Приборы магнитометрические для определения концентрации напряжений ИКН
Область магнитных измерений — узкоспециальная область, производством и метрологическим обеспечением средств измерений (далее - СИ) для которой в РФ занимается небольшое число организаций. К сожалению, распространение информации об обнаруженных особенностях работы/проблемах СИ как внутри данного круга, так и вовне, в среду конечных пользователей СИ, затруднено по ряду причин. Дефицит подобной информации как у поверителей/калибровщиков, так и у потребителей прямо сказывается на качестве выполняемых измерений, наглядным примером чего являются приборы серии ИКН.
Устройство приборов
Приборы серии ИКН предназначены для неразрушающего контроля изделий методом магнитной памяти металла (далее — МПМ). В данной статье я хотел бы коснуться метрологической стороны приборов, используемых для реализации метода МПМ, а не самого метода.
Приборы серии ИКН состоят из блока индикации («прибор» в терминологии эксплуатационной документации) и сканирующего устройства.
Необходимо войти для просмотра
Сканирующее устройство содержит первичные преобразователи для измерения двух физических величин:
В качестве первичных преобразователей для измерения НМП используются феррозонды. Аналого-цифровое преобразование осуществляется в самом сканирующем устройстве, там же хранится градуировочная характеристика преобразователей — таким образом, с точки зрения метрологии нам интересны именно сканирующие устройства.
Количество феррозондов в сканирующих устройствах варьируется в диапазоне от 1 до 32. Подключение каждого из феррозондов требует наличия в блоке индикации достаточного количества измерительных каналов — с годами их максимальное количество в приборах серии ИКН увеличивалось.
Необходимо войти для просмотра
В интернете можно найти фото, по-видимому, первого прибора серии — ИКН-1М-3, снабженного тремя измерительными каналами. Первый же прибор, внесенный в государственный реестр средств измерений (далее — ГРСИ) в 2000 году — ИКН-1М-4 — снабжен уже четырьмя каналами.
Необходимо войти для просмотра
Сами сканирующие устройства разрабатывались под различные практические задачи, сильно различаются внешним видом — для целей этой статьи важным является следующее изменение конструкции — переход от однокомпонентных феррозондов к двух- и трехкомпонентным. Однокомпонентные феррозонды используются для измерения нормальной относительно поверхности объекта контроля составляющей вектора НМП, двухкомпонентные дополнительно измеряют компоненту, соответствующую направлению движения сканирующего устройства, трехкомпонентные предназначены для измерения всех трех компонент вектора НМП.
Калибровка в магнитном поле Земли
Необходимо войти для просмотра
Представим, что мы хотим градуировать шкалу СИ, предназначенного для измерения положительных и отрицательных значений некоторой физической величины.
Необходимо войти для просмотра
Чаще всего градуировка осуществляется по двум точкам — нулевому значению, соответствующему отсутствию воздействия физической величины на чувствительный элемент СИ, и некоторому значению величины, отличному от нуля (5 в нашем примере).
В случае СИ индукции/напряженности магнитного поля этот способ градуировки используется во всех известных мне случаях, кроме приборов серии ИКН (например, в измерителях магнитной индукции ИМП-2). Недостатком данного метода является необходимость помещения первичного преобразователя СИ в магнитный экран для исключения влияния магнитного поля Земли и достижения таким образом «нуля».
Необходимо войти для просмотра
В приборах серии ИКН градуировка («калибровка» в терминологии эксплуатационной документации) осуществляется по двум точкам — положительному и отрицательному значениям НМП, равным по модулю. Плюсом такого метода является возможность выполнить градуировку СИ в магнитном поле Земли (среднее значение 40 А/м). Нулевое значение шкалы при градуировке этим методом определяется как середина между двумя значениями измерительного сигнала, соответствующими градуировочным значениям НМП.
Из того, что градуировка в приборах серии ИКН выполняется по двум точкам, следует, что градуировкой мы задаем наклон кривой зависимости показаний прибора от величины измерительного сигнала. Градуировкой прибора мы можем изменить только угол наклона этой кривой, то есть, коэффициент пропорциональности показаний прибора измерительному сигналу, который одинаков для каждого значения диапазона измерений. Критерием правильной градуировки СИ является попадание погрешности измерений в установленные в описании типа границы во всем диапазоне измерений.
