Владимир Хаустов
Сборник авторских инженерно-технических идей и решений в области систем технической диагностики и мониторинга

Введение

Современная наука и промышленность переживают период стремительных технологических изменений. В этом контексте особое значение приобретают нестандартные инженерные подходы, прорывные идеи и авторские решения, способные обеспечить повышение эффективности, надёжности и функциональности производственных, измерительных и управляющих систем. Инженерное мышление, основанное на точной научной интуиции и практической наблюдательности, позволяет находить элегантные решения даже в тех случаях, где традиционные методы оказываются недостаточными или избыточно сложными.

Настоящий сборник представляет собой тематически сгруппированную коллекцию оригинальных авторских технических идей, основанных на сочетании классических физических эффектов с современной элементной базой и практико-ориентированной логикой внедрения. В центре внимания – компактность, простота, гибкость и адаптивность каждого решения, а также его потенциальная применимость в условиях научных лабораторий, малых и средних производств, инженерных центров и отраслевого НИОКР.

Сознательно избегая излишней теоретизации, акцент сделан на прикладной стороне – на технической реализуемости, аппаратной логике, схематических решениях и методах адаптации под конкретные задачи. Подход, применённый в сборнике, основан на следующих принципах:

– Использование известных, но недооценённых физических эффектов в новых инженерных интерпретациях;

– Минимальное вмешательство в существующие технологические и производственные процессы;

– Повышение функциональности оборудования без масштабной реконструкции систем;

– Возможность адаптации решений под различные бюджеты, включая опытные и пилотные образцы;

– Потенциал патентоспособности и оригинальности.

Каждая идея в сборнике снабжена кратким техническим описанием, указанием принципа действия, областью применения и выводами по функциональности. Некоторые разработки уже прошли предварительную экспериментальную отработку, часть остаётся концептуальными, но технологически доступными для реализации в условиях экспериментального цеха или научной лаборатории.

Предлагаемый сборник не претендует на энциклопедическую полноту, но может стать источником инженерного вдохновения, набором отправных точек для собственных исследований и полезным материалом для специалистов в сфере автоматизации, диагностики, машиностроения, материаловедения, энергетики, инжиниринговых решений и промышленных испытаний.

1. Лазерный способ идентификации железнодорожных вагонов по осевым профилям баз тележек

Заявленный способ является альтернативой дорогостоящим оптическим системам распознавания с использованием видеокамер и искусственного интеллекта.

Единственное условие, ограничивающее применение способа заключается в том, что система должна заранее знать информация о каждом железнодорожном составе, который поступит на территорию промышленного производства. Должны быть известны все номера вагонов и последовательность расположения в железнодорожном составе.

Это условие для крупного промышленного производства в настоящее время выполняется. Информация о каждом железнодорожном составе, поступающим на территории промышленного производства, представлена в виде телеграммы натурного листа поезда (ТГНЛ), с указанием всехвагонов входящих в его состав и их последовательности номеров.

Предлагается за идентификационный параметр для каждого грузового вагона брать колёсные базы его двух тележек. Каждый Ж/Д вагон в своей серии конструктивного исполнения, в том числе и тележек – индивидуален. Невозможно изготовить две строго идентичные тележки. К тому же база каждой тележки в течении относительно небольшого периода будет зависеть только от температурных условий окружающей среды, которые можно легко учесть программным способом.

Таким образом, идентификационная характеристика каждого вагона носи вероятностный характер.

Рассмотрим пример использования способа идентификации применительно к самому распространённому типу колёсных тележек с базой в 1850 мм., согласно рис. 1.

Рис. № 1. Вагонная тележка, размеры.

Где:

B – колёсная база, мм.

L – идентификатор, мм.

H – высота идентификатора над Ж/Д полотном, мм.

Для других типов тележек способ идентификации идентичен и будет зависеть только от места статического расположения оптических датчиков.

Согласно ГОСТ колёсная база классической тележки равна 1850 мм с погрешностью от 1800 до 1890 мм.

Измерение расстояния колёсной базы будем проводить с помощью лазерных импульсно-оптических датчиков с чувствительностью на переключение – 0,01 мм.

В диапазоне выше указанных отклонений базы согласно ГОСТ в 90 мм для одной тележки в идеальных условиях (без влияния температуры окружающей среды и степени износа вагона) вероятность распознавания в идеальных условиях составит 1:90 000. Вероятность распознавания системой одного вагона с двумя тележками будет составлять 1:180 000.

В реальных условиях с учётом степени износа вагона и температурных условий окружающей среды – вероятностные значения идентификации будут в разы меньше, но достаточны для заявляемых целей учёта времени нахождения на территории промышленного производства.

Техническая реализация способа в упрощённом виде представлена на рис. № 2 только для одной стороны Ж/Д пути. Для другой стороны Ж/Д пути принцип идентичен.

Рис. № 2. Способ идентификации по колёсной базе.

Четыре оптические пары датчиков (в дальнейшем – датчики) стационарно размещены вдоль Ж/Д полотна на высоте h в пункте входа/выхода Ж/Д составов на/из территории промышленного производства.

Датчики располагаются таким способом, чтобы с учётом возможного максимального расстояния колёсной базы из стандарта ГОСТ– два крайних датчика (1,4) перекрывались колёсами, а два внутренних (2,3) – были открытыми. В случае выше указанного расстоянием размещения крайних датчиков будет 890 мм плюс расстояние однозначного распознавания перекрытия. Расстояние между 1 и 2, а также между 3 и 4 датчиками выбирается также исходя из однозначного распознавания переключения их по отдельности.

Направление переключения между 1 и 2, а также между 3 и 4 датчиками определяет направление движения вагона и его мгновенную скорость.

Разница во времени переключения между 1,2 и 3,4 для двух тележек вагона будет являться идентификатором самого вагона с учётом температурной коррекции воздействия окружающей среды.

При этом информация из телеграммы натурного листа поезда (ТГНЛ) от РЖД привяжет этот идентификатор к конкретному номеру вагона для заявленных целей учёта времени нахождения на территории промышленного производства.

Конструктивное исполнение способа достаточно просто. В упрощённом виде минимум – 8 лазерных датчиков (по 4 на каждую сторону Ж/Д полотна), плата сопряжения и компьютер.

Программное обеспечение способа также относительно просто по сравнению с искусственным интеллектом систем оптического распознавания номеров.

Таким образом с учётом Выше изложенного каждому прибывающему грузовому Ж/Д вагону по его номеру система присваивает свой идентификатор по измеренным расстояниям между колёсными базами двух тележек. По этому идентификатору система определяет время нахождения вагона на территории промышленного производства. Как уже было сказано выше – идентификатор имеет вероятностную характеристику и в идеальных условиях равен 1:180 000.

В реальных условиях с учётом степени износа вагона и температурных условий окружающей среды – вероятностные значения идентификации системой будут в разы меньше, но достаточны для заявляемых целей.

