ilustracnyMedzi magnetomechanické javy s potenciálom využitia v NDT (nedeštruktívne testovanie) založenej na magnetických javoch patria Jouleov jav, Villariho jav, ΔE(σ) jav (zmena modulu pružnosti), Wiedemannov jav, Matteucciho jav, Barretov jav či jav Nagaoka-Honda.

Zistilo sa tiež, že napätie a magnetizácia materiálu v konštantnom magnetickom poli Zeme sa líši od magnetizácie v silnom magnetickom poli vytvorenom cievkou [3-5].

Tab. 1 Vybrané magnetomechanické javy využívané pri NDT magnetometrii

Hysterézna slučka napätia spôsobená magnetizáciou je opakovateľná až po 10-15 záťažových cykloch, ktoré boli mnohokrát overené v štúdiách vykonaných po druhej svetovej vojne [6-10]. Magnetizácia s veľkým napätím odhaľuje účinok vnútorného trenia, zmeny hustoty dislokácie, mikroštruktúry a chemického zloženia materiálu.

Obr. 1 Závislosti medzi magnetickými a mechanickými javmi v rozsahu malých deformácií
Obr. 1: Závislosti medzi magnetickými a mechanickými javmi v rozsahu malých deformácií

Na obr. 1 [2] sú zobrazené závislosti medzi magnetickými a mechanickými javmi, ktoré sa vzťahujú k magnetostrikčným javom. Popri týchto javoch sa v technickej diagnostike využívajú aj ďalšie javy ako sú Barkhausenov jav ap. [11,12]. Každý z nich je špecifický s konkrétnym aplikovaním a prejavom. Všetky vyššie uvedené javy je možné využiť v NDT. Popri týchto javoch existuje skupina NDT založená na princípoch magnetickej pamäte materiálu, ktoré v porovnaní s ostatnými javmi umožňujú určiť aj pravdepodobnú zvyškovú životnosť kovového materiálu. Najpoužívanejšie javy s potenciálom identifikácie stavov okolia sú magnetostrikčné javy.

Meranie nízkofrekvenčného magnetického poľa pre potreby technickej praxe
Väčšina pohonov v technickej praxi pracuje v rozsahu 0-300 Hz. Na meranie bol použitý magnetometer VEMA-041. VEMA-041, obr. 2, je vektorový fluxgate magnetometer relaxačného typu [13,14]. Merací magnetometer bol v trojkanálovej konfigurácii poskytujúcej ortogonálne dekompozície vektorov lokálneho magnetického poľa. Senzory pre meranie magnetickej indukcie v smere x, y, z (Bx, By, Bz) je možné voľne a nezávisle premiestňovať a umiestňovať.

Obr. 2 Magnetometer VEMA 041
Obr. 2: Magnetometer VEMA-041

Na umiestnenie senzorov bol použitý merací hranol s ortogonálnym pravotočivým usporiadaním senzorov merania Bx, By, Bz. Trojosovým magnetometom VEMA-041 sa realizovalo meranie za účelom diagnostikovania porúch stabilných a točiacich sa prvkov asynchrónneho motora ventilátora, obr. 3. Senzory boli umiestnené v ortogonálnom pravotočivom usporiadaní.

Obr. 3 Analyzovaný ventilátor s mechanickými a elektrickými prvkami
Obr. 3: Analyzovaný ventilátor s mechanickými a elektrickými prvkami

Súradnicová sústava bodu so súradnicami x, y, z voči osi rotora asynchrónneho motora bola orientovaná nasledovne:
– os x rovnobežne s osou rotora asynchrónneho motora v horizontálnej rovine,
– os y kolmo na os asynchrónneho motora a kolmo na os X,
– os z vo zvislej rovine a kolmo na osi X a Y.
Bod merania bol vzdialený vo vzdialenosti 1,5 m od osi hriadeľa motora, nakoľko ventilátor s asynchrónnym motorom bol vo vzduchovom kanáli.
V tab. 2 sú charakteristické parametre ventilátora s frekvenčným meničom typu U/f.

Tab. 2 Karta stroja

Zobrazenie a interpretácia NDT – magnetometrického signálu
Štandardné diagnostické postupy používajú pri monitorovaní zmien analyzovaného zariadenia parametre pri 60 % a 100 % výstupného výkonu. Pre technickú diagnostiku sú to dôležité údaje, pričom sú hodnotené so zreteľom na štatistické zmeny sledovaných parametrov zariadenia.

