Микропрод в стеклянной оболочке для тензометрии сосудов высокого давления

Конструкция металлокомпозитного баллона высокого давления
Взято из интернета

О давлении газа внутри баллона можно судить по деформации леера. Для измерения деформации может быть применён микропроволочный тензодатчик.
Разрушению лейера, как правило, предшествует пластическая деформация, которую можно определить тензометрическими измерениями. Таким образом контролируя состояние леера можно диагностировать безопасность эксплуатации баллонов.
Микропроволочный тензодатчик прочно прикрепляется к лейнеру баллона, до намотки армирующей оболочки. Затем наматывается армирующая оболочка по существующей технологии.
Считывание деформации осуществляется бесконтактно. Считывающая головка измерителя деформации подносится (приближается) к участкам баллона в местах расположения датчиков. При этом определяется величина деформации лейнера в данной области.
По величине деформации определяется давление в баллоне, а в случае пластической деформации лейнера, или повреждения оболочки, зона его расположения.
Таким образом, используя тензодатчик, можно приборно проводить диагностику состояния лейнера и армирующей оболочки. При этом повышается надёжность и безопасность эксплуатации сосудов высокого давления, а также возможность контролировать давление внутри баллонов.
Решение задачи измерения давления и целостности лейнера

Конструкция тензодатчика и принцип его работы
Чувствительный элемент тензодатчика представляет собой отрезок ферромагнитного микропровода, обладающий высокой чувствительностью к деформации растяжением.
При помещении такого отрезка микропровода в переменное магнитное поле, генерируемое намагничивающей катушкой измерителя деформации, происходит перемагничивание отрезка микропровода. При перемагничивании отрезок микропровода индуцирует два электромагнитных импульса (положительный и отрицательный) за каждый период перемагничивания. Эти электромагнитные импульсы наводят э.д.с в приёмной катушкой измерителя деформации.
Величина деформации определяется величиной коэрцитивной силы, то есть расстоянием между положительным и отрицательным импульсами.
Для правильного определения деформации головка измерителя должна быть расположена в зоне расположения датчиков. Эти зоны должны быть отмечены на поверхности баллона.
Тензодатчик

Тензодатчик закреплённый на клейкой ленте

Внешний вид считывателя деформации

Считыватель деформации
Макет считывателя деформации представляет из себя электронное устройство, состоящее из измерительной головки, состоящей из намагничивающей и измерительной катушек; генератора синусоидального напряжения возбуждающего переменное магнитное поле; пары измерительной и компенсационной катушек и далее, усилителя, фильтра, устройства обработки сигнала и индикации.
Насадка на измерительную головку, установленная на макете, предназначена для установления расстояния от измерительной головки до тензодатчика. Её толщина равна толщине композитной оболочки баллона (около 15 мм.). В рабочем варианте насадка не используется.
На корпусе считывателя расположена кнопка включения измерений.
Устройство питания выполнено отдельным блоком.

Имитатор баллона
Имитатор баллона – пластиковый баллон с манометром, указывающим создаваемое давление.
На имитаторе баллона закреплены тензодатчики расположенные на клейкой ленте.

Процесс измерения деформации
Измеритель деформации прикладывается к месту расположения тензодатчика.

Измерение деформации
Измерение деформации при давлении в баллоне 0,2 атм.

Физический принцип работы тензодатчика
При приложении переменного магнитного поля за один период индуцируются два импульса (положительный и отрицательный). Расстояние между импульсами пропорционально относительной деформации.
При приложении растягивающей нагрузки расстояние между импульсами увеличивается.
Микропровод, используемый в качестве тензодатчика имеет бистабильный характер перемагничивания, то есть прямоугольную петлю гистерезиса.

Получение микропровода c высокой тензочувствительностью
Измерительный микропровод с высокой тензочувствительностью получают из сплавов имеющих большую магнитострикцию.
Микропровод получают по типовой технологии литья из жидкой фазы методом Улитовского – Тейлора.
Затем микропровод проходит термомеханическую обработку.
В исходном микропроводе величина тензочувствительности лежит в интервале 200 – 400.
После термомеханической обработки коэффициент тензочувствительности может достигать 40000, что намного больше чем у других датчиков.

Измерение тензочувствительности микропровода
Для измерения магнитных характеристик микропровода в процессе растяжения применяется типовой измеритель тензочувствительности состоящий из винтового устройства натяжения и измерителя магнитных характеристик - ВН метра.
При измерении тензочувствительности отрезок микропровода растягивается на заданную величину и измеряются параметры петли гистерезиса.

Стенд для измерения тензочувствительности

Литьё микропровода в стеклянной оболочке по методу Улитовского-Тейлора

Установка для литья микропровода ITMF-3
Разработка MFTI

Микропровод в стеклянной оболочке под микроскопом

Микропровод на бобинах

Магнитные микропровода
Высокие скорости охлаждения жилы микропровода при литье из жидкой фазы позволяют в ряде сплавов фиксировать аморфную или микрокристаллическую структуру.
В микропроводах изначально, присутствуют магнитные анизотропии. Главные из них, магнитостатическая или анизотропия формы, связанная с цилиндрической формой жилы микропровода, и магнитоупругая, связанная с напряжениями, возникшими под действием стеклянной оболочки, прочно соединённой с металлической жилой. Металл жилы и стеклянная оболочка затвердевают практически одновременно при температуре примерно 600 - 800 град. С, и охлаждаются до комнатной температуры твёрдыми телами. Вследствие разницы коэффициентов расширения (у стекла примерно в 10 раз меньше, чем у металла), и прочного сцепления жилы и оболочки, в металлической жиле возникают всесторонние растягивающие, а в стекле сжимающие напряжения.

Бистабильные магнитные микропровода
При положительной магнитострикции (сплавы на основе железа) направление магнитостатической, магнитоупругой анизотропий и направление легкого намагничивания, совпадают с осью микропровода. Микропровод обладает свойством бистабильности. Перемагничивание происходит одним большим скачком Баркгаузена.
Импульс перемагничивания и петля гистерезиса бистабильного микропровода
Примеры магнитных микропроводов

Преимущества применения микропроводных тензодатчиков
Беспроводное (бесконтактное) считывание величины деформации.
Чувствительный элемент тензодатчика (микропровод) имеет протяженные размеры и охватывает всю исследуемую поверхность. То есть можно контролировать любую локальную область поверхности.
Область считывания детектирующей катушки имеет небольшие размеры (10х30 мм), что позволяет контролировать локальные участки исследуемой поверхности.
Технология встраивания тензодатчика в конструкцию баллона, на наш взгляд, будет достаточно простой и не потребует значительного усложнения существующей технологии армирования.
Микропровод имеет стеклянную оболочку, что делает его коррозионно - стойким.
Температурный интервал работы от минус 50 до плюс 450 градусов Цельсия.
Временная стабильность – высокая.