Разработка методов и средств вихретокового контроля на основе использования нестационарных по направлению магнитных полей

Разработка методов и средств вихретокового контроля

19

УДК 620.179.14

А. Е ГОЛЬДШТЕЙН, В К. ЖУКОВ, С. А. КАЛГАНОВ

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ВИХРЕТОКОВОГО КОНТРОЛЯ НА ОСНОВЕ

ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НЕСТАЦИОНАРНЫХ ИО НАПРАВЛЕНИЮ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ

Описываются основные результата проводимых в лаборатории электромагнитного контроля НИИ интроскопии ТПУ работ по созданию вихретоковых приборов на основе возбуждения нестационарных по направлению магнитных полей.

В теории и практике вихретокового контроля известен ряд методов, основанных на использовании нестационарных по направлению магнитных полей, отличающихся от традиционных стационарных полей изменяющимся в процессе контроля пространственным направлением вектора напряженности возбуждающего магнитного поля. Высокие информативные возможности этих методов обусловлены возможностью получения информации при различных взаимных ориентациях вектора напряженности возбуждающего магнитного поля и объекта контроля. Благодаря этому может быть существенно повышено число информативных параметров вносимых напряжений вихретокового преобразователя и, как следствие, увеличено число контролируемых параметров или осуществлена отстройка от большего числа мешающих факторов. Информативные возможности и эффективность вышеуказанных методов были исследованы на примерах использования при решении задач определения физических параметров локальных проводящих объектов, вихретоковой дефектоскопии протяженных цилиндрических изделий, измерения перемещений.

1. Идентификация физических параметров проводящих объектов с использованием возбуждения разночастотных пространственных компонент магнитного поля

Как уже было отмечено, нестационарное по направлению магнитное поле характеризуется изменением в процессе контроля направления вектора напряженности. Изменение направления силовых линий поля проводится непрерывно, как в случае использования вращающегося магнитного поля, возбуждаемого путем запитывания ортогональных обмоток сдвинутыми по фазе синусоидальными токами [1, 2], так и дискретно - за счет поочередного подключения источника возбуждающего тока к ортогональным обмоткам.

Достоинством методов вращающегося поля является высокая информативность при относительной простоте реализации контроля: Например, о форме контролируемого металлического предмета, как показано в [1, 2], можно судить по форме фигуры, описываемой в пространстве концом вектора напряженности вторичного магнитного поля и являющейся таким образом отображением реального физического объекта.

Описанный выше метод идентификации проводящих объектов был реализован в разработанных лабораторией электромагнитного контроля НИИ интроскопии системах селективного обнаружения огнестрельного и холодного оружия ЭМД-01 и ЭМД-02.

Однако возможность столь простой интерпретации результатов измерений существует только при контроле либо слабопроводящих объектов, либо объектов со слабо выраженными магнитными свойствами.

В случае контроля ферромагнитных предметов с сильно выраженной зависимостью эффективной магнитной проницаемости от направления намагничивания, что проявляется в значительном различии (до 90°) фаз напряженности вторичного магнитного поля для различных направлений намагничивания и характерно для предметов сильно вытянутой или сплюснутой формы, получение достоверной информации о форме предмета описанным выше способом невозможно. Это объясняется тем, что вращающееся магнитное поле является результатом сложения стационарных по направлению магнитных полей одной частоты, векторы напряженности которых различаются по направлению и фазе. По результатам измерения вторичного магнитного поля невозможно определить его составляющие, обусловленные каждой составляющей возбуждающего магнитного поля, и вследствие этого невозможно решить обратную задачу определения геометрических и электромагнитных параметров объекта контроля.

От указанного недостатка свободны методы, основанные на возбуждении дискретно изменяющегося по направлению магнитного поля. В этом случае в каждый момент времени к источнику гармони-

20

А. Е. Гопьдштейн, В. К. Жуков, С. А, Калганов

ческого тока оказывается подключенной только одна из ортогональных обмоток возбуждения, чем исключается вышеупомянутая неоднозначность зависимости результатов электромагнитного взаимодействия возбуждающего поля с объектом контроля.

