Вихретоковый проходной преобразователь для неразрушающего контроля стрендовых канатов
EDDY CURRENT TRANSDUCER FOR NON-DESTRUCTIVE TESTING OF STRAND ROPES

Изобретение относится к неразрушающему контролю и может быть использовано для выявления обрывов как внешних, так и внутренних стрендов в мультистрендовых канатах и других протяженных шихтованных структурах.
Из уровня техники известен метод проверки дефектов и устройство для проверки дефектов, которые способны обеспечить эффективную и точную проверку. Объект 101 контроля изготовлен из проводящего в его осевом направлении А электрический ток материала. Провод 2а намотан так, что центральная ось катушки 2 проходит вдоль окружного направления С объекта 100 контроля. Катушка 2 имеет форму веера, покрывающую часть внешней периферийной поверхности 101x объекта 101 контроля. Такие веерные катушки 2 расположены с заданным интервалом на внешней периферийной поверхности 101x, где центральный угол веерных катушек 2 регулируется таким образом, чтобы магнитный поток, проходящий от одного конца веерной катушки 2 через объект контроля 100 к другому концу веерной катушки 2, плотно прилегал к внешней периферийной поверхности. Веерные катушки 2 расположены с заданным интервалом по внешней периферийной поверхности 101х, и вихревые токи генерируется на внешней периферийной поверхности 101х вдоль осевого направления А объекта 101 контроля. Поле, вызванное вихревыми токами, измеряется веерной катушкой 2, и на основе результата измерения проверяется наличие или отсутствие дефектов на внешней периферийной поверхности 101 (JP 6373472 B1, опубл. 28.02.2019).
Из документа EP 3557242 A1, опубл. 23.10.2019 известен вихретоковый дефектоскоп, который включает в себя множество катушек возбуждения (3), которые сконфигурированы для возбуждения вихревых токов в объекте контроля, и множество катушек обнаружения (4), дифференциально соединенных друг с другом. Множество катушек (4) обнаружения включает в себя первую катушку (41) обнаружения, которая расположена на второй центральной линии (4а), пересекающей первую центральную линию (3а), которая соединяет друг с другом центр первой катушки возбуждения (31) и центр второй катушки (32) возбуждения, и вторую катушку (42) обнаружения, которая расположена на стороне противоположной первой катушке (41) обнаружения на второй центральной линии (4а). Катушка (3) возбуждения и катушка обнаружения (4) наклонены друг к другу по отношению к поверхности проверяемого объекта.
Известен способ вихретокового контроля протяженных ферромагнитных объектов при помощи вихретокового проходного преобразователя, содержащего возбуждающую катушку в виде соленоида и две дифференциально включенные измерительные катушки. Возбуждающая катушка в виде соленоида создает однородное электромагнитное поле в зоне контроля (В.Г. Герасимов, Ю.Я. Останин, А.Д. Покровский, В.В. Сухоруков, Л.А. Чернов. Неразрушающий контроль качества изделий электромагнитными методами. М. Энергия, 1978).
В документе RU 2146362 C1, опубл. 10.03.2000, заявитель в качестве недостатка   преобразователя и, соответственно, способа контроля, раскрытых в указанном выше источнике, указал повышенный уровень шумов от структурных неоднородностей металла, возрастающий в квадратичной зависимости от диаметра контролируемого изделия.
Также недостатком такого преобразователя в приложении к контролю канатов является разная чувствительность к дефектам / неоднородности электромагнитных свойств во внешнем и внутренних слоях. Сигнал, полученный от внешнего дефекта, намного больше сигнала, полученного от аналогичного дефекта во внутреннем слое. Аналогично помеха, вызванная неоднородностью электромагнитных свойств во внешнем слое, существенно больше помехи, вызванной неоднородностью электромагнитных свойств во внутреннем слое. Это приводит к тому, что сигналы от внутренних дефектов особенно трудно выявить на фоне помехи, формируемой во внешних слоях, в частности неоднородностью электромагнитных свойств. Кроме того, недостатком возбуждающей катушки в виде соленоида является сложность её изготовления в виде разъемной конструкции, что важно для обеспечения технологичности контроля протяженных объектов, у которых нет доступа к концам, таким как: замкнутая канатная дорога, ванта моста и т.п.
Вариантом снижения величины помехи может быть уменьшение области контроля за счет разбиения зоны контроля на частично перекрывающиеся области меньшего размера, как это описано в RU 2146362 C1. Однако данный подход не решает проблему выявления внутренних дефектов на фоне помехи от внешних слоев.
Ближайшем аналогом, в качестве прототипа, выбран вихретоковый проходной преобразователь для неразрушающего контроля ферромагнитных изделий, содержащий проходную возбуждающую катушку и две дифференциально включенные проходные катушки индуктивности диаметром равным диаметру возбуждающей катушки, смещенные вдоль оси преобразователя в разные стороны от возбуждающей катушки на расстояние менее диаметра катушки, раскрытый в документе US 20210223206 A1, опуб. 22.07.2021.
Недостатком прототипа является использование устройства намагничивания, которое связано со значительными трудностями, включая притяжение между контролируемым объектом и устройством контроля. На объектах большого диаметра этот недостаток становится особенно критичным.
Технической задачей заявленного изобретения является повышение соотношения сигнала к помехе, в том числе от неоднородности электромагнитных свойств, осложняющей обнаружение сигналов от дефектов при вихретоковом контроле объектов, особенно из ферромагнитных материалов, а также разработка конфигурации катушек индуктивности вихретокового преобразователя, позволяющей сделать его разъемным.
Технический результат изобретения заключается в повышении соотношения сигнал/помеха за счет сужения зоны контроля, выравнивании порога чувствительности к дефектам во внешнем и внутренних слоях стрендовых канатов.
Технический результат достигается при реализации вихретокового проходного преобразователя для неразрушающего контроля стрендовых канатов, который состоит по меньшей мере из одной проходной возбуждающей катушки индуктивности, двух дифференциально включенных проходных катушек индуктивности, предназначенных для обнаружения локальных дефектов, и измерительной проходной катушки индуктивности, предназначенной для измерения изменения сечения каната, при этом длина возбуждающей катушки меньше диаметра этой катушки, диаметр дифференциально включенных проходных катушек индуктивности и диаметр измерительной катушки индуктивности равны или меньше диаметра возбуждающей катушки, причем дифференциально включенные проходные катушки индуктивности смещены вдоль оси преобразователя на расстояние 0,3-0,7 диаметра катушки каждая в разные стороны от центра возбуждающей катушки, измерительная катушка индуктивности смещена вдоль оси преобразователя на расстояние 0,3-0,7 диаметра измерительной катушки индуктивности от центра возбуждающей катушки.
В частном случае выполнения вихретокового проходного преобразователя для неразрушающего контроля стрендовых канатов пары дифференциально включенных проходных катушек выполнены в виде системы накладных катушек.
В частном случае выполнения вихретокового проходного преобразователя для неразрушающего контроля стрендовых канатов возбуждающие катушки выполнены разного радиуса.
Сущность заявляемого изобретения и его практическая реализация поясняется приведенным ниже описанием и чертежами.
На фиг. 1 изображена схема расположения катушек индуктивности, где:
1 - дифференциально включенные катушки индуктивности, предназначенные для обнаружения локальных дефектов;
2 - возбуждающая катушка индуктивности;
3 - измерительная катушка индуктивности, предназначенная для измерения изменения сечения каната.
На фиг. 2 изображены встречно включенные проходные измерительные катушки.
На фиг. 3 изображены согласно включенные накладные измерительные катушки (2 катушки).
На фиг. 4 изображены согласно включенные накладные измерительные катушки (6 катушек).
r
На фиг. 5 изображен график влияния расстояния между дифференциально включенными проходными катушками индуктивности датчика (протяженности в осевом направлении систем накладных катушек), предназначенными для обнаружения локальных дефектов, на соотношение сигналов от локального дефекта во внешнем и центральном слоях (µ=50), где
6 – канат из 7 стрендов,
7 - канат из 19 стрендов,
8 – канат из 37 стрендов,
9 – канат из 61 стренда,
10 – канат из 91 стренда.
r
На фиг. 6 изображен график влияния положения измерительной проходной катушки индуктивности, предназначенной для измерения изменения сечения каната, на соотношение сигналов от потери сечения во внешнем и центральном слоях (µ=50), где
11 – канат из 7 стрендов,
12 – канат из 19 стрендов,
13 – канат из 37 стрендов,
14 – канат из 61 стренда,
15 – канат из 91 стренда.
На фиг. 7 изображены седловидные возбуждающие катушки.
На фиг. 8 изображены возбуждающие катушки разного радиуса.
На фиг. 9 изображен разделяемый на части вихретоковой преобразователь с седловидными возбуждающими катушками.
На фиг. 10 изображен разделяемый на части вихретоковой преобразователь с возбуждающими катушками разного радиуса.
Заявленное изобретение позволяет повысить соотношение сигнал/помеха за счет использования специальной конфигурации катушек. Достигается это за счет создания неоднородного электромагнитного поля и получаемой в результате разной зависимости чувствительности к дефектам во внешних слоях и чувствительности к дефектам во внутренних слоях от расстояния, на которое смещены измерительные катушки относительно возбуждающей катушки. В результате может быть использовано несколько измерительных катушек (смещенных на разные расстояния относительно возбуждающей катушки), позволяющих сузить область объекта контроля в радиальном направлении, преимущественно формирующую сигналы и помехи, и за счет этого повысить соотношение сигнал/помеха.
Обычно наибольшие трудности вызывает выявление дефектов во внутренних слоях, т.к. величины сигналов от них обычно значительно ниже, чем величины сигналов от дефектов во внешних слоях. Поэтому, как частный случай, измерительные катушки могут быть расположены на расстоянии, обеспечивающем равную чувствительность к дефектам во внешних и внутренних слоях.
Возбуждающая система предлагаемого вихретокового преобразователя (далее ВТП) состоит из возбуждающей катушки индуктивности 2 с длиной много меньше диаметра (фиг. 1). Для обнаружения локальных дефектов предназначены две дифференциально включенные проходные катушки индуктивности 1 диаметром равным диаметру возбуждающей катушки и длиной много меньше диаметра, смещенные вдоль оси преобразователя в разные стороны от центра возбуждающей катушки на расстояние 0,3-0,7 диаметра катушки каждая. Для измерения изменения сечения каната предназначена измерительная катушка 3, представляющая собой проходную катушку индуктивности диаметром равным диаметру возбуждающей катушки и длиной меньше диаметра, смещенную вдоль оси преобразователя на расстояние 0,3- 0,7 диаметра катушки (см. фиг. 1) от центра возбуждающей катушки. Указанные расстояния позволяют обеспечить близкую чувствительность к дефектам в разных слоях (см. фиг. 5 и фиг. 6). Другие расстояния не позволяют выровнять чувствительности. При меньших расстояниях чувствительность к внешним дефектам значительно превосходит чувствительность к внутренним дефектам (см. фиг. 5 и фиг. 6). При бóльших расстояниях чувствительность к внутренним дефектам значительно превосходит чувствительность к внешним дефектам (см. фиг. 5 и фиг. 6).
