4.8.6. Вихретоковые пип

Действие вихретоковых ПИП основано на взаимодействии внешнего электромагнитного поля с электромагнитным полем вихревых токов, наводимых в электропроводящем объекте этим полем. Распределение и плотность вихревых токов определяются источником электромагнитного поля, геометрическими и электромагнитными параметрами объекта контроля (измерения). Обычно в качестве источника электромагнитного поля используется индуктивная катушка с синусоидальным током, называемаявихретоковымпреобразователем (ВТП) [12].

При протекании по катушке импульсного или синусоидального тока I₀и отсутствии вблизи нее электропроводящего объекта (рис. 4.50а) полное сопротивление катушки 1 будет рассчитываться по формуле

, (4.113)

где R₀иL₀– собственное сопротивление и индуктивность катушки.

а б в

Рис. 4.50

При наличии вблизи объекта измерения 2 такой катушки 1 (рис. 4.50б) электропроводящего объекта силовые линии магнитного поля (поля возбуждения), создаваемого с помощью тока I₀в катушке, охватывают витки катушки и замыкаются через электропроводящий объект. При этом в объекте в поверхностном слое электропроводящего объекта возникают вихревые электрические токиi_вт, замыкающиеся по кругу и охватывающие силовые линии поля возбуждения. Плотность и распределение вихревых токов зависят от удельной электропроводности γ, абсолютной магнитной проницаемости μ_а, зазораhмежду катушкой и объектом, сплошности материала объекта и других факторов.

Глубина проникновения уменьшается с увеличением частоты. Например, для меди и алюминияпри частоте 50 Гц на глубине примерно 10 мм электромагнитное поле затухает на 95 %, а на высоких частотах (500 кГц) глубина проникновения уменьшается до 0,1 мм [15]. На глубинах, больших некоторой максимальной глубины δ_max, вихревые токи практически отсутствуют. Максимальную глубину проникновения вихревых токов можно оценить по формуле [8]

, (4.114)

где ;r_ср– средний радиус катушки.

Вихревые токи создают свое собственное магнитное поле Ф_ВТ, которое меньше поля возбуждения Ф₀и в каждый момент времени противоположно ему. В результате взаимодействия полей Ф_ВТи Ф₀(рис. 4.50б) напряженность электромагнитного поля, в котором находится катушка, изменяется. При этом изменяются сопротивлениеRи индуктивностьLи соответственно индуктивное сопротивление катушкиХ_L. Взаимодействие индуктивной катушки 1 с объектом 2 можно представить эквивалентной схемой (рис. 4.50в) [12].

Таким образом, присутствие вблизи катушки с переменным током электропроводящей среды приводит к увеличению активного сопротивления R катушки. Если объект контроля является немагнитным электропроводящим объектом, индуктивность L катушки вследствие уменьшения результирующей напряженности электромагнитного поля уменьшается. Если объект выполнен из магнитного материала, то индуктивность L катушки увеличивается:

R₁=R₀+R_ВН;L₁=L₀±L_ВН, (4.115)

где R_ВН– вносимое в индуктивную катушку активное сопротивление, обусловленное потерями энергии за счет нагрева объекта 2 вихревыми токами;

L_ВН– вносимая индуктивность, обусловленная изменением потокосцепления индуктивной катушки 1.

Изменение активного Rи реактивногоXсопротивлений возбуждающей катушки зависит от удельной электрической проводимости γ и магнитной проницаемости μ металла, отчастоты f намагничивающего тока, зазора h. Чем большеγ и μ, тем в большей степени изменяются параметры катушки, но тем меньше глубина проникновения вихревых токов в металл. Низкочастотные вихревые токи проникают более глубоко, высокочастотные ограничиваются тонким поверхностным слоем.

Наличие дефектов, т. е. нарушение сплошности материала объекта (например, трещина), приводит к изменению распределения и плотности вихревых токов в объекте контроля. При этом параметры катушки снова изменяются и становятся равными R₂=R₀+R_ВН+ ΔRиL₂=L₀±L_ВН+ ΔL, что является результатом изначального изменения μ и γ в зоне дефекта (трещины).

Определяя изменения активного и индуктивного сопротивления катушки, можно получить информацию о характере дефекта, электромагнитных параметрах материала объекта и других величинах.

