круговая частота поля возбуждения; Wи число витков измерительной обмотки; H0 напряженность поля соленоида
Работа добавлена на сайт samzan.net:
На рис.3.6 показана рассмотренная модель ВТП и учтенные геометрические размеры. Для рассмотренного случая ЭДС измерительной обмотки
, (3.26)
где: - круговая частота поля возбуждения; Wи - число витков измерительной обмотки; H0 - напряженность поля соленоида; Rи - радиус витка измерительной обмотки. Формула (3.26) содержит ряд важнейших параметров вихретокового контроля, впервые введенных Ф.Фёрстером
Коэффициент заполнения - отношение площади сечения цилиндра к площади витка измерительной обмотки
. (3.27)
Эффективная магнитная проницаемость цилиндра
(3.28)
определяется модифицированными функциями Бесселя первого рода и соответственно нулевого и первого порядка от комплексного аргумента
(3.29)
называемого обобщенным параметром контроля (коэффициент k входит в уравнение (3.13)). На практике обычно рассчитывают модуль обобщенного параметра контроля
. (3.30)
Параметр x получил название обобщенного параметра, поскольку он включает в себя все важнейшие параметры (геометрические и электрофизические) объекта контроля и возбуждающего поля. Эффективная магнитная проницаемость эфф в (3.26) входит в качестве комплексного коэффициента для относительной магнитной проницаемости и характеризует степень уменьшения магнитного потока через сечение соленоида за счет вихревых токов в объекте контроля. При этом условно можно считать, что внешнее магнитное поле H0 является однородным и постоянным по всей площади поперечного сечения цилиндра, но сам цилиндр имеет эффективную магнитную проницаемость .
В отсутствии цилиндра на выходе преобразователя имеется начальная ЭДС
, (3.31)
которая не несет полезной информации об объекте контроля. Сравнение (3.31) с (3.26) показывает, что вносимая цилиндром ЭДС преобразователя равна
. (3.32)
Для удобства обычно рассматривают относительную (нормированную) ЭДС, определяемую отношением (3.32) к модулю (3.31):
. (3.33)
Последнее преобразование удобно не только с точки зрения чистой математики, т.к. оно получилось очень компактным. Практическое значение выражения (3.33) заключается в том, что если мы ведем контроль двух цилиндров с различными свойствами в ВТП с различными конструктивными параметрами (числа витков, геометрические размеры), то если значения обобщенных параметров контроля в обоих случаях совпадают, а также совпадают значения и , то комплексные значения нормированных ЭДС будут одинаковы. Сказанное справедливо, если контроль проводится в слабом равномерном поле.
Выражение (3.33), представленное графически, носит название комплексной плоскости вихретокового преобразователя. Для того, чтобы эта комплексная плоскость была удобной в применении, на ней графически отображаются не сами векторы, а их годографы.
Годограф – плоская или пространственная кривая, являющаяся геометрическим местом концов вектора, длина и угол которого меняются от некоторого параметра (нескольких параметров), причем значение вектора при разных значениях параметра отложены от общего начала координат (или от условной общей точки). При построении годографов масштабы координатных осей должны быть одинаковыми, иначе будет искажена величина фазового угла вектора.
На рис.3.7 показана комплексная плоскость нормированной вносимой ЭДС для соленоида с немагнитным цилиндром, рассчитанная по (3.33). По координатным осям комплексной плоскости откладываются (или )- действительная часть нормированной вносимой ЭДС (или напряжения) измерительной обмотки и (или ) – мнимая часть нормированной вносимой ЭДС (или напряжения) измерительной обмотки. Сплошными линиями на комплексной плоскости показаны годографы обобщенного параметра x = kr0, полученные при изменении обобщенного параметра от 0 до бесконечности при фиксированных значениях коэффициента заполнения = 1,0; 0,75 и 0,5. Поэтому эти линии принято считать линиями влияния обобщенного параметра.
Рис.3.7. Комплексная плоскость нормированной вносимой ЭДС для соленоида с немагнитным цилиндром в слабом равномерном магнитном поле
Некоторые значения обобщенного параметра принято проставлять на годографе, часто рядом ставят стрелку, показывающую направление возрастания параметра, для которого построен годограф. Однако большую практическую ценность представляют годографы основных влияющих параметров объекта контроля. В данном случае для круглого цилиндра это и r0.
Удельная электропроводность материала цилиндра в уравнение преобразования (3.33) входит только через обобщенный параметр, поэтому годограф (линия влияния) совпадает с годографом (линией влияния) x.
