Verifica amperometri versione definitiva

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Verifica amperometri e dispositivo di quick break – accuratezza e ripetibilita’ Quick Break Device and Ammeters verification - accuracy and repeatability

M.Capriolo TUV Sud - Bytest (Italy-Torino)

A.Martignetti TUV Sud – Bytest (Italy-Torino)

G.Buonocore MAG (Italy-Novara)F.Raggio CiGiEmme (Italy-Milano)D.Paladino CiGiEmme (Italy-Milano)

Giornata Aerospaziale NDTVergiate, 24 Settembre 2014

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Verifica amperometri e dispositivo di quick break accuratezza e ripetibilita’

Quick Break Device and Ammeters verificationaccuracy and repeatability

This presentation will be divided into two parts:


Questa presentazione sarà divisa in due parti :• La prima relativa ad alcuni aspetti legati alla verifica della strumen-

tazione a bordo impianto e alle problematiche correlate• La seconda legata alle soluzioni impiantistico-circuitali di quanto

evidenziato nella prima parte.Confidando che questo lavoro possa suscitare l’interesse dei presenti a questa Manifestazione contiamo eventualmente di approfondire queste tematiche al prossimo Nadcap Meeting in ambito NDT - Task Group perché possano essere

opportunamente valutate

• The first relevant to some aspects of verification of the on board equipment and to the joined matters.

• The second one linked to instrument-circuit solutions of what evidenced in the first part.

Hoping this work could arouse the interest of the attendees at this event we possibly plan of deepen these issues at the next NDT Nadcap within Task

Group meeting in order properly evaluate the subjects.

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Requisiti Standard – estratto da ASTM E 1444-12

Standard Requirements – excerpt from ASTM E 1444-12

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7.4.1 Accuratezza Amperometri Per verificare gli amperometri di un’apparecchiatura, occorre collegare in serie al circuito di uscita (carico) uno «shunt test kit» idoneo e certificato. Letture comparative devono essere rilevate su almeno tre valori di corrente inclusi nel range utilizzabile dell’apparecchiatura. La lettura dell’amperometro a bordo dell’apparecchiatura non deve deviare oltre +/- 10% o 50 A (il maggiore dei 2) dal valore di corrente misurato dall’amperometro campione.(Quando viene misurata corrente RADDRIZZATA SEMIONDA – HWDC – i valori misurati da un amperometro campione tarato in FWDC devono essere duplicati.) La frequenza della verifica degli amperometri di bordo è generalmente semestrale. Anche la RIPETIBILITA’ del valore di corrente erogato non deve variare oltre +/- 10% o 50 A (il maggiore dei 2) a qualunque valore di riferimento impostato e il bancale in verifica deve essere contrassegnato con il valore minimo di corrente ripetibile. NOTA: Questo requisito deve essere verificato applicando il valore di corrente impostato per alcune volte consecutive.7.4.1 Ammeter AccuracyTo check the equipment ammeters, a suitable calibrated shunt test kit shall be connected in series with the output circuit. Comparative readings shall be taken at least on three output levels encompassing the usable range of the equipment. The ammeter reading shall not deviate more than ± 10 % or 50 amperes, (whichever is greater), from the current value shown by the calibrated ammeter. (When measuring half-wave rectified current, the current values shown by the calibrated FWDC ammeter readings shall be doubled.). Machine output repeatability also shall not vary more than ± 10 % or 50 amperes, (whichever is greater), at any set-point and the machine under test shall be marked with the value representing the lowest repeatable current level. NOTE: This requirement shall be verified applying the current set-point several times consecutively

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Esempio di applicazione dei requisiti – Example of the requirements application Set-point = 600 A ± 10% = 60 A Max = 60 A► ►Set-point = 400 A ± 10% = 40 A Max = 50 A► ►

Set-point > 600 A ± 10% (more convenient solution)►Set-point < 500 A 50 A (more convenient solution)►

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Attualmente alcuni Prime stanno indicando sulle loro specifiche, come solo valore di accuratezza e ripetibilità il solo limite del 10% della lettura, omettendo l’opzione dei 50 A, determinante per la compliance a bassi valori di corrente

erogati, per diversi impianti di costruzione non recente.Poichè la macchina in taratura deve essere contrassegnata con il valore che rappresenta il più basso livello ripetibile/stabile di corrente e relativa durata dell’impulso impostato, questi requisiti rischiano di limitare

notevolmente il campo di impiego di alcuni impianti di controllo attualmente in servizio.