Однако данные методы имеют специфический недостаток, заключающийся в повышенной по сравнению с методами вращающегося магнитного поля длительности процесса контроля. Это обусловлено тем, что измерение пространственных компонент вторичного магнитного поля для различных направлений намагничивания объекта контроля производится поочередно. А с учетом неизбежного наличия переходных процессов в результате каждого переключения составляющих возбуждающего магнитного поля время контроля по методу дискретно-изменяющегося поля в 2-5 раз превышает время контроля по методу вращающегося магнитного поля. Кроме того, дискретно-коммутационный режим возбуждения поля делает практически неэффективным использование энергетически выгодного включения обмоток в колебательный контур, что позволяет при непрерывном режиме достигнуть повышения реактивной мощности в несколько десятков раз по сравнению с мощностью, потребляемой от источника питания.

Информативные возможности метода поочередного возбуждения пространственных компонент магнитного поля с достоинствами непрерывного возбуждения с точки зрения скорости и энергетических характеристик контроля позволяют объединить метод вихретокового контроля с возбуждением разночастотных пространственных компонент магнитного поля [3].

'¡Особенность метода заключается в возбуждении в контролируемой зоне магнитного поля с ортогональными по направлению, равными по амплитуде и различными по частоте пространственными составляющими напряженности:

Нх = #0 sin ш, í; Ну - Н0 sin со2 V, Я, = Я0 sin со31,

для чего может быть использована система ортогональных обмоток, питаемых гармоническими токами разных частот. При этом разница частот выбирается минимально возможной для частотного разделения сигналов, так что влиянием этого различия на взаимодействие магнитного поля с металлическим объектом можно пренебречь. В большинстве практических случаев разность частот Дсо = ш2 - cot = ю3 - со2 не превышает нескольких процентов значения средней частоты со2. Результирующее магнитное

поле при таком возбуждении можно классифицировать как нестационарное по направлению, поскольку результирующий вектор его напряженности изменяет свое направление в пространстве и описывает своим концом за время 2я/Дсо в объеме, ограниченном поверхностью куба с ребрами, равными удвоенным амплитудам пространственных составляющих напряженности магнитного поля, сложную замкнутую кривую.

Возбуждающее магнитное поле наводит в контролируемом проводящем объекте вихревые токи, амплитуды, фазы и объемное распределение которых зависят от электропроводности и магнитной проницаемости материала, а также размеров предмета, его формы и состояния поверхностного слоя. Анализ взаимодействия нестационарного по направлению магнитного поля (1) с проводящим объектом показывает, что на основе измерения многочастотных пространственных компонент магнитного поля вихревых токов и полученных решений системы уравнений, описывающей это взаимодействие, может быть решена обратная задача определения по результатам контроля электромагнитных и геометрических параметров объекта [3].

- Описанный выше метод контроля был реализован в системе идентификации проводящих объектов CHITO-OI, структурная схема которой показана на рис.1. Нестационарное по направлению магнитное поле возбуждается в зоне контроля вихретокового преобразователя (ВТП), имеющего три системы взаимоортогональных обмоток возбуждения. Для этого используются генераторы Гь Г2 и Г3 частот со,, ш2, со3, синхронизируемые генератором Г4 разностной частоты Лео. Измерение многочастотных пространственных составляющих поля вихревых токов, индуцируемых в

Рис. 1. Структурная схема системы идентификации проводящих объектов: Г,, Г2, Г3, Г4 - генераторы; ВТП - вихретоковый преобразователь; ИК - измерительные каналы; ЭВМ - электронная вычислительная машина

Разработка метода« и средств вихретокового контроля

21

объекте, осуществляется с помощью трех ортогональных систем измерительных обмоток. Для разделения в реальном времени контроля близких по частоте гармонических составляющих сигналов ВТП используются измерительные каналы (ИК), имеющие в своем составе избирательные цепи на основе весовых усредняющих фильтров с конечной импульсной характеристикой. Решение обратной задачи определения электрических и геометрических параметров контролируемых объектов осуществляется с использованием ЭВМ по одному из описанных в [3] алгоритмов, выбор которого определяется конкретными задачами и условиями контроля. Система контроля СИГ10-01 позволяет получить информацию об электромагнитных параметрах материала, находящегося в зоне контроля проводящего объекта, его форме, размерах, ориентации и местоположении в пространстве.