Радиус цилиндра в уравнение преобразования входит через коэффициент заполнения и обобщенный параметр x, поэтому годограф r0 (линия влияния радиуса – штрихпунктирная линия) не совпадает с годографами x и . Следовательно, возможен раздельный контроль этих параметров – например, измерение электропроводности цилиндра при одновременном изменении его радиуса. Если в процессе контроля изменяется значение коэффициента заполнения при неизменном значении обобщенного параметра контроля, то рабочая точка будет смещаться по линии коэффициента заполнения (пунктирная линия на рис 3.7).
Таким образом, зная положение вектора вносимого напряжения на годографе (т.е. зная величины x и , которые определяют положение рабочей точки), можно качественно оценить изменение параметров сигнала измерительной обмотки ВТП при изменении параметров цилиндра. Если происходит увеличение длины вектора вносимого напряжения при перемещении по соответствующей линии влияния, значит пропорционально будет увеличиваться амплитуда вносимого напряжения (но не полного сигнала) на выходе измерительной обмотки. Изменение фазового угла вектора на годографе соответствует изменению фазы вносимого напряжения измерительной обмотки относительно какого-либо опорного напряжения с неизменной фазой. В вихретоковом контроле за такое опорное напряжение обычно принимают фазу тока в возбуждающей обмотке (в данном случае в соленоиде), которая совпадает с направлением оси . Нелишним будет напомнить, что в электротехнике положительным направлением отсчета фазовых углов принято считать направление против часовой стрелки. Так, например для значения обобщенного параметра x =3 и коэффициента заполнения =0,75 нормированное вносимое напряжение = 0,27-j0,38. При изменении обобщенного параметра до 4 (например, при возрастании электропроводности цилиндра) нормированное вносимое напряжение будет равно = 0,23-j0,47. Если полученные значения умножить на величину начальной ЭДС Е0 реального проходного ВТП, то мы получим значение вносимой ЭДС этого преобразователя. В общем случае вносимая ЭДС изменяется по закону . Если расчет по годографу дает параметры вектора вносимого напряжения в виде , то максимальную амплитуду вносимого напряжения можно определить как , а фаза вносимого напряжения равна . На рис.3.7 приведены годографы для трех фиксированных значений коэффициента заполнения = 0,5; 0,75 и 1,0. На практике реальные значения коэффициента заполнения могут быть произвольными (более того они находятся в основном в диапазоне 0,5). Для расчета нормированной вносимой ЭДС в этом случае необходимо взять на комплексной плоскости значение вносимого напряжения для заданного обобщенного параметра при величине =1,0 , а потом умножить это комплексное число на значение действительного коэффициента заполнения.
На рис.3.8 приведена комплексная плоскость проходного ВТП при контроле ферромагнитного цилиндра – она лежит в основном в первом квадранте и по размеру значительно больше аналогичной плоскости для немагнитного цилиндра (за счет влияния магнитных свойств). Годограф построен для коэффициента заполнения =1 и для трех значений относительной магнитной проницаемости =4; 8 и 10. Так же как в предыдущем случае, основные годографы на комплексной плоскости имеют тот же физический смысл – это линии влияния обобщенного параметра x и они же являются линиями влияния электропроводности. Магнитная проницаемость материала цилиндра входит в уравнение (3.33) двумя путями: непосредственно и через обобщенный параметр x, поэтому ее годограф не совпадает с линией электропроводности. При контроле ферромагнитного цилиндра при малых значениях обобщенного параметра (область низких рабочих частот, при этом ) выражение (3.33) можно упростить
, (3.34)
откуда видно, что параметры и являются инвариантами и одинаково влияют на изменение вносимого напряжения, т.е. при малых значениях обобщенного параметра линия влияния коэффициента заполнения и линия влияния магнитной проницаемости совпадают по направлению, а линия влияния электропроводности почти перпендикулярна к ним, что также говорит о возможности раздельного контроля этих параметров. При больших значениях обобщенного параметра угол между этими линиями значительно уменьшается, что говорит о невозможности раздельного контроля этих параметров.
В случае, если необходимо получить годограф для ферромагнитного цилиндра для значений коэффициента заполнения 1, его можно получить умножением координат годографа на рис.3.8. на значение . Переход от нормированных значений вносимого напряжения к ненормированным производится, как и в предыдущем случае, путем умножения на значение модуля начальной ЭДС измерительной обмотки. Сравнение рисунков 3.7 и 3.8 показывает, что во втором случае значения нормированной вносимой ЭДС значительно больше, чем в случае немагнитного цилиндра, особенно если учесть, что для большинства сталей относительная магнитная проницаемость 100.
