PS 9 2017 WWW.pdf 26 PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA Vol. 89 9/2017 Zminiaturyzowane urządzenie pomiarowe  do badań nieniszczących metodą prądów wirowych  – Wirotest serii M Miniaturized measuring device for eddy current non-destructive testing – Wirotest M-series Mgr inż. Adam Kondej, inż. Artur Szczepański – Instytut Mechaniki Precyzyjnej. Autor korespondencyjny/Corresponding author: adam.kondej@imp.edu.pl Streszczenie Artykuł opisuje metodę prądów wirowych oraz nowopow- stałe zminiaturyzowane urządzenie pomiarowe do badań nieniszczących tą metodą – Wirotest M1. W pracy przed- stawiono budowę i możliwości zastosowania urządzenia. Wirotest M1 cechuje się małą masą i gabarytami. Możli- wość pracy z tabletem lub smartphonem nadaje mu cechy urządzania mobilnego. Urządzenie może pracować w trybie pomiaru ręcznego lub na stanowiskach automatycznych. Słowa  kluczowe: badania nieniszczące; metoda prądów wirowych; zminiaturyzowany układ pomiarowy; Wirotest M1 Abstract This paper describes the eddy current method and the newly created miniaturized measuring device for non- -destructive testing using this method – Wirotest M1. The work presents construction and possibilities of applica- tions of the device. Wirotest M1 is characterized by a small mass and size. The ability to work with a tablet or a smart- phone makes the device mobile. It can work in manual mode or it can be used on automatic stands. Keywords:  non-destructive testing; eddy current method; miniaturized measuring device; Wirotest M1 Metoda prądów wirowych Badania nieniszczące znalazły szerokie zastosowanie w praktyce do oceny jakości i poprawności wykonania części maszyn i urządzeń. Są wykorzystywane zarówno na etapie procesu produkcyjnego, jak i do kontroli eksploatacyjnej. Jedną z metod badań nieniszczących jest metoda prądów wirowych (ET – Electromagnetic Testing lub Eddy Current Testing). Obok badań wizualnych (VT), metody penetracyj- nej (PT) oraz metody magnetycznej (MT), metoda ET należy do grupy powierzchniowych metod badań nieniszczących [1,2]. Główne kierunki wykorzystania metody prądów wirowych to wykrywanie wad materiałowych – defektoskopia, badania właściwości materiałów – strukturoskopia oraz określanie wymiarów (głównie pomiary grubości). Metoda ta pozwala na badanie różnorodnych materiałów, pod warunkiem, że są one przewodnikami prądu elektrycznego. Podstawowym zjawiskiem wykorzystywanym w bada- niach metodą prądów wirowych jest indukcja elektroma- gnetyczna, która polega na indukowaniu prądu w materia- le przewodzącym, w wyniku działania na niego zmiennego pola magnetycznego. W zastosowaniach metody ET zmien- ne pole magnetyczne występuje wskutek zasilania cewek indukcyjnych prądem zmiennym. Adam Kondej, Artur Szczepański przeglad Welding Technology Review Podstawy metody prądów wirowych można opisać w na- stępujących punktach (rys. 1): 1. Przez cewkę przepływa prąd zmienny I; 2. W cewce, jak i wokół niej, indukowane jest zmienne pole magnetyczne H; 3. Zmienne pole magnetyczne H wnika w badany materiał indukując w nim prądy wirowe EC; 4. Prądy wirowe EC indukują swoje własne pole magnetycz- ne HEC; 5. Pole magnetyczne HEC oddziałuje (osłabia) pole H. Materiał badany jednorodny → stałe osłabienie Zmiany w materiale badanym → zmiana osłabienia Ścieżki przebiegu indukujących się prądów wirowych zależą od fizycznych własności badanego materiału. Od nich zależy też dobór