2. Использование нестационарного магнитного поля в задачах дефектоскопии

В настоящее время для дефектоскопии протяженных металлических изделий используются главным образом дефектоскопы с проходными дифференциальными и накладными вращающимися вихре-токовыми преобразователями, а также с вращающимся магнитным полем. Первые наиболее эффективны для выявления коротких дефектов, но не обеспечивают надежного обнаружения протяженных дефектов с малым градиентом изменения свойств в продольном направлении. Вторые не могут обеспечить приемлемого для цеховых условий зазора между преобразователем и контролируемым изделием. Этот же недостаток характерен и для дефектоскопов с вращающимся магнитным полем. Причиной этого является следующее. Вращающееся поле ВТП создается двумя токами обмоток возбуждения одной частоты, сдвинутыми по фазе на 90°. При радиальном смещении или перекосе контролируемого изделия относительно продольной оси вихретокового преобразователя в общем случае, когда направление смещения не совпадает с осями симметрии преобразователя, лежащими в ортогональной его продольной оси плоскости, вносимые напряжения измерительных обмоток обусловлены и той и другой квадратурными составляющими возбуждающего магнитного поля. Поэтому, в отличие от классического ВТП со стационарным по направлению магнитным полем, годографы сигналов ВТП с вращающимся магнитным полем от смещения изделия представляют собой не близкие к прямым линии (линии смещения), а кривые в виде эллипсов. По этой причине невозможна качественная отстройка от влияния радиальных смещений и перекосов контролируемого изделия относительно продольной оси ВТП, что делает практически невозможным использование дефектоскопа с вращающимся полем для контроля на больших скоростях некалиброванных прутков и труб, когда радиальные смещения достигают 10-15% от диаметра. Данный недостаток устраняется использованием ВТП с разночастотными пространственными компонентами магнитного поля [4]. Это обеспечивает возможность разделения реакций ВТП на взаимодействие с контролируемым объектом каждой из частотных составляющих возбуждающего магнитного поля и осуществления эффективной амплитудно-фазовой отстройки от радиальных смещений и перекосов. Данный метод был реализован в трех модификациях дефектоскопа: ВДП-401, ВДСП-402 и ВДП-403.

На рис.2 приведена структурная схема вихретокового дефектоскопа прутков ВДП-403, отличающегося от предыдущих модификаций улучшенной отстройкой от влияния на результаты контроля изменений электромагнитных свойств контролируемых изделий. ВТП дефектоскопа представляет собой систему многосекционных накладных обмоток (на рисунке показано поперечное сечение преобразователя). Возбуждающее магнитное поле с разночастотными пространственными составляющими создается двумя двухсекционными ортогональными обмотками возбуждения ОВ, и ОВ2, питаемыми от генераторов Г, и Г2 частот со( и со2, синхронизируемых сигналом генератора Г3 разностной частоты Асо = аь - Ю| :

t/i = U,„ sin Ю|/U2 = U„, sin a>2t.

Величина Acó пренебрежимо мала по сравнению с частотами токов возбуждения. Для обеспечения независимости результатов контроля от азимута дефекта ВТП содержит четыре многосекционные измерительные обмотки ИО, - И04. Измерительными каналами ИК, - ИК4, имеющими в своем составе амплитудно-фазовые детекторы и интегрирующие дискретизаторы, осуществляется качественное раз-

Рис.2. Структурная схема дефектоскопа: Г[, Г2, Г3 - генераторы; ОВ - обмотка возбуждения; ИО - измерительная обмотка; ВТП - вихретоковый преобразователь; ИК - измерительный канал

22

А. Е. Голъдштейн, В. К Жуков, С. А. Калганов

деление сигналов разной частоты и отстройка от влияния смещений и перекосов контролируемого изделия относительно продольной оси преобразователя. Вычислительным блоком, изготовленным на основе микропроцессора, выполняется вычислительная обработка сигналов ВТП, обеспечивающая независимость результатов контроля от азимута дефекта, смещений и перекосов контролируемого изделия, изменения его электромагнитных параметров.

