RU2571453C1 - Method for control of electroconductive polymer composite materials - Google Patents

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: method for control of electroconductive polymer composite materials includes: installation and fixation of current electrodes at opposite sides or at one side of the controlled facility, installation of two measuring electrodes at one or two surfaces of the controlled facility, simultaneous measurement of potential difference between measuring electrodes and current intensity between current electrodes, determination apparent resistance between measuring electrodes by dividing potential difference by current value between current electrodes, identification of defects in the material against value of apparent resistance, current and measuring electrodes are interconnected rigidly, the complex of current and measuring electrodes is moved along surface of the controlled facility, measurement of potential difference between measuring electrodes and current intensity between current electrodes is repeated many times in order to identify defects in the material for the whole facility.

EFFECT: improved reliability is ensured for state identification of facilities made of electroconductive polymer composite materials.

3 cl, 11 dwg

Description

Область техникиTechnical field

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для оценки надежности конструкций из электропроводных полимерных композиционных материалов (ПКМ) на основе контроля распределения электрических потенциалов по поверхности.The invention relates to the field of measurement technology and can be used to assess the reliability of structures of conductive polymer composite materials (PCM) based on the control of the distribution of electrical potentials on the surface.

Изобретение может быть использовано для контроля надежности сложных пространственных конструкций из ПКМ как в процессе производства, так и в процессе эксплуатации: пространственных сетчатых конструкций, отсеков космических аппаратов, ракетных двигателей и их элементов, трубопроводов, герметичных сосудов и т.п.The invention can be used to control the reliability of complex spatial structures from PCM both during production and during operation: spatial mesh structures, compartments of spacecraft, rocket engines and their elements, pipelines, pressurized vessels, etc.

Особенно эффективно применение заявленного изобретения при испытании потенциально опасных и дорогих в изготовлении конструкций, к которым, с одной стороны, предъявляются высокие требования по надежности эксплуатации, а с другой стороны, они являются достаточно дорогими и трудоемкими в изготовлении для того, чтобы большое количество конструкций можно было испытать методами разрушающего контроля, т.е. разрушить.Especially effective is the application of the claimed invention when testing potentially dangerous and expensive structures to manufacture, which, on the one hand, have high demands on the reliability of operation, and on the other hand, they are quite expensive and time-consuming to manufacture, so that a large number of structures can was tested using destructive testing methods, i.e. to destroy.

При этом требуется определить потенциально опасные места (узлы конструкции), которые в первую очередь могут разрушиться (вследствие наличия дефектов, пониженной прочности или других причин) при нагрузках, что может привести к аварии, и которые возможно необходимо укреплять.In this case, it is necessary to identify potentially dangerous places (structural units), which in the first place can be destroyed (due to the presence of defects, reduced strength or other reasons) under loads, which can lead to an accident, and which may need to be strengthened.

Уровень техникиState of the art

Перспективным направлением в современной технике является использование полимерных композиционных материалов, обладающих рядом преимуществ перед традиционными материалами - металлами, особенно в авиакосмических отраслях техники, машиностроении, энергетики и др. Такие материалы требуют особого подхода, новых решений при разработке и создании методов и средств оценки надежности их эксплуатации. Это вызвано большим разнообразием видов таких материалов, специфическими особенностями конструкций из них и технологией изготовления, случайным изменением физико-механических и прочностных характеристик, большим разнообразием типов дефектов, возникающих в процессе изготовления.A promising direction in modern technology is the use of polymer composite materials, which have several advantages over traditional materials - metals, especially in the aerospace industries, engineering, energy, etc. Such materials require a special approach, new solutions in the development and creation of methods and means of assessing their reliability operation. This is due to the wide variety of types of such materials, the specific features of the structures made of them and the manufacturing technology, a random change in the physicomechanical and strength characteristics, and a large variety of types of defects that arise during the manufacturing process.

Кроме того, эти материалы в большинстве отраслей промышленности работают в условиях статических и динамических нагрузок.In addition, these materials in most industries operate under static and dynamic loads.

Повысить качество конструкций невозможно без достоверной оценки критериев качества. Соответственно невозможна разработка мероприятий и технологий по повышению качества конструкций. Одним из признаков качества конструкций является наличие дефектов типа нарушения сплошности или локальных пространственных участков с отличными характеристиками, которые, как правило, образуются в местах пониженной прочности, либо в материале, имеющем нарушения сплошности.It is impossible to improve the quality of structures without a reliable assessment of quality criteria. Accordingly, it is impossible to develop measures and technologies to improve the quality of structures. One of the signs of structural quality is the presence of defects such as discontinuities or local spatial sections with excellent characteristics, which, as a rule, are formed in places of reduced strength, or in a material having discontinuities.

Учитывая, что такие конструкции являются достаточно дорогими как в стоимостном выражении, так и в трудоемкости изготовления, необходимо с одной стороны каждую конструкцию подвергать испытанию на предмет соответствия ее прочностных характеристик требуемым, а с другой стороны, эти испытания должны минимально «травмировать» конструкцию при максимальной информативности результатов испытаний.Given that such structures are quite expensive both in cost terms and in the complexity of manufacturing, it is necessary, on the one hand, to test each structure for compliance with its strength characteristics as required, and on the other hand, these tests should minimize “injure” the structure at maximum information content of the test results.