parametrów kontroli wiroprądo- wej. Do najistotniejszych, z punktu widzenia metody ET, należą właściwości elektromagnetyczne [2]: – przewodność elektryczna właściwa γ, – przenikalność magnetyczna względna µr. DOI: http://dx .doi .org/10 .26628/ps .v89i9 .808 27PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA Vol. 89 9/2017 Rys. 1. Podstawy metody prądów wirowych Fig. 1. Basics of the eddy current method Rys. 2. Linie sił pola magnetycznego i linie przepływu prądów wiro- wych: a) sonda stykowa, b) sonda przelotowa; 1 – uzwojenie wej- ściowe, 2 – uzwojenie wyjściowe, 3 – linie sił pola magnetycznego, 4 – nieciągłość materiałowa (pęknięcie), 5 – linie przepływu prądów wirowych [3] Fig. 2. The lines of force of the magnetic field and the eddy current flow: a) surface probe, b) encircling coil; 1 – input coil, 2 – output coil, 3 – the lines of force of the magnetic field, 4 – material discon- tinuity (crack), 5 – the eddy current flow lines [3] Tablica I. Wpływ wybranych czynników na przewodność elektrycz- ną właściwą i przenikalność magnetyczną względną Table I. The influence of selected factors on electrical conductivity and relative permeability Prądy wirowe płyną przez miejsca o większej przewod- ności elektrycznej, natomiast miejsca o mniejszej prze- wodności są przez nie opływane (rys. 2). Wszelkie zmiany w badanym materiale, jak zmiana twardości, zmiana struk- tury, nieciągłości itd., wpływają na wartość parametrów elektromagnetycznych (tabl. I), a tym samym na wartość natężenia prądów wirowych i indukowanego pola magne- tycznego. Analiza wartości amplitudy sygnału wyjściowego, bądź amplitudy i przesunięcia fazowego pozwala na ocenę stanu badanego materiału [1÷4]. Do określenia głębokości wnikania prądów wirowych służy standardowa głębokość wnikania prądów wirowych. Nie określa ona rzeczywistych wartości głębokości, nato- miast stanowi głębokość wnikania prądów wirowych, przy których amplituda tych prądów zmniejsza się e-krotnie, czyli ok. 2,72 razy, w stosunku do amplitudy na powierzch- ni materiału. Standardowa głębokość wnikania jest opisana zależno- ścią (1): δ = 503/ (f•γ•μr ) (1) gdzie: δ – standardowa głębokość wnikania prądów wirowych [mm], f – częstotliwość pracy przetwornika [Hz], γ – przewodność elektryczna właściwa materiału [MS/m], µr – przenikalność magnetyczna względna elementu, bezwy- miarowa. Im wyższe są wartości częstotliwości pracy przetwornika wiroprądowego, przewodności elektrycznej właściwej ma- teriału i przenikalności magnetycznej względnej badanego elementu, tym standardowa głębokość wnikania prądów wirowych jest mniejsza. Wpływ niezgodności materiałowych oraz zmian struk- turalnych na sygnały przetworników jest ograniczony do tzw. efektywnej głębokości wnikania prądów wirowych. Jest to głębokość około trzech standardowych głęboko- ści wnikania prądów wirowych (3δ) [5]. Wybór częstotliwości pracy urządzenia pomiarowego zapewnia możliwość regulowania głębokości wnikania prą- dów wirowych, a tym samym wybór obszarów, jakie mają być kontrolowane. Do badania warstw wierzchnich stosuje się przetworniki o wysokiej częstotliwości pracy (rzędu kil- ku MHz). Natomiast do wykrywania niezgodności i zmian strukturalnych na pewnej głębokości od powierzchni nale- ży używać przetworników o niższej częstotliwości (rzędu od kilku do kilkuset kHz) [5]. Podczas pomiarów metodą prądów wirowych określa się zmianę wskazań urządzenia pomiarowego w