Токовихревые методы и средства (ТВМ)

Токовихревые методы неразрушающего контроля основаны на зависимости амплитуды, фазы траекторий, переходных характеристик и спектра частот вихревых токов, возбуждённых в проводящих изделиях, от их формы и размеров, физико-механических свойств и сплошности материалов, расстояний до преобразователей частоты и скорости перемещений. Токовихревые методы применяются для оценки размера и вида несплошности, измерения физико-механических характеристик материалов, измерения размеров деталей и покрытий, измерения параметров вибраций и перемещений. Принцип действия токовихревых преобразователей можно пояснить по схемам, приведённым на рисунках:

 

Картина образования вихревых токов в накладном преобразователе рис.а), в проходном преобразователе рис.б). Переменное магнитное поле, характеризуемое потоком , возбуждает в проводящем теле 1 вихревые токи, которые создают своё магнитное поле, противоположное направлению возбуждающего поля. В обмотке преобразователя 2 наводится ЭДС равное:

Поскольку вихревые токи и создаваемые ими потоки определяются свойствами проводящего тела, то информация об этих свойствах заключена в ЭДС. Вместо ЭДС можно рассматривать эквивалентное ей изменение полного сопротивления катушки. ЭДС или сопротивление токовихревого преобразователя зависит от меньших параметров объекта контроля. При определении отдельных параметров объекта приходиться применять специальные меры для уменьшения влияния других параметров. Токовихревые преобразователи не требуют контакта с контролируемым объектом, при этом загрязнения объекта, влажность, радиоактивное излучение не влияет на их работу. Токовихревые методы применимы для контроля качества металлов, сплавов, графита и полупроводниковых структур, при этом ему свойственна малая глубина зоны контроля, обусловленная глубиной проникновения электромагнитного поля в контролируемую среду.

 

Токовихревые преобразователи.

Токовихревые преобразователи по положению относительно контролируемого изделия делятся на накладные, проходные и комбинированные. Схемы преобразователей приведены на рисунке 1. Накладные преобразователи представляют собой одну или несколько катушек, к концам которого подводится контролируемое изделие 1 (схемы а,г,д,ж). Они выполняются без сердечников или с ферромагнитным сердечником, в этом случае их чувствительность выше. Проходные преобразователи делятся на наружные (б,е) и внутренние (в). Эти преобразователи имеют однородное поле в зоне контроля, поэтому радиальные смещения контролируемого объекта слабо влияют на выходной сигнал преобразователя. Накладные преобразователи

Рис.1

ж)

е)

 

применяют в основном для контроля объектов с плоскими поверхностями и поверхностями сложной формы, а также в тех случаях, когда требуется обеспечить локальность при высокой чувствительности. При контроле линейно-протяжённых объектов (проволока, трубы и т.п.) и массовом контроле мелких деталей применяют наружные проходные преобразователи. Внутренние проходные преобразователи, которые дают интегральную оценку контролируемых параметров АО периметру применяется для контроля внутренних поверхностей труб и отверстий в изделиях.

Вихревые токи и их оценки.

Вихревые токи распределены в небольшом объёме контролируемого изделия вблизи от токовихревого преобразователя. Амплитуда и фазы различны в разных точках объёма. В качестве характеристики вихревых токов выбирают плотность тока и фазу . В общем случае и зависят от координат, в качестве которых можно взять цилиндрические координаты: . Если вихревые токи возбуждаются цилиндрическим преобразователем, то они протекают по концентрическим окружностям и не зависят от угловой координаты . Плотность вихревых токов и фаза являются функциями координат и и общего параметра , который равен: ,т.е. и (1), где

- относительная магнитная проницаемость материала (для немагнитных материалов );

- эквивалентный диаметр токовихревого преобразователя;

- круговая частота тока;

- удельная электропроницаемость материала изделия;

- магнитная проницаемость вакуума.

Зависимость плотности тока от глубины проникновения даётся выражением

(2).

Обычно вводят понятие условной глубины проникновения , которая позволяет оценивать эту глубину для разных материалов. Её определяют как глубину, на которой плотность тока меняется в раз, т.е. (3)

На частоте 1,5 мГц для немагнитного материала . Использование выражения 1 в качестве характеристик токовихревых преобразователей нецелесообразно, поскольку аналитическое определение и возможно только для простейших преобразователей, расположенных над бесконечно проводящими плоскостями, а экспериментальное их определение затруднительно.

