Вступ (фраґмент)

Зростання промислового виробництва вимагає випереджувального розвитку сировинної бази промисловості, зокрема пошуку нових родовищ провідних поліметалічних руд та провідних покладів руд з феромагнітними властивостями. Ефективним методом пошуку родовищ поліметалічних руд є індуктивний, що ґрунтується на зондуванні досліджуваної земної поверхні низькочастотним гармонічним електромагнітним полем та вимірюванні відносних параметрів вторинного електромагнітного поля вихрових струмів, збуджених у шарах земної поверхні та провідних тілах, що в них залягають. Збільшення глибинності досліджень вимагає зниження частоти зондувального електромагнітного поля.
Для забезпечення якісних характеристик, надійності та довговічності елементів важливих металевих, особливо листових сталевих, конструкцій машин, механізмів, нафтоналивних резервуарів, мостів, літальних апаратів, кораблів, елементів укриття радіоактивних зон та металевих промислових виробів, необхідно здійснювати відповідне діагностування як в умовах виробництва, так і під час експлуатації. Щоб охопити всі 100 % виробів діагностуванням (контролем), воно повинно бути неруйнівним. Одним із ефективних методів неруйнівного контролю металевих виробів є безконтактна електромагнітна (вихрострумова) діагностика. Діагностування сталевих конструкцій передбачає використання низьких та наднизьких частот.
Серед засобів, якими здійснюють пошуково-розвідувальні роботи провідних родовищ поліметалічних руд, важливими є наземні та аерозасоби індуктивної електророзвідки гармонічними полями. Пошукові ж роботи рудних родовищ з феромагнітними властивостями ведуть засобами магнітометрії. Для одночасного виконання пошукових робіт обох типів родовищ будують комплексні аеростанції, у які входять електророзвідувальний та магнітний канали. Магнітний канал являє собою магнітометр, який вимірює варіації магнітного поля Землі. Практична реалізація такого комплексування є складною, крім того, первинне магнітне поле електророзвідувального каналу створює завади магнітному каналу. Тому часто
можлива тільки почергова робота цих каналів, але на це доводиться іти свідомо,
незважаючи на втрати інформації.
Традиційними засобами електророзвідки звичайно вимірюють уявну складову вторинного магнітного поля або відношення півосей еліпса поляризації, і для пошуків магнітних руд вони не використовуються, бо вважають, що такі задачі може розв’язувати тільки апаратура, здатна вимірювати синфазну складову вторинного магнітного поля. У такому разі нестабільність геометрії електророзвідувальної установки, що звичайно є значною, зумовлює похибки, які недопустимо збільшують поріг чутливості апаратури, роблячи її непридатною для розв’язання цієї задачі.
Але проблема розширення функціональних можливостей засобів електророзвідки, спрямована на виявлення рудних родовищ і тіл з феромагнітними властивостями, є важливою і заслуговує на дослідження.
Крім цього, важливою проблемою є збільшення глибинності електророзвідувальних робіт. Це необхідно також для дослідження шельфових зон морів, бо через високу провідність морської води магнітне поле в ній швидко загасає. Збільшення глибинності електророзвідки потребує зменшення робочих частот від десятків Гц до одиниць Гц. Оскільки основою вимірювача електророзвідувальної апаратури є диференціальна схема з періодичним порівнянням амплітуд синусоїдних сигналів, то виникає необхідність у розробленні методів зменшення похибок схем з періодичним порівнянням амплітуд змінних сигналів з частотою до одиниць Гц.
Індуктивна (вихрострумова) діагностика переважно здійснюється на частотах, що лежать в діапазоні від 10 кГц до сотень МГц. Такі частоти дають змогу розв’язувати задачі пошуку поверхневих мікротріщин у важливих конструкціях літаків, вертольотів, вимірювання товщин тонких металевих покрить, товщин діелектричних матеріалів, виявлення місць руйнування захисних покрить тощо. Сьогодні все частіше виникає необхідність зниження робочих частот до одиниць Гц. Це зумовлено необхідністю розв’язання нових задач, таких, як вимірювання параметрів та діагностування матеріалів і конструкцій з феромагнітних матеріалів.
