Магнитный дефектоскоп - измеритель скорости
Заявляемый магнитный дефектоскоп-измеритель скорости относится к устройствам для измерения скорости подвижных объектов магнитными средствами и может быть использован в рельсовых вагонах - дефектоскопах.
Магнитный дефектоскоп-измеритель скорости, содержит установленные на рельсовом подвижном средстве опорный измеритель скорости, систему намагничивания пути, не менее двух датчиков магнитного поля, установленных на известных расстояниях друг от друга и блок обработки, выходы которого являются выходами измерителя, а входы соединены с датчиками магнитного поля и опорным измерителем скорости и отличается тем, что система намагничивания пути выполнена в виде двух магнитов, установленных на осях колесных пар подвижного средства. Система намагничивания может запитываться, как постоянным, так и переменным током.
Заявляемый магнитный дефектоскоп-измеритель скорости, благодаря предложенной схеме намагничивания, способен с хорошим качеством обнаруживать как дефекты в рельсе, так и скорость перемещения дефектоскопа.
Заявляемый магнитный дефектоскоп - измеритель скорости относится к устройствам для измерения скорости подвижных объектов с использованием магнитных средств и может быть преимущественно использован в рельсовых вагонах - дефектоскопах.
Для дефектоскопии рельсового пути используют различные средства: магнитодинамические, вихретоковые, подповерхностного радиолокационного зондирования, оптические и т.д. Магнитодинамические методы могут работать во всех климатических зонах при любых погодных условиях, а их результаты контроля не зависят от загрязненности поверхности катания рельсов. Эти обстоятельства делают такие методы в зимних условиях единственно применимыми. Кроме того, магнитодинамические методы обладают высокой повторяемостью сигналов, что позволяет осуществлять наблюдение (мониторинг) развития отдельных дефектов.
Средства дефектоскопии устанавливаются в различных частях вагонов-дефектоскопов. Высокого качества обнаружения и оценки дефектов можно добиться, совместно анализируя результаты всех измерительных каналов [1], [2]. Для такого анализа требуется знать относительное положение соответствующих измерителей и скорость их перемещения с высокой точностью.
Известны разнообразные способы и средства измерения скорости рельсовых транспортных средств.
Глобальная навигационная спутниковая система позволяет определять параметры движения рельсовых средств с достаточной точностью для решения логистических задач, но не всегда доступна (тоннели) и недостаточно точна для дефектоскопии.
Одометры (тахометры), работающие «от колеса», из-за пробуксовки и износа колес также обладают сравнительно высокой погрешностью.
Оптические средства измерения подвержены воздействию факторов окружающей среды.
На точность радиолокационных средств оказывают влияние снег и лед.
Установка на рельсы или рядом с ними реперных элементов (магнитов), например, [3], и считывание их сенсорами вагона дефектоскопа сопряжена с существенными материальными затратами.
Известны магнитодинамические дефектоскопы, содержащие систему намагничивания пути и датчик магнитного поля. В дефектоскопе [4], система намагничивания выполнена в виде магнита, расположенного на оси колеса. В дефектоскопическом комплексе АВИКОН-03 [5] две катушки намагничивания расположены на осях колесных пар. В результате образуется замкнутый магнитный поток, фиг.1, без воздушных зазоров и соответствующих потерь, позволяющий надежно обнаруживать внутренние и поверхностные дефекты в рельсах. Кроме того, при этом также сохраняется и поле рассеяния с возможностью обнаружения конструктивных элементов рельсового пути. Такая система намагничивания позволяет получить в рельсе магнитную индукцию не менее 1 Тл при расходуемой электрической мощности всего около 2 кВт.
В рассмотренных источниках магниты используются только для решения задач дефектоскопии, а задача определения скорости не рассматривается.
Наиболее близким к заявляемому является магнитный дефектоскоп-измеритель скорости [6], содержащий установленные на рельсовом подвижном средстве опорный измеритель скорости, систему намагничивания пути, не менее двух датчиков магнитного поля, установленных на известных расстояниях друг от друга и блок обработки, выходы которого являются выходами измерителя, а входы соединены с датчиками магнитного поля и опорным измерителем скорости.
Устройство [6] предполагает наличие двух независимых пар: катушка-датчик магнитного поля, установленных на известном расстоянии. Скорость определяется путем вычисления корреляции между сигналами, полученными от датчиков. Максимум корреляции наступает в том случае, если сигналы от датчиков относятся к одному и тому же объекту. Кроме того, как утверждают авторы, анализ сигналов от датчиков магнитного поля позволяет обнаруживать крупные дефекты в рельсе, например, изломы. Таким образом, устройство [6] может использоваться и в качестве дефектоскопа.
