ВИХРЕТОКОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДЛЯ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА УГЛЕПЛАСТИКОВЫХ ОБЪЕКТОВ
EDDY-CURRENT CONVERTER FOR QUALITY CONTROL OF CARBON FIBER-REINFORCED PLASTIC OBJECTS

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к неразрушающему контролю и может быть использовано для контроля качества углепластиковых объектов.
Уровень техники
Углепластиковые объекты, как правило, содержат несколько однонаправленных слоев из углеродных волокон, соединенных между собой компаундами на основе эпоксидной смолы. От слоя к слою направление углеродных волокон изменяется и составляет для различных типов углепластиков угол от 30° до 90°, что обеспечивает их прочность в различных направлениях.
При вихретоковом контроле углепластиковых объектов имеется возможность раздельного получения информации о параметрах их слоев, ориентированных в общем направлении. Для этого применяются вихретоковые преобразователи с прямоугольными возбуждающими катушками индуктивности, плоскость витков которых ортогональна рабочему торцу преобразователя.
Из уровня техники [Сясько В.А., Чертов Д.Н. Выявление расслоений углепластиковых материалов с использованием тангенциальных вихретоковых преобразователей / В мире неразрушающего контроля, 2012, №2(56), с. 19-21] известен вихретоковый преобразователь, содержащий возбуждающую и вложенную в нее измерительную прямоугольные катушки индуктивности, с витками, ортогональными рабочему торцу преобразователя и проводниками одной из сторон обеих катушек, прилегающих к рабочему торцу. Известный вихретоковый преобразователь содержит также вторую возбуждающую катушку, соединенную последовательно с первой, и компенсационную катушку, соединенную последовательно с измерительной. Вторая возбуждающая и компенсационная катушки идентичны первой возбуждающей и измерительной катушке соответственно и имеют между собой такую же электромагнитную связь, как первая возбуждающая катушка и измерительная. Вторая возбуждающая и компенсационная катушки размещены в зоне, исключающей их электромагнитное взаимодействие с контролируемым объектом, а также с первой возбуждающей и измерительной катушками.
Недостаток известного вихретокового преобразователя состоит в том, что его чувствительность и глубина контроля ниже потенциально достижимых, а габариты - больше.
Чувствительность известного вихретокового преобразователя ниже потенциально достижимой из-за недостаточно высоко уровня его компенсации. Это связано с тем, что в нем для компенсации начального напряжения, возникающего без взаимодействия с контролируемым объектом, используется компенсационная катушка. При этом уровень компенсации вихретокового преобразователя зависит от идентичности измерительной и компенсационной катушек. Как показывает практика, изготовить полностью идентичные катушки индуктивности, характеризующиеся активным сопротивлением, индуктивностью и емкостью, не удается. Реально они отличаются по регистрируемому вихретоковому сигналу на величину нескольких процентов, что сопоставимо с уровнем подлежащих регистрации изменений вихретокового сигнала при контроле углепластиков. Кроме того, из-за необходимости исключить электромагнитную связь компенсационной катушки с контролируемым объектом и первой возбуждающей катушкой компенсационная катушка должна размещаться на значительном расстоянии относительно измерительной. Проводники, соединяющие измерительную и компенсационную катушки, образуют контур, который находится в электромагнитном поле и в котором наводится паразитная ЭДС.
Глубина контроля при использовании известного вихретокового преобразователя ниже потенциально достижимой в связи с тем, что вихревые токи, возбуждаемые в контролируемом объекте током в проводниках возбуждающей катушки, прилегающих к рабочему торцу, ослабляются имеющими противоположное направление токами в дальних относительно торца проводниках возбуждающей катушки. Это приводит к необходимости увеличения высоты возбуждающей катушки, а, следовательно, и ее габаритов.