Nowadays some Prime are pointing out into their specifications, as the only value of accuracy and repeatability, the 10% limit of reading, omitting the 50 A option , which is “basic” for compliance at low current values ,for many old

magnetic benches. Since the machine under calibration shall be marked with the value that represents the lowest level of repeatable /

stable current and relative pulse duration, these requirements are likely to highly limit the field of application of some magnetic benches currently in service.

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Questa ulteriore limitazione comporta che alcuni magnetoscopi a bancale, non di ultima generazione, non siano in grado di rispettare il limite imposto dalle specifiche dei suddetti Prime a bassi valori di corrente erogata; questi,

mostrano infatti particolari difficoltà di “compliance ”, in merito alla ripetibilità e stabilità dei valori letti, soprattutto quando la durata dell’impulso impostato è prossimo o uguale a 0,5 s, valore che peraltro rappresenta la durata

minima impiegabile per l’effettuazione del controllo.In tali condizioni si rilevano spesso valori instabili con oscillazioni eccedenti il 10% della lettura. Nella pratica

operativa, l’esigenza di limitare queste ampie oscillazioni di corrente entro valori più restrittivi, è particolarmente sentita qualora si debba ispezionare, mediante la tecnica di magnetizzazione a contatto diretto, particolari di piccole

dimensioni con superfici di contatto molto contenute e allo stesso tempo si sia costretti ad impiegare impulsi di magnetizzazione di breve durata.

This further restriction implies that some magnetic benches , not of the latest generation, are not able to comply with the limit imposed by the specifications of the Prime at low current values; these, in fact, show particular difficulties of "compliance", on the repeatability and stability of the read values , especially when the pulse duration is set close or

equal to 0.5 s, a value that is the minimum allowed to perform the magnetic test.

In these conditions there is often unstable values with fluctuations exceeding the 10% of reading. In operating practice, to limit these large current oscillations within more restrictive values , is particularly felt when is necessary to

inspect, by direct magnetization technique, small parts with very limited contact surfaces and at the same time to employ pulse magnetization of short duration.

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A supporto di quanto finora espresso, nelle tabelle che seguono sono riportati i valori di corrente di differenti magnetoscopi con ripetibilità non conforme (> 10%) quando testati con durata dell’impulso

di 0,5/1 s su 5 impulsi consecutivi. Corrente erogata: FWDC trifase.

To support what said up to now , in the following tables are reported the current values of different magnetic benches showing non-compliant repeatability (> 10%) when tested with a pulse duration of

0.5 / 1 s on 5 consecutive pulses. Output current: FWDC Three phases.

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In Tab. 1 sono riportati i dati non conformi della verifica taratura di un amperometro installato a bordo di un magnetoscopio a bancale alimentato con FWDC trifase.

Dai valori indicati appare evidente che i problemi di questa macchina non siano dovuti alla instabilità/scarsa ripetibilità del generatore di corrente ma, più probabilmente, alla scarsa velocità di campionamento dello strumento in verifica.

Tab. 1 shows the not conform calibration test data of an ammeter on a magnetic bench supplied with FWDC .From the pointed out values it is clear that the problems of this machine are not due to the instability / poor

repeatability of the power supply but, more likely, to the low sampling rate of the instrument itself.

Equipment used:Shunt 1000 A / 120 mV - Cl. 0.5 - K = 8.33 Millivoltmeter Fluke 289 TRMS -Uncertainty certified 0,016mVStrumenti utilizzati:Shunt 1000 A/120 mV – Cl. 0.5 – K= 8.33 Millivoltmetro Fluke 289 TMRS – Incert. Certif. 0.016 mV

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Infatti, a condizioni invariate, modificando solo la durata dell’impulso portandola cioè ad 1 s (Ved. Tab. 1.1), lo strumento in verifica dà risultati decisamente più coerenti con quelli del campione primario e conformi ai requisiti

delle Specifiche applicabili.

As a matter of fact, at unchanged conditions, modifying the pulse duration to 1 s (See. Tab. 1.1), the instrument under verification show much more consistent results compared with those of the primary standard ,and compliant

with the requirements of the applicable specifications.

TAB 1.1

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Un caso più complesso è rappresentato dai dati di Tab. 2 dove non solo la differenza tra i 2 strumenti è rilevante ma anche le letture del campione (vedi colonna B) mostrano differenze notevoli tra gli impulsi. Ciò fa presupporre che i

problemi di questo magnetoscopio siano imputabili sia alla ripetibilità del generatore che alla non adeguata accuratezza dell’amperometro.

A more difficult case is represented by the data of Tab. 2 where not only the difference between the 2 instruments is significant but the readings of the sample (see column B) show significant differences between the pulses also . This allow to suppose that the problems of this magnetic bench are both due to the repeatability of current generator

and to the inadequate accuracy of the ammeter.

