Вэ 27нц руководство по эксплуатации

Измерение удельной электрической проводимости цветных металлов, приборы и средства метрологического обеспечения

Измерение удельной электрической проводимости (УЭП) цветных металлов необходимо, например, для контроля параметров термообработки алюминиевых сплавов, для контроля качества поставляемой меди при производстве крупных электрическим машин и т. д. Целью статьи является описание особенностей вихретоковых измерителей УЭП, с точки зрения обеспечения достоверности измерений, и средств метрологического обеспечения измерений УЭП.

В государственном реестре средств измерений РФ внесены 4 актуальные записи о вихретоковых измерителях УЭП: Константа К6, Sigmascope SMP10, ВЭ-27НЦ, Вихрь-АМ. Особенностью измерителей УЭП ВЭ-27НЦ и Вихрь-АМ является алгоритм запуска, подразумевающий стартовую калибровку на образцах УЭП. При этом следует учитывать температуру измерителей и образцов УЭП при включении приборов.

Удельная электрическая проводимость (УЭП) цветных металлов связана со многими физическими параметрами конструкционных материалов. К примеру, параметры термообработки алюминиевых сплавов возможно контролировать по значению УЭП [1]. Помимо этого, УЭП является важным параметром материалов для электротехнической промышленности. Так, применение некачественной меди при изготовлении крупных электрических машин может существенно ухудшить их характеристики и явиться причиной аварийности. Измерение УЭП меди для токоведущих компонентов при входном контроле позволяет не допустить поставку некачественного металла на производство.

Для измерения УЭП в промышленности применяются приборы, реализующие контактные [2, 3] и бесконтактные [4, 5, 6] методы измерения. Широкое распространение получили вихретоковые средства измерения (СИ). Это связано с возможностью проведения измерений без необходимости обеспечения электрического контакта с поверхностью объекта контроля, отсутствием следов на поверхности объекта контроля после проведения измерений и малым временем измерений.

В Государственном реестре СИ в настоящее время записаны 4 типа СИ УЭП, актуальных на рынке РФ [7]: Константа К6, Sigmascope SMP10 , ВЭ-27НЦ, Вихрь-АМ (рис. 1).

Представленные измерители УЭП по применяемым алгоритмам настройки (калибровки) и измерений можно условно разделить на две группы: измерители, при включении которых необходимо производить юстировку на образцах УЭП встроенных в корпус прибора (ВЭ-27НЦ, Вихрь-АМ) [8, 9] и не требующие проведение такой процедуры при включении (Константа К6, Sigmascope SMP10). Это позволяет компенсировать погрешность измерения, вызванную дрейфом параметров компонентов измерителя УЭП. При этом следует контролировать температуру образцов УЭП, на которых производится его юстировка. Их температура должна соответствовать температуре, при которой нормируется значение УЭП объекта контроля. Приборы второй группы такой процедуры не требуют, после включения они сразу готовы к работе.
Необходимо войти для просмотра

Особенностью прибора Sigmascope SMP10 является возможность измерения УЭП на различных частотах тока возбуждения, что позволяет применять его при измерении УЭП одним и тем же широкозахватным вихретоковым преобразователем (ВТП) как тонких листов на высокой частоте тока возбуждения, так и толстостенных объектов с грубой, шероховатой поверхностью на низкой частоте тока возбуждения. Помимо этого, Sigmascope SMP10 может быть укомплектован ВТП со встроенным датчиком температуры, рис. 2, (а), что в некоторых случаях позволяет компенсировать влияние температуры объекта контроля на результат измерения [10]. При проведении измерений УЭП с автоматической компенсацией температуры материала объекта контроля следует учитывать, что значение температурного коэффициента УЭП различных металлов зависит не только от значения их УЭП, но и от того, к какой группе сплавов относится материал объекта контроля. Для уменьшения дополнительной погрешности измерения, следует либо самостоятельно учитывать действительное значение температурного коэффициента УЭП измеряемого материала основываясь на показаниях встроенного датчика температуры, либо использовать алгоритмы автоматической компенсации, реализованные в программном обеспечении прибора, проведя предварительные испытания, подтверждающие эффективность предлагаемых алгоритмов при измерении УЭП контролируемых сплавов. В противном случае, различия действительных значений температурных коэффициентов измеряемых материалов и вычисленных по заложенному в прибор алгоритму могут привести к возникновению недопустимой дополнительной погрешности измерения УЭП.

Особенностью прибора Константа К6 является широкий набор преобразователей, оптимизированных для решения различных задач измерения УЭП. Прибор может поставляться как с широкозахватными ВТП, рис. 2, (б) так и с высоколокальными высокочастотными ВТП рис. 2, (в), позволяющими измерять УЭП листов толщиной от 0,4 мм и более при диаметре зоны измерения 4 мм [11].