Obr. 4 Časový priebeh signálu výsledného signálu vektorového súčtu zložiek Bx By Bz
Obr. 4: Časový priebeh signálu výsledného signálu vektorového súčtu zložiek Bx, By, Bz

Obr. 4 zobrazuje časový priebeh signálu výsledného signálu vektorového súčtu zložiek Bx, By, Bz magnetického poľa meraný počas prechodu zo 60 % na 100 % maximálneho výkonu. Z časového priebehu signálu je zrejmé, že magnetické pole mierne získalo amplitúdu po prechode z 60 % na 100 % výkonu, čo je zrejmé z priebehu v 380-400 sek. vo frekvenčnej analýze pre 60 % výkonu, Na obr. 5 je vybrané charakteristické amplitúdové spektrum magnetickej indukcie Bz pre smer z.
Obdobné spektrá boli zistené aj v smeroch x, y. Vo všetkých troch smeroch x, y, z, v zvolenom bode priestoru boli zistené charakteristické frekvencie magnetického poľa statora a rotora. Uvádzané zľava doprava, prvá otáčková frekvencia rotora 8,1697 Hz, jej dvojnásobok, t. j. druhá otáčková frekvencia, 16,3394 Hz, frekvencia budenia statora 34,7449 Hz, čo pri štyroch dvojpóloch je frekvencia 8,6862 Hz na jeden dvojpól asynchrónneho motora. Frekvencia 50 Hz je frekvencia siete pri 230 V. Sklz poľa rotora za poľom statora je daný pomerom frekvencie magnetického poľa na statore a magnetického poľa rotora v konkrétnom čase. Hodnote 8,6862 Hz zodpovedá 521 ot.min-1 a hodnote 8,1697 Hz 490 ot.min-1, čo znamená sklz 5,9 %.

Obr. 5 Amplitúdové spektrá Bx v smere osi z
Obr. 5: Amplitúdové spektrá Bx v smere osi z

Pre komplexnejšie pochopenie širších súvislosti je vhodnejší spektrogram, ktorý umožňuje identifikovať jednotlivé poruchy so zvyšujúcimi sa otáčkami (zaťažením) stroja. Na obr. 6 je vyhodnotenie pomocou spektrogramu.

Obr. 6 Spektrogram magnetického poľa Bx pre režim prechodu z 60 na 100 nominálnych otáčok
Obr. 6: Spektrogram magnetického poľa Bx pre režim prechodu z 60% na 100% nominálnych otáčok

K prechodu medzi 60 % a 100 % výkonu došlo v čase medzi 370 a 390 s. Zobrazenie magnetického poľa emitovaného poruchami ventilátora pri prechode zo 60 % na 100 % pre Bx bol realizovaný pre viac ako 10 000 vzoriek. Žltá farba je pre amplitúdy nad 10 nT. Zo spektrogramu sú zreteľné obdobne ako z predošlého spektra frekvencie otáčok rotora ventilátora, poľa statora a pri zvýšených otáčkach nad 60 % aj výrazný prejav ložísk.
Pre pochopenie rozsahu opráv a pochopenie vhodnosti údržby je vhodný spektrogram pred a po oprave, obr. 7.

Obr. 7 Spektrogram Bx pred a po oprave ventilátora pri otáčkach 60 a 100 maxima
Obr. 7: Spektrogram Bx pred a po oprave ventilátora pri otáčkach 60% a 100% maxima

Diskusia
NDT – magnetometria umožňuje merať a interpretovať signály emitované poruchami strojov. Na základe výsledkov analýz sa dospelo k záveru, že použitie vektorového fluxgate magnetometra prináša nové informácie použiteľné v oblasti NDT. NDT magnetometria poskytuje informácie o príčinných súvislostiach z identifikovaných magnetických polí.

Tieto informácie sa dajú využiť aj pri údržbe na optimalizáciu intervalov preventívnej/prediktívnej údržby spolu s inými metódami. Kombinácia niekoľkých diagnostických princípov, vrátane NDT magnetometrie, umožňuje určiť stratégiu údržby založenú na rizikách pre udržateľnosť zariadení. NDT magnetometria v porovnaní s kontaktnými senzormi (napr. piezoelektrická, piezorezistívna) umožňuje rýchle mobilné riešenie merania. Informácie v meranom magnetickom poli je potrebné správne vybrať a interpretovať – v poli blízko objektu merania je množstvo signálov a ich interpretácia závisí od znalostí konštrukcie stroja, metódy merania a skúseností toho, kto vykonáva meranie.

Používanie magnetometrov fluxgate a meranie magnetického poľa má niekoľko výhod:
1. bezkontaktné meranie, ktoré je možné použiť aj v ponorených zariadeniach, napríklad vo vodných turbínach,
2. jedným jednoduchým meraním magnetických polí asynchrónnym motorom je možné identifikovať skutočné frekvencie točivých zložiek budenia motora a statora – účinná kontrola sklzu,
3. meraním vývoja magnetického poľa v reálnom čase (frekvencii) je možné optimalizovať parameter dB/dt a predĺžiť životnosť zariadenia,
4. Fourierova transformácia a zobrazenie spektier Bx, By, Bz ani prostredníctvom trendov neposkytujú celostnú informáciu o kauzalite javu v čase pri meniacich sa otáčkach, resp. zaťažení stroja,
5. Spektrálna analýza pomocou spektrogramov poskytuje informácie aj pre porovnanie s inými druhmi premeny energie, napr. hluk.

Vďaka správnym analýzam, vo forme pohyblivej štatistiky, spektier, spektrogramov možno získané výsledky použiť pre všetky charakteristiky systémov založené na fyzikálnych poliach, čím sa poskytne zjednocujúca teória a prístup.
Spektrogramy a Waveletova transformácia ukazujú na nové prístupy nielen v interpretovaní nameraných hodnôt. Možnosti ďalšieho výskumu s monitorovaním porúch s využitím magnetického poľa sa týkajú aplikácií vo viacerých oblastiach.

