- •В. Е. Поляков
- •Предисловие
- •Введение
- •Глава 1. Основы взаимодействия различных видов излучений с веществом
- •1.1. Ядерное взаимодействие
- •1.1.1. Взаимодействие нейтронов с веществом
- •1.1.2. Взаимодействие заряженных частиц
- •1.1.3. Ядерные реакции при взаимодействии гамма-излучения
- •Пороги фотоядерных реакций для изотопов некоторых химических
- •Максимальные значения сечений фотоядерной реакции для ряда
- •1.2. Электромагнитное взаимодействие
- •1.2.1. Взаимодействие гамма-излучения
- •Энергия k-краев поглощения для ряда химических элементов
- •Взаимодействие рентгеновского излучения
- •Взаимодействие излучения ультрафиолетового, инфракрасного и видимого спектральных диапазонов
- •Взаимодействие излучения видимого спектрального диапазона с веществом
- •Взаимодействие инфракрасного излучения с веществом
- •Взаимодействие излучения радиочастотного диапазона
- •Глава 2. Метод масс-спектроскопии в задачах контроля металлов, сплавов и лома
- •2.1. Физическая сущность метода масс-спектроскопии с лазерной ионизацией вещества
- •Масс-спектрографе с двойной фокусировкой, и фотометрическая кривая этой спектрограммы (б) и области массового числа
- •2.2. Принципы взаимодействия импульсного лазерного излучения с веществом мишени
- •2.3. Типы лазеров и их параметры
- •2.4. Метод масс-спектроскопии с лазерной ионизацией вещества
- •2.5. Масс-спектрометры – средства контроля металлов, сплавов и лома
- •2.6. Типы масс-анализаторов, используемые в масс-спектрометре
- •2.7. Основы методики идентификации элементного состава вещества с использованием лазерного ионизатора и время-пролетного динамического масс-анализатора
- •2.8. Эмиссионные спектроскопы для экспертного спектрального анализа черных и цветных металлов
- •2.8.1. Многоканальный эмиссионный спектрометр дсф-71 (ls-1000)
- •Составные части прибора имеют следующие особенности:
- •Технические характеристики
- •2.8.2. Многоканальный эмиссионный спектрометр серии мфс
- •Технические характеристики:
- •Источник возбуждения спектра – универсальный генератор угэ-4:
- •Унифицированная система управления и регистрации:
- •Источники питания:
- •Вопросы для самопроверки знаний по главе 2
- •Глава 3. Физические основы γ-флуоресцентного контроля металлов, сплавов, лома
- •3.1. Рентгеновские лучи
- •3.2. Рентгеновские спектры
- •Рентгеновская спектроскопия
- •Рентгеновская аппаратура. Рентгеновская камера и рентгеновская трубка
- •Рентгеновский гониометр
- •3.6. Рентгеновский дифрактометр
- •3.7. Рентгенофлуоресцентный кристаллдифракционный сканирующий вакуумный «Спектроскан-V»
- •3.8. Спектрометр рентгенофлуоресцентный кристалл-дифракционный сканирующий портативный «Спектроскан»
- •3.9. Спектрометр рентгенофлуоресцентный кристалл-дифракционный сканирующий портативный «Спектроскан-lf»
- •3.10. Основы методики идентификации элементного состава неизвестного вещества и определение концентрации ингредиентов с использованием метода гамма-флуоресцентного анализа
- •3.11. Методика безэталонного рентгеноспектрального анализа сталей
- •3.11.1. Методика анализа углеродистых сталей
- •3.11.2. Методика определения содержании металлов в питьевых, природных и сточных водах при анализе на сорбционных целлюлозных дэтата-фильтрах
- •3.11.3. Методика определения содержания металлов в порошковых пробах почв
- •Вопросы для самопроверки знаний по главе 3
- •Глава 4. Приборы и методы таможенного контроля состава металлов, сплавов, лома с использованием методов вихревых токов
- •4.1. Основы теории вихревых токов
- •4. 2. Распределение вихревых токов
- •4.3. Характеристики вещества и поля
- •4.4. Физические принципы метода вихревых токов (вт)
- •4.5. Области применения и классификация методов вихревых токов
- •Датчики и характерные физические процессы
- •4.7. Некоторые типовые конструкции датчиков
- •Контроль и влияние примеси на электропроводность некоторых металлов
- •Меди (б)
- •Электропроводность и температурный коэффициент некоторых
- •4.9. Методы и приборы измерения электропроводности немагнитных металлов
- •4.10. Общие положения. Порядок проведения измерений
- •4.11. Элементы методики исследования и выбор материала для контроля
- •Вопросы для самопроверки знаний по главе 4
- •Глава 5. Ультразвуковые методы контроля металлов, сплавов, лома и руд