Следует отметить, что общей для всех вихретоковых измерителей УЭП особенностью является то, что они не позволяют проводить измерение УЭП ферроманитных металлов и сплавов, к которым относятся не только конструкционные стали, но и слабомагнитные металлы, такие как аустенитные стали и железистые бронзы. При измерении УЭП слабомагнитных металлов показания вихретоковых измерителей УЭП будут занижены [12], например при измерении УЭП аустенитной стали 12Х18Н10Т показания вихретоковых измерителей будут занижены на 2-40 %, в зависимости от содержания ферритной фазы в сплаве, а так же от частоты тока возбуждения и некоторых конструктивных особенностей ВТП.
Необходимо войти для просмотра

Важным элементом метрологического обеспечения измерений УЭП являются меры УЭП. Они необходимы для заводской градуировки, калибровки в процессе эксплуатации, а также первичной и периодической поверок измерителей УЭП.

На сегодняшний день в мире существуют два эталона УЭП:

1. NIST national standard (USA). Эталон создан в Boeing metrology lab, ранее назывался «NBS traceable Boeing Industries standard» (рис. 3). Эталон представляет собой комплект мер УЭП, изготовленных в виде металлических прутков квадратного сечения. Удельная электрическая проводимость мер определена с помощью моста постоянного тока в соответствии с [13].
2. NPL AC conductivity standard (UK) (рис. 4). Эталон создан в National physic laboratory UK. Эталон представляет собой комплект мер УЭП, выполненных в виде прямоугольных пластин, изготовленных их металлических дисков, УЭП которых определена с помощью моста переменного тока на частоте 60 кГц [14].

Необходимо войти для просмотра

К этим двум эталонам обеспечивается прослеживаемость большинства зарубежных мер УЭП. Меры УЭП компаний Centurion, Zetec обеспечивают прослеживаемость к NIST national standard, меры УЭП компаний EtherNDE, General Electric обеспечивают прослеживаемость к NPL national standard (рис 5). Заявленная основная относительная допускаемая погрешность мер варьируется в диапазоне от ±1 % до ±1,2 %. Передача значения УЭП от эталонов к мерам производится в соответствии с соответствующими цепями метрологической прослеживаемости с применением вихретокового фазового метода [15, 16].

В РФ выпускаются меры удельной электрической проводимости СО-230 (рис 6). Особенностью мер СО-230 является метод измерения их удельной электрической проводимости. В отличие от выпускаемых зарубежных мер и отечественных стандартных образцов УЭП ГСО, определение значения УЭП меры производится не путем сравнения их УЭП со значением эталонных мер вихретоковым фазовым методом, а путем измерений характеристик меры электрическим методом на постоянном токе с дальнейшим вычислением значения УЭП каждой меры.
Необходимо войти для просмотра

Метод измерения УЭП мер основан на теореме ван-дер-Пау, устанавливающей соотношения для перекрестных сопротивлений плоского электропроводящего образца [17]. Метод ван-дер-Пау является вариантом четырехзондового метода измерения электрического сопротивления. Как и любой другой четырехзондовый метод, метод ван-дер-Пау чувствителен к размерам и к качеству электрических контактов. Для устранения этой проблемы применена специальная форма электрических контактов меры, а точнее специальная форма перемычек между электрическим контактом и рабочей областью меры, обоснованная теоретически [18, 19]. Результаты моделирования и расчетов показывают, что для обеспечения корректных измерений (устранения влияния формы и ширины контактов) оптимальной является конструкция основания меры, представленная на рис. 7.
Необходимо войти для просмотра

При измерении источник тока, амперметр и вольтметр подключаются по приведенной схеме, рис. 8.

Ток I12 от контакта 1 последовательно протекает через перешеек меры, образованный фигурными пропилами, рабочую область и второй перешеек к контакту 2 (рис. 7). Падение напряжения U34 измеряется на противоположных контактах меры (в данном случае, 3 и 4). Измерения Iхх и Uхх осуществляются четыре раза с последовательным переключением элементов схемы по контактам на один шаг. По результатам четырех измерений, в соответствии с [17], вычисляется УЭП по формуле:
Необходимо войти для просмотра

где – среднее значение толщины меры, Ixx – сила тока, измеренная при подключении амперметра и источника тока к соответствующим контактам меры, Uxx – напряжение, измеренное при подключении вольтметра к соответствующим контактам меры.
Необходимо войти для просмотра

