Вихретоковый контроль. Вихретоковые преобразователи.

Вихретоковый контроль основан на анализе взаимодействия внешнего электромагнитного поля с электромагнитным полем вихревых токов, наводимых в объекте контроля этим полем. Распределение и плотность вихревых токов определяются источником электромагнитного поля, геометрическими и электромагнитными параметрами объекта контроля (ОК), а также взаимным расположением источника поля и ОК.

В качестве источника электромагнитного поля чаще всего используется индуктивная катушка с синусоидальным током, называемая вихретоковым преобразователем (ВТП). При наличии вблизи ОК такой катушки (рис. 3.5) в результате действия вихревых токов в ОК изменяются активное , индуктивное и, следовательно, комплексное сопротивление индуктивной катушки. Вихревые токи вносят изменения в электрические параметры катушки и соответствующие изменения этих величин принято обозначать так: - вносимое в катушку активное сопротивление, обусловленное потерями энергии за счет нагрева ОК вихревыми токами; - вносимое индуктивное сопротивление, обусловленное изменением потокосцепления катушки (и, как следствие, изменением ее индуктивности , поскольку ) за счет ослабляющего действия поля вихревых токов; - соответствующее изменение полного сопротивления (импеданса) катушки.

Рис. 3.5. Индуктивная катушка над проводящим ОК

Параметры и зависят от плотности и распределения вихревых токов в ОК. Определяя изменения активного и индуктивного сопротивления такого ВТП, можно судить о геометрических и электромагнитных параметрах ОК. Однокатушечный ВТП, по параметрам которого судят о характеристиках объекта контроля, называют параметрическим.

Кроме параметрических ВТП в вихретоковом НК очень часто используют двухкатушечные ВТП (рис. 3.6.), одна катушка которых – возбуждающая – служит для создания электромагнитного (переменного) поля и, следовательно, вихревых токов в ОК, а другая (измерительная) – для измерения э. д. с., наводимой в ней результирующим магнитным потоком, который обусловлен взаимодействием полей возбуждения и вихревых токов, а в случае ферромагнитного ОК – еще и поля, возникающего в результате намагничивания ОК.

Рис. 3.6. Трансформаторный ВТП над ОК

Легко понять, что характеристики э. д. с. в измерительной катушке будут зависеть от свойств ОК и взаимного расположения ВТП и ОК. В случае немагнитного проводящего объекта контроля э. д. с. является гармонической и характеризуется амплитудой и фазой. В случае ферромагнитного объекта э. д. с. в измерительной катушке будет зависеть от характера намагничивания объекта (от поля, исходной намагниченности и т.д.). Как показано на рис. 3.6, плотность вихревых токов достигает максимума под витками обмотки возбуждения. Двухкатушечный ВТП называют трансформаторным, так как измерительная катушка в нем играет роль вторичной обмотки трансформатора.

Электрические параметры катушки (параметрический преобразователь) или э. д. с. в измерительной обмотке (трансформаторный преобразователь) остаются практически неизменными, если массивный однородный кусок испытываемого металла заменить на большое число плотно прижатых изолированных листов из одного и того же материала. Это означает, что вихревые токи текут лишь по траекториям, параллельным поверхности раздела. Для накладных цилиндрических катушек контуры вихревых токов представляют собой кон­центрические окружности. При расположении катушки с током на поверхности объекта максимальная плотность вихревых токов достигается в контуре примерно равном контуру катушки. При появлении несплошностей (трещины, каверны и т.д.) контур вихревых токов в ОК и, как следствие, сигнал ВТП изменятся.

Как уже указывалось, э. д. с. (или сопротивление) ВТП зависит от многих параметров ОК, а также от взаимного расположения ВТП и ОК, т.е. информация, получаемая от преобразователя, является многопараметровой. Это определяет как преимущества, так и трудности реализации вихретокового контроля (ВТК). С одной стороны, он позволяет осуществлять многопараметровый контроль. С другой стороны, приходится использовать различные способы разделения влияния контролируемых параметров и подавления влияния мешающих контролю факторов для того, чтобы осуществлять селективный (раздельный) контроль параметров.

Достоинством вихретокового контроля является и то, что его можно проводить при отсутствии контакта между ВТП и ОК, поэтому его часто называют бесконтактным. Благодаря этому вихретоковый контроль можно осуществлять при движении ОК относительно ВТП, причем скорость этого движения при производственном контроле может быть значительной, что обеспечивает высокую производительность контроля. Получение первичной информации в виде электрических сигналов, отсутствие контакта и высокая производительность определяют широкие возможности автоматизации вихретокового контроля.

Дополнительным преимуществом вихретокового контроля является то, что на сигналы ВТП практически не влияют влажность, давление и загрязненность газовой среды, радиоактивные излучения, загрязнения поверхности ОК непроводящими веществами. К достоинствам можно отнести и простоту конструкции ВТП. В большинстве случаев катушки ВТП помещают в предохранительный корпус, они устойчивы к механическим и атмосферным воздействиям и представляют весьма надежные первичные преобразователи.

Основными направлениями вихретокового контроля являются: дефектоскопия (обнаружение и оценка размеров несплошностей в объектах контроля); толщинометрия и виброметрия (контроль толщины покрытий и размеров объектов, измерение малых перемещений ОК); структуроскопия (определение физико-механических свойств и структурно-фазового состояния объектов контроля); металлоискатели (обнаружение электропроводящих объектов).

Так как вихревые токи возникают только в электропроводящих материалах, то объектами вихретокового контроля могут быть изделия, изготовленные из металлов, сплавов, графита, полупроводников и других электропроводящих материалов.

