Лекция № 4. Вихретоковый метод НК

Основан на анализе взаимодействия электромагнитного поля вихретокового преобразователя с электромагнитным полем вихревых токов, наводимых в объекте, и применим для изделий из электропроводящих материалов. Вихревые токи возбуждают и регистрируют индуктивными катушками. Катушки располагают либо с одной, либо с противоположных сторон объекта.

По рабочему положению относительно объекта контроля преобразователи делят на накладные, проходные и комбинированные.

Накладные вихретоковые преобразователи (ВТП) обычно представляют собой одну или несколько катушек индуктивности, к торцам которых подводится контролируемая поверхность. Катушки таких преобразователей могут быть круглыми – коаксиальными, прямоугольными, прямоугольными крестообразными, с взаимно перпендикулярными осями и др. (рисунок 3).

Накладные преобразователи выполняют с ферромагнитными сердечниками и без них. Благодаря ферромагнитному сердечнику (обычно ферритовому) несколько повышается абсолютная чувствительность преобразователя и уменьшается зона контроля за счет локализации магнитного потока.

Рис. 3 - Варианты конструкций вихретоковых преобразователей различного назначения.

Проходные ВТП делят на наружные, внутренние и погружные. Отличительная особенность проходных ВТП в том, что в процессе контроля они проходят либо снаружи объекта, охватывая его, либо внутри объекта, либо погружаются в жидкий объект. Обычно проходные ВТП имеют однородное магнитное поле в зоне контроля, в результате чего радиальные смещения однородного объекта контроля не влияет на выходной сигнал преобразователя. Для этого длина возбуждающей обмотки катушки ВТП должна не менее чем в 3-4 раза превышать ее диаметр, а длина измерительной обмотки, размещенной в середине возбуждающей обмотки, должна быть значительно меньше длины последней. Однородное поле получают также, применяя возбуждающую обмотку в виде колец Гельмгольца, и измерительную – в виде короткой катушки.

Комбинированные преобразователи представляют собой конструкцию из накладных и проходных вихретоковых преобразователей. К ним относятся также ВТП в виде линейно протяженных витков или рамок, которые можно условно назвать линейными.

Особую разновидность представляют собой экранные преобразователи, отличающиеся тем, что их измерительные и возбуждающие обмотки разделены контролируемым объектом. Различают накладные экранные ВТП и проходные экранные преобразователи.

По виду преобразования параметров контролируемого изделия в выходной сигнал преобразователя их делят на трансформаторные и параметрические. В трансформаторных ВТП, имеющих как минимум две обмотки (возбуждающую и измерительную), параметры объекта контроля преобразуются в напряжение измерительной обмотки. В параметрических ВТП, имеющих, как правило, одну обмотку, - в комплексное сопротивление. Преимущество параметрических ВТП заключается в их простоте, а недостаток, который в трансформаторных ВТП выражен значительно слабее, - в зависимости выходного сигнала от температуры преобразователя.

В зависимости от способа соединения катушек преобразователя различают абсолютные и дифференциальные ВТП.

Выходной сигнал абсолютного ВТП определяется абсолютным значением параметров объекта, а дифференциального – изменением этих параметров. Выходной сигнал дифференциального ВТП зависит и от абсолютных значений параметров объекта, но при малых приращениях этих параметров можно считать, что он определяется только приращениями.

Накладными ВТП контролируют в основном изделия с плоскими поверхностями и объекты сложной формы. Эти преобразователи применяют также, когда требуется обеспечить локальную высокую чувствительность контроля. Наружными проходными ВТП контролируют линейно протяженные объекты (проволоку, прутки, трубы и т. д.). Применяют их при массовом контроле мелких изделий (шарики подшипников и т. д.). Внутренними проходными ВТП контролируют внутренние поверхности труб, а также стенки отверстий в различных деталях. Проходные вихретоковые преобразователи дают интегральную оценку контролируемых параметров по периметру объекта, поэтому они обладают меньшей чувствительностью к локальным изменениям его свойств.

Погружные ВТП применяют для контроля жидких сред. Экранные накладные преобразователи – для контроля листов, фольги, тонких пленок, а экранные проходные – для контроля труб.

С помощью дифференциальных («самосравнения») вихретоковых преобразователей можно резко повысить отношение полезный сигнал/помеха в дефектоскопии. При этом обмотки преобразователя размещают так, чтобы их сигналы исходили от близкорасположенных участков контроля одного объекта. Такой подход позволяет уменьшить влияние плавных изменений электрофизических и геометрических параметров изделия. При использовании проходных преобразователей с однородным магнитным полем в зоне контроля значительно уменьшается влияние радиальных перемещений объекта. Применяя экранные накладные преобразователи, можно практически исключить влияние смещений изделия между возбуждающей и измерительной обмотками. Преобразователи с взаимно перпендикулярными осями обмоток нечувствительны к изменению электрофизических характеристик однородных объектов. При нарушении однородности изделия, например, из-за появления трещины, на выходе такого преобразователя появляется сигнал. Аналогично работают и комбинированные преобразователи. Они также могут быть применены для дефектоскопии. Их недостаток заключается в сильном влиянии перекосов осей преобразователя относительно поверхности объектов контроля.

