Микропрод в стеклянной оболочке для тензометрии сосудов высокого давления

1.

МИКРОПРОД В СТЕКЛЯННОЙ
ОБОЛОЧКЕ
для тензометрии сосудов
высокого давления
В настоящей презентации мы представляем новое
техническое решение бесконтактного тензодатчика
для контроля целости сосудов высокого давления.

2.

Конструкция металлокомпозитного баллона
высокого давления
Взято из интернета

3.

Решение задачи измерения давления и целостности
лейнера
О давлении газа внутри баллона можно судить по деформации леера. Для
измерения деформации может быть применён микропроволочный тензодатчик.
Разрушению лейера, как правило, предшествует пластическая деформация,
которую можно определить тензометрическими измерениями. Таким образом
контролируя состояние леера можно диагностировать безопасность эксплуатации
баллонов.
Микропроволочный тензодатчик прочно прикрепляется к лейнеру баллона, до
намотки армирующей оболочки. Затем наматывается армирующая оболочка по
существующей технологии.
Считывание деформации осуществляется бесконтактно. Считывающая головка
измерителя деформации подносится (приближается) к участкам баллона в местах
расположения датчиков. При этом определяется величина деформации лейнера в
данной области.
По величине деформации определяется давление в баллоне, а в случае
пластической деформации лейнера, или повреждения оболочки, зона его
расположения.
Таким образом, используя тензодатчик, можно приборно проводить диагностику
состояния лейнера и армирующей оболочки. При этом повышается надёжность и
безопасность эксплуатации сосудов высокого давления, а также возможность
контролировать давление внутри баллонов.

4.

Конструкция тензодатчика и принцип его работы
Чувствительный элемент тензодатчика представляет собой отрезок ферромагнитного
микропровода, обладающий высокой чувствительностью к деформации растяжением.
При помещении такого отрезка микропровода в переменное магнитное поле,
генерируемое намагничивающей катушкой измерителя деформации, происходит
перемагничивание отрезка микропровода. При перемагничивании отрезок
микропровода индуцирует два электромагнитных импульса (положительный и
отрицательный) за каждый период перемагничивания. Эти электромагнитные
импульсы наводят э.д.с в приёмной катушкой измерителя деформации.
Величина деформации определяется величиной коэрцитивной силы, то есть
расстоянием между положительным и отрицательным импульсами.
Для правильного определения деформации головка измерителя должна быть
расположена в зоне расположения датчиков. Эти зоны должны быть отмечены на
поверхности баллона.
• Тензодатчик

5.

Тензодатчик закреплённый на
клейкой ленте

6.

Внешний вид считывателя
деформации

7.

Считыватель деформации
• Макет считывателя деформации представляет из себя электронное
устройство, состоящее из измерительной головки, состоящей из
намагничивающей и измерительной катушек; генератора
синусоидального напряжения возбуждающего переменное магнитное
поле; пары измерительной и компенсационной катушек и далее,
усилителя, фильтра, устройства обработки сигнала и индикации.
• Насадка на измерительную головку, установленная на макете,
предназначена для установления расстояния от измерительной
головки до тензодатчика. Её толщина равна толщине композитной
оболочки баллона (около 15 мм.). В рабочем варианте насадка не
используется.
• На корпусе считывателя расположена кнопка включения измерений.
• Устройство питания выполнено отдельным блоком.

8.

Имитатор баллона
Имитатор баллона – пластиковый
баллон с манометром,
указывающим создаваемое
давление.
На имитаторе баллона закреплены
тензодатчики расположенные на
клейкой ленте.

9.

Процесс измерения
деформации
Измеритель деформации
прикладывается к месту
расположения тензодатчика.

10.

Измерение деформации
Измерение деформации при
давлении в баллоне 0,2 атм.

11.

Физический принцип
работы тензодатчика
Импульсы перемагничивания датчика
деформации
600
400
200
0
-200
1
69
137
205
273
341
409
477
545
613
681
749
817
885
953
1021
1089
1157
1225
1293
1361
1429
1497
1565
1633
1701
1769
1837
1905
1973
2041
2109
При приложении переменного
магнитного поля за один период
индуцируются два импульса
(положительный и отрицательный).
Расстояние между импульсами
пропорционально относительной
деформации.
При приложении растягивающей
нагрузки расстояние между
импульсами увеличивается.
Микропровод, используемый в
качестве тензодатчика имеет
бистабильный характер
перемагничивания, то есть
прямоугольную петлю гистерезиса.
-400
-600
Петля гистерезиса при перемагничивании
2500
2000
1500
1000
500
0
-1500
-1000
-500
-500
-1000
-1500
-2000
-2500
0
500
1000
1500

12.