Износ основных фондов и технического оборудования, снижение качества материала и другие подобные причины приводят к снижению надежности эксплуатации конструкций из ПКМ.Depreciation of fixed assets and technical equipment, a decrease in the quality of the material, and other similar reasons lead to a decrease in the reliability of operation of PCM structures.

Например, усталость ПКМ, особенности технологии их изготовления и т.п. приводят к возникновению остаточных внутренних напряжений, которые приводят к нарушению сплошности и, в конечном итоге, - к разрушению материала и конструкции. Это явление широко описано в литературе. В последнее время принят ряд программ, направленных на исправление ситуации: модернизация производств, повышение качества материалов и др. Однако полное решение данных задач в настоящее время затруднено по ряду, в т.ч. финансовых, причин.For example, PKM fatigue, features of their manufacturing technology, etc. lead to the appearance of residual internal stresses, which lead to disruption of continuity and, ultimately, to the destruction of the material and structure. This phenomenon is widely described in the literature. Recently, a number of programs have been adopted aimed at correcting the situation: modernization of production, improving the quality of materials, etc. However, the complete solution of these problems is currently difficult in a number of ways, including financial reasons.

В этой связи большое значение приобретают неразрушающие методы контроля и диагностики таких конструкций. Они позволяют объективно определять фактическое состояние конструкции, оценить надежность их эксплуатации и дать рекомендации по ее ремонту или восстановлению.In this regard, non-destructive methods for monitoring and diagnosing such structures are of great importance. They allow you to objectively determine the actual state of the structure, evaluate the reliability of their operation and give recommendations for its repair or restoration.

Одним из перспективных методов контроля электропроводных полимерных композиционных материалов (ЭПКМ) является метод электрических потенциалов. Он основан на создании в исследуемом материале электрического поля и измерении потенциала этого поля в различных точках поверхности материала изделия. Изменение величины электрического потенциала является признаком наличия аномалии в материале, в т.ч. наличия дефекта типа нарушения сплошности.One of the promising methods for controlling electrically conductive polymer composite materials (EPMC) is the electric potential method. It is based on creating an electric field in the material under study and measuring the potential of this field at various points on the surface of the product material. A change in the magnitude of the electric potential is a sign of the presence of an anomaly in the material, incl. the presence of a defect such as discontinuity.

Выявление нарушений сплошности (например, расслоений) в пластинах и оболочках требует создания поля электрического тока, чувствительного к таким дефектам. Для этого вектор плотности тока должен быть направлен вдоль нормали.The identification of discontinuities (for example, delaminations) in plates and shells requires the creation of an electric current field that is sensitive to such defects. For this, the current density vector should be directed along the normal.

Питающие электроды, создающие такое поле, необходимо размещать на противоположных поверхностях пластины (оболочки). При этом ток, протекающий вдоль нормали, встречает препятствие (расслоение), вызывающее уменьшение силы тока при одинаковом напряжении на питающих электродах или уменьшение падения напряжения при стабилизированном токе, т.е. наличие дефекта изменяет электрическое сопротивление контролируемого объекта.The supply electrodes that create such a field must be placed on opposite surfaces of the plate (shell). In this case, the current flowing along the normal meets an obstacle (delamination), causing a decrease in the current strength at the same voltage on the supply electrodes or a decrease in the voltage drop at a stabilized current, i.e. the presence of a defect changes the electrical resistance of the controlled object.

Такое расположение питающих электродов имеет способ дефектоскопии, используемый в аналоге, - методе электроразведки, в геофизике (Шеметов В.А. Моделирование кусочно-неоднородного массива горных пород применительно к задачам электроразведки при помощи метода конечных элементов // Издательство СО РАН НИЦ ОИГГМ СО РАН. Новосибирск: 1998. - Т. 39. - Геология и геофизика. - №. 2. - С. 250-259).Such a location of the supply electrodes has a defectoscopy method used in an analogue, the electrical prospecting method, in geophysics (V. Shemetov Modeling a piecewise heterogeneous rock mass as applied to electrical prospecting using the finite element method // Publishing House SB RAS NIIGM SB RAS. Novosibirsk: 1998. - T. 39. - Geology and Geophysics. - No. 2. - P. 250-259).

Аналогичное расположение электродов используется в способе, описанном в источнике Бобичев А.А., Модин И.Н. Электротомография со стандартными электроразведочными комплексами // Разведка и охрана недр, 2008, №1, с. 43-47.A similar arrangement of electrodes is used in the method described in the source Bobichev A.A., Modin I.N. Electrotomography with standard electrical prospecting complexes // Exploration and protection of mineral resources, 2008, No. 1, p. 43-47.

При таком расположении питающих электродов, когда расстояние между ними равно толщине контролируемой пластины (оболочки), это приводит к локальному характеру поля, создаваемого источниками тока.With this arrangement of the supply electrodes, when the distance between them is equal to the thickness of the controlled plate (shell), this leads to the local nature of the field created by the current sources.

Потенциал такого поля на удалении от источника, соизмеримом с толщиной, стремится к нулю. Это не позволяет обнаруживать аномалии потенциала, вызванные дефектами, которые находятся на большем расстоянии от питающих электродов.The potential of such a field at a distance from the source, commensurate with the thickness, tends to zero. This does not allow detecting potential anomalies caused by defects that are located at a greater distance from the supply electrodes.