Классификация вихретоковых преобразователей

Вихретоковый преобразователь(ВТП) – это устройство, содержащее несколько обмоток, предназначенных для возбуждения в объекте контроля вихревых токов и преобразования, зависящего от параметров объекта электромагнитного поля в сигнал преобразователя [31]. Обязательно одна из обмоток – обмотка возбуждения – обтекается переменным током от соответствующего генератора. Принцип работы многообмоточных ВТП не отличается от одно- или двухобмоточных.

ВТП могут быть классифицированы по следующим признакам: 1) по типу преобразования параметров объекта в выходной сигнал; 2) по способу соединения обмоток; 3) в зависимости от расположения ВТП по отношению к объекту.

По типу преобразования параметров объектав выходной сигналВТП подразделяются напараметрическиеитрансформаторные.

Параметрические – это ВТП с одной катушкой индуктивности, по параметрам которой судят о качестве объекта. Выходным сигналом является изменение полного сопротивления катушки ВТП.

Трансформаторные– ВТП, содержащие две (или более) катушки индуктивности, одна из которых (возбуждающая) служит для создания электромагнитного поля, а следовательно, вихревых токов в объекте, а другая (измерительная) – для измерения ЭДС, наводимой в ней результирующим магнитным потоком, пронизывающим ВТП. Измерительная катушка играет роль вторичной обмотки трансформатора. Информативным параметром выходного сигнала преобразователя является изменение амплитуды и фазы синусоидального напряжения в измерительной катушке, которые зависят от параметров объекта.

Достоинством параметрических ВТП является простота, а к недостаткам можно отнести зависимость выходного сигнала от температуры преобразователя. Трансформаторные ВТП характеризуются меньшей зависимостью выходного сигнала от температуры [8].

По способу соединения обмотокВТП разделяются наабсолютныеидифференциальные.

Абсолютные – это ВТП, выходной сигнал которых определяется абсолютными значениями параметров объекта в зоне контроля. Они имеют возбуждающую 1 и измерительную 2 обмотки (рис. 4.51а).

Дифференциальные – это ВТП, имеющие одинаковые возбуждающие обмотки 1, соединенные последовательно-согласно, и две одинаковые измерительные 2 (рис. 4.51б). Здесь влияние «плавных» изменений γ и μ значительно уменьшено, так как выходной сигнал определяется разностью параметров объекта контроля в зоне контроля, что резко повышает отношение «сигнал/помеха».

а б

1 – возбуждающая обмотка; 2 – измерительная обмотка; 3 – объект

Рис. 4.51

В зависимости от расположения ВТП по отношению к объектуконтроляВТП разделяются напроходные, накладные, экранныеикомбинированные.

Проходные разделяют нанаружные, внутренние и погружные.

На рис. 4.52 показаны разновидности трансформаторных проходных ВТП. Катушки проходных наружных ВТП (рис. 4.52а, б) охватывают объект. Катушки проходных внутренних ВТП (рис. 4.52в) вводят внутрь объекта. Погружные (рис. 4.52г) используют для контроля жидких электропроводящих сред, куда их и помещают. В экранных проходных ВТП возбуждающие и измерительные катушки располагают по разные стороны объекта (рис. 4.52д). В указанных конструкциях ВТП измерительная катушка может располагаться внутри возбуждающей катушки (рис. 4.52а) или охватывать измерительную катушку (рис. 4.52б). К проходным можно отнести и так называемые «щелевые» ВТП с магнитопроводом (рис. 4.52е), охватывающим протяженный объект.

Наружные, внутренние и погружные ВТП могут быть как параметрическими, так и трансформаторными. Экранные ВТП могут быть только трансформаторными.

а б в г д е

1 – возбуждающая катушка; 2 – измерительная катушка; 3 – объект;

4 – магнитопровод

Рис. 4.52

НакладныеВТП располагают вблизи поверхности объекта, они имеют одну или несколько обмоток, которые располагаются на одной стороне детали. Их прикладывают торцом, т. е. осью перпендикулярно контролируемой поверхности. Возможно и продольное расположение накладных ВТП, когда оси катушек направлены вдоль контролируемой поверхности. Катушки накладных ВТП могут быть круглыми коаксиальными (рис. 4.53а), прямоугольными (рис. 4.53б), прямоугольными крестообразными (рис. 4.53в), с взаимно перпендикулярными осями (рис. 4.53г). Возбуждающая и измерительная катушки накладных ВТП могут располагаться по разные стороны от объекта (рис. 4.53, д). Такие преобразователи называютсяэкранными.

