10. Вихретоковый контроль с помощью накладных преобразователей

Накладные ВТП позволяют контролировать объекты с плоской или криволинейной поверхностью (в последнем случае радиус кривизны должен быть много больше диаметра преобразователя). Накладные ВТП позволяют проводить локальный контроль параметров ОК, в то время как проходные ВТП позволяют определять параметры, усредненные по периметру или даже по сечению цилиндрических объектов. Благодаря локальности измерений накладные ВТП имеют хорошую чувствительность к дефектам сплошности.

Рис. 3.25. Накладной ВТП над проводящим листом

Чтобы определить зависимость напряжения накладного ВТП от толщины и электромагнитных свойств (,) плоского ОК, решают задачу о распределении электромагнитного поля витка радиусомс синусоидальным током, расположенного над электропроводящей пластиной толщинойна высоте(рис. 3.25). Для решения этой задачи используются уравнения (3.54) и (3.55) для потенциалов, записанные с учетом аксиальной симметрии задачи в цилиндрической системе координат.

Рис. 3.26. Годографы относительного вносимого напряжения накладного ВТП при контроле неферромагнитного листа

Опуская довольно сложное и громоздкое аналитическое решение указанной задачи, можно записать, что относительное вносимое напряжение накладного ВТП равно , причем начальное напряжение, где

; (3.94)

; ;;и- полные эллиптические интегралы первого и второго рода с модулем.

На рис. 3.26 приведены рассчитанные для неферромагнитного листа годографы . Как видно из рисунка, при размещении ВТП на поверхности ОК (относительная величина зазора ) годографы ограничены с одной стороны (слева) сплошной синей линией, соответствующей бесконечно большой толщине листа (, т.е. проводящее полупространство), с другой – сплошной зеленой полуокружностью радиусом 0,5, являющейся годографом для бесконечно тонкого листа ().

Сплошными темно-оранжевыми линиями показаны годографы относительной толщины листапри. Черными пунктирными линиями показаны годографы при изменении(параметра). Красными пунктирными линиями показаны годографы при изменении зазора. Красные стрелки на комплексной плоскости ВТП указывают величиныипри значениях влияющих параметров, соответствующих точке А. Между направлениями приращений, обусловленных изменениями,и, имеются определенные углы, что позволяет выполнять раздельный контроль указанных параметров.

Расчеты вносимого напряжения накладного ВТП показывают, что оно зависит от отношения . Годографы, приведенные на рис. 3.26 соответствуют. Уменьшениеприводит к увеличению, при этом убывает и, следовательно, уменьшаются абсолютные значения напряжения в измерительной обмотке. Кроме того, с изменением изменяется кривизна годографов зазора . При некоторых значенияхэти годографы приближаются к прямым, что используется для подавления влияния неконтролируемых изменений зазора.

11. Способы ослабления влияния мешающих параметров

Одной из основных особенностей вихретокового контроля (ВТК) является то, что информация, поступающая от ВТП, зависит от большого количества параметров ОК и других влияющих факторов. Все влияющие факторы при вихретоковом контроле делятся на контролируемые параметры и мешающие факторы. При практическом контроле требуется селективное определение одного, двух, реже большего количества параметров. Поэтому важнейшей проблемой реализации ВТК является ослабление мешающих факторов. Причем ослабить влияние внешних факторов (температура окружающей среды, электромагнитные наводки и др.) легче, чем влияние мешающих параметров ОК, поскольку обычно они связаны с контролируемыми параметрами.

Носителем информации о контролируемом параметре является сигнал ВТП. Для трансформаторного ВТП сигналом служит напряжение (э. д. с.) измерительной катушки, а для параметрического – изменение его импеданса. Если ВТП работает на одной частоте, то его выходной сигнал имеет два параметра: амплитуду и фазу напряжения (трансформаторный) или модуль и аргумент комплексного сопротивления (параметрический). Производными этих параметров сигнала могут быть резонансная частота и напряжение колебательного контура, включающего ВТП; частота и амплитуда автогенератора, включающего такой колебательный контур; ёмкости и сопротивления, уравновешивающие мостовую цепь, включающую параметрический ВТП; и др. Выбор и использование той или иной выходной величины определяется поставленной задачей и требованиями к измерительной аппаратуре.

Если влияние контролируемого параметра на выходную величину существенно больше влияния других параметров, то возможно применение однопараметрового контроля. Примером однопараметрового контроля является измерение диаметра цилиндрического ОК (проволоки, прутки и т.п.). Выбрав частоту тока достаточно высокой, можно добиться необходимого ослабления влияния удельной электрической проводимости на сигнал ВТП (см. рис. 3.22).

