Раздел 5. Вихретоковый вид получения информации

Очень близким по проявлениям, но несколько отличающимся по физическим принципам от магнитного контроля является вихретоковый контроль.

Вихретоковый контроль основан на анализе взаимодействия внешнего электромагнитного поля, создаваемого вихретоковыми преобразователями (ВТП), представляющими собой индуктивные катушки, с электромагнитным полем вихревых токов, возбуждаемых в объекте контроля (ОК) переменным магнитным полем ВТП.

По учебнику физики и рекомендованной литературе освежите в памяти знания касающиеся теории электромагнитного поля. Здесь мы лишь кратко вспомним основные положения.

Электромагнитным полем называется вид материи, характеризующийся во всех точках двумя его сторонами: электрическим и магнитным полями. Каждое из этих полей определяется векторными величинами - напряженностью электрического поля и магнитной индукцией . Электромагнитное поле оказывает силовое воздействие на заряженные частицы, зависящие от заряда и скорости движения.

Первопричиной всех электрических явлений в природе, в том числе и электромагнитного поля, является электрический заряд. Простейшими электрическими зарядами можно считать электроны, которые содержатся в каждом атоме любого вещества. Электрическим зарядом обладает и протон - ядро атома. Причем электроны и протоны имеют заряды разного знака: протоны - положительные, а электроны - отрицательные.

В 1820 г. датский физик Х.К. Эрстед экспериментально установил, что вокруг проводника с током создается магнитное поле.

Таким образом, он первым обнаружил связь между электрическими и магнитными явлениями.

В том же году французские физики Ж. Био и Ф. Савар математически оценили силу воздействия постоянного электрического тока проводника на магнит, находящийся на известном расстоянии от середины проводника.

Французский ученый П.С. Лаплас показал впоследствии, что сила действия, создаваемая небольшим участком проводника с током, изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния.

В 1831 г. выдающийся английский физик М. Фарадей открыл и сформулировал закон электромагнитной индукции. Тем самым он убедительно доказал связь магнитных и электрических явлений и заложил физические основы теории электромагнитного поля.

40 лет спустя другой выдающийся английский ученый Д.К. Максвелл, обобщив экспериментальные исследования М. Фарадея и его теорию о силовых линиях электрического и магнитного полей, придал трудам М. Фарадея математическую завершенность и сформулировал законы электромагнитного поля. Свою электромагнитную теорию Д.К. Максвелл изложил в работе «Трактат по электричеству и магнетизму», опубликованной в 1873 г.

Теория электромагнитного поля, разработанная Д.К. Максвеллом, является краеугольным камнем современного учения об электромагнетизме. Важнейшие результаты своих исследований Д.К. Максвелл сформулировал в виде знаменитых уравнений электромагнитного поля, получивших его имя.

В них он доказал, что магнитное и электрическое поля тесно связаны между собой и изменение одного из них вызывает появление другого.

Как известно, вихревые токи возникают в электропроводящих изделиях, находящихся под воздействием переменного магнитного поля.

Впервые вихревые токи были обнаружены французским ученым Д.Ф. Араго в 1824 г. в медном диске, расположенном на оси под вращающейся магнитной стрелкой. За счет вихревых токов диск приходил во вращение. Это явление, названное явлением Араго, было объяснено несколько лет спустя М. Фарадеем с позиций открытого им закона электромагнитной индукции: вращаемое магнитное поле наводит в медном диске токи (вихревые), которые взаимодействуют с магнитной стрелкой.

Вихревые токи подробно исследованы французским физиком Ж.Б. Фуко (1819 - 1868) и названы его именем (токи Фуко). Вихревые токи замыкаются непосредственно в проводящих изделиях, образуя вихреобразные контуры, сцепляющиеся с индуктирующим их магнитным потоком.

Вышеперечисленные учёные однозначно доказали, что вихретоковые методы получения информации основаны на анализе взаимодействия электромагнитного поля внешнего источника (обмотка возбуждения ВТП) с электромагнитным полем вихревых токов, возбуждаемых в ОК переменным магнитным полем ВТП.

Распределение плотности вихревых токов в проводящем объекте контроля определяется источником электромагнитного поля, геометрическими и электромагнитными параметрами ОК, а также взаимным расположением ВТП и ОК.

ЭДС измерительной обмотки и сопротивление возбуждающей обмотки ВТП зависят от многих параметров ОК, а также от взаимного расположения ВТП и ОК, т. е. информация, получаемая от преобразователя, многопараметровая.

Это определяет как преимущества, так и трудности реализации вихретокового контроля. С одной стороны, он позволяет осуществлять многопараметровый контроль. С другой стороны, приходится использовать различные довольно сложные способы выделения сигналов от контролируемых параметров и подавления влияния мешающих контролю факторов для того, чтобы осуществлять селективный (раздельный) контроль параметров.

Достоинством вихретокового контроля является то, что его можно проводить при отсутствии контакта между ВТП и ОК, поэтому его часто называют бесконтактным. Благодаря этому, вихретоковый контроль можно выполнять при движении ОК относительно ВТП, причем скорость этого движения при производственном контроле ограничивается только техническими возможностями. Метод позволяет производить контроль хоть со скоростью света. Дополнительным преимуществом вихретокового контроля является то, что на сигналы ВТП практически не влияют влажность, давление и загрязненность поверхности ОК непроводящими веществами, а также простота конструкции ВТП.

Так как вихревые токи возникают только в электропроводящих материалах, то объектами вихретокового контроля могут быть изделия, изготовленные из металлов, их сплавов, графита и других электропроводящих материалов.

В настоящее время вихретоковые приборы и установки широко используются для: обнаружения и определения параметров дефектов - несплошностей материала (дефектоскопия и дефектометрия), контроля размеров ОК и параметров вибраций (толщинометрия и виброметрия), определения физико-механических параметров и структурного состояния материалов (структуроскопия), обнаружения электропроводящих объектов (металлоискатели) и для других целей. Объектами вихретокового контроля могут быть: электропроводящие прутки, проволока, трубы, листы, пластины, в том числе многослойные, железнодорожные рельсы, корпуса атомных реакторов, шарики и ролики подшипников, крепежные детали и многие другие промышленные изделия. Для решения вышеперечисленных задач необходимы самые разнообразные первичные преобразователи. Кратко рассмотрим их классификацию.