Физические основы вихретокового метода контроля
Работа добавлена на сайт samzan.net:
3. ВИХРЕТОКОВЫЕ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ
3.1. Физические основы вихретокового метода контроля.
С помощью вихретокового метода контроля (ВТМ) решают следующие задачи контроля:
- дефектоскопия (обнаруживают дефекты типа несплошностей, выходящих на поверхность или залегающих на небольшой глубине (в электропроводящих листах, прутках, трубах, проволоке, рельсах и т.д.), при благоприятных условиях контроля и малом влиянии мешающих факторов удается выявить трещины глубиной 0,1 – 0,2 мм, протяженностью 1 – 2 мм).
- контроль геометрических параметров (измерение диаметра проволоки, прутков и труб, толщину металлических листов и стенок труб, толщину покрытий).
- структуроскопия материалов и изделий (контроль химического состава, твердости, электропроводности, внутренних напряжений в металле, качество термической и химико-термической обработки, состояние поверхностных слоев после механической обработки (шлифование), сортировка металлических материалов и графитов по маркам).
- обнаружение нежелательных электропроводящих предметов и включений в заданном объеме – например, на конвейерных линиях при загрузке руды, различных смесей. В гражданской авиации вихретоковые металлообнаружители используются для предполетного досмотра авиапассажиров с целью выявления металлических предметов, запрещенных для перевозки на воздушном транспорте. Современные металлообнаружители имеют высокую вероятность обнаружения запрещенных металлических предметов и выдают сигнал тревоги при нахождении у авиапассажиров бытовых металлических предметов личного пользования (монеты, часы) весом до 200 г.
Вихретоковые методы основаны на анализе взаимодействия внешнего электромагнитного поля с электромагнитным полем вихревых токов, наводимых возбуждающей катушкой в электропроводящем объекте контроля (рис. 3.1).
Возбуждение вихревых токов в изделии осуществляется с помощью обмотки, по которой пропускается электрический ток. Эта обмотка называется возбуждающей. Затем осуществляется преобразование электромагнитного поля вихревых токов в электрические сигналы с помощью другой катушки, называемой измерительной. Возбуждающая и измеряющая катушки представляют собой вихретоковый преобразователь. Сигнал, формируемый измерительной обмоткой, является многопараметровый, что определяет достоинства и недостатки метода. С одной стороны, это возможность контроля многих параметров, а с другой, - при контроле одного из параметров влияние остальных на сигнал преобразователя становится мешающим, поэтому необходима отстройка от влияния мешающих факторов.
Особенности вихретокового контроля:
- многопараметровость;
- бесконтактность - проведение контроля без контакта преобразователя и объекта, что позволяет автоматизировать процесс контроля и увеличить срок службы преобразователя. Их взаимодействие происходит обычно на расстояниях, достаточных для свободного движения преобразователя относительно объекта (до нескольких миллиметров). Поэтому этими методами можно получать хорошие результаты контроля даже при высоких скоростях движения объектов (пример: контролируем толщину стенки трубы: во время движения объекта преобразователь фиксирует те значения, которые нас интересуют, например толщину, меньше допустимой);
- на сигналы преобразователя практически не влияют влажность, давление и загрязненность газовой среды, радиоактивные излучения и загрязнения поверхности объекта контроля непроводящими веществами, что исключает процесс подготовки поверхности контролируемого объекта;
- простота конструкции преобразователя – еще одно преимущество метода, благодаря чему преобразователи устойчивы к механическим и атмосферным воздействиям, могут работать в агрессивных средах и в широком интервале температур и давлений.
Недостатком метода является то, что контролю могут подвергаться только электропроводные объекты: металлы, сплавы, графиты, полупроводники и контролируется лишь тонкий поверхностный слой.
3.2. Конструкции вихретоковых преобразователей
По рабочему положению относительно объекта контроля преобразователи делят на проходные, накладные, экранные и комбинированные.
Проходные вихретоковые преобразователи (ПВТП) делят на наружные, внутренние и погружные. Отличительная особенность ПВТП состоит в том, что в процессе контроля они проходят либо снаружи объекта, охватывая его (наружные, рис. 3.2, а-в), либо внутри объекта (внутренние, рис.3.2, г-д), либо погружаются в жидкий электропроводный объект (погружной, рис. 3.2, е).