Таким образом:

Преимущества метода:

1. Экономичность:

– Лазерные датчики существенно дешевле комплексных систем видеонаблюдения с системами распознавания ГОСТ-номеров и нейросетевой обработки.

2. Надёжность:

– Отсутствие зависимости от погодных условий, загрязнения вагонов, повреждений маркировки и помех в виде граффити.

3. Высокая относительная уникальность сигнатур:

– Несмотря на то что ГОСТ допускает только 90 мм отклонений колёсной базы (1800–1890 мм), в сочетании со вторичной базой тележки и температурной коррекцией достигается высокая вероятностная уникальность идентификации 1:180 000 (в идеальных условиях) и 1:10 000–1:30 000 в реальных условиях, что достаточно в задачах «учёт-пребывание-выход».

4. Объективность данных:

– Колёсная база – это физическая характеристика, не подверженная визуальному искажениям и фальсификации, в отличие от табличек или радиометок.

5. Простота интеграции:

– Система может быть интегрирована в существующие IT-структуры

(АСУ ТП, ERP, MES) предприятия для ведения автоматизированного учёта железнодорожного трафика.

Алгоритм работы системы

– Оптические датчики, установленные по обе стороны рельсов (или с одной стороны при подтверждённой точности), фиксируют моменты прохождения каждой оси;

– По времени переключений фиксируются метки входа/выхода передней и задней пары колёс;

– Измеряется база тележек, направление движения, мгновенная скорость;

– Рассчитанные значения обрабатываются с учётом температуры и подаются в модуль идентификации;

– Происходит привязка к вагону согласно ТГНЛ (натурному листу), интеграция с системой учёта времени пребывания на территории;

– При выходе из промплощадки система автоматически фиксирует момент покидания вагона и рассчитывает общее время пребывания.

Прогнозируемая точность и надёжность:

– Даже с учётом допустимых погрешностей (+-0,01 мм лазерный датчик, +-2–3 мм температурная компенсация) система показывает высокую стабильность метки;

– Вероятность перекрёстной ошибки ниже допустимого для задач оперативного учёта (менее 1/1000 при соблюдении термокоррекции и высокой частоте дискретизации);

– Уникальность базов зависит от возраста, модели, условий эксплуатации тележек, что усиливает различимость.

Технические особенности реализации:

– Независимое питание/резервируемость датчиков – при установке вблизи ж/д рампы или ворот;

– Климатическая защита IP65+; возможна установка в теплоизолированных кожухах;

– Интерфейс связи с АСУ предприятия – OPC UA / Modbus / MQTT / REST API;

– Возможность модернизации до контроля геометрии всего состава или интеграции в систему контроля технического состояния вагонов.

Ограничения метода:

– Не подходит для ситуаций, в которых запрещена или невозможна предварительная загрузка информации о составе (ТГНЛ);

– Не заменяет классическую систему идентификации (для служб безопасности, например), но дополняет её в производственном учёте;

– Требует точной установки датчиков и периодической повторной метрологической поверки измерительной системы.

Заключение

Представленный способ является надёжной, масштабируемой и малозатратной альтернативой дорогим системам видеоанализа и радиометок в задачах учёта времени нахождения железнодорожных вагонов на территории промышленного предприятия. Используя физически воспроизводимую характеристику – колёсную базу тележек, измеряемую с высокой точностью с помощью лазерных датчиков, он обеспечивает достаточную степень уникальности для оперативного контроля, автоматизации логистики и оптимизации работы служб снабжения и отгрузки.

Заключение

Предложенный способ представляет собой эффективную, экономически оправданную и инженерно реализуемую альтернативу классическим системам идентификации железнодорожных вагонов на базе видеоаналитики, компьютерного зрения и распознавания символов (OCR). Он ориентирован на промышленное применение в условиях, когда заранее известна структура состава, а режим времени пребывания вагонов на территории или в производственном цикле критичен для управления логистикой и планирования.

Примечание

Более подробная информация о способе, а также сведения о экспериментальных работах, этапах опытно-конструкторских разработок и вариантах практического применения представлены в авторском исследовательском проекте: **Вихри Хаоса – Инновационный шторм идей и экспериментов в науке и технике**.

Официальный ресурс: [https://vihrihaosa.ru]

2. Вихре кольцевой детонационный способ измерения толщины покрытия стального листа

Идея способа основывается на одном интересном эффекте, который проявляется в любом вихревом кольце при его прямолинейном распространении.

Сформированное любым способом и движущееся прямолинейно воздушное интенсивное вихревое кольцо является достаточно продолжительное время замкнутой самоподдерживающей упругой вихревой структурой, степень упругости которой зависит только от интенсивности формирования вихревого кольца.

В такой кольцевой вихревой структуре любые внешние изменения, влияющие на геометрические характеристики вихревого кольца, в любом месте при его распространении мгновенно отражаются во всём объёме его объёме.

Можно сказать, что вихревое кольцо ведёт себя как достаточно упругий движущийся элемент, в котором степень упругости зависит от скорости его распространения, циркуляции и угла расходимости. В этом легко убедится на примере дымового сигаретного кольца курильщика. Такое кольцо с совсем небольшой циркуляцией и скоростью распространения проявляет свойства упругого элемента – достаточно слегка толкнуть движущееся кольцо.

При этом сам Роберт Вуд о вихревых кольцах говорил следующее: Аудитория может получить представление о «твердости» вращающегося воздушного вихря, если последовательно выпускать невидимые кольца в зал. Удар кольца в лицо человека ощущается как мягкий толчок пуховой подушкой.

Этот эффект можно считать относящимся и для вихревых полуколец, сформированных так называемым “материнским” вихревым кольцом при прохождении через относительно тонкий лист. Такой разделитель не способен разрушить ядра полукольцевых вихрей, но оказывает влияющее воздействие, о котором будет сказано ниже и на основании которого базируется сама идея измерений.

Вихревые полукольца являются движущимися с обеих сторон листа независимыми “твёрдыми” элементами. Толщина листа в этом случае будет являться тем маркером, изменение которого в каждом конкретном месте мгновенно влияет на ядра полукольцевых вихрей, сжимая их или растягивая. Это означает, что мгновенно будут меняться, но с разными знаками значения давлений снаружи таких вихревых полуколец, движущихся поперёк так называемого “делительно-измеряемого” стального листа.

Вихревые полукольца, сформированные от общего “материнского” вихревого кольца, имеют абсолютно идентичные характеристики по скорости, распространения, циркуляции, углу расходимости и т.п. Это значит, что, измеряя значения давлений снаружи движущихся вихревых полуколец можно определить математическую зависимость толщины листа с покрытием, относительно толщины листа без покрытия. При этом влияющие на значения давлений вибрации при движении самого листа также могут быть нивелированы математически.

