СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТА ДЕФЕКТА ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ КАБЕЛЯ

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для оперативного контроля технического состояния электропроводящих элементов электрического кабеля или провода.

Известен способ обнаружения дефектов в длинномерных объектах, заключающийся в том, что объект намагничивают переменным током, посредством полученного на объекте магнитного поля формируют периодический электрический сигнал, формируют опорный сигнал, пропорциональный току намагничивания, сравнение сигнала, сформированного на объекте, проводят путем наложения на последний сигнала намагничивающего переменного тока в противофазе, а контроль поля осуществляют по сдвигу фазы и изменению амплитуды 3-й гармоники сформированного на объекте сигнала (патент RU №2157990, С1, кл. G01N 27/82, G01N 27/87. 20.10.2000).

Недостатком данного способа является узкая область его применения, поскольку он не позволяет осуществлять контроль технического состояния электрического кабеля в широком диапазоне контролируемых параметров. Например, таким способом нельзя проводить контроль параметров немагнитных электропроводящих элементов электрических кабелей.

Известен также способ определения места повреждения кабеля, включающий подачу испытательного напряжения первой частоты между общей шиной и неповрежденной жилой кабеля, соединенной с общей шиной на другом конце, включение испытательного напряжения второй частоты между поврежденными жилами кабеля, перемещение датчика вдоль кабеля и регистрацию сигналов испытательных напряжений двух частот, причем испытательным напряжением второй частоты модулируют испытательное напряжение первой частоты, а принятый модулированный сигнал демодулируют и выделяют фазовый сдвиг между частотой модуляции и принятым испытательным напряжением второй частоты, при этом о месте повреждения кабеля судят по скачкообразному изменению фазового сдвига (а.с. SU №943610, А1, кл. G01R 31/08, 15.07.1982).

Недостатком этого способа является узкая область его применения. Это объясняется тем, что он не позволяет осуществлять контроль технического состояния электрического кабеля в широком диапазоне контролируемых параметров. Кроме того, для его реализации необходимо наличие, кроме поврежденного электропроводящего элемента, еще и неповрежденного электропроводящего элемента кабеля, по которому будет передаваться ток генератора испытательного напряжения.

Наиболее близким к заявляемому является способ определения места дефекта электропроводящих объектов, заключающийся в том, что на продольно перемещающийся контролируемый длинномерный электропроводящий объект воздействуют в плоскости, перпендикулярной его перемещению, направленным физическим полем, регистрируют индукционным датчиком возбуждаемые в длинномерном немагнитном электропроводящем объекте физические процессы, используемые для определении места расположения дефекта, формируют и измеряют контрольный сигнал в виде ЭДС индукции, полученный контрольный сигнал подвергают обработке и осуществляют ранжирование дефекта посредством сравнения полученного результата измерения с соответствующими результатами, хранящимися в статистической базе данных, составленной по результатам измерения в образцах с искусственными дефектами в их электропроводящих элементах, причем в качестве направленного физического поля используют постоянное магнитное поле, создаваемое мощным постоянным магнитом, которым в электропроводящих элементах возбуждают вихревой ток, а жестко закрепленным напротив постоянного магнита индукционным датчиком измеряют напряжение, соответствующее изменению электромагнитного поля, наведенного указанным вихревым током (патент RU №2542624, С1, кл. G01B 7/06, 20.02.2015).

Недостатками данного способа являются низкая точность и чувствительность контроля, а также узкая область его применения. Невысокая точность объясняется следующим. Такие параметры движения объекта контроля, как величина скорости перемещения, равномерность движения, возможные поперечные колебания и возникающие вибрации, отклонение ориентации перемещения контролируемого объекта от плоскости, перпендикулярной магнитному полю, будут существенно сказываться на величине наводимого вихревого тока и, следовательно, на точность контроля и его чувствительность. В связи с тем, что рассматриваемый индукционный датчик вихретокового преобразователя исходя из расположения постоянного магнита относительно проводника фактически является накладным датчиком, то на результаты контроля будут сказываться пространственное положение контролируемого объекта относительно датчика.

