СПОСОБ ВИХРЕТОКОВОГО КОНТРОЛЯ ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩИХ ОБЪЕКТОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD OF EDDY CURRENT TESTING OF ELECTRICALLY CONDUCTIVE OBJECTS AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к способам и устройствам для бесконтактного контроля качества объектов из электропроводящих материалов при производстве и эксплуатации.
Проблема контроля дефектности вышеуказанных объектов осложняется тем, что простой визуальный осмотр не позволяет обнаружить дефекты, находящиеся в подповерхностном слое или в глубине таких изделий.
Для решения этой проблемы и обнаружения внутренних дефектов с помощью разнообразных методов неразрушающего контроля используют дефектоскопы, с помощью которых осуществляется неразрушающий контроль.
Вихретоковые методы неразрушающего контроля (МНК) основаны на исследовании взаимодействия электромагнитного поля вихретокового преобразователя с наводимым в объекте контроля электромагнитным полем вихревых токов, имеющих частоту до единиц МГц. На практике данный метод используют для контроля объектов, которые изготовлены из электропроводящих материалов. С его помощью получают информацию о химическом составе и геометрическом размере изделия, о структуре материала, из которого объект изготовлен, и обнаруживают дефекты, залегающие на поверхности и в подповерхностном слое (до глубины 2-3 мм). Типичный прибор, используемый этим методом, - вихретоковый дефектоскоп. Однако подобные приборы в основном фиксируют наличие или отсутствие дефекта, а полную и достоверную информацию о виде и местоположении дефекта получить с их помощью затруднительно.
Известные вихретоковые МНК основаны на анализе взаимодействия внешнего электромагнитного поля с электромагнитным полем вихревых токов, наводимых возбуждающей катушкой в электропроводящем объекте контроля этим полем. В качестве источника электромагнитного поля, как правило, используется индуктивная катушка (одна или несколько) с датчиком, называемая вихретоковым преобразователем (ВТП), которые могут быть как накладными, так и проходными.
Синусоидальный (или импульсный) ток, действующий в катушках ВТП, создает электромагнитное поле, которое, проникая в электропроводящий объект контроля, возбуждает в нем вихревые токи. Электромагнитное поле вихревых токов воздействует на катушки преобразователя, наводя в них ЭДС или изменяя их полное электрическое сопротивление. Регистрируя напряжение на катушках или их сопротивление, получают информацию о свойствах объекта и о положении преобразователя относительно него. По интенсивности распределения токов в контролируемом объекте можно судить о размерах изделия, свойствах материала, наличии несплошностей.
Особенность вихретокового контроля заключается в том, что его можно проводить без механического контакта преобразователя и объекта. Их взаимодействие происходит на расстояниях, достаточных для свободного движения преобразователя относительно объекта (от долей миллиметров до нескольких миллиметров). Поэтому указанными методами можно получать хорошие результаты контроля даже при высоких скоростях перемещения преобразователя относительно поверхности объекта контроля.
Известен целый ряд изобретений, которые относятся к вихретоковому контролю и могут быть использованы для решения актуальных технических задач.
Известен способ вихретокового двухчастотного контроля изделий (RU 2184931 C1, 10.07.2002), заключающийся в том, что первый, высокочастотный вихретоковый преобразователь включают в колебательный контур. Разность фаз между высокочастотным возбуждающим сигналом и выходным сигналом первого преобразователя используют для регулировки частоты этого возбуждающего сигнала до соответствия резонансной частоте колебательного контура. Затем формируют низкочастотный возбуждающий сигнал посредством деления частоты высокочастотного возбуждающего сигнала на четный коэффициент и подают его на второй, низкочастотный вихретоковый преобразователь. Коэффициент деления частоты выбирают с учетом типа электропроводящего покрытия. По результатам обработки амплитудно-фазовых значений выходного напряжения второго преобразователя определяют толщину контролируемого покрытия. Благодаря регулировке частоты работы второго преобразователя обеспечивается стабилизация обобщенного параметра и достигается высокая точность измерения.
Общим признаками с заявляемым способом является возбуждение вихревых токов в объекте контроля посредством вихретокового преобразователя.
