Описание устройств, реализующих амплитудный и фазовый методы определения s

Одним из главных элементов при разработке устройств, реализующих предложенные методы, является источник однородного магнитного поля. В существующих накладных преобразователях, как правило, используются источники неоднородного магнитного поля [1, 2, 5], которые, как указывалось, наряду с главным преимуществом (локализация области измерения и контроля) имеют существенные недостатки, связанные с зависимостью результатов измерений от расположения изделия и сложностью теоретического обоснования, включая анализ характеристик, в том числе поведение погрешности измерений при различных режимах работы. В этом смысле более предпочтительным является использование первичных преобразователей с однородным магнитным полем.

В качестве источников такого поля могут быть достаточно длинные проходные и комбинированные преобразователи, внутри которых магнитное поле направлено вдоль изделия [1]. Проходные преобразователи соленоидального типа обладают тем важным преимуществом, что на результаты измерений практически не оказывает влияния положение изделия внутри преобразователя. Однако такие поля имеют ряд существенных недостатков, обусловленных прежде всего большой протяженностью участка магнитного поля (отсюда получение усредненных по длине изделия измеряемых характеристик) и трудностью свободного доступа к исследуемому объекту при неразрушающем контроле другими преобразователями. Кроме того, как уже указывалось, с помощью проходных преобразователей можно измерять усредненную по объему изделия поперечную удельную электрическую проводимость. Все эти недостатки в той или иной мере присущи и комбинированным преобразователям с магнитным полем, направленным вдоль цилиндрического изделия [1].

Поскольку стоит задача бесконтактного измерения продольной электрической проводимости, то в этом случае необходимо выбрать такие преобразователи, возбуждающее поле которых направлено перпендикулярно образующей цилиндрического изделия. Очевидно, в этом случае необходимо использовать иные, чем описуемые в [1] комбинированные преобразователи. Среди последних можно выделить следующие: электромагниты с воздушным зазором; соленоидальные протяженные катушки с изделием, которое проходит через последнюю перпендикулярно образующей по середине соленоида; катушки Гельмгольца с изделием, размещенным по оси, проходящей через центр параллельно плоскостям катушек.

Что касается использования электромагнитов в практике неразрушающего контроля, то здесь следует отметить, что такой источник поля может быть применен только для изделий с относительно малым диаметром, исследование которых осуществляться должно в низкочастотном диапазоне (из-за наличия ферромагнитного сердечника). Рост диаметра изделия, а значит и воздушного зазора, приводит к увеличению габаритов магнитопровода при условии постоянства протяженности участка магнитного поля.

Комбинированный преобразователь с соленоидальной катушкой, создающей поле перпендикулярно цилиндрическому изделию, хотя и обладает тем важным преимуществом, что имеет достаточно однородное поперечное магнитное поле на малой длине изделия, но он не нашел широкого использования в связи со сложностью конструкции и ограниченным доступом к контролируемому изделию.

Катушки Гельмгольца, создающие переменное магнитное поле перпендикулярно изделию, наиболее полно удовлетворяют требованиям однородности магнитного поля, его небольшой протяженности, свободного доступа к объекту контроля, возможности исследования широкого ассортимента цилиндрических изделий одним и тем же преобразователем и контроля весьма протяженных изделий (проволока, буровая колонна, трубы и др.). Таким образом, комбинированный преобразователь на основе сочетания катушек Гельмгольца с поперечным полем относительно образца и измерительной катушки, плоскость которой перпендикулярна возбуждающему полю, и будет использован при построении устройств, реализующих предлагаемые методы бесконтактного измерения продольной удельной электрической проводимости.

С точки зрения требований высокой чувствительности к ответной реакции изделия на возбуждающее поле и малых погрешностей, исходя из сути описанных выше разностных методов (амплитудного и фазового), очевидно, реализующие их устройства должны быть основаны на дифференциальных принципах измерений.

На рис.6.6 представлена электрическая схема устройства для измерения удельной электрической проводимости разностным амплитудным методом. В схеме используются две пары идентичных катушек Гельмгольца (рабочие – КГР и компенсационные – КГК), включенных последовательно-согласно. Питание схемы осуществляется от генератора G синусоидальных напряжений. В намагничивающей цепи предусмотрены устройства для регулировки R_С и регистрации РА величины тока. Используются две измерительные катушки (рабочая – ИК1 и компенсационная ИК2). ИК1 расположена вблизи образца О (рис.6.6), а ИК2 помещена в магнитное поле катушек КГК. Измерительные катушки включены последовательно-встречно. Вместо компенсационных устройств может быть использована переменная взаимоиндуктивность (вариометр), первичная обмотка которой включается последовательно-согласно с КГР, а вторичная – последовательно-встречно с ИК1.