В случае приборов серии ИКН таким критерием является приведенная погрешность ±5 % с нормирующим значением 2000 А/м. Так как коэффициент пропорциональности, на который мы можем повлиять, для всего диапазона измерений один, градуируя прибор по значению, отличному от значения 2000 А/м, мы, тем не менее, должны уложиться в значение допустимого отклонения (относительной погрешности измерений) ±5 %, чтобы и в точке 2000 А/м после градуировки погрешность измерений удовлетворяла указанному выше критерию.
Методика поверки предполагает выполнение градуировки в поле напряженностью 1000 А/м. В эксплуатационной документации ИКН приведены значения 40 А/м для градуировки в полевых условиях, и 2000 А/м для градуировки в лабораторных условиях. Нас интересуют случаи градуировки в поле напряженностью 40 и 1000 А/м.
Далее приведены графики зависимости относительной погрешности измерений от действительных значений НМП (воспроизводимых мерой магнитной индукции/мерой напряженности магнитного поля) для случая градуировки в поле с напряженностью 1000 А/м.
Однокомпонентные феррозонды
На графике ниже приведены кривые зависимости относительной погрешности измерений от действительных значений НМП для прибора модификации 1М-4 со сканирующим устройством, оснащенным однокомпонентными феррозондами.
Необходимо войти для просмотра
Из приведенного выше критерия следует, что отклонение между погрешностью измерений в точке, соответствующей градуировочному значению ±1000 А/м, и точке, соответствующей ±2000 А/м, не должно превышать 5 %. Данное условие выполняется. Это же условие выполняется и для градуировочного значения ±40 А/м. Таким образом, градуировка может быть выполнена при обоих градуировочных значениях.
Двухкомпонентные феррозонды
На графике ниже приведены кривые зависимости относительной погрешности измерений от действительных значений НМП прибора ИКН-3М-12 со сканирующим устройством, оснащенным двухкомпонентными феррозондами. Данные кривые являются типичными для многокомпонентных феррозондов, используемых в сканирующих устройствах приборов серии ИКН.
Необходимо войти для просмотра
Как мы видим, форма кривых зависимости относительной погрешности измерений от действительных значений НМП, полученных для двухкомпонентных феррозондов отличается от случая однокомпонентных феррозондов. В области малых полей эти кривые имеют «провал», положение и глубина которого зависят от особенностей конкретного феррозонда. Отклонение между значениями относительной погрешности измерений в точках ±1000 А/м и ±2000 А/м меньше 5 % для каждой из кривых. Отклонение между значениями относительной погрешности измерений в точках ±40 А/м и ±2000 А/м для ряда кривых больше 5 %, то есть, градуировка в поле ±40 А/м приведет к тому, что погрешность измерений СИ превысит допустимую. В подтверждение ниже приведен график с кривыми зависимостей погрешности измерений от действительных значений НМП, полученных для одного феррозонда и двух случаев градуировки — в поле напряженностью ±1000 А/м и ±40 А/м. Для наглядности на график нанесены кривые границ допустимой погрешности, полученные путем пересчета нормированного значения приведенной погрешности в значения относительной погрешности.
Необходимо войти для просмотра
Величина погрешности измерений, вызванной калибровкой в поле Земли, будет зависеть от особенностей конкретного феррозонда, однако точно можно сказать, что указание о возможности выполнения градуировки в поле Земли в эксплуатационной документации приборов со сканирующими устройствами, оснащенными многокомпонентными феррозондами, является ошибочным.
Установка нуля
Как я говорил выше, нулевое значение шкалы при градуировке методом, реализованным в приборах серии ИКН, определяется как середина между двумя значениями измерительного сигнала, соответствующими положительному и отрицательному градуировочным значениям НМП. Важным условием для правильности данного расчета является симметрия градуировочных характеристик для положительных и отрицательных значений величины. Из приведенных выше графиков видно, что для однокомпонентных феррозондов это условие выполняется в большей степени, чем для многокомпонентных. Это приводит к тому, что в магнитном экране, даже после правильно выполненной градуировки, значения НМП, индицируемые прибором, будут отличны от нуля. В приборах серии ИКН есть функция установки нуля (H0_set), смещающая градуировочную характеристику феррозонда вверх/вниз на значение отклонения показаний прибора в нулевом поле от нуля, что решает данную проблему. Единственным прибором серии ИКН, в котором данной функции нет, является ИКНМ-2ФП. В методике поверки ИКНМ-2ФП предлагается получить ноль на экране прибора путем поворота меры напряженности магнитного поля — это ошибочный подход, когда речь идет об измерениях, выполняемых в магнитном экране.