Рис.3.8. Комплексная плоскость проходного ВТП при контроле ферромагнитного цилиндра в слабом равномерном магнитном поле
Диаграммы комплексного сопротивления параметрического ВТП при контроле длинного цилиндра в слабом равномерном магнитном поле, построенные в координатах и , где и - вносимые объектом контроля активное и реактивное сопротивление обмотки, а x0 – начальное значение реактивного сопротивления, не отличаются от соответствующих комплексных плоскостей трансформаторного ВТП (рис 3.7 и 3.8). Комплексные плоскости для короткого цилиндра и для трубы отличаются от приведенных на рис 3.7 и 3.8 – их можно найти в [1].
3.5. Чувствительность проходного ВТП к параметрам цилиндра
Для решения практических задач вихретокового контроля необходимо знать чувствительность ЭДС измерительной обмотки к влияющим факторам. В измерительной технике существует общее понятие чувствительности. Любой процесс или объект можно представить в виде так называемого «черного ящика». На этот «черный ящик» осуществляют воздействие известные физические параметры (давление, температура, магнитное или электрическое поле - т.е. воздействие можно представить как многомерный вектор), что приводит к изменению параметров выходного многомерного вектора (чаще всего это параметры электрического сигнала). Исходя из такого представления, для задач контроля качества можно предложить следующее определение - чувствительность преобразователя к влияющему фактору это предел отношения нормированного изменения выходной величины преобразователя к вызвавшему его бесконечно малому нормированному изменению влияющего параметра.
В соответствии с таким определением чувствительность проходного ВТП к радиусу, электропроводности и магнитной проницаемости равна соответственно:
; (3.35)
; (3.36)
. (3.37)
Подставив в (3.35) - (3.36) значение из (3.33) получаем:
; (3.38)
; (3.39)
. (3.40)
Поскольку значения чувствительности из (3.38)-(3.40) являются комплексными величинами, для их анализа в графическом виде используется комплексная плоскость. На рис. 3.9, 3.10 и 3.11 показаны комплексные плоскости чувствительности к электропроводности , диаметру и магнитной проницаемости , построенные при коэффициенте заполнения =1.
Используя выражения (3.38) - (3.40) и графики на рис 3.9 – 3.11, можно найти величину сигнала ВТП, обусловленную небольшим приращением параметра по формуле:
, (3.41)
где Е0 – начальное напряжение ВТП; - чувствительность к p-тому параметру при заданном значении обобщенного параметра x = kr0; - нормированное изменение p-го параметра; - коэффициент заполнения.
Так, например, если при контроле немагнитного цилиндра при коэффициенте заполнения = 0,5 электропроводность материала цилиндра изменится на 1 % (р*= 0,01), то при обобщенном параметре х=кr0=2,5 это вызовет изменение ЭДС измерительной обмотки на
= .
Если начальная ЭДС Е0 = 1 вольт, то .
Важным влияющим фактором, подлежащим контролю, является нарушение целостности структуры объекта контроля – дефекты. Нарушения сплошности структуры не входят в уравнение (3.33). При детальном рассмотрении дефекты характеризуются набором параметров, определяющих размеры и координаты, поэтому нужен особый подход при оценке чувствительности ВТП к параметрам дефекта. Более простым вариантом является анализ дефектов простой формы в протяженном цилиндре – рис.3.12. Длина дефекта равна длине цилиндра, дефект типа А характеризуется только глубиной hд и не имеет раскрытия (идеализированный дефект - стенки дефекта параллельны друг другу но не имеют электрического контакта). Дефект типа Б имеет в сечении треугольный профиль и характеризуется глубиной hд и раскрытием 2b. Для оценки подповерхностного дефекта типа В необходимо учитывать глубину залегания дефекта д.
Вывод аналитической зависимости, связывающей параметры дефекта (длину, глубину и раскрытие) с ЭДС измерительной обмотки проходного ВТП, является сложной задачей даже в случае дефектов простых геометрических форм. При решении таких задач получаются граничные условия, при которых не удается подобрать систему координат так, чтобы можно было применить метод Фурье для разделения переменных.
В связи с трудностью получения строгих аналитических решений прибегают к использованию различных приближенных решений, которые оказываются справедливыми только в некоторых частных случаях.