Рис.3.2. Проходные ВТП: 1 - объект контроля; 2- возбуждающая обмотка;
3 – измерительная обмотка
В ПВТП с однородным магнитным полем в зоне контроля радиальные смещения однородного объекта контроля не влияют на выходной сигнал преобразователя. Практически для создания однородного магнитного поля длина Lb возбуждающей обмотки должна не менее чем в 3-4 раза превышать ее диаметр Db, а длина Lи измерительной обмотки, размещенной в середине возбуждающей обмотки, должна быть значительно меньше длины последней(рис.3.2,а). Однородное поле получают также, применяя возбуждающую обмотку в виде двух коротких, последовательно соединенных катушек, плоскости которых находятся на расстоянии d (так называемые кольца Гельмгольца), причем Lи 2d, Dи 2d (рис. 3.2, в). ПВТП применяют, в основном, для контроля тел простой формы - прутков, труб.
Накладные ВТП (НВТП) представляют собой одну или несколько катушек, к торцам которых подводится поверхность объекта контроля (рис.3.3). НВТП выполняют с ферромагнитными сердечниками или без них.
Рис.3.3 Накладные ВТП: 1 - сердечник; 2 - обмотка возбуждения; 3 - измерительная обмотка; 4 –объект контроля
Благодаря сердечнику (обычно ферритовому) несколько повышается абсолютная чувствительность преобразователя и уменьшается зона контроля за счет локализации магнитного потока. НВТП применяют для контроля листовых материалов либо тел сложной формы при одностороннем доступе к объекту контроля.
В экранных ВТП (ЭВТП) возбуждающая и измерительные обмотки разделены контролируемым объектом (рис.3.4).
Рис. 3.4. Экранный ВТП: 1-объект контроля; 2- возбуждающая обмотка; 3- измерительная обмотка
ЭВТП применяют для контроля листовых материалов при двустороннем доступе к объекту контроля.
Комбинированные ВТП (КВТП) представляют собой комбинацию накладных и проходных ВТП, используются для снижения влияния мешающих факторов и могут содержать значительное количество обмоток.
Рис.3.5. Комбинированный ВТП: 1 - объект контроля; 2 - обмотка возбуждения; 3 - измерительная обмотка
В приведенных на рис 3.5 простейших вариантах КВТП для контроля изделия типа цилиндра или трубы для обеспечения контроль всей боковой поверхности детали необходимо (при постоянной линейной осевой скорости движения объекта контроля) вращать вокруг оси либо сам объект контроля, либо накладную измерительную обмотку. При этом сканирование поверхности происходит по винтовой линии. На практике для увеличения производительности контроля используют одновременно несколько накладных измерительных обмоток. Это позволяет увеличить линейную скорость движения объекта контроля, т.е. увеличить производительность контроля, при этом сканирование поверхности объекта контроля происходит по многозаходной винтовой линии.
В зависимости от способа преобразования информации ВТП делят на параметрические и трансформаторные. У параметрических ВТП функции возбуждающей и измерительной обмоток совмещены в одной обмотке, выходным параметром является импеданс этой обмотки. У трансформаторных ВТП имеется как минимум две обмотки, одна из которых возбуждающая, а другая - измерительная. Выходным параметром трансформаторного ВТП является ЭДС его измерительной обмотки. Если измерительная обмотка одна и она несет всю информацию об объекте контроля, то такой ВТП называется абсолютным. При наличии двух измерительных обмоток, сигналы которых вычитаются, конструкция ВТП называется дифференциальным трансформаторным ВТП. В этом случае происходит сравнение свойств объекта контроля в двух соседних сечениях (в случае применения ПВТП) или на двух соседних участках объекта контроля (в случае применения НВТП) и выходной сигнал появляется только при наличии разности свойств. Изменение параметров электромагнитного поля и объекта контроля приводит к изменению импеданса параметрического ВТП либо к изменению фазы и амплитуды ЭДС измерительной обмотки трансформаторного ВТП.