Недостатком вышеприведенного решения является использование способа возбуждения вихревых токов катушкой с переменным электромагнитным полем, что приводит к возникновению скин-эффекта и уменьшению амплитуды электромагнитных волн по мере их проникновения вглубь проводящей среды. Скин-эффект при наличии переменного электромагнитного поля присутствует всегда, и он тем сильнее, чем выше рабочая частота, используемая при возбуждении. В результате «скин-эффекта» вышеописанный способ позволяет уверенно обнаруживать дефекты только в поверхностном и подповерхностном слое на глубине в несколько миллиметров.
Известен способ вихретоковой дефектоскопии (RU 2025724 C1, 30.12.1994), предназначенный для контроля электропроводящих изделий протяженной формы, например капиллярных труб. Указанное техническое решение позволяет повысить точность за счет уменьшения влияния скорости перемещения изделия. Это достигается тем, что в данном способе, основанном на возбуждении в продольно перемещающемся изделии продольного электромагнитного поля, получения напряжения, вызванного разностью полей вихревых токов от двух близлежащих участков изделий и зафиксированного с помощью двух катушек измерительного канала, плоскости расположения витков которых перпендикулярны направлению возбуждающего электромагнитного поля, дополнительно создают второй аналогичный измерительный канал, в котором с помощью двух катушек фиксируют напряжение, вызванное разностью полей вихревых токов от двух близлежащих участков изделия, один из которых расположен посредине между анализируемыми первым каналом участками, осуществляют коммутацию полученных напряжений, сравнивая которые, получают сигнал, используемый для оценки дефектности изделия, при этом частоту коммутации определяют из соотношения F>2 V/H, где F - частота коммутации каналов, V - скорость перемещения контролируемого изделия, м/с; H - базовое расстояние между катушками одного из каналов.
К недостаткам известного способа можно отнести сложность реализации, поскольку для повышения точности контроля в нем применяется второй измерительный канал, усложняющий обработку информации и средства реализации способа.
Общими признаками с заявляемым способом являются перемещение объекта контроля относительно вихретокового преобразователя, возбуждение вихревых токов в объекте контроля посредством вихретокового преобразователя.
Известен вихретоковый дефектоскоп для контроля длинномерных проводящих изделий (RU 2397486 C1, 20.08.2010), который содержит последовательно соединенные генератор переменного тока, вихретоковый дифференциальный преобразователь (ВТП) проходного типа, компенсатор начальной ЭДС, усилитель высокой частоты, амплитудно-фазовый детектор, фильтр нижних частот, предварительный усилитель низкой частоты, фильтр верхних частот, регулируемый усилитель низкой частоты, пороговое устройство, блок управления сортировкой, фазовращатель, источник постоянного тока и соленоид, причем генератор связан со вторым входом компенсатора напрямую, а со вторым входом амплитудно-фазового детектора через фазовращатель, при этом дефектоскоп дополнительно снабжен второй дифференциальной парой измерительных обмоток, смещенной по оси ВТП на заданное расстояние L, аналого-цифровым преобразователем (АЦП), с помощью которого производится измерение выходных сигналов, программно-управляемым микропроцессором, вторым измерительным каналом, состоящим из последовательно соединенных компенсатора начальной ЭДС, усилителя высокой частоты, амплитудно-фазового детектора, фильтра нижних частот, предварительного усилителя низкой частоты, фильтра верхних частот, регулируемого усилителя низкой частоты, фазовращателя, включенного между вторым выходом генератора и вторым входом дополнительного амплитудно-фазового детектора, микропроцессор также связан по адресным шинам и шинам данных с генератором, двумя фазовращателями, двумя фильтрами верхних частот, двумя регулируемыми усилителями низкой частоты, АЦП, пороговым устройством и блоком управления сортировкой.
Общими признаками с заявляемым устройством являются наличие аналого-цифрового преобразователя, вычислительного устройства, вихретокового преобразователя.
К недостаткам вышеуказанного устройства можно отнести использование в его конструкции вихретокового дифференциального преобразователя (ВТП) проходного типа, что резко ограничивает область применения данного устройства вследствие необходимости обеспечения двустороннего доступа к объекту контроля, что далеко не всегда возможно.
Известно устройство для вихретокового контроля (RU 2102739 C1, 20.01.1998), содержащее последовательно соединенные генератор, вихретоковый преобразователь, блок амплитудно-фазовой селекции, второй вход которого подключен к второму выходу генератора, индикатор, аналого-цифровой преобразователь, цифровой рекурсивный фильтр, блок динамического преобразования сигнала и ЭВМ.
Недостатком известного устройства является использование для возбуждения вихревых токов переменного электромагнитного поля, что усложняет конструкцию в связи с необходимостью использования в ней источника электромагнитного поля-генератора.