Рисунок 6.6 – Электрическая схема устройства для измерения σ
разностным амплитудным методом

Настройку схемы осуществляют таким образом, чтобы в отсутствие образца разностная ЭДС ΔЕ измерительных катушек была равной нулю. Последнее достигается подбором числа витков ИК2 либо вариометром.

Величина ΔЕ, пропорциональная – измеряется вольтметром PV1, а ЭДС Е₀, наведенную потоком , определяют с помощью вольтметра PV2.

На рис.6.7 показана электрическая схема разностных фазовых измерений. В отличие от предыдущей схемы в качестве измерительного прибора она содержит фазометр Ф, который измеряет разность сдвига фаз между ΔЕ и Е₀ (то есть тот же угол между – и ).

Рис.6.7 – Электрическая схема устройства для измерения σ
разностным фазовым методом

Введение обобщенных безразмерных параметров, характеризующих магнитное поле, геометрию изделия, измерительной катушки и их взаимное расположение, а также установление функциональных связей между этими параметрами и электрическими сигналами позволяет решить важную для практики задачу, связанную с определением ожидаемых выходных сигналов по заданным значениям характеристик изделий. Решение такой задачи дает возможность осуществить расчёт первичного преобразователя, установить пределы измерений и выбрать измерительную аппаратуру.

Для случая разностных методов измерений последовательность действий при определении величин электрических сигналов (амплитуда и фазы разностной нормированной ЭДС) следующая. При заданной частоте возбуждающего магнитного поля и минимальных значениях σ и R по формуле (6.21) вычисляют обобщенный параметр х. Из графических зависимостей рис.6.4, 6.5 определяют амплитуду и фазу разностной нормированной ЭДС. При этом функция λ рассчитывается по соотношениям (6.23), (6.24) исходя из заданных размеров ИК1, изделия и их взаимного расположения. Значение амплитуды и фазы разностной нормированной ЭДС можно получить для вычисленного х, используя соотношения (6.26) – (6.30) либо формулы (6.26), (6.27) и графические зависимости рис.6.3. Зная параметры ИК1 и значение напряженности возбуждающего магнитного поля, определяют численное значение ЭДС Е₀ при данной частоте и в итоге рассчитывают разностную ЭДС ΔЕ. Аналогичная расчетная процедура выполняется для случая больших радиусов и величин удельной электрической проводимости изделия.

В качестве источника однородного магнитного поля использовались катушки Гельмгольца с параметрами: число витков на каждом кольце W_н = 145; R_к = 0,124 м. Величина напряженности возбуждающего магнитного поля в центре катушек оценивалась исходя из соотношения

, (6.38)

где I_н – величина тока в катушках. Зоны однородности напряжённости магнитного поля в рабочем объеме катушек Гельмгольца определялись экспериментально. Данные экспериментов показывают, что участок однородного поля вдоль продольной оси КГР составляет 0,85R_к, а вдоль оси изделия – 0,90R_к. В обоих случаях неоднородность магнитного поля не превышала 1 %.

Измерительная катушка ИК1 имела средний радиус а₂ = 11,3·10^–3 м, длина 3·10^–3 м, число витков 1000. Расстояние X₀устанавливалось в пределах (22,5÷22,7)10^–3 м.

В результате расчетов амплитуды и фазы разностной нормированной ЭДС определяют диапазоны изменения электрических сигналов, по которым выбирают измерительную аппаратуру. Следует отметить, что ограничение на величину разностной ЭДС ΔЕ обусловлено, в основном, порогом чувствительности к входным сигналам существующих измерителей фазовых сдвигов.

Для проверки качества расчета ожидаемых сигналов были проведены эксперименты на конкретных образцах из различных материалов. Ниже в таблице приведены результаты измеренных, рассчитанных величин амплитуд и фаз нормированных разностных (табл.6.1).

Из таблицы видно, что измеренные и вычисленные по предлагаемой методике величины параметров нормированных ЭДС отличаются в пределах точности измерительной аппаратуры.

Предлагаемые модели расчета позволяют кроме определения амплитуд и фаз нормированных потоков (ЭДС), найти закономерности распределения характеристик электромагнитного поля в пространстве вокруг проводящего цилиндрического изделия.

В настоящем подразделе рассматривалась методика расчетов пределов измерений вихретоковых устройств. Однако определение рациональных режимов работы таких преобразователей связано с анализом поведения таких характеристик, как чувствительность и погрешность измерений σ в зависимости от обобщенного параметра х.