ВИХРЕТОКОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДЛЯ ДЕФЕКТОСКОПИИ
EDDY CURRENT CONVERTER FOR FLAW DETECTION

Изобретение относится к неразрушающему контролю и может быть использовано для дефектоскопии электропроводящих объектов.
Из уровня техники [Учанин В.Н. Вихретоковые накладные преобразователи: расширенная классификация, сравнительный анализ и характерные примеры реализации (Обзор) // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. - 2010. - № 4. - С. 24-30] известны мультидифференциальные вихретоковые преобразователи для дефектоскопии, в которых выходной сигнал зависит от разности двух дифференциальных сигналов. Двойное дифференцирование, применяемое в известных мультидифференциальных вихретоковых преобразователях, позволяет существенно ослабить влияние перекосов их рабочего торца относительно плоскости контролируемого объекта и влияние электромагнитной неоднородности материала контролируемого объекта.
Недостаток известных мультидифференциальных вихретоковых преобразователей (ВТП) состоит в недостаточной достоверности контроля из-за непрерывного уменьшения чувствительности к дефектам типа трещин по мере уменьшения угла между линией сканирования и нормали к плоскости трещины. Этот недостаток наиболее существенен при механизированном контроле, когда сканирование поверхности проводится по определенной траектории, например, по спирали для цилиндрических поверхностей. Следует отметить также сложность изготовления и настройки известных мультидифференциальных ВТП, что обусловлено высокими требованиями к идентичности применяемых в них миниатюрных измерительных катушек индуктивности и сложности балансировки измерительной системы. Последнее связано с высокой неоднородностью возбуждающего магнитного поля в зонах размещения измерительных катушек.
Из уровня техники [Koyama K., Hoshikawa H., Hirano T. Investigation of impact damage carbon fiber reinforced plastic (CEPR) by eddy current non-destructive testing // Intern. Conf. NDT in Canada 2011. Montreal - Quebec, 2 - 4 November 2011. Montreal - Quebec, 2011. P. 582 - 594.] известен ВТП для дефектоскопии, содержащий круговую возбуждающую и прямоугольную измерительную катушки индуктивности, плоскость возбуждающей катушки параллельна рабочему торцу преобразователя, плоскость измерительной катушки перпендикулярна ему и проходит через центр возбуждающей катушки.
Известный ВТП также не обеспечивает требуемой на практике достоверности контроля из-за непрерывного уменьшения чувствительности к дефектам типа трещин по мере уменьшения угла между линией сканирования и нормали к плоскости трещины. Кроме того, сигнал известного вихретокового преобразователя существенно зависит от перекосов плоскости его рабочего торца относительно поверхности контролируемого объекта.
Наиболее близок к предложенному по технической сущности вихретоковый преобразователь для дефектоскопии [Федосенко Ю.К., Шкатов П.Н., Ефимов А.Г. Вихретоковый контроль. М.: Издательский дом «Спектр», 2014., рис. 1.20], содержащий две Т-образно расположенные прямоугольные катушки индуктивности, возбуждающая катушка перпендикулярна к рабочему торцу преобразователя, проходит через центр расположенной в плоскости рабочего торца измерительной катушки и ортогональна к двум ее противолежащим сторонам.
Однако и указанный вихретоковый преобразователь не обеспечивает потенциально достижимой достоверности контроля из-за непрерывного уменьшения чувствительности к дефектам типа трещин по мере уменьшения угла между линией сканирования и нормали к плоскости трещины, а также из-за существенной зависимости регистрируемого сигнала от перекосов плоскости рабочего торца ВТП относительно поверхности контролируемого объекта.
Технический результат настоящего изобретения заключается в повышении достоверности контроля.