Общими признаками с заявляемым устройством являются наличие аналого-цифрового преобразователя, вычислительного устройства, вихретокового преобразователя.
Необходимо отметить, что способ возбуждения вихревых токов с помощью генерации катушкой возбуждения электромагнитного поля не является единственной возможностью для возбуждения вихревых токов в электропроводящих объектах, поскольку широко известен способ возбуждения вихревых токов в проводниках путем взаимного перемещения магнита и проводника.
Известен «Дифференциальный датчик, система контроля и способ обнаружения аномалий в электропроводящих материалах» (US 2015/0233868 A1, 20.08.2015).
В указанном способе возбуждение вихревых токов осуществляют путем перемещения постоянного магнита системы контроля с дифференциальным датчиком относительно электропроводящего материала со скоростью V параллельно его поверхности на определенном расстоянии.
«Дифференциальный датчик для обнаружения аномалий в электропроводящих материалах имеет постоянный магнит (ТЧ), первую катушку (S1) с одним или множеством первых витков, которые накручивают вокруг постоянного магнита и образуют первую ось катушки (A1), и вторую катушку (S2) с одним или несколькими вторыми обмотками, которые идут вокруг постоянного магнита и определяют вторую ось катушки (А2), которая проходит в поперечном направлении, в частности перпендикулярно к первой оси катушки. Третья катушка (S3) имеет ось, перпендикулярную осям катушек (S1) и (S2). Изменения магнитного потока могут быть обнаружены и проанализированы по отдельности для каждой из катушек. Датчик является частью системы контроля, которая включает указанный датчик и анализатор (А), который выполнен с возможностью обнаружения отдельно для каждой катушки электрических напряжений, индуцированных в обмотках катушек, или сигналов, полученных из них в обмотках катушек (S1, S2, S3) дифференциального датчика и сравнивает их с помощью по меньшей мере одной процедуры анализа».
Особенностями указанного способа и устройства для его реализации являются:
а) использование магнитопровода, осуществляющего передачу магнитного потока в три приемные катушки.
б) три приемные катушки намотаны на магнитопровод в трех ортогональных друг другу плоскостях, при этом плоскости катушек также ортогональны друг другу.
Основными недостатками указанного способа и устройства для его реализации являются:
1. В вышеуказанном изобретении использованы приемные катушки с намоткой витков симметрично относительно полюсов N и S. При такой конструкции приемная катушка может быть представлена в виде «эквивалентной тонкой катушки», имеющей количество витков, равное количеству витков катушки, намотанной равномерно на магнит «от полюса до полюса», но при этом расположенной симметрично относительно полюсов N и S. При этом расстояние от плоскости расположения такой «эквивалентной тонкой катушки» до любого из полюсов будет равно половине длины магнитопровода. А расстояние от плоскости «эквивалентной тонкой катушки» до плоскости электропроводящего объекта будет равно сумме расстояний от плоскости катушки до полюса магнита, обращенного к электропроводящему объекту от полюса магнита до плоскости электропроводящего объекта. Последнее представляет собой величину необходимого минимального зазора, гарантирующего отсутствие механического контакта между магнитом и электропроводящим объектом. Такое расположение катушки от плоскости электропроводящего объекта на расстоянии, эквивалентном «половине расстояния от полюса N до полюса S» приводит к снижению эффективности возбуждения ЭДС, наводящейся в катушке вихревыми токами, взаимодействующими с дефектом и, как следствие, к снижению чувствительности датчика.
2. Использование магнитопровода указанной конструкции приводит к появлению в токопроводящем материале магнитопровода «скин-эффекта». Это особенно проявляется для высокочастотных составляющих электромагнитных волн от вихревых токов, имеющих место при высоких скоростях движения датчика относительно электропроводящего объекта. В свою очередь «скин-эффект» может служить препятствием для проникновения переменного электромагнитного поля к дальним виткам приемной катушки, и, как следствие - к снижению чувствительности датчика.
3. Использование магнитопровода указанной конструкции приводит к возникновению вторичных вихревых токов в токопроводящем материале магнита и, согласно правилу Ленца, противодействующих этому полю, в результате чего также снижается эффективность возбуждения ЭДС в приемной катушке (катушках) и чувствительность датчика.