Наиболее близок к предложенному по технической сущности вихретоковый преобразователь для контроля качества углепластиковых объектов, содержащий первую и вторую прямоугольные возбуждающие катушки индуктивности и вложенную в первую возбуждающую катушку прямоугольную измерительную катушку индуктивности, плоскости витков измерительной катушки и первой возбуждающей катушки ортогональны рабочему торцу преобразователя, активные стороны первой возбуждающей и измерительной катушек параллельны друг другу и прилегают к рабочему торцу, а противолежащие им пассивные стороны этих катушек удалены друг от друга, вторая возбуждающая катушка размещена между пассивными сторонами измерительной катушки и второй возбуждающей катушки с зазором относительно пассивной стороны измерительной катушки, равным зазору между активными сторонами первой возбуждающей и измерительной катушек [заявка на изобретение RU 2019123320 А, дата подачи: 24.07.2019 (положительное решение о выдаче патента от 13.01.2020)].
В наиболее близком вихретоковом преобразователе по обоим активным проводникам протекают токи одинакового направления. Это обеспечивает увеличение глубины контроля, так как возбуждаемые обоими активными проводниками вихревые токи имеют одинаковое направление. При этом создаваемые активными проводниками через витки измерительной катушки магнитные потоки направлены встречно. Это позволяет сбалансировать преобразователь путем регулировки соотношения токов в активных проводниках.
Недостаток указанного преобразователя состоит в недостаточной стабильности, что связано с необходимостью использования токов различной амплитуды и фазы в его возбуждающих катушках. Это вызвано тем, что с витками измерительной катушки сцеплены еще и дополнительные магнитные потоки, создаваемые боковыми и пассивными проводниками возбуждающих катушек. Дополнительные магнитные потоки суммируются с магнитными потоками активного проводника, расположенного со стороны рабочего торца преобразователя. Это приводит к разбалансу вихретокового преобразователя при равенстве токов в возбуждающих катушках. Необходимость создания двух разных токов в возбуждающих катушках не только усложняет электронный блок соответствующего устройства вихретокового контроля, но и уменьшает стабильность из-за возможной вариации соотношения токов, например, под влиянием вариации температуры или других факторов.
Раскрытие сущности изобретения
Технический результат настоящего изобретения заключается в повышении стабильности контроля и упрощении схемы подключения заявляемого преобразователя.
Указанный технический результат в вихретоковом преобразователе для контроля качества углепластиковых объектов, содержащем первую и вторую прямоугольные возбуждающие катушки индуктивности и вложенную в первую возбуждающую катушку прямоугольную измерительную катушку индуктивности, при этом плоскости витков измерительной катушки и первой возбуждающей катушки ортогональны рабочему торцу преобразователя, активные стороны первой возбуждающей и измерительной катушек параллельны друг другу и прилегают к рабочему торцу преобразователя, вторая возбуждающая катушка размещена между пассивной стороной измерительной катушки, параллельной ее активной стороне, и пассивной стороной первой возбуждающей катушки, параллельной ее активной стороне, с зазором d относительно пассивной стороны измерительной катушки, равным зазору d между активными сторонами первой возбуждающей и измерительной катушек, достигается благодаря тому, что он снабжен третьей прямоугольной возбуждающей катушкой, вложенной во вторую, причем одна из сторон третьей возбуждающей катушки прилегает к пассивной стороне второй возбуждающей катушки, а противолежащая ей сторона третьей возбуждающей катушки находится на расстоянии С от пассивной стороны измерительной катушки, все возбуждающие катушки соединены последовательно, а первая и вторая возбуждающие катушки включены согласно относительно измерительной катушки.
Рекомендуется размеры и положение проводников возбуждающих катушек выбирать из соотношений:
2
и
3<B/B<4,
и
2,5<С/B<3,2,
2
и
где В - расстояние между активным и пассивным проводниками второй возбуждающей катушки, В - расстояние между активным и пассивным проводниками измерительной катушки, С - расстояние между ближними к измерительной катушке проводниками второй и третьей возбуждающих катушек.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 схематично представлен заявляемый вихретоковый преобразователь.