Узкая область применения известного способа объясняется тем, что он не позволяет осуществлять контроль технического состояния медных электропроводящих элементов большого диаметра. Это объясняется тем, что медь как немагнитный металлический элемент относится к диамагнетикам, т.е. наибольшая плотность магнитных силовых линий наблюдается у поверхности этого элемента. Поэтому в медных проводниках будут возбуждаться и сосредотачиваться вихревые токи высокой интенсивности в основном в приповерхностных слоях материала, создавая при этом значительный поток переизлученного электромагнитного поля, параметры которого будут отражать наличие дефектов в приповерхностных слоях материала. В случае, когда дефект расположен в глубинных слоях материала и его размеры существенно меньше диаметра медного электропроводящего элемента кабеля, что возможно при относительно большом диаметре электропроводящих элементов, известный способ становится неэффективным.

Если объектом контроля будет являться диамагнитный электропроводящий элемент, например, из алюминия, то в силу наличия таких факторов, как более равномерное распределение во всем объеме его структуры магнитных силовых линий, экранирование электромагнитного поля и скин-эффект, будет наблюдаться слабовыраженный эффект переизлученного электромагнитного поля. Иными словами, для парамагнитных металлических проводников известный способ практически нереализуем.

Кроме того, с учетом сделанных замечаний можно констатировать, что известный способ контроля не имеет возможности реализации для решения задач диагностики различных электрических кабелей с многожильными немагнитными металлическими элементами, что существенно сужает область его применения.

В связи с этим известный способ будет иметь определенные ограничения на допустимый максимальный диаметр для медного провода. При их относительно больших диаметрах медного провода будет наблюдаться существенная потеря чувствительности контроля дефектов.

Таким образом, чувствительность известного метода контроля и возможность его реализации будет значительно зависеть как от марки материала контролируемого объекта, так и от его геометрических параметров.

Задачей изобретения является повышение точности и чувствительности контроля, а также расширение области применения.

Поставленная задача достигается тем, что в способе определения места дефекта электропроводящих элементов кабеля, заключающемся в том, что на продольно перемещающийся контролируемый длинномерный кабель воздействуют в плоскости, перпендикулярной его перемещению, направленным физическим полем, регистрируют индукционным датчиком возбуждаемые в электропроводящих элементах кабеля физические процессы, используемые для определения месторасположения и вида дефекта, формируют и измеряют контрольный сигнал в виде ЭДС индукции, полученный контрольный сигнал подвергают обработке и осуществляют ранжирование дефекта посредством сравнения полученного результата измерения с соответствующими результатами, хранящимися в статистической базе данных, составленной по результатам измерения в образцах кабеля с искусственными дефектами в их электропроводящих элементах, согласно изобретению, в качестве направленного физического поля используют переменное электрическое поле, которым в электропроводящих элементах кабеля возбуждают волновой физический процесс в виде поляризации спиновых магнитных моментов свободных электронов, причем для обнаружения дефектов типа обрыва или потери сечения в качестве результата сравнения используют разность численного значения амплитуды контрольного сигнала и соответствующего численного значения из статистической базы данных, а для обнаружения дефектов типа нарушения сплошности или отклонения от заданного химического состава в качестве результата сравнения используют разность численного значения фазы контрольного сигнала и соответствующего численного значения из статистической базы данных. При этом переменное электрическое поле создают на резонансной частоте поляризации спиновых магнитных моментов свободных электронов структур электропроводящих элементов кабеля, а контрольный сигнал регистрируют на частоте переменного электрического поля, причем переменное электрическое поле возбуждают посредством проходного двухэлектродного цилиндрического конденсатора с сосредоточенной емкостью, а в качестве индукционного датчика используют проходную катушку индуктивности, расположенную на расстоянии достаточной удаленности от полей рассеяния источника возбуждающего поля.