а б в г д

1 – возбуждающая катушка; 2 – измерительная катушка; 3 – объект

Рис. 4.53

Накладные ВТП выполняют с ферромагнитными сердечниками и без них. Благодаря сердечнику (обычно ферритовому) повышается абсолютная чувствительность к изменению контролируемых параметров и формируется электромагнитное поле заданной топологии. Иногда сердечники используются для локализации магнитного поля с целью уменьшения зоны контроля.

К

а б

1 – возбуждающая катушка; 2 – измерительная катушка; 3 – объект

Рис. 4.54

омбинированныеВТП представляют собой сочетание проходных воз­буждающих катушек и накладных измерительных катушек. Конструкции комбинированных ВТП представлены на рис. 4. 54. Комбинированные ВТП характеризуются большой зависимостью выходного сигнала от перекоса осей проходных и накладных катушек ВТП относительно поверхности объекта. Данные преобразователи большого распространения не получили.

Катушки ВТП по отношению друг к другу могут быть подвижными и неподвижными. Подвижные катушки могут вращаться как внутри, так и вокруг неподвижных катушек. Преобразователи, у которых подви катушки вращаются внутри неподвижных, называются роторными.

Использование роторных ВТП позволяет осуществлять сканирование (круговое) поверхности детали (даже в том случае, когда ВТП по поверхности детали не перемещается. Кроме того, вращение катушек в процессе контроля приводит к дополнительной модуляции сигнала ВТП, которая различна для помех и сигналов. Это позволяет снизить влияние помех и повысить достоверность контроля [8].

Достоинства и недостатки ВТП

Достоинства ВТП: 1) ВТП позволяет осуществлять многопараметровый контроль, так как ЭДС (или сопротивление) зависит от многих параметров ОК и взаимного расположения ВТП и ОК; 2) возможность бесконтактного контроля и измерения, что позволяет контролировать движущиеся объекты; 3) на выходные сигналы ВТП практически не влияют влажность, давление и загрязненность газовой среды, радиоактивные излучения.

Недостатки ВТП: 1) трудности реализации, вследствие влияния на выходной сигнал ВТП многих параметров объекта; 2) вихретоковые преобразователи имеют большие по­грешности, обусловленные главным образом температурными изме­нениями электрической проводимости проводящего тела.

С помощью наружных проходных ВТП контролируют линейно протяженные объекты (проволоку, прутки, трубы и. т. п.), осуществляют массовый контроль мелких изделий. С помощью внутренних проходных ВТП контролируют внутренние поверхности труб, баллонов, стенки отверстий в различных деталях.

Погружные ВТП применяют для контроля жидких сред, экранные и проходные – для контроля труб, щелевые – для контроля проволоки.

Проходные ВТП позволяют получить интегральную оценку параметров объекта по периметру, поэтому они имеют меньшую чувствительность к небольшим изменениям (локальным) его свойств [12].

Накладные ВТП обладают значительно большими возможностями, чем проходные. Они широко применяются в дефектоскопии и в основном контролируют объекты с плоскими поверхностями и объекты сложной формы, например ободья и диски колес. Они применяются также, когда требуется обеспечить локальность и высокую чувствительность контроля.

Кроме дефектоскопии ВТП специальной конструкции применяются: для контроля пространственного положения изделий, измерения параметров вибраций, скорости движения, бесконтакт­ного контроля линейных размеров тонких пла­стин и толщины покрытий (индукционная толщинометрия), угловых и линейных перемещений. Применять вихретоковые датчики для изме­рения перемещения имеет смысл толь­ко в тех случаях, когда датчик не имеет ферромагнитных включений, так как чувствительность ВТП к перемещению в 5–20 раз меньше чувстви­тельности такого же по габаритам индуктивного преобразователя с катушкой, помещенной в магнитопровод с перемещающимся сердечни­ком.