Недостатком устройства [6] является низкое качество дефектоскопии, связанное с предлагаемой конструкцией системы намагничивания. Этот недостаток обусловлен тем, что устройство [6] разрабатывалось, как измеритель скорости, а дефектоскопические свойства явились побочным продуктом. В заявляемой полезной модели полноценный дефектоскоп дополняется функцией измерения скорости.
Магнитный поток, создаваемый катушкой системы намагничивания, распределяется на поле рассеяния, охватывающее все пространство вокруг рельса, в том числе и конструктивные элементы крепления рельса (накладки, подкладки, стрелочные переводы, стяжки, болты и т.п.) и на поле, создаваемое в рельсе. Конструкция системы намагничивания [6] предполагает наличие катушек, которые по требованиям безопасности эксплуатации должны располагаться на расстоянии от рельса. Такой подход вызывает следующие проблемы [5]. Воздушный зазор существенно ослабляет магнитный поток в рельсе, что не позволяет достоверно обнаружить дефекты. С увеличением скорости подвижного средства и (или) увеличением мощности магнитов вихревые токи возрастают и еще больше затрудняют дефектоскопию. Кроме того, в прототипе используется низкочастотное переменное электромагнитное поле, порождающее вихревые токи в рельсе. В результате устройство [6] способно обнаруживать лишь изломы рельса, но не позволяет выявить дефекты на ранней стадии развития.
Задачей, решаемой заявляемым магнитным дефектоскопом-измерителем скорости, является обеспечение высокого качества, как дефектоскопии, так и автономного измерения скорости дешевым средствами.
Существенным отличием заявляемого магнитного дефектоскопа-измерителя является система намагничивания, выполненная в виде двух магнитов, установленных на осях колесных пар подвижного средства. Такой способ выполнения системы намагничивания позволяет обеспечить хорошее намагничивание рельса, а за счет этого уверенно обнаруживать дефекты в глубине рельса. При этом сохраняется поле рассеяния, обеспечивающее обнаружение конструктивных элементов рельсового пути. Конструктивные элементы пути и дефекты позволяют с хорошей точностью определить скорость дефектоскопа. Указанные преимущества достигаются при умеренных энергетических затратах.
В прототипе воздушный зазор между намагничивающими катушками и рельсом уменьшает интенсивность поля, возбуждение переменным током вызывает возникновение вихревых токов, особенно на высоких скоростях, что снижает возможности дефектоскопии.
Заявляемую полезную модель иллюстрируют следующие графические материалы.
Фиг.1 - конструкция системы намагничивания.
Фиг.2 - структурная схема магнитного дефектоскопа-измерителя скорости, где:
1. Рельс.
2. Опорный измеритель скорости.
3. Датчик магнитного поля.
4. Блок обработки.
5. Выходы дефектоскопа D - измерителя скорости V.
6. Колесные пары.
7. Магниты.
8. Магнитный поток в рельсе.
9. Сварочный шов рельса
10. Рельсовые подкладки.
11. Рельсовая накладка.
Фиг.3 - сигналы от датчика магнитного поля, где:
12. - Сигналы от рельсовых подкладок 10.
13. Сигнал от начала рельсовой накладки 11.
14. Сигнал от сварного шва («дефекта»).
15. Сигнал от конца рельсовой накладки 11.
Рельс 1 является объектом измерений.
Опорный измеритель скорости 2 предназначен для приближенного определения скорости Vо дефектоскопа. В качестве такого устройства может использоваться обычный одометр «от колеса» или глобальная спутниковая навигационная система. Опорный измеритель особенно необходим на нулевых и близких к ним скоростях.
Датчик магнитного поля 3. В рассматриваемом случае датчики располагаются на рельсе возле колес. В качестве датчиков могут использоваться индукционные, магниторезистивные, феррозондовые измерительные преобразователи или датчики Холла. Точность измерения указанных преобразователей различна и зависит от скорости, поэтому может использоваться комбинация преобразователей, переключаемых в зависимости от скорости дефектоскопа [7].
Блок обработки 4 предназначен для обнаружения дефектов в рельсе 1 и вычисления скорости дефектоскопа путем сопоставления сигналов полученных датчиками 3. Блок обработки 4 представляет собой компьютер с аналого-цифровыми преобразователями на входах от датчиков 3.
Выходы дефектоскопа - измерителя скорости 5 содержат информацию о скорости дефектоскопа V и обнаруженных дефектах D.
Колесные пары 5, как правило, принадлежат одной тележке.