- •5.1. Классификация акустических методов контроля
- •5.2. Ультразвуковая аппаратура
- •Подготовка к контролю
- •Порядок проведения контроля
- •5.3. Ультразвуковая аппаратура в неразрушающем контроле
- •5.4. Ультразвуковые преобразователи
- •5.5. Определение типа металла, сплава, лома по измерению скорости распространения упругих волн
- •Вопросы для самопроверки знаний по главе 5
- •Глава 6. Классификация радиометрических методов контроля состава руд
- •6.1. Методы определения элементного состава полезных ископаемых по спектрометрии вторичных излучений
- •6.2. Методы, основанные на взаимодействии гамма- или рентгеновского излучения с электронными оболочками атомов или ядрами атомов элементов
- •6.3. Методы, основанные на спектрометрии гамма-излучения, возникающего при различных ядерных реакциях нейтронов с веществом
- •Методы определения естественной радиоактивности пород, содержащих радиоактивные элементы
- •6.5. Люминесцентные методы контроля состава руд
- •6.6. Фотометрические методы контроля состава руд
- •6.7. Радиоволновые методы контроля руд
- •6.8. Технология сортировки руды
- •Вопросы для самопроверки знаний по главе 6
- •Заключение
- •Список используемой литературы:
- •Предметный указатель
- •Оглавление
- •191186, Санкт-Петербург, ул. Миллионная, 5
4. 2. Распределение вихревых токов
Вихревые токи протекают непосредственно под датчиком, в небольшом объеме изделия. Их амплитуда и фаза различны в каждой точке на поверхности изделия и в глубине (рис. 4.2.1 а, б, в).
Анализ пространственной картины ВТ необходим для понимания основ метода и его эффективного практического использования. Распределение δ и ψ вихревых токов в пространстве при контроле немагнитных материалов накладными и проходными датчиками показаны на рис.4.2.1.
В каждой точке пространства рассматривается плотность ВТ и их фазу Ψ. Плоскости, в которых расположены траектории ВТ, перпендикулярны линиям напряженности возбуждающего поля. Возбуждаемые цилиндрическими датчиками ВТ протекают по окружности, соосной с датчиком. В случае контроля однородного изотропного материала значения
δ и Ψ от координаты φ не зависят.
Рис. 4.2.1. Распределение плотности δ/δ01 вихревых токов, возбуждаемых витком в плоском изделии (а), в прутке (б), вокруг отверстия (в): А – по поверхности; Б – по глубине; I – при высокой частоте; 2 – при низкой частоте; 3 – при наличии зазора между витком и изделием.
Распределение δ и Ψ ВТ в пространстве при контроле немагнитных материалов накладными и проходными датчиками показаны на рис.4.2.1 где
датчик заменен эквивалентным витком выражены через координаты ρ и z выражены через радиус эквивалентного контура ВТ, который равен соответственно Rq , Rп , Rв . Кривые 1 и 2 даны для различных условий возбуждения: 1 – для βо = 20, сравнительно большой частоты или электропроводности; 2 – для βо = 6, существенно меньших значений этих величин. Плотность ВТ выражена через максимальное ее значение на поверхности при βо = 20.
При контроле накладным датчиком ( рис 4.2.1, а, А, δ/δ01 - ρ /Rq ) на его оси δ = о. С увеличением ρ увеличивается δ, достигая максимума при ρ = Rq ,( при h = 0 ). Удаление датчика от поверхности изделия приводит к уменьшению максимума δ = ( ρ ) в случаях а, б, в, а при использовании накладного датчика – и к увеличению радиуса эквивалентного контура ВТ (кривая 3). Фазы токов, находящихся внутри эквивалентного контура, одинаковы ( рис. 4.2.1, а, А,Ψ – ρ /Rq ).
При контроле короткими проходными датчиками ( рис. 4.2.1 б, в, А,
δ/δ01 – z /R) максимум δ ( z ) расположен под эквивалентным витком. Фаза ВТ изменяется вдоль оси z в обе стороны от максимума ( рис. 4.2.1, б,в, А, Ψ – z /R).
На эффекте изменения фазы ВТ вдоль координаты ρ > Rq (для накладных датчиков) или z (для коротких проходных) основаны векторно – разностные датчики. На основе постоянства фазы ВТ при о < ρ < Rq для накладного датчика основаны некоторые дифференциальные датчики.
По мере углубления в металл – увеличении z (рис 4.2.1 а, Б ), уменьшении ρ < Rq ( рис. 4.2.1, б, Б) или увеличении ρ > Rq ( рис. 4.2.1, в, Б ) - наблюдается резкое уменьшение плотности и запаздывания ВТ. В случае больших значений βо изменение фазы ИТ по глубине носит практически линейный характер. Изменение фазы ВТ по глубине является основой многопараметрового контроля.
