ВИХРЕТОКОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДЛЯ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА УГЛЕПЛАСТИКОВЫХ ОБЪЕКТОВ
EDDY CURRENT CONVERTER FOR QUALITY CONTROL OF CARBON FIBER 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, соединённых 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 используется возможность раздельного получения информации о параметрах их слоев, ориентированных в общем направлении. Для получения информации, преимущественно об углеродных нитях заданного направления применяются вихретоковые преобразователи (ВТП) с прямоугольными возбуждающими катушками индуктивности, плоскость витков которых ортогональна рабочему торцу преобразователя. В таких преобразователях наблюдаются локальные экстремумы при соответствующей угловой ориентации катушек преобразователя.
С помощью подобных ВТП выявляют, например, дефектные участки с отклонением углеродных волокон от заданного направления [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.], а также наиболее опасные дефекты сплошности типа расслоения [Шкатов П.Н., Дидин Г.А. Способ вихретокового контроля качества углепластиковых объектов / Патент РФ № 2733942, МПК G01N 27/90 - заявл. 18.07.2019. - опубл. 06.08.2020, БИ № 22].
Известен 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 неё 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 преобразователя состоит в том, что его чувствительность к угловому смещению между плоскостью витков его катушек и направлением углеродных волокон ниже потенциально достижимой.
Это связано с недостаточным ослаблением вихретокового сигнала при увеличении угла α между плоскостью витков катушек преобразователя и направлением волокон в соответствующих слоях за счет магнитного поля токов в пассивных (более удаленных от рабочего торца) проводниках возбуждающей катушки. Вихревые токи в углепластиковых волокнах индуцируются магнитными полями токов активных (находящихся со стороны рабочего торца и пассивных проводниках. Индуцируемые под влиянием токов в активных и пассивных проводниках вихревые токи направлены навстречу друг другу, поэтому ток в пассивных проводниках ослабляет вихревые токи. Относительная величина этого ослабления наименьшая при α = 0 и увеличивается с ростом α. Это связано с тем, что взаимная индуктивность проводников, перпендикулярных общей прямой, при увеличении α в меньшей степени зависит от расстояния между точками их пересечения с общей прямой [Калантаров П.Л., Цейтлин Л.А. Расчет индуктивностей. – Энергия. - 1970, С. 96–102.]. Таким образом с увеличением α степень относительного влияния токов в пассивных проводниках возрастает, благодаря чему с повышением степени этого влияния вихретоковый сигнал с ростом α затухает быстрее.
Наиболее близок к предложенному по технической сущности вихретоковый преобразователь для контроля качества углепластиковых объектов, содержащий первую и вторую прямоугольные возбуждающие катушки индуктивности и вложенную в первую возбуждающую катушку прямоугольную измерительную катушку индуктивности, плоскости витков измерительной катушки и первой возбуждающей катушки ортогональны рабочему торцу преобразователя, активные стороны первой возбуждающей и измерительной катушек параллельны друг другу и прилегают к рабочему торцу, а противолежащие им пассивные стороны этих катушек удалены друг от друга, вторая возбуждающая катушка размещена между пассивными сторонами измерительной катушки и второй возбуждающей катушки с зазором относительно пассивной стороны измерительной катушки, равным зазору между активными сторонами первой возбуждающей и измерительной катушек [Шкатов П.Н., Дидин Г.А. Вихретоковый преобразователь для контроля качества углепластиковых объектов / Патент РФ № 2733942. - МПК G01N 27/90. - Заявлен 24.07.2019. - Опубл. 08.10.2020 БИ № 28.].
В известном вихретоковом преобразователе по обоим активным проводникам возбуждающих катушек протекают токи одинакового направления. Это обеспечивает увеличение глубины контроля, так как возбуждаемые обоими активными проводниками вихревые токи имеют одинаковое направление. При этом создаваемые активными проводниками через витки измерительной катушки магнитные потоки направлены встречно. Это позволяет сбалансировать преобразователь путем регулировки соотношения токов в активных проводниках.
Недостаток известного преобразователя состоит в том, что его чувствительность к угловому смещению между плоскостью витков его катушек и направлением углеродных волокон ниже потенциально достижимой. Это происходит по тем же причинам, которые были указаны выше. Кроме того, для балансировки известного преобразователя необходимо регулировать соотношение токов в его возбуждающих катушках, что приводит к усложнению приборной реализации.
Технический результат настоящего изобретения заключается в повышении чувствительности к угловому смещению между плоскостью витков его катушек и направлением углеродных волокон в объекте контроля.
Указанный технический результат в вихретоковом преобразователе для контроля качества углепластиковых объектов, содержащем три прямоугольные катушки индуктивности с витками, плоскости которых размещены между двумя параллельными плоскостями и параллельны им, верхние и нижние проводники витков катушек параллельны рабочему торцу преобразователя, а боковые - ортогональны к нему, первая и вторая катушки размещены друг за другом и симметрично относительно первой оси симметрии, ортогональной к рабочему торцу, третья катушка размещена симметрично относительно первой оси симметрии и второй оси симметрии, проходящей между первой и второй катушками на равном расстоянии между ними, достигается благодаря тому, что первая и вторая катушки индуктивности выполнены идентичными, соединены последовательно и встречно относительно третьей катушки индуктивности и предназначены для подключения внешними выводами к генератору, а третья катушка индуктивности - для подключения к измерительному устройству.