Интенсивное вихревое кольцо

В качестве источника формирования следующих друг за другом с частотой 2 Гц высокоинтенсивных вихревых кольцевых структур предлагается использовать детонационный источник энергии цилиндрической формы, бесклапанный с сферическим резонатором на выходе, см. рис. № 3.

Рис. № 3. Трубчатый источник волн детонационного горения с сферическим резонатором на выходе.

Экспериментальным путём установлено формирование одновременно два вихревых кольца, т.е. волна детонационного горения формирует два вихревых кольца, одно – фронтом волны, другое – областью между волной горения и разряжением.

Первичное высокоинтенсивное вихревое кольцо распространяется прямолинейно с углом расширения – 0,2 градуса.

Вторичное вихревое кольцо распространяется с углом расширения примерно 150 градусов.

На основании выше изложенного реализация предлагаемого способа представлена на рис. № 4.

Рис. № 4. Вихре кольцевой детонационный способ измерения толщины покрытия стального листа.

Симметрично с обеих сторон листа на одинаковом расстоянии установлены строго параллельные линейки с датчиками давления.

Поперёк стального листа друг за другом движутся сформированные внешним детонационным источником энергии воздушные высокоинтенсивные вихревые кольца.

Каждое такое вихревое кольцо после полного сформирования при своём движении “разрезается” тонким стальным листом пополам. Таким образом, с обеих сторон стального листа движутся уже синхронно два зеркальных вихревых полукольца, имеющие одинаковую скорость распространения, циркуляцию и угол расходимости.

Одновременно с движением вихревых полу колец – датчиками измеряются значения их наружных давлений в каждом месте стального листа по всей его длине.

Изменение толщины листа в определённом месте или местоположение в случае вибрации даже на 1 микрон приведёт к мгновенному воздействию на полу ядра полукольцевых вихревых потоков. Это означает, что практически мгновенно изменятся значения давлений диаметрально по всему объёму обоих вихревых полуколец. С одной стороны листа давление увеличится, с другой стороны листа либо уменьшится, либо останется без изменений.

Два диаметрально расположенных датчика давления, зафиксируют изменения, которое затем математически будут преобразованы в единицы линейных размеров толщины в заданном месте.

Предложенная технология определения толщины стального листа с использованием вихревых полукольцевых потоков, формируемых путём рассечения детонационно сформированного вихревого кольца, представляет собой эффективный и экономически целесообразный метод неразрушающего контроля геометрических параметров материала в реальном времени.

При прохождении синхронных полукольцевых вихревых потоков с обеих сторон листа создаются зеркальные аэродинамические поля, чувствительные к микроскопическим изменениям расстояния между ними. Благодаря высокой циркуляции, направленному движению и стабильной структуре вихревого потока, даже незначительное отклонение в толщине листа (порядка 1 микрометра) мгновенно вызывает отличие в давлении в образовавшихся полукольцах. Это отличие надёжно фиксируется парой синхронных датчиков давления и может быть мгновенно преобразовано в точное значение толщины в заданной точке.

Преимущества технологии:

– Чрезвычайно высокая чувствительность измерения при минимальной стоимости оборудования;

– Простота и дешевизна конструктивного исполнения детонационного источника вихревых колец;

– Модульность и масштабируемость системы – возможна адаптация под листы различной ширины, за счёт изменения количества датчиков;

– Отсутствие физического контакта с измеряемой поверхностью, что исключает износ чувствующих элементов и позволяет использовать систему в условиях высокой скорости движения листа.

Ограничения:

– Метод не позволяет раздельно измерять толщину покрытий на одной стороне листа – выводится суммарная толщина основы и покрытия;

– Измерения выполняются дискретно как по длине, так и по ширине листа (шаг определён частотой формирования вихревых колец и количеством датчиков давления);

– Для прецизионных измерений необходима предварительная калибровка и адаптация под конкретные физико-газодинамические условия (плотность газовой среды, температура, скорость листа и т.д.).

Заключение

Предложенная система может стать надёжным, недорогим и технологически пригодным инструментом для организации непрерывного неинвазивного мониторинга толщины металлопроката в условиях серийного производства. Она способна дополнить или в ряде случаев заменить более сложные и дорогие методы (такие как рентгеновские, вихретоковые, лазерные измерители), особенно при производстве тонкого листа, алюминиевого, оцинкованного или другого проката, где необходима высокая чувствительность контроля при минимальных затратах на обслуживание оборудования.

Примечание

Более подробная информация о способе, а также сведения о экспериментальных работах, этапах опытно-конструкторских разработок и вариантах практического применения представлены в авторском исследовательском проекте: **Вихри Хаоса – Инновационный шторм идей и экспериментов в науке и технике**.

Официальный ресурс: [https://vihrihaosa.ru]

3. Пьезоэлектрический способ измерения крутящего момента приводных валов

Предложена экспериментальная модель простейшего тензоэлектрического (термоэлектрического) датчика на основе тонкой плёнки оксида меди, формируемой на поверхности медного стержня методом термоокисления в пламени. При изгибе или кручении такого стержня наблюдается изменение выходного сигнала в пределах 100 мкВ – 1 мВ, что может быть связано с изменением термоэлектрических свойств полупроводникового слоя под действием механической деформации. Такое устройство может служить основой для разработки упрощённых позиционных или деформационных сенсоров, а также как учебный макет для демонстрации эффекта электромеханического преобразования в оксидах металлов.

Введение

Всем известно, что крутящий момент – это сила, при которой происходит деформация вала, только не на изгиб, а скручивание, при котором отдельные сечения вала не повторяют друг друга, а оказываются повернутыми друг относительно друга на определённые углы, тем большие, чем больше приложенная сила. При этом не следует заблуждаться, что мы увидим эту закрутку стального вала, нанеся на поверхность вала линии, параллельные его оси. Величина закрутки будет в реальности настолько мала, что её непросто измерить даже с помощью специальных датчиков существующих измерительных системах.

Для понимания привожу усреднённые значения максимально допустимой “крутки” классического стального вала исходя из его усреднённых прочностных характеристик:

0 3- для каждого метра вала при статической нагрузке,

0 25 – для каждого метра вала при переменной нагрузке,

0 15, для каждого метра вала при ударной нагрузке.

В настоящее время разработано большое количество датчиков и измерительных систем для решения таких задач, но все они имеют один существенный недостаток.

Измерительный элемент любого датчика непосредственно не участвует в процессе измерения деформации измеряемого объекта, а только через так называемую подложку. В качестве подложки в существующих измерительных системах, всегда выступает какой – либо промежуточный материал, защищающий сам чувствительный элемент от различных внешних воздействий, например – электрод датчика. Такой материал, как правило, имеет свои механические свойства, которые не позволяют непосредственно передавать значения деформации в сам измерительный элемент и влияют на чувствительность всей системы.