В случае, когда кроме контролируемого параметра () сильное влияние на сигнал ВТП оказывает еще один, мешающий параметр (), используют двухпараметровые способы выделения информации. Выбор способа ослабления (подавления) мешающего фактора основан на анализе зависимостей выходного сигнала ВТП от контролируемого и подавляемого параметров. При двухпараметровом контроле чувствительность к контролируемому параметру несколько снижается, но чувствительность к мешающему параметру уменьшается в большей степени. В результате возрастает отношение сигнал/помеха.

В основе двухпараметрового контроля лежит различное влияние на параметры сигнала контролируемого и подавляемого факторов. К наиболее распространенным способам выделения информации относятся амплитудный, фазовый и амплитудно-фазовый, основанные на измерении амплитуды, фазы и одновременно амплитуды и фазы выходного напряжения ВТП. Все эти способы используют гармоническое возбуждение ВТП. В результате компенсации части выходного напряжения ВТП начальная рабочая точка устанавливается в определенном месте комплексной плоскости вносимых напряжений ВТП, что изменяет характер влияния параметров ОК на сигналы ВТП.

Рис. 3.27. Векторная диаграмма амплитудного способа выделения информации (а) и структурная схема прибора (б)

Амплитудный способ применяется тогда, когда годографы подавляемого параметра близки к дугам концентрических окружностей. Рассмотрим часть годографа вносимых напряжений , обусловленных изменениями контролируемого (зеленые линии) и подавляемого (красные линии) параметров (рис. 3.27а). Легко увидеть, что если рабочая точка из начала координат смещается в точку комплексной плоскости, расположенную на нормалик годографу подавляемого параметра (для определенности) в точке, соответствующей номинальным значениям параметров ОК, то амплитуда напряжения (модуль комплексного напряжения) ВТП будет лишь в небольшой степени зависеть от изменения подавляемого параметра.

Если изменение контролируемого параметра (для определенности относительной толщины) вызывает смещение конца вектораиз точкив точку, то разность модулей векторови:. В то же время при изменении(точка) изменение сигнала, где– чувствительность ВТП к контролируемому параметру(по модулю);– угол между направлениями влиянияи;– модуль вектора напряжения, соответствующего стандартному образцу. Поскольку годографыблизки к дугам концентрических окружностей и чувствительность прибора кпропорциональна, то наилучшие условия разделения влиянияибудут при.

Схема прибора, реализующего амплитудный способ подавления мешающего фактора, представлена на рис. 3.27б. Сигнал, полученный ВТП, возбуждаемого генератором Г, усиливается усилителем У и детектируется амплитудным детектором АД, а постоянное напряжение детектора АД подается на индикатор И. В схеме имеется компенсатор К, позволяющий смещать точку компенсации в положение, требуемое по условиям подавления влияния мешающего фактора.

Фазовый способ целесообразно применять тогда, когда касательные к годографам подавляемого параметра пересекаются в одной точке (рис. 3.28а). Фаза измеряемого напряжения почти не зависит от вариации , если точканаходится на касательнойк линии влиянияв точке, соответствующей стандартному образцу. Из рис. 3.28 видно, что при изменении() аргумент вектораизменяется на малую величину, обусловленную нелинейностью годографа, а при изменении() изменяется на величину, причем.

Рис. 3.28. Векторная диаграмма (а) фазового способа выделения информации и структурная схема прибора

Следовательно, чувствительность прибора к наивысшая (при прочих равных условиях), если. Точкуцелесообразно помещать в точку пересечения касательных к линии влияния. Линия влияния диаметра цилиндра (трубы) для проходного ВТП и линии влияния зазора для накладного ВТП близки к пучку лучей, что позволяет реализовать фазовый способ подавления влияния вариации диаметра (зазора). Фазовый способ оказывается эффективным при измерении накладным экранным ВТП толщины неферромагнитных листов с подавлением влияния вариации.

Структурная схема прибора, действие которого основано на фазовом способе выделения информации (рис. 3.28б), отличается от приведенной на рис. 3.27б тем, что после усилителя включается фазометрическое устройство того или иного типа, а опорное напряжение на это устройство поступает от генератора.

