СПОСОБ ВИХРЕТОКОВОГО КОНТРОЛЯ ТОЛЩИНЫ СТЕНКИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ НЕМАГНИТНЫХ ТРУБ
METHOD OF METALLIC NON-MAGNETIC TUBES WALL THICKNESS EDDY CURRENT CONTROL

Изобретение относится к методам неразрушающего контроля немагнитных металлических изделий и может быть использовано для контроля толщины металлического изделия и толщины диэлектрического покрытия его поверхности.
Известен способ вихретокового контроля толщины немагнитных электропроводящих металлических листов, основанный на возбуждении с помощью накладного трансформаторного вихретокового преобразователя в объекте контроля вихревых токов одной частоты, измерении комплексного значения вносимого напряжения вихретокового преобразователя, по которому определяют значение контролируемого параметра объекта контроля (Неразрушающий контроль. Справочник / под ред. В.В. Клюева: в 8 томах. Т 2: в 2-х кн.: Кн. 1: Контроль герметичности. Кн. 2: Вихретоковый контроль. - М.: Машиностроение, 2003. - 688 с.: с. 418-422). Благодаря различному влиянию на значение вносимого напряжения толщины листа, зазора между вихретоковым преобразователем и поверхностью листа, а также удельной электрической проводимости материала при контроле толщины листа может быть осуществлена амплитудно-фазовая отстройка от влияния на результаты измерения толщины листа изменений электропроводности материала либо зазора.
Недостатками этого способа являются отсутствие возможности отстройки от влияния изменений одновременно двух влияющих факторов и малые диапазоны отстройки от изменений каждого из них.
Известен способ вихретокового контроля толщины металлических объектов, реализованный в устройстве для контроля толщины металлических изделий (SU 375468 А1, МПК6 G01B 7/06, опубл. 23.03.1973 г., бюл. №16), основанный на возбуждении с помощью накладного вихретокового преобразователя в объекте контроля вихревых токов двух частот и измерении вносимых напряжений двух частот. Частоты выбирают таким образом, что вносимое напряжение вихретокового преобразователя высокой частоты зависит только от зазора между преобразователем и объектом контроля и удельной электропроводности материала, а вносимое напряжение низкой частоты зависит от зазора, удельной электропроводности материала и толщины объекта. Способом предусмотрены фазовая отстройка от влияния на высокочастотный и низкочастотный сигналы вихретокового преобразователя изменений электропроводности материала, а также отстройка от влияния изменений зазора, осуществляемая путем корректировки фазы низкочастотного сигнала в зависимости от амплитуды и фазы высокочастотного. Благодаря наличию двухчастотного возбуждения вихретокового преобразователя обеспечивается эффективная отстройка от влияния на результаты измерения толщины изменений зазора между вихретоковым преобразователем и объектом контроля в значительном диапазоне его изменений.
Недостатками этого способа являются малый диапазон и трудоемкость отстройки от влияния изменений электропроводности материала.
Известен способ вихретокового контроля металлических немагнитных объектов (SU 1176231 А1, МПК4 G01N 27/90, опубл. 30.08.1985 г., бюл. №32), выбранный в качестве прототипа, основанный на возбуждении с помощью накладного вихретокового преобразователя в объекте контроля вихревых токов трех частот, первая из которых выбирается из условия пренебрежимо малого значения глубины проникновения магнитного поля по сравнению с толщиной плоского объекта, вторая частота выбирается из условия приблизительного равенства глубины проникновения магнитного поля половине толщины объекта, третья частота выбирается из условия превышения глубины проникновения магнитного поля толщины объекта, измеряют вносимые напряжения трех частот. Вносимое напряжение вихретокового преобразователя на первой частоте зависит только от зазора h между преобразователем и объектом контроля, вносимое напряжение на второй частоте зависит от зазора h и удельной электрической проводимости материала σ, а вносимое напряжение на третьей частоте - от зазора h, удельной электрической проводимости материала σ и толщины объекта Т.
По значению амплитуды вносимого напряжения первой частоты определяют значение зазора h между вихретоковым преобразователем и объектом контроля. По значениям комплексных составляющих вносимого напряжения второй частоты и рассчитанному значению зазора определяют значение удельной электрической проводимости материала σ, а по значениям комплексных составляющих вносимого напряжения третьей частоты и рассчитанным значениям зазора h и удельной электрической проводимости материала а определяют значение толщины объекта Т. Для определения параметров объекта контроля: зазора h, удельной электрической проводимости материала σ и толщины объекта Т используются функции обратного преобразования, полученные в результате численного анализа функциональных зависимостей вносимых напряжений вихретокового преобразователя от указанных параметров объекта. Таким образом, обеспечивается возможность раздельного контроля величин h, σ и Т.