4. В устройстве и способе указанного аналога увеличение напряженности магнитного поля, генерируемого магнитом, с целью увеличения силы вихревых токов в электропроводящем объекте путем увеличения его размера и расстояния между полюсами может привести (как указано в п. 1) к снижению его чувствительности.
5. Ориентация приемных катушек по трем координатам, предполагающая высокую чувствительность датчика к электромагнитным полям с любого направления, снижает его помехозащищенность в реальных условиях технического производства. Это происходит в силу необходимости для датчика иметь максимальную чувствительность в направлении возможного расположения дефекта и быть нечувствительным ко всем другим направлениям, со стороны которых возможно поступление сигнала помехи.
Общими признаками заявляемого способа и способа в вышеуказанном патенте является то, что в электропроводящем объекте контроль осуществляется путем возбуждения вихревых токов посредством постоянного магнитного поля и сканирования электропроводящего объекта бесконтактным вихретоковым преобразователем (индуктором-датчиком), накладного типа, движущимся относительно объекта контроля со скоростью V (м/с).
Общими признаками заявляемого устройства и устройства в вышеуказанном патенте является то, что в качестве вихретокового преобразователя используют вихретоковый преобразователь накладного типа, соединенный с блоком обработки и анализа.
Наиболее близким по решаемой задаче и технической сущности к заявляемому способу является «способ вихретокового контроля медной катанки и устройство для его реализации» (RU 2542624 C1, 20.02.2015) основанный на возбуждении вихревых токов в контролируемом изделии путем применения в вихретоковом преобразователе по крайней мере не менее одного мощного постоянного магнита, жестко закрепленного с соосно установленным ему датчиком изменения электромагнитного поля, наведенного вихревым током в контролируемом объекте.
Наиболее близким по решаемой задаче и технической сущности к заявляемому устройству является «устройство для реализации способа вихретокового контроля медной катанки» (RU 2542624 C1, 20.02.2015), содержащее вихретоковый преобразователь (ВТП) проходного типа, который имеет по крайней мере не менее одного мощного постоянного магнита, жестко закрепленного с соосно установленным ему датчиком изменения электромагнитного поля, наведенного вихревым током в контролируемом объекте. При этом датчик изменения электромагнитного поля соединен с блоком обработки и анализа сигналов.
Общими признаками заявляемого способа и прототипа является то, что в электропроводящем объекте контроль осуществляется путем возбуждением вихревых токов посредством постоянного магнитного поля и сканирования электропроводящего объекта бесконтактным вихретоковым преобразователем, состоящим из индуктора постоянного магнитного поля и датчика изменения электромагнитного поля, движущимся относительно объекта контроля со скоростью V (м/с), и фиксируют сигналы, соответствующие изменению электромагнитного поля, по результатам изменения которого определяют наличие дефектов.
Общими признаками заявляемого устройства с прототипом является наличие бесконтактного вихретокового преобразователя, состоящего из индуктора постоянного магнитного поля и датчика изменения электромагнитного поля, соединенного с блоком обработки и анализа.
Основными недостатками указанного способа и устройства для его реализации являются:
1. Возможность их применения только с использованием вихретокового преобразователя проходного типа, обеспечивающего двусторонний доступ к электропроводящему объекту, когда индуктор постоянного магнитного поля и датчик изменения электромагнитного поля расположены по разные стороны относительно электропроводящего объекта. Однако далеко не всегда в условиях реального производства технологически возможно обеспечить двусторонний доступ к электропроводящему объекту;
2. Необходимость обеспечения передвижения объекта контроля относительно индуктора и датчика изменения электромагнитного поля, что не всегда возможно в условиях реального производства.
Данное обстоятельство кратно снижает возможность применения указанного способа на практике.
Основной задачей заявляемой группы изобретений является расширение арсенала технических средств и способов для вихретокового контроля объектов, выполненных из электропроводящих материалов.
Технический результат заявленной группы изобретений заключается в реализации назначения заявленных решений.
При этом заявляемый способ и устройство имеют более широкие функциональные возможности по сравнению с прототипом за счет обеспечения возможности вихретокового контроля при одностороннем доступе к объекту.
Технический результат достигается тем, что в известном способе вихретокового контроля электропроводящих объектов, основанном на том, что в электропроводящем объекте возбуждают вихревой ток постоянным магнитным полем полем и сканируют электропроводящий объект вихретоковым преобразователем, содержащим по меньшей мере один индуктор постоянного поля и по меньшей мере один датчик изменения электромагнитного поля при перемещении вихретокового преобразователя и электропроводящего объекта, фиксируют сигналы, соответствующее изменению электромагнитного поля, по результатам измерений которого определяют наличие дефектов, возбуждение вихревых токов в электропроводящем объекте осуществляют с помощью вихретокового преобразователя накладного типа, в котором датчики изменения электромагнитного поля устанавливают на полюсе индуктора постоянного поля, а возбуждение вихревых токов осуществляют через датчик изменения магнитного поля.
Рационально осуществлять сканирование электропроводящего объекта как в направлении перемещения контролируемого объекта, так и в направлении перпендикулярном перемещению.
Сканирование одного и того же участка электропроводящего объекта можно осуществлять многократно.
Возможно осуществление сканирования путем перемещения электропроводящего объекта относительно вихретокового преобразователя и/или вихретокового преобразователя относительно электропроводящего объекта.
В одном из вариантов реализации способа возможно использование вихретокового преобразователя, выполненного из парных индукторов и датчиков изменения электромагнитного поля, разнесенных в пространстве по направлению движения так, чтобы они обеспечивали возможность при сканировании последовательно проходить друг за другом по одной и той же траектории.
При этом сигнал с одного из индукторов - датчиков в паре инвертируют по фазе, а сигналы с парных датчиков изменения электромагнитного поля подвергают операции сложения.
Кроме того, в случае использования парных датчиков о наличии дефекта судят после получения по меньшей мере двух сигналов от парных датчиков изменения электромагнитного поля.
При этом вычисляют корелляционную функцию для первого и второго сигналов для каждой пары датчиков изменения электромагнитного поля.
Предпочтительно перемещать вихретоковый преобразователь относительно объекта контроля со скоростью от 0,1 до 100 м/с.
Технический результат достигается также тем, что в известном устройстве, содержащем вихретоковый преобразователь, состоящий по меньшей мере из одного индуктора постоянного поля и одного датчика изменения электромагнитного поля, блока обработки и анализа, вход которого связан с выходом датчика изменения электромагнитного поля, в качестве вихретокового преобразователя используют вихретоковый преобразователь накладного типа, а датчик изменения электромагнитного поля устанавливают на полюсе индуктора постоянного поля, при этом датчик изменения электромагнитного поля и индуктор постоянного поля составляют единое целое.
Вихретоковый преобразователь может быть выполнен по меньшей мере из одной пары вихретоковых преобразователей, выполненных с возможностью последовательного перемещения друг за другом по одной и той же траектории в направлении движения.
Вихретоковый преобразователь может быть закреплен на устройстве линейного перемещения, выполненном с возможностью осуществления неоднократного сканирования одного и того же участка электропроводящего объекта контроля.
В одном из вариантов реализации вихретоковые преобразователи могут быть закреплены на устройстве вращения, выполненном с возможностью осуществления неоднократного сканирования одного и того же участка электропроводящего объекта.
Датчик изменения электромагнитного поля может быть выполнен в виде приемной катушки.
В качестве индуктора постоянного поля могут быть использованы электромагниты или любые постоянные магниты произвольной геометрической формы.
Блок обработки и анализа может быть выполнен в виде последовательно соединенных усилителя, АЦП и вычислительного устройства.
В одном из вариантов реализации блок обработки и анализа может быть выполнен в виде двух каналов, один из которых содержит усилитель, а второй канал содержит усилитель инвертор, при этом выходы каналов соединены с сумматором, последовательно соединенным с АЦП и вычислительным устройством.
Заявляемые способ и устройство обеспечивают возможность за счет отсутствия «скин-эффекта» не только выявлять дефекты на всей глубине объекта, но и обеспечивает такую возможность при одностороннем доступе за счет применения преобразователя накладного типа.
Таким образом, заявляемые технические решения обеспечивают возможность обнаружения дефектов не только на «длинномерных» объектах типа катанки или проволоки, но и на любых объектах контроля из электропроводящих материалов, что максимально расширяет область его применения.
Основными отличиями заявляемого способа от технического решения прототипа является то, что возбуждение вихревых токов в контролируемом объекте осуществляют постоянным магнитным полем постоянного магнита или электромагнита через приемную катушку, закрепленную на полюсе постоянного магнита, обладающую нулевой чувствительностью к постоянному полю магнита, причем для дефектоскопии используют бесконтактный вихретоковый преобразователь накладного типа.