W
W
W
1
2
3
Указанный технический результат в вихретоковом преобразователе для дефектоскопии, содержащем две Т-образно расположенные прямоугольные катушки индуктивности, перпендикулярная к рабочему торцу преобразователя катушка, проходит через ось расположенной в плоскости рабочего торца другой катушки и ортогональна к двум ее противолежащим сторонам, достигается благодаря тому, что катушка, лежащая в плоскости рабочего торца, используется как возбуждающая, а другая катушка - как первая измерительная, преобразователь снабжён идентичными друг другу второй и третьей измерительными катушками, симметрично расположенными по разные стороны относительно первой измерительной катушки в параллельных ей плоскостях, первая измерительная катушка соединена со второй и третьей катушками последовательно - встречно относительно магнитного потока, направленного вдоль их общей оси, а число витков , ,  в первой, второй и третьей измерительных катушках, соответственно, выбираются из соотношений:
W
W
W
W
W
1
2
3
2
3
=+ и =.
На фиг. 1 схематично представлен заявляемый вихретоковый преобразователь. На фиг. 2 показан вихретоковый преобразователь над контролируемом объектом с дефектом.
На фиг. 3 показаны деформированные под влиянием трещины контуры вихревого тока
На фиг. 4 показаны силовые линии магнитного поля, созданные за счет деформации контуров вихревого тока трещиной.
H
Z
Z
x
вн
0
0
На фиг. 5 приведены рассчитанные методом конечных элементов (МКЭ) графики изменения вдоль оси x осевой составляющей напряженности магнитного поля , вносимой трещинами различной глубины на малом расстоянии  от поверхности ( = 1 мм).
х
H
Z
Z
x
вн
0
0
На фиг. 6 приведены рассчитанные МКЭ графики изменения вдоль оси  осевой составляющей напряженности магнитного поля , вносимой трещинами различной глубины на большом расстоянии  от поверхности ( = 6 мм).
х
х
и
На фиг. 7-8 приведены рассчитанные МКЭ графики изменения квадратурных составляющих  и , соответственно, вносимых при перемещении трещины вдоль оси  в измерительную катушку, смещенную относительно центра возбуждающей катушки на величину .
На фиг. 9 приведены рассчитанные МКЭ графики изменения амплитуды  и его квадратурных составляющих  и  при перемещении вихретокового преобразователя над трещиной при оптимальных расстояниях между плоскостями измерительных катушек.
U
U
U
U
U
U
U
U
1
23
2
3
и
1
2
3
На фиг. 10 приведены рассчитанные МКЭ годографы напряжения , вносимого при перемещении вихретокового преобразователя в измерительную катушку 1, напряжения =-(+), вносимого суммарно в измерительные катушки 2 и 3, включенные согласно друг с другом и дифференциально относительно измерительной катушки 1, и напряжения =-(+), вносимого суммарно в измерительную систему ВТП, состоящую из последовательно соединенных измерительных катушек 1, 2 и 3.
х
На фиг. 11 приведена рассчитанная МКЭ зависимость максимума амплитуды  напряжения, вносимого под влиянием трещин различной глубины при перемещении ВТП вдоль ортогональной к плоскости трещины оси .
На фиг. 12 показан ВТП над контролируемом объектом при наличии перекоса между его рабочим торцом и поверхностью объекта контроля.
U
U
U
1
23
и
На фиг. 13 приведены годографы рассчитанные МКЭ вносимых под влиянием перекоса на бездефектном участке напряжений ,  и .
Фиг.14 иллюстрирует перемещение ВТП вдоль линии сканирования, ориентированной под углом  к нормали относительно плоскости трещины.
На фиг. 15 приведена экспериментально полученная зависимость максимума амплитуды  регистрируемой при перемещении ВТП над трещиной в функции угла  между направлением сканирования и нормалью к плоскости трещины.
На фиг. 16 показана рассчитанные МКЭ зависимость расстояния между центром трещины и центром рабочего торца ВТП при достижении максимального значения  = .
Н
х
На фиг. 17 в виде изолиний представлено рассчитанное МКЭ распределение амплитуды напряженности осевой составляющей  магнитного поля над трещиной в плоскости, параллельной поверхности контролируемого объекта и проходящей через центры измерительных катушек 1-3.
