4.7. Феррозондовый метод дефектоскопии

При феррозондовом методе дефектоскопии в качестве преобразователей магнитного поля используются активные индукционные преобразователи, в которых рабочим элементом являются ферромагнитные сердечники - феррозонды. Феррозонды могут быть одноэлементными, двухэлементными и многоэлементными.

Простейший одноэлементный феррозонд (ферроэлемент) состоит из магнитомягкого сердечника в виде полоски или проволочки с нанесенными на него измерительной и возбуждающейобмотками. По обмотке возбуждения протекает переменный ток, симметрично перемагничивающий сердечник до насыщения. При симметричной кривой перемагничивания сердечника и симметричном переменном полеэ.д.с.в измерительной обмотке имеет вид симметричных разнополярных импульсов, временные интервалы между которыми одинаковы в отсутствие измеряемого поля (= 0). Подмагничивающее измеряемое поле (0) смещает рабочую точку таким образом, что перемагничивание сердечника в одном полупериоде ускоряется, а в другом задерживается. Зависимостьстановится несимметричной и в разложении этой функции появляются четные гармоники. Амплитуда четных гармоник и временной сдвиг импульсов выходного сигналапропорциональны измеряемому полю. Однако трудности выделения сигнала второй гармоники (наиболее частый способ преобразования) на фоне высоких нечетных гармоник ограничивают чувствительность и область применения одноэлементных феррозондов.

В магнитной дефектоскопии наиболее широко применяются двухэлементные феррозонды, которые могут использоваться и как измерители поля (полемеры), и как разностные полемеры, измеряющие разность полей в двух областях (участках) пространства, где расположены ферроэлементы. Если ферроэлементы расположены близко друг к другу, то считается, что они измеряют градиент поля и такие феррозонды называют градиентометрами.

Рис. 2.28. Феррозонд-полемер

Полемер представляет собой два одинаковых ферроэлемента включенных по приведенной на рис. 2.28 схеме. Действие измеряемого поля проиллюстрировано на рис. 2.29. На рис. 2.29а приведены кривые намагничивания для сердечников 1 и 2 в зависимости от поля возбуждения (за полупериод). Если в некоторый момент времени сердечник 1 имеет некоторую индукцию, то, поскольку поляв сердечниках 1 и 2 находятся в противофазе, сердечник 2 будет иметь индукцию. Это и показано на рис. 2.29а линиями 1 и 2. При этом суммарная э.д.с. . Под действием полякривая 1 сместится в положение 1'. Для второго сердечникакривая 2 сместится в положение 2'. Теперь уже сумма , а будет зависеть от, как показано на рис. 2.29б.

Функция показана на рис. 2.29в, а функцияпоказана на рис. 2.29г. Видно, что

Рис. 2.29. Принцип работы феррозонда-полемера

суммарная э.д.с. проходит полный период (рис. 2.29г) за то время пока сумма проходит половину периода, т.е. частотав 2 раза выше, чем у поля возбуждения.

Рассмотрим те же элементы, но включенные по схеме, приведенной на рис. 2.30. Теперь поле возбуждения в обоих сердечниках одинаково по амплитуде и фазе, но индикаторные обмотки включены встречно, так что опять при отсутствии внешних полей = 0.Обратимся к рис. 2.31а. В обоих сердечниках поле одинаково, и кривые намагничивания обоих сердечников тоже одинаковы. Если бы на оба сердечника действовало одно и то же поле , то кривые сместились бы в одну сторону, например в положение 1', так что на выходе мы бы имели= 0. Это чрезвычайно важное свойство градиентометров - не реагировать на однородное поле.

Рис. 2.30. Феррозонд-градиентометр

Рис. 2.31. Принцип действия феррозонда-градиентометра

Поскольку действующие на сердечники поля отличаются, то состояние сердечников меняется по кривым 1' и 2'. Далее рассуждения такие же, как и в случае полемера, только вместо необходимо брать(рис.2.31б).

Отметим, что приведенная на рис. 2.30 схема получается из схемы рис. 2.28 простым поворотом одного из ферромагнетиков на 180^о в плоскости, перпендикулярной плоскости чертежа. Так что, если позволяют соединительные провода между ферроэлементами, один и тот же прибор может служить и как суммарный полемер, и как разностный полемер (градиентометр).