Следовательно, становится невозможным обнаружение дефектов по аномалии распределения потенциала при фиксированном положении питающих электродов, как описано в способе, принятом в качестве ближайшего аналога - Электроразведка методом сопротивления / Под. Ред. В.К. Хмелевского и А.И. Шевника: Учебное пособие. - М.: Изд-во МГУ, 1994 г., 160 с.: ил. ISBN 5-211-03303-5.Therefore, it becomes impossible to detect defects by anomalies in the distribution of potential at a fixed position of the supply electrodes, as described in the method adopted as the closest analogue - Electrical prospecting by resistance / Pod. Ed. VK. Khmelevsky and A.I. Shevnik: Study Guide. - M.: Publishing House of Moscow State University, 1994, 160 pp., Ill. ISBN 5-211-03303-5.

Непосредственное измерение сопротивления тонкой пластины из композиционного материала с помощью этого способа вызывает следующие сложности:Direct measurement of the resistance of a thin plate of composite material using this method causes the following difficulties:

1) При больших размерах электродов затруднительно обеспечить равномерный электрический контакт источника тока с поверхностью композиционного материала. Неидеальный контакт приводит к значительным искажениям поля электрического тока и вызывает высокую погрешность измерения сопротивления.1) With large electrode sizes, it is difficult to ensure uniform electrical contact of the current source with the surface of the composite material. Non-ideal contact leads to significant distortion of the electric current field and causes a high error in the measurement of resistance.

2) При малых размерах электродов устраняется отмеченный недостаток, но возникает неопределенность разности потенциалов электродов, которая увеличивается при уменьшении площади контакта и теоретически равна бесконечности для точечных источников тока.2) With small sizes of the electrodes, the noted drawback is eliminated, but the uncertainty of the potential difference of the electrodes arises, which increases with decreasing contact area and theoretically equals infinity for point current sources.

Площадь контакта, в свою очередь, зависит от многих факторов (форма электрода, усилие прижима, состояние поверхности и т.д.), постоянство которых не может быть обеспечено. Тем самым измеренная величина сопротивления содержит неустранимую неопределенность, зависящую от условий контакта в каждом конкретном измерении.The contact area, in turn, depends on many factors (electrode shape, clamping force, surface condition, etc.), the constancy of which cannot be ensured. Thus, the measured resistance value contains irreparable uncertainty depending on the contact conditions in each specific measurement.

Поэтому на сегодняшний день имеется потребность в создании способа достоверной диагностики технического состояния реальных конструкций из ЭПКМ, который может применяться на практике для широкого круга объектов с использованием простого и точного оборудования.Therefore, today there is a need to create a method for reliable diagnosis of the technical condition of real structures from EPKM, which can be applied in practice for a wide range of objects using simple and accurate equipment.

Изобретение направлено на решение задачи обеспечения оперативного контроля технического состояния сложных конструкций и их элементов из ЭПКМ в процессе производства и в реальных условиях эксплуатации, в т.ч. в условиях нагрузки, определении дефектных участков (участков, не соответствующих нормативным документам), разработке рекомендаций для устранения дефектов или восстановления конструкции. Т.е. в конечном итоге изобретение направлено на повышение безопасности эксплуатации сложных потенциально опасных конструкций.The invention is aimed at solving the problem of providing operational control of the technical condition of complex structures and their elements from EPKM in the production process and in real operating conditions, including under load conditions, identifying defective areas (areas that do not comply with regulatory documents), developing recommendations for eliminating defects or restoring the structure. Those. ultimately, the invention is aimed at improving the safety of operation of complex potentially hazardous structures.

Сущность изобретенияSUMMARY OF THE INVENTION

Технический результат, получаемый при использовании изобретения, состоит в повышении достоверности определения состояния объектов из электропроводных полимерных композиционных материалов.The technical result obtained by using the invention is to increase the reliability of determining the state of objects from conductive polymer composite materials.

Технический результат достигается за счет, что в способе контроля объектов из электропроводных полимерных композиционных материалов, включающемThe technical result is achieved due to the fact that in the method of monitoring objects from conductive polymer composite materials, including

- установку и фиксацию питающих электродов с противоположных или с одной стороны контролируемого объекта,- installation and fixation of the supply electrodes from opposite or on one side of the controlled object,

- установку двух измерительных электродов на одной или двух поверхностях контролируемого объекта,- the installation of two measuring electrodes on one or two surfaces of the controlled object,

- одновременное измерение разности потенциалов между измерительными электродами и силы тока между питающими электродами,- simultaneous measurement of the potential difference between the measuring electrodes and the current between the supply electrodes,

- определение кажущегося электрического сопротивления между измерительными электродами путем деления разности потенциалов на величину тока между питающими электродами,- determination of the apparent electrical resistance between the measuring electrodes by dividing the potential difference by the amount of current between the supply electrodes,

- определение дефектов в материале по величине кажущегося электрического сопротивления,- determination of defects in the material by the magnitude of the apparent electrical resistance,

дополнительно выполняют следующие операции:additionally perform the following operations:

- жестко фиксируют между собой питающие и измерительные электроды,- rigidly fix between themselves the supply and measuring electrodes,

- перемещают комплекс зафиксированных между собой питающих и измерительных электродов по поверхности контролируемого объекта,- move the set of fixed supply and measuring electrodes along the surface of the controlled object,

- измерение разности потенциалов между измерительными электродами и силы тока между питающими электродами повторяют многократно для определения дефектов в материале всего объекта.- the measurement of the potential difference between the measuring electrodes and the current between the supply electrodes is repeated many times to identify defects in the material of the entire object.