Основным отличием заявляемого устройства от прототипа является то, что в устройстве используется вихретоковый преобразователь накладного типа, в котором датчик изменения электромагнитного поля закреплен на полюсе магнита-индуктора и представляет с индуктором единое целое, причем датчик изменения электромагнитного поля имеет нулевую чувствительность к собственному магнитному полю индуктора.
На Фиг. 1 схематически представлено устройство вихретокового контроля электропроводящих объектов с фрагментом объекта контроля, имеющим дефект.
На Фиг. 2 схематически представлен вихретоковый преобразователь, состоящий из индуктора постоянного поля, на полюсе которого установлен датчик изменения электромагнитного поля.
На Фиг. 3 приведена диаграмма контроля реального участка электропроводящего объекта с дефектами, на которой изображены сигналы с датчика.
На Фиг. 4 приведена диаграмма контроля реального участка электропроводящего объекта контроля, не имеющего дефектов.
На фиг.5 представлено устройство вихретокового контроля электропроводящих объектов, с вихретоковыми преобразователями, объединенными в пару.
На фиг.6 представлена двухканальная схема блока обработки и анализа.
На фиг.7 представлены диаграммы сигналов, поясняющие принцип работы блока обработки и анализа.
Устройство вихретокового контроля электропроводящих объектов для реализации заявляемого способа осуществляется следующим образом.
Возможный вариант реализации устройства вихретокового контроля электропроводящих объектов (Фиг. 1) содержит вихретоковый преобразователь 2 накладного типа, который возбуждает в электропроводящем материале объекта контроля 1 с дефектом вихревые токи. Вихретоковый преобразователь 2 размещен на устройстве линейного перемещения 4 и соединен с блоком обработки и анализа 3.
Устройство линейного перемещения может быть выполнено с возможностью неоднократного сканирования одного и того же участка объекта контроля.
Вихретоковый преобразователь 2 состоит из индуктора постоянного поля 5 и датчика изменения электромагнитного поля, выполненного в виде приемной катушки 6 (фиг. 2).
В качестве индуктора постоянного поля 5 могут быть использованы электромагниты или любые постоянные магниты произвольной геометрической формы.
Блок обработки и анализа 3, в случае его выполнения одноканальным, содержит последовательно соединенные усилитель, АЦП и вычислительное устройство (не показан).
В случае выполнения блока обработки и анализа 3 двухканальным (фиг. 6) он содержит усилитель 7 в одном из каналов, и усилитель-инвертор 8 - во втором канале, при этом выходы усилителя 7 и усилителя-инвертора 8 соединены с входами сумматора 9, соединенного последовательно с АЦП 10 и вычислительным устройством 11.
В одном из вариантов реализации вихретоковый преобразователь 2 может быть выполнен по меньшей мере из одной пары вихретоковых преобразователей (фиг. 5), разнесенных в пространстве по направлению движения так, чтобы они могли последовательно проходить друг за другом по одной и той же траектории.
Вихретоковые преобразователи 2 могут быть закреплены также на устройстве вращения, выполненном в виде циркулярного сканера и с возможностью неоднократного сканирования одного и того же участка электропроводящего объекта.
Циркулярный сканер представляет собой диск (не показан) с установленными на нем парой вихретоковых преобразователей 2, размещенных параллельно поверхности электропроводящего объекта на расстоянии 2-3 мм. Диск приводится во вращение двигателем. Сигналы с каждого из вихретоковых преобразователей 2 последовательно поступают на усилители, блоки беспроводной передачи данных (не показаны) и далее в двухканальный блок обработки и анализа 3.
В заявляемых способе и устройстве при использовании циркулярного сканера имеется возможность осуществлять сканирование со скоростью до нескольких десятков м/с, что позволяет осуществлять контроль слабопроводящих композиционных материалов, например различных типов углепластиков.
Заявляемые способ и устройство работают следующим образом (Фиг. 1).
В одном из вариантов реализации вихретоковый преобразователь 2 движется относительно объекта контроля 1 с помощью устройства линейного перемещения 4 со скоростью 1-6 м/с на расстоянии 2-3 мм от поверхности электропроводящего объекта. В качестве индуктора постоянного поля 5 (Фиг. 2) использован постоянный магнит, на полюсе которого размещен датчик изменения электромагнитного поля, выполненный в виде приемной катушки 6, преобразующей изменяющееся при взаимодействии вихревых токов с дефектом электромагнитное поле в ток.
Процесс входа магнитного поля и его выхода из любого произвольно взятого участка электропроводящего объекта означает изменение напряженности магнитного поля в проводнике по всей глубине и, как следствие, этот процесс сопровождается возникновением вихревых токов. В проводнике, не содержащем поверхностных и внутренних дефектов, два любых произвольно взятых участка подобны друг другу, и в этом случае вихревые токи в проводнике носят установившийся характер и генерируют противодействующее магнитное поле, не меняющееся во времени, т.е. подобное постоянному полю постоянного магнита. Приемная катушка 6 регистрирует только переменную составляющую магнитного поля вихревых токов, поэтому в зонах, не имеющих дефектов, на выходе датчика изменения электромагнитного поля сигнала нет. В случае прохождения вихретокового преобразователя 2 мимо участка с несплошностью, установившийся характер вихревых токов в электропроводящем объекте и противодействующего магнитного поля нарушается и на выходе датчика появляется сигнал. Амплитуда сигнала пропорциональна размеру несплошности, что позволяет при обработке сигналов применять систему ранжирования дефектов. Экспериментальным путем установлено, что динамический диапазон сигнала - от десятков мВ до 10 В. В случае использования одного вихретокового преобразователя 2 и одноканального блока обработки сигнала 3 сигнал с приемной катушки 6 поступает в устройство обработки и анализа 3, где усиливается, поступает в АЦП, преобразуется в цифровой код и передается для дальнейшей обработки в вычислительное устройство. Результаты обработки сигналов показаны на диаграммах Фиг. 3 и Фиг. 4.
На Фиг. 3 приведена диаграмма контроля реальной зоны электропроводящего объекта с дефектами, на которой видны амплитудные флуктуации сигнала датчика, свидетельствующие о наличии различных дефектов. Резкое увеличение амплитуды сигнала отражает результат взаимодействия вихревых токов с дефектами в электропроводящем объекте.
На Фиг. 4 показана диаграмма качественного участка электропроводящего объекта, которая представляет из себя практически прямую линию, т.к. изменения переменного тока, образованного вихревым током, не происходит. Причина этого заключается в том, что, как уже было сказано выше, в проводнике, не содержащем поверхностных и внутренних дефектов, два любых произвольно взятых участка подобны друг другу, в этом случае вихревые токи в электропроводящем объекте носят установившийся характер и генерируют противодействующее магнитное поле, не меняющееся во времени и подобное постоянному полю постоянного магнита.
При практической реализации заявляемого способа контроля возможно появление факторов, препятствующих проведению контроля и получению достоверной информации о наличии дефектов в объекте контроля. Такими факторами могут быть:
1. Вибрации вихретокового преобразователя с вектором колебаний, направленным ортогонально вектору движения вихретокового преобразователя вследствие неидеальной работы устройства линейного перемещения;
2. Вибрации электропроводящего объекта при движении относительно вихретокового преобразователя с направлением вектора колебаний, ортогональным вектору движения электропроводящего объекта (например, при вихретоковом контроле изделий на прокатном стане).
В указанных случаях изменение расстояния между поверхностью электропроводящего объекта и вихретоковым преобразователем 2 вследствие вибраций может приводить к изменению напряженности магнитного поля в электропроводящем объекте и, следовательно, к возникновению противодействующих этим изменениям вихревым токам, которые также будут регистрироваться датчиком изменения электромагнитного поля б и в некоторых случаях могут быть приняты блоком обработки и анализа за дефект.
3. В условиях реального производства возможно наличие электромагнитных помех от других устройств, находящихся и работающих вблизи устройства вихретокового контроля, что также может регистрироваться датчиком и в некоторых случаях принято системой обработки за дефект.
Исключить влияние вышеприведенных негативных факторов возможно путем использования в системе вихретокового контроля дифференциально-временного способа обработки и видоизмененной конструкции датчика, реализующих один из вариантов заявляемых способа и устройства, не ограничивающих применение иных подобных вариантов.
Пример такой практической реализации представлен на Фиг. 5.