Чувствительность такой измерительной системы всегда зависит от механических свойств такой подложки.

Исходя из выше изложенного, предлагается непосредственный способ измерения крутящего момента приводных валов, основывающийся на классическом пьезоэфекте в полупроводниках.

В заявляемом способе предлагается полностью отказаться от каких-либо подложек между измерительным элементом и объектом измерения – стальным валом.

Сам измерительный элемент в виде плёнки из полупроводника предлагается химическим или гальваническим способом нанести непосредственно на сам шпиндель в виде кольца, спирали или полоски по всей длине шпинделя.

Рис. № 5. Пьезоэлектрический полупроводниковый непосредственный способ измерения крутящего момента приводных валов

Способов нанесения полупроводникового слоя химическим или гальваническим способом достаточно много.

Рассмотрим самый простой и технологичный (хорошо повторяемый) химический способ нанесения полупроводникового слоя, который был опубликован ещё во времена СССР в школьных факультативах старших классов по химии – изготовление солнечной батареи и термоэлемента. Например, тиомочевина из расчёта 114 грамм на 1 литр воды, ацетат свинца из расчёта 345 грамм на 1 литр воды и едкий натр из расчёта 40 грамм на 1 литр воды даже в любительских условиях позволяют получить достаточно прочную полупроводниковую плёнку толщиной 5 микрон на стальном основании.

Сверху полупроводникового слоя, но только с обоих концов вала, также, например, химическим способом необходимо нанести уже кольцевой слой проводника. Такие два кольца проводника поверх общего полупроводникового слоя с обоих сторон вала будут являться двумя электродами измерительной системы.

В такой химически нанесённой плёнке из полупроводника получаются одинаковые величин продольных и поперечных коэффициентов пьезосопротивления.

Этого вполне достаточно для непосредственной фиксации пьезоэффекта при малейшем сдвиге на кручение в шпинделе, передающем крутящий момент.

Таким образом, мы полностью избавляемся от промежуточных элементов в существующих датчиках, которые существенно влияют на чувствительность всей измерительной системы.

Практические работы подтверждают простоту конструктивного исполнения способа, см. рис. № 6.

Рис. № 6. Экспериментальные работы, подтверждающие способ.

Берётся медный стержень от паяльника. Зачищается. Нагревается на огне до красного каления. Таким образом на поверхности стержня сформируется формирует тонкая плёнка из полупроводника – оксида меди.

Сверху и снизу такого стержня прищепками крепятся к слою полупроводника два провода от милливольтметра.

Крутящий момент такого стержня фиксирует изменение напряжения от 100 мкВ до 1 мВ.

Результаты и наблюдения

В демонстрационном опытe сила кручения прикладывалась вручную (с контролируемым углом деформации до 10–15):

– Начальное напряжение на милливольтметре 0 мВ (фон ~±20 мкВ);

– При повороте появляется устойчивое напряжение в среднем 300–600 мкВ;

– Максимальный зафиксированный сигнал 1 мВ (при значительном изгибе остова).

Напряжение исчезает при восстановлении формы, что подтверждает обратимость эффекта.

Возможные приложения

– Простейший сенсор крутящего момента для учебных демонстраций;

– Эксперимент по практическому применению полупроводников и термо-ЭДС;

– Технологическая диагностика деформации токопроводящих компонентов;

– Простая модель датчика усилия или нагрузки (прототип);

– Основа для разработки гибких/мембранных сенсоров давления в составе микросистем.

Преимущества

– Абсолютно доступные материалы;

– Отсутствие электроники;

– Электроактивная часть создаётся за 1–2 минуты;

– Не требует пайки или доп. обработки;

– Эффект наблюдается многократно и обратим;

– Работает в диапазоне чувствительности стандартного милливольтметра.

Вывод

Эксперимент демонстрирует возможность регистрации механического воздействия (кручения) через изменение напряжения в системе "медь – оксид меди". Это простой, наглядный принцип преобразования механической работы в электрический сигнал, реализуемый полностью из подручных материалов.

Результат может стать как отправной точкой в разработке элементарных механочувствительных сенсоров, так и демонстрационным экспериментом для учебных лабораторий по материаловедению, электромеханике или физике полупроводников.

Примечание

Более подробная информация о способе, а также сведения о экспериментальных работах, этапах опытно-конструкторских разработок и вариантах практического применения представлены в авторском исследовательском проекте: **Вихри Хаоса – Инновационный шторм идей и экспериментов в науке и технике**.

Официальный ресурс: [https://vihrihaosa.ru]

4. Хемотронная система диагностики электрических изоляционных муфт

Ежегодно мировая экономика теряет миллиарды долларов из-за повреждений линий электропередач. По статистики, каждая вторая авария на энергосетях происходит по вине повреждений изоляции в том числе в соединительных и концевых кабельных муфтах. В большинстве случаев виной тому физическое старение оболочек или производственный брак. Но существует и более коварная причина – частичный разряд.

Частичный разряд диагностируется в настоящее время ниже поименованными методами, но проявляются на физическом плане в любом случае и при любых условиях как механические колебания, вызванные электрическими разрядами.

Сегодня известны следующие методы обнаружения частичных разрядов как:

– электрический;

– электромагнитный, или дистанционный, СВЧ-метод;

– акустический;

– химический;

– оптический, или оптоэлектронный;

– термический.

Как было сказано выше – частичный разряд проявляются на физическом плане в любом случае и при любых условиях как механические колебания, вызванные электрическими разрядами. Начальная стадия диагностики затруднена из-за чувствительности выше поименованных методов.

Здесь на помощь приходит хемотроника, позволяющая однозначно регистрировать миллиардные доли атмосферного давления благодаря возможности реагировать буквально на считанные молекулы носителей заряда на электроде хемотронном датчике.

Сама хемотроника возникла на стыке двух наук – электрохимии и электроники. Основой хемотроники являются приборы, использующие принцип электрохимического преобразования в твердых и жидких электролитах. Носителями заряда в этих приборах служат ионы, обладающие малой подвижностью.

К основным достоинствам хемотронных приборов можно отнести малую потребляемую мощность, высокую чувствительность по входу.

Хемоторонные датчики позволяют однозначно регистрировать миллиардные доли атмосферы, также могут реагировать буквально на считанные молекулы. При этом имеют малый уровень собственных шумов, достаточно высокую надежность и невысокую стоимость.

Недостатками хемотронных приборов являются лишь малый частотный диапазон (0 – 1 кГц), при этом жидкофазные хемотронные приборы узким температурным диапазоном (0 – 50 С). Твёрдые электролиты существенно расширяют температурный диапазон использования.

Предлагается для обнаружения медленно начинающихся процессов разрушения концевых и соединительных кабельных муфт линий электропередач использовать простейший хемотронный датчик из школьного опыта по физики далёкого 1986 года, опубликованный в популярном научно-техническом, см. рис. № 7.