TAB 2

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In aggiunta alla verifica dell’amperometro del magnetoscopio e alla stesura del consueto rapporto di verifica taratura occorre compilare una tabella (Es. TAB 3) da applicare sul quadro comandi del magnetoscopio affinché l’operatore

tenga ben presente i limiti di amperaggio ripetibile (entro +/- 10%) e relativi tempi di durata dell’impulso entro i quali attenersi nella stesura delle tecniche di magnetizzazione e nell’ispezione dei componenti soggetti al controllo con

particelle magnetiche fluorescenti.

In addition to the ammeter verification and to the issue of the usual test report a table (i.e. TAB 3) need to be filled in and posted on the control panel of the magnetic bench so that the operator shall keep in mind the limits of

repeatable amperage (within +/- 10%), and the pulse duration to be used in defining the magnetic data sheet techniques and during magnetic inspection of parts .

TAB 3

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Come ulteriore apporto a questo lavoro abbiamo voluto considerate le problematiche pratiche del controllo su parti con aree di contatto contenute che necessitano di particolare attenzione nell’impiego della tecnica di magnetizzazione a contatto diretto evidenziando l’importanza dell’accuratezza e della

ripetibilità dell’amperometro del bancale magnetico.

As further sustain to this presentation , we wanted to consider the practical problems of control of parts with small contact areas that need special care in the use of the direct contact technique of

magnetization and the accuracy and repeatibility of the ammeter of the magnetic bench .

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Photo 3 - Sample part with limited contact surfaces

A tale scopo è stato impiegato un particolare con i seguenti dati tecnici (Vedere Foto 3): Materiale: AISI 4340, Condizioni: Temprato e Rinvenuto (bonificato) con superfici finite di lavorazione. Superficie di contatto (dal lato della filettatura) con le espansioni polari del bancale: 16 mm2 circa. Il valore di corrente e stato stabilito prudenzialmente a 180 A adeguato per il diametro del gambo (8 mm) ma sottostimato per la testa esagonale: è noto che minore è la superficie di contatto , maggiori sono i rischi di produrre surriscaldi, o peggio ancora, bruciature, cause che ne compromettono l’impiego comportando lo scarto del componente.

For this purpose, has been employee a part with the following technical data (see Photo 3): Material: AISI 4340 HT - Condition: hardened and tempered with fully machined surfaces.- Contact surface (threaded side) with the pole pieces of the magnetic bench: approximately 16 mm2. The current value has prudently been established at 180 A, proper for the diameter of the shank (8 mm) but underestimated for the hexagonal head. It is known, that smaller is the contact surface, greater is the risk of having overheating, or even worse, burns, causes that could compromise their employment lead to scrap of the part.

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Photo 4 - Evidence of the parameters used for direct contact magnetization

Da prove effettuate su particolari con tali caratteristiche abbiamo rilevato un innalzamento della temperatura delle superfici di contatto con le espansioni polari, a causa dell’effetto Joule legato al passaggio diretto della corrente nel particolare in esame. Sono stati impiegati i seguenti parametri di corrente di magnetizzazione con la relativa durata dell’impulso (vedi foto 5 e 8):

From tests carried out on parts with these characteristics we noticed an increasing of temperature of the surfaces in contact with the polar expansions, due to the Joule effect joined to the direct passage of the current in the part. The following parameters have been used for the magnetizing current with relevant pulse duration (see photos 5 and 8):

Current Value set:180 A FWDCTime pulse duration:1 sLowest value repeatable / stable (low end amperage output stability / repeatability) of the magnetoscope:150 A at 1.0 s

Valore di corrente impostato:180 A FWDCTempo di durata dell’impulso:1 sec.Valore più basso ripetibile/stabile del magnetoscopio impiegato: 150 A a 1,0 sec.

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Photo 5 - Temperature of the part before the magnetization

Photo 6 - Temperature of the part after the magnetization

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Un altro fondamentale elemento nel processo di ispezione con particelle magnetiche fluorescenti è rappresentato dal dispositivo di Quick Break che consente una immediata interruzione della corrente di magnetizzazione nella bobina. La brusca interruzione del flusso di magnetizzazione all’interno del materiale induce una forza elettromotrice concatenata al flusso magnetico stesso per mezzo del quale viene prodotto un campo magnetico di induzione adeguato, anche in prossimità delle estremità del particolare. Questo consente l’evidenziazione di discontinuità ad orientamento circonferenziale, in prossimità di rasamenti che solitamente comportano dispersioni e deviazioni delle linee di flusso con una conseguente insufficiente o addirittura inesistente magnetizzazione. Per questo motivo alcuni prime hanno definito, come requisito , che il circuito di quick break del magnetoscopio, deve essere in grado di garantire che il tempo di caduta della corrente non sia non superiore a 10 ms, partendo da un valore di corrente di 3.000 A a 30 A. Di seguito sono riportati due esempi: il primo del corretto funzionamento del dispositivo, mentre il secondo che eccede notevolmente questo requisito.

