Вихретоковые преобразователи

Вихретоковые преобразователи предназначены для возбуждения в электропроводящих объектах контроля вихревых токов и преобразования зависящего от параметров объекта электромагнитного поля в сигнал (ЭДС, напряжение, ток, сопротивление) преобразователя.

В качестве ВП используют обычно одну или несколько индуктивных катушек, подключенных к источнику переменного тока. Ток создает вокруг катушки переменное магнитное поле, которое наводит в ней электродвижущую силу (ЭДС) самоиндукции:

, (1.99)

где W – число витков катушки.

При перемещении ВП по поверхности детали указанное поле возбуждает в электропроводящем поверхностном слое вихревые токи. Вихревые токи создают собственное поле, которое наводит в катушке вихретоковую ЭДС. Складываясь, обе ЭДС формируют на катушке результирующее напряжение. Так как на дефектной и бездефектной поверхностях вихревые токи имеют разную величину, то, измеряя амплитуду и (или) фазу результирующего напряжения, можно судить о наличии или отсутствии дефекта на поверхности детали.

Как правило, ВП имеют несколько катушек, которые подразделяются на возбуждающие и измерительные, и образуют замкнутый проводящий контур. В контур входит ферромагнитный сердечник с магнитной проницаемостью μ_с. Напряженность внешнего поля Н, создаваемого ВП, зависит от угла α к нормали контура. Магнитный поток

Ф = , (1.100)

где S – площадь контура;

В – магнитная индукция;

μ₀ – магнитная проницаемость вакуума.

При воздействии на катушки изменяющегося во времени магнитного потока в контуре наводится ЭДС:

ℓ . (1.101)

Таким образом, обеспечивается преобразование переменного магнитного поля в электрический сигнал.

Вихретоковые преобразователи по типу преобразования параметров объектов контроля в выходной сигнал разделяются на параметрические и трансформаторные.

Выходной сигнал ВП – это ЭДС, напряжение, ток или сопротивление преобразователя, несущие информацию о параметрах ОК и обусловленные взаимодействием электромагнитного поля с ОК (ГОСТ 24 289-80).

В параметрических ВП этот сигнал представляет собой комплексное сопротивление катушки преобразователя (импеданса):

Z_вн = R_вн + j·ω·L_вн , (1.102)

где R_вн – вносимое активное сопротивление;

Х_вн = ω·L_вн – индуктивное сопротивление катушки ВП.

Изменение активного R_вн и индуктивного сопротивления возбуждающей катушки зависит от удельной электрической проводимости σ и магнитной проницаемости μ металла, от частоты намагничивающего тока, зазора h между катушками и поверхностью ОК.

Трансформаторный ВП содержит минимум две обмотки. Одна – обмотка возбуждения – служит для создания электромагнитного поля, и, следовательно, вихревых токов, а другая – измерительная – для измерения э. д. с., наводимой в ней результирующим магнитным потоком, пронизывающим ВП. Ясно, что амплитуда и фаза синусоидального напряжения в измерительной обмотке будет зависеть от параметров ОК. В трансформаторном ВП измерительная катушка играет роль вторичной обмотки трансформатора.

Преимущество параметрических ВП заключается в их простоте, а недостаток, который значительно слабее выражен в трансформаторных ВП, в существующей зависимости выходного сигнала от температуры преобразователя.

По способу соединения обмоток трансформаторные ВП делят на абсолютные и дифференциальные. Абсолютные имеют возбуждающую 1 и измерительную 2 обмотки (рис. 1.64, а), сигнал на выходе последней определяется абсолютными значениями параметров ОК в зоне контроля.

У дифференциальных ВП две одинаковые возбуждающие обмотки 1 соединены последовательно-согласно, а две одинаковые измерительные – последовательно-встречно, что видно на рис. 1.64, б.

Здесь влияние «плавных» изменений σ и μ значительно уменьшено, так как выходной сигнал определяется разностью параметров ОК в зоне контроля, что резко повышает отношение «сигнал/помеха».

Дифференциальный ВП применен в дефектоскопах типа ВД-12НФ, ВД-15НФ, ВД-12НФМ.

В зависимости от взаимного рабочего положения ВП и ОК их делят на проходные, накладные, экранные и комбинированные.

Проходные ВП обычно делят на наружные, внутренние и погружные. На рис. 1.65 обозначено: 1 – возбуждающая обмотка, 2 – измерительная обмотка, 3 – объект контроля.

На рис. 1.65 показаны разновидности трансформаторных наружных и внутренних проходных ВП. Видно, что катушки наружных ВП охватывают ОК (рис. 1.65, а, б), катушки внутренних ВП – вводят внутрь ОК (рис. 1.65, в, г). Погружные ВП используют для контроля жидких электропроводящих сред, куда их и помещают.