Анализ зависимостей δ (z, ρ, βо ) для датчиков всех типов показывает, что на большой частоте для больших значений электропроводности в поверхностных слоях создаются ВТ большой плотности.
Из анализа графиков δ (z), δ (ρ) следует, что ВТ сосредотачиваются в том месте изделия, в котором проникающее в него поле имеет максимальное значение.
Затухание ВТ по глубине происходит по закону, близкому к экспоненциальному.
Для сравнения распределения ВТ по глубине в различных металлах при различной частоте введено понятие – условная глубина проникновения ВТ zо. Это расстояние, измеряемое от поверхности до слоя, в котором плотность ВТ в несколько раз меньше, чем на поверхности до слоя, что соответствует уменьшению ее до 0.37.
На частоте 1,5 МГц для немагнитных материалов при
σ = 0.65 · 106 См/м; zо = 0.53 мм;
σ = 10 · 106 См/м; zо = 0. 14 мм ;
σ = 25 · 106 См /м; zо = 0. 08 мм.
На частоте 150 Гц zо увеличивается в 100 раз по сравнению с указанными значениями для тех же металлов.
Известно, что значения Zo для некоторых металлов при различных частотах в местах дефектов сплошности материала ВТ, подтекая под дефект, могут проникать на глубину, большую чем Zo. Поэтому изменение глубины
дефекта и в этом случае регистрируется прибором.
Dэ является обобщенной переменной, учитывающей свойства материала изделия ( σ, μ ), частоту f и размеры контура ВТ, называемой обобщенным параметром β. Он характеризует процесс, происходящий внутри изделия. В случае контроля проходным датчиком Dэ = Dп. или Dэ = Dв (см. рис. 4.2.1. ). Поскольку для накладного датчика значение Dэ зависит от расстояния эквивалентного витка возбуждающей обмотки датчика до изделия h, его вычисляют приближенно по формуле.
Dэ = Dq + 1.5 h
В литературе приводятся различные выражения для β.
;
;
;
.
Однако во всех случаях содержание их неизменно. В зарубежной литературе чаще всего обобщенный параметр представляют отношением частоты возбуждения ВТ f к так называемой граничной частоте fg, полученной из соотношения
,
если
то f / fg = β2о / 4 , или .
При дальнейшем изложении приняты следующие обозначения для обобщенного параметра:
- при контроле ферромагнитного материала;
- при контроле немагнитного материала.
В опубликованных ранее работах по МВТ в расчетные формулы для накладного датчика входил не диаметр эквивалентного контура ВТ, а больший средний диаметр обмоток датчика Dср. , его вычисляют приближенно по формуле
D = D + 1,5h
В литературе приводятся различные выражения для β однако во всех случаях содержание их неизменно.
Если - средний диаметр обмоток датчикаDср . При расчетах на практике можно принимать Dэ = Dср , что не вносит значительных погрешностей, так как всегда стремится выполнить накладной датчик таким образом, чтобы отношение высоты его обмоток к среднему диаметру было минимальным, а в процессе контроля датчик на изделии размещают с минимальным зазором.
Полученные ранее зависимости вносимых напряжений или сопротивлений в дальнейшем приводятся без корректировки по Dэ. .
Обобщенный параметр β имеет физический смысл: это отношение индуктивного сопротивления ωLв к активному Rв эквивалентного контура ВТ в проверяемом изделии:
β =ωLв / Rв.
Сигнал датчика представляет собой комплексную величину, состоящую в случае параметрического датчика из вносимого активного и индуктивного сопротивлений,
Z вн = Rвн + iω tвн,
а в случае трансформаторного датчика – активной и реактивной составляющих вносимого напряжения
Uвн = Uа.вн + i Uр.вн
Поскольку параметры ВТ (амплитуда и фаза в каждой точке траектории) зависят от электропроводности, проницаемости, сплошности материала изделия, его конструкции и положения относительно датчика, от этих же величин зависит и его сигнал. Как отмечалось, σ и μ материала входят в обобщенный параметр β. Зависимости составляющих сигнала от βо приведены на рис. 4.2.2. Они аналогичны зависимостям магнитного потока ВТ Фв. и потерь мощности на ВТ Рв в изделии от βО.
Чаще принято рассматривать изменение сигнала датчика не по составляющим частям, а совместно на комплексной плоскости сопротивлений или напряжений. Зависимость сигнала от обобщенного параметра, положения датчика относительно изделия, его формы, размеров, сплошности материала представляет собой сложную комплексную функцию. Влияние каждого переменного на сигнал изображается графиком на комплексной плоскости Rвн, јωLвн или Ua.вн, jUp.вн .Значение одного из контролируемых параметров ( Д, Р, П, а также μ и σ ,выраженные через β, ) указывают непосредственно на линии графика, которую называют годографом.