В отличие от зарубежных мер УЭП и отечественных образцов УЭП ГСО, при проведении поверки мер УЭП СО-230 не используются уникальные эталоны УЭП. При этом обеспечены предел основной относительной погрешности мер УЭП СО-230 ± 1 % и прослеживаемость к государственным первичным эталонам единицы электрического сопротивления и единицы длины. Меры удельной электрической проводимости СО-230 внесены в Государственный реестр средств измерений под № 63172-16 [20]. Меры выпускаются серийно в ООО «КОНСТАНТА», поверка мер осуществляется в ФГУП «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева».
Необходимо войти для просмотра

Меры УЭП применяются для проверки работоспособности, настройки (калибровки), первичной и периодической поверки практически всех представленных в РФ вихретоковых измерителей УЭП, таких как «Константа К6», Sigmatest, Sigmascope, ВЭ-17НЦ/5, ВЭ-26НП, ВЭ-27НЦ, ВЭ-47НЦ, ВЭ-57НЦ, «Вихрь-АМ», приборов экспресс-анализа металлов, дефектоскопов и других средств измерения.

Список литературы:
1. Хайлов А.Н., Пенькова Т.Н., Бакунов А.С. и др. Неразрушающий контроль механических характеристик алюминиевых сплавов по удельной электрической проводимости. – Дефектоскопия, 2006, №7, стр. 3-14.
2. ГОСТ 23776-79 Изделия углеродные. Методы измерения удельного электрического сопротивления. — Москва: Издательство стандартов, 1987. – 16 с. — Введен с 01.01.1982.
3. ГОСТ 7229-76 Кабели, провода и шнуры. Метод определения электрического сопротивления токопроводящих жил и проводников. — Москва: Издательство стандартов, 1981. – 6 с. — Введен с 01.01.1978.
4. ГОСТ 27333-87 Контроль неразрушающий. Измерение удельной электрической проводимости цветных металлов вихретоковым методом. — Москва: Издательство стандартов, 2004. – 6 с. — Введен с 01.07.1988.
5. ASTM E1004-17, Standard Test Method for Determining Electrical Conductivity Using the Electromagnetic (Eddy Current) Method, ASTM International, West Conshohocken, PA, 2017, www.astm.org
6. DIN EN 2004-1 Aerospace series; test methods for aluminium and aluminium alloy products; part 1: determination of electrical conductivity of wrought aluminium alloys.
7. http://fundmetrology.ru/10_tipy_si/11/7list.aspx
8. СГМ 00.00.03 РЭ Измеритель удельной электрической проводимости вихретоковый ВЭ-27НЦ. Руководство по эксплуатации.
9. ДИК 00.00.01 РЭ Измерители удельной электрической проводимости цветных металлов и сплавов «ВИХРЬ-АМ». Руководство по эксплуатации.
10. Sigmascope SMP10, Electrical conductivity meashurement of non-ferrous metal enters a new dimention. – Helmut Fisher, 2002, p. 4.
11. УАЛТ 134.000.00 РЭ Прибор измерения геометрических параметров многофункциональный «Константа К6». Руководство по эксплуатации.
12. Nicola Bowler and Yongqiang Huang, Electrical conductivity measurement of metal plates using broadband eddy-current and four-point methods. Institute of Physics Publishing, Meas. Sci. Technol. 16 (2005) 2193-220, 2005, pp. 2193-2200. [NBS] Jones A. Development of non-ferrous conductivity standards at Boeing, Eddy current nondestructive testing 1981, NBS special publication 589, pp. 122-133.
13. Jones A. Development of non-ferrous conductivity standards at Boeing, Eddy current nondestructive testing 1981, NBS special publication 589, pp. 122-133.
14. Drake A. E., Lynch A. C., AC conductivity standards for the calibration of eddy-current conductivity meters, JPhysE:Sci Instruments 1987, Vol. 20 pp. 137-139.
15. DIN EN 2004-7:2017-05 Aerospace series — Test methods for aluminium and aluminium alloy products — Part 7: Reference blocks for the calibration of measuring equipment used in the determination of electrical conductivity of wrought aluminium and aluminium alloys
16. MIL-STD-1537C Test method standard for electrical conductivity test for verification of heat treatment of aluminum alloys. Eddy current method. Department of defense, 2002.
17. L. J. van der PAUW. A method of measuring specific resistivity and Hall Effect of discs of arbitrary shape. Philips Research Reports, Vol. 13, No. 1-9, 1958.
18. A.M. Thompson and D.G. Lampard, A new theorem in electrostatics and its application to calculable standards of capacitance, Nature, v. 177, p. 888, 1956.
19. R. Rimaszewski. Relations between the correction factor of the four-point probe value and the selection of potential and current electrodes, Journal of scientific instrument, 1969, ser. 2, vol. 2, pp. 170-174.
20. Описание типа средства измерения. «Меры удельной электрической проводимости СО-230» № 63172-16.