МНОГОЭЛЕМЕНТНЫЙ ВИХРЕТОКОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
MULTI-ELEMENT EDDY CURRENT CONVERTER

Изобретение относится к неразрушающему контролю и может быть использовано при диагностике трубопроводов из ферромагнитных материалов.
Известен многоэлементный вихретоковый преобразователь, содержащий n одноэлементных преобразователей, расположенных на диэлектрической подложке, и включающий ферритовый сердечник, выполненный в виде стержня, на котором установлена катушка индуктивности, при этом количество одноэлементных преобразователей выбрано из условия:
,
где: n≥2;
w - ширина полосы контроля, мм;
с
R - радиус ферритового стержня, мм -
патент РФ на полезную модель №51748, G01N 27/90, 2006 г.
Недостатки известного многоэлементного преобразователя следующие:
- выполненное по традиционной технологии, устройство предусматривает намотку многовитковых катушек на жестком каркасе с использованием ферритовых сердечников. Конструкции преобразователей, выполненных с использованием намотки, нетехнологичны и трудоемки в случае многоканальных систем, состоящих из большого количества однотипных элементов;
- круглая форма преобразователя не позволяет обеспечить полное перекрытие зоны диагностики, т.е. имеется зона нечувствительности;
с
- принятое расстояние между катушками, равное 3 R, также увеличивает зону нечувствительности.
Известен многослойный вихретоковый преобразователь, содержащий параллельные ряды одноэлементных преобразователей, размещенные в гибкой структуре, состоящей из множества слоев, каждый из которых имеет двухмерный подмассив, при этом параллельные ряды одноэлементных преобразователей, расположенных в одном подмассиве, расположены в шахматном порядке по отношению к параллельным рядам преобразователей в других подмассивах - патент США №5659248, G01N 27/90, 1997 г.
В отличие от предыдущего аналога это устройство при диагностике полностью покрывает объект контроля (ОК) за счет большого количества преобразователей.
Недостаток устройства связан именно с избыточным количеством преобразователей, следствием чего является сложность изготовления и увеличенная стоимость.
Другой недостаток преобразователя - сниженная точность контроля из-за многослойности структуры вследствие ошибок, неизбежных при совмещении слоев всей структуры.
Прототипом изобретения является многоэлементный вихретоковый преобразователь на гибкой основе, содержащий два ряда одноэлементных преобразователей, при этом преобразователи одного ряда расположены в шахматном порядке относительно преобразователей другого ряда, в гибкой основе имеется центральный продольный вырез - заявка США №2010007342, G01N 27/90, 2010 г.
Прототип имеет следующие недостатки:
- нетехнологичность устройства вследствие трудоемкости изготовления намоточных изделий;
- круглая форма и размещение преобразователей одного ряда в шахматном порядке относительно преобразователей другого ряда не позволяет обеспечить полное перекрытие зоны диагностики, т.е. имеется зона нечувствительности;
- наличие в гибкой основе центрального продольного выреза, который обеспечивает гибкость платы, вносит неоднозначность в алгоритм обработки данных из-за изменения расстояния между рядами преобразователей.
В связи с этим технической задачей, решаемой изобретением, является повышение технологичности изготовления, обеспечение полной диагностики всей контролируемой зоны и повышение чувствительности к обнаруживаемым дефектам.
Эта задача решена многоэлементным вихретоковым преобразователем, содержащим N>1 групп одноэлементных преобразователей, расположенных в ряд вдоль общей для всех групп шины возбуждения на печатной плате, выполненной на подложке. Преобразователи в каждой группе размещены поперек шины возбуждения и содержат дифференциальный вихретоковый преобразователь - по центру относительно шины возбуждения и два индукционных преобразователя - с противоположных сторон или один индукционный преобразователь - с одной стороны, шина возбуждения выполнена с участками прямого и обратного тока, при этом участок прямого тока размещен на печатной плате, а участок обратного тока - внутри экрана, накрывающего подложку.
В частных случаях выполнения преобразователь может иметь следующие признаки:
- одноэлементный дифференциальный вихретоковый преобразователь включает в себя прямоугольную измерительную катушку с выходом;
- общая шина возбуждения выполнена одно- или многовитковой;
- экран выполнен секционированным по длине.
На фиг.1 приведена конструкция устройства с тремя группами преобразователей; на фиг.2 - вид устройства с экраном.
Многоэлементный вихретоковый преобразователь по фиг.1, 2 содержит группы 1, 2, 3 одноэлементных преобразователей, расположенных в ряд вдоль общей для всех групп шины возбуждения на печатной плате 4, выполненной на подложке 5. Каждая из групп 1-3 включает в себя дифференциальные вихретоковые преобразователи 6, 7, 8 и индукционные преобразователи 9, 10, 11, 12, 13, 14.
Преобразователи в каждой из групп 1-3 размещены поперек шины 15 возбуждения и содержат дифференциальный вихретоковый преобразователь 6 (7, 8) - по центру относительно шины 15 возбуждения и два индукционных преобразователя 9, 10 (11, 12; 13, 14) - с противоположных сторон.
