрируют (непосредственно или косвенно) величину изменения фиксированной длины (базы) и называются тензометрами. Измерив тензометрами относительные удлинения и зная значения модуля упругости и коэффициента Пуассона , можно определить величины и направления напряжений в интересующих точках трубы надземного трубопровода; в этом и заключается сущность тензометрирования.

Большое распространение получили приборы, позволяющие электрическими методами измерять неэлектрические величины (относительное удлинение и т.д.), используя в качестве измерительных преобразователей тензорезисторы (тензометры сопротивления или тензосопротивления).

Сущность электрического метода заключается в использовании линейной зависимости величины изменения омического сопротивления тензорезистора от величины его удлинения; сам же тензорезистор наклеивается на исследуемую трубу или в определенное место в агрегате и деформируется вместе с ней.

Преимуществами этого метода измерения деформаций являются:

а) возможность измерения деформаций на расстоянии, а следовательно, и возможность организовать централизованную в одном пункте регистрацию показаний тензорезисторов, расположенных в различных точках исследуемого объекта;

б) определение деформаций трубы при ее транспортировке;

в) измерение деформаций в одной точке по нескольким направлениям;

г) достаточно большая точность измерений.

Обычно для измерения величины изменения омического сопротивления тензорезистора используют мостик Уитстона; существуют различные методы измерения , основанные на применении мостика.

3. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

3.1. Измеритель статических деформаций типа ИСД-3.

Одним из приборов, созданных на основе мостика Уитстона, является измеритель статических деформаций ИСД-3.

Технические данные прибора ИСД-3

1. Класс точности

2. Диапазон измеряемых деформаций в относительных единицах деформации

где - относительная деформация

3. Длина симметричного кабеля "датчик-прибор" с погонной емкостью до 150 пф/м не более

4. Цена деления шкалы реохорда при коэффициенте тензочувствительности тензорезисторов, равном 2,0 е.д.

5. Сопротивление применяемых тензорезисторов

6. Число точек измерения

7. Диапазон рабочих температур

8. Допустимая относительная влажность воздуха при температуре +20±2 °С

10. Масса прибора, кг

не более 3

Этот прибор предназначен для многоточечных и одиночных измерений статических деформаций в сооружениях и узлах машин в лабораториях, цеховых и полевых условиях. В приборе используется уравновешенная мостовая схема с измерением нулевым методом. На рис.1 представлена принципиальная схема прибора, поясняющая его работу.

Рис.1. Принципиальная схема прибора ИСД-3

Рис.1. Принципиальная схема прибора ИСД-3


Прибор состоит из компенсационного тензорезистора , рабочего тензорезистора , реохорда , двух сопротивлений и , соединенных по мостовой схеме. В диагональ ВД моста включен через усилитель нульорган, а в диагональ AC - питание. Подвижной контакт делит омическое сопротивление реохорда на части и .

Схема работает следующим образом. Если при ненагруженном состоянии исследуемого объекта подвижной контакт разделит сопротивление реохорда на равные части если , то стрелка нульоргана будет стоять на нуле (баланс мостика), то .

Если исследуемый объект деформируется, то омическое сопротивление тензорезистора изменяется, и стрелка нульоргана отклоняется от нулевого положения.

Вращая в ту или иную сторону ручку подвижного контакта , добиваемся возвращения на нуль стрелки нульоргана (что нарушит равенство между и ). Отсчитанная по лимбу - круговой шкале подвижного контакта - разность показаний, равная , дает возможность определить искомую величину относительной линейной деформации по формуле

Где - цена одного деления шкалы лимба.

Следуeт отметить, что для исключения влияния температуры на изменение омического сопротивления рабочего тензорезистора в схему вводится компенсационный тензорезистор с сопротивлением . Этот тензорезистор наклеивается на ненагруженную пластинку, изготовленную из того же материала, что и испытываемый объект и находящуюся в тех же температурных условиях. Этот способ измерения относительного удлинения не зависит от величины напряжения электрического тока в питательной цепи, кроме того, такая схема исключает влияние начального сопротивления тензорезисторов на результаты измерений.