В качестве характеристик токовихревых преобразователей выбирают комплексные сопротивления – для параметрических преобразователей или комплексные напряжения- для трансформаторных преобразователей. Для параметрических преобразователей можно записать уравнение: (4). Для трансформаторных преобразователей имеем: (5); ; , где

- комплексное сопротивление;

- плотность тока;

- число витков в катушке;

- величина самоиндукции преобразователя;

- величина напряжения в трансформаторном преобразователе;

- начальное напряжение в измеряемой обмотке;

- значение напряжения в трансформаторном преобразователе;

- начальное напряжение на разомкнутой измеряемой обмотке.

и определяются экспериментально. Вносимые в колебательный контур сопротивления измеряют на мостах переменного тока, а вносимые напряжения – с помощью фазовых вольтметров. Для анализа сигналов преобразователя и учёта влияния параметров строят годограф. При построении годографа меняют значения частоты тока и электропроводности , при различных сопротивлениях, в которые вносятся параметрические преобразователи и изменение комплексных напряжений в трансформаторных преобразователях. Анализируя годографы, можно подобрать оптимальные значения частоты тока, размеры преобразователя, параметры его измеряемой цепи. Для накладных параметрических преобразователей полное сопротивление имеет следующий вид:

(6), где

- средний диаметр катушки;

- число витков измеряемой катушки;

- вносимое сопротивление;

 

, где - расстояние от преобразователя до контролируемого изделия;

-диаметр обмотки трансформаторного преобразователя;

Для накладных трансформаторных преобразователей напряжение в измеряемой обмотке будет определяться выражением:

(7), где

- средний диаметр возбуждающей обмотки преобразователя;

- средний диаметр измеряемой обмотки;

- число витков обмоток трансформаторного преобразователя;

- сила тока в обмотке преобразователя.

Для наружных проходных преобразователей полное сопротивление будет равно

(8), где

- наружный диаметр изделия;

- средний диаметр измеряемой обмотки преобразователя;

-длина преобразователя.

 

 

Измерительные цепи токовихревых приборов

 

 

 

 

Токовихревые методы контроля являются многопараметрическими, поэтому при контроле одного из параметров, остальные будут вносить помехи. При создании токовихревых приборов основное внимание обращается на устранение мешающих факторов, вносящих помехи. При контроле структуры физико-механических свойств и сплошности материалов основным мешающим фактором является непостоянство зазора. Для устранения этого фактора применяются специальные автоматические устойства, обеспечивающие неизменность положения накладного преобразователя относительно контролируемого изделия. При контроле толщины или несплошности мешающим фактором является непостоянство электромагнитных свойств материалов. Измерительные цепи токовихревых приборов должны обеспечить обработку полезного сигнала и по возможности отфильтровывать помехи.

Простейшей измерительной цепью является мостовая схема, приведённая на рис.2 а) с двумя преобразователями , в поле которого размещён эталонный образец 1 и контролируемое изделие 2. При одинаковых преобразователях и изделиях 1 и 2 с совпадающими характеристиками – мост сбалансирован. Если характеристики изделия 2 отличаются от характеристик эталона 1, то наступает разбаланс моста и степень разбаланса отличается по миллиамперметру (). При включении преобразователей в параллельные или последовательные резонансные контуры создаются дифференциальные приборы, измерительные цепи которых показаны на рис. 2 б) и . В приборе с двумя параллельными резонансными катушками (рис.2б) схема настраивается при размещении преобразователей над изделием с помощью конденсатора , так чтобы напряжения на обоих контурах были одинаковыми. В этом случае прибор показывает ноль. Если преобразователь проходит над дефектом, то происходит увеличение активного и реактивного сопротивления преобразователя, что ведёт к уменьшению добротности контура и уменьшению сигнала снимаемого с него. Возникшее различие напряжений на контурах отличается появлением сигнала в приборе . Если дефект изделия окажется под преобразователем , то картина изменится на обратную и прибор даёт отклонение в обратную сторону.