Рис. № 7. Датчик хемотронный из школьного опыта по физики 1986 года.

Технология изготовления:

Сначала необходимо изготовить цилиндрический корпус. Корпус можно склеить из отдельных пластинок оргстекла, в этом случае он будет прямоугольным. Примерный диаметр круглого корпуса – 40 мм, а высота около 20 мм. С торцов цилиндра надо выточить две полости глубиной около 5 мм и диаметром 30 мм, так чтобы между ними осталась толстостенная перемычка. Непосредственно под перемычкой просверлите горизонтально отверстие диаметром 2-3 мм для заливки электролита и подберите к этому отверстию плотную пробку. Затем с противоположной стороны корпуса просверлите одно под другим еще три отверстия для электродов диаметром чуть больше миллиметра. Центральный электрод должен находиться в перемычке, верхний и нижний – в соответствующих полостях.

В качестве электродов используются толстые грифели для цанговых карандашей. Те места, где грифели выходят из корпуса, надо за герметизировать каким-либо клеем. Когда клей высохнет, в перемычке просверлите вертикально очень тонкое сквозное отверстие диаметром не более 0,5 мм. Выбирая для него место, имейте в виду, что это отверстие обязательно должно пройти через средний грифель-электрод.

Прибор уже почти готов. Осталось лишь приклеить к нему сверху и снизу по тонкой мембране из того же оргстекла, только небольшой толщины (0,3-0,5 мм). Пока приклейте только нижнюю мембрану. Теперь об электролите. В половине стакана воды растворите 20-30 г иодида калия, а затем, слегка подогрев раствор, добавьте около 1 г иода. Через боковое, более широкое отверстие залейте этот электролит внутрь датчика, в нижнюю полость, следя за тем, чтобы не осталось воздушных пузырьков. Легче всего провести эту операцию медицинским шприцем. Когда заполнится и верхняя полость, приклейте вторую мембрану и окончательно за герметизируйте корпус, для чего вставьте во впускное отверстие заранее приготовленную пробку и тщательно залейте ее клеем.

Хемотронный датчик работает от батарейки для карманного фонарика. Верхний и нижний электроды, находящиеся в полости, соедините с положительным полюсом батарейки, средний – с отрицательным. В цепь желательно включить реостат, а также вольтметр и микроамперметр, которые, как вы уже знаете, можно заменить тестером.

С помощью реостата (или сопротивлений) установите напряжение примерно 0,8-0,9 В. Микроамперметр, включенный в цепь центрального электрода, покажет ток 200-300 мкА. Оставьте цепь замкнутой часов на десять-пятнадцать. Ток постепенно понизится до 10-20 мкА, что и требуется. Теперь датчик готов к работе.

Проверить, как он действует, проще всего так: подуйте на одну из мембран. В то же мгновение стрелка микроамперметра резко отклонится вправо. Для глаза движение мембраны незаметно, но датчик на него сразу отреагировал.

Поясним, почему так происходит. Сила тока зависит от того, сколько йода находится возле страдательного электрода – катода. Под действием постоянного тока йод на катоде восстанавливается, принимая электроны, а на аноде он вновь образуется из ионов. Поэтому йод как бы постепенно перекачивается от катода к аноду. После зарядки датчика ток понемногу падает, потому что у отрицательного электрода остается все меньше йода. Но как только вы подули на мембрану, к катоду поступает дополнительная, пусть и очень небольшая, порция молекул йода; датчик мгновенно на это реагирует: ток возрастает.

Приведённые выше школьные эксперименты в области хемотроники позволяют немного усовершенствовать сам датчик, изменить электрическую систему управления на новой элементной базе и использовать его для заявленных целей.

Для этого нужно использовать только одну мембрану из плёнки. Изготовить её и корпус датчика по профилю кабельной муфты подвода/отвода высокого напряжения. Плотно установить такой датчик на каждой муфте.

Такой датчик позволит на начальной стадии диагностировать медленно начинающиеся процессы частичных разрядов (ЧР), приводящие в перспективе к пробою изоляции.

Рис. № 8. Датчик обнаружения медленно начинающихся процессов разрушения концевых и соединительных кабельных муфт линий электропередач

Вывод

Такой датчик намного чувствительнее других типов. Позволяет однозначно регистрировать миллиардные доли атмосферы. Реагирует буквально на считанные молекулы у электрода. При этом имеет малый уровень собственных шумов, достаточно высокую надежность и повторяемость в любой мастерской.

Недостатками хемотронных приборов являются лишь малый частотный диапазон (0 – 1 кГц) и узким температурным диапазоном (0 – 50 С). Применение твёрдых электролитов существенно расширяют диапазон использования.

Примечание

Более подробная информация о способе, а также сведения о экспериментальных работах, этапах опытно-конструкторских разработок и вариантах практического применения представлены в авторском исследовательском проекте: **Вихри Хаоса – Инновационный шторм идей и экспериментов в науке и технике**.

Официальный ресурс: [https://vihrihaosa.ru]

5. Термический способ обнаружения оптически неоднородных дефектов на поверхности стального листа

Предложен промышленно реализуемый неразрушающий способ раннего обнаружения оптически невидимых дефектов – световых пятен (отпечатков) – на поверхностях холоднокатаного тонколистового стального проката. Метод основан на различном термическом отклике дефектных и недефектных участков при равномерном поверхностном нагреве инфракрасным излучением. Принцип действия основан на том, что участки с различной отражающей способностью (оптической неоднородностью) обладают разной скоростью нагрева. После кратковременного облучения сканируемой поверхности производится термографическая регистрация остаточных температурных аномалий с использованием тепловизора. Метод позволяет выявить потенциальные дефекты, проявляющиеся только после горячего цинкования, уже на этапе холодной прокатки, без оборудования внесения в линию дополнительных контактных датчиков. Поддержка реализации обеспечивается возможностью использования стандартных компонентов (ИК-излучатель, тепловизор, ПО анализа изображений), а также применения эффекта Риге–Ледюка для повышения контрастности теплового градиента при отсутствии высокоточного термодатчика.

Введение

Световые пятна, или отпечатки, – это одного из наиболее труднообнаруживаемых визуальных дефектов холоднокатаной стальной ленты, проявляющийся только на этапах последующей обработки – например, при горячем цинковании. Оптические неоднородности, обусловленные остаточными загрязнениями, микрошероховатостью, поверхностными оксидами или микроскопическим различием в кристаллографической структуре, могут быть незаметны для системы визуального автоматического контроля на прокатных или полировальных линиях. Эти дефекты наносят значительный ущерб качеству готовой продукции, особенно при использовании листа в автомобильной, электронной, фасадной промышленности.

Устранение световых пятен на этапе прокатки невозможно, если они не зафиксированы заранее. Следовательно, необходим надёжный метод обнаружения таких дефектов на ранней стадии и с привязкой к координатам.