Дефектоскоп ВДП-403 предназначен для автоматизированного контроля на наличие дефектов поверхностного слоя горячекатаных и холоднотянутых прутков и труб с внешним диаметром от 12 до 55 мм и имеет следующие основные технические характеристики:

-минимальные обнаруживаемые дефекты в виде продольной прорези длиной 40 мм, шириной 0,1 мм и глубиной 2,5% от внешнего диаметра;

- максимальное поперечное смещение контролируемого изделия от продольной оси преобразователя от 1 до 2 мм в зависимости от типоразмера;

- максимальная неравномерность чувствительности к дефектам во всем диапазоне смещений изделия - 25%;

-длина неконтролируемых концов изделия от 40 до 60 мм в зависимости от типоразмера;

- скорость контроля до 2 м/с;

-остаточная магнитная индукция в изделии после осуществления контроля - 0,03 Тл.

3. Использование нестационарного по направлению магнитного поля для измерения перемещений

В тех случаях, когда измеряемое перемещение можно связать с перемещением проводящего объекта ввиду целого ряда достоинств, большое распространение получили вихретоковые измерительные преобразователи. В частности, большое практическое приложение имеет разработка методов и преобразователей для измерения относительно больших перемещений (значительно превышающих размеры проводящего объекта). Такая задача возникает в случае необходимости определения пространственных координат локальных проводящих объектов в некоторой области пространства, при измерении уровня сыпучих и жидких веществ, когда их свойства позволяют применять в качестве чувствительного элемента поплавок с закрепленным на нем короткозамкнутым витком и т.п. Наибольшее распространение при решении подобных задач получили многоэлементные трансформаторные преобразователи с функциональным пространственным распределением чувствительности, когда обеспечивается зависимость амплитуды вносимой ЭДС измерительной обмотки или соотношения амплитуд вносимых ЭДС двух измерительных обмоток с периодическим пространственным распределением чувствительности к проводящему объекту. Во втором случае обеспечиваются более высокая точность и больший диапазон измерений, однако и эти параметры могут быть недостаточны для удовлетворения возрастающих требований практики. Например, при измерении уровня жидкостей в резервуарах требуется обеспечить погрешность, не превышающую нескольких миллиметров при изменении уровня в диапазоне нескольких десятков метров и весьма суровых эксплуатационных условиях. В этом случае наиболее эффективно применение ВТП с бегущим магнитным полем, характеризующимся прямо пропорциональной зависимостью фазы напряженности магнитного поля от линейной координаты [5, 6]. Высокие метрологические и эксплуатационные возможности метода измерения перемещений проводящих объектов на основе использования вихре-токового преобразователя с бегущим магнитным полем были показаны на примере решения задачи измерения уровней нефтепродуктов и подтоварной воды в резервуарах.

На рис.3 показана структурная схема уровнемера УПЭ-10, реализующего описанный выше метод. ВТП уровнемера представляет собой многополюсный синусно-косинусный трансформаторный преобразователь с бегущим магнитным полем. Обмотки возбуждения ВТП ОВ, и ОВ2 запитываются с генератора Г квадратурных напряжений переменными токами /, и /2, сдвинутыми по фазе на 90°:

/, = /„, sin со t; /2 = /„, cos ш t.

Рис. 3. Структурная схема уровнемера: Г - генератор; ОВ - обмотка возбуждения; КЗВ - короткозамкнутый виток; ИО - измерительная обмотка; И К - измерительный канал; МК -микроконтроллер

Алгоритмы нелинейного томосиптеза

23

преобразователя бегущего магнитного поля, характеризующегося линейной зависимостью фазы напряженности возбуждающего магнитного поля ср от осевой линейной координаты х:

Ф = хп/а,

где а - межполюсное расстояние.