«Проблема 1860»
У ряда приборов ИКН есть программная ошибка, которая проявляется в следующем — прибор зависает при попытке измерения НМП в дипазоне примерно от 1830 до 1860 А/м для сканирующих устройств с диапазоном измерений до 1999 А/м и примерно от 183 до 186 А/м для сканирующих устройств с диапазоном измерений 199,9 А/м (далее для простоты будем говорить о первом случае).
Если сканирующее устройство отключить от блока индикации в процессе работы, прибор сигнализирует это ежесекундным звуковым сигналом. Аналогично он ведет себя при попытке измерить НМП в указанных диапазонах. Цифровые показания на экране прибора при этом не изменяются. Данная проблема характерна только для положительных измеренных значений НМП. Проблема выявляется в диапазоне шириной 30 А/м, сам диапазон зависит от градуировки прибора, смещается вверх-вниз.
Проблема выявлялась мной у приборов следующих модификаций:
Проблема, убежден, встречается и у других приборов серии и версий ПО, но утверждать я могу только о тех, с которыми сталкивался. Также могу добавить, что у приборов модификации 1М-4 данная проблема не наблюдалась.
Измерение длины
Приборы серии ИКН внесены в ГРСИ как средства измерений НМП, вопрос измерений длины был опущен и методика поверки приборов не предполагает проверку точности измерений длины. Рекомендую периодически проверять точность измерения длины согласно методике, описанной в эксплуатационной документации.
Расстояние базы
Часто в поверку поступают приборы, у которых неправильно установлено значение расстояния базы измерений b (расстояние между соседними сканирующими устройствами). Просьба внимательнее относиться к настройке данного параметра в процессе эксплуатации.
Резюме
Область магнитных измерений — узкоспециальная область, производством и метрологическим обеспечением средств измерений (далее - СИ) для которой в РФ занимается небольшое число организаций. К сожалению, распространение информации об обнаруженных особенностях работы/проблемах СИ как внутри данного круга, так и вовне, в среду конечных пользователей СИ, затруднено по ряду причин. Дефицит подобной информации как у поверителей/калибровщиков, так и у потребителей прямо сказывается на качестве выполняемых измерений, наглядным примером чего являются приборы серии ИКН.
Устройство приборов
Приборы серии ИКН предназначены для неразрушающего контроля изделий методом магнитной памяти металла (далее — МПМ). В данной статье я хотел бы коснуться метрологической стороны приборов, используемых для реализации метода МПМ, а не самого метода.
Приборы серии ИКН состоят из блока индикации («прибор» в терминологии эксплуатационной документации) и сканирующего устройства.
Необходимо войти для просмотра
Сканирующее устройство содержит первичные преобразователи для измерения двух физических величин:
- напряженности магнитного поля (далее — НМП) в форме остаточной намагниченности объекта контроля или фонового магнитного поля, от которого может производиться отстройка;
- длины, если сканирующее устройство снабжено «колесами».
В качестве первичных преобразователей для измерения НМП используются феррозонды. Аналого-цифровое преобразование осуществляется в самом сканирующем устройстве, там же хранится градуировочная характеристика преобразователей — таким образом, с точки зрения метрологии нам интересны именно сканирующие устройства.
Количество феррозондов в сканирующих устройствах варьируется в диапазоне от 1 до 32. Подключение каждого из феррозондов требует наличия в блоке индикации достаточного количества измерительных каналов — с годами их максимальное количество в приборах серии ИКН увеличивалось.
Необходимо войти для просмотра
В интернете можно найти фото, по-видимому, первого прибора серии — ИКН-1М-3, снабженного тремя измерительными каналами. Первый же прибор, внесенный в государственный реестр средств измерений (далее — ГРСИ) в 2000 году — ИКН-1М-4 — снабжен уже четырьмя каналами.
Необходимо войти для просмотра
Сами сканирующие устройства разрабатывались под различные практические задачи, сильно различаются внешним видом — для целей этой статьи важным является следующее изменение конструкции — переход от однокомпонентных феррозондов к двух- и трехкомпонентным. Однокомпонентные феррозонды используются для измерения нормальной относительно поверхности объекта контроля составляющей вектора НМП, двухкомпонентные дополнительно измеряют компоненту, соответствующую направлению движения сканирующего устройства, трехкомпонентные предназначены для измерения всех трех компонент вектора НМП.