Технический результат усиливается за счет того, что операцию перемещения комплекса зафиксированных между собой питающих и измерительных электродов по поверхности контролируемого объекта осуществляется с шагом не более размера минимального выявляемого дефекта.The technical result is enhanced due to the fact that the operation of moving the complex of fixed supply and measuring electrodes along the surface of the controlled object is carried out with a step of not more than the size of the minimum detected defect.

Технический результат усиливается также за счет того, что в качестве измерительного прибора используют прибор с большим входным сопротивлением, например вольтметр.The technical result is also enhanced due to the fact that as a measuring device use a device with a large input impedance, for example a voltmeter.

Краткое описание фигур чертежейBrief Description of the Drawings

Сущность изобретения и возможность достижения технического результата будут более понятны из последующего описания со ссылками на позиции чертежей, где на:The invention and the possibility of achieving a technical result will be more clear from the following description with reference to the position of the drawings, where:

фиг. 1 приведена фотография фрагмента исследуемого изделия - часть усеченного конуса из углеродного композиционного материала,FIG. 1 shows a photograph of a fragment of the test product - part of a truncated cone of carbon composite material,

фиг. 2 приведена схема размещения электродов,FIG. 2 shows the layout of the electrodes,

фиг. 3 приведена фотография установки контроля,FIG. 3 shows a photograph of the control installation,

фиг. 4 приведена фотография процесса контроля,FIG. 4 shows a photograph of the control process,

фиг. 5 приведены результаты контроля - эпюры кажущегося сопротивления,FIG. 5 shows the results of the control - diagrams of apparent resistance,

фиг. 6 приведено распределение кажущегося сопротивления вдоль образующих левой кромки,FIG. 6 shows the distribution of apparent resistance along the generatrix of the left edge,

фиг. 7 приведено распределение кажущегося сопротивления вдоль образующих правой кромки,FIG. 7 shows the distribution of apparent resistance along generators of the right edge,

фиг. 8 приведено распределение кажущегося сопротивления вдоль окружностей,FIG. 8 shows the distribution of apparent resistance along circles,

фиг. 9 приведено поле кажущихся сопротивлений в изделии (развертка),FIG. 9 shows the field of apparent resistance in the product (scan),

фиг. 10 приведена дефектограмма изделия в виде линий уровня кажущихся сопротивлений (мОм),FIG. 10 shows the product defectogram in the form of lines of the level of apparent resistance (mOhm),

фиг. 11 приведена гистограмма распределения кажущегося сопротивления (по интервалам).FIG. 11 shows a histogram of the distribution of apparent resistance (at intervals).

На приведенных фигурах приняты следующие обозначения:In the above figures, the following notation:

x, y, z - координаты взаимного расположения электродов,x, y, z - coordinates of the relative positions of the electrodes,

V - разность потенциалов,V is the potential difference

J⁺, J^- - потенциалы питающих электродов,J ⁺ , J ^- are the potentials of the supply electrodes,

d_h - расстояние от большего основания изделия до точки регистрации информации,d _h is the distance from the larger base of the product to the point of registration of information,

h - расстояние между основаниями, измеренное по меридиану,h is the distance between the bases, measured along the meridian,

d_r - расстоянием по окружности от левой кромки до точки измерения информации,d _r - the circumferential distance from the left edge to the point of measurement of information,

L_i - длина дуги нижнего основания конуса,L _i - the length of the arc of the lower base of the cone,

1-4 - электроды,1-4 - electrodes,

5 - узел электродов в сборе (измерительная система),5 - assembly of electrodes assembly (measuring system),

6 - регистратор силы тока,6 - current logger,

7 - регистратор уровня потенциалов,7 - potential level recorder,

8 - блок питания,8 - power supply,

9 - исследуемое изделие,9 - test product,

10-14 - дефектные области, выявленные ультразвуковым методом,10-14 - defective areas detected by the ultrasonic method,

15 - область аномального электрического сопротивления, выявленная в эксперименте и не показанная ультразвуковым методом,15 - region of abnormal electrical resistance detected in the experiment and not shown by the ultrasonic method,

16 - график при d_r/L=0,05; 3 - при16 is a graph for d _r / L = 0.05; 3 - at

17 - график при d_r/L=0,09,17 is a graph with d _r / L = 0.09,

18 - график при d_r/L=0,13,18 is a graph for d _r / L = 0.13,

19 - график при d_r/L=0,96,19 is a graph with d _r / L = 0.96,

20 - график при d_r/L=0,92,20 is a graph with d _r / L = 0.92,

21 - график при d_r/L=0, 87,21 is a graph with d _r / L = 0, 87,

22 - график при d_h/h=0,17,22 is a graph for d _h / h = 0.17,

23 - график при d_h/h=0,9.23 is a graph for d _h / h = 0.9.

Способ осуществляют следующим образом.The method is as follows.

В процессе контроля на изделие устанавливается блок электродов (5). Питающие электроды (1, 2), создающие электрическое поле в изделии, устанавливаются на одной или противоположных сторонах контролируемого изделия (9). Информационные электроды (3, 4) - на одной из поверхностей изделия (9). Далее электроды перемещают по изделию. Измеряют разность потенциалов между электродами и, зная величину тока, определяют кажущееся сопротивление электрическому току. По величине кажущегося сопротивления судят о внутренней структуре материала, в т.ч. о наличие внутренних дефектов типа нарушения сплоршности.In the process of control, an electrode block (5) is installed on the product. The supply electrodes (1, 2) that create an electric field in the product are installed on one or opposite sides of the controlled product (9). Information electrodes (3, 4) - on one of the product surfaces (9). Next, the electrodes are moved around the product. The potential difference between the electrodes is measured and, knowing the magnitude of the current, the apparent resistance to electric current is determined. The magnitude of the apparent resistance is judged on the internal structure of the material, incl. about the presence of internal defects such as violation of integrity.