Недостатком известного способа является низкая достоверность контроля толщины стенки металлических немагнитных труб при значительных диапазонах изменения параметров объекта. Это обусловлено высокими погрешностями аппроксимации реальных функциональных зависимостей вносимых напряжений вихретокового преобразователя от параметров объекта предлагаемыми аналитическими выражениями даже в случае плоского объекта контроля и значительным возрастанием этих погрешностей в случае криволинейной формы объекта, что имеет место при контроле труб. Другим недостатком известного способа является сложность определения функции преобразования значений вносимых напряжений вихретокового преобразователя в значение контролируемого параметра особенно при отличии формы объекта контроля от плоской.
Предложенное изобретение позволяет повысить достоверность контроля толщины стенки металлических немагнитных труб и упростить определение функции преобразования значений вносимых напряжений вихретокового преобразователя в значение контролируемого параметра.
Согласно способу вихретокового контроля толщины стенки металлических немагнитных труб в объекте контроля с помощью накладного вихретокового преобразователя возбуждают вихревые токи трех частот, первую из которых выбирают из условия пренебрежимо малого значения глубины проникновения магнитного поля по сравнению с толщиной стенки, вторую частоту выбирают из условия приблизительного равенства глубины проникновения магнитного поля половине толщины стенки, третью частоту выбирают из условия превышения глубины проникновения магнитного поля толщины стенки, измеряют вносимые напряжения трех частот. По значению амплитуды вносимого напряжения первой частоты определяют значение зазора между вихретоковым преобразователем и объектом контроля. Толщину стенки определяют на основе экспериментальной функциональной зависимости фазы вносимого напряжения третьей частоты от значения зазора и толщины стенки для фиксированного значения удельной электрической проводимости металла стенки трубы, соответствующего используемым при нахождении функциональной зависимости образцам труб. При этом для определения толщины стенки измеренное значение фазы вносимого напряжения третьей частоты корректируют на величину поправки, пропорциональной разности измеренного значения фазы вносимого напряжения второй частоты и ее значения для образцов, используемых при определении функциональной зависимости фазы вносимого напряжения третьей частоты от значения зазора и толщины стенки.
Основное отличие, обеспечивающее технический результат: использование в качестве функции преобразования экспериментальной зависимости фазы вносимого напряжения третьей частоты от значения зазора и толщины стенки для фиксированного значения удельной электрической проводимости металла стенки трубы с коррекцией измеренной в процессе контроля фазы этого вносимого напряжения на величину, пропорциональную разности фаз измеренного вносимого напряжения второй частоты и ее значения, соответствующего используемым при нахождении функции преобразования образцам труб.
На фиг. 1 показана структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ.
На фиг. 2 показано поперечное сечение вихретокового преобразователя и части трубы.
1
На фиг. 3 изображен вид функции обратного преобразования относительного значения амплитуды вносимого напряжения первой частоты А в значение зазора h.
3
0
На фиг. 4 изображен вид функции обратного преобразования фазы ϕвносимого напряжения третьей частоты в значение толщины стенки трубы Т для разных значений зазора h при фиксированном значении удельной электрической проводимости материала σ.
20
0
На фиг. 5 представлен вид функциональной зависимости фазы ϕ вносимого напряжения второй частоты от зазора h при фиксированном значении удельной электрической проводимости материала σ.
Устройство (фиг. 1), реализующее способ вихретокового контроля толщины стенки металлических немагнитных труб, содержит первый 1 (Г1), второй 2 (Г2) и третий 3 (Г3) генераторы гармонических сигналов, накладной вихретоковый преобразователь 4 (ВТП), блок аналогового преобразования 5 (БАП), вычислительный блок 6 (ВБ), блок индикации 7 (БИ).
Выходы первого, второго и третьего генераторов гармонических сигналов 1-3 (Г1-Г3) соединены соответственно с первым, вторым и третьим входами накладного вихретокового преобразователя 4 (ВТП) и с первым, вторым и третьим входами блока аналогового преобразования 5 (БАП). Выход вихретокового преобразователя 4 (ВТП) соединен с четвертым входом блока аналогового преобразования 5 (БАП). Шесть выходов блока аналогового преобразования 5 (БАП) соединены каждый с отдельным входом вычислительного блока 6 (ВБ). Выход вычислительного блока 6 (ВБ) соединен со входом блока индикации 7 (БИ).