Калибровка в магнитном поле Земли
Необходимо войти для просмотра
Представим, что мы хотим градуировать шкалу СИ, предназначенного для измерения положительных и отрицательных значений некоторой физической величины.
Необходимо войти для просмотра
Чаще всего градуировка осуществляется по двум точкам — нулевому значению, соответствующему отсутствию воздействия физической величины на чувствительный элемент СИ, и некоторому значению величины, отличному от нуля (5 в нашем примере).
В случае СИ индукции/напряженности магнитного поля этот способ градуировки используется во всех известных мне случаях, кроме приборов серии ИКН (например, в измерителях магнитной индукции ИМП-2). Недостатком данного метода является необходимость помещения первичного преобразователя СИ в магнитный экран для исключения влияния магнитного поля Земли и достижения таким образом «нуля».
Необходимо войти для просмотра
В приборах серии ИКН градуировка («калибровка» в терминологии эксплуатационной документации) осуществляется по двум точкам — положительному и отрицательному значениям НМП, равным по модулю. Плюсом такого метода является возможность выполнить градуировку СИ в магнитном поле Земли (среднее значение 40 А/м). Нулевое значение шкалы при градуировке этим методом определяется как середина между двумя значениями измерительного сигнала, соответствующими градуировочным значениям НМП.
Из того, что градуировка в приборах серии ИКН выполняется по двум точкам, следует, что градуировкой мы задаем наклон кривой зависимости показаний прибора от величины измерительного сигнала. Градуировкой прибора мы можем изменить только угол наклона этой кривой, то есть, коэффициент пропорциональности показаний прибора измерительному сигналу, который одинаков для каждого значения диапазона измерений. Критерием правильной градуировки СИ является попадание погрешности измерений в установленные в описании типа границы во всем диапазоне измерений.
В случае приборов серии ИКН таким критерием является приведенная погрешность ±5 % с нормирующим значением 2000 А/м. Так как коэффициент пропорциональности, на который мы можем повлиять, для всего диапазона измерений один, градуируя прибор по значению, отличному от значения 2000 А/м, мы, тем не менее, должны уложиться в значение допустимого отклонения (относительной погрешности измерений) ±5 %, чтобы и в точке 2000 А/м после градуировки погрешность измерений удовлетворяла указанному выше критерию.
Методика поверки предполагает выполнение градуировки в поле напряженностью 1000 А/м. В эксплуатационной документации ИКН приведены значения 40 А/м для градуировки в полевых условиях, и 2000 А/м для градуировки в лабораторных условиях. Нас интересуют случаи градуировки в поле напряженностью 40 и 1000 А/м.
Далее приведены графики зависимости относительной погрешности измерений от действительных значений НМП (воспроизводимых мерой магнитной индукции/мерой напряженности магнитного поля) для случая градуировки в поле с напряженностью 1000 А/м.
Однокомпонентные феррозонды
На графике ниже приведены кривые зависимости относительной погрешности измерений от действительных значений НМП для прибора модификации 1М-4 со сканирующим устройством, оснащенным однокомпонентными феррозондами.
Необходимо войти для просмотра
Из приведенного выше критерия следует, что отклонение между погрешностью измерений в точке, соответствующей градуировочному значению ±1000 А/м, и точке, соответствующей ±2000 А/м, не должно превышать 5 %. Данное условие выполняется. Это же условие выполняется и для градуировочного значения ±40 А/м. Таким образом, градуировка может быть выполнена при обоих градуировочных значениях.
Двухкомпонентные феррозонды
На графике ниже приведены кривые зависимости относительной погрешности измерений от действительных значений НМП прибора ИКН-3М-12 со сканирующим устройством, оснащенным двухкомпонентными феррозондами. Данные кривые являются типичными для многокомпонентных феррозондов, используемых в сканирующих устройствах приборов серии ИКН.