С целью получения обобщенных зависимостей сигнала от параметров изделия ( свойства, размеры, форма и др.) при расчетах все размеры изделия и датчиков выражают через диаметр эквивалентного контура Dэ .
Для накладного датчика, например, применяют следующие обозначения:
2h / Dэ = ξ.
относительное удвоение расстояние между эквивалентным витком параметрического датчика и изделием;
h + h2 / Dэ = ξ ,
– сумма относительных расстояний от эквивалентных витков возбуждающей и измерительной обмоток трансформаторного датчика до изделия;
Т / Dэ = γ ,
относительная толщина листа, стенки трубы. Зазор между изделиями и эквивалентными витками проходных датчиков учитывает коэффициент заполнения η. Для проходного наружного датчика при контроле
прутка η=D²п/D²k ,
шара η = D²ш/D²k,
трубы η =D²т /D²k.
При контроле трубы проходным внутренним параметрическим или
экранным датчиком, у которого измерительная обмотка помещена в трубу, η =D²iD²в. Так же выражается η при контроле отверстий в изделиях проходным внутренним параметрическим датчиком. Обозначения абсолютных величин h , Di, Dэ, Dв, Dп, Dk,Dт см. на рис. 4.2.2, и с той же целью Rвн. и ωLвн делят на ω Lo датчика, а соответствующие вносимые напряжения – на начальное напряжение Uв на разомкнутой делят на ω Lo датчика, а соответствующие вносимые напряжения – на начальное напряжение Uв на разомкнутой измерительной обмотке датчика в свободном пространстве.
Полученные таким образом следующие величины называют нормированными или относительными:
Rвн.н = Rвн/ωLo ; Lвн.н.=ω Lвн./ωLо ; Uа.вн.н. =Uа.вн./Uн ;
Uр.вн.н = Uр.вн./Uн
Нормированный комплексный сигнал датчика выражается уравнениями:
Zвн.н. = Rвн.н + j Lвн.н. = j F (β, γ )
Uвн. = Uа.вн.н. + jUр.вн.н. = - jF (β, γ…),
а с учетом зазора между датчиком и изделием:
Rвн.н + j Lвн.н. = j F (β,γ…)е - для накладного датчика;
R + ј L = j F ( β, γ…) η-для наружного проходного датчика.
В подавляющем большинстве случаев основной при анализе этих зависимостей является годограф сигнала F(βо) витка, плотно прижатого к немагнитному изделию (рис.4.2.2). Годографы сигналов накладных и проходных датчиков при изменении параметра β0 и зазоров между датчиком и изделием измерительной обмотке датчика в свободном пространстве [39].
Рис.4.2.2. Годографы сигналов накладных и проходных датчиков при изменении параметра β0 и зазоров между датчиком и изделием
1 Ф11в1
Ф1в1
21
•+ • +
+ • + •
2
Ф1в2 Ф 11 в2
а) б)
Рис. 4.2.3. Схема контроля в отраженном (а ) и проходящем ( б ) поле
Сигнал для каждого значения βо является максимальным; c увеличением зазора между витком и изделием сигнал уменьшается. Этот годограф отражает влияние на датчик электропроводности материала и частоты возбуждения. Причем влияние этих величин на сигнал одинаково, что следует из выражения обобщенного параметра. Как видно на рис 4.2.2 годограф, при увеличении частоты или электропроводности до бесконечности
( т.е βо→ ∞)Lвн.н. → -1, Rвн.н. →0.
Анализируя годографы, выбирают оптимальную рабочую частоту, конструкцию датчика, измерительную схему и приемы контроля, обеспечивающие достаточную чувствительность прибора к проверяемому параметру и полное или частичное снятие влияния изменений неконтролируемых свойств изделия.
Основное влияние на вид годографа оказывает та часть ВТ, которая протекает в слоях, ближе всего расположенных к измерительной обмотке 2 датчика (рис.4.2.3). Фазы ВТ вблизи обмотки 2 в случаях а и б при контроле одного и того же изделия на одной и той же частоте могут отличаться более чем на 180°. Поэтому годографы F( σ, μ, f, T…) для двух групп классических датчиков - отраженного поля и проходящего поля (экранных) различаются существенно. В пределах каждой группы для всех типов датчиков годографы
F ( σ ), близки по форме. То же наблюдается для других годографов: F(µ), F (T) и т. д. Некоторая количественная разница между годографами для накладных, щелевых, наружных и внутренних проходных датчиков (рис.4.2.3) обьясняется тем , что та часть поля, в которую изделие помещается для контроля, у этих датчиков не одинакова.