Один из возможных вариантов конструкции накладного вихретокового преобразователя 4 (ВТП), наиболее часто используемый в вихретоковых толщиномерах, содержит обмотку возбуждения 8 (фиг. 2), измерительную обмотку 9 и компенсационную обмотку 10. Измерительная обмотка 9 и компенсационная обмотка 10 включены встречно.
1
2
3
При осуществлении контроля вихретоковый преобразователь 4 (ВТП) располагают вблизи объекта контроля 11. Генераторы гармонических сигналов 1-3 (Г1-Г3) вырабатывают гармонические сигналы с частотами ƒ, ƒ и ƒ.
1
2
3
Значения частот ƒ, ƒ и ƒ должны удовлетворять условиям, при которых глубина проникновения магнитного поля первой частоты пренебрежимо мала по сравнению с толщиной стенки трубы, глубина проникновения магнитного поля второй частоты приблизительного равна половине толщины стенки, глубина проникновения магнитного поля третьей частота превышает толщину стенки трубы.
1
2
3
Выходные сигналы генераторов 1-3 (Г1-Г3) подают на обмотку возбуждения 8 накладного вихретокового преобразователя 4 (ВТП). Ток этой обмотки имеет три гармонические составляющие частот ƒ, ƒ и ƒ и создает трехчастотное магнитное поле. Измерительная 9 и компенсационная 10 обмотки вихретокового преобразователя 4 (ВТП) включены встречно, поэтому при отсутствии вблизи вихретокового преобразователя электропроводящего объекта выходной сигнал вихретокового преобразователя равен нулю. При наличии вблизи вихретокового преобразователя 4 (ВТП) электропроводящего объекта трехчастотное магнитное поле возбуждения наводит в контролируемом изделии вихревые токи трех частот. Магнитное поле этих вихревых токов обуславливает возникновение выходного сигнала (вносимого напряжения) вихретокового преобразователя 4 (ВТП). Блоком аналогового преобразования 5 (БАП) осуществляют выделение комплексных составляющих сигнала вихретокового преобразователя, обусловленных каждой из трех частотных составляющих магнитного поля вихревых токов. Для выполнения этой функции в состав блока аналогового преобразования 5 (БАП) входят частотно-избирательные блоки и блоки амплитудно-фазового детектирования, используемые, например, в устройстве, реализующем способ-прототип.
1
2
3
Выходные сигналы блока аналогового преобразования 5 (БАП) пропорциональны амплитудам действительной и мнимой комплексных составляющих вносимых напряжений частот ƒ, ƒ, ƒ: , , , , , .
Благодаря указанному ранее выбору частот генераторов гармонических сигналов, выделенные составляющие сигнала вихретокового преобразователя на первой частоте зависят только от зазора h между вихретоковым преобразователем 4 (ВТП) и объектом 11, составляющие сигнала на второй частоте зависят от зазора h и удельной электропроводности материала σ, а составляющие сигнала на третьей частоте - от зазора h, удельной электропроводности материала σ и толщины Т объекта.
1
2
3
Вычислительным блоком 6 (ВБ) осуществляется вычислительное преобразование выходных сигналов блока аналогового преобразования 5 (БАП) в измеряемое значение контролируемого параметра. Для этого вычисляются амплитуда вносимого напряжения первой частоты А и фазы ϕ и ϕ вносимых напряжений второй и третьей частот:
;
;
.
0
Дальнейшее вычислительное преобразование сигналов измерительной информации осуществляется с использованием функций преобразования, определяемых экспериментально с использованием образцов труб различной толщины Т с фиксированной удельной электрической проводимостью материала σпри различных значениях зазора h. Количества используемых образцов толщины и зазора определяются требуемыми точностью и диапазоном измерения и для широкого круга задач контроля составляют порядка десяти.
1
1
В соответствии с предлагаемым способом вычислительным блоком 6 (ВБ) вычисляется значение зазора h. Для этого используется функция обратного преобразования относительного значения амплитуды А вносимого напряжения первой частоты в значение зазора h (фиг. 3), определяемая путем численного анализа экспериментальной зависимости амплитуды А от зазора h. Данная функция с достаточной для решения широкого круга задач контроля точностью аппроксимируется зависимостью вида
,
а
где  - коэффициент, зависящий от наружного диаметра трубы, конструктивных параметров вихретокового преобразователя и диапазона изменений зазора h;
10
А - значение амплитуды при h=0.