Измеритель статических деформаций ИСД-3 является переносным прибором, смонтированным в металлическом корпусе, снабженном ручкой для переноски.

На лицевой панели прибора размещены:

а) два разъема типа РШТПБ-20 для подключения рабочих и компенсационных тензорезисторов при многоточечных измерениях;

б) клеммы , , , , 0 - для подключения рабочих и компенсационных тензорезисторов;

в) микроамперметр (нульоргана);

г) ручка переключателя тензорезисторов;

д) ручка и шкала реохорда;

е) тумблер "контроль" - "работа";

ж) тумблер "ВКЛ"-"ВЫКЛ" для включения и выключения прибора.

Батарея питания (типа 3336) помещается в нижней части корпуса в специальном отсеке и закрывается крышкой.

Измерение деформаций производится следующим образом:

а) тензорезисторы подключаются к клеммам прибора (рис.2);

б) нижний тумблер устанавливается в положение "ВКЛ", а верхний - в положение "работа";

в) вpaщeнием ручки реохорда проводится балансировка моста;

г) производится отсчет по шкале реохорда (большая стрелка указывает единицы, а малая - сотни делений);

д) нагружается исследуемая конструкция и после балансировки прибора вновь производится отсчет.

Рис.2. Схема соединения тензорезисторов

Рис.2. Схема соединения тензорезисторов


Относительная деформация, как было сказано выше, пропорциональна изменению сопротивления тензорезисторов при погружении* конструкции, т.е.
________________
* Текст соответствует оригиналу. - Примечание изготовителя базы данных.

где - коэффициент тензочувствительности тензорезисторов;

Абсолютное приращение длины исследуемого участка конструкции;

- начальная длина участка.

Коэффициент тензочувствительности предполагается постоянным.

Величина деформации (при коэффициенте тензочувствительности тензорезисторов К-2) определяется как разность отсчетов до и после нагружения, умноженная на цену деления реохорда, т.е. справедлива формула:

Здесь о.е.д.

Для пояснения работы с прибором приведем пример.

Показания реохорда до нагружения (при балансе моста) 500 делений, после нагружения - 560 делений.

Разность отсчетов (абсолютная величина)

Делений.

Следовательно, относительная деформация

При коэффициенте тензочувствительности тензорезисторов, отличном oт 2 (2).

Где * - разность отсчетов при =2.
_______________
* Формула и экспликация к ней соответствуют оригиналу. - Примечание изготовителя базы данных.

Измерив деформации в исследуемых точках трубы, можно рассчитать величины напряжений.

3.2. Измеритель деформации цифровой ИДЦ-1

Назначение.

Измеритель деформации цифровой ИДЦ-1 (в дальнейшем - прибор) предназначен для измерения статических деформаций при помощи тензорезисторов, включаемых по полумостовой схеме. Прибор может быть применен в любой отрасли науки и техники, где необходимо проведение испытаний на механическую прочность различных материалов, машин, конструкций и т.п.

Условия эксплуатации прибора:

а) температура окружающего воздуха от минус 10 °С до плюс 40 °С;

б) относительная влажность воздуха от 30 до 80%.

в) питание прибора от источника постоянного тока напряжением

Технические данные

Диапазон измеряемых деформаций при коэффициенте тензочувствительности =2, еод от 0 до 19990 (1 еод = 10 относительной деформации )

Цена одной единицы дискретности показаний прибора, еод

Основная погрешность измерений, не более, еод

Время одного измерения, не более, с

Сопротивление применяемых тензорезисторов, Ом

Длина кабеля от прибора до исследуемого объекта

не более, м

Габаритные размеры, мм, длина

Число каналов измерения

Масса прибора, не более, кг

Ток потребления, не более, мА

По защищенности от воздействия окружающей среды исполнение прибора обыкновенное по ГОСТ 12997-76 *.
______________
* На территории Российской Федерации действует ГОСТ 12997-84 . - Примечание изготовителя базы данных.

Состав прибора.

Измеритель деформации цифровой ИДЦ-1 состоит (рис.3) из блока выпуска E1, блока усилителя А, блоков распределения импульсов Е2...Е5, блока коммутации К, блока индикации Д.