Предлагаемый способ определения места дефекта электропроводящих элементов кабеля можно интерпретировать следующей схемой его реализации, приведенной на фиг. 1, где 1 - контролируемый кабель; 2 - индукционный датчик в виде регистрирующей проходной катушки индуктивности, расположенной коаксиально к кабелю, для формирования измерительного сигнала в виде ЭДС индукции е_изм, пропорционального техническим параметрам кабеля; 3 - источник переменного электрического поля в виде проходного двухэлектродного цилиндрического конденсатора с сосредоточенной емкостью (спиновый конденсатор); и ϕ_к - текущие значения параметров (амплитуда и фаза) ЭДС индукции е_{изм.контр} при использовании контролируемого кабеля; и ϕ_о - фиксированные опорные значения параметров (амплитуда и фаза) ЭДС индукции е_изм.оп из статистической базы данных, полученные при использовании аналогичного кабеля с искусственными дефектами; и Δϕ разностные значения параметров, полученные в результате процедуры сравнения соответствующих параметров ЭДС индукции e_{изм.контр} и е_изм.оп; V - скорость взаимного перемещения контролируемого кабеля и индукционного датчика; х, у и z - оси декартовой системы координат.

В качестве источника физического поля используется проходной двухэлектродный цилиндрический конденсатор с сосредоточенной емкостью (спиновый конденсатор) 3, состоящий из двух симметрично ориентированных секционных изолированных полуцилиндрических металлических электродов 3' и 3'', расположенных коаксиально контролируемому кабелю 1 (фиг. 2).

Способ реализуется следующим образом. На кабель 1 в зоне контроля воздействуют направленным физическим полем, в качестве которого используют переменное электрическое поле , создаваемое посредством проходного электрического конденсатора с сосредоточенной емкостью (спиновый конденсатор) 3, электроды которого запитывают переменным напряжением вида

U_Г=U=U_mcosωt.

Создаваемое при этом физическое поле в виде переменного электрического поля возбуждает в электропроводящих элементах кабеля 1 физический процесс поляризации спинов магнитных моментов свободных электронов. Следует отметить, что этот процесс возникает не зависимо от того, передвигается кабель 1 или находится в состоянии покоя. Этот процесс регистрируют индукционным датчиком 2, которым формируется измерительный сигнал в виде ЭДС индукции е_изм.

Для определения места расположения и вида дефекта электропроводящих элементов кабеля предварительно формируют статистическую базу данных численных значений параметров и ϕ_o опорных сигналов, регистрируемых в виде ЭДС индукции e_изм.оп с применением образцов кабеля с заданными дефектами его электропроводящих элементов. Затем формируют контрольный сигнал в виде ЭДС индукции е_{изм.контр} и регистрируют текущие значения его параметров и ϕ_к при использовании контролируемого длинномерного кабеля 1, перемещаемого относительно источника физического поля 3 и индукционного датчика 2.

Текущие значения параметров контрольных сигналов е_{изм.контр} и фиксированные значения параметров опорного сигнала е_изм.оп непрерывно сравнивают, получая текущие разностные значения соответствующих параметров и Δϕ. По результатам этого сравнения при совпадении текущих значений параметров контрольных сигналов е_{изм.контр} и параметров опорного сигнала е_изм.оп, т.е. при выполнении условий =0 и/или Δϕ=0, определяют в соответствии с статистической базой данных наличие и вид дефекта электропроводящих элементов кабеля 1 в месте расположения индукционного датчика 2.

Для объяснения сути предлагаемого способа диагностики рассмотрим физические процессы, возникающие при воздействии электрического поля на немагнитный металлический проводник.

Традиционно для решения различного рода электротехнических задач в основном использует только одно свойство электрона - его заряд е. В то же время электрон имеет еще одно свойство, сугубо квантово-механическую характеристику - собственный момент количества движения, или спин s. Этот собственный момент количества движения может иметь две ориентации относительно внешнего магнитного поля, направленного условно по оси , такие, что две его возможные проекции по направлению этого поля будут принимать следующие значения [Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. - М.: Наука, 1977, стр. 464]:

где h - постоянная Планка.

Спину электрона (1) соответствует спиновый магнитный момент:

где - гиромагнитное отношение для спинового момента; е - абсолютная величина заряда электрона; m - масса электрона.

Следует отметить, что наличие свободных электронов определяет все особенности металлов: способность хорошо проводить электрический ток, большую теплопроводность и т.д.

Покажем возможность использования спиновых эффектов свободных электронов в немагнитных металлических проводниках для контроля их физических свойств.

Известно, что электрическое поле оказывает силовое воздействие на электрический заряд, находящийся в покое или в движении. Фактически напряженность электрического поля Е является силой, действующей на единичный электрический заряд.