Физическая основа метода

Метод основан на дифференциальной теплопроводности и теплоёмкости участков со слегка различной отражательной способностью. Участки, имеющие более высокое альбедо (отражают большую часть падающего ИК-излучения), нагреваются медленнее и в момент выхода из зоны нагрева имеют температуру ниже по сравнению с более тёмными участками.

Согласно закону теплового баланса:

Q = aeI∙dt

Где:

– a – коэффициент поглощения;

– e – излучательная способность;

– I – плотность потока ИК-излучателя;

– dt – время облучения.

Для микро неоднородностей (толщина < 0,01 мм) даже незначительное отличие отражательной способности приводит к разнице в остаточной температуре от 0,2 C и выше, которой достаточно для термографического различия.

Таким образом:

Температурная аномалия после ИК-облучения = функция локальной оптической неоднородности.

Концепция и описание метода

На движущийся стальной лист в зоне прокатки или после неё с определённой скоростью направляется узкополосный линейный ИК-излучатель (например, ИК-лампа или массив излучающих диодов), формирующий равномерный тепловой фронт поперёк всей ширины ленты. Через 10–100 мс работы источник отключается, и сразу за ним установлен тепловизор (планшетный термосканер), “снимающий” картину остывания поверхности.

Рис. 9. Схемная реализация термического способа обнаружения оптически неоднородных дефектов.

В полученном термографическом изображении дефекты проявляются как зоны пониженной температуры, отстоящие от в среднем равномерного температурного поля. Алгоритм выделяет эти зоны и привязывает их координаты к положению листа.

Аппаратная реализация

Структурная схема установки:

– ИК-источник (линейный) длиной, соответствующей ширине ленты (1–2 м):

Лампы галогенные ИК-диапазона (2–3 мкм);

Массив ИК-светодиодов;

– Питание и управляющий модуль генерации импульса/нагрева;

– Планшетный тепловизор (640×480 или 320×240, чувствительность ≤ 0,05 C);

– Программный блок анализа термограммы;

– Привязка координат термокарты к скорости движения и дате/порядковому № рулона.

Сканирование осуществляется автоматически при достижении листом зоны контроля.

При отсутствии промышленного тепловизора может быть реализовано конструктивное улучшение чувствительности – с усилением температурных различий по эффекту Риге–Ледюка (см. ниже).

Повышение чувствительности – эффект Риге–Ледюка

Если стандартного чувствительного тепловизора нет, предложено применение физического эффекта Риге–Ледюка – отклонение теплового потока под действием магнитного поля, перпендикулярного градиенту температуры. Размещение неодимовых магнитов в шахматном порядке снизу зоны ИК-нагрева усиливает развитие поперечных тепловых градиентов, создавая локальный температурный контраст даже при крайне малой разнице оптических свойств.

Это создаёт дополнительную «подсветку» неравномерностей, повышая их выраженность на термограмме.

Преимущества способа

– Неразрушающий, не контактный, не инерционный;

– Не требует прерывания производственного потока;

– Выявляет дефекты до стадии цинкования/покраски;

– Прост в реализации – конструкцию можно собрать силами РМЦ или механоинструментального участка без специальных условий;

– Позволяет локализовать дефект и внести поправки в сортировочные правила при резке/перемотке;

– Доводка (настройка зоны) изменяется только по высоте и мощности ИК-источника.

Выводы

Предложен термический метод обнаружения оптически не регистрируемых дефектов типа «световые пятна» на стадии прокатки холоднокатаного листа. Метод основан на кратковременном нагреве поверхности листа с помощью линейного ИК-излучателя и последующем термографическом контроле распределения остаточной температуры.

Этот способ:

– Прост и воспроизводим;

– Не требует изменения прокатной линии;

– Может стать этапом входного контроля для следующих стадий обработки.

При отсутствии высокочувствительного тепловизора чувствительность усиливается применением поперечного магнитного поля (эффект Риге–Ледюка). В качестве следующего этапа можно рекомендовать опытную отработку установки на промышленном участке или пилотной линии.

Примечание

Более подробная информация о способе, а также сведения о экспериментальных работах, этапах опытно-конструкторских разработок и вариантах практического применения представлены в авторском исследовательском проекте: **Вихри Хаоса – Инновационный шторм идей и экспериментов в науке и технике**.

Официальный ресурс: [https://vihrihaosa.ru]

6. Способ контроля температуры силовых медных электрических шинопроводов под нагрузкой.

Предлагается простой и надёжный способ непрерывного мониторинга температуры токонесущих шинопроводов, выполненных из меди, работающих под нагрузкой. Метод основан на использовании термоэлектрического эффекта Зеебека, реализуемого через приварку термоэлектрической (например, константановой) проволоки к исследуемому участку шинопровода. Таким образом формируется термопара типа “медь-константан”, генерирующая термоэлектродвижущую силу (ЭДС), величина которой прямо пропорциональна температуре места соединения. Электрический сигнал с термопары снимается через гальваническую развязку и усиливается, после чего используется для отображения, контроля или автоматической сигнализации. Метод легко интегрируется в рабочую электроустановку, обеспечивает надёжную диагностику перегрева, способен фиксировать усталостные тепловые процессы (локальные повышения сопротивления, слабые контакты и др.) и не требует дорогостоящих датчиков или преобразователей.

Введение

Силовые электрические шинопроводы – это критически важный элемент высокотоковых электрических установок. В условиях высокой токовой нагрузки и контактов с множеством коммутационных и сборных шин особую значимость приобретают вопросы профилактики перегрева, вызванного нарушением контакта, ослаблением стяжек, загрязнением, локальной коррозией и повышением переходного сопротивления.

Классические контактные методы температурного мониторинга (ИК-датчики, платиновые терморезисторы, термостикеры) имеют целый ряд недостатков:

– необходимость изоляции электрически активного участка;

– невысокая точность или чувствительность;

– повышенные требования по стойкости к электромагнитным помехам.

Предлагаемый способ на базе термопары реализует надёжное замер напряжения, возникающего на границе двух металлов разной природы, напрямую приваренных к токопроводящей шине.

Физическая основа метода

Метод основан на эффекте Зеебека: при наличии термического градиента между двумя различными проводниками, соединёнными в замкнутый электрический контур, возникает электродвижущая сила, определяемая:

Uтп = S * DT

где:

– Uтп – напряжение термопары (мкВ);

– S – термоэлектрическая сила (чувствительность) в мкВ/ С (для Cu-Constantan 40 мкВ/ С);

– DT – разность температур между холодным и горячим спаем.

Если “холодный спай” размещён в контролируемом температурном отсеке или компенсируется электронным способом (через электронную “холодную точку”), то значение Uтп напрямую указывает температуру точки “горячего” соединения (т.е. медного шинопровода в месте приварки).