W
W
W
W
W
W
W
W
1
2
3
1
2
3
2
3
Заявляемый вихретоковый преобразователь (ВТП) для дефектоскопии, как показано на фиг. 1, содержит прямоугольные измерительные катушки индуктивности 1, 2, 3 и прямоугольную возбуждающую катушку 4, расположенную в плоскости рабочего торца 5 преобразователя. Измерительная катушка 1 и возбуждающая катушка 4 расположены Т-образно. Катушка 1 проходит через ось 5 катушки 4, ортогональна к противолежащим сторонам 4.1, 4.2 катушки 4 и к рабочему торцу 6 преобразователя. Измерительные катушки 2 и 3 выполнены идентичными и расположены симметрично по разные стороны относительно измерительной катушки 1 в параллельных ей плоскостях. Измерительная катушка 1 соединена последовательно - встречно относительно магнитного потока, направленного вдоль их общей оси 7, с измерительными катушками 2 и 3, при этом внешние выводы катушек 2 и 3 образуют выход ВТП. Число витков , ,  в измерительных катушках 1, 2, и 3, соответственно, выбираются из соотношений =+ и =.
Заявляемый вихретоковый преобразователь для дефектоскопии работает следующим образом. ВТП подключается своим выходом (внешними выводами последовательно соединенных катушек 2 и 3) и входом (выводами возбуждающей катушки 4) к электронному блоку дефектоскопа (не показан). При этом возбуждающая катушка 4 соединяется с генератором переменного, например, гармонического напряжения, а выход вихретокового преобразователя с измерительным входом дефектоскопа.
U
И
Комплекс гармонического напряжения измерительной системы  на выходе ВТП, в соответствии со схемой соединения катушек 1, 2 и 3, определяется выражением
U
U
U
I
U
U
1
2
3
2
3
При отсутствии взаимодействия ВТП с контролируемым объектом, а также при размещении ВТП без перекоса на бездефектном участке объекта 8 (фиг. 2)  = 0 за счет взаимного положения катушек 1 и 4. Напряжения  и  в катушках 2 и 3 наводятся магнитными потоками возбуждающего тока , протекающего по сторонам 4.3 и 4.4 катушки 4. Составляющие силовых линий этих потоков, ориентированные вдоль оси 7, направлены навстречу друг другу, так как токи на сторонах 4.3 и 4.4 катушки 4 направлены встречно. В силу этого магнитные потоки, сцепленные с катушками 2 и 3 будут равны по величине и противоположно направлены, а следовательно, +=0.
Вихревые токи на бездефектном участке повторяют конфигурацию витков возбуждающей катушки. Благодаря этому и магнитные потоки вихревых токов по аналогичным причинам не создают напряжения на выходе ВТП при его размещении без перекоса на бездефектном участке объекта 8.
U
И
Следовательно, при отсутствии перекоса исходная балансировка ВТП не нарушается и теоретически  = 0. На практике разбаланс всё-таки возникает, что связано с отклонением реальных параметров ВТП от идеальных. К ним относятся, прежде всего, положение и размеры витков катушек. Как показывает практика достигаемая величина разбаланса составляет не более 1% от напряжения, регистрируемого на пороговом дефекте порядка 0,5 мм. Такая величина разбаланса не оказывает какого-либо влияния на эффективность дефектоскопии.
U
И
При выбранном размещении измерительных катушек 1-3 и соотношении витков между ними происходит подавление влияния магнитных полей, изменяющихся по линейному закону в пространстве между катушками 1-3. Это происходит за счет того, что напряжение  на выходе ВТП пропорционально второй производной функции изменения магнитного потока, сцепленного с катушками. Как правило, магнитные поля, обусловленные мешающими факторами, например, вариацией электромагнитных свойств металла, изменяются в активном объеме ВТП по закону, близкому к линейному. Таким образом, в заявляемом ВТП обеспечивается эффективное подавление мешающих факторов.