Обоснование предложенного способа проводилось теоретическим способом и экспериментально.The justification of the proposed method was carried out theoretically and experimentally.

Распределение электрического потенциала на поверхности исследуемого объекта при пропускании через него постоянного тока может быть рассчитано путем решения задачи электропроводности [1].The distribution of the electric potential on the surface of the investigated object when passing direct current through it can be calculated by solving the problem of electrical conductivity [1].

Теоретическое распределение потенциалов было получено путем решения задачи электропроводности для постоянного тока:The theoretical distribution of potentials was obtained by solving the problem of electrical conductivity for direct current:

где U(x,y,z) - потенциал; j_x, j_y, j_z - координаты вектора плотности тока j; l_x, l_y, l_z - направляющие косинусы внешней нормали к граничной поверхности; j_n - заданная плотность тока через граничную поверхность.where U (x, y, z) is the potential; j _x , j _y , j _z - coordinates of the current density vector j; l _x , l _y , l _z - guide cosines of the external normal to the boundary surface; j _n is the given current density through the boundary surface.

Для замыкания системы уравнений (1) в случае пространственного армирования следует использовать связь между плотностью тока и градиентом потенциала для общего случая анизотропной среды [2, 3]To close the system of equations (1) in the case of spatial reinforcement, one should use the relationship between the current density and the potential gradient for the general case of an anisotropic medium [2, 3]

Здесь E_ij - коэффициенты тензора проводимости анизотропной среды.Here E _ij are the coefficients of the conductivity tensor of the anisotropic medium.

Плотность тока на границе всюду равна нулю, кроме точек, где расположены электроды. В этих точках правая часть (1) равна произведению силы тока на дельта-функцию Дирака. Для однозначной разрешимости значение потенциала в одной точке задано равным нулю.The current density at the boundary is everywhere zero, except for the points where the electrodes are located. At these points, the right-hand side of (1) is equal to the product of the current strength by the Dirac delta function. For unambiguous solvability, the potential value at one point is set equal to zero.

Задача решается в слабой постановке методом конечных элементов. Решение и на области V (т.е. в объеме исследуемой конструкции) ищем в пространстве L₂(V) как удовлетворяющее интегральному тождествуThe problem is solved in a weak statement by the finite element method. We also seek a solution on the domain V (i.e., in the volume of the structure under study) in the space L ₂ (V) as satisfying the integral identity

для всех

, где

; E - тензор электропроводности; I_i - сила тока источника, сосредоточенного в точке xⁱ; δ(x-xⁱ) - дельта-функция Дирака.for all

where

; E is the conductivity tensor; I _i - current strength of the source, concentrated at the point x ⁱ ; δ (xx ⁱ ) is the Dirac delta function.

Однозначная разрешимость краевой задачи в слабой постановке (3), возможность применения метода конечных элементов и оценка погрешности решения при аппроксимации дельта-функции сплайнами показана в [4].The unique solvability of the boundary value problem in a weak statement (3), the possibility of using the finite element method, and the estimation of the error of the solution when approximating the delta function by splines are shown in [4].

Теоретические результаты показывают, что разность потенциалов в точках поверхности пропорциональна силе тока и зависит от среднего удельного сопротивления среды. Таким образом, отношение измеренной разности потенциалов к силе тока (кажущееся сопротивление) при фиксированном расположении электродов зависит только от свойств материала и геометрии оболочки.Theoretical results show that the potential difference at the surface points is proportional to the current strength and depends on the average resistivity of the medium. Thus, the ratio of the measured potential difference to the current strength (apparent resistance) with a fixed arrangement of electrodes depends only on the material properties and the geometry of the shell.

Для однородного материала получены теоретические распределения потенциала, которые позволяют найти отношение разности потенциалов в двух фиксированных точках к силе тока, пропускаемого через оболочку из однородного материала (нормальное поле).Theoretical potential distributions are obtained for a homogeneous material, which allow one to find the ratio of the potential difference at two fixed points to the strength of the current passed through a shell of a homogeneous material (normal field).

Отклонения фактически измеренной разности потенциалов от этой теоретической величины характеризуют аномалию удельной электропроводности и является информационным признаком наличия в контролируемом материала нарушений сплошности или инородных включений.Deviations of the actually measured potential difference from this theoretical value characterize the electrical conductivity anomaly and is an informational sign of the presence of discontinuities or foreign inclusions in the controlled material.

Проведенные исследования показали, что использование постоянного тока для решения задач неразрушающего контроля имеет недостатки, связанные с влиянием на результаты наведенной поляризации на непроводящих включениях и расслоениях.Studies have shown that the use of direct current for solving non-destructive testing problems has drawbacks related to the effect of induced polarization on non-conductive inclusions and delaminations.

Поэтому более перспективным является неразрушающий контроль на основе анализа полей, вызванных пропусканием через исследуемый объект низкочастотного переменного тока. Так, при использовании переменного тока промышленной частоты (50 Гц) отсутствуют эффекты накопления электрических зарядов; в то же время при такой частоте пренебрежимо мал скин-эффект.Therefore, non-destructive testing based on the analysis of fields caused by passing a low-frequency alternating current through the object under study is more promising. So, when using alternating current of industrial frequency (50 Hz), there are no effects of the accumulation of electric charges; at the same time, at this frequency, the skin effect is negligible.

Исходя из этих соображений и приведенных результатов теоретических исследований, при проведении экспериментальных исследований использовалось поле переменного тока частоты 50 Гц при силе тока - 5,3 А.Based on these considerations and the results of theoretical studies, during the experimental studies we used an AC field of frequency 50 Hz with a current strength of 5.3 A.

Экспериментальные исследования проводились следующим образом.Experimental studies were carried out as follows.

В качестве объекта исследований выбрана типовая тонкостенная оболочка из электропроводного материала - углеродного композиционного материала, имеющая внутренние расслоения (дефекты). Оболочка имеет форму сектора, вырезанного из усеченного конуса и ограниченного двумя меридиональными сечениями (фиг. 1). Толщина оболочки переменна вдоль меридиана и постоянна по окружности. Теоретически рассчитанные нормальные поля кажущихся сопротивлений являются постоянными вдоль окружности за исключением зон, примыкающих к кромкам, шириной порядка 5-7 толщины оболочки. Измерения в этих зонах не производились.As an object of research, a typical thin-walled shell made of an electrically conductive material — a carbon composite material — having internal delamination (defects) was chosen. The shell has the shape of a sector cut from a truncated cone and bounded by two meridional sections (Fig. 1). The shell thickness is variable along the meridian and constant around the circumference. The theoretically calculated normal fields of apparent resistance are constant along the circumference, with the exception of zones adjacent to the edges, with a width of the order of 5–7 of the shell thickness. No measurements were made in these zones.

На фиг. 2 показана схема размещения электродов на контролируемом изделии. Ток подводится к электродам 1 и 2, размещенным в точках на противоположных поверхностях оболочки (на одной нормали). В процессе эксперимента измерялась разность потенциалов в точках 3 и 4, удаленных от электрода 1 на расстояние z (=15 мм) вдоль меридиана и x (=50 мм) вдоль окружности.In FIG. 2 shows the layout of the electrodes on the controlled product. The current is supplied to the electrodes 1 and 2, placed at points on opposite surfaces of the shell (on one normal). During the experiment, the potential difference was measured at points 3 and 4, remote from the electrode 1 by a distance z (= 15 mm) along the meridian and x (= 50 mm) along the circle.

На фиг. 3 приведена фотография экспериментального образца установки контроля.In FIG. Figure 3 shows a photograph of an experimental control unit.

При проведении измерений электроды 1-4 последовательно устанавливались в различных точках оболочки так, чтобы оставались неизменными расстояния между электродами и их ориентация относительно меридиана. Положение питающих электродов 1 и 2 будем характеризовать двумя относительными координатами: по меридиану - отношением расстояния d_h (от большего основания до точки) к расстоянию между основаниями h, измеренному по меридиану; по окружности - расстоянием d_r от левой кромки до точки, отнесенным к длине дуги L_i. Измерения проводились на шести линиях меридионального направления и двух дугах окружностей (фиг. 5). На этой же фигуре приведены полученные профили кажущегося сопротивления. Пунктиром показаны границы дефектов сплошности, предварительно выявленные методом ультразвуковой дефектоскопии.During measurements, electrodes 1-4 were sequentially installed at various points of the shell so that the distances between the electrodes and their orientation with respect to the meridian remained unchanged. The position of the supply electrodes 1 and 2 will be characterized by two relative coordinates: along the meridian - the ratio of the distance d _h (from the larger base to the point) to the distance between the bases h, measured by the meridian; around the circle - the distance d _r from the left edge to the point referred to the length of the arc L _i . The measurements were carried out on six lines of the meridional direction and two arcs of circles (Fig. 5). The same figure shows the resulting apparent resistance profiles. The dashed lines show the boundaries of continuity defects previously detected by ultrasonic inspection.

Для более подробного анализа рассмотрим графики кажущегося сопротивления по каждой линии в отдельности. На фиг. 6 и фиг. 7 изображены зависимости кажущегося сопротивления от координаты по образующей питающего электрода. Замеры проводились на расстоянии d_r/L=0,05; 0,09; 0,13; 0,87; 0,92 и 0,96 от левого края конструкции, где L -длина дуги нижнего основания части усеченного конуса (фиг. 6, фиг. 7).For a more detailed analysis, we consider the graphs of the apparent resistance for each line separately. In FIG. 6 and FIG. 7 shows the dependence of the apparent resistance on the coordinate along the generatrix of the supply electrode. Measurements were taken at a distance d _r / L = 0.05; 0.09; 0.13; 0.87; 0.92 and 0.96 from the left edge of the structure, where L is the length of the arc of the lower base of the part of the truncated cone (Fig. 6, Fig. 7).

Фиг. 8 - Распределение кажущегося сопротивления вдоль окружностей: кривая 1 - при d_h/h=0,17; 2 - при d_h/h=0,9.FIG. 8 - Distribution of apparent resistance along circles: curve 1 - with d _h / h = 0.17; 2 - with d _h / h = 0.9.

Проведем анализ возможности обнаружения дефектов в автоматическом режиме, т.е. возможности определения порогового сигнала безэталонным методом.Let us analyze the possibility of detecting defects in automatic mode, i.e. the possibility of determining a threshold signal by the non-standard method.