odniesie- niu do poziomu przyjmowanego za prawidłowy. Poziom ten ustala się na powierzchni elementu bez wad i o takiej samej strukturze jak materiał badany. Metoda ma więc cha- rakter porównawczy i wymaga korzystania ze wzorców bądź próbek odniesienia. Lp. Rodzaj czynnika Przewodność elektryczna właściwa, γ Przenikalność  magnetyczna  względna, µr 1 Skład chemiczny ++ + 2 Struktura - ++ 3 Wydzielenia + ++ 4 Naprężenia wewnętrzne + ++ 5 Pęknięcia ++ + ++ bardzo mocny wpływ; + mocny wpływ; - ograniczony wpływ a) b) 28 PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA Vol. 89 9/2017 Rys. 4. Wirotest M1 z sondą stykową (waga 35 g bez sondy pomiarowej) Fig. 4. Wirotest M1 with surface probe (weight 35 g without meas- urement probe) Rys. 3. Schemat blokowy Wirotestu M1 Fig. 3. The Wirotest M1 block scheme Koncepcja zminiaturyzowanego  urządzenia pomiarowego metodą ET  Koncepcja opracowania zminiaturyzowanego urządze- nia do badań nieniszczących metodą prądów wirowych powstała w wyniku zapotrzebowania na proste urządzenie pomiarowe, mogące pracować w trybie ręcznym i/lub auto- matycznym, charakteryzujące się stabilną pracą zarówno w warunkach laboratoryjnych, jak i przemysłowych. Zapyta- nia ofertowe od przedsiębiorstw produkcyjnych o możliwość aplikacji urządzeń produkcji IMP do badań ET na linii produk- cyjnej były głównym bodźcem do podjęcia prac nad stwo- rzeniem nowego urządzenia, pozwalającego na zaspokoje- nie potrzeb rynku. Inspiracją do stworzenia zminiaturyzowanego urzą- dzenia pomiarowego była praca statutowa zrealizowa- na w IMP przez inż. Tadeusza Kuśmierczyka w 2009 roku (nr 13.1.01.292.00), w wyniku której powstała aktywna son- da indukcyjna, będąca przedmiotem zgłoszenia patentowe- go (nr PL409286). W odróżnieniu od sondy aktywnej, będą- cej także urządzeniem pomiarowym niewielkich rozmiarów, koncepcja nowego urządzenia zakładała bardziej uniwersal- ny jego charakter – przede wszystkim możliwość zmiany częstotliwości pracy. W ramach pracy statutowej w 2017 roku opracowano i wykonano prototyp urządzenia do badań ET – Wirotest M. Nazwa „Wirotest” nawiązuje do tradycji nazewnictwa urządzeń produkcji IMP do badań nieniszczących metodą prądów wirowych, natomiast oznaczenie serii „M” pochodzi od słowa „Miniature”. Prototyp posiadał zintegrowaną son- dę stykową, pracującą z zadaną częstotliwością, bez moż- liwości jej zmiany. Po sprawdzeniu skuteczności działania urządzenia prototypowego wykonano docelowe urządzenie – Wirotest M1. Budowa i działanie Wirotestu M1 Wirotest M1 pracuje z urządzeniem zewnętrznym typu komputer, tablet lub smartphone (wymagane wsparcie USB OTG), będącym źródłem zasilania oraz jednostką zbie- rającą, wyświetlającą i archiwizującą dane pomiarowe. Zasilanie i komunikacja odbywa się poprzez port USB typu B. Urządzenie rejestruje zmiany napięcia cewki – pomiar am- plitudowy, z szybkością 8 pomiarów na sekundę. Istnieje możliwość ustawienia częstotliwości próbkowania w za- kresie od 5 do 4500 pomiarów na sekundę na etapie mon- tażu urządzenia. Należy jednak pamiętać, że zwiększenie częstotliwości próbkowania powoduje obniżenie czułości pomiaru. Schemat blokowy Wirotestu M1 przedstawiono na rysunku 3, natomiast ilustrację urządzenia zamieszczo- no na rysysunku 4. Głównym zadaniem mikrokontrolera w tym urządzeniu jest konfiguracja przetwornika analogowo-cyfrowego oraz prze- twarzanie i wysyłanie danych poprzez mostek USB. W tym konkretnym