ТЕОРИЯ вихретокового контроля

Переменный электрический ток, проходящий через катушку возбуждения, создает переменное магнитное поле. Поскольку катушка помещена в непосредственной близости от проводящего объекта контроля, магнитное поле порождает в нем вихревые токи. В свою очередь и вихревые токи создают в объекте контроля и в окружающем пространстве магнитное поле. Взаимодействие этих двух магнитных полей порождает изменения полного сопротивления катушки, создающей магнитное поле и эдс, наводимой в дополнительной катушке, называемой измерительной. Подобные изменения регистрируются с помощью приборов, которые позволяют оператору получить важную информацию о свойствах и состоянии объекта контроля. (рис.1)

Рис.1. Действие вихревых токов в объекте контроля.

Процессы, происходящие в электромагнитном поле, описываются уравнениями Максвелла.

Направление вихревых токов определяется физическими и электрическими характеристиками объекта контроля: вихревые токи огибают трещины, предпочитая зоны с более высокой проводимостью (рис.2).

Рис.2. Вихревые токи в объекте контроля с дефектами.

Вихретоковый дефектоскоп обеспечивает представление информации на комплексной плоскости или временной развертке.

Пример получения вихретокового сигнала на дисплее прибора представлен на рис.3. Черным цветом выделен возбуждающий сигнал, зеленым - измерительный. При прохождении датчика над областью с дефектом сигнал в измерительной катушке меняет свою фазу и амплитуду по сравнению с возбуждающим сигналом.

Рис.3. Получение вихретокового сигнала на дисплее прибора.

Наибольшую плотность вихревые токи имеют на поверхности металла, и по мере углубления в металл происходит их затухание. Этот процесс называется магнитным поверхностным эффектом, для количественной оценки которого используют показатель глубины проникновения δ (Рис.4). Глубина проникновения – это расстояние от поверхности ОК до слоя, в котором плотность вихревых токов в e раз меньше, чем на поверхности (e=2.7183), или как расстояние, на котором вихревые токи затухают на 37%, по сравнению с поверхностью.

Рис.4. Стандартная глубина проникновения вихревых токов.

Зависимости изменения глубины проникновения плоской волны от рабочей частоты для различных металлов приведены в Приложении №1, где по оси Yотложена глубина проникновения в миллиметрах, по оси X частота контроля в Герцах. В зависимости от материала объекта контроля по данному графику мы можем примерно подобрать рабочую частоту, чтобы обеспечивалась оптимальная глубина проникновения вихревых токов в материал.

Удельную электрическую проводимость для расчета глубины проникновения или обобщенного параметра контроля можно выбрать из справочной таблицы (Приложение №1).

Преимущества метода ВК

ЭДС/сопротивление катушек ВТП зависит от параметров ОК, а также от взаимного расположения ВТП и ОК, т.е. информация, получаемая с преобразователя, многопараметровая.

Достоинством вихретокового контроля является и то, что его можно проводить при отсутствии контакта между ВТП и ОК, поэтому его часто называют бесконтактным. Благодаря этому вихретоковый контроль можно осуществлять при движении ОК относительно ВТП, причем скорость движении при производственном контроле может быть значительной, что обеспечивает высокую производительность контроля. Получение первичной информации в виде электрических сигналов, отсутствие контакта и высокая производительность определяют широкие возможности автоматизации вихретокового контроля.

Дополнительным преимуществом вихретокового контроля является то, что на сигналы ВТП практически не влияют влажность, давление и загрязненность газовой среды, радиоактивные излучения, загрязнения поверхности ОК непроводящими веществами, а также простота конструкции ВТП. В большинстве случаев катушки ВТП помещают в предохранительный корпус, они устойчивы к механическим и атмосферным воздействиям и представляют весьма надежные первичные преобразователи.

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

Этот вид контроля начал применяться еще в прошлом веке.

В настоящее время вихретоковые приборы и установки широко используются для обнаружения и определения параметров дефектов-несплошностей материалов, контроля размеров ОК и параметров вибраций, физико-механических параметров структурного состояния материалов, обнаружения электропроводящих объектов и др. Объектами вихретокового контроля могут быть электропроводящие прутки, проволока, трубы, листы, пластины, покрытия, в том числе многослойные, железнодорожные рельсы, корпуса атомных реакторов, шарики и ролики подшипников, крепежные детали и многие другие промышленные изделия.