Рис.3.12. Круглый протяженный цилиндр с дефектами:
2b – ширина дефекта (раскрытие дефекта); hд – глубина дефекта; д – глубина залегания подповерхностного дефекта
Например, для узкого бесконечно длинного разреза малой глубины (дефект типа А на рис 3.12) Сухоруков В.В. методом конформных отображений получил приближенное выражение, связывающее ЭДС измерительной обмотки, вызванное дефектом типа А с глубиной трещины:
, (3.42)
где - нормированная глубина дефекта. Выражение (3.42) справедливо для дефектов глубиной и для значений обобщенного параметра x2,5. Вносимая дефектом ЭДС при этом определяется с погрешностью, не превышающей 35% по модулю и 10% по фазе, т.е. данное выражение обладает невысокой точностью и не применимо при х >2,5 (как будет показано ниже, в вихретоковой дефектоскопии диапазон рабочих значений обобщенного параметра 2<x<10).
Исследование связи выходных параметров ВТП с влияющими параметрами дефекта в широком диапазоне обобщенных параметров и размеров дефекта проводят с использованием приемов физического и математического моделирования.
При физическом моделировании процессы в оригинале и в модели имеют одинаковую физическую природу. В качестве физических моделей применяют образцы с искусственными дефектами и ртутные модели. Исследования на моделях в виде образцов с искусственными дефектами трудоемки, имеют низкую точность из-за разброса электромагнитных свойств образцов и трудности получения дефектов с заданными размерами. Так, например, при изготовлении искусственных дефектов методом фрезерования, материал в стенках дефекта уплотняется и его электропроводность и магнитная проницаемость могут отличаться от свойств материала в трещине, которая развилась естественным путем (допустим, в результате усталостных явлений в металле или при термообработке детали). Поэтому искусственные дефекты стараются получать методами, приближенными к реальным условиям эксплуатации детали - например, электроэрозионным способом или путем циклического многократного механического нагружения детали вплоть до развития усталостных трещин, что является очень трудоемкой технологией.
При использовании ртутных моделей используется то свойство, что ртуть электропроводный металл, но жидкий при комнатной температуре. Ртуть наливают в стеклянную колбу, поверх которой размещают обмотки проходного ВТП. Дефекты в цилиндре из ртути моделируют, вставляя во внутренний объем цилиндра пластинки из диэлектрического материала. Размеры пластинки определяют размеры дефекта, меняя размеры пластинки и форму сечения, можно моделировать размеры дефектов, в том числе подповерхностных.
В математических моделях общим с оригиналом является то, что происходящие в них процессы описываются одинаковыми математическими уравнениями. Для анализа процессов, происходящих в ВТП, используют математические модели двух типов: модели на основе сплошных сред и сеточные модели. В качестве сплошных сред для моделей применяют твердые и жидкие среды, обладающие свойствами проводников или полупроводников (металлические листы, полупроводящая бумага), в качестве жидких сред используют электролиты. Модели на основе сплошных сред пригодны для анализа процессов в неферромагнитных средах. Их достоинством является простота конструкции и приемлемая для практики точность получаемых результатов.
Сеточные модели представляют собой сетки, составленные из резисторов и конденсаторов. Уравнения, описывающие процессы в сеточной модели, совпадают с конечно-разностной аппроксимацией уравнений электромагнитного поля.
При появлении дефекта в цилиндре происходит искажение линий вихревых токов – они удлиняются, т.к. вынуждены огибать дефект. При этом происходит падение плотности вихревых токов в поверхностном слое цилиндра, следовательно, уменьшается модуль вносимого напряжения. Применительно к комплексной плоскости вносимого напряжения (рис.3.7 и 3.8) это означает, что на годографе рабочая точка, соответствующая параметрам бездефектного цилиндра, при появлении дефекта всегда будет смещаться во внутреннюю область годографа (в направлении начала координат). Величина и фазовый угол этого смещения будут определяться размерами и формой дефекта. Изображать сигналы от дефекта в виде вектора на основной комплексной плоскости не принято, т.к. эти векторы малы по амплитуде. Для удобства пользования принято изображать годографы ЭДС, вносимой дефектом при разных значениях обобщенного параметра, на отдельной комплексной плоскости с общим условным началом координат (векторы как бы стянуты в общий пучок).
На рис 3.13 на комплексной плоскости показаны годографы поверхностных дефектов (типа А – рис.3.12) в немагнитном цилиндре при коэффициенте заполнения = 1 (годографы получены В.В.Сухоруковым расчетным путем на модели из электропроводящей бумаги). Годографы приведены для трех значений нормированной глубины дефекта = 0,2; 0,15 и 0,1 в диапазоне обобщенного параметра от 1 до 10. Линии, соединяющие точки с равными значениями обобщенного параметра (пунктирные линии), являются линиями влияния глубины дефекта. При х < 3 это прямые линии, значит, при изменении глубины дефекта фаза сигнала от дефекта практически не меняется.