zastosowaniu nie został wykorzystany wbudo- wany mostek USB w mikrokontrolerze. Wynika to z przyjętych założeń, pozwalających na łatwe zastąpienie wyjścia USB typu B dowolnym innym łączem szeregowym (np. EIA-232, EIA-485) bez konieczności gruntownej modyfikacji kodu źródłowego. Elementem przetwarzającym analogowy sygnał z modułu wiroprądowego jest przetwornik AD7190 wraz z napięciem re- ferencyjnym ADR3425. Uzyskanie niskiego poziomu szumów przetwornika było możliwe dzięki zastosowaniu trzech technik: 1. Płytka PCB została wykonana w technologii czterowar- stwowej z wydzielonymi dwiema warstwami dla dystry- bucji zasilania do poszczególnych układów. 2. Zastosowano miejscowo filtry RLC w celu izolowania szczególnie wrażliwych układów oraz zmniejszenia pro- pagacji zakłóceń po liniach zasilania. 3. Zastosowano źródło napięcia referencyjnego pracujące- go w konfiguracji cztero-przewodowej. W urządzeniu nie zastosowano podziału na masę analo- gową i cyfrową z uwagi na brak wyraźnego miejsca podzia- łu między częścią cyfrową i analogową. W urządzeniach, w których występuje analogowy tor pomiarowy oraz cyfrowa część przetwarzająca sygnał, częstym sposobem zmniej- szenia wpływu zakłóceń na tor pomiarowy jest separacja obwodów zasilania wraz z separacją obwodu masy układu dla części cyfrowej i analogowej. Tego typu rozwiązanie sprawdza się, kiedy możemy w łatwy sposób rozdzielić ele- menty cyfrowe od elementów analogowych. W przypadku kiedy takiego podziału nie można przeprowadzić, wprowa- dzenie sztucznego rozdzielenia masy na część cyfrową i ana- logową może doprowadzić do zwiększenia zakłóceń w sto- sunku do rozwiązania nieposiadającego takiego podziału [6]. Wymienna sonda pomiarowa jest elementem modułu wiroprądowego. Cewka sondy jest wzbudzana z generatora i stanowi element obwodu rezonansowego. Zmieniając cew- kę oraz zestaw kondensatorów możliwa jest zmiana często- tliwość pracy urządzenia. Rozwiązanie konstrukcyjne obu- dowy pozwala na łatwą i szybką wymianę tych elementów, bez konieczności użycia jakichkolwiek narzędzi. Głównym elementem zarządzającym pracą całego urzą- dzenia jest mikrokontroler STM32F103x pracujący na rdze- niu Cortex-M3. Moc obliczeniowa oraz możliwości jakie posiada ww. układ pozwalają na dodawanie w przyszłości nowych opcji pracy w zależności od wymaganych potrzeb. Możliwości i zastosowanie Wirotestu M1 Wirotest M1 jest przeznaczony do pracy z przetworni- kami bezwzględnymi, stykowymi oraz przelotowymi. Dedy- kowane sondy montowane są bezpośrednio w obudowie urządzenia (rys. 4). Zastosowanie adaptera ze złączem kon- centrycznym LEMO pozwala na podłączenie kablem sond 29PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA Vol. 89 9/2017 Wirotest M1 może znaleźć zastosowanie do: – wykrywania niezgodności i wad materiałowych, – wykrywania zmian strukturalnych, – rozróżniania i sortowania materiałów, – oszacowania twardości powierzchniowej, – pomiarów grubości warstw i powłok. stykowych typu SNC oraz przelotowych, współpracujących z defektoskopami Wirotest 302 oraz Wirotest 1000 produkcji IMP (rys. 5). Urządzenie nie ma możliwości kalibrowania. Po podłącze- niu danej sondy z zestawem kondensatorów pracuje z zada- ną częstotliwością oraz czułością. Korzystając ze wzorców, należy sprawdzać okresowo poprawność działania urządze- nia. Zrezygnowanie z przycisków i pokręteł wyeliminowało ryzyko zmiany ustawień przez użytkownika w sposób przy- padkowy. Wirotest