Физические основы вихретокового метода контроля.

ВИХРЕТОКОВЫЕ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ

Физические основы вихретокового метода контроля.

С помощью вихретокового метода контроля (ВТМ) решают следующие задачи контроля:

¨ дефектоскопия (обнаруживают дефекты типа несплошностей, выходящих на поверхность или залегающих на небольшой глубине (в электропроводящих листах, прутках, трубах, проволоке, рельсах и т.д.), при благоприятных условиях контроля и малом влиянии мешающих факторов удается выявить трещины глубиной 0, 1 – 0, 2 мм, протяженностью 1 – 2 мм).

¨ контроль геометрических параметров (измерение диаметра проволоки, прутков и труб, толщину металлических листов и стенок труб, толщину покрытий).

¨ структуроскопия материалов и изделий (контроль химического состава, твердости, электропроводности, внутренних напряжений в металле, качество термической и химико-термической обработки, состояние поверхностных слоев после механической обработки (шлифование), сортировка металлических материалов и графитов по маркам).

¨ обнаружение нежелательных электропроводящих предметов и включений в заданном объеме – например, на конвейерных линиях при загрузке руды, различных смесей. В гражданской авиации вихретоковые металлообнаружители используются для предполетного досмотра авиапассажиров с целью выявления металлических предметов, запрещенных для перевозки на воздушном транспорте. Современные металлообнаружители имеют высокую вероятность обнаружения запрещенных металлических предметов и выдают сигнал тревоги при нахождении у авиапассажиров бытовых металлических предметов личного пользования (монеты, часы) весом до 200 г.

Вихретоковые методы основаны на анализе взаимодействия внешнего электромагнитного поля с электромагнитным полем вихревых токов, наводимых возбуждающей катушкой в электропроводящем объекте контроля (рис. 3.1).

Возбуждение вихревых токов в изделии осуществляется с помощью обмотки, по которой пропускается электрический ток. Эта обмотка называется возбуждающей. Затем осуществляется преобразование электромагнитного поля вихревых токов в электрические сигналы с помощью другой катушки, называемой измерительной. Возбуждающая и измеряющая катушки представляют собой вихретоковый преобразователь. Сигнал, формируемый измерительной обмоткой, является многопараметровый, что определяет достоинства и недостатки метода. С одной стороны, это возможность контроля многих параметров, а с другой, - при контроле одного из параметров влияние остальных на сигнал преобразователя становится мешающим, поэтому необходима отстройка от влияния мешающих факторов.

Особенности вихретокового контроля:

¨ многопараметровость;

¨ бесконтактность - проведение контроля без контакта преобразователя и объекта, что позволяет автоматизировать процесс контроля и увеличить срок службы преобразователя. Их взаимодействие происходит обычно на расстояниях, достаточных для свободного движения преобразователя относительно объекта (до нескольких миллиметров). Поэтому этими методами можно получать хорошие результаты контроля даже при высоких скоростях движения объектов (пример: контролируем толщину стенки трубы: во время движения объекта преобразователь фиксирует те значения, которые нас интересуют, например толщину, меньше допустимой);

¨ на сигналы преобразователя практически не влияют влажность, давление и загрязненность газовой среды, радиоактивные излучения и загрязнения поверхности объекта контроля непроводящими веществами, что исключает процесс подготовки поверхности контролируемого объекта;

¨ простота конструкции преобразователя – еще одно преимущество метода, благодаря чему преобразователи устойчивы к механическим и атмосферным воздействиям, могут работать в агрессивных средах и в широком интервале температур и давлений.

Недостатком метода является то, что контролю могут подвергаться только электропроводные объекты: металлы, сплавы, графиты, полупроводники и контролируется лишь тонкий поверхностный слой.

Годограф – плоская или пространственная кривая, являющаяся геометрическим местом концов вектора, длина и угол которого меняются от некоторого параметра (нескольких параметров), причем значение вектора при разных значениях параметра отложены от общего начала координат (или от условной общей точки). При построении годографов масштабы координатных осей должны быть одинаковыми, иначе будет искажена величина фазового угла вектора.

На рис.3.7 показана комплексная плоскость нормированной вносимой ЭДС для соленоида с немагнитным цилиндром, рассчитанная по (3.33). По координатным осям комплексной плоскости откладываются ReE_BH (или ReU_BH)- действительная часть нормированной вносимой ЭДС (или напряжения) измерительной обмотки и ImE_BH (или ImU_BH) – мнимая часть нормированной вносимой ЭДС (или напряжения) измерительной обмотки. Сплошными линиями на комплексной плоскости показаны годографы обобщенного параметра x = kr₀, полученные при изменении обобщенного параметра от 0 до бесконечности при фиксированных значениях коэффициента заполнения h = 1, 0; 0, 75 и 0, 5. Поэтому эти линии принято считать линиями влияния обобщенного параметра.

Некоторые значения обобщенного параметра принято проставлять на годографе, часто рядом ставят стрелку, показывающую направление возрастания параметра, для которого построен годограф. Однако большую практическую ценность представляют годографы основных влияющих параметров объекта контроля. В данном случае для круглого цилиндра это s и r₀.

Удельная электропроводность материала цилиндра s в уравнение преобразования (3.33) входит только через обобщенный параметр, поэтому годограф (линия влияния) s совпадает с годографом (линией влияния) x.