Рис.3.13. Годографы ЭДС, вносимой поверхностным длинным дефектом в немагнитном цилиндре
При х > 3 линии глубины дефекта искривлены, следовательно, изменение глубины дефекта сопровождается изменением фазы сигнала. Из рисунка видно, что фаза ЭДС, вносимая дефектом, изменяется примерно на 90о в данном диапазоне обобщенного параметра. Максимальное значение чувствительности к дефектам получается при обобщенном параметре х = 2-4. В целом же во всем диапазоне обобщенного параметра чувствительность меняется не более чем в 3 раза, что говорит о возможности вихретокового контроля дефектов в цилиндре в широком диапазоне частот либо контроля на одной частоте цилиндров разного радиуса (но приблизительно одинаковой электропроводности).
Приведенные годографы построены для коэффициента заполнения = 1, уменьшение коэффициента приводит к пропорциональному уменьшению вносимой дефектом ЭДС без изменения фазовых соотношений.
Сигналы от дефектов в ферромагнитном цилиндре при перемагничивании в слабых полях, когда = нач = const , могут быть определены по годографу для немагнитных цилиндров. Определяемые при этом сигналы должны быть увеличены по модулю в нач раз. Вносимая ЭДС определяется для обобщенных параметров ферромагнитного цилиндра. При одинаковых размерах, частоте и удельной электропроводности обобщенный параметр для ферромагнитного цилиндра получается в раз больше, чем для немагнитного цилиндра.
Годографы влияния раскрытия дефекта (дефект типа Б) и годограф для подповерхностного дефекта (дефект типа В) приведены в [1].
3.6. Теория накладного ВТП
Общая методика получения аналитической зависимости, связывающей параметры объекта контроля с параметрами ЭДС измерительной обмотки, изложена в разделе 3.3. При анализе накладного ВТП самым простым случаем будет модель в виде преобразователя, круглые обмотки которого состоят из одновитковых катушек (сечением катушки можно пренебречь), расположенных над полупространством (электропроводная пластина бесконечной толщины) без учета краевого эффекта.
Рассмотрим зависимость ЭДС одновитковых катушек (рис.3.14), расположенных над проводящим полупространством, от параметров этого пространства.
Для определения зависимости между параметрами объекта контроля и параметрами возбуждающей и измерительной обмотки необходимо
Рис.3.14. Одновитковые катушки над проводящим полупространством: 1-обмотка возбуждения; 2-измерительная обмотка; Rв и Rи – радиусы возбуждающей и измерительной катушек; 3-объект контроля; hв и hи – расстояние между плоскостью катушек и поверхностью объекта контроля
решить волновое уравнение для векторного потенциала поля в цилиндрической системе координат
, (3.43)
где плотность сторонних токов стор определяется возбуждающим током в обмотке возбуждения.
Решение уравнения (3.43) получается в виде несобственных интегралов, которые через элементарные функции не выражаются. Поэтому решение проводят численными методами, рассчитывая несобственные интегралы на ЭВМ.
На рис.3.15,а представлена комплексная плоскость нормированного вносимого напряжения измерительной обмотки при расположении витков возбуждающей и измерительной обмотки над проводящим немагнитным полупространством. Характер годографа определяется двумя параметрами: обобщенным параметром контроля
(3.44)
и нормированным зазором
. (3.45)
Как видно из рис.3.15,а, в случае накладного ВТП точка перегиба годографа находится при значении обобщенного параметра порядка 3-5, в то время как для проходного ВТП перегиб, как правило, происходит при x=2,5. С ростом зазора амплитуда вносимого напряжения резко уменьшается, при этом несколько меняется и фаза, поэтому линии зазора (или линии отвода ВТП – пунктирные линии на рис.3.15,а) не являются прямыми. Основные линии годографа, так же как и в случае проходного ВТП, носят название линия влияния обобщенного параметра или линия влияния электропроводности. Самая большая по размеру линия обобщенного параметра соответствует нулевому нормированному зазору h*, при увеличении зазора величина вносимого напряжения падает и рабочая точка смещается к началу координат по линии зазора. Как следует из (3.34) обобщенный параметр накладного ВТП (в отличие от проходного) зависит от радиуса возбуждающей обмотки, т.к. этот размер определяет размер контура на поверхности объекта контроля, в котором плотность вихревых токов максимальна.