Рекомендуется размеры витков его катушек выбирать из соотношений
L
L
L
1
2
= = ,
L
L
d
3
>+2,
L
L
L
d
1
2,
3
где , и  – средняядлина верхних и нижних проводников первой, второй и третьей катушек, соответственно,  – средняя длина боковых проводников первой и второй катушек.
U
U
*
вн
0
На фиг. 1 схематично показан заявляемый вихретоковый преобразователь (ВТП), размещенный над объектом контроля (ОК) из углепластикового материала, на фиг. 2 показаны зависимости вихретокового сигнала заявляемого ВТП от угла α между плоскостью витков его катушек и направлением углеродных волокон в ОК, на фиг. 3 для сравнения приведены аналогичные зависимости для известного ВТП. На фиг. 2, 3 приведены нормированные значения амплитуды  вихретокового сигнала. Нормировка выполнялась по начальному напряжению  при действии только одной из возбуждающих катушек. Отметим, что при совместном действии обеих возбуждающих катушек ВТП сбалансирован.
Заявляемый ВТП для контроля качества углепластиковых объектов содержит идентичные прямоугольные возбуждающие катушки 1, 2 индуктивности и прямоугольную измерительную катушку 3 индуктивности. Плоскости витков катушек 1 - 3 размещены между двумя параллельными плоскостями и параллельны им. Верхние и нижние проводники витков катушек параллельны рабочему торцу ВТП, предназначенному для размещения над поверхностью объекта контроля 4. Боковые проводники  витков катушек 1-3 ортогональны к рабочему торцу ВТП, возбуждающие катушки 1 и 2 размещены друг над другом и симметрично относительно первой оси симметрии NN', ортогональной к рабочему торцу. Измерительная катушка 3 размещена симметрично относительно первой оси симметрии NN' и второй оси симметрии ОО', проходящей между возбуждающими катушками 1 и 2 на равном расстоянии между ними.
I
I
1
2
Возбуждающие катушки 1, 2 соединены последовательно и встречно относительно измерительной катушки 3 и предназначены для подключения внешними выводами к генератору, а катушка 3 индуктивности - для подключения к измерительному устройству. На фиг. 1 также показан ОК 4 и указаны направления токов  и  по проводникам последовательно соединенных возбуждающих катушек 1 и 2.
Рекомендуется размеры витков катушек 1-3 выбирать из соотношений
L
L
L
1
2
= = ,
L
L
d
3
>+2,
L
L
L
d
1
2,
3
где , и  –средняядлина верхних и нижних проводников первой, второй и третьей катушек, соответственно,  - средняя длина боковых проводников первой и второй катушек.
Заявляемый вихретоковый преобразователь работает следующим образом.
U
U
U
U
U
U
U
–
U
U
U
вн
вн
вн
вн,max
вн
вн,max
вн,max
вн
вн
вн
*
*
*
*
ВТП подключают внешними выводами последовательно соединенных катушек 1,2 к генератору переменного напряжения (не показан), а измерительную катушку 3 к измерительному устройству, например, осциллографу. При идентичности катушек 1,2 и их симметричном положении относительно измерительной катушки 3 автоматически выполняется балансировка ВТП. Как показывает практика, приемлемый уровень балансировки достигается при изготовлении катушек 1-3 по технологии печатных плат. После подключения катушек 1-3, устанавливают рабочий торец ВТП на поверхность ОК 4 при ортогональном положении плоскости витков катушек 1-3 и поверхности ОК 4. На внешних зажимах катушки 3 создается напряжение , возникающее под влиянием индуцированных катушками 1 и 2 в углеродных волокнах ОК 4 вихревых токов. Задача, решаемая заявляемым преобразователем – получение информации от группы слоев с волокнами одного направления в многослойных объектах или регистрация отклонения направления волокон в объектах с волокнами одного направления. В обоих случаях эффективность контроля возрастает с повышением чувствительности ВТП к угловому смещению направления углеродных волокон. Для наглядности, рассмотрим работу ВТП при его электромагнитном взаимодействии с ОК 4, состоящим из углеродных волокон одного направления. При наличии нескольких слоев полученные закономерности будут наблюдаться для каждого слоя. Максимальная величина регистрируемого вихретокового сигнала будет наблюдаться при совмещении плоскости витков катушек 1-3 с направлением волокон в ОК 4. Путем вращения ВТП относительно оси NN' изменяют угол α между направлением волокон в ОК 4 и плоскостью витков катушек 1-3 и наблюдают по измерительному прибору (не показан) изменение . Ориентация плоскости витков ВТП при максимуме  =  будет соответствовать условию α = 0. При полученной угловой ориентации ВТП проводят сканирование поверхности ОК 4 и по отклонению  от  определяют наличие углового смещения волокон. Величина этого смещения может быть определена по разности  с помощью предварительно полученных зависимостей  = (α).