Вихретоковая аппаратура используется для контроля металлопродукции, производимой на заводах черной, цветной металлургии, машиностроительных предприятиях (авиационных, космических, автомобильных и т.д.), а также оборудования сложных технических объектов (тепловых и атомных электростанций, самолетов, ракет, трубопроводного и железнодорожного транспорта) при эксплуатации.

Классификация вихретоковых преобразователей

Датчики подбираются в зависимости от задачи. Они могут отличаться друг от друга типом, конструкцией, диапазоном рабочих частот, материалам. Главная цель этого каталога – это подбор оптимального датчика под конкретную задачу с целью минимизации соотношения сигнал/шум, т.е. повышение размера минимально выявляемого дефекта.

Конструкции ВТП определяются их назначением, условиями применения, диапазоном частот тока возбуждения и другими факторами. Поэтому они весьма разнообразны. Размеры катушек колеблются от нескольких миллиметров до 500 мм.

Основные требования к катушкам - прочность, износоустойчивость, защищенность от внешних воздействий, возможность доступа к зоне контроля, удобство эксплуатации, эргономичность и соответствие требованиям технической эстетики, взаимозаменяемость, контроле-и ремонтопригодность, надежность.

Конструкция ВТП обычно содержит следующие составные части: одну или несколько катушек; корпус для размещения катушек; средства стабилизации положения катушек относительно ОК; средства для размещения ВТП в заданном положении относительно ОК; в процессе контроля; разъемы, кабели.

В настоящее время разработано большое количество типов и разновидностей ВТП. Для более правильного их использования необходимо знать их классификацию (Рис.5).

Рис.5. Классификация ВТП.

По типу преобразования параметров ОК в выходной сигнал ВТП подразделяются на параметрические и трансформаторные, а по способу соединения катушек ВТП делят на абсолютные и дифференциальные (рис.6).

Рис.6. Классификация ВТП по типу преобразования параметров ОК в выходной сигнал и в зависимости от расположения катушек ВТП по отношению к ОК.

В зависимости от расположения катушек ВТП по отношению к объекту контроля их делят на проходные, накладные и комбинированные (Приложение №3)

Приложение№1
График зависимости глубины проникновения от частоты для разных материалов.

Приложение №2
Удельная электрическая проводимость различных материалов.

Приложение №3
Классификация ВТП.

Рис.7. Разновидности наружных проходных ВТП: 1 – ОК; 2 – возбуждающие и 3 – измерительные катушки.

Рис.8. Проходные внутренние ВТП: 1 -1 ОК; 2,3 – возбуждающая и измерительная обмотки соответственно.

Рис.9. Проходные экранные преобразователи: 1 – возбуждающая; 2 – измерительная обмотки; 3 - ОК.

Рис.10. Погружные ВТП: 1 – ОК; 2,3 – возбуждающая и измерительная обмотки соответственно.

Рис.11. Щелевые ВТП: а – параметрический; б – трансформаторный; 1 – возбуждающая; 2 – измерительная обмотки; 3 – ОК; 4 -4 магнитопровод.

Рис.12. Накладные вихретоковые преобразователи с различными видами катушек: а – круглые коаксиальные; б – прямоугольные; в – прямоугольные крестообразные; г – с взаимно-перпендикулярными осями; д – экранный ВТП см расположением возбуждающих 2 и измерительных 3 катушек по разные стороны ОК.

Рис.13. Накладные преобразователи с сердечниками: а – цилиндрическим; б – прямоугольным; в – полуброневого типа; г – в виде полутороида; 2К – эквивалентный геометрический параметр ВТП.

Рис.14. Накладные локальные ВТП: а – с концентратором в виде медной пластинки; б, в – с магнитопроводами специальной формы; г – с отверстием в неферромагнитном электропроводящем экране; д – с короткозамкнутым витком на магнитопроводе; 1,2 – возбуждающая и измерительная обмотки; 3 – ОК; 4 – магнитопровод; 5 - концентратор.

Рис.15. Комбинированные ВТП с проходной возбуждающей и накладной измерительной обмотками: 1 – ОК; 2,3 – проходные возбуждающие и накладные измерительные катушки соответственно.