Конструкция системы

Схема реализации представлена на следующем рисунке.

Рис. № 10. Термопарный способ непрерывного контроля температуры силовых медных электрических шинопроводов под нагрузкой

Термочувствительный узел

– Медная шина – основной токопроводящий элемент;

– Константановая проволока (или другой термоэлектрически активный сплав, например, хромель, нихром и т. д.);

– Точка сварки или пайки – электрический контакт двух металлов, формирующий термопару.

Снятие сигнала

– Проволока термопары соединена с усилителем высокой чувствительности (микровольтовый усилитель);

– В цепи установлен опторазвязанный буфер. Гальваническая развязка обеспечивает безопасность сигналов и исключает влияние высоковольтного фона или наводок от основного тока шины.

Методика установки

– Выбирается потенциально опасная зона шины: соединительно-монтажные узлы, края изгиба, зоны под возросшей нагрузкой.

– Поверхность меди зачищается (механически, химически) до чистого блеска, при необходимости обезжиривается.

– Константановая проволока диаметром 0,2–1 мм сваривается в одинарную точку с медной шиной точечной сваркой, капрониткой или аккуратной пайкой (без перекрытия медного прогона).

– Длина проволоки до усилителя выбирается не менее 0,5–1 м (для снижения электромагнитных помех).

– Монтаж производится с прижимом, в экранированном кабеле.

Преимущества метода

– Работает в условиях высокой электротоковой нагрузки – не мешает току;

– Не подвержен механическим смещениям, так как термопара выполнена методом сварки;

– Простой монтаж в полевых условиях;

– Не требует внешнего питания на чувствующий элемент;

– Быстрое обнаружение перегрева / нарушения контакта до точки выхода из строя.

Диагностические возможности

– Обнаружение локального нагрева свыше порогового значения (например, свыше +70…+90  C);

– Раннее выявление дефектных ветвей шин до «горячих» аварий;

– Статистический контроль старения системы;

– Формирование аварийных извещений при быстром росте температуры;

– Возможность мониторинга в реальном времени.

Заключение

Способ непрерывного контроля температуры медных шин с использованием термопары «медь-константан» реализует высокочувствительный, дешевый и надёжный метод профилактической диагностики тепловых аномалий под рабочей нагрузкой. Он легко внедряется в протяжённую шинную систему и не вызывает нарушения её электрических характеристик. Внедрение данной технологии уменьшает риски перегрева, снижает аварийность и удлиняет срок службы оборудования.

Примечание

Более подробная информация о способе, а также сведения о экспериментальных работах, этапах опытно-конструкторских разработок и вариантах практического применения представлены в авторском исследовательском проекте: **Вихри Хаоса – Инновационный шторм идей и экспериментов в науке и технике**.

Официальный ресурс: [https://vihrihaosa.ru]

7. Контактный дисковый способ диагностирования внутренних дефектов слябов в МНЛЗ

Способ диагностирования возникновения внутренних дефектов (трещин) осуществляется контактным способом контроля разности температур дисковыми термоэлектродами между соседними локальными местами по периметру сляба, а также, в локальных местах по периметру сляба за определённый временной интервал после зоны вторичного охлаждения машины непрерывного литья заготовок (МНЛЗ).

Введение

Наиболее проблемными с точки зрения качества слябов непрерывной разливки стали являются ранняя диагностика поверхностных дефектов, среди которых наиболее значимыми и трудно устранимыми оказываются паукообразные, сетчатые и поперечные трещины, которые развиваются в приповерхностном слое, проходят по границам зерен и, как правило, не загрязнены ликватами.

Известен способ диагностирования появления трещин в слябе по изменению температуры его поверхности непосредственно в кристаллизаторе матричной системой термоэлементов (CN 101985166). Диагностирование дефектов выполняется по разнице показаний термоэлементов в матрице.

Известен способ диагностирования появления трещин в слябе по изменению температуры его поверхности непосредственно в верхней и центральной частях кристаллизатора матричной системой термоэлементов (WO 2012043985). Диагностирование дефектов выполняется по разнице показаний термоэлементов в матрице.

Известен способ диагностирования продольных трещин в затвердевшей оболочке сляба в кристаллизаторе (RU 2593802C2).

Основным недостатком указанных способов является то, что практическая реализация требует внесение конструктивных изменения в действующее оборудование машины непрерывного литья заготовок. Внутренние поверхности кристаллизатора должны быть дооборудованы системами термодатчиков.

Бесконтактное измерение температуры поверхности с помощью отдельных термопар менее чувствителен к небольшим изменениям температуры, чем контактный способ. Установленные на небольшом расстоянии, например, через 10 мм, термопары с бесконтактным измерением не способны реагировать на малейшее изменение температуры на таком расстоянии.

Описание

Способ диагностирование возникновения внутренних дефектов (трещин) осуществляется контактным способом контроля разности температур дисковыми термоэлектродами между соседними локальными местами по периметру сляба, а также, в локальных местах по периметру сляба за определённый временной интервал после зоны вторичного охлаждения машины непрерывного литья заготовок (МНЛЗ).

Измерение температур на поверхности сляба производится двумя идентичными и разнесёнными на определённое расстояние измерительными модулями.

В измерительных модулях температуры поверхностей сляба измеряются контактным катящимся способом. В контактном способе одним общим термоэлектродом является сам сляб. В качестве второго термоэлектрода используется множество статически размещённых дисковых термоэлектродов. Все дисковые термоэлектроды свободно вращаются вдоль, по всей поверхности сляба (первого термоэлектрода), образуя термоизмерительный контакт.

Наличие аномального изменения температуры в определённом месте на поверхности сляба за определённый промежуток времени или характеристика изменения скорости остывания определённого места – является диагностическим маркером образования любых внутренних дефектов. Пики и впадины на кривых распределения говорят о неоднородности внутренней структуры, а их величина – о степени неоднородности.

В качестве дискового термоэлектрода, согласно термоэлектрического ряда напряжений относительно платины при перепаде температур в 100 С – можно использовать тонкий диск из никеля с ЭДС – 1.97 мВ. Сляб (железо) в это время будет иметь ЭДС +1.88 мВ.

Исполнение

Схематически измерительная система представлена на рис. № 11.

Рис. № 11. Измерительная система диагностирования внутренних дефектов слябов в МНЛЗ с помощью множества дисковых термоэлектродов.

Система состоит из двух идентичных термоизмерительных модулей, которые разнесены на определённое расстояние непосредственно после зоны вторичного охлаждения машины непрерывного литья заготовок, см. рис. № 11. Выход всех термодатчиков измерительных модулей соединяются с системой управления, которая производит непрерывное измерение температуры с последующей обработкой.

Термоизмерительные модули устанавливаются на постоянной основе на бетонное основание цеха под движущимся слябом.

Схематически каждый измерительный модуль представлен на рис. № 12.