Под действием этой силы электрон, имеющий заряд е и массу m, получает ускорение, равное

а за время Δt между соударениями с поверхностями атомов приобретает дополнительную скорость Δν.

Если учесть, что λ есть расстояние, пробегаемое электроном между двумя столкновениями, a ν_т.сp при этом является скоростью электрона, то величина этого промежутка времени будет равна

Δt=λ/ν_т.ср

Проводимость проводника σ тем больше, чем выше концентрация зарядов в единице объема металла n_е, чем больше величина заряда е и чем выше подвижность заряда μ_е, т.е.

где μ_е=Δν_q/E; Δν_q=a⋅Δt=E⋅e⋅λ/(m⋅ν_т.сp) - скорость смещения электронов в направлении вектора напряженности электрического поля Е.

С учетом последнего можем записать:

где е - заряд электрона, равный 1,6⋅10^-19 Кл; - число электронов в единице объема проводника (плотность электронов проводимости); d - плотность вещества; m_A - атомная масса вещества; N_A - число Авогадро.

Из анализа выражения (6) видно, что проводимость проводника σ является интегральным параметром, который выражает основные физические свойства материала проводника.

При отсутствии электрического поля свободные электроны в металле совершают хаотическое тепловое движение, т.е. имеют в пространстве равномерно распределенную ориентацию.

Под действием электрического поля (3) хаотическое движение электронов в проводнике несколько упорядочивается, что проявляется в виде двух основных факторов: во-первых, электроны во время свободного пробега начинают ориентироваться по полю, т.е. направления траекторий их движения приобретает общую составляющую вдоль электрического поля; во-вторых, электроны приобретают некоторое ускорение в общем направлении вдоль поля, увеличивая скорость и тем самым свою кинетическую энергию.

При рассмотрении второго свойства электрона (2), т.е. спинового магнитного момента, следует учитывать тот факт, что электрон ведет себя подобно вращающемуся вихревому кольцу, спин которого ориентирован по направлению движения электрона.

В обычных условиях спины свободных электронов с различной ориентацией компенсируют друг друга, но под воздействием электрического поля все электроны, в каком бы положении они ни находились, разворачивают свои оси так, что образуется некоторая общая составляющая проекций их спинов на направление вектора напряженности электрического поля :

где - единичный вектор, совпадающий с направлением вектора напряженности электрического поля; N=n_е⋅V_paб⋅χ_s - эффективное число свободных электронов в рабочем пространстве V_paб спинового конденсатора 3, спины которых ориентированы в направлении единичного вектора - коэффициент спиновой поляризации для конкретного типа материала проводника; - значение напряженности воздействующего электрического поля; - значение напряженности электрического поля, при котором происходит максимальная спиновая поляризация всех свободных электронов в единице объема материала проводника в направлении единичного вектора .

При подаче на электроды спинового конденсатора 3 электрического напряжения вида U=U_m⋅cosωt создается источник возбуждающего монохроматического переменного электрического поля:

Под воздействием переменного электрического поля (8) определенной циклической частоты ω=ω_s (резонансная частота спинового взаимодействия) в объеме электропроводящего элемента кабеля, заключенного в рабочем пространстве V_раб спинового конденсатора 3, возбуждаются колебательные смещения свободных электронов в направлении вектора напряженности электрического поля с определенной колебательной скоростью:

где - модуль колебательной скорости электрона.

В этом случае спиновые магнитные моменты всех свободных электронов внутренней структуры электропроводящего элемента в рабочем пространстве V_paб спинового конденсатора 3 соответствующим образом синхронизируются частотой этого электрического поля, т.е. получают соответствующую периодически изменяющуюся одинаковую направленность.

Фактически колебательная скорость электронов (9) приводит к периодической переориентации спинов электронов s_n (n=1÷N), которая в итоге приводят к возникновению в рабочем пространстве V_paб спинового конденсатора 3 соответствующей упорядоченной циркуляции суммарного спинового магнитного момента свободных электронов проводника.

Существование подобной области спиновой циркуляции проводит к дальнейшей последовательно индуцированной спиновой поляризации свободных электронов в остальной структуре материала проводника.