Низькочастотну індуктивну електророзвідку рудних родовищ корисних копалин та вихрострумову діагностику промислових виробів об’єднує те, що вони ґрунтуються на явищі виникнення вихрових струмів в об’єктах, що перебувають у змінному магнітному полі. Тому й подібними у них є підходи до побудови вимірювальних засобів, оскільки зазвичай вимірюються синфазна (дійсна) та квадратурна (уявна) компоненти магнітного поля вихрових струмів, що збуджуються у досліджуваних об’єктах. Відмінності, які відзначаються, мають переважно термінологічний характер. Це зумовлено тим, що поділ вимірюваних параметрів індукованої у приймальних елементах ЕРС вторинного поля на дійсну та уявну компоненти в електророзвідці роблять стосовно індукованої у приймальних
елементах ЕРС первинного поля, а у діагностиці – стосовно струму, що збуджує первинне поле. Тому складова вторинного магнітного поля, що в електророзвідці називається дійсною, у вихрострумовій діагностиці називається уявною і навпаки. Але ці термінологічні розбіжності не є перешкодою для того, щоб ці два напрямки розглядати з єдиних позицій.
Однак тривалий час ці галузі розвивались незалежно, оскільки різними були освоєні ними частотні діапазони. Електророзвідка освоювала низькі частоти, а діагностика – середні та високі. Але задачі, що останнім часом все частіше виникають перед вихрострумовою діагностикою, змушують робочі частоти зміщувати ліворуч по частотній осі, освоюючи якомога нижчі частоти. Такими задачами є: діагностування масивних промислових виробів з феромагнітних матеріалів; вимірювання товщин сталевих листових конструкцій та матеріалів у разі одностороннього доступу до них, наприклад, товщин нафтоналивних резервуарів, оболонок суден та кораблів, мостових конструкцій; вимірювання температури всередині об’єктів зі сталевими оболонками; дослідження корозійного стану магістральних нафто- та газопроводів та виявлення інженерних комунікацій.
Тому досвід, набутий в електророзвідці із створення високочутливих низькочастотних вимірювальних засобів на основі схем з періодичним порівнянням, може бути корисним під час створення подібних засобів діагностики.
Використання методу періодичного порівняння, що забезпечує найвищу чутливість під час побудови двополюсних вимірювальних засобів, на низьких частотах зумовлює специфічні адитивні апаратурні похибки від комбінаційних частот. Це підвищує поріг чутливості вимірювальних засобів. Крім цього, у разі зниження робочих частот падає рівень вимірюваних сигналів. Це потребує пошуку нових методів зменшення впливу: комбінаційних частот та похибок від них; неідентичності параметрів попередніх підсилювачів сигналів низького рівня; проходження сигналу комутації у вимірювальний канал через паразитні зв’язки та кола живлення.
Необхідно також зменшувати похибки традиційних схем увімкнення первинних збуджувально-приймальних елементів, наприклад, такі, як похибка нелінійності незрівноваженого чотириплечого моста або звичайного двоплечого дільника напруги, що часто використовуються як в електророзвідці, так і в діагностиці.
У вихрострумовій діагностиці проблеми пов’язані з тим, що сигнал первинного перетворювача є багатопараметровим. Це ускладнює вимірювання якогось одного параметра. Тому вплив неінформативного параметра намагаються зменшити. Таким неінформативним параметром, наприклад, є щілина між досліджуваним об’єктом та збуджувально-приймальним засобом (вихрострумовим перетворювачем). Для зменшення впливу щілини застосовують різні методи, наприклад, такі, як: перенесення початку координат вимірюваних сигналів, використання вихрострумових перетворювачів (ВСП) спеціальної конструкції, що є малочутливими до змін щілини, одночасне вимірювання на двох частотах (двочастотний метод). Останній метод вважається найефективнішим. Суть його в тому, що вимірювальний канал з вищою робочою частотою реагує тільки на величину щілини, а з низькою – на параметр об’єкта і на величину щілини. Віднімаючи сигнал, пропорційний до щілини, можна виміряти параметр, наприклад, товщину листа.
З переходом на нижчі робочі частоти у традиційних аналогових вимірювальних засобах виникає проблема збільшення швидкодії. Вона може бути вирішена тільки переходом до цифрових засобів, питання розроблення яких досліджені недостатньо.
Питань розроблення збуджувально-приймальних елементів стосується багато робіт, але немає виразів, які давали б змогу кількісно оцінити похибки за рахунок асиметрії їхніх основних та паразитних параметрів і немає аналізу умов, за яких ці похибки можна мінімізувати.
Відсутня модель пари збуджувально-приймальний засіб – об’єкт дослідження, яка б пояснювала зміну знака з частотою синфазної з первинним полем компоненти вторинного поля, а відомі моделі цього зробити не дають змоги.
Для практичного втілення знайдених рішень згаданих проблем, запропонованих та розроблених принципів побудови вимірювальних засобів необхідно розробити структури високочутливих засобів вимірювання малих різниць амплітуд, відхилень зсуву фаз від синфазності та квадратури, підсилювачів постійного струму, що орієнтовані на використання в індуктивній електророзвідці та вихрострумовій діагностиці.