24
2
На фиг. 2 приведена зависимость взаимной индуктивности M между измерительной катушкой 4 и второй возбуждающей катушкой 2 от изменения расстояния В между активными и пассивными проводниками второй возбуждающей катушки 2.
34
3
На фиг. 3 и на фиг. 4 приведены зависимости нормированной взаимной индуктивности М между измерительной катушкой 4 и третьей возбуждающей катушкой 3 от изменения расстояния В между активными и пассивными проводниками третьей возбуждающей катушки 3.
Осуществление изобретения
2
3
2
3
Заявляемый вихретоковый преобразователь для контроля качества углепластиковых объектов содержит прямоугольные возбуждающие катушки 1-3 индуктивности и прямоугольную измерительную катушку 4 индуктивности. Плоскости витков измерительной катушки 4 и возбуждающих катушек 1-3 ортогональны рабочему торцу преобразователя, размещаемого в процессе контроля параллельно поверхности контролируемого углепластикового объекта 5. Активная сторона 1.1 первой возбуждающей катушки 1 и активная сторона 4.1 измерительной катушки 4 параллельны друг другу и прилегают к рабочему торцу преобразователя. Вторая возбуждающая катушка 2 размещена между пассивной стороной 4.2 измерительной катушки 4, параллельной ее активной стороне 4.1, и пассивной стороной 1.2 первой возбуждающей катушки 1, параллельной ее активной стороне 1.1, с зазором d относительно пассивной стороны 4.2 измерительной катушки 4, равным зазору d между активной стороной 1.1 первой возбуждающей катушки 1 и активной стороной 4.1 измерительной катушки 4. Прямоугольная третья возбуждающая катушка 3 вложена во вторую возбуждающую катушку 2. Одна ее сторона 3.2 прилегает к пассивным сторонам 1.2 и 2.2 соответственно первой и второй возбуждающих катушек 1 и 2, а другая ее сторона 3.1, противолежащая стороне 3.2, находится на расстоянии С=В-В от пассивной стороны 2.1 второй возбуждающей катушки 2, где В и В - расстояния между активной и пассивной сторонами второй и третьей возбуждающих катушек 2 и 3 соответственно.
2
1
2
42
Заявляемый вихретоковый преобразователь работает следующим образом. Активные проводники 1.1 и 2.1 соответственно первой и второй возбуждающих катушек 1 и 2 создают рабочие магнитные потоки, возбуждающие в контролируемом углепластиковом объекте 5 вихревые токи одного направления. Пассивные проводники 1.2 и 2.2 этих катушек возбуждают в контролируемом углепластиковом объекте 5 вихревые токи, направленные встречно вихревым токам, созданным активными проводниками 1.1 и 2.1, уменьшая чувствительность контроля. Кроме того, магнитные поля токов в проводниках 1.2 и 2.2 нарушают симметрию магнитного поля относительно продольной оси измерительной катушки 4, что является одной из причин разбалансировки вихретокового преобразователя. Эти эффекты уменьшаются с увеличением расстояния В и связанного с ним расстояния В. Однако при этом увеличиваются площади витков первой и второй возбуждающих катушек 1 и 2, что приводит к увеличению габаритов преобразователя и уменьшению его резонансной частоты, ограничивающей рабочую частоту. Увеличение позитивного эффекта с ростом В становится малозаметным при стабилизации величины взаимной индуктивности М между измерительной катушкой 4 и второй возбуждающей катушкой 2.