Рассматриваемый токовихревой прибор применяется также для измерения толщины диэлектрических покрытий. При этом один преобразователь является измерительным, а второй – компенсационным. Измерительный преобразователь настраивается при размещении его на металле без покрытия. При увеличении толщины покрытия возрастает индуктивность измерительного контура, что приводит к расстройке дифференциальной схемы и появлению сигнала в приборе . В токовихревых приборах с двумя преобразователями, включёнными в последовательные резонансные контуры (рис.2 ) и применяемыми для измерения электропроводности, толщины листов и стенок труб, удаётся в значительной мере уменьшить влияние вариации зазора. Приборы этого типа выполняют с одним измерительным преобразователем, а второй преобразователь включают в компенсационную схему. Прибор выполняют с одним измерительным преобразователем и его настройка в зависимости от назначения может производиться по эталонной электропроводности или толщине.

Значительное распространение получили токовихревые приборы с измерительными автогенераторами. Его схема приведена на рис. 3. Автогенератор, соединяющий резонансные контура в анодной и сеточной цепи, собран на лампе Л₁ (в настоящее время используется транзистор). Преобразователь включён в сеточный резонансный контур. При обнаружении дефекта (трещины, несплошности) возрастает вносимое сопротивление, что приводит к снижению добротности и уменьшению напряжения в точке , снимаемого контура. Резкое возрастание вносимого сопротивления может привести к срыву самовозбуждения автогенератора. Напряжение автогенератора используется для питания мостовой схемы, состоящей из лампы Л₂ и резисторов . В измерительную диагональ включён .выпрямительное напряжение управляет лампой Л₂, вызывая разбаланс моста, зависящий от сигнала, снимаемого с преобразователя. Уравновешивание моста производится резистором при помещении преобразователя на бездефектном участке изделия.

 

Настройка преобразователя может производиться с помощью резистора . В качестве индикаторов в токовихревых преобразователях кроме стрелочных приборов применяют звуковой сигнализатор ЗС, питаемый от звукового генератора ЗГ. Для уменьшения помех в полезном сигнале применяют токовихревые фазочувствительные приборы, схема приведена на рис.4.

 

В данной схеме используют два трансформаторных преобразователя . - измерительный трансформатор, -компенсационный преобразователь. Прибор включает усилитель УС, фазовые детекторы 1и 2, фазовращатель опорного напряжения и резисторы - для сравнения сигнала. Вдали от изделия выходные напряжения преобразователей имеют равные значения и обратные по фазе, поэтому выходное напряжение прибора равно нулю. Если преобразователь поместить над контролируемым изделием, то токи, протекающие по сопротивлениям имеют разные значения. Разностный сигнал будет характеризовать изменение контролируемого параметра. С помощью фазовращателя опорное напряжение на усилителях выпрямителя смещается относительно напряжений на преобразователях. В результате регистрируется наличие дефекта.

В промышленности применяется большое количество токовихревых приборов, предназначенных для измерения электропроводности, качества термообработки, контроля несплошности, измерений толщины покрытий и др.

Особенности контроля материала и изделий

токовихревыми методами.

 

Электропроводность материалов зависит от химического состава. Структуры. Режима обработки, напряжённости в материале, твёрдости, прочности, несплошности и др. состояний материала. Поэтому измерительный сигнал, пропорциональный электропроводности, несёт богатую информацию о свойствах материалов и изделий. Качество термообработки металлов можно контролировать по измерению электропроводности. Токовихревые методы применяют для контроля примесей и химического состава материала. Известно. Что даже незначительное количество примесей приводит к резкому изменению электропроводности. Так, например, если медь содержит фосфор в количестве до 0,035%, то её электропроводность понижается на несколько процентов. Если известен состав примеси и измерена электропроводность, то можно определить количество примесей. Качество термообработки металлов можно контролировать по измерению электропроводности. Особо успешно применяются токовихревые методы при контроле качества термообработки алюминиевых сплавов. Известно, что алюминиевые сплавы имеют узкий диапазон закалки. Если сплав нагреть ниже требуемого диапазона закалки, то электропроводность будет выше нормальной, а при нагреве сплава электропроводность падает. При контроле термообработки стальных сплавов измеряют электропроводность и магнитную проницаемость.

 

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: