6.1. Преобразователи для ТВК
Токовихревой дефектоскоп состоит из генератора, преоб- разователя, усилителя, анализатора изменения поля (амплитудный или частотный детектор, фазочувствительный элемент) и индикатора.
В зависимости от заданного параметра контроля существуют различные схемные решения приборов и различные преобразова- тели. Преобразователи ТВК по рабочему положению относительно
КО делят на накладные и проходные.
Накладные преобразователи представляют собой одну или несколько катушек, подводимых торцом к поверхности объекта
(рис. 6.2, а). Их выполняют с ферритными сердечниками, повы- шающими чувствительность и локализирующими зону контроля,
или без них. Электромагнитная волна от полезадающей системы распространяется в направлении КО (рис. 6.1, а). Накладные пре- образователи применяют для контроля плоских поверхностей или для деталей сложной формы, а также в тех случаях, когда требуется обеспечить локальность контроля и высокую чувствительность.
Проходные преобразователи бывают наружные и внутрен- ние (рис. 6.2, б). Электромагнитная волна от полезадающей системы в этом случае распространяется вдоль поверхности КО
(рис. 6.1, б).
Рис. 6.2. Расположение накладных (а) и проходных (б)
преобразователей:
1 – возбуждающая катушка; 2 – измерительная катушка а)
б)
110 111
Проходные преобразователи применяются для линейно- протяженных изделий и охватывают КО, движущийся внутри ка- тушки, либо движутся сами внутри объекта (например, трубы).
Проходные преобразователи менее чувствительны к локальным изменениям свойств КО. В зависимости от способа соединения обмоток преобразователя различают абсолютные (выходной сигнал определяется абсолютными параметрами КО и их изменением) и дифференциальные (выходной сигнал определяется разницей свойств двух рядом расположенных участков) датчики. Абсолют- ные датчики используют для контроля электропроводности и проницаемости материала, размеров, сплошности. Дифференциаль- ные преобразователи более чувствительны, но для протяженных дефектов позволяют определить только начало и конец дефекта.
По электрическим свойствам сигнала различают параметри- ческие и трансформаторные преобразователи. В первых сигналом служит приращение комплексного сопротивления, во вторых –
приращение комплексного напряжения, возникающего в одной или нескольких измерительных обмотках. В первых
датчиках сигнал формируется в той же обмотке, по которой идет возбуждающий ток.
В трансформаторных датчиках измерительная обмотка может быть размещена на той же катушке (рис. 6.3) или на другой. Такие дат- чики имеют более высокую температурную стабильность. Пара- метрические датчики более просты конструктивно, частотный диа- пазон работы у них шире. Если измерительные датчики выполнены отдельно от полезадающих, то обычно они располагаются вблизи поверхности КО.
Рис. 6.3. Двухкатушечный датчик:
1- возбуждающая обмотка; 2 – измерительная обмотка
Каждую обмотку датчика принято заменять эквивалентным витком, а вихревые токи – эквивалентным контуром тока диаметром D
э
. Для проходного датчика D
э
= D
п или D
э
= D
в
(рис. 6.4).
Для накладного датчика значение D
э зависит от расстояния эквивалентного витка возбуждающей обмотки датчика до изделия h и определяется приближенно по формуле D
э
= D
q
+1,5h. Для характеристики, учитывающей свойства материала изделия
(электропроводность у, магнитная проницаемость м), частоту воз- буждающего поля
π
ω
=
2
/
f f и размер контура вихревых токов
Dэ, вводится понятие обобщенного параметра r
м ущм
Dэ
=
в
0
Для немагнитных материалов
0
э
0
r ущм
D
=
в
=
в
1,
=
м
В качестве Dэ на практике принимают средний диаметр кату- шки Dср. Обобщенный параметр в по физическому смыслу является отношением индуктивного сопротивления эквивалентного контура вихревых токов к активному сопротивлению контура в прове- ряемом изделии.