Рис.3. Структурная схема измерителя цифрового ИДЦ-1

Рис.3. Структурная схема измерителя цифрового ИДЦ-1

В блок запуска входят: устройство запуска и временной задержки, электронное реле времени, первая ступень распределителя импульсов, коммутатор электропитания.

Блоки распределителя импульсов Е2...Е5 идентичны и являются составной частью устройства автоматического уравновешивания. Каждый из блоков состоит из распределителя импульсов, усилителей мощности, ячеек И.

В блок усилителя входит трансформатор T1, усилитель напряжения, фазочувствительный детектор, исполнительный усилитель нульоргана, генератор питания измерительного моста.

Блок индикации состоит из преобразователя для питания индикаторных ламп, компенсирующих резисторов типа СЭС Ш и типа СЭС-10П, реле, обеспечивающих преобразование двоично-десятичной информации в блоке автоматического уравновешивания в десятичную информацию.

В блок коммутации входят переключатель тензорезисторов и внутренний полумост.

Общие указания.

Работу прибора начинайте только после тщательного изучения всех пунктов инструкции.

При изучении прибора произведите внешний осмотр и убедитесь в отсутствии механических повреждений. Проверьте комплектность прибора согласно формуляру.

Прибор может эксплуатироваться в лабораторных и стендовых условиях, а также на открытом воздухе при окружающей температуре от минус 10 до плюс 40 °С и влажности воздуха от 30 до 80%.

Погрешность прибора при его эксплуатации в зонах магнитного и электрического полей и в зоне радиоактивности заводом не гарантируется.

В случае пребывания прибора при температуре ниже минус 10 °С его эксплуатация при плюсовых температурах допустима только после 2-3 ч пребывания при температуре эксплуатации.

Порядок работы

Измерение производите путем кратковременного нажатия кнопки "ПУСК". Отсчет показаний визуальный по цифровому табло. Начальное показание принимается за условный нуль измерения.

Величина деформации при коэффициенте тензочувствительности тензорезистора =2 определяется по формуле:

Где - начальное измерение;

Измерение при нагруженном объекте.

При коэффициенте тензочувствительности тензорезисторов , то

Где - истинная относительная деформация;

- относительная деформация, измеренная прибором;

- коэффициент тензочувствительности.

Для уменьшения влияния активного сопротивления линии (проводов, соединяющих прибор с внешними тензорезисторами), рекомендуется применять линии по возможности малой длины и сечением каждого провода не менее 0,75 мм.

При работе с линиями длиной более 10 м необходимо в показания прибора вводить поправочный коэффициент, зависящий от величины активного сопротивления соединительной линии или производить тарировку применяемых тензорезисторов совместно с соединительной линией.

Измерение параметров, регулирование и настройка.

Прибор не требует перед измерениями предварительной настройки и регулирования. Необходимо периодически производить проверку основной погрешности.

3.3. Измеритель статических деформаций ИД-62М

Прибор ИД-62М на транзисторах с питанием от батареи карманного фонаря предназначается для измерения статических деформаций и медленно изменяющегося процесса с частотой измерения не более 1/2 периода в секунду.

Прибор оформлен в переносном исполнении в виде одной упаковки. Применяемые проволочные датчики могут иметь сопротивление 50-500 Ом и коэффициент чувствительности 1,8-2,2. Большое удобство при эксплуатации представляет использование датчиков сопротивлением в 120 Ом и коэффициентом чувствительности 2,0, т.к. при выпуске приборы имеют типовую тарировку применительно к датчикам этих номиналов. При использовании датчиков других номиналов следует производить дополнительную тарировку.

Прибор работает с двумя датчиками или группами по 9 активных и компенсационных или вторых рабочих с поочередным включением их через штепсельный разъем и переключатель.

Протарированные исправные приборы в течение весьма длительного времени сохраняют свои тарировочные данные.

В приборе имеется устройство, позволяющее производить проверку работоспособности прибора, тарировки и корректировку нулевых показаний, что делает его особенно ценным при проведении долговременных испытаний.