В указанном варианте реализации устройство содержит по меньшей мере одну пару вихретоковых преобразователей, каждый из которых имеет собственный индуктор постоянного поля 5 и собственную приемную катушку 6 (Фиг. 2), расположенных на расстоянии друг от друга. Указанное расстояние может варьироваться в диапазоне от нескольких сантиметров до нескольких дециметров. При движении со скоростью V вдоль электропроводящего объекта вихретоковые преобразователи последовательно проходят вдоль дефекта и, вследствие взаимодействия вихревых токов с дефектом в их приемных катушках, происходит изменение ЭДС. Кроме взаимодействия вихревых токов с дефектом, ЭДС в приемных катушках может вызываться колебаниями электропроводящего объекта либо вихретоковых преобразователей в направлении вектора вибраций (Фиг. 5). Сигналы с приемных катушек вихретоковых преобразователей 6а и 6б поступают соответственно на расположенные в устройстве обработки и анализа 3 предварительный усилитель 7 и предварительный усилитель-инвертор 8 и далее - на сумматор 9. В сумматоре 9 сигналы подвергаются операции сложения. С выхода сумматора сигнал поступает на АЦП 10 и после оцифровки - на вычислительное устройство 11.
На фиг. 7 приведены диаграммы сигналов, поясняющие принцип работы блока обработки и анализа.
На диаграммах 1 и 2 показаны и обозначены:
1.1 - сигнал от дефекта с приемной катушки первого датчика;
2.1 - сигнал от дефекта с приемной катушки второго датчика;
1.2 - сигнал вибраций с приемной катушки первого датчика;
2.2 - сигнал вибраций с приемной катушки второго датчика;
1.3 - сигнал помехи с приемной катушки первого датчика;
2.3 - сигнал помехи с приемной катушки второго датчика.
На диаграмме 3 показаны те же сигналы от дефекта, вибраций и помехи с выхода усилителя 7, который поступает на первый вход сумматора 9.
На диаграмме 4 показаны те же сигналы от дефекта, вибраций и помехи с выхода усилителя-инвертора 8, который поступает на второй вход сумматора 9.
При этом на диаграммах обозначены: U - амплитуда сигналов, t - ось времени.
Как видно на диаграммах 3 и 4, сигналы вибраций и помехи синхронны и инверсны относительно друг друга, при этом сигналы от дефекта также инверсны относительно друг друга, но несинхронны и отстоят по времени друг относительно друга на время (t4-t1). После суммирования таких сигналов сумматором 9 на его выходе получается результирующий сигнал, поступающий на вход АЦП 10, представленный на диаграмме 5.
Как видно из диаграмм, заявляемая технология с применением дифференциально-временного способа обработки и видоизмененной конструкции датчика в виде парных вихретоковых преобразователей позволяет не только полностью устранить влияние на результаты контроля вибраций и внешних электромагнитных помех, но и повысить достоверность контроля путем получения, кроме основного сигнала, свидетельствующего о наличии дефекта в объекте контроля, еще и второго сигнала, следующего вслед за первым точно через временной интервал (t4-t1) и подтверждающего наличие дефекта.
При этом с целью повышения достоверности контроля и надежности подтверждения наличия дефекта для второго сигнала в компьютерной программе анализа сигналов проводится инверсия второго сигнала и последующее вычисление корелляционной функции для первого и второго сигналов с целью определения наличия в данной зоне объекта контроля дефекта.
Такой способ повышения достоверности контроля и надежности подтверждения наличия дефекта основан на том факте, что после повторной инверсии второго сигнала оба сигнала (первый и второй) становятся подобными друг другу, поскольку вызваны одним и тем же дефектом и разнесены по времени из-за разности во времени моментов прохождения вдоль дефекта первого и второго вихретоковых преобразователей 2 в паре. При последовательном совмещении таких сигналов и вычислении корреляционной функции ее значение будет близко к единице, что будет свидетельствовать о факте регистрации обоими вихретоковыми преобразователями одного и того же дефекта.
В заявляемом способе и устройстве при использовании в качестве сканера устройства линейного перемещения или циркулярного сканера при получении и обработке информации, для повышения достоверности контроля имеется возможность использования принципа накопления информации путем многократного сканирования участка электропроводящего объекта, позволяющего выявлять дефекты даже в слабопроводящих композиционных материалах с анизотропией проводимости.
Специально разработанная программа обработки полученных сигналов позволяет определить местонахождения дефекта и оценить влияние его на качество контролируемого объекта.
Заявляемый способ и устройство позволяют применить изобретение для контроля любых электропроводящих объектов из материалов различных типов. При этом возможность проведения вихретокового контроля с односторонним доступом к объекту контроля расширяют возможности применения указанных способа и устройства. Изобретение может найти применение в любых отраслях промышленности, где требуется контроль изделий с затрудненным доступом, в частности для контроля листового и трубного проката