На фиг.1, 2 представлено устройство с двумя индукционными преобразователями в каждой из групп 1-3 и многовитковой шиной 15 возбуждения, но возможно выполнение устройства с одним индукционным преобразователем в каждой из групп 1-3; например, преобразователем 9 (11, 13), размещенным только с одной стороны, и одновитковой шиной 15 возбуждения. Это выполнение зависит от объекта контроля и требуемой чувствительности.
Шина 15 возбуждения имеет участок 16 прямого тока на печатной плате 4 и участок 17 обратного тока внутри экрана 18, накрывающего подложку 5.
Расположением дифференциальных вихретоковых преобразователей 6-8 по центру относительно шины 15 возбуждения достигается высокая чувствительность к дефектам.
На печатной плате все элементы устройства создаются в едином технологическом процессе, что обеспечивает точное воспроизведение геометрии обмоток всех преобразователей.
Печатная плата 4 приклеивается к экрану 18, имеющему паз 19 для размещения участка 17 обратного тока шины 15.
Конструкция экрана 18 может быть разъемной (как показано на фиг.2) с целью упрощения изготовления паза.
Для осуществления диагностики криволинейной поверхности экран 18 может быть выполнен секционированным по длине. В этом случае преобразователь становится гибким и легко размещается на поверхности, имеющей изгибы и неровности.
Симметричность расположения индукционных преобразователей 9-14 в группах 1-3 при условии выполнения шины 15 возбуждения с участком 16 прямого тока и участком 17 обратного тока, полностью экранированным от участка 16, позволяет повысить уровень поля в материале ОК при одновременном сохранении высокой степени балансировки дифференциальных вихретоковых преобразователей 6-8.
Применение только одной шины 15 (одно- или многовитковой) для возбуждения поля в ОК позволяет уменьшить чувствительность преобразователей к перекосам системы относительно контролируемой поверхности.
Работа устройства осуществляется следующим образом.
Возбуждение тока в поверхностном слое ОК осуществляется участком 16 прямого тока шины 15 возбуждения, участок 17 обратного тока расположен внутри экрана 18 и не взаимодействует с металлом ОК.
Дифференциальные вихретоковые преобразователи 6-8 служат для диагностики дефектов в ОК путем измерения значений вихревых токов на высоких частотах. Назначение индукционных преобразователей 9-14 - измерение зазоров между поверхностью ОК и диэлектрической подложкой 5 путем измерения значений токов индукции на низких частотах. Поскольку каналы измерения зазоров работают на очень низкой частоте, влиянием вихревых токов в них можно пренебречь, вследствие чего преобразователи 9-14 являются индукционными.
Все индукционные и вихретоковые преобразователи 6-14 в группах 1-3 образуют матрицу элементов, участвующих в формировании карты поверхности ОК при движении многоэлементного вихретокового преобразователя, который может быть размещен на платформе любого мобильного устройства. Последовательность дифференциальных вихретоковых преобразователей 6-8 в группах 1-3, имеющих оптимальную прямоугольную форму измерительных катушек и размещенных вдоль общей шины 15 возбуждения без смещения и без зазора между группами 1-3, позволяет вести сканирование поверхности без пропусков, упрощая алгоритм преобразования принимаемой информации в карту поверхности ОК.
В случае параллельного расположения плоскости трещины ОК и шины 15 возбуждения тангенциальная составляющая магнитного потока пересекает дефект ОК в поперечном направлении. Вследствие его рассеяния на воздушном промежутке в металле, образованном полостью трещины или иного дефекта, изменяется магнитное поле в зоне дефекта, а также изменяются сопутствующие магнитному потоку вихревые токи, поэтому преобразователи 6-8 фиксируют сигнал дефекта.
В другом случае, при нормальном расположении плоскости трещины относительно шины 15 возбуждения, контур вихревых токов пересекает плоскость трещины и испытывает отклонение от прямолинейного направления, что также вызывает появление сигнала на выходе дифференциальных преобразователей 6-8.
Во всех остальных случаях взаимной ориентации трещин и шины возбуждения наблюдается совместный эффект взаимодействия двух описанных режимов.
За счет того, что измерительные катушки дифференциальных преобразователей 6-8 выполнены прямоугольными и симметрично расположены относительно шины 15 возбуждения, их суммарный сигнал отличен от нуля только при наличии дефекта в зоне возбуждения шины 15.
Выходное напряжение индукционных преобразователей 9-14 пропорционально суммарному магнитному потоку, выходящему из краев экрана 18 в металл ОК. Величина этого потока связана с расстоянием между экраном 18 и ОК.
Измеряя сигналы преобразователей 9-14, можно однозначно определить расстояния между соответствующей группой преобразователей и поверхностью ОК слева и справа относительно оси симметрии соответствующего преобразователя, определить расстояние до ОК в центре группы преобразователей, а также - разность расстояний до ОК по краям группы. По этим параметрам можно оценивать геометрию поверхности ОК, а также регулировать уровень усиления в соответствующем канале, чтобы компенсировать влияние на его чувствительность изменений расстояний до поверхности ОК.
Изобретение - технологичное устройство, все элементы которого, размещенные на печатной плате, создаются в едином технологическом процессе, обеспечивая полную диагностику всей контролируемой зоны при повышенной чувствительности к обнаруживаемым дефектам за счет взаиморасположения элементов.