Возбуждающая катушка индуктивности 2 (фиг.1) или система возбуждающих катушек индуктивности 2 (фиг. 7-10) подключается к генератору гармонического тока, в результате создается электромагнитное поле и вихревые токи в стрендовом канате. Результирующее электромагнитное поле наводит ЭДС в измерительных катушках индуктивности, предназначенных для измерения изменения сечения каната 3 и в дифференциально включенных катушках индуктивности, предназначенных для обнаружения локальных дефектов 1. Измерительная катушка индуктивности, предназначенная для измерения изменения сечения каната 3 подключается к электронному блоку, включающему усилитель и фазочувствительный детектор. Осуществляется движение ВТП вдоль стрендового каната, при этом фиксируются модуль и фаза (относительно тока возбуждающей катушки) наводимых ЭДС в измерительной катушке индуктивности, предназначенной для измерения изменения сечения каната 3. При наличии дефекта изменяется электромагнитное поле и, соответственно, наводимые ЭДС в катушке 3. Это обстоятельство используется для обнаружения дефектов и измерения изменения сечения по металлу стрендового каната. Дополнительно может быть проведена компенсация наводимых напряжений на бездефектном участке каната для увеличения усиления и, соответственно, увеличения чувствительности к дефектам каната.
вн
вн
вн
За счет неоднородности возбуждаемого электромагнитного поля, при изменении расстояния между возбуждающей катушкой 2 и измерительными катушками 1, 3, изменяются наводимые в измерительных катушках напряжения U. Так же расположение измерительных катушек влияет на изменение наводимого напряжения, вызванного дефектом/ неоднородностью электромагнитных свойств каната ∆U. Зависимости модуля размаха комплексной величины ∆U, полученной при движении ВТП вдоль дефекта (далее модуль размаха ∆U) от расстояния между возбуждающей и измерительными катушками разные для дефектов в разных слоях каната. На фиг. 5 и фиг. 6 показано отношение разности модулей размахов вносимого напряжения от дефекта внешнего стренда и дефекта центрального стренда к модулю размаха вносимого напряжения от дефекта центрального стренда для возбуждающей катушки показанной на фиг. 1.
Таким образом, за счет неоднородности возбуждаемого поля и расположения измерительных катушек на определенных расстояниях от возбуждающей катушки возможно получить близкие чувствительности к дефектам/неоднородностям электромагнитных свойств в разных слоях каната. Близкие чувствительности, в свою очередь, позволяют повысить порог чувствительности к внутренним дефектам. Дифференциально включенные проходные катушки могут выполняться в виде совокупности согласно включенных накладных катушек (см. фиг. 3 и 4). Такое решение облегчает выполнение преобразователя разъемным. Сумма ЭДС при согласном соединении всех накладных катушек равна ЭДС, наводимой в дифференциально включенных проходных катушках. Это следует из того, что поток вектора магнитной индукции через замкнутую поверхность равен нулю в соответствии с законом Гаусса для магнитного поля
осн1
осн2
бок.
Например, рассмотрим цилиндр, основаниями которого являются встречно включенные проходные катушки индуктивности (см. фиг. 2). Поверхность цилиндра может быть разбита на поверхность основания, образованного окружностью 4, поверхность основания, образованного окружностью 5 и боковую поверхность цилиндра. Т.к. поток вектора магнитной индукции через замкнутую поверхность равен нулю, то поток через боковую поверхность рассматриваемого цилиндра равен по модулю и противоположен по знаку суммарному потоку через основания цилиндра Ф+Ф= -Ф При выполнении интегрирования по замкнутой поверхности положительной считается внешняя нормаль, поэтому нормали к основаниям направлены в противоположные стороны. Величина наведенной в контуре ЭДС связана с потоком через контур согласно закону электромагнитной индукции Фарадея, причем положительное направление нормали связано с положительным направлением обхода контура правилом правого винта. Примем за положительное направление обхода контуров катушек такое направление, при котором положительное направление нормали совпадает с внешней нормалью к основанию 4. В таком случае внешняя нормаль к основанию 5 будет противоположная нормали, соответствующей положительному обходу контура. Таким образом, суммарная ЭДС, наводимая в двух одинаковых встречно включенных проходных измерительных катушках, содержащих по N витков каждая, будет равна:
и равна ЭДС, наводимой во включенных согласно накладных катушках, охватывающих всю боковую поверхность и содержащих по N витков каждая, взятой с обратным знаком.