3.3.Общие положения теории вихретоковых преобразователей
Для установления количественных соотношений между входными воздействиями и выходными сигналами ВТП исходят из того, что взаимодействие преобразователя с электропроводным объектом контроля описывается уравнениями Максвелла
, (3.1)
связывающими векторы напряженности магнитного и электрического поля с индукцией поля и плотностью полного тока поля. При перемагничивании в слабых полях (без учета гистерезиса) , тогда
. (3.2)
Проделаем операцию rot с левой и правой частью уравнения (3.1) и в результате получим:
. (3.3)
Как известно из векторной алгебры
(3.4)
пусть , тогда
. (3.5)
Из (3.5) получаем общее правило
. (3.6)
С учетом (3.6) выражение (3.3) можно записать в виде
. (3.7)
Т.к. , то (3.7) упрощается
. (3.8)
Если в исследуемой среде отсутствует движение заряженных частиц (V=0), плотность тока переноса , то плотность полного тока определится как
, откуда
, (3.9)
где - плотность сторонних токов (например, при наличии в ВТП других катушек с током или в случае, если ток протекает непосредственно по объекту контроля)
Подставляя (3.9) в (3.8) и учитывая (3.2), находим:
. (3.10)
Если и во времени изменяются по гармоническому закону
, то уравнение (3.10) может быть записано для комплексных амплитуд и в виде
, (3.11)
а с учетом (3.2)
(3.12)
Или в сокращенной форме
, (3.13)
где . (3.14)
В электропроводной среде
. (3.15)
В непроводящей среде ()
. (3.16)
Уравнение, подобное (3.13) можно получить и для векторного магнитного потенциала , определяемого выражением
. (3.17)
Подставим (3.17) в (3.1) в результате чего найдем:
, откуда
. (3.18)
Из уравнений (3.2) и (3.17) следует, что
. (3.19)
Откуда следует, что
. (3.20)
Подстановка (3.20) в (3.18) дает
, (3.21)
или с учетом (3.14)
. (3.22)
Величины H, B, E и H , характеризующие электромагнитное поле, на границе раздела двух сред с различными магнитными проницаемостями 1 и 2 подчиняются следующим условиям, называемым граничными условиями:
(3.23)
где индекс t относится к тангенциальной составляющей соответствующего вектора, а индекс n - к нормальной составляющей.
В результате решения уравнения (3.22) или (3.13) с использованием граничных условий (3.23) определяются численные характеристики поля или . Зная H, интегрированием по площади можно определить ЭДС в витке измерительной катушки, охватывающей эту площадь:
. (3.24)
Если в результате решения уравнения найден векторный потенциал А, то ЭДС в витке измерительной катушки определяется интегрированием по контуру витка
. (3.25)
3.4. Теория проходного вихретокового преобразователя. Одной из наиболее простых задач теории вихретоковых преобразователей является задача о бесконечно длинном круглом цилиндре в равномерном магнитном поле (поле бесконечно длинного соленоида). Электромагнитные свойства цилиндра определяются удельной электропроводностью и магнитной проницаемостью . Поскольку магнитная проницаемость нелинейно зависит от напряженности поля, то решение задачи для области средних и сильных магнитных полей является более сложным. Проще задача решается для слабых магнитных полей, при этом можно считать, что перемагничивание цилиндра происходит по безгистерезисному циклу и магнитные свойства цилиндра оцениваются начальной магнитной проницаемостью = нач.
Впервые решение такой задачи было предложено в 50-е годы немецким ученым Ф. Фёрстером - он установил аналитическую зависимость ЭДС и импеданса проходного ВТП от электромагнитных свойств и диаметра бесконечно длинного цилиндра в равномерном магнитном поле.
112
2. Изменение политической и социальной структуры Древнего Рима в 1-2 веках н
3. Полевой высокочувствительный экспресс-хроматограф «РУБИН» и разработанные на его базе газоаналитические комплексы
4. Шаруваті кристали рідкоземельних матеріалів
5. Хакасский государственный университет им
6. на тему- ldquo;Административноправовой статус иностранных лиц и лиц без гражд
7. Семь причин падения эффективности рекламы и как рекламироваться в современных условиях
8. Когда где и с какой попытки город Сочи был объявлен место проведения XXII Олимпийских зимних игр и XI Паралимп
9. Контрольная работа- Виды скидок и методы их расчета
10. Управление логистикой на предприятии торговли
11. Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики КОЛЛЕДЖ СВЯЗИ УТВЕРЖДАЮ
12. вариантов- Сортировка от А до Я или Сортировка от Я до А; в контекстном меню поля выбрать одну из команд- Со
13. 30 мин Собака должна совершить максимальное количество прыжков с плотным захватом Puller`а пастью
14. а используют дифференцированно в зависимости от возраста детей состояния их здоровья с учетом подготовле
15. Контрольная работа- Научная школа управления
16. Сравнительный анализ формы романсов различных композиторов на один текст
17. Тема занятия Молекулярное клонирование
18. 1Предмет экономической теории
19. Т треба жертва символ того что каждый человек может стать жертвой своего или чужого предела мышления;
20. канонічних та державноправових дисциплінректор ІваноФранківського університету права імені Короля Дани