Чтобы уменьшить влияние края изделия на сигналы ВТП, применяют концентраторы магнитного поля в виде ферритовых сердечников и электропроводящие неферромагнитные экраны, вытесняющие магнитное поле в рабочую зону. При размещении экранов в торцах проходных преобразователей влияние краев объекта контроля уменьшается, но при этом ухудшается однородность поля в зоне контроля. Специальные экраны с отверстиями могут служить «масками», при этом отверстия служат источниками магнитного поля, возбуждающие вихревые токи в поверхности изделия. При использовании « масок » значительно снижается чувствительность ВТП, но повышается локальность. Повышение локальности преобразователей добиваются также комбинацией кольцевых ферромагнитных сердечников с электропроводящими неферромагнитными (обычно медными) экранами и короткозамкнутыми витками, вытесняющими магнитный поток в зону контроля. Кольцевые ферритовые сердечники служат также основой щелевых ВТП, применяемых для контроля проволоки. Для ослабления влияния радиальных перемещений объекта контроля на сигналы преобразователя применяют экранирование магнитопровода вблизи щели с целью повышения однородности магнитного поля в щели.

Трансформаторные ВТП обычно включают по дифференциальной схеме. При этом возможны схемы сравнения со стандартным образцом и схема «самосравнения». В первом случае рабочий и образцовый ВТП не связаны индуктивно и имеют независимые измерительные и возбуждающие обмотки. Во втором случае возбуждающая обмотка часто служит общей для двух измерительных. При включении вихретоковых преобразователей по дифференциальной схеме повышается стабильность работы прибора. Однако в ряде случаев измерительную обмотку включают последовательно с компенсатором, представляющим собой регулятор амплитуды и фазы напряжения. При этом компенсатор выполняет роль образцового ВТП. Когда рабочий преобразователь контролирует стандартный образец, то компенсатором устанавливается требуемое напряжение компенсации. Такая схема позволяет устранить нестабильность, связанную с разогревом стандартного образца вихревыми токами.

При использовании дифференциальных схем ВТП обычно не исключается применение компенсатора, который в этом случае необходим для компенсации напряжения вызванного неидентичностью рабочего и образцового ВТП, и включается последовательно со встречно - включенными измерительными обмотками.

Компенсаторы часто выполняются в виде разнообразных фазорегуляторов и аттенюаторов. Эффективны компенсаторы в виде регуляторов действительной и мнимой составляющих вектора компенсирующего напряжения.

Параметрические ВТП включают в схему, преобразующую изменение их комплексного сопротивления в изменение амплитуды и фазы (или частоты) напряжения. При включениях параметрических преобразователей в резонансные контуры, а также в контуры автогенераторов абсолютная чувствительность устройства повышается. Часто параметрические ВТП включают в мостовые цепи, где два плеча моста образуются обмотками рабочего и образцового вихретокового преобразователей, а два других – резисторами. Подбирая параметры элементов моста, можно добиться уменьшения влияния мешающих факторов на полезные сигналы, а также высокой чувствительности к контролируемому параметру даже при малой добротности катушки ВТП.

ВТ методы основаны на возбуждении вихревых токов, а поэтому применяются в основном для контроля качества электропроводящих объектов: металлов, сплавов графита полупроводников благоприятных условиях контроля и малом влиянии мешающих факторов удается выявить трещины глубиной 0,10,2 мм, протяженностью 12 мм (при использовании накладного преобразователя) или протяженностью около 1 мм и глубиной 15% от диаметра контролируемой проволоки или прутка (при использовании проходного преобразователя). ВТМ позволяют успешно решать задачи контроля размеров изделий. Этими методами измеряют диаметр проволоки, прутков и труб, толщину металлических листов и стенок труб при одностороннем доступе к объекту, толщину электропроводящих (например, гальванических) и диэлектрических (например, лакокрасочных) покрытий на электропроводящих основаниях, толщину слоев многослойных структур, содержащих электропроводящие слои.

Измеряемые толщины могут изменяться в пределах от микрометров до десятков миллиметров. Для большинства приборов погрешность измерения 25%. Минимальная площадь зоны контроля может быть доведена до 1 мм2, что позволяет измерить толщину покрытия на малых объектах сложной конфигурации. С помощью ВТМ измеряют зазоры, перемещения и вибрации в машинах и механизмах. Структурное состояние металлов и сплавов влияет на их электрические и магнитные характеристики. Благодаря этому оказывается возможным контролировать не только однородность химического состава, но и структуру металлов и сплавов, а также определять механические напряжения. Широко применяют вихретоковые измерители удельной электрической проводимости и другие приборы для сортировки металлических материалов и графитов по маркам (по химическому составу). С помощью вихретоковых приборов контролируют качество термической и химико-термической обработки деталей, состояние поверхностных слоев после механической обработки (шлифование, наклеп), обнаруживают остаточные механические напряжения, выявляют усталостные трещины в металлах на ранних стадиях их развития, обнаруживают наличие афазы и т.д.