На рис.3.15,б показана комплексная плоскость вносимой ЭДС накладного ВТП при контроле ферромагнитного полупространства. Как следует из рис.3.15,б при малых значениях обобщенного параметра (<1,5) возможен раздельный контроль электропроводности и магнитной проницаемости, т.к. линии влияния электропроводности и магнитной проницаемости (пунктирные линии) идут под углом друг к другу. При увеличении годографы электропроводности и магнитной проницаемости сливаются и разделить влияние и невозможно.
а б
Рис.3.15 Годограф вносимого напряжения для накладного ВТП при контроле неферромагнитного (а) и магнитного (б) полупространства
Если накладной ВТП установлен над электропроводным листом, то на ЭДС измерительной обмотки будет оказывать дополнительное влияние толщина листа Т. Годографы вносимой ЭДС для этого случая приведены на рис.3.16 , при этом обобщенный параметр при =1, а относительная толщина листа .
Для случая нулевого зазора (h* 0) на рис.3.16 изображены сплошными линиями годографы для двух крайних случаев: немагнитного полупространства (T* ) и бесконечно тонкого листа (T* 0). Годограф для бесконечно тонкого листа представляет собой полуокружность радиусом 0,5 с центром в точке (0, –j0,5). Для всех промежуточных значений толщины листа положение вектора вносимого напряжения изменяется по линиям влияния толщины (штрих пунктирные линии). Таким образом, для каждой пары значений обобщенного параметра и толщины Т* можно указать линию влияния зазора, линию влияния толщины листа и линию влияния электропроводности (толстая линия приведена для значения Т*=0,05). Как видно из рис.3.16 линии влияния трех указанных параметров не совпадают и находятся под достаточным углом, что говорит о возможности раздельного контроля этих параметров.
Рис.3.16. Годографы относительного вносимого напряжения при контроле неферромагнитного листа толщиной Т
Вносимое полупространством напряжение при изменении нормированного зазора h* изменяется примерно по экспоненциальному закону
, (3.46)
где – вносимое нормированное напряжение при h* =0.
3.7.Отстройка от влияния мешающих факторов при вихретоковом контроле
Выходной информационной величиной вихретоковых преобразователей может служить амплитуда, фаза, активная и реактивная составляющая вносимого напряжения ВТП, модуль или составляющие вносимого сопротивления параметрического ВТП, резонансная частота контура, содержащего ВТП. Выбор информационной величины определяется поставленной задачей и условиями контроля. В зависимости от числа учитываемых параметров контроля различают однопараметровый, двухпараметровый и многопараметровый контроль.
Однопараметровый контроль является простейшим вариантом контроля и применяется тогда, когда влияние контролируемого параметра на выходную величину ВТП существенно больше влияния других параметров. Пример однопараметрового контроля – измерение диаметра цилиндрического изделия (проволока, пруток, труба). Выбрав рабочую частоту тока возбуждения достаточно высокой и обеспечив большой обобщенный параметр контроля (x>200), можно добиться почти максимальной чувствительности к радиусу цилиндра и резкого снижения чувствительности к электропроводности объекта контроля (рис.3.9 и 3.10). На практике однопараметровые задачи встречаются редко.
Двухпараметровый контроль является более распространенным и встречается в том случае, когда сильное влияние на выходные параметры ВТП оказывают два параметра – контролируемый и мешающий. Для снижения мешающего параметра на результат контроля используют специальные способы и приемы, которые называют “подавлением мешающего фактора” или “отстройкой от мешающего фактора” – способы эти будут рассмотрены ниже.
Двухпараметровый контроль основан на анализе годографов вносимого напряжения ВТП и выборе оптимальных режимов контроля в сочетании со специальными методами подавления мешающего фактора.
Многопараметровый контроль используется в тех случаях, когда число мешающих факторов больше двух. Это наиболее сложный класс задач вихретокового неразрушающего контроля, – например, задачи толщинометрии при одновременном изменении зазора между ВТП и объектом контроля или задачи дефектоскопии при наличии дефектов различной формы и ориентации и магнитных неоднородностей на поверхности объекта контроля.
Вихретоковое устройство неразрушающего контроля в информационном смысле можно представить состоящим из четырех частей (рис.3.17).