M1 cechuje się łatwą i intuicyjną obsłu- gą, nie wymaga długiego szkolenia stanowiskowego. Wirotest M1 może być wykorzystywany do pracy w trybie ręcznym, np. jako przenośny defektoskop. Możliwość podłą- czenia z tabletem lub smartphonem nadaje Wirotestowi M1 charakter urządzenia mobilnego, poręcznego, o małej ma- sie i gabarytach. Porównanie Wirotestu M1 z klasycznym defektoskopem przenośnym produkcji IMP przedstawiono na rysunku 6. Duża częstotliwość próbkowania oraz komunikacja po- przez port USB sprawia, że Wirotest M1 nadaję się do pra- cy w trybie automatycznym. Ograniczeniem ilości urządzeń pracujących na stanowisku jest liczba portów, jakie obsługu- je jednostka sterująca. Przykład zastosowania Wirotestu M1 na stanowisku automatycznym AutoWir-S1 do kontroli kół zębatych przedstawiono na rysunku 7. Ze względu na stabilną pracę oraz odporność na dzia- łanie czynników zewnętrznych urządzenie może pracować w warunkach laboratoryjnych oraz przemysłowych (rys. 8), np. do kontroli międzyoperacyjnej półfabrykatów, końcowej kontroli jakości gotowych wyrobów, a także do kontroli eks- ploatacyjnej pracujących już części. Rys. 7. Pomiar automatyczny z wy- korzystaniem Wirotestu M1 na sta- nowisku AutoWir-S1 Fig.  7. Automatic measurement using Wirotest M1 on AutoWir-S1 Rys. 8. Inspekcja części po obróbce cieplnej w pie- cu próżniowym (Centrum Obróbki Cieplnej IMP) Fig. 8. Inspection of parts after a heat treatment in vacuum furnace (Heat Treatment Center IMP) Rys. 6. Wirotest M1 i Wirotest 1000 Fig. 6. Wirotest M1 and Wirotest 1000 Rys. 5. Przykłady sond pomiarowych pracujących z Wirotestem M1 Fig. 5. Examples of measuring probes working with Wirotest M1 30 PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA Vol. 89 9/2017 Podsumowanie  Opracowanie i wykonanie zminiaturyzowanego urządzenia pomiarowego do badań nieniszczących metodą prądów wiro- wych rozszerza możliwości pracy badawczej i wdrożeniowej Instytutu w tym obszarze. Stworzenie Wirotestu M1 pozwala na opracowywanie rozwiązań problemów spotykanych w przedsiębiorstwach produkcyjnych w oparciu o urządzenia pomia- rowe własnej konstrukcji. Wirotest M1 charakteryzuje się małą masą i gabarytami, może pracować z tabletem lub smartphonem, jest urządzeniem mobilnym, łatwym w obsłudze. Może znaleźć zastosowanie jako przenośny defektoskop, bądź jako urządzenie pomiarowe pracujące na linii automatycznej. Badania oraz wykonanie układu pomiarowego zrealizowano w Instytucie Mechaniki Precyzyjnej w ramach pracy statutowej w 2017 r . pt . „Opracowanie zminiaturyzowanego układu pomiarowego do badań nieniszczących metodą prądów wirowych”, nr 13 .1 .01 .416 .00 . Literatura [1] Dybiec Cz., Włodarczyk S.: Badania nieniszczące metodą prądów wiro- wych – możliwości zastosowań, Ochrona przed korozją, nr 3, s. 67-74, 2010. [2] Lewińska-Romicka A.: Defektoskopia wiroprądowa, Poradnik, Biuro Gam- ma, Warszawa 1997. [3] Lewińska-Romicka A.: Badania nieniszczące, Podstawy defektoskopii, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 2001. [4] Lewińska-Romicka A.: Badania materiałów metodą prądów wirowych, Biuro Gamma, Warszawa 2007. [5] Kondej A., Baranowski M., Niedźwiedzki K., Jończyk. S., Szczepański A.: Automatyczne stanowisko do badań nieniszczących metodą prądów wi- rowych, Inżynieria Powierzchni, nr 1, s. 57-62, 2014. [6] Kester W.: Practical design techniques for sensor signal conditioning, Analog Devices, USA 1999.