Классификация вихретоковых преобразователей. В настоящее время разработано большое количество типов и разновидностей ВТП. Для их классификации используются различные признаки (рис. 3.7).

По типу преобразования параметров ОК в выходной сигнал преобразователи подразделяются на параметрические и трансформаторные. Преимущество параметрических ВТП заключается в их простоте, а недостаток, который значительно слабее выражен в трансформаторных ВТП, - в зависимости выходного сигнала от температуры преобразователя.

По способу соединения катушек (обмоток) ВТП делят на абсолютные и дифференциальные. Абсолютным называют ВТП, выходной сигнал которого определяется абсолютными значениями параметров ОК в зоне контроля (рис. 3.8а). Здесь и далее под зоной контроля понимается тот объем ОК, свойства которого влияют на сигнал ВТП.

Рис. 3.7. Классификация ВТП

Дифференциальным трансформаторным ВТП принято называть, по существу, совокупность двух преобразователей, измерительные обмотки которых соединены таким образом (рис. 3.8б)[7], что выходной сигнал определяется разностью параметров ОК соответствующих зон контроля. Возможно дифференциальное включение двух параметрических преобразователей.

Рис. 3.8. Абсолютный (а) и дифференциальный (б) трансформаторный ВТП:

1 – возбуждающие обмотки; 2 – измерительные обмотки; 3 – объект контроля

Рис. 3.9. Проходные наружные ВТП (а) и проходные внутренние ВТП (б):

1 – возбуждающие обмотки; 2 – измерительные обмотки; 3 – объект контроля

По взаимному расположению ВТП и ОК преобразователи подразделяются на проходные, накладные и комбинированные.

Проходные ВТП обычно делят на наружные, внутренние, погружные и экранные. На рис. 3.9а показаны разновидности трансформаторных наружных проходных ВТП. Основной их особенностью является то, что катушки ВТП охватывают ОК. На рис. 3.9 и далее обозначено: 1 – возбуждающая катушка, 2 – измерительная катушка (обмотка), 3 – объект контроля. Катушки внутренних проходных ВТП вводят внутрь ОК (рис. 3.9б.), чаще всего они служат для контроля труб.

Погружные ВТП (рис. 3.10а) используются для контроля жидких электропроводящих сред, их катушки помещают в контролируемую среду.

Рис. 3.10. Погружные (а) и экранные (б) проходные ВТП

В экранных (рис. 3.10б) проходных ВТП возбуждающие и измерительные катушки располагают по разные стороны ОК. На рис. 3.10б показаны экранные проходные ВТП двух типов. Совершенно очевидно, что наружными, внутренними и погружными могут быть как параметрические, так и трансформаторные ВТП, а экранными – только трансформаторные. К проходным могут быть отнесены и так называемые “щелевые” ВТП с магнитопроводом, охватывающим ОК.

С помощью проходных ВТП получают интегральную оценку контролируемых параметров по периметру объекта, поэтому они обладают меньшей чувствительностью к небольшим (локальным) изменениям его свойств.

Рис. 3.11. Накладные ВТП с круглыми (а), прямоугольными (б), крестообразными (в) катушками; с перпендикулярными осями катушек (г):

Накладные ВТП (рис. 3.11) располагают вблизи поверхности ОК. Они могут иметь одну или несколько обмоток. Их оси обычно располагают нормально поверхности ОК, т.е. их прикладывают торцом к ОК. Однако возможно продольное расположение накладных ВТП, когда оси катушек направлены вдоль поверхности ОК. Накладные ВТП обладают значительно большими возможностями для контроля, чем проходные. Они позволяют контролировать геометрические и электромагнитные параметры ОК сложной формы. Катушки накладных ВТП могут быть коаксиальными (рис. 3.11а), прямоугольными (рис. 3.11б), прямоугольными крестообразными (рис. 3.11в), с взаимно перпендикулярными осями (рис. 3.11г) и др.

ферро- и ферримагнитными сердечниками (на рис. б-г отмечено серым)

Накладные ВТП, так же как и проходные, могут быть экранными, когда возбуждающие и измерительные катушки располагаются по разные стороны ОК, например контролируемого листа (рис. 3.12а).

Накладные ВТП выполняют с ферромагнитными сердечниками или без них. Благодаря ферромагнитному сердечнику (или, чаще, ферритовому) повышается абсолютная чувствительность к изменению контролируемых параметров (за счет повышения плотности магнитного потока при намагничивании материала сердечника) и формируется электромагнитное поле заданной топологии. Сердечники также используют для локализации магнитного поля с целью уменьшения зоны контроля (уменьшение сечения сердечника к рабочему торцу преобразователя). На рис. 3.12б-г приведены разновидности накладных ВТП с ферромагнитными сердечниками.

Комбинированные ВТП (рис. 3.13) представляют комбинацию проходных возбуждающих и накладных измерительных катушек. Такие ВТП чаще всего применяются для дефектоскопии. Недостатком комбинированных ВТП является большая чувствительность к неконтролируемым перекосам осей проходных и накладных катушек относительно поверхности ОК.

Рис. 3.13. Комбинированные ВТП: проходные возбуждающие (1) катушки

(а – соленоид; б – кольца Гельмгольца) и накладные (2) измерительные

Приведенная классификация не является исчерпывающей. Имеются и другие специальные преобразователи: щелевые, линейные и т.д. Разработка новых вихретоковых преобразователей продолжается. В последнее время появились преобразователи, в которых вместо измерительной катушки используется датчик Холла.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: