Вихретоковый преобразователь для контроля качества углепластиковых объектов
EDDY-CURRENT CONVERTER FOR QUALITY CONTROL OF CARBON FIBER-REINFORCED PLASTIC OBJECTS

Изобретение относится к неразрушающему контролю и может быть использовано для контроля качества углепластиковых объектов.
Углепластиковые объекты, как правило, содержат нескольких 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.
Известен вихретоковый преобразователь, содержащий ортогональную к рабочему торцу возбуждающую прямоугольную катушку и прямоугольную измерительную катушку, установленную параллельно рабочему торцу, симметрично относительно возбуждающей катушки и под ее рабочими витками [Mizukami K, Mizutani Y, Kimura K, Sato A, Todoroki A, Suzuki Y. Detection of in-plane fiber waviness in cross-ply CFRP laminates using layer selectable eddy current method // Composites: Part A: Applied Science and Manufacturing. - March 2016. - Volume 82. - p. 108-18.].
Известный преобразователь предназначен для выявления волнистости углеродных нитей в параллельных внешней поверхности объекта контроля плоскостях. Недостаток известного преобразователя состоит в том, что он не может
быть использован для определения таких параметров углепластиковых объектов, как толщина слоев, объемная доля углеродных нитей, наличие расслоений.
Наиболее близок к предложенному по технической сущности вихретоковый преобразователь [Сясько В.А., Чертов Д.Н. Выявление расслоений углепластиковых материалов с использованием тангенциальных вихретоковых преобразователей // В мире неразрушающего контроля - №2(56). - 2012. - С. 19-21.], 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 идентичные 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 э.д.с.
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.
Технический результат настоящего изобретения заключается в повышении чувствительности и глубины контроля, а также уменьшении габаритов вихретокового 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, 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, достигается благодаря тому, что вторая возбуждающая катушка размещена между пассивными сторонами измерительной катушки и первой
возбуждающей катушки с зазором относительно пассивной стороны измерительной катушки, равным зазору между активными сторонами первой возбуждающей и измерительной катушек.
На фиг. 1 схематично представлен заявляемый вихретоковый преобразователь; на фиг. 2 дана возможная измерительная схема с заявляемым вихретоковым преобразователем; на фиг. 3 поясняется принцип компенсации вихретокового сигнала измерительной катушки.
Заявляемый вихретоковый преобразователь для контроля качества углепластиковых объектов содержит прямоугольную измерительную катушку 1 индуктивности, первую и вторую прямоугольные возбуждающие катушки 2 и 3, соответственно. Измерительная катушка 1 вложена в первую возбуждающую катушку 2. Плоскости витков возбуждающих катушек 2, 3 и измерительной катушки 1 коллинеарные и ортогональны рабочему торцу 4 вихретокового преобразователя 5. Активные стороны 1.1 и 2.1 измерительной катушки 1и возбуждающей катушки 2, соответственно, параллельны друг другу и прилегают к рабочему торцу 4, а противолежащие им пассивные стороны 1.2 и 2.2 этих катушек удалены друг от друга. Вторая возбуждающая катушка 3 размещена между пассивными сторонами 1.2 и 3.2 измерительной катушки 1 и второй возбуждающей катушки 3 с зазором относительно пассивной стороны 1.2 измерительной катушки 1 равной зазору между активными сторонами 2.1 и 1.1 первой возбуждающей катушки 2 и измерительной катушки 1. Для контроля качества углепластикового объекта 6 вихретоковый преобразователь 5 устанавливается рабочим торцом 4 над контролируемым участком объекта 6.
Вихретоковый преобразователь 5 рекомендуется включать в измерительную схему (фиг. 2), содержащую генератор 7 гармонического тока, соединенный своим выходом с одним из выводов возбуждающей катушки 2 - непосредственно, а с одним из выводов возбуждающей катушки 3 - через амплитудно-фазовый регулятор 8. Вторые выводы возбуждающих катушек 2 и 3 соединены
I
I
2
3,
с клеммой «земля» генератора 7. Выбор выводов катушек 2 и 3 выполняется таким образом, чтобы протекающие по их активным проводникам 2.1 и 3.1 гармонические токи  и  соответственно, имели одинаковое направление в один и тот же момент времени. Измерительная схема содержит также последовательно соединенные блок 9 обработки сигнала и блок 10 представления информации. Блок 9 обработки сигнала подключен своим сигнальным входом к выводам измерительной катушки 1, а своим опорным входом - к выходу генератора 7.
Генератор 7, амплитудно-фазовый регулятор 8 и блоки 9, 10 могут быть выполнены по известным схемам, описанным, например, в источнике [Федосенко Ю.К., Шкатов П.Н., Ефимов А.Г. Вихретоковый контроль. - 2-е издание. - Издательский дом «Спектр». - 2014. - 240 с.].