Если элементы можно разнести в пространстве, то можно использовать "одноплечевую" схему измерений, когда на один ферроэлемент воздействуют заданным опорным полем, а измерения проводят вторым ферроэлементом, так что будет соответствовать увеличению или уменьшению измеряемого поля относительно опорного.

Аналитическое описание. Работа феррозонда связана с наличием по крайней мере двух внешних магнитных полей – измеряемого постоянного или медленно изменяющегося поля и вспомогательного переменного поля, создаваемого переменным током, протекающим по одной из обмоток. В общем случае суперпозиция напряженностей этих полей дается векторной суммой

, (2.85)

где – напряженность постоянного измеряемого поля;– напряженность переменного поля (поле возбуждения).

Вектор магнитной индукции , действующий внутри однородно намагничиваемых сердечников, можно найти на основе зависимости

. (2.86)

Здесь – вектор-функция, описывающая анизотропные и нелинейные свойства сердечников; квадратные скобки указывают на многозначность функции, обусловленную гистерезисными явлениями.

Э. д. с., наводимую в измерительной обмотке, можно найти на основе закона электромагнитной индукции:

, (2.87)

где – число витков измерительной обмотки;– магнитный поток в сердечниках;– суммарная площадь поперечного сечения сердечников феррозонда.

Если пренебречь явлениями анизотропии и гистерезиса в сердечниках, взамен сложной зависимости (2.86) можно получить простую, учитывающую только нелинейность кривой намагничивания сердечников:

. (2.88)

Модуль мгновенного значения напряженности суммарного поля найдем из выражения (2.85):

, (2.89)

где – угол между векторамии.

Ограничимся рассмотрением случая:

, . (2.90)

Этот случай характерен для работы феррозонда с взаимно параллельными полями. Будем считать, что вектор направлен вдоль продольных осей сердечников и что сердечники и охватывающие их обмотки идентичны.

Магнитная индукция в каждом из сердечников в соответствии с (2.88) и (2.90) будет

; . (2.91)

Э. д. с., наводимая в измерительной обмотке феррозонда, равна

. (2.92)

Покажем, что при (постоянное измеряемое поле) появление э. д. с.принципиально возможно лишь при наличии нелинейной зависимости.

Предположим обратное, т.е. будем считать эту зависимость линейной , где– постоянный коэффициент. Тогда следует

и .

Теперь аппроксимируем зависимость укороченным полиномом третьей степени:

, (2.93)

где и– положительные коэффициенты аппроксимации³. Тогда с учетом выражения (2.91) получим:

;

. (2.94)

Из (2.94) следует

. (2.95)

Подчеркнутый в (2.95) член характерен тем, что содержит произведение напряженностей измеряемого постоянного и вспомогательного переменного магнитных полей, он как раз и ответственен за появление э. д. с. в измерительной обмотке феррозонда:

(). (2.96)

Отсюда видно, что нелинейность зависимости действительно является принципиальным фактором, ответственным за появление э. д. с., несущей информацию об измеряемом постоянном поле.

Техника применения феррозондов. Для измерения чаще всего используют 2-ю гармонику. Кроме того, как показано выше, э. д. с. от нечетных гармоник почти полностью исключается, если использовать 2 ферроэлемента. При этом в зависимости от расположения ферроэлементов в пространстве можно измерять либо сумму полей, действующих на ферроэлементы, либо их разность.

а

б

Рис. 2.32. Расположение сердечников зондов относительно

поверхности изделия (а) и трещины (б)

Измерительная задача дефектоскопии - определение поля у поверхности изделия - может быть решена применением ферроэлементов в различных сочетаниях, показанных на рис. 2.32а. При этом следует иметь в виду, что измеряется та составляющая поля, которая направлена вдоль сердечника. Могут быть измерены тангенциальная ("t"), либо нормальная ("n") составляющие всех полей над изделием. Для этой цели применяются полемеры с одним, двумя или несколькими ферроэлементами.

Поскольку поля дефектов являются локальными, то оказывается целесообразным применение градиентометров, ферроэлементы которых несколько разнесены в пространстве: по горизонтали (и - градиентометры) или по вертикали (и - градиентометры). Применение градиентометров позволяет, во-первых, в значительной степени избавиться от влияния внешних (в т.ч. намагничивающих) полей и, во-вторых, наиболее эффективно использовать форму поля дефекта (рис. 2.32б). Из рис. 2.32б видно, что расстояние между элементами (сердечниками) - так называемая "база" - должно соответствовать расстоянию между экстремумами поля дефекта.