Следует отметить, что в основе данного физического процесса лежит спин-спиновое взаимодействие, т.е. прямое взаимодействие спиновых магнитных моментов свободных электронов, пропорциональное произведению спиновых магнитных моментов и обратно пропорциональное кубу расстояния между ними [Агранович В.М., Галанин М.Д. Перенос энергии электронного возбуждения в конденсированных средах. - М.: Наука, 1978, стр. 26]:

где ; .

Например, для двух свободных электронов со спиновыми магнитными моментами μ=g⋅μ_В⋅s, находящихся на расстоянии r_ij друг от друга, энергию такого взаимодействия можно определить выражением [Смоленский Г.А., Леманов В.В. Ферриты и их техническое применение. М.: Наука, 1975, стр. 47]:

где s_i и s_j - операторы спинов электронов; g-фактор - множитель, связывающий гиромагнитное отношение частицы с классическим значением гиромагнитного отношения; μ_В - магнетон Бора.

Таким образом, под воздействием переменного электрического поля в рабочей зоне спинового конденсатора 3 в структуре проводника кабеля 1 формируется особая область спиновой циркуляции, функционирующая в режиме гармонического осциллятора с вынужденными колебаниями.

Для такого простейшего гармонического осциллятора можно записать уравнение вида:

где - некоторая функция, характеризующая распределенные внешние воздействия.

Решая это неоднородное дифференциальное уравнение второго порядка с учетом резонансного режима работы гармонического осциллятора получим следующее выражение:

В соответствии с уравнениями (7) и (12), для упорядоченной циркуляции суммарного спинового магнитного момента свободных электронов проводника в направлении оси составим следующее уравнение:

где - максимальное (амплитудное) значение суммарного спинового магнитного момента свободных электронов в рабочем пространстве V_paб спинового конденсатора 3.

Посредством данного гармонического осциллятора (13) возбуждается волновой процесс спиновой индукции с фазовой скоростью вдоль оси по всей длине электропроводящих элементов кабеля.

В этом случае процесс возбуждения и распространения плоской гармоничной волны вдоль координатной оси описывается уравнением вида:

С учетом выражения (14) в линейном приближении для распространения волнового процесса спиновой индукции можем записать:

Решением волнового уравнения (15) является следующее аналитическое выражение:

где - коэффициент распространения волны при отсутствии магнитных потерь, т.е. - комплексная магнитная проницаемость материала проводника; - комплексная диэлектрическая проницаемость материала проводника, т.е. при - амплитудное значение вектора спиновой индукции; η_э=ƒ(σ, ω) - коэффициент эволюции волнового процесса спиновой индукции, отражающий эффективность преобразования энергии гармонического осциллятора в волновой процесс спин-спинового взаимодействия; ω₀ - граничная нижняя циклическая частота возбуждающего электрического поля, при которой η_э=0; ω_s≥ω₀.

В соответствии с (16) для потока спиновой индукции справедливо выражение:

S - среднее сечение проводника.

В основе рассматриваемого физического явления лежит тот факт, что электроны, взаимодействуя своими спиновыми магнитными моментами друг с другом по всей длине электропроводящего элемента кабеля, образуют своего рода пространственно распределенный вдоль этого элемента отрицательный заряд с волнообразно изменяющейся во времени спиновой поляризацией, образующей своего рода поток спиновой индукции.

Поток спиновой индукции (17), воздействуя на витки обмотки индукционного датчика, индуцирует в этой обмотке соответствующую ЭДС:

Обобщая вышесказанное и в соответствии с (18), можно констатировать следующее:

1. Переменное электрическое поле создает область спиновой циркуляции в рабочей зоне спинового конденсатора 3.

2. Область циркуляции спиновых магнитных моментов свободных электронов, выступая гармоническим осциллятором, посредством спин-спинового взаимодействия возбуждает в примыкающей к ней структурах электропроводящего элемента кабеля бегущую волну поляризации спиновых магнитных моментов свободных электронов (поток спиновой индукции) и управляет ее дальнейшей эволюцией в структуре этого элемента по всей его длине.