0
0
1.1
2.1
1
2
1
2
3
1.1
2.1
1.2
1.3
1.4
2.2
1.1
I
I
I
I
I
На этапе настройки преобразователя осуществляется его балансировка, т.е. минимизация начального напряжения U, возникающего за счет суммарного магнитного потока Ф, создаваемого всеми возбуждающими катушками 1-3 и сцепленного с измерительной катушкой 4. Для этого первая и вторая возбуждающие катушки 7 и 2 соединяются последовательно - встречно относительно измерительной катушки 4 и подключаются к источнику переменного тока с частотой f, соответствующей рабочей частоте вихретокового преобразователя, а измерительная катушка 4 подключается к измерительному прибору, например, осциллографу. Магнитные потоки Ф и Ф, сцепленные с измерительной катушкой 4 и создаваемые токами  и  в проводниках 1.1 и 2.1 соответственно, направлены встречно. Отметим, что при последовательном соединении первой, второй и третьей возбуждающих катушек 1, 2 и 3 по ним протекает один и тот же ток, т.е. ==, но для удобства изложения токи, протекающие по проводникам разных катушек, будем указывать с разными индексами. Теоретически возможно, что Ф=Ф при наличии полной симметрии положения проводников 1.1 и 2.1 относительно измерительной катушки 4. Однако и в этом случае преобразователь не будет сбалансирован, так как на измерительную катушку 4 воздействуют и магнитные потоки Ф, Ф, Ф, и Ф токов, протекающих по проводникам 1.2, 1.3, 1.4 и 2.2 соответственно. Все указанные магнитные потоки суммируются с магнитным потоком Ф, так как имеют одинаковое с ним направление через площадь витков измерительной катушки 4.
2
1
2
0
2
0
в
в
U
Частично уровень балансировки может быть повышен за счет превышения числа витков W второй возбуждающей катушки 2 над витками W первой возбуждающей катушки 1. Для этого экспериментально подбирается число витков W, при котором начальное напряжение  на измерительной катушке 4 минимально. Практически это делается путем намотки избыточного числа витков W с последующей их отмоткой при одновременной регистрации напряжения на выводах катушки измерительной 4. Таким образом удается уменьшить величину U до напряжения порядка 0,5U, где U - напряжение, наводимое в измерительной катушке 4 магнитным полем одного витка второй возбуждающей катушки 2.
2
-2
-1
Такой уровень балансировки явно недостаточен, так как составляет величину порядка 1/W. При контроле углепластиковых объектов из-за низкой удельной электрической проводимости ауглепластика применяются частоты мегагерцового диапазона. В связи с этим число витков в катушках обычно не превышает 20, так как ограничено резонансными явлениями. Следовательно, уровень балансировки составит величину порядка 10…10 от напряжения, наводимого в измерительной катушке 4 при воздействии на нее одной из возбуждающих катушек. При контроле углепластиковых объектов, как правило, требуется регистрировать изменения вихретоковых сигналов на два порядка меньше, что достаточно сложно при данном уровне балансировки и требует применения дополнительных электронных компенсаторов в блоке обработки сигнала. Это приводит к ухудшению стабильности измерений и, в конечном результате, к уменьшению пороговой чувствительности.
3
0
U
Для повышения уровня балансировки вихретокового преобразователя применяется дополнительная третья возбуждающая катушка 3. Положение и размеры третьей возбуждающей катушки 3 выбираются таким образом, чтобы путем изменения числа W ее витков можно было изменять амплитуду начального напряжения  с дискретностью, как минимум, на порядок меньшей, чем при изменении числа витков второй возбуждающей катушки 2. Это достигается благодаря тому, что размеры возбуждающих катушек выбираются из соотношений
2
и
где В - расстояние между активным 2.1 и пассивным 2.2 проводниками второй возбуждающей катушки 2, В - расстояние между активным 4.1 и пассивным 4.2 проводниками измерительной катушки 4, С - расстояние между ближними к измерительной катушке 4 проводниками 2.1 и 3.1 соответственной второй и третьей возбуждающих катушек 2 и 3.
24
24
в
и
и
2
Соотношение (1) получено на основе анализа приведенного на фиг. 2 графика изменения взаимной индуктивности М между второй возбуждающей катушкой 2 и измерительной катушкой 4 при изменении расстояния между активным 2.1 и пассивным 2.2 проводниками второй возбуждающей катушки 2. Величина М вычислялась между двумя одновитковыми катушками с длиной L=50 мм второй возбуждающей катушки 2 и L=40 мм измерительной катушки 4. Расстояние В=10 мм, а расстояние В изменялось от 10 до 100 мм.