Получение микропровода c высокой
тензочувствительностью
• Измерительный микропровод с высокой тензочувствительностью
получают из сплавов имеющих большую магнитострикцию.
• Микропровод получают по типовой технологии литья из жидкой фазы
методом Улитовского – Тейлора.
• Затем микропровод проходит термомеханическую обработку.
• В исходном микропроводе величина тензочувствительности лежит в
интервале 200 – 400.
• После термомеханической обработки коэффициент
тензочувствительности может достигать 40000, что намного больше
чем у других датчиков.

13.

Измерение тензочувствительности микропровода
• Для измерения магнитных характеристик микропровода в процессе
растяжения применяется типовой измеритель тензочувствительности
состоящий из винтового устройства натяжения и измерителя
магнитных характеристик - ВН метра.
• При измерении тензочувствительности отрезок микропровода
растягивается на заданную величину и измеряются параметры петли
гистерезиса.

14.

Стенд для измерения
тензочувствительности

15.

Литьё микропровода в стеклянной оболочке по
методу Улитовского-Тейлора

16.

Установка для литья микропровода ITMF-3
Разработка MFTI

17.

Микропровод в стеклянной оболочке под микроскопом

18.

Микропровод на бобинах

19.

Магнитные микропровода
Высокие скорости охлаждения жилы микропровода при литье из жидкой фазы позволяют
в ряде сплавов фиксировать аморфную или микрокристаллическую структуру.
В микропроводах изначально, присутствуют магнитные анизотропии. Главные из них,
магнитостатическая или анизотропия формы, связанная с цилиндрической формой жилы
микропровода, и магнитоупругая, связанная с напряжениями, возникшими под
действием стеклянной оболочки, прочно соединённой с металлической жилой. Металл
жилы и стеклянная оболочка затвердевают практически одновременно при температуре
примерно 600 - 800 град. С, и охлаждаются до комнатной температуры твёрдыми телами.
Вследствие разницы коэффициентов расширения (у стекла примерно в 10 раз меньше,
чем у металла), и прочного сцепления жилы и оболочки, в металлической жиле
возникают всесторонние растягивающие, а в стекле сжимающие напряжения.

20.

Примеры магнитных микропроводов
Бистабильные магнитные микропровода
При положительной магнитострикции (сплавы на основе железа) направление
магнитостатической, магнитоупругой анизотропий и направление легкого
намагничивания, совпадают с осью микропровода. Микропровод обладает
свойством бистабильности. Перемагничивание происходит одним большим
скачком Баркгаузена.
1
0,8
0,6
B, (V)
0,4
0,2
0
-400
-200
-0,2 0
200
400
-0,4
-0,6
-0,8
-1
Hc, A/m
Импульс перемагничивания и петля гистерезиса бистабильного
микропровода

21.

Преимущества применения микропроводных тензодатчиков
Беспроводное (бесконтактное) считывание величины деформации.
Чувствительный элемент тензодатчика (микропровод) имеет протяженные размеры и
охватывает всю исследуемую поверхность. То есть можно контролировать любую
локальную область поверхности.
Область считывания детектирующей катушки имеет небольшие размеры (10х30 мм),
что позволяет контролировать локальные участки исследуемой поверхности.
Технология встраивания тензодатчика в конструкцию баллона, на наш взгляд, будет
достаточно простой и не потребует значительного усложнения существующей
технологии армирования.
Микропровод имеет стеклянную оболочку, что делает его коррозионно - стойким.
Температурный интервал работы от минус 50 до плюс 450 градусов Цельсия.
Временная стабильность – высокая.

22.

1200,00
Датчик
#1
Датчик
#2
Датчик
#3
Датчик
#4
Датчик
#5
Датчик
#6
Датчик
#7
Датчик
#8
Датчик
#9
Датчик
#10
Датчик
#11
1000,00
800,00
600,00
400,00
200,00
0,00
0
0.04 0.08 0.12 0.16 0.20 0.24 0.20 0.16 0.12 0.08 0.04
0
Результаты измерения деформации от давления в баллоне 11 датчиками
при увеличении давления до 0,24 атм и уменьшении до нуля
Как видно из графиков, деформация в месте расположения датчиков
7, 8, и 9 значительно больше чем на остальных участках баллона.
Возможная причина – различие в толщине стенки имитатора
баллона.