Накладные катушки, изображенные на фиг. 3 могут быть дополнительно разделены на согласно включенные накладные катушки, изображенные на фиг. 4.
Анализ соотношения сигналов отдельных катушек индуктивности, изображенных на фиг. 4, позволяет определить примерное положение дефекта в поперечном сечении каната, а также позволяет повысить порог чувствительности за счет уменьшения области контроля в азимутальном направлении. Дополнительно для увеличения порога чувствительности к дефектам в разных слоях каната могут быть использованы измерительные катушки, имеющие разную протяженность в осевом направлении (смещенные на разные расстояния от возбуждающей для случая проходных катушек). Из графиков на фиг. 5 и фиг. 6 видно, что при помощи изменения расстояния между дифференциально включенными проходными катушками индуктивности датчика (протяженности в осевом направлении систем накладных катушек), предназначенных для обнаружения локальных дефектов, и при помощи изменения положения измерительной проходной катушки индуктивности, предназначенной для измерения изменения сечения каната, могут быть получены как преобразователи с более высокой чувствительностью к дефектам во внешнем слое, так и преобразователи с более высокой чувствительностью к дефектам во внутренних слоях. Соответственно в первом случае сигналы и помеха формируются преимущественно дефектами и неоднородностями электромагнитных свойств внешних слоев, а во втором случае преимущественно дефектами и неоднородностью электромагнитных свойств внутренних слоев. В результате порог чувствительности повышается за счет уменьшения области контроля в радиальном направлении. Кроме того, преобразователи с разной чувствительностью к дефектам внешних и внутренних слоев могут быть использованы для определения положения дефекта в сечении каната.
В частном случае реализации изобретения вместо одной возбуждающей катушки может использоваться система возбуждающих катушек (см. фиг. 7 и фиг. 8). Такой подход облегчает выполнение датчика разъемным. Кроме того, использование таких систем возбуждающих катушек позволяет уменьшить влияние свойств объекта на оптимальное расположение измерительных катушек.
В виду неоднородности возбуждаемого электромагнитного поля, проходная измерительная катушка, предназначенная для измерения изменения сечения каната, может быть заменена двумя встречно включенными проходными катушками, смещенными на разное расстояние от возбуждающей катушки. Пара дифференциально включенных проходных катушек может быть заменена накладными катушками. Совокупность указанных решений позволяет сделать датчик полностью разъемным как это показано на фиг. 9 и фиг. 10.
Таким образом, вихретоковый проходной преобразователь для неразрушающего контроля стрендовых канатов обеспечивает:
- повышение соотношения сигнал/помеха за счет разделения преимущественно формирующих сигнал и помеху в разных парах катушек индуктивности (или разных накладных катушках индуктивности) областей объекта контроля в радиальном направлении путем использования нескольких пар дифференциально включенных проходных катушек индуктивности с разным расстоянием между катушками (или нескольких систем накладных катушек разной протяженности в осевом направлении);
- близкий порог чувствительности к дефектам во внешних и внутренних слоях за счет расположения измерительных катушек в зоне, обеспечивающей близкую чувствительность к внутренним и внешним дефектам или неоднородностям электромагнитных свойств;
- определение локализации дефекта по сечению каната;
Также заявленное изобретение за счет разбиения пар проходных встречно включенных измерительных катушек индуктивности на согласно включенные обмотки накладного типа обеспечивает повышение соотношения сигнал/помеха за счет разделения преимущественно формирующих сигнал и помеху в разных катушках индуктивности областей объекта контроля в азимутальном направлении.