U
I
H
H
I
I
Ф
Ф
Ф
I
I
Ф
Ф
Ф
0
3
2
3
2
3
р
2
3
2
3
2
3
р
Заявляемый вихретоковый преобразователь работает следующим образом. Перед установкой вихретокового преобразователя 5 на контролируемый участок осуществляется компенсация его начального напряжения  путем регулировки тока  возбуждающей катушки 3 с помощью амплитудно-фазового регулятора 8. Возможность такой компенсации поясняется на фиг. 3. Здесь показано, что напряженности  и  переменного магнитного поля, создаваемого токами  и , соответственно, имеют в произвольный момент времени направленные в противоположных направлениях составляющие нормальные к плоскости витков измерительной катушки 1. Следовательно, результирующий магнитный поток , сцепленный с витками катушки 1 будет равен разности сцепленных с ними магнитных потоков  и , создаваемых токами  и , соответственно. При равенстве магнитных потоков  и  имеем =0, что равносильно достижению компенсации.
Ф
I
I
р
2
3
Условие =0 будет выполняться при определенном соотношении токов  и , несколько отличающемся от 1. Это связано с тем, что некий вклад в сцепленный с измерительной катушкой 1 магнитный поток вносят магнитные поля пассивных проводников катушек 2 и 3, а также магнитные потоки, создаваемые
Ф
Ф
I
I
2
3
2
3
боковыми проводниками этих катушек. Кроме того, в реальных конструкциях достичь полной симметрии проводников 2.1 и 3.1 относительно оси катушки 1 не удается. Возникающая асимметрия приводит к тому, что условие = при = не выполняется, хотя отличие этих токов невелико.
I
I
Z
Z
2
3
2
3
Для выполнения условия компенсации необходимо регулировать не только соотношение амплитуд токов  и , но и их фаз. Это связано с неизбежным отличием комплексных сопротивлений  и  катушек 2 и 3 не только по модулю, но и по аргументу.
U
U
вн
0
вн
-2
Следует отметить, что из-за низкой удельной электрической проводимости ст углепластиковых материалов величина вносимого вихревыми токами вихретокового сигнала  составляет несколько процентов относительно начального напряжения . Это определяет высокие требования к уровню компенсации начального напряжения, который должен составлять не менее 10 от величины U.
U
0
После компенсации начального напряжения  вихретоковый преобразователь 5 устанавливается на контролируемый участок своим торцом 4 с заданным рабочим зазором. Вносимое в измерительную катушку 1 напряжение поступает на вход блока 9 обработки сигнала, а с его выхода на блок 10 представления информации. Для получения информации о слоях, ориентированных в определенном направлении плоскость катушек 1-3 преобразователя 5 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.
U
вн
Увеличение чувствительности контроля достигается за счет повышения уровня и стабильности компенсации. Это связано с тем, что на вход блока 9 обработки сигнала поступает чистый сигнал - непосредственно величина вносимого вихретокового сигнала , а не сумма напряжений с измерительной и
компенсационной катушек, что имеет место в прототипе. Так как компенсационная и измерительная катушки должны быть удалены друг от друга, они находятся в разных условиях, что приводит к флуктуации разности напряжений между ними. Кроме того, соединяющие их проводники образуют контуры, являющиеся источниками наведенных помех, что важно с учетом высоких частот мегагерцового диапазона, применяемых из-за низкой величины удельной электрической проводимости σ углепластиков.
Увеличение глубины контроля связано с тем, что токи в активных проводниках 2.1 и 3.1 возбуждающих катушках имеют одинаковое направление и возбуждают вихревые токи одного направления. Это особенно важно по мере увеличения глубины слоев, так как по мере увеличения глубины отношение расстояний до соответствующих проводников непрерывно падает, т.е. степень влияния дальнего от рабочего торца 4 проводника непрерывно возрастает. В известных вихретоковых преобразователях, например, в прототипе ближе к нижнему активному проводнику 2.1 возбуждающей катушки 2 находится его же пассивный проводник 2.2, создающий вихревые токи противоположного направления. В результате происходит ослабление вихревых токов, возбуждаемых током проводника 2.1, за счет воздействия тока противоположного ему направления, протекающего в проводнике 2.2.
При этом возникает дополнительный эффект, связанный с возможностью уменьшения высоты вихретокового преобразователя, что важно, например, при проведении контроля качества углепластиковых объектов в полостях малых размеров.
Таким образом заявляемый вихретоковый преобразователь для контроля качества углепластиковых объектов, по сравнению с прототипом, обладает техническими преимуществами, связанными с повышением чувствительности и глубины контроля, а также меньшими габаритами.