Совокупность влияющих на ВТП факторов можно представить в виде многомерного вектора , у которого только одна или несколько составляющих (например, X1 и X2) являются полезными, а все остальные мешающими. Из мешающих факторов одни (например X3...Xi) связаны с объектом контроля, а другие (например Xi+1...Xn) нет. К числу факторов, связанных с объектом контроля, относят неоднородности магнитной проницаемости и электропроводности, колебания геометрических размеров объекта контроля, нарушение сплошности (дефекты).
Рис.3.17. Информационное представление вихретокового средства контроля качества: 1-объект контроля; 2-ВТП; 3-аналоговые преобразователи сигналов; 4 – цифровые преобразователи сигналов; 5- исполнительные устройства; - возбуждающий генератор
Из факторов, не связанных с объектом контроля, нужно учитывать наводки промышленной сети 50 Гц, вибрацию преобразователя, передаваемую ему от технологического оборудования и изменение температуры объекта контроля и ВТП.
Влияющие факторы осуществляют модуляцию выходных параметров ВТП, в результате чего на выходе образуется многомерный сигнал, который можно рассматривать как m – мерный вектор, составленный из компонентов Y1...Ym.
При возбуждении ВТП одной частотой у него имеется только два независимых параметра, которые могут подвергаться модуляции влияющими факторами. Для трансформаторного ВТП это амплитуда и фаза вносимой ЭДС а для параметрического ВТП – активная и реактивная составляющие импеданса обмотки. Следовательно, на выходе ВТП, работающего на одной частоте возбуждения, может быть получен только двумерный сигнал. Если для создания возбуждающего поля использовать N частот, то мерность выходного сигнала возрастет до 2N. Это положение справедливо при работе с немагнитными объектами контроля. При работе с ферромагнетиками в сильных и средних полях за счет сильного влияния гистерезиса спектр измерительной обмотки содержит нечетные гармоники, каждая из которых содержит два информативных параметра – амплитуду и фазу (по физической сути это уже упоминавшийся в разделе 2.6.9 метод высших гармоник). Теоретически при этом количество информативных параметров равно бесконечности при одночастотном возбуждении. Можно рассуждать об анализе 101 гармоники, но поскольку амплитуда гармоник быстро падает с увеличением номера гармоники, то на практике ограничиваются анализом 3, 5 и 7 гармоник, что дает число информативных параметров (с учетом основной первой гармоники) от 4 до 8 и позволяет успешно решать многие задачи при контроле ферромагнитных деталей.
При небольших изменениях влияющих факторов, что обычно имеет место при допусковом контроле (параметры объекта контроля отклоняются от своего номинального значения в пределах допуска), можно считать зависимость компонент сигнала ВТП от влияющих факторов линейной и полагать
(3.47)
где – Sji - чувствительность j-ого выходного параметра преобразователя к i-ому влияющему фактору; Y1...Ym - выходные параметры преобразователя; X1...Xn - влияющие факторы.
Далее многомерный сигнал ВТП поступает на аналоговый преобразователь 3, который осуществляет преобразование сигнала из одной аналоговой формы в другую (фазу – в напряжение, амплитуду – в постоянное напряжение) и изменение его масштаба (усиление). Аналоговый преобразователь 3 в общем случае содержит m параллельных каналов, которые, объединяясь выходами в различных комбинациях, образуют n результирующих выходов. Этот n- мерный сигнал аналогового преобразователя далее поступает на дискретный преобразователь 4, в котором осуществляется его нормирование по уровню, кодирование и обработка в цифровом виде в микропроцессоре.
На выходе дискретного преобразователя 4 формируется сигнал, мерность которого равна числу контролируемых параметров изделия. Каждая компонента сигнала выводится по своему каналу, подключенному к соответствующему исполнительному устройству 5. В частном случае дискретный преобразователь может отсутствовать, а аналоговый преобразователь управляет только одним исполнительным устройством.
В зависимости от места подавления мешающих факторов можно выделить четыре основные группы способов подавления:
- способы, основанные на исключении мешающих факторов;
- способы подавления, реализуемые в ВТП;
- способы подавления, выполняемые в аналоговом преобразователе;
- способы подавления, выполняемые в дискретном преобразователе.
3.7.1. Способы исключения мешающих факторов. Среди способов исключения влияния мешающих факторов наибольшее распространение получили намагничивание объекта контроля, фиксация ВТП относительно объекта контроля и создание сильных магнитных полей.