Záver
Na základe výsledkov praktických meraní na mieste realizovaných vektorovým magnetometrom fluxgate je zrejmé, že nízkofrekvenčné magnetické polia môžu byť použité ako zdroj cenných informácií použiteľných v nedeštruktívnej a technickej diagnostike. Tieto údaje je možné ďalej analyzovať v spojení so snímačmi vibrácií, ktoré sa bežne používajú v diagnostike. Senzory magnetického poľa je však možné kombinovať aj s inými typmi senzorov, napríklad s akustickými, na rozšírenie možností analýz z hľadiska udržateľnosti.
Výhodou spracovania údajov získaných pomocou fluxgate magnetometrov je, že údaje obsahujú informácie o mechanických aj elektrických častiach bez toho, aby bolo potrebné testované/vyhodnocované zariadenie rozoberať, a preto umožňujú uskutočnenie meraní na mieste za podmienok normálnej prevádzky. Pomáha to pri prediktívnej údržbe, a tým zlepšuje udržateľnosť systémov.

TEXT/FOTO prof. Ing. Milan Oravec, PhD., SJF, Technická univerzita v Košiciach
SPOLUAUTORI: Zuzana Kotianová, Pavol Lipovský, Miroslav Šmelko, Daniel Jurč

Príspevok bol vypracovaný v rámci riešenia projektu APVV-19-0367 Rámec Integrovaného prístupu riadenia procesnej bezpečnosti pre Inteligentný podnik.

Measurement and Interpretation of NDT magnetometry results
The magnetic field generated by technical devices is a source of information. Interpretation of the measurement results is important for understanding the damage processes of the equipment and the occurrence of faults. This information can be used together with standard NDT methods – magnetometric (non-destructive testing). The measurements mentioned in the article were performed with a vector magnetometer VEMA-041 fluxgate with a bandwidth of DC-250 Hz and a sensitivity of 2 nT. Post-processing of the results was performed using standard methods of discrete Fourier transform, spectrogram generation.

Použitá literatúra
[1] BOZORTH, R., M.: Ferromagnetism, Wiley-IEEE Press, 1993.
[2] NEWNHAM, R., E.: Properties of Materials. Anisotropy, Symmetry, Structure, Oxford University Press, Oxford 2004.
[3] The Journal of the College of Science, Imperial University of Tokyo 1901-1908, Vol. XVI, Article 8-10, 12-14.
[4] BURROWS, C., W.: Correlation of the magnetic and mechanical properties of steel, Scientific Papers of the Bureau of Standards, No 272, Government Printing Office, Washington 1916.
[5] SANDFORD, R., L.: Effect of stress on the magnetic properties of steel wire, Scientific Papers of the Bureau of Standards, Vol 19. No 469-497.
[6] BIRSS, R., R., FAUNCE, C., A.: Stress-Induced Magnetization in Small Magnetic Fields, Journal de Physique, 1971, Colloque C I, supplément au no 2-3, Tome 32, Février-Mars, page C1 – 686-688.
[7] ALTHERTON, D., L., JILES, D., C.: Effects of stress on magnetization, NDT International, 1986 19(1), 15-19.
[8] ROBERTSON, I., M.: Magneto-Elastic Behaviour of Steels for Naval Applications, MRL Technical Report, MRL-TR-90-27, DSTO Materials Research Laboratory, 1991.
[9] DAPINO, M., J.: Nonlinear and hysteretic magnetomechanical model for magnetostrictive transducers. PhD Dissertation, Iowa State university, 1999.
[10] VIANA, A., ROUVE, L., CAUFFET, G., COULOMB, J.: Analytical Model for External Induction Variations of a Ferromagnetic Cylinder Undergoing High Mechanical Stresses in a Low Magnetic Field of Any Orientation. IEEE Transactions on Magnetics, 2011, 47 (5).
[11] GAUTHIER, J., KRAUSE, T.,W., ATHERTON, D., I.: Measurement of residual stress in steel using the magnetic Barkhausen noise technique, NDT & E International, 1998, 31(1), 23-31, doi:10.1016/50963-8695(97)00023-6.
[12] DOBMANN, G.: Physical basics and industrial application of 3MA – micromagnetic multiparameter microstructure and stress analysis, Fraunhofer IZFP, Saarbrűcken.
[13] HUDÁK, J.; BLAŽEK, J.; PRASLIČKA, D.; MIKITA, I.; LIPOVSKÝ, P.; GONDA, P. Sensitivity of VEMA-04.1 magnetometer. J. Eelectr. Eng. 2013, 61 (Suppl. 7), 28–31.
[14] LIPOVSKÝ, P.; ŠMELKO, M.; FIĽKO, M.; DRAGANOVÁ, K.; BLAŽEK, J.; HUDÁK, J.; ANDOGA, R.; SZABO, S. Relax-Type magnetometer with direct optocoupler relaxation. Acta Phys. Pol. A 2020, 137, 681–683, doi:10.12693/APhysPolA.137.681.