2
24
2
24
24
2
2
2
и
2
и
Ток, протекающий по пассивным проводникам 1.2 и 2.2 первой и второй возбуждающих катушек 1 и 2, ослабляет рабочий магнитный поток активных проводников 1.1 и 2.1, что уменьшает плотность вихревых токов и глубину контроля. Следовательно, величина В должна выбираться такой, чтобы влияние пассивных проводников не было существенным. О влиянии пассивных проводников на рабочий магнитный поток можно судить по изменению взаимной индуктивности М между второй возбуждающей катушкой 2 и измерительной катушкой 4. Из фиг. 2 видно, что при выполнении условия 30 мм < В крутизна зависимости М=М(В) заметно уменьшается, а при выполнении условия 40 мм < В - близко к насыщению. Увеличение В свыше 40 мм нецелесообразно, так как заметного ослабления влияния пассивных проводников при этом не происходит, а габариты катушки увеличиваются, что приводит к уменьшению ее резонансной частоты. Для обобщения удобно пользоваться нормированными по высоте В измерительной катушки геометрическими параметрами. Отсюда приходим к соотношению 3<В/В<4.
3
0
34
24
U
Величина С выбирается таким образом, чтобы путем изменения числа W ее витков можно было изменять амплитуду начального напряжения  с дискретностью, как минимум, на порядок меньшей, чем при изменении числа витков второй возбуждающей катушки 2. Требуемая величина дискретности достигается путем уменьшения взаимной индуктивности на один виток М между третьей возбуждающей катушкой 3 и измерительной катушкой 4 по сравнению с взаимной индуктивностью на один виток М между второй возбуждающей катушкой 2 и измерительной катушкой 4.
U
U
I
24
34
Напряжения  и , наводимые в измерительной катушке 4 магнитным полем тока  в измерительной катушке 4 и третьей возбуждающей катушке 3, определяются выражениями:
в
в
Путем подбора числа витков второй возбуждающей катушки 2 можно гарантированно достичь разбаланса не хуже 0,5 U, где U - напряжение, наводимое в измерительной катушке 4 магнитным полем одного витка второй возбуждающей катушки 2.
U
U
U
U
U
U
U
0
0
42
0
42
0
0
Для этого перед подбором числа витков третьей возбуждающей катушки 3 выполняется ее фазировка, реализуемая следующим образом. Последовательно встречно - соединенные относительно измерительной катушки 4 первая, вторая возбуждающие катушки 7, 2 и соединенная последовательно с ними третья возбуждающая катушка 3 подключаются к источнику гармонического напряжения с рабочей частотой f преобразователя. Внешние выводы последовательно соединенных катушек 1-3 подключаются к осциллографу. В зависимости от фазы напряжения  третья возбуждающая катушка 3 включается либо последовательно - согласно, если фаза  совпадает с фазой напряжения , наводимого в измерительной катушке 4 магнитным потоком второй возбуждающей катушки 2, либо последовательно - встречно, если напряжения  и  находятся в противофазе. Для выполнения правильного подключения последовательно с первой и второй возбуждающими катушками 1 и 2 подключается третья возбуждающая катушка 3, состоящая из одного витка, и регистрируется изменение амплитуды напряжения . При уменьшении  существующая фазировка третьей возбуждающей катушки 3 сохраняется, а при увеличении - изменяется на противоположную, для чего выводы третьей возбуждающей катушки 3 меняются местами. После подключения третьей возбуждающей катушки 3 осуществляется балансировка преобразователя путем изменения числа витков третьей возбуждающей катушки 3.