Краткие технические характеристики прибора ИД-62М

а) Диапазон измерений. Предел измерений охватывает упругую и пластическую зоны деформаций металлических конструкций и складывается из 10 диапазонов по 1000 мк/м и реохорда 2000 мк/м, что в сумме составляет около 12000 мк/м или 1,2%.

б) Градуировка. Шкала реохорда проградуирована в микронах/метр от 0 до 2000. Риски нанесены через 10 единиц.

в) Разрешающая способность. Разрешающей способностью прибора следует считать 0,5 делений, что соответствует 5 мк/м. Для стали с модулем упругости кг/см деформаций соответствует напряжению 10,5 кг/см.

г) Корректировка нулевых отчетов и чувствительности. Для повышения точности измерения в приборе предусмотрена возможность корректировки дрейфа и проверки постоянства градуировки реохорда.

д) Предел регулировки коэффициента чувствительности. Предел регулировки обеспечивает использование тензометров с коэффициентом чувствительности от 1,8 до 2,2.

е) Питание прибора. Прибор питается от двух батарей карманного фонаря 3,7 В, потребляемый ток около 5 мА.

ж) Габариты 260х200х145.

з) Вес прибора 4,6 кг.

Проведение измерений с прибором ИД-62М.

Проведение экспериментальных работ с прибором включает в себя:

а) подготовку датчиков и установку их в местах измерений;

б) тарировку прибора ИД;

в) снятие показаний и обработку результатов.

Подготовка и установка датчиков для измерений были рассмотрены в разделе "Тензометры".

Снятие показаний и проведение тарировки включает в себя большинство одинаковых операций, в связи с чем ниже дается порядок выполнения последовательных операций по снятию показаний, а далее приводятся правила выполнения тарировки.

Порядок выполнения операции:

а) подать питание и прогреть прибор в течение 15 мин;

б) проверить работоспособность прибора, для чего переключатель П установить в положение эталон нуля "ЭТ 0" и сбалансировать прибор переключателями П, П и реохордом - "Настройка", записать показания;

в) переключатель П поставить в положение "Тарировка" ("ТАР") при этом дается разбаланс моста в 0,1 Ом.

На шкале реохорда должна быть разница, равная 417 делений применительно к типовой тарировке (=120 Ом, =2).

4. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

При измерении деформаций и напряжений трубы действующего газопровода, а также деформаций и напряжений трубы при ее перевозке, наиболее целесообразно применять в качестве измерительных преобразователей тензорезиоторы (называемые также тензометрами сопротивления или тензосопротивлениями).

Использование тензорезисторов для этих целей обуславливается их малыми размерами, небольшой массой, возможностью дистанционного измерения статических и динамических деформаций и т.д.

Физическое явление, на котором основано действие тензорезисторов, состоит в свойстве материалов изменять свое электрическое сопротивление под воздействием приложенной к ним растягивающей или сжимающей силы.

В настоящее время в практике измерений используют проволочные, фольговые и полупроводниковые тензорезисторы.

4.1. Проволочные тензорезисторы

В наиболее простом случае проволочные тензорезисторы представляют собой отрезок проволоки, концы которой (или весь отрезок) жестко закрепляются с помощью клея или цемента на упругодеформируемой детали.

Сжатие или растяжение детали вызывает пропорциональное сжатие или растяжение проволоки, в результате чего изменяются ее длина, поперечное сечение и удельное электрическое сопротивление, что приводит, в конечном счете, к изменению электрического сопротивления проволоки. Так, если в исходном состоянии электрическое сопротивление проволоки:

Где - удельное электрическое сопротивление материала;

- начальная длина деформируемого участка;

- площадь сечения проволоки,

то при растяжении проволоки ее сопротивление изменится на величину и составит .

Относительное изменение сопротивления тензорезистора определяется соотношением

Где - изменение длины;

- изменение удельного электрического сопротивления;

Если процедура оплаты на сайте платежной системы не была завершена, денежные
средства с вашего счета списаны НЕ будут и подтверждения оплаты мы не получим.
В этом случае вы можете повторить покупку документа с помощью кнопки справа.

Произошла ошибка

Платеж не был завершен из-за технической ошибки, денежные средства с вашего счета
списаны не были. Попробуйте подождать несколько минут и повторить платеж еще раз.