ВИХРЕТОКОВОЕ УСТРОЙСТВО
EDDY CURRENT DEVICE

Изобретение относится к области интроскопии и может быть использовано в неразрушающем контроле для обнаружения различных электрофизических неоднородностей в различных укрывающих средах, а также при поиске металлических предметов в указанных средах.
Известны вихретоковые устройства для поиска электромагнитных неоднородностей в различных укрывающих средах и применяемых для целей неразрушающего контроля (Неразрушающий контроль и диагностика: Справочник В.В.Клюев и др.; / Под ред. В.В.Клюева. / М.: Машиностроение, 1995, стр.302-304). Известные устройства содержат, как правило, генератор возбуждения, накладной вихретоковый преобразователь (ВТП), блок усиления и блок выделения квадратурных составляющих вносимого в ВТП напряжения и индикатор.
Недостатком таких устройств является низкая информативность и достоверность поиска, обусловленные вариациями в процессе сканирования зазора между ВТП и поверхностью укрывающей среды, влиянием рельефа последней.
Наиболее близким по технической сущности к разработанному техническому решению можно признать (US, патент 6879161) известное вихретоковое устройство, содержащее последовательно соединенные двухчастотный генератор, индукционно-сбалансированный ВТП с возбуждающей и сигнальной катушками первым блоком выделения квадратурных составляющих (БВКС) (проекций) вектора вносимого в ВТП напряжения  для первой частоты, а также последовательно соединенные микропроцессор и индикатор. Кроме того, известное устройство содержит второй блок выделения квадратурных составляющих  для второй частоты возбуждения, вход которого подключен к выходу сигнальной катушки ВТП. Первый и второй выходы первого БВКС подключены к первому и второму сигнальным входам микропроцессора, первый и второй выходы второго БВКС подключены к третьему и четвертому сигнальным входам микропроцессора.
Известное устройство предназначено для поиска в укрывающих средах (грунт, кладка и т.п.) таких электрофизических неоднородностей, как металлические объекты, с последующим определением типа обнаруженного объекта. Из теории вихретокового метода неразрушающего контроля и практики металлодетектирования известно, что тип тех или иных неоднородностей-дефектов, металлических объектов и т.п. определяют по углу фазы , который также зависит от выбора частоты тока возбуждения ВТП. Тот или иной тип неоднородностей лучше будет различаться на одной частоте и хуже на другой. Например, для лучшего различия фольгообразных объектов, залегающих в грунте, лучше использовать более высокие частоты возбуждения ВТП, чем для различения монетообразных. Это обстоятельство и положено в работу известного вихретокового устройства.
Однако в случаях значительного влияния электрофизических свойств укрывающей среды (например, грунта и его магнитных свойств, большой рельефности поверхности и невозможностью выдерживать постоянным зазор между ВТП и грунтом), вектор вносимого напряжения от металлических объектов будет складываться случайным образом с вектором вносимого напряжения от грунта, что будет приводить к искажению угла фазы вектора вносимого в ВТП напряжения от объекта, в результате чего будет затруднена его идентификация. Визуальная индикация типа объекта в таком устройстве отображается всего лишь числовым индексом, пропорциональным углу фазы , и не отображает сложной картины поведения  при проносе ВТП над объектом. Все вышеизложенное снижает информативность и достоверность поиска.
Техническая задача, решаемая посредством разработанной конструкции, состоит в создании вихретокового устройства с улучшенными эксплуатационными характеристиками.
Технический результат, получаемый при реализации разработанной конструкции, состоит в повышении достоверности и информативности поиска.