3
3mах
в
Таким образом, для того, чтобы обеспечить возможность балансировки преобразователя в худшем случае, при максимальном числе витков W=W третьей возбуждающей катушки 3 ее напряжение должно составлять 0,5U. Из этого условия следует соотношение:
34
24
Следовательно, требуемая величина М/М определяется выражением:
3mах
2
Путем пробных расчетов установлено, что при выборе W≈2W и выполнении (6) площадь витков второй возбуждающей катушки 2 примерно вдвое превышает площадь витков третьей возбуждающей катушки 3. При этом резонансные частоты обеих катушек будут примерно одинаковы.
Таким образом, получаем:
2
1
1
2
1
34
24
Как показывает практика W≈1,1W, где W - число витков первой возбуждающей катушки 1. Исходя из этого, с учетом возможной вариации отношения W и W, определяем требуемое соотношение М/М через параметры вихретокового преобразователя:
24
34
Отношение М и М при изменении величины С приведена на фиг. 3.
1
1
34
24
Число витков W первой возбуждающей катушки 1 для мегагерцевого диапазона обычно выбирается в диапазоне 10≤W≤20. При этом возможный диапазон изменения М/M составляет:
24
34
2
и
2
3
34
24
34
24
и
Отношение М и М при изменении величины С в диапазоне от 1 мм до 39 мм при высоте В=40 мм второй возбуждающей катушки, длинах измерительной катушки 4 L=40 мм и второй и третьей возбуждающих катушек 2 и 3 L=L=40 мм приведена на фиг. 3. Из приведенного графика видно, что интересен диапазон изменения, начиная от С=20 мм. Зависимость М/М=М/М(С) в данном диапазоне приведена на фиг. 4. Из него определяем, что величину отношения С/В для выполнения условия (9) следует выбирать в диапазоне:
U
U
U
U
U
U
U
0
0
42
0
42
0
0
В зависимости от фазы напряжения  третья возбуждающая катушка 3 включается либо последовательно - согласно, если фаза  совпадает с фазой напряжения , наводимого в измерительной катушке 4 магнитным потоком второй возбуждающей катушки 2, либо последовательно - встречно, если напряжения  и  находятся в противофазе. Для выполнения правильного подключения последовательно с первой и второй возбуждающими катушками 1 и 2 подключается третья возбуждающая катушка 3, состоящая из одного витка и регистрируется изменение амплитуды напряжения . При уменьшении  существующая фазировка третьей возбуждающей катушки 3 сохраняется, а при увеличении - изменяется на противоположную, для чего выводы третьей возбуждающей катушки 3 меняются местами.
После балансировки вихретоковый преобразователь устанавливается на контролируемый углепластиковый объект 5. Для получения информации о слоях, ориентированных в определенном направлении плоскость витков катушек 1-4 преобразователя ориентируется по плоскости, параллельной выбранному направлению. О выполнении этого условия можно судить по регистрируемому локальному максимуму вихретокового сигнала. По величине полученного вихретокового сигнала судят о параметрах соответствующих слоев контролируемого участка, например, объемной доли углепластика в них или о расстоянии до слоев.
По сравнению с прототипом (наиболее близким аналогом) заявляемый вихретоковый преобразователь обеспечивает более высокую стабильность контроля. Это связано с тем, что он позволяет достичь более высокий уровень балансировки без применения каких-либо регулирующих элементов, параметры которых могут изменяться, например, при вариации температуры. Высокий уровень балансировки обеспечивается применением одного и того же тока, протекающего по всем последовательно соединенным возбуждающим катушкам. Достигнутый уровень балансировки сохраняется при вариации рабочей частоты, так как балансировка осуществляется путем использования только индуктивных элементов, которые одинаковым образом изменяют свое сопротивление при вариации частоты. Упрощение схемы подключения вихретокового преобразователя достигается благодаря тому, что все его возбуждающие катушки соединены последовательно и, в отличие от прототипа, не требуется амплитудно-фазовая регулировка токов в отдельных возбуждающих катушках.
Таким образом, заявляемый вихретоковый преобразователь для контроля качества углепластиковых объектов, по сравнению с прототипом, обладает техническими преимуществами, связанными с более высокой стабильностью контроля и упрощенной схемой подключения.