U
U
U
U
L
U
U
U
U
d U
d
U
U
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
вн
вн
вн
вн
вн
вн
вн
вн
вн
вн
вн
Точность определения углового смещения возрастает с увеличением крутизны зависимости  =  (α) в диапазоне возможного изменения α. На фиг. 2 и фиг. 3 приведены зависимости  =  (α) для заявляемого ВТП и прототипа, соответственно. В обоих случаях измерительные катушки ВТП имели одинаковые размеры, а именно, длину  = 40 мм и высоту 20 мм. Из представленных зависимостей видно, что при изменении угла α в заявляемом ВТП вихретоковый сигнал изменяется от максимального значения до минимального при изменении угла до 15° по закону, близкому к линейному. В прототипе и других известных ВТП с прямоугольными катушками изменение  происходит по закону, близкому к гармоническому, а минимальное значение достигается при α = 90°. Таким образом, в заявляемом ВТП крутизна зависимости  =  (α) при α<15°значительно выше. Отметим, что при α=0 крутизна характеристики  (α) известных ВТП вообще равна 0, так она определяется первой производной  /α. Вместе с тем наибольшая крутизна зависимости  =  (α) важна именно при значениях α близких к 0.
U
U
I
I
I
I
U
U
L
d
L
d
*
*
*
вн
вн
1
2
1
1
вн
г
вн
3
3
г
Отличие зависимости  =  (α) для заявляемого ВТП по сравнению с соответствующей зависимостью для прототипа объясняется другим пространственным положением и направлением токов в проводниках возбуждающих катушек 1 и 2, взаимодействующих с объектом контроля. В заявляемом ВТП токи  и  по проводникам 1.2 и 2.1 имеют одинаковое направление, противоположное направлению тока  в проводнике 1.1 катушки 1. Благодаря этому они стремятся создать вихревой ток противоположного, создаваемому током  в проводнике 1.1, направлению. По мере увеличения угла α магнитная связь углеродных под рабочим торцом ВТП с проводниками 1.2 и 2.1 убывает медленнее, чем с проводниками 1.1. Отметим, что проводники 1.2 и 2.1 расположены на расстоянии близком к половине высоты катушки 3, а их суммарные ампер-витки вдвое превосходят ампер-витки проводников 1.1. Это определяет их преобладающее электромагнитное влияние, начиная со значения α = 15° после которого вихревые токи изменяют своё направление на противоположное. Это и определяет большую крутизну изменения вихретокового сигнала при отклонении угла α от нулевого значения. На фиг. 2 это проявляется как рост амплитуды  при α > 15°. При этом квадратурные составляющие Re() и Im() комплекса  меняют знак на противоположный. Значения угла α при котором достигается минимум  зависит от отношения длины  измерительной катушки и высоты  возбуждающих катушек. В рассмотренном примере соотношение равно /= 4 и при его уменьшении величина α будет уменьшаться.
U
*
вн
Следует отметить, что за счет ослабления вихревых токов, создаваемых током в проводниках 1.1 абсолютная величина  уменьшается, что не имеет принципиального значения, так как требуемый уровень сигнала достигается увеличением возбуждающего тока или коэффициентом усиления измерительного устройства.
L
L
L
L
L
1
2
3
Абсолютная чувствительность заявляемого ВТП в определенной степени увеличивается при выборе длин = =  его возбуждающих катушек 1 и 2 превышающих длину  измерительной катушки 3. Это объясняется тем, что вихревые токи, создаваемые прямоугольными катушками, имеют направление параллельное ее проводникам 1.1, 1.2, 2.1 и 2.2 на меньшем, чем ширина катушек 1, 2 участке. Затем вихревые токи отклоняются, оставаясь в плоскости, перпендикулярной к плоскости возбуждающих катушек 1,2 и образуют замкнутые контуры. Для увеличения прямолинейной части контура вихревых токов на всю длину измерительной катушки 3 должно выполняться соотношение
L
L
d
3
>+2,
L
L
L
L
L
L
d
1
2
1
2,
3
где = = , , и  – средняядлина верхних и нижних проводников катушек 1,2 и 3, соответственно,  - средняя длина боковых проводников (высота) катушек 1 и 2.
По сравнению с прототипом заявляемый вихретоковый преобразователь обеспечивает более высокую чувствительность к угловому смещению между плоскостью витков его катушек и направлением углеродных волокон.
Таким образом заявляемый вихретоковый преобразователь для контроля качества углепластиковых объектов, по сравнению с прототипом, обладает техническими преимуществами, связанными с большей чувствительностью к угловому смещению между плоскостью витков его катушек и направлением углеродных волокон.
Данная разработка выполнена с использованием оборудования ЦКП РТУ МИРЭА.