Магниты 7 предназначены для создания магнитного потока 8 в рельсе 1 и окружающем пространстве. В качестве магнитов могут использоваться постоянные магниты или катушки, возбуждаемые постоянным или переменным током.
Дефект рельса 9, в качестве которого в данном случае рассматривается сварной стык.
Рельсовые подкладки 10 и накладки 11 являются конструктивными элементами крепления рельса и хорошо обнаруживаются на магнитограммах, фиг.3.
Рассмотрим работу заявляемого магнитного дефектоскопа - измерителя скорости.
Магнитный дефектоскоп - измеритель скорости устанавливается на рельсы 1. Система намагничивания, состоящая из катушек 7, установленных на колесные пары 6 создает в рельсе 1 магнитный поток 8. В Данном случае рассматривается возбуждение постоянным током. Дефектоскоп перемещается по рельсу, со скоростью, приближенное значение которой Vо определяется опорным измерителем скорости 2. Датчики магнитного поля 3 принимают сигналы от рельса и окружающего пространства. Вид сигналов приведен на фиг.3. На графике отчетливо видны сигналы 12 - от рельсовых подкладок 10, сигнал 13 - от начала рельсовой накладки 11, сигнал 14 - от сварного шва («дефекта») 9, сигнал 15 - от конца рельсовой накладки 11. Эти сигналы могут быть использованы для измерения скорости дефектоскопа. Эксперименты показали, что сигналы от двух датчиков 3 дефектоскопа очень похожи, как по форме, так и по амплитуде, (сигналы А и В сдвинуты для наглядности), фиг.3, но разнесены по времени из-за расстояния L между датчиками. Замечена также хорошая повторяемость результатов измерений, полученных в разные сеансы. Это позволяет сохранить результаты измерений, полученные в одном сеансе и сопоставлять их с новыми результатами в другом сеансе. Сигналы от датчиков магнитного поля 3 в блоке обработки 4 оцифровываются аналого-цифровым преобразователем с выбранным периодом Т. Этот период может изменяться в зависимости от величины скорости Vо, полученной от опорного измерителя 2.
Рассмотрим способы обнаружения дефектов D и вычисления скорости V дефектоскопа в блоке обработки 4. Пусть Si(iT) и S2(iT) - сигналы от датчиков 3.
Для задач дефектоскопии достаточно одного сигнала S1(iT). Обнаружение сигналов от дефектов D в блоке обработки 4 может производиться известными способами - путем фильтрации, пикового детектирования, сравнения сигналов с библиотекой типовых дефектов и т.п.
Для определения скорости дефектоскопа V следует обнаружить участки сигналов S1 (iT) и S2(iT), относящиеся к одному и тому же объекту 12, 13, 14 или 15 - Фиг.3, учитывая, что приближенное расстояние между датчиками 3, выраженное в отсчетах составляет: 
. Сопоставив сигналы S1(iT) и S2(iT) на этих участках путем выделения максимальных амплитуд, или, проведя корреляционный анализ этих сигналов, можно определить реальное расстояние к между сигналами в отсчетах, а по нему определить реальную скорость дефектоскопа
.
При корреляционном анализе для того, чтобы определить значение величины к в приведенной выше формуле, нужно найти то значение m, при котором достигается максимум коэффициента корреляции К при выбранном окне корреляции n=(-а, а ):
.
Обозначая найденное значение m=m max, окончательно получим
.
Таким образом, заявляемый магнитный дефектоскоп-измеритель скорости, благодаря предложенной схеме намагничивания, способен с хорошим качеством обнаруживать дефекты и скорость перемещения дефектоскопа.
Источники информации:
1. Патент RU 2446971.
2. Патент RU 2227911.
3. Патент US 2010266005.
4. Люсюк B.C., Бугаенко В.М. Повреждения рельсов и их диагностика. М.: ИКЦ "Академкнига", 2006. 638 с. стр.445-446.
5. Марков А.А., Антипов А.Г. Магнитодинамический метод контроля рельсов. // В мире неразрушающего контроля. 2012, - 
3 (57). С.66-71.
6. Патент US 5825177.
7. Патент RU 2310836.
Магнитный дефектоскоп - измеритель скорости, содержащий установленные на рельсовом подвижном средстве опорный измеритель скорости, систему намагничивания пути, не менее двух датчиков магнитного поля, установленных на известных расстояниях друг от друга и блок обработки, выходы которого являются выходами измерителя, а входы соединены с датчиками магнитного поля и опорным измерителем скорости, отличающийся тем, что система намагничивания пути выполнена в виде двух магнитов, установленных на осях колесных пар подвижного средства.