1
1
2
2
Для достижения указанного технического результата предложено использовать вихретоковое устройство разработанной конструкции. Разработанное вихретоковое устройство содержит последовательно соединенные двухчастотный генератор, вихретоковый преобразователь с возбуждающей и сигнальной катушками, первый блок выделения квадратурных составляющих X, Y вектора вносимого в вихретоковый преобразователь напряжения для первой частоты возбуждения, микропроцессор и индикатор, а также второй блок выделения квадратурных составляющих Х, Y вектора вносимого в вихретоковый преобразователь напряжения для второй частоты возбуждения, оба выхода которого подключены к соответствующей паре сигнальных входов микропроцессора; кроме того, двухчастотный генератор дополнительно снабжен вторым выходом второй частоты возбуждения, вихретоковый преобразователь дополнительно снабжен вторым входом, подключенным ко второму выходу двухчастотного генератора, а также вторым сигнальным выходом, подключенным к входу второго блока выделения квадратурных составляющих. Предпочтительно вихретоковый преобразователь содержит последовательно-встречно соединенные и концентрически расположенные в одной плоскости первую катушку возбуждения и первую компенсационную катушку, первую сигнальную катушку, совмещенную с первой компенсационной катушкой, последовательно-встречно соединенные и концентрически расположенные в одной плоскости меньших размеров вторую катушку возбуждения и вторую компенсационную катушку, вторую сигнальную катушку, совмещенную со второй компенсационной, при этом плоскости первых и вторых катушек параллельны, расположены на общей оси симметрии и жестко закреплены в общем корпусе, причем вход первой катушки является первым входом вихретокового преобразователя возбуждения, а вход второй катушки возбуждения является вторым входом вихретокового преобразователя, выходы первой и второй сигнальных катушек являются, соответственно, первым и вторым выходами вихретокового преобразователя. Используемый микропроцессор предпочтительно выполнен с возможностью вывода на индикатор годографов векторов вносимых напряжений  для первой и второй частоты тока возбуждения вихретокового преобразователя:
1
2
1
2
где Y, Yпроекции  и  на направления  - вектора вносимого в вихретоковый преобразователь напряжения, обусловленного взаимодействием вихретокового преобразователя с укрывающей средой, X, X - проекции  и  на направление, ортогональное  j=√-1. Кроме того, микропроцессор может быть выполнен с возможностью осуществления функционального преобразования
1
2
Y=Y-KY,
2
1
2
где K=K(Y) - коэффициент, позволяющий выполнить условие: Y-KY=0 при взаимодействии вихретокового преобразователя с укрывающей средой, при этом микропроцессор дополнительно выполнен с возможностью вывода на индикатор годографа вектора
Изобретение иллюстрировано графическим материалом, где на фиг.1 приведена принципиальная схема прибора, на фиг.2 и фиг.3 приведена схема расположения катушек, на фиг.4 приведены примерные годографы  на фиг.5 - области чувствительности, при этом использованы следующие обозначения: двухчастотный генератор 1, блок ВТП 2, первый блок 3 выделения квадратурных составляющих, второй блок 4 выделения квадратурных составляющих, микропроцессор 5, индикатор 6, корпус 7, ВТПМ 8, ВТПЕ 9, вектор 10 грунта, годограф 11 небольшого ферромагнитного объекта, годограф 12 фольгообразного объекта, годограф 13 объекта из цветного металла, укрывающая среда 14, зона 15 чувствительности ВТПЕ, электропроводящий объект 16, зона 17 чувствительности ВТПМ.
Вихретоковое устройство работает следующим образом.
1
2
в1
к1
в2
к2
Двухчастотный генератор 1 питает синусоидальными токами частоты f и f возбуждающие катушки W, W и W, W блока ВТП 2 (см. фиг.2, фиг.3).
в1
к1
в2
к2
c1
В случае выполнения вихретокового преобразователя по п.2 формулы изобретения катушки W, W и W, W обоих ВТП выполнены последовательно-встречно. По этой причине электромагнитные поля этих катушек противо направлены. Таким образом, изменение магнитного потока через плоскости сигнальных катушек W и
c2
к1
к2
c1
c2
W мало, следовательно, малы и их выходные напряжения. Если подобрать число витков W и W, то выходные напряжения сигнальных катушек можно сделать равными 0, т.е. добиться индукционного баланса. При этом внесение в зону чувствительности системы индукционно-сбалансированных первых катушек и системы вторых индукционно-сбалансированных катушек, например, металлического объекта, будет приводить к нарушению этого баланса у обоих ВТП и появлению на их выходах с катушек W и W вносимых напряжений. Поскольку система индукционно-сбалансированных первых катушек и система индукционно-сбалансированных вторых катушек работают на различных частотах и жестко закреплены в одном корпусе, то их выходные сигналы будут независимы. С учетом того, что система индукционно-сбалансированных вторых катушек меньше по размеру системы индукционно-сбалансированных первых катушек, зона чувствительности последних будет больше зоны чувствительности системы индукционно-сбалансированных вторых катушек.