Рис. № 12. Измерительный модуль системы диагностирования внутренних дефектов слябов в МНЛЗ с помощью множества дисковых термоэлектродов.

Измерительный модуль состоит из четырёх групп термоэлектродов, которые размещены на специальных опорных направляющих со всех сторон сляба. Опорные элементы групп измерительных модулей оснащены механическими винтовыми системами “юстировки”, позволяющими изменять в небольших пределах геометрические положения термоэлектродов для целей обеспечения постоянного контакта со слябом.

В измерительном модуле температуры поверхностей сляба измеряются контактным катящимся способом множеством статически размещённых дисковых термоэлектродов.

Схематически один термоэлектрод представлен на рис. № 13

Рис. № 13. Измерительный дисковый термоэлектрод системы диагностирования внутренних дефектов слябов в МНЛЗ с помощью множества дисковых термоэлектродов.

Все дисковые термоэлектроды свободно вращаются вдоль, по всей поверхности сляба (первого термоэлектрода), образуя термоизмерительный контакт.

Материал дискового термоэлектрода, согласно термоэлектрического ряда напряжений относительно платины при перепаде температур в 100 С, это никель с ЭДС – 1.97 мВ. Сляб (железо) в это время будет иметь ЭДС +1.88 мВ.

Принцип работы

Принцип работы основан на классическом непрерывном измерении температуры каждым свободно вращающимся электродом каждого измерительного модуля.

Таким образом формируется множество температурных графиков – кривых термораспределений, как между соседними дисковыми термоэлектродами одного измерительного модуля, так и дисковыми электродами двух измерительных модулей, размещённых вдоль одной прямой.

Пики и впадины на кривых распределения указывают о наличии неоднородности внутренней структуры, а их величина – о степени неоднородности.

Сравнение величин неоднородностей температурных распределений с эталонными позволит идентифицировать все внутренние дефекты сляба

Вывод

Заявленный способ, основан на самом точном и чувствительном контактном способе измерения распределений температур всех поверхностей сляба. Более точные измерения распределений температур позволяют диагностировать практически все внутренние дефекты в слябе непосредственно после зоны вторичного охлаждения машины непрерывного литья заготовок, по сравнению со всеми существующими способами. К тому же все, ранее предлагаемые способы диагностики дефектов предполагают внесение конструктивных изменений в действующий кристаллизатор.

Заявленный способ не предполагает внесение каких-либо конструктивных изменений в кристаллизатор и может быть исполнен на действующем оборудовании, даже без его остановки на ремонт. Это связано с тем, что проводить манипуляции с измерительными модулями можно дистанционно.

Примечание

Более подробная информация о способе, а также сведения о экспериментальных работах, этапах опытно-конструкторских разработок и вариантах практического применения представлены в авторском исследовательском проекте: **Вихри Хаоса – Инновационный шторм идей и экспериментов в науке и технике**.

Официальный ресурс: [https://vihrihaosa.ru]

8. Контактный шаровой способ диагностирования внутренних дефектов слябов в МНЛЗ

Способ диагностирования возникновения внутренних дефектов (трещин) осуществляется контактным способом контроля разности температур шаровыми термоэлектродами между соседними локальными местами по периметру сляба, а также, в локальных местах по периметру сляба за определённый временной интервал после зоны вторичного охлаждения машины непрерывного литья заготовок (МНЛЗ).

Введение

Наиболее проблемными с точки зрения качества слябов непрерывной разливки стали являются ранняя диагностика поверхностных дефектов, среди которых наиболее значимыми и трудно устранимыми оказываются паукообразные, сетчатые и поперечные трещины, которые развиваются в приповерхностном слое, проходят по границам зерен и, как правило, не загрязнены ликватами.

Известен способ диагностирования появления трещин в слябе по изменению температуры его поверхности непосредственно в кристаллизаторе матричной системой термоэлементов (CN 101985166). Диагностирование дефектов выполняется по разнице показаний термоэлементов в матрице.

Известен способ диагностирования появления трещин в слябе по изменению температуры его поверхности непосредственно в верхней и центральной частях кристаллизатора матричной системой термоэлементов (WO 2012043985). Диагностирование дефектов выполняется по разнице показаний термоэлементов в матрице.

Известен способ диагностирования продольных трещин в затвердевшей оболочке сляба в кристаллизаторе (RU 2593802C2).

Основным недостатком указанных способов является то, что практическая реализация требует внесение конструктивных изменения в действующее оборудование машины непрерывного литья заготовок. Внутренние поверхности кристаллизатора должны быть дооборудованы системами термодатчиков.

Бесконтактное измерение температуры поверхности с помощью отдельных термопар менее чувствителен к небольшим изменениям температуры, чем контактный способ. Установленные на небольшом расстоянии, например, через 10 мм, термопары с бесконтактным измерением не способны реагировать на малейшее изменение температуры на таком расстоянии.

Описание

Диагностирование возникновения внутренних дефектов (трещин) осуществляется контактным способом контроля разности температур шаровыми термоэлектродами между соседними локальными местами по периметру сляба, а также, в локальных местах по периметру сляба за определённый временной интервал после зоны вторичного охлаждения машины непрерывного литья заготовок (МНЛЗ).

Измерение температур на поверхности сляба производится двумя идентичными и разнесёнными на определённое расстояние измерительными модулями.

В измерительных модулях температуры поверхностей сляба измеряются контактным катящимся способом. В контактном способе одним общим термоэлектродом является сам сляб. В качестве второго термоэлектрода используется шаровой электрод, который приводится в движение по всему периметру сляба. Непосредственно шар шарового электрода совершает постоянное контактное вращение с заданной скоростью по всему периметру сляба (первого термоэлектрода), образуя термоизмерительный контакт.

Наличие аномального изменения температуры в определённом месте на поверхности сляба за определённый промежуток времени или характеристика изменения скорости остывания определённого места – является диагностическим маркером образования любых внутренних дефектов. Пики и впадины на кривых распределения говорят о неоднородности внутренней структуры, а их величина – о степени неоднородности.

В качестве шарового термоэлектрода, согласно термоэлектрического ряда напряжений относительно платины при перепаде температур в 100 С – можно использовать полый шар из никеля с ЭДС- 1.97 мВ. Сляб (железо) в это время будет иметь ЭДС +1.88 мВ.

Исполнение

Схематически измерительная система представлена на рис. № 14.

Конец ознакомительного фрагмента.

Текст предоставлен ООО «Литрес».

Прочитайте эту книгу целиком, купив полную легальную версию на Литрес.

Безопасно оплатить книгу можно банковской картой Visa, MasterCard, Maestro, со счета мобильного телефона, с платежного терминала, в салоне МТС или Связной, через PayPal, WebMoney, Яндекс.Деньги, QIWI Кошелек, бонусными картами или другим удобным Вам способом.