3. Бегущая волна поляризации спиновых магнитных моментов свободных электронов (поток спиновой индукции), взаимодействуя с катушкой индукционного датчика 2, приводит к возникновению соответствующей выходной переменной ЭДС на концах этой катушки.

4. Параметры (амплитуда и фаза) регистрируемой выходной ЭДС е_изм обмотки индукционного датчика 2 фактически несут информацию не только о геометрических характеристиках электропроводящих элементов кабеля, но и о физико-химических свойствах их материала.

Для создания необходимых условий для возникновения устойчивого процесса поляризации спиновых магнитных моментов свободных электронов, переменное электрическое поле создают на резонансной частоте поляризации спиновых магнитных моментов свободных электронов структур электропроводящих элементов кабелей. Указанная частота переменного электрического поля определяется экспериментальным путем.

В целом способ определения места дефекта электропроводящих элементов кабеля осуществляют следующим образом. Предварительно, с использованием различных образцов кабеля с заданными искусственными дефектами их электропроводящих элементов посредством воздействия на них переменным электрическим полем от источника физического поля в виде спинового конденсатора 3 формируют регистрирующей катушкой индуктивности соответствующие опорные сигналы в виде ЭДС индукции е_изм.оп, пропорциональные техническим параметрам этих образцов кабеля. Затем между электродами спинового конденсатора 3 размещают контролируемый электрический кабель 1, перемещают его относительно спинового конденсатора 3 и индукционного датчика 2, формируя тем самым контрольный сигнал в виде ЭДС индукции е_{изм.контр.}.

При наличии дефекта электропроводящих элементов на контролируемом участке кабеля 1 в месте расположения индукционного датчика 2, например, обрыва или существенного уменьшения живого сечения этих элементов, на этом участке происходит срыв процесса спиновой магнитной поляризации свободных электронов, что в итоге приводит к исчезновению потока спиновой индукции, а соответственно и к значительному уменьшению ЭДС е_{изм.контр}. В свою очередь, дефекты, вызывающие аномальные изменения в структуре электропроводящих элементов контролируемого кабеля, и связанные, прежде всего, с изменением состава материала этого элемента, проявятся в виде значительных девиаций фазы регистрируемой ЭДС е_{изм.контр}.

Поэтому для обнаружения дефектов типа обрыва или потери сечения в качестве результата сравнения используют разность амплитуд контрольного и опорного сигналов, а для обнаружения дефектов типа нарушения сплошности или отклонения от заданного химического состава в качестве результата сравнения используют разность фаз контрольного и опорного сигналов.

При отключении спинового конденсатора 3 от возбуждающего переменного напряжения свободные электроны в электропроводящих элементах кабеля 1 возвращаются к своему первоначальному хаотическому состоянию, при котором их спиновые магнитные моменты утрачивают свою периодически изменяющуюся одинаковую направленность, т.е. электроны теряют индуцированную поляризацию своих спиновых магнитных моментов, в результате чего исчезает поток спиновой индукции.

Для исключения влияния полей рассеяния спинового конденсатора 3 на индукционный датчик 2 и, тем самым на величину измерительного сигнала, индукционный датчик 2 располагают на расстоянии достаточной удаленности относительно спинового конденсатора 3. Указанное расстояние определяют экспериментально.

Предложенный способ определения места повреждения электропроводящих элементов кабелей позволяет оценить способность кабеля выполнять свои функции. К основным преимуществам этого способа следует отнести следующие качества:

- возможность проведения контроля электропроводящих элементов кабеля из любых материалов;

- точность и надежность контроля не зависит от величины и равномерности скорости перемещения кабеля, а также от вибрации и его поперечных колебаний относительно источника физического поля и индукционного датчика;

- позволяет осуществлять контроль при неподвижном кабеле;

- обеспечивает неразрушающую диагностику кабеля без ухудшения его эксплуатационных характеристик;

- является простым в использовании при контроле параметров как в процессе изготовления кабеля, так и при его размотке с бобины в процессе укладки.

Таким образом, спин-поляризационные явления, возникающие при воздействии переменного электрического поля на свободные электроны электропроводящих элементов кабеля и обусловленные наличием у электронов поляризуемого спина, открывают широкие возможности для детального исследования, как самой структуры электропроводящих элементов кабеля, так и их физических свойств.