A further basic element in the magnetic particle inspection is the Quick Break device that allows an immediate interruption of the current magnetization in the coil. The sudden interruption of the magnetization flow within the material induces an electromotive force linked to the magnetic flux itself by means of which appropriate magnetic field of induction is generated near the ends of the part also . This allows to highlight discontinuity with circumferential orientation, close to the shims which usually give dispersions and deviations of the flow lines with a consequent inadequate or even no magnetization. For this reason some Prime have defined, as a requirement, that the circuit of quick break of the magnetoscope, shall be able to ensure that the time of fall of the current is not more than 10 ms, starting from a current value of 3.000 A to 30 A. Following are two examples: the first one with proper device operating, while the second that highly exceeds this requirement.

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Second Part

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Accuratezza Amperometri in MT : soluzioni speciali

«Ammeter Accuracy: special features in MPI

FWDC «BASSA»FWDC «LOW Range»

FWDC «High Range»FWDC «ALTA»

FWDC Three phase Circuit – minimum 50 ACircuito FWDC trifase – erogazione minima 50 A

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Accuratezza Amperometri in MT : soluzioni specialiAmmeter Accuracy: special features in MPI

FWDC «BASSA»FWDC «LOW Range» FWDC «High Range»

FWDC «ALTA»

FWDC Three phase Circuit – minimum 50 ACircuito FWDC trifase – erogazione minima 50 A

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AC «BASSA»AC «LOW Range» AC «HIGH Range»

AC «ALTA»

AC Circuit – minimum 50 ACircuito AC – erogazione minima 50 A

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Shunt – Range Basso«LOW Range» Shunt

«HIGH Range» shuntShunt - Range Alto

Secondary Circuit (Load)Circuito Secondario (Carico)

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FWDC





FWDC

PRACTICAL EXECUTIONESECUZIONE PRATICA

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AC

PRACTICAL EXECUTIONESECUZIONE PRATICA

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FWDC CALIBRATION VALUESVALORI DI CALIBRAZIONE FWDC

USED CERTIFIED SHUNTS :PART 1 300 A / 120 mVPART 2 3000 A / 120 mV

SHUNT CERTIFICATI UTILIZZATI :PARTE 1 300 A / 120 mVPARTE 2 3000 A / 120 mV

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AC CALIBRATION VALUESVALORI DI CALIBRAZIONE AC

USED CERTIFIED SHUNTS :PART 1 300 A / 120 mVPART 2 3000 A / 120 mV

SHUNT CERTIFICATI UTILIZZATI :PARTE 1 300 A / 120 mVPARTE 2 3000 A / 120 mV

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1) Maggiore è la taglia del generatore elettromagnetico, più elevato è il valore di corrente minima erogabile se non vengono eseguite opportune scelte tecniche (ad es. doppio generatore)

2) I circuiti di potenza dei magnetoscopi sono prevalentemente di tipo «induttivo» – la corrente impiega un preciso tempo di salita (costante di tempo = R/L). Più è basso il valore di corrente da erogare più è elevato il valore minimo della durata dell’impulso erogabile. Per questo motivo si utilizza sui generatori FWDC trifase un commutazione «triangolo / stella» per sfruttare meglio la potenza massima erogabile dal generatore nelle due condizioni

3) Sempre per l’elevata induttanza, maggiore è questo valore intrinseco del circuito di potenza più lungo è il tempo di interruzione rapida «Quick Break».

1) As much powerful will be the MPI generator, as much higher will be the «minimum value of usable and repetable magnetizing current» , if any special technical feature are not applied (i.e. Double generator)

2) Magnetizing power circuits are mostly INDUCTIVE - the current take time to raise up to the presettled value according to the ratio «R/L». As much lower is the current value to be used as much higher will be the «minimum duration of the magnetizing pulse» . For this reason, a «STAR / TRIANGLE» commutation on the transformer of the FWDC three phase generator allow a better use of the available power.

3) Always due to the high inductance of the power circuits, as highest will be this value as longest will be the «Quick Break» time.

ABOVE EXPLAINED SOLUTION LIMITS

LIMITI DELLE SOLUZIONI SOPRADESCRITTE

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Grazie per la vostra attenzione !Thank you for your attention !




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