Для удобства пояснения работы устройства обозначим систему индукционно-сбалансированных первых катушек ВТПМ, а систему вторых - ВТПЕ, и покажем работу вихретокового устройства на примере решения задачи отыскания металлических объектов в такой укрывающей среде, как грунт обладающий, как правило, слабопроводящим и слабомагнитным свойствами.
c1
с2
При сканировании ВТП поверхности грунта в результате электромагнитного взаимодействия ВТПМ и ВТПЕ как с укрывающей средой, так и находящиеся в ней металлическими объектами, на выходах сигнальных катушек W W появляются вносимые напряжения  и  - суть векторные величины.
Амплитудно-фазовые характеристики  и  зависят от типа залегающих объектов, расстояния до них и электрофизических свойств грунта. Блоки 3 и 4 выделяют квадратурные составляющие проекции
1
1
2
2
(соответственны X, Y и Х, Y) на два взаимно перпендикулярных направления.
1
2
1
2
При этом Y и Y есть проекции  и  на направление -вектора вносимого напряжения, обусловленного влиянием электрофизических свойств грунта, а Х, Х-проекции тех же векторов на направления ортогональное
1
1
2
2
Сигналы XY и ХY поступают в микропроцессор 5, обрабатываются в нем по заданным программам и выводятся индикатором 6 в виде годографов  и  получаемых при сканировании укрывающей среды с находящимися в ней металлическими объектами. Устройство может работать в трех режимах.
В первом и во втором режимах в устройстве используется отдельно ВТПМ или ВТПЕ, а двухчастотный генератор 1 работает соответственно на одной из частот.
1
2
При этом для подавления искажающего влияния электрофизических свойств грунта используется метод проекции. В этом случае уровень звуковой индикации, выдаваемой индикаторами при обнаружении металлического объекта, пропорционален величинам X и Х, а информация о типе объекта представления углом фазы  и  Поскольку, как уже упоминалось, вектор  (в отсутствие металлических объектов) не имеет проекции на ось X, то звуковая индикация не будет срабатывать при сканировании ВТП грунта. Более детальная информация о типе обнаруженного объекта может быть получена из анализов годографов  и  выводимых на индикатор 6.
На фиг.4 приведены примерные годографы  получаемые при проносе ВТП над различными металлическими объектами.
Первый и второй режимы могут быть использованы при незначительном влиянии на сигналы ВТП электрофизических свойств грунта и рельефа последнего.
Первый режим с учетом большего размера ВТПМ используют для достижения большей глубины поиска. Второй режим, с учетом меньшего размера ВТПЕ, характеризуется лучшей локальностью поиска, что важно для различения расположенных рядом двух металлических объектов.
Третий режим работы вихретокового устройства предназначен для использования при достаточно сильном влиянии электрофизических свойств укрывающей среды и рельефности последней.
При этом двухчастотный генератор 1 питает разночастотными токами возбуждения одновременно ВТПМ и ВТПЕ.
Из фиг.5 видно, что меньший по размерам ВТПЕ из-за геометрического фактора спадания поля имеет меньшую зону чувствительности, чем ВТПМ.
При этом мешающее воздействие электрофизических свойств укрывающей среды имеет место как для ВТПМ так и для ВТПЕ. В результате на выходе последних появляются сигналы  и  Как упоминалось выше  т.е. эти вектора не имеют проекции на ось X.
1
2
2
Микропроцессор 5 выполняет функциональное преобразование Y=Y-KY, где K некоторый коэффициент в общем случае зависящий от Y и позволяющий при взаимодействии ВТП с укрывающей средой выполнять условие
Отсюда следует, что годограф вектора  не будет зависеть от зазора и рельефа последней, а будет зависеть только от электрофизических свойств и геометрических размеров объекта.
В процессе подготовки устройства к работе, изменяя зазор между ВТП и поверхностью укрывающей среды, микропроцессор 5 запоминает пары значений
1i
2i
1i
2i
Y, Y, в результате чего становится возможным определить K(Y), чтобы выполнялось условие (1). По зафиксированным при постройке значения Y и Y функцию K(Y) можно определить любым известным методом, например таблично, в заданном диапазоне вариаций зазора.
Если рельефность укрывающей среды незначительная или изменения зазора малы, то в первом приближении коэфициент K можно положить постоянным.
Таким образом, заявленное устройство за счет использования различных по размерам ВТПМ и ВТПЕ может быть лучше адаптировано к конкретным задачам поиска путем выбора компромисса между локальностью и глубиной. Комбинированное использование обоих ВТП позволяет значительно снизить мешающее влияние электрофизических свойств и рельефа укрывающей среды, что в совокупности повышает достоверность и информативность поиска.