H
x
вн
При наличии трещины 9 исходные контуры вихревых токов деформируются (фиг. 3). Во внешних контурах типа 10 с большим периметром в результате деформации появляются участки 10.1 и 10.2, огибающие трещину 9. Исходные контуры с меньшим периметром, начиная с некоторой его величины, распадаются на два контура - типа 11 и 12, в каждом из которых имеются участки 11.1 и 12.1, соответственно, ориентированные вдоль плоскости трещины 9. Вихревые токи, протекающие по ним вдоль трещины 9, создают осевую составляющую  напряженности магнитного поля.
xz,
Н
Это отражено на фиг. 4, где в плоскости проходящей через середину трещины 9, показаны силовые линии напряженности  магнитного поля, вихревых токов, протекающих по участкам 11.1 и 12.1 контуров 11 и 12.
H
U
U
U
х
вн
1
2
3
Возникшая при деформации контуров составляющая  магнитного поля создает напряжения , и , наводимые в измерительных катушках 1, 2 и 3.
i
S
f
где ,  - круговая частота,  - частота гармонического возбуждающего тока,  - магнитная постоянная.
H
=H
х
h
x, z
H
x
H
= H
х
Z
Z
a
b
х
вн
х
вн
х
вн
х
вн
х
вн
0
0
Характерные зависимости амплитуды () при наличии трещин различной глубины  показаны на фиг. 5 и 6. Начало системы координат  здесь выбрано на поверхности объекта 8, в плоскости, проходящей через ось 7 и перпендикулярной поверхности объекта 8. Так как функция  нечетная, графики показаны только для ее значений при > 0. На фиг. 5 зависимости () приведены при расстоянии от поверхности =1 мм, а на фиг. 4 - для =6 мм. В обоих вариантах стороны 4.1 и 4.2 возбуждающей катушки 4 имеют длину =20 мм, а стороны 4.3 и 4.4 - ширину =7 мм.
H
х
х
h
х
h
h
х
вн
0
опт
0
опт
0
0
Из приведенных на фиг. 5 и 6 графиков видно, что максимальные значения  при фиксированном Z смещены по оси  от плоскости трещины 9 на тем большую величину Δ, чем больше глубина трещины  и расстояние Z от поверхности объекта 8. Диапазон изменения Δ составляет от 2 мм при  = 1 мм и Z = 1 мм до 6 мм при  = 7 мм и Z = 6 мм.
R
h
х
b=
0
опт
Для обобщения получаемых соотношений целесообразно пользоваться безразмерными параметрами. Для прямоугольных катушек индуктивности с размерами  в обобщенном параметре  (- магнитная постоянная,  - круговая частота тока возбуждения,  - удельная электрическая проводимость металла) в качестве геометрического параметра , как известно, фигурирует меньшая из сторон. [Беликов Е. Г. Влияние формы витка на выходные характеристики вихретокового преобразователя // Дефектоскопия. - 1979.- №7.- С.83-97]. Нормируя геометрические размеры , Z, Δ по меньшей из сторон прямоугольной возбуждающей катушки 7 мм, получим
где
U
H
U
х
С
С
С/b>
х
H
1
х
вн .
1max
1опт
1опт
х
вн
*
Напряжение , вносимое в измерительную катушку 1 определяется усредненной по ее площади величиной В связи с этим максимальное значение  будет наблюдаться при значении Δ, зависящем от высоты  катушек. Однако при  = 0,6 величина Δстабилизируется, что связано с уменьшением  с ростом расстояния от трещины 9 по закону, близкому к экспоненте.
U
х
х
х
х
х
х
2
2опт
и1
и2
и1
и2
Напряжение , вносимое трещиной 9 в измерительную катушку 2 принимает максимальное значение при Δ, зависящем от расстояния между катушками 1 и 2. На фиг. 7 и 8 показано изменение квадратурных составляющих  и  при перемещении трещины 9 вдоль координаты  для измерительной катушки 1 (=0) и измерительной катушки 2 при =2, 4 и 6 мм, где  и  - расстояния от центра возбуждающей катушки до плоскости соответствующей измерительной катушки.
х
х
х
х
х
х
х
х
х
х
х
*
и
2опт
1опт
и2.
и2
и3
и2
Из приведенных графиков видно, что для измерительной катушки 1 максимальные значения  и  наблюдаются при смещении плоскости трещины 9 на величину  = ± 2,5 мм или при  = ± 0,36 для нормированной величины. При этом зависимости  и  для измерительной катушки 1 (при =0) являются нечетными функциями относительно начала координат. Для измерительной катушки 2, как видно из графиков на фиг. 7 - 8, максимальные значения  и  смещены вдоль оси  и наблюдаются при Δ≈ Δ +  При этом симметрия графиков относительно начала координат нарушается. По мере увеличения  левая часть графиков  и  по сравнению с их правой частью становится более пологой, величина максимума справа возрастает, а слева - уменьшается. Измерительная катушка 3 в ВТП смещена по оси  на величину  = - . В связи с этим зависимости  и  имеют вид графиков  и , зеркально отображенных относительно оси ординат (не показаны).
х
х
х
и2
1опт
За счет асимметрии и смещения вдоль оси  графиков  и  при ≈Δ наблюдается существенное увеличение результирующего напряжения  по сравнению с  на выходе ВТП. Это иллюстрируется фиг. 9, где приведены зависимости квадратурных составляющих и амплитуды при перемещении ВТП с  над трещиной. Как видно из приведенных графиков максимальные значения квадратурных составляющих  превышают максимумы квадратурных составляющих . Соответственно возрастает и амплитуда , а кроме того, и локальность регистрируемого сигнала при сканировании.
Отмеченный эффект увеличения результирующего напряжения по сравнению с напряжениями на отдельных катушках уникален для дифференциального ВТП, так как в известных ВТП, в том числе, описанных в источнике [Учанин В.Н. Вихретоковые накладные преобразователи: расширенная классификация, сравнительный анализ и характерные примеры реализации (Обзор) // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. - 2010. - № 4. - С. 24-30], результирующее напряжение существенно меньше напряжений на дифференциально включенных измерительных катушках.
х
На фиг. 10 приведены годографы суммируемых в измерительной системе ВТП напряжений  и - ( + ), а также годограф результирующего напряжения = - ( + ) на выходе ВТП при его перемещении над трещиной 9 вдоль ортогональной к плоскости трещины оси . Приведенные годографы наглядно демонстрируют отмеченные выше эффекты.
h
С увеличением глубины  трещины вносимое напряжение на выходе ВТП пропорционально растет. При этом значимые изменения  наблюдаются, как минимум, до величины . Это иллюстрируется графиком , приведенным на фиг. 11.
α
x
z
U
U
U
U
U
U
U
U
вн1
вн2
вн3
вн и
вн и
вн1
вн2
вн3
К сильно влияющему мешающему фактору для дифференциальных ВТП относится перекос, возможный при сканировании участков с неплоской поверхностью или при наличии на поверхности контролируемого объекта покрытий (отложений) с неравномерной толщиной. Под влиянием перекоса на угол  в плоскости ,  (фиг. 12) расстояния от поверхности контролируемого объекта 8 до измерительных катушек 1, 2 и 3 изменяются на различную величину, что приводит к разбалансировке измерительной системы ВТП. Однако возникающее за счет перекоса напряжение разбаланса в предлагаемом ВТП удается значительно уменьшить. Это достигается за счет того, что при перекосе вносимое в катушку 1напряжение  и сумма напряжений  + , вносимых в катушки 2 и 3, близки друг к другу. Благодаря этому вносимое в измерительную систему напряжение , определяемое величиной =  - ( + ) изменяется на порядок меньше, чем вносимое напряжение на любой из измерительных катушек 1-3.
h
В известных дифференциальных ВТП вносимое трещиной напряжение зависит от угла ориентации между осью 7, совпадающей с направлением сканирования, и нормалью 13 к плоскости трещины 9 (фиг. 14) по закону, близкому к cos(γ). Из-за этого трещины, ориентированные под углом γ > 60° и имеющие близкую к пороговой величине глубину , могут не выявляться. Это особенно важно при механизированном контроле, при котором возможность применяемого при ручном контроле сканирования в двух ортогональных направлениях достаточно проблематична.
При перемещении заявляемого ВТП над трещиной изменении угла γ ее ориентации сопровождается соответствующим изменением максимума вносимого трещиной напряжения в соответствии с зависимостью , приведенной на фиг. 15. Из представленного графика видно, что при изменении угла γ имеет место не один максимум при γ = 0, что имеет место в известных ВТП , а два максимума - при значениях γ = ± 40°. Это обеспечивает более равномерную чувствительность к глубине трещин с различной угловой ориентацией относительно направления сканирования.
х
х
х
b,
х
х
х
*
*
max
max
max
max
Следует отметить, что при изменении угла γ меняется и величина  (фиг. 14) при котором имеет место максимальная величина амплитуды вносимого трещиной напряжения . На фиг. 15 показано, что при изменении γ в диапазоне ± 45° значение величины  = / где  - координата  при которой имеет максимум, практически не изменяется и составляет величину порядка 0,3. При дальнейшем увеличении модуля γ наблюдается рост .
Н
Н
х
х
Полученные зависимости можно объяснить, особенностями топографии осевой составляющей  напряженности магнитного поля над трещиной. Соответствующее распределение  над поверхностью объекта 8 контроля, полученное расчетным путем, показано на фиг. 17. Распределение при γ = 0 и симметричном положении возбуждающей катушки 4 относительно трещины 9 представлено в виде изолиний, охватывающих шесть локальных экстремумов 14-19 разной полярности (противоположной фазы), обозначенных знаками « + » или « - ». Здесь ось 7 симметрии ВТП, нормаль 13 к плоскости трещины 9 и линия сканирования совпадают по направлению. При вариации угла γ, как показывают расчеты, наличие 6-ти экстремумов в указанной относительно трещины 9 последовательности сохраняется, однако их значения и расстояния между ними изменяются.
При сканировании с γ = 0 в процессе перемещения ВТП вдоль линии 7 максимальные значения возникают при взаимодействии сначала пары измерительных катушек 3-1, а затем, пары катушек 1-2 с экстремумами 16 и 17, расположенными вдоль нормали 13 к трещине 9.
В процессе сканирования при угле 0 < γ <90° (показан на фиг. 17) измерительные катушки дополнительно взаимодействуют с экстремумами 15 и18, а при -90° < γ <0 - с экстремумами 14 и 19. Этим и объясняется то, что наибольшие значения  возникают при γ = ± 45°, а в диапазоне изменения -60° < γ <60° изменение составляет не более 20%, в то время как в прототипе - уменьшается более, чем в 2 раза при монотонном изменении относительно максимума при γ = 0.
Таким образом заявляемый вихретоковый преобразователь для дефектоскопии, по сравнению с прототипом, обеспечивает большую достоверность контроля за счет существенно меньшего изменения максимума амплитуды регистрируемого вихретокового сигнала при изменении угла между нормалью к плоскости трещины и направлением сканирования, а также благодаря более высокой степени подавления влияния перекосов плоскости рабочего торца ВТП относительно поверхности контролируемого объекта. Дополнительно достоверность контроля заявляемым ВТП увеличивается за счет возрастания примерно в 2 раза максимума вносимого трещиной напряжения на выходе дифференциально включенных измерительных катушек по сравнению с напряжениями, вносимыми в каждую из них отдельно.