Необходимо войти для просмотра
Как мы видим, форма кривых зависимости относительной погрешности измерений от действительных значений НМП, полученных для двухкомпонентных феррозондов отличается от случая однокомпонентных феррозондов. В области малых полей эти кривые имеют «провал», положение и глубина которого зависят от особенностей конкретного феррозонда. Отклонение между значениями относительной погрешности измерений в точках ±1000 А/м и ±2000 А/м меньше 5 % для каждой из кривых. Отклонение между значениями относительной погрешности измерений в точках ±40 А/м и ±2000 А/м для ряда кривых больше 5 %, то есть, градуировка в поле ±40 А/м приведет к тому, что погрешность измерений СИ превысит допустимую. В подтверждение ниже приведен график с кривыми зависимостей погрешности измерений от действительных значений НМП, полученных для одного феррозонда и двух случаев градуировки — в поле напряженностью ±1000 А/м и ±40 А/м. Для наглядности на график нанесены кривые границ допустимой погрешности, полученные путем пересчета нормированного значения приведенной погрешности в значения относительной погрешности.
Необходимо войти для просмотра
Величина погрешности измерений, вызванной калибровкой в поле Земли, будет зависеть от особенностей конкретного феррозонда, однако точно можно сказать, что указание о возможности выполнения градуировки в поле Земли в эксплуатационной документации приборов со сканирующими устройствами, оснащенными многокомпонентными феррозондами, является ошибочным.
Установка нуля
Как я говорил выше, нулевое значение шкалы при градуировке методом, реализованным в приборах серии ИКН, определяется как середина между двумя значениями измерительного сигнала, соответствующими положительному и отрицательному градуировочным значениям НМП. Важным условием для правильности данного расчета является симметрия градуировочных характеристик для положительных и отрицательных значений величины. Из приведенных выше графиков видно, что для однокомпонентных феррозондов это условие выполняется в большей степени, чем для многокомпонентных. Это приводит к тому, что в магнитном экране, даже после правильно выполненной градуировки, значения НМП, индицируемые прибором, будут отличны от нуля. В приборах серии ИКН есть функция установки нуля (H0_set), смещающая градуировочную характеристику феррозонда вверх/вниз на значение отклонения показаний прибора в нулевом поле от нуля, что решает данную проблему. Единственным прибором серии ИКН, в котором данной функции нет, является ИКНМ-2ФП. В методике поверки ИКНМ-2ФП предлагается получить ноль на экране прибора путем поворота меры напряженности магнитного поля — это ошибочный подход, когда речь идет об измерениях, выполняемых в магнитном экране.
«Проблема 1860»
У ряда приборов ИКН есть программная ошибка, которая проявляется в следующем — прибор зависает при попытке измерения НМП в дипазоне примерно от 1830 до 1860 А/м для сканирующих устройств с диапазоном измерений до 1999 А/м и примерно от 183 до 186 А/м для сканирующих устройств с диапазоном измерений 199,9 А/м (далее для простоты будем говорить о первом случае).
Если сканирующее устройство отключить от блока индикации в процессе работы, прибор сигнализирует это ежесекундным звуковым сигналом. Аналогично он ведет себя при попытке измерить НМП в указанных диапазонах. Цифровые показания на экране прибора при этом не изменяются. Данная проблема характерна только для положительных измеренных значений НМП. Проблема выявляется в диапазоне шириной 30 А/м, сам диапазон зависит от градуировки прибора, смещается вверх-вниз.
Проблема выявлялась мной у приборов следующих модификаций:
- 2М-8 (версии ПО 1.04 и старше);
- 3М-12 (версии ПО 1.03 и старше);
- 4М-16-024 (версии ПО 1.02 и старше).
Проблема, убежден, встречается и у других приборов серии и версий ПО, но утверждать я могу только о тех, с которыми сталкивался. Также могу добавить, что у приборов модификации 1М-4 данная проблема не наблюдалась.
Измерение длины
Приборы серии ИКН внесены в ГРСИ как средства измерений НМП, вопрос измерений длины был опущен и методика поверки приборов не предполагает проверку точности измерений длины. Рекомендую периодически проверять точность измерения длины согласно методике, описанной в эксплуатационной документации.
Расстояние базы
Часто в поверку поступают приборы, у которых неправильно установлено значение расстояния базы измерений b (расстояние между соседними сканирующими устройствами). Просьба внимательнее относиться к настройке данного параметра в процессе эксплуатации.
Резюме
- Не выполняйте калибровку в поле Земли приборов со сканирующими устройствами, снабженными многокомпонентными феррозондами;
- Периодически выполняйте проверку точности измерения длины;
- Правильно устанавливайте в приборах значение расстояния базы измерений b.