Радиус цилиндра в уравнение преобразования входит через коэффициент заполнения h и обобщенный параметр x, поэтому годограф r₀ (линия влияния радиуса – штрихпунктирная линия) не совпадает с годографами x и h. Следовательно, возможен раздельный контроль этих параметров – например, измерение электропроводности цилиндра при одновременном изменении его радиуса. Если в процессе контроля изменяется значение коэффициента заполнения при неизменном значении обобщенного параметра контроля, то рабочая точка будет смещаться по линии коэффициента заполнения (пунктирная линия на рис 3.7).

Таким образом, зная положение вектора вносимого напряжения на годографе (т.е. зная величины x и h, которые определяют положение рабочей точки), можно качественно оценить изменение параметров сигнала измерительной обмотки ВТП при изменении параметров цилиндра. Если происходит увеличение длины вектора вносимого напряжения при перемещении по соответствующей линии влияния, значит пропорционально будет увеличиваться амплитуда вносимого напряжения (но не полного сигнала) на выходе измерительной обмотки. Изменение фазового угла вектора на годографе соответствует изменению фазы вносимого напряжения измерительной обмотки относительно какого-либо опорного напряжения с неизменной фазой. В вихретоковом контроле за такое опорное напряжение обычно принимают фазу тока в возбуждающей обмотке (в данном случае в соленоиде), которая совпадает с направлением оси ReE_BH. Нелишним будет напомнить, что в электротехнике положительным направлением отсчета фазовых углов принято считать направление против часовой стрелки. Так, например для значения обобщенного параметра x =3 и коэффициента заполнения h =0, 75 нормированное вносимое напряжение U_BH= 0, 27-j0, 38. При изменении обобщенного параметра до 4 (например, при возрастании электропроводности цилиндра) нормированное вносимое напряжение будет равно U_BH = 0, 23-j0, 47. Если полученные значения умножить на величину начальной ЭДС Е₀ реального проходного ВТП, то мы получим значение вносимой ЭДС этого преобразователя. В общем случае вносимая ЭДС изменяется по закону U_BH(t)= U_BHmax sin(). Если расчет по годографу дает параметры вектора вносимого напряжения в виде U_BH =A+jB, то максимальную амплитуду вносимого напряжения можно определить как U_BHmax = , а фаза вносимого напряжения равна . На рис.3.7 приведены годографы для трех фиксированных значений коэффициента заполнения h = 0, 5; 0, 75 и 1, 0. На практике реальные значения коэффициента заполнения могут быть произвольными (более того они находятся в основном в диапазоне h < 0, 5). Для расчета нормированной вносимой ЭДС в этом случае необходимо взять на комплексной плоскости значение вносимого напряжения для заданного обобщенного параметра при величине h =1, 0, а потом умножить это комплексное число на значение действительного коэффициента заполнения.

На рис.3.8 приведена комплексная плоскость проходного ВТП при контроле ферромагнитного цилиндра – она лежит в основном в первом квадранте и по размеру значительно больше аналогичной плоскости для немагнитного цилиндра (за счет влияния магнитных свойств). Годограф построен для коэффициента заполнения h =1 и для трех значений относительной магнитной проницаемости m =4; 8 и 10. Так же как в предыдущем случае, основные годографы на комплексной плоскости имеют тот же физический смысл – это линии влияния обобщенного параметра x и они же являются линиями влияния электропроводности. Магнитная проницаемость материала цилиндра входит в уравнение (3.33) двумя путями: непосредственно и через обобщенный параметр x, поэтому ее годограф не совпадает с линией электропроводности. При контроле ферромагнитного цилиндра при малых значениях обобщенного параметра (область низких рабочих частот, при этом ) выражение (3.33) можно упростить E_BH=j , (3.34)

откуда видно, что параметры m и s являются инвариантами и одинаково влияют на изменение вносимого напряжения, т.е. при малых значениях обобщенного параметра линия влияния коэффициента заполнения и линия влияния магнитной проницаемости совпадают по направлению, а линия влияния электропроводности почти перпендикулярна к ним, что также говорит о возможности раздельного контроля этих параметров. При больших значениях обобщенного параметра угол между этими линиями значительно уменьшается, что говорит о невозможности раздельного контроля этих параметров.

В случае, если необходимо получить годограф для ферромагнитного цилиндра для значений коэффициента заполнения h < 1, его можно получить умножением координат годографа на рис.3.8. на значение h. Переход от нормированных значений вносимого напряжения к ненормированным производится, как и в предыдущем случае, путем умножения на значение модуля начальной ЭДС измерительной обмотки. Сравнение рисунков 3.7 и 3.8 показывает, что во втором случае значения нормированной вносимой ЭДС значительно больше, чем в случае немагнитного цилиндра, особенно если учесть, что для большинства сталей относительная магнитная проницаемость m > 100.

Рис.3.8. Комплексная плоскость проходного ВТП при контроле ферромагнитного цилиндра в слабом равномерном магнитном поле

Диаграммы комплексного сопротивления параметрического ВТП при контроле длинного цилиндра в слабом равномерном магнитном поле, построенные в координатах R_BH =R_BH/x₀ и x_BH = x_BH/x₀, где и - вносимые объектом контроля активное и реактивное сопротивление обмотки, а x₀ – начальное значение реактивного сопротивления, не отличаются от соответствующих комплексных плоскостей трансформаторного ВТП (рис 3.7 и 3.8). Комплексные плоскости для короткого цилиндра и для трубы отличаются от приведенных на рис 3.7 и 3.8 – их можно найти в [1].