Для наглядности и идентификации полученных результатов пространственное распределение поля кажущихся сопротивлений приведены на фиг. 9.For clarity and identification of the results obtained, the spatial distribution of the apparent resistance field is shown in FIG. 9.

Как показали статистические исследования, значение электрического сопротивления, соответствующее качественному материалу, составляет 0,49±0,13 мОм.As statistical studies have shown, the value of electrical resistance corresponding to a quality material is 0.49 ± 0.13 mOhm.

На фиг. 9 ясно видны участки изделия, соответствующие дефектам - превышение электрического сопротивления в 2-25 раз.In FIG. 9 clearly visible areas of the product corresponding to defects - excess electrical resistance by 2-25 times.

Дефектограмма изделия (развертка с нанесенными дефектами) в виде линий уровня кажущегося сопротивления приведена на фиг. 10.The product defectogram (scan with the applied defects) in the form of lines of the apparent resistance level is shown in FIG. 10.

Фиг. 10 - Дефектограмма изделия в виде линий уровня кажущихся сопротивлений (мОм)FIG. 10 - Product defectogram in the form of lines of the level of apparent resistance (mOhm)

Для разработки методики автоматизированного неразрушающего контроля рассматриваемым методом проведен гистограммный анализ полученных данных на предмет автоматического достоверного разделения кластеров данных, соответствующих дефектным и качественным областям изделия.To develop a methodology for automated non-destructive testing by the considered method, a histogram analysis of the obtained data was carried out for automatic reliable separation of data clusters corresponding to defective and high-quality product areas.

На фиг. 11 приведена гистограмма частот кажущегося сопротивления. Границы интервалов приведены в табл. 1.In FIG. 11 shows a histogram of frequencies of apparent resistance. The boundaries of the intervals are given in table. one.

Анализ показал, что выборка неоднородна и может быть разделена на две части - фоновую и аномальную. Основная часть объема выборки (376 точек из 400) попадает в границы от 0,4 до 0,65 мОм. Между 0,65 и 0,75 мОм не содержится ни одного значения, что позволяет достоверно отделить качественную область (фоновый уровень) от дефектной. Это можно осуществить автоматически на основе методов кластерного анализа, например, приведенного в [5].The analysis showed that the sample is heterogeneous and can be divided into two parts - background and anomalous. The bulk of the sample size (376 points out of 400) falls within the boundaries of 0.4 to 0.65 mOhm. Between 0.65 and 0.75 mOhm, not a single value is contained, which allows one to reliably separate the qualitative region (background level) from the defective one. This can be done automatically based on cluster analysis methods, for example, given in [5].

Как видно из приведенных рисунков и графиков, результаты экспериментального исследования предлагаемого метода достаточно хорошо совпали по критериям - количество выявленных дефектов, их площадей и координат расположения по поверхности, рассчитанных по методике, изложенной в [5], с результатами автоматизированной ультразвуковой дефектоскопии [6]. Кажущееся сопротивление в зонах обнаруженных дефектов сплошности значительно (20-700%) превышает фоновое значение. Так, например, кажущееся сопротивление в области 1 на рис. 2 превышает фоновое значение, но величина превышения меняется в пределах 20-125%. В области 2 наблюдается отклонение кажущегося сопротивления на 200-700% от фонового. Это указывает на наличие зависимости кажущегося сопротивления от величины раскрытия дефектов по площади. Наличие аномального значения кажущегося сопротивления наблюдается в районе области 6, в которой не было зафиксировано аномалий при ультразвуковом контроле. Предположительно, такой эффект появился вследствие изменения ориентации волокон материала в этой области изделия.As can be seen from the figures and graphs, the results of an experimental study of the proposed method quite well matched the criteria — the number of detected defects, their areas and surface coordinates, calculated according to the method described in [5], with the results of automated ultrasonic inspection [6]. The apparent resistance in the areas of detected continuity defects significantly (20-700%) exceeds the background value. So, for example, the apparent resistance in region 1 in Fig. 2 exceeds the background value, but the excess value varies in the range of 20-125%. In region 2, the apparent resistance deviates by 200–700% from the background. This indicates the presence of a dependence of the apparent resistance on the magnitude of the opening of defects over the area. The presence of an abnormal value of apparent resistance is observed in the region of region 6, in which no anomalies were recorded during ultrasonic testing. Presumably, this effect appeared due to a change in the orientation of the fibers of the material in this area of the product.

Таким образом, теоретические и экспериментальные исследования показали эффективность предлагаемого способа неразрушающего контроля при контроле электропроводных конструкций из ПКМ.Thus, theoretical and experimental studies have shown the effectiveness of the proposed method of non-destructive testing in the control of electrically conductive structures from PCM.

Результаты исследований и сравнение результатов экспериментальных исследований со способом контроля, принятым в качестве ближайшего аналога, приведены в таблице 1.The research results and a comparison of the results of experimental studies with the control method adopted as the closest analogue are shown in table 1.

Представленный способ имеет следующие преимущества:The presented method has the following advantages:

- обеспечивает оперативный мобильный контроль конструкций больших габаритов и пространственно ориентированных;- provides operational mobile control of large-sized and spatially oriented structures;

- позволяет снизить погрешность локализации дефектных областей, ориентировочно, в два раза,- allows to reduce the error of localization of defective areas, approximately, by half,

- позволяет повысить надежность эксплуатации контролируемых конструкций (особенно работающих на пределе остаточного ресурса),- improves the reliability of operation of controlled structures (especially those working at the limit of residual life),

- позволяет снизить вероятность аварий за счет определения реальных технических характеристик конструкций.- allows you to reduce the likelihood of accidents by determining the actual technical characteristics of structures.