К проходным могут быть отнесены и так называемые «щелевые» ВП (рис. 1.66) с магнитопроводом 4, охватывающим протяженный объект 3.

Наружными, внутренними и погружными могут быть как параметрические, так и трансформаторные ВП. Экранные проходные ВП приведены на рис.1.67.

Накладные ВП (рис. 1.68) располагают вблизи поверхности ОК. Они имеют одну или несколько обмоток, которые располагаются на одной стороне детали. Их устанавливают торцом перпендикулярно контролируемой поверхности. Возможно продольное расположение накладных ВП, когда оси катушек направлены вдоль контролируемой поверхности. Катушки накладных ВП могут быть круглыми коаксиальными (рис. 1.68, а), прямоугольными (рис. 1.68, б), прямоугольными крестообразными (рис. 1.68, в) и с взаимно перпендикулярными осями (рис. 1.68, г). Накладные ВП выполняют с ферромагнитными сердечниками и без них. Благодаря сердечнику (обычно ферритовому) повышается абсолютная чувствительность к изменению контролируемых параметров и формируется электромагнитное поле заданной топологии. На рис. 1.68 приведены также разновидности накладных ВП с ферромагнитными сердечниками (круглые, прямоугольные, полуброневые, полутороидальные).

Накладные ВП, так же как и проходные, называются экранными, когда возбуждающие и измерительные катушки располагаются по разные стороны ОК, например, контролируемых труб (рис. 1.67) или листа (рис. 1.68, д). Очевидно, что экранные ВП могут быть выполнены только лишь по трансформаторной схеме.

В ряде случаев сердечники используют для локализации магнитного поля с целью уменьшения зоны контроля. В накладных ВП локализация осуществляется благодаря тому, что в воздушный зазор магнитопровода 4 вставляется концентратор 5 в виде медной пластинки, в которой концентрируются вихревые токи, вытесняющие магнитное поле в зону контроля (рис.

1.69, а), используются магнитопроводы специальной формы (рис. 1.69, б, в), отверстия в неферромагнитном электропроводящем экране 4 (рис. 1.69, г) или короткозамкнутый виток 5 на магнитопроводе 4 (рис. 1.69).

Комбинированные ВП представляют собой сочетание проходных возбуждающих и накладных измерительных катушек. Особого распространения они не получили.

Катушки ВП по отношению друг к другу могут быть подвижными и неподвижными. Подвижные катушки вращаются внутри или вокруг неподвижных катушек. ВП, у которых вращающиеся катушки находятся внутри неподвижных катушек, называются роторными.

Дефектоскопы с роторными ВП имеют две особенности.

Первая особенность заключается в том, что сканирование (круговое) поверхности детали вращающимися катушками осуществляется даже в том случае, когда ВП по поверхности детали не перемещается. Это позволяет в процессе контроля замедлять движение или останавливать ВП для уточнения характера и положения дефекта, что повышает удобство и оперативность контроля.

Вторая особенность заключается в том, что в процессе контроля вращение катушек приводит к дополнительной модуляции сигнала ВП, которая различна для помех и дефектов. Это различие используется в тракте обработки сигнала ВП так, чтобы снизить влияние помех и повысить достоверность контроля.

С помощью наружных проходных ВП контролируют линейно протяженные объекты (проволоку, прутки, трубы и т.п.), осуществляют массовый контроль мелких изделий. С помощью внутренних проходных ВП контролируют внутренние поверхности труб, баллонов, а также стенки отверстий в различных деталях.

Погружные ВП применяют для контроля жидких сред, экранные проходные – для контроля труб, щелевые – для контроля проволоки. В последних для ослабления влияния радиальных перемещений ОК на сигналы ВП магнитопровод экранируют вблизи щели с целью повышения однородности магнитного поля в ней. С помощью проходных ВП получают интегральную оценку контролируемых параметров по периметру объекта. Они обладают меньшей чувствительностью к локальным изменениям его свойств, нечувствительны при определенных условиях к радиальным смещениям ОК.

Накладные ВП обладают большими возможностями, чем проходные. Ими контролируют в основном объекты с плоскими поверхностями и объекты сложной формы, например ободья и диски колес, боковые рамы и надрессорные балки. Они применяются также, когда требуется обеспечить локальность и высокую чувствительность контроля.

В практике вихретокового контроля деталей вагонов чаще всего применяются накладные ВП. Перечень деталей, подвергающихся ВТК, указаны в РД 32. 174-2001, а общие требования к средствам и методикам проведения при всех видах плановых ремонтов в РД 32. 150-2000.