При контроле ферромагнитных изделий, ес ли магнитная проницаемость не является информативным параметром, применяют намагничивание изделия до состояния технического насыщения, при этом дифференциальная магнитная проницаемость составляет несколько единиц и изменяется незначительно. Намагничивание применяется во всех дефектоскопах с проходным ВТП для контроля магнитных прутков и труб. При этом намагничивают не все изделия в целом, а только тот участок, который находится в зоне контроля ВТП. Однако даже в этом случае требуется значительная мощность намагничивающего устройства, что увеличивает габариты, вес ВТП и мощность, потребляемую дефектоскопом. Так, при контроле стальных труб диаметром от 15 до 50мм вес ВТП с намагничивающей обмоткой достигает 30кг, а мощность намагничивающего устройства достигает 100Вт.
Для исключения помех, вызываемых наводками промышленной сети, необходимо обеспечить в зоне контроля ВТП минимальную напряженность возбуждающего поля. Практика показала, что такая напряженность обеспечивается при мощности возбуждающего генератора от 0,5 (для переносных дефектоскопов с автономным питанием) до 5 Вт в стационарных моделях.
Для исключения влияния на результат контроля изменений взаимного положения преобразователя и объекта контроля стабилизируют положение изделия (когда преобразователь имеет фиксированное положение) или стабилизируют положение преобразователя относительно
изделия, когда изделие не может принимать фиксированного положения. В первом случае (как правило, при контроле прутков и труб в проходных ВТП) применяют направляющие и фиксирующие устройства в виде втулок и роликов (рис.3.18а
а б
Рис.3.18. Способы стабилизации взаимного положения ВТП и объекта
контроля. 1-ВТП; 2-объект контроля; 3-направляющие ролики; 4-прокладка для стабилизации зазора, Р – сила прижима
Во втором случае (при использовании накладных ВТП) используют фиксирующие прокладки между ВТП и объектом контроля (рис.3.18б), при этом ВТП прижимается к объекту контроля с силой Р. Известно также применение следящих систем, стабилизирующих величину зазора по показаниям специальных датчиков зазора.
3.7.2.Подавление мешающих факторов в ВТП. Подавление мешающих факторов в ВТП основано на оптимизации его уравнения преобразования. Критерием оптимальности при этом служит минимум чувствительности выходных параметров ВТП к мешающим фактором. Оптимизация уравнения преобразования достигается выбором частоты и напряженности возбуждающего поля, а также конструкцией ВТП. Возможность подавления влияющих факторов выбором частоты возбуждающего поля впервые была показана Ф. Фёрстером. Им, в частности, было показано, что при обобщенных параметрах контроля, близких к 2,5, чувствительность к электропроводности значительно больше, чем к диаметру прутка, а при обобщенных параметрах более 10 - наоборот.
При достаточно сильной напряженности возбуждающего поля при контроле ферромагнетиков начинает проявляться нелинейность зависимости индукции от напряженности, что вызывает появление высших гармоник в выходном сигнале ВТП. Каждая высшая гармоника, в свою очередь обладает парой информационных параметров - амплитудой и фазой, что образует дополнительную мерность сигнала преобразователя и создает дополнительную возможность для подавления мешающих факторов. Широкое распространение для отстройки от мешающих факторов получили конструктивные приемы. Важнейшим из них является использование дифференциального преобразователя, реализующего метод самосравнения, т.е. сравнение физических свойств двух соседних участков или соседних сечений контролируемого изделия (представьте, что в преобразователе, приведенном на рис.3.2,а, имеется две измерительных обмотки, включенных последовательно встречно).
122
2. Статья- Лексическая семантика и дискурс
3. Сочи2014 от Шадринска и передаст его Уфе
4. Тема- Сущность и методы анализа кадрового потенциала Содержание Введение 1
5. Создание дизайн-макета рекламно-полиграфической продукции
6. Электр тогыны~ т~рлері
7. Развитие сердца на примере амфибий
8. Тенденции и направления административной реформы в Украине
9. Контрольная работа Экономикогеографическая характеристика Сибирской металлургической базы
10. Управление материальными ресурсами предприятия
11. Русский театр Издательство Парнас 1993
12. Культурология для всех направлений и профилей бакалавриата а также для всех форм обучения обсуждён и одоб
13. Коньюктура рынка и маркетинговая логистика
14. Актуальные направления исследований в управлении персоналом
15. Курсовая работа- Малое предпринимательство в Костанайской области
16. производное среднего мозгового пузыря
17. При химических реакциях обязательно происходит изменение веществ при котором рвутся старые и образуются но
18. Реферат- Флобер Гюстав
19. Промышленное развитие Германии в 18 веке
20. Фототрансформирование по установочным данным Трансформирование с помощью фототрансформаторов ФТА Rectimt