Все используемые электронные блоки построены на основе стандартных измерительных систем электрических устройств (вольтметр, амперметр, трансформатор), следовательно способ является промышленно применимым.All used electronic units are based on standard measuring systems of electrical devices (voltmeter, ammeter, transformer), therefore, the method is industrially applicable.

Список использованной литературыList of references

1. Бурнышева Т.В., Каледин В.О., Крюкова Я.С. Эффективные коэффициенты электропроводности кусочно-однородной среды // Научно-технический вестник Поволжья. - 2013. - №2. - С. 146-149.1. Burnysheva T.V., Kaledin V.O., Kryukova Ya.S. Effective conductivity coefficients of a piecewise homogeneous medium // Scientific and Technical Bulletin of the Volga Region. - 2013. - No. 2. - S. 146-149.

2. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. - М.: Мир, 1975. - 541 с.2. Zenkevich O. Finite element method in engineering. - M .: Mir, 1975 .-- 541 p.

3. Оден Дж. Конечные элементы в нелинейной механике сплошных сред. М.: Мир, 1976, 464 с.3. Auden J. Finite Elements in the Nonlinear Mechanics of Continuous Media. M.: Mir, 1976, 464 p.

4. Шеметов В.А. Моделирование кусочно-неоднородного массива горных пород применительно к задачам электроразведки при помощи метода конечных элементов // Издательство СО РАН НИЦ ОИГГМ СО РАН. Новосибирск: 1998. - Т. 39. - Геология и геофизика. - №. 2. - С. 250-259.4. Shemetov V.A. Modeling a piecewise heterogeneous rock mass as applied to electrical prospecting using the finite element method // Publishing House of the SB RAS SIC OIGGM SB RAS. Novosibirsk: 1998. - T. 39. - Geology and geophysics. - No. 2. - S. 250-259.

5. Будадин О.Н., Потапов А.И., Колганов В.И. и др. Тепловой неразрушающий контроль изделий. - М.: Наука, 2002, 476 с.5. Budadin O.N., Potapov A.I., Kolganov V.I. etc. Thermal non-destructive testing of products. - M .: Nauka, 2002, 476 p.

6. Юхацкова О.В., Соболь Л.А., Антипов Ю.В., Сычугов С.Н. Акустический односторонний контроль сложных многослойных конструкций из ПКМ. - 33 ежегодная международная научно-практическая конференция и блиц-выставка «Композиционные материалы в промышленности» (Славполиком), Ялта, Крым, 30.05-05.06.2013 г., с. 339-342.6. Yukhatskova OV, Sobol L.A., Antipov Yu.V., Sychugov S.N. Acoustic one-way control of complex multilayer PCM structures. - 33rd annual international scientific-practical conference and blitz exhibition “Composite materials in industry” (Slavpolikom), Yalta, Crimea, 05/05/05/2016, p. 339-342.

Claims (3)

1. Способ контроля объектов из электропроводных полимерных композиционных материалов, включающий
- установку и фиксацию питающих электродов с противоположных или с одной стороны контролируемого объекта,
- установку двух измерительных электродов на одной или двух поверхностях контролируемого объекта,
- одновременное измерение разности потенциалов между измерительными электродами и силы тока между питающими электродами,
- определение кажущегося электрического сопротивления между измерительными электродами путем деления разности потенциалов на величину тока между питающими электродами,
- определение дефектов в материале по величине кажущегося электрического сопротивления, отличающийся тем, что
дополнительно выполняют следующие операции:
- жестко фиксируют между собой питающие и измерительные электроды,
перемещают комплекс зафиксированных между собой питающих и измерительных электродов по поверхности контролируемого объекта,
- измерение разности потенциалов между измерительными электродами и силы тока между питающими электродами повторяют многократно для определения дефектов в материале всего объекта.1. The method of monitoring objects from conductive polymer composite materials, including
- installation and fixation of the supply electrodes from opposite or on one side of the controlled object,
- the installation of two measuring electrodes on one or two surfaces of the controlled object,
- simultaneous measurement of the potential difference between the measuring electrodes and the current between the supply electrodes,
- determination of the apparent electrical resistance between the measuring electrodes by dividing the potential difference by the amount of current between the supply electrodes,
- determination of defects in the material by the magnitude of the apparent electrical resistance, characterized in that
additionally perform the following operations:
- rigidly fix between themselves the supply and measuring electrodes,
move the set of fixed supply and measuring electrodes along the surface of the controlled object,
- the measurement of the potential difference between the measuring electrodes and the current between the supply electrodes is repeated many times to identify defects in the material of the entire object. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что операцию перемещения комплекса зафиксированных между собой питающих и измерительных электродов по поверхности контролируемого объекта осуществляется с шагом не более размера минимального выявляемого дефекта.2. The method according to p. 1, characterized in that the operation of moving the complex of fixed supply and measuring electrodes along the surface of the controlled object is carried out with a step of not more than the size of the minimum detected defect. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве измерительного прибора используют прибор с большим входным сопротивлением, например вольтметр. 3. The method according to p. 1, characterized in that as a measuring device use a device with a large input impedance, for example a voltmeter.

Images