На каждом межполюсном интервале трансформаторного ВТП имеется измерительная обмотка ИО, - ИО10. Обмотки ВТП охвачены короткозамкнутым витком КЗВ, укрепленным на перемещающемся с измеряемым уровнем поплавке. ЭДС наводятся в тех ИО, вблизи которых находится КЗВ. При этом фазы вносимых напряжений связаны с измеряемым перемещением той же формулой (4), что и фаза напряженности возбуждающего магнитного поля. Измерительным каналом ИК осуществляется аналоговая обработка сигналов ВТП и цифровое измерение фазы вносимых напряжений. Вычислительным блоком, выполненным на основе микроконтроллера МК, осуществляется расчет уровня жидкости в резервуаре на основе совместной -обработки информации о превышении порогового уровня вносимыми ЭДС измерительных обмоток и информации о их фазе. Уровнемер УПЭ-1.0 имеет следующие основные характеристики:

- пределы измерения уровня нефти - (1,5 - 10) м,

- пределы измерения уровня подтоварной воды - (0,5 - 4) м,

- минимальная разность уровней нефти и воды - 1,5 м,

- максимальная погрешность измерения уровня нефти - 2,5 мм,

- максимальная погрешность измерения уровня подтоварной воды - 50 мм,

- высота резервуара - 11,5 ± 0,5 м,

-уровнемер имеет цифровую индикацию значений уровней нефти и подтоварной воды.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Жуков В. К., Гольдштейн А.Е. Использование вращающегося электромагнитного поля для селективного обнаружения металлических предметов // В кн.: Методы и приборы автоматического неразрушающего контроля. - Рижский политехи, ин-т, 1979. - С.44-48.

2. Жуков В.К., Гольдштейн А.Е., Ca фончик Е.И. Ферромагнитный эллипсоид вращения в трехмерном вращающемся магнитном поле // В кн.: Методы и приборы автоматического неразрушающего контроля. - Рижский политехи, ин-т, 1982.-С.25-33.

3. Гольдштейн А.Е., Калганов С. А. и др. Идентификация физических параметров проводящих объектов с использованием возбуждения разночастотных пространственных компонент магнитного поля // Дефектоскопия. - 1990. -№ 2. - С.72-77.

4. Булгаков В.Ф., Гольдштейн А.Е., Калганов С.А. Вихретоковый дефектоскоп для контроля цилиндрических изделий. Патент РФ № 2090882 // Бюл. изобр. - 1997. - №26.

5. Гольдштейн А.Е., Грош ев В.Я., Забродский В.А., Калганов С.А. Электромагнитный уровнемер. Авт. свид. № 2077805 // Бюл. изобр. - 1997. - № 11.

6. Гольдштейн А . Е . , Калганов С . А Измерение перемещений с использованием вихретокового преобразователя с бегущим магнитным полем // Дефектоскопия. - 1997. - № 5. - С.59-64.

УДК 620.179.15

В. А. БАРАНОВ, У. ЭВЕРТ

АЛГОРИТМЫ НЕЛИНЕЙНОГО ТОМОСИНТЕЗА СО СТРУКТУРНО-ОРИЕНТИРОВАННОЙ ФИЛЬТРАЦИЕЙ ПРОЕКЦИЙ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В НЕРАЗРУШАЮЩЕМ КОНТРОЛЕ

Одной из основных тенденций развития современного неразрушающего контроля (ПК) является повышение роли обработки данных, сопровождающееся возрастанием степени математизации методов НК, повсеместной компьютеризацией систем контроля и их превращением в "системы вычислительной диагностики", а также созданием информационных технологий НК. Среди широкого арсенала средств информатики для практической дефектоскопии наиболее важны цифровые методы обработки изображений и, в особенности, методы томографические, фундаментальное преимущество которых, а именно возможность непосредственной визуализации внутреннего строения объекта контроля по его проекциям, в настоящее время хорошо осознано и по достоинству оценено как разработчиками систем контроля, так и дефектоскопистами-практиками.

Парадоксально, тем не менее, что вычислительная томография (ВТ), адекватно соответствуя сущности и целевым установкам интроскопии, до сих пор не стала массовым или хотя бы достаточно рас-