Амплитудно-фазовый способ. Проекция вектора сигнала на направление , нормальное к линии влиянияв точке, также в небольшой степени зависит от вариаций(рис. 3.29а). Чувствительность прибора к контролируемому параметру определяется величиной проекции приращения. Поэтомуспособ проекции вектора сигнала лучше всего применять в тех случаях, когда линии влияния близки к параллельным прямым, а угол . Обычно этот способ используют при малых вариациях параметрови. В этом случае точкусовмещают обычно с точкой; тогда выходное напряжение блока стремится к нулю, если режим контроля и параметры объекта номинальны. Способ проекции находит наиболее широкое применение в вихретоковых приборах.

При выборе режима контроля для получения наивысшего отношения сигнал/помеха используют годографы, описанные выше. Строгая оптимизация режима контроля затруднительна, поскольку ее приходится вести по нескольким критериям, однако можно ограничиться практическими рекомендациями, приведенными ниже.

Рис. 3.29. Векторная диаграмма (а) и схема устройств (б) амплитудно-фазового способа выделения информации

Обобщенные параметры контроля иследует выбирать так, чтобы углы между направлениямиисоставляли не менееи обеспечивалась достаточная чувствительность к параметру. Например, при контроле толщины неферромагнитного листа с подавлением влияния зазора целесообразно принять, еслии, если. Для измерения неферромагнитного полупространства с подавлением влияния зазора оптимальное значение.

Структурная схема прибора, действие которого основано на использовании способа проекции, представлена на рис. 3.29б. Здесь в качестве фазочувствительного устройства применяется фазовый детектор. Переменный ток, возбуждающий ВТП, создается генератором Г синусоидального напряжения. Сигналы, полученные от ВТП, усиливаются усилителем У и поступают на фазовый детектор ФД. Опорное напряжение на фазовый детектор поступает от генератора через фазорегулятор ФР. На выходе фазового детектора включен индикатор И. Необходимое для подавления влияния мешающего фактора направление вектора опорного напряжения подбирается с помощью фазорегулятора ФР.

Как видно на рис. 3.29а, отклонение реальных годографов напряжения ВТП от идеальных (параллельные прямые, пересекающиеся под прямым углом) вызывает погрешность, которая увеличивается при отклонении контролируемых параметров от номинального значения. Для уменьшения погрешности применяют схемы, в которых опорное напряжение на фазовый детектор поступает не от генератора, а от ВТП.

Способ включения ВТП в колебательный контур. Влияние мешающего фактора можно уменьшить за счет использования комплексного (двухпараметрового) сигнала, включив ВТП в резонансный контур. Подбирая емкость конденсатора и сопротивление добавочного резистора, (рис. 3.30а), можно добиться ослабления влияния мешающего фактора. На рис. 3.30б изображена диаграмма комплексных сопротивлений параметрического ВТП. На диаграмме отложены активное и реактивноесопротивления цепи при отсутствии ОК (начальные значения сопротивлений), а также вносимое активноеи реактивноесопротивления, соответствующие ОК с номинальными параметрами.

Рис. 3.30. Схема включения (а), диаграмма комплексных сопротивлений (б) и структурная схема прибора (в) с ВТП, включенным в последовательный колебательный контур

Сопротивление резистора и емкость конденсатораподбирают таким образом, чтобы между линией влияния подавляемого параметраи направлением изменения полного сопротивления цепибыл прямой угол (т.е.=90⁰). При этом реактивное сопротивление . При изменении параметров ОК модуль полного сопротивления равен

.

Из диаграммы видно, что при правильном выборе величин и, полное сопротивление цепипри изменениях подавляемого параметраменяется мало, а при изменении контролируемого параметра- значительно. Точка компенсациивыбирается на направлении, перпендикулярном линии влияния подавляемого параметра при номинальных значениях параметров ОК. Поскольку выходное напряжение пропорционально току в цепи, то оно практически не меняется при изменении, но зависит от.

Структурная схема прибора с ВТП, включенным в колебательный контур, приведена на рис. 3.30в. Напряжение от автогенератора АГ поступает на рабочий РК₁ и компенсационный РК₂ резонансные контуры. Сигналы с контуров после детектирования амплитудными детекторами АД₁ и АД₂ передаются на входы дифференциального усилителя постоянного тока УПТ, на выходе которого включен индикатор И.

Аналогичные результаты могут быть получены при использовании параллельного резонансного контура.

Схемы приборов с ВТП, включенными в резонансные контуры, просты, но необходимо принимать специальные меры по борьбе с нестабильностью, вызванной влиянием температуры на элементы контуров.