6.2. Распределение вихревых токовВихревые токи протекают непосредственно под датчиком,
в небольшом объеме изделия. Их амплитуда различна в каждой точке на поверхности изделия и в глубине (рис. 6.4). Анализ прост- ранственной картины вихревых токов необходим для понимания основ метода и его эффективного практического использования.
Плоскости, в которых расположены траектории вихревых токов, перпендикулярны линиям напряженности возбуждающего поля. Возбуждаемые цилиндрическими датчиками вихревые токи протекают по окружностям, соосным с датчиком. В случае одно- родного изотропного материала значения плотности тока д и их фазы ш от угловой координаты ц не зависят.
112 113
А
а)
б)
в)
Б
Рис
6
.4
Рас пр ед ел ен ие п
ло тн ос ти д
/д
01
и ф
азы ш
в ихр ев ых т
ок ов
, во зб уж да ем ых в
ит ком в пло ск ом и
зд ел ии
(
а)
, в пру тке
(
б)
, во круг о
тв ер ст ия
(
в)
:
А
– по п
ове рх нос ти
;
Б
– по г
лу би не
;
1
– при в
ы со кой ча ст оте
;
2
– при н
и зк ой ч
ас то те
;
3
– при н
ал ич ии з
аз ора ме ж
ду в
ит ком и
и зд ел и
ем д
ля в
ы со кой ч
ас то ты
114 115
На рис. 6.4 датчик заменен эквивалентным витком, коорди- наты с и z выражены через радиус эквивалентного контура вихревых токов. Плотность тока выражена через максимальное ее значение д
01
на поверхности.
При контроле накладным датчиком (рис. 6.4,а) на его оси д
= 0, с увеличением с увеличивается д, достигая максимума при с=R
q
(при h = 0). При удалении датчика от поверхности макси- мальное значение д(с) уменьшается, а при использовании наклад- ного датчика
увеличивается также радиус эквивалентного контура(кривая 3). Фазы токов, находящихся внутри эквивалентного кон- тура, одинаковы.
При контроле короткими проходными датчиками (рис. 6.4,
б, в, А) максимум д(z) расположен под эквивалентным витком.
Фаза вихревых токов изменяется вдоль оси z в обе стороны от максимума.
По мере углубления в металл – увеличения z, уменьшения с < R
п
(рис. 6.4, б, Б) или увеличения с > R
п
(рис. 6.4, в, Б) – наблю- дается резкое уменьшение плотности и запаздывание вихревых токов.
Из анализа графиков д(с), д(z) следует, что вихревые токи сосредоточиваются в том месте изделия, в котором проникающее в него поле имеет максимальное значение.
Затухание вихревых токов по глубине происходит по закону,
близкому к экспоненциальному. Плотность тока на глубине Z равна
),
f z
exp(
/
0 01
σ
µ
π
−
=
δ
δ
где
−
δ
01
плотность тока на поверхности контролируемого изде- лия, когда Z=0.
Для сравнения распределения вихревых токов по глубине в различных металлах на разных частотах введено понятие – услов- ная глубина проникновения ВТ z
0
. Это расстояние от поверхности до слоя, в котором плотность вихревых токов меньше, чем на поверхности, в
e раз.
σ
µ
µ
π
=
r
0 0
f
1
z
Например, на частоте 1,5 МГц для немагнитных материалов при у
= 0,65
•
10 6
См/м z
0
= 0,53 мм; при у
= 10 6
См/м z
0
= 0,14 мм;
при у
= 25
•
10 6
См/м z
0
= 0,08 мм. На частоте 150 Гц z
0
увеличивается в 100 раз по сравнению с указанными значениями для тех же мате- риалов.
В местах дефектов сплошности материала вихревые токи,
подтекая под дефект, могут проникать на глубину больше чем z
0
На силу вихревых токов оказывает влияние не только наличие дефекта, но также площадь изделия, электропроводность материала у
и его магнитная проницаемость м. Уменьшение м и у
будет ослаблять вихревые токи так же, как и появление дефекта.
Для использования токовихревого метода в дефектоскопии необхо- димо иметь способы отстройки от влияния изменения других параметров.
Сигнал датчика представляет собой комплексную величину вносимого активного и индуктивного сопротивлений Z
вн
= R
вн
+
+ jщL
вн или активной и реактивной составляющих вносимого напряжения U
вн
= U
авн
+ jU
рвн для трансформаторного датчика.
Поскольку параметры вихревых токов зависят от электро- проводности у
, проницаемости м r
, сплошности металла, от этих же величин зависит и сигнал. Чаще принято рассматривать измене- ние сигнала датчика совместно на комплексной плоскости сопро- тивлений или напряжений. Зависимость сигнала от обобщенного параметра в, положения датчика относительно изделия, его формы,
размеров, сплошности материала представляет собой сложную комплексную функцию. Влияние каждой переменной на сигнал изображается графически на комплексной плоскости R
вн
, jщL
вн или
U
авн
, jU
рвн
В подавляющем большинстве случаев основой при анализе этих зависимостей служит годограф сигнала F(в
0
) витка, плотно прилегающего к немагнитному изделию. На рис. 6.5 представлен годограф, отображающий влияние на датчик электропроводности и частоты возбуждения. Влияние этих величин на сигнал одина- ково, что следует из выражения для обобщенного параметра
0
ущм
Dэ
=
в
0
. Сигнал для каждого значения в
0 является макси-
116 117
мальным. Из рис. 6.5 видно, что при увеличении
∞
→
β
0 1
–
L
вн
→
, а
0
→
R
вн
Анализируя годографы,
выбирают оптимальную рабочую частоту, конструкцию датчика, измерительную схему, приемы контроля, обеспечивающие необходимую чувствительность прибора к проверяемому параметру и полное или частичное снятие влияния изменений неконтролируемых свойств.
Основное влияние на вид годографов оказывает та часть вихревых токов, которая протекает в слоях, ближе всего располо- женных к измерительной обмотке датчика. Фазы вихревых токов вблизи обмотки для накладных и проходных датчиков на одной и той же частоте могут значительно отличаться, поэтому годографы для различных групп датчиков различаются между собой. В пре- делах каждой группы датчиков годографы F(
у
), F(м), близки по форме.
Рис. 6.5. Годограф накладного датчика: изменение в комплексной плоскости нормированных вносимых активного и индуктивного сопротивлений витка
Рис
6
.6
Го до гр афы с
иг на лов н
ак ла дн ых
(
а) и пр охо дн ых
(
б, в) да тч ик ов при и
зме не нии п
ар ам ет ра в
:
,
,
L
o
– со бс тв енн ая ин ду кти вн ос ть д
ат чи ка щ
щ щ
118 119
На рис. 6.6 приведены зависимости (сплошные годографы)
сигнала накладных и проходных датчиков от электропроводности для детали с плоской поверхностью и относительно большими по сравнению с датчиком размерами, которую можно заменить полу- пространством (а), цилиндрического прута (б), толстостенной трубы (в). Показаны также зависимости (штриховые годографы)
сигнала от расстояния между поверхностью изделия и расстояния между средними витками обмотки датчика. С увеличением зазора между витком и изделием сигнал уменьшается.
В случае контроля прутка, трубы проходным датчиком штриховые годографы показывают влияние на сигнал диаметра изделия, при контроле накладным датчиком они отображают зависимость сигнала от толщины неметаллического покрытия КО
или зазора между датчиком и изделием.
Максимальная чувствительность к изменению электро- проводности наблюдается при таких значениях в
0
, при которых максимально Rвн на годографе F(в). Исходя из этих значений в
0
следует выбирать частоту контроля и диаметр датчика. Так, для поверхностного дефекта глубиной 0,5 мм в листе из алюминиевого сплава с электропроводностью у
= 20·10 6
См/м рабочая частота около 380 кГц.
С увеличением глубины залегания дефекта заданных разме- ров рабочая частота контроля существенно уменьшается.
Распределенные дефекты, размеры которых значительно меньше диаметра эквивалентного контура Dэ – скопления пор, рас- трескивание в виде сетки или «паучков», воздействуют на вихревые токи как уменьшение электропроводности металла. Сигнал дат- чика, вызываемый распределенными дефектами в немагнитном материале, также изменяется по годографу F(в) (рис. 6.6).
Влияние дефектов в виде крупных пустот (раковин), включе- ний, размеры которых соизмеримы с Dэ, близко к увеличению за- зора между датчиком и изделием h.
Дефекты, лежащие в плоскости, параллельной поверхности изделия, не изменяют траектории вихревых токов, но влияют на их распространение по глубине.
Если под накладным цилиндрическим датчиком окажется глубокая длинная трещина (длина больше Dэ, глубина больше глу- бины проникновения вихревых токов), то эквивалентный контур,
представлявший
собой окружность при отсутствии трещины,
разделится ею на две части (рис. 6.7). Вихревые токи вдоль тре- щины идут в противоположных направлениях, образуя дополни- тельное магнитное поле дефекта, которое и обусловливает прира- щение сигнала датчика. Нормальная составляющая поля макси- мальна над трещиной. Тангенциальная составляющая поля де- фекта имеет по одному максимуму противоположного направле- ния с каждой стороны трещины. Дефекты типа нарушения сплош- ности являются препятствиями для вихревых токов и проявляются в увеличении сопротивления поверхностного слоя металла.
На приведенных ниже графиках представлено изменение сигнала накладного датчика (Dэ от 6 до 24 мм) от поверхностной трещины при изменении параметра
0
β
путем вариации частоты в пределах от 5 до 20 кГц (рис. 6.8). Изменения сигнала от трещин различной длины, глубины, расположенных на различных расстояниях от поверхности, происходят в пределах, отмеченных на рис. 6.8 темными областями, и зависят от
0
β
. Наибольшие изме- нения сигнала от длинной глубокой трещины наблюдаются при
6 0
=
β
. На рис. 6.9 представлен график изменения модуля сопро- тивления датчика
Z
при изменении длины трещины
Dq l
l
′
=
в зависимости от расстояния от оси датчика до середины поперечной
(относительно направления перемещения датчика) и продольной трещин
Dq
/
x x
,
Dq
/
y y
′
=
′
=
Рис. 6.7. Схемы формирования поля вихревых токов при наличии трещины:
1 – трещина а)
б)
ФоФо
120 121
При перемещении датчика над продольной трещиной любой длины будут наблюдаться два максимума. Чем короче трещина,
тем четче выражены максимумы
Z
. При размещении оси датчикаа над серединой трещины длиной 0,47 и менее значение
Z
близко о
к нулю. Для короткой трещины максимум
Z
наступает, когда проекция эквивалентного витка датчика пересекает ее в центре.
Вид зависимостей
Z
(x,y) объясняется неравномерным распре- делением вихревых токов по радиусу (рис. 6.4) и показывает, что даже при использовании осесимметричного датчика форма его сигнала определяется направлением перемещения относительно направления трещины.
Диаметр применяемых для контроля нарушения сплошности датчиков составляет от нескольких единиц до нескольких десятков миллиметров. Производительность контроля мелких деталей мо- жет достигать 50 м/с (для проволоки) или нескольких тысяч мелких деталей в час. Производительность контроля труб, прутков ограни- чивается инерционностью устройств транспортирования и обычно не превышает 3 м/с.
6.3. Приборы для ТВК
Простейшая схема прибора для ТВК приведена на рис. 6.10.
Одинаковые датчики Д1 и Д2 включены в мостовую схему с регистрирующим микроамперметром мА. На датчики подается от генератора переменное напряжение .
Рис. 6.8. Приращения сигнала накладного датчика,
вызванные поверхностными трещинами
Рис. 6.9. Зависимость сигнала
Z
от расстояний x (сплошные кривые),
y (пунктирные кривые) для глубоких трещин
Рис. 6.10. Схема измерительного моста с двумя датчиками
122 123
В поле датчика Д1 расположен контрольный образец 1, а в поле датчика Д2 – контролируемое изделие 2. Если изделие и образец одинакового качества, то мост сбалансирован, через инди- катор мА ток не течет. Если изделие отличается от образца, напри- мер из-за дефекта, то мост разбалансируется и прибор мА зафикси- рует протекающий ток.
Если датчики Д1 и Д2 неодинаковы, то при помещении в их поле идентичных изделий будет наблюдаться остаточное напряже- ние, для устранения которого схема моста усложняется.
Более совершенная схема дифференциального включения датчиков показана на рис. 6.11. В этой схеме обмотки датчиков Д1
и Д2 входят в резонансные контуры с переменными емкостями С
1
и С
2
. Эти емкости, а также переменное сопротивление R3 служат для балансировки схемы и установки мА на нуль, когда магнитные поля датчиков Д1 Д2 одинаковы. При этом в контурах наступает резонанс с одинаковыми максимальными напряжениями V
1
=V
2
Резонансные кривые контуров показаны на рис. 6.11, б. Если дат- чик Д1 проходит над дефектным участком изделия, его индуктивность изменится на величину ДL и станет равной L
1
, а сопротивление изменится на величину ДR. Добротность первого контура понизится, и резонансная кривая 1 заменится кривой 1
ґ
, а рабочая точка займет положение L
ґ
1
. Напряжение на первом контуре упадет и станет равным V
ґ
1
< V
2
. Тогда между контурами возникнет разность потенциалов V
2
- V
ґ
1 и стрелка индикатора отклонится в одну сторону. Если дефект появится под датчиком
Д
2
, то стрелка отклонится в другую сторону.
Эту же схему можно использовать в измерителях толщины диэлектрических покрытий. В этом случае датчик Д2 размещается внутри прибора. Рабочая точка измерительного контура выби- рается на левой ветви резонансной кривой U(C), когда датчик Д1
размещен на материале без покрытия (кривая 1, рис. 6.11, в).
Конденсатором С2
схема уравновешивается, и индикатор показы- вает нулевое значение, если датчик размещен на металле без покрытия или удален от металла на большое расстояние.
С увеличением толщины покрытия растет индуктивность в измерительном контуре, максимум резонансной кривой увеличи- вается и смещается влево. Напряжение сначала растет, а затем уменьшается до значения U
≈
U
∞
, изменяясь по сплошной кривой.
При размещении датчика Д1 на металле с покрытием известной толщины резистором R3 индикатор прибора градуируют,
устанавливая соответствующее этой толщине значение.
Чтобы в процессе обнаружения дефектов показания индика- тора не зависели от расстояния датчика до контролируемого изде- лия, необходимо использовать более сложные схемы.
Рис. 6.11. Дифференциальная схема с двумя параллельными резонансными контурами
(пояснение в тексте)
124 125
При контроле электромагнитными индукционными дефекто- скопами типа ЭМИД используют два дифференциально включен- ных датчика, один из которых присоединен к эталонному образцу,
а другой – контролируемому изделию. При этом на выходе двух трансформаторных датчиков возникает напряжение, амплитуда и фаза которого определяется разницей свойств и эталонного образца,
и контролируемого изделия. Это напряжение наблюдается на экране электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) в виде кривой, позволяю- щей оценить свойства изделия несколькими способами: 1) по форме кривой; 2) по фазе (положению нулей и максимумов) кривой;
3) по отклонению кривой от горизонтальной развертки луча
(по амплитуде); 4) по сочетанию нескольких параметров кривой.
Характеристики некоторых приборов ВТК приведены в приложении. Преимущества метода ТВК по сравнению с другими методами выявления поверхностных дефектов (например,
капиллярным методом) наиболее значительны при контроле сталей с защитными покрытиями; при контроле
деталей в процессе эксплуатации машин; при контроле проката в технологическом процессе; при массовом контроле однотипных деталей, например,
шаров, роликов, втулок, обойм шарикоподшипников и т.п. деталей,
в процессе их изготовления.
Скачать 3.53 Mb.