0
3
3
i
i+1
i
i
3
i+1
i+1
3
Далее осуществляется вычисление промежуточного значения толщины стенки Т в предположении, что удельная электрическая проводимость материала трубы σ равна удельной электрической проводимости образцов σ. Для этого используется функциональная зависимость толщины стенки трубы T(h, ϕ) от зазора h и фазы ϕ. Вид этой функциональной зависимости показан на фиг. 4. Для определения значения Т сначала определяют ближайшие к измеренному значению h его дискретные значения h и h, соответствующие толщинам образцов, использованных для определения зависимости, показанной на фиг. 4. Далее производится расчет соответствующих значений T(h, ϕ) и T(h, ϕ). Значение толщины Т вычисляется в предположении линейности зависимости в малом диапазоне изменений зазора h:
.
20
0
20
Дальнейшие вычислительные преобразования обеспечивают отстройку от влияния на результат контроля изменений удельной электрической проводимости материала σ. Для этого определяется значение фазы ϕ вносимого напряжения второй частоты при измеренном зазоре h и значении удельной электрической проводимости σ, соответствующей используемым для определения функций преобразования образцам. Вид экспериментальной зависимости фазы ϕ от зазора h показан на фиг. 5. С высокой степенью приближения данная зависимость аппроксимируется функцией
20
2
ϕ=-ехр(b+ch+dh),
2
0
где b, с и d - экспериментально определяемые коэффициенты, зависящие от наружного диаметра трубы, частоты ƒ, значения удельной электрической проводимости σ и конструктивных параметров вихретокового преобразователя.
2
2
20
Далее вычисляется разность фаз Δϕ между измеренным значением фазы ϕвносимого напряжения второй частоты и ее значением ϕ для используемых при определении функций преобразования образцов труб:
2
2
20
Δϕ=ϕ-ϕ.
3
3
30
3
0
2
Следующей вычислительной операцией является определение разности фаз Δϕ между измеренным значением фазы ϕ вносимого напряжения третьей частоты и ее значением ϕ для используемых при определении функций преобразования образцов. Как показывают результаты математического и физического моделирования разность фаз Δϕ, обусловленная отличием значения удельной электрической проводимости материала контролируемой трубы σ от ее значения σ, соответствующего используемым для определения функций преобразования образцам, связана с разностью фаз Δϕ, обусловленной этой же причиной, линейной зависимостью вида
3
2
Δϕ=s Δϕ,
где множитель s является функцией толщины стенки трубы Т:
s=s(T).
2
Зависимость s(T) с высокой степенью приближения описывается функцией s(T)=exp(k+mT+nT),
0
2
3
где k, m и n - экспериментально определяемые коэффициенты, зависящие от наружного диаметра трубы, значения удельной электрической проводимости σ, значений второй ƒ и третьей ƒ частот и конструктивных параметров вихретокового преобразователя.
3
При определении значения множителя s, необходимого для вычисления значения величины Δϕ, используется рассчитанное ранее значение толщины Т. Затем вычисляется скорректированное значение фазы вносимого напряжения третьей частоты, соответствующее используемым для определения функций преобразования образцам:
30
3
3
ϕ=ϕ-Δϕ.
30
3
30
Далее с использованием нового скорректированного значения фазы вносимого напряжения третьей частоты ϕ осуществляется повторное вычисление уточненного значения толщины T с использованием зависимости фиг. 4. Найденное уточненное значение толщины Т вновь используется для последовательных вычислений значений величин s, Δϕ, ϕ и нового уточненного значения толщины Т. Описанный цикл вычислений повторяется (2…5) раз в зависимости от требуемой точности и степени дискретности значений зазоров. Значение толщины Т, рассчитанное в последнем цикле, принимается в качестве результата измерения контролируемого параметра Т.
Блоком индикации 7 (БИ) осуществляется индикация результата контроля.
Эффективность использования предлагаемого способа вихретокового контроля толщины стенки металлических немагнитных труб в условиях значительных изменений зазора между вихретоковым преобразователем и поверхностью объекта и удельной электрической проводимости материала была подтверждена результатами лабораторных и производственных испытаний опытного образца устройства при контроле толщины стенки легкосплавных бурильных труб из дюраля Д16Т с наружным диаметром 147 мм и толщиной стенки в диапазоне (5…15) мм. Был использован накладной трансформаторный дифференциальный вихретоковый преобразователь, конструкция которого схематично показана на фиг. 2. Использовались частоты составляющих тока возбуждения 80 кГц, 2500 Гц и 125 Гц. Для определения функций преобразования использовались 11 образцов труб с толщинами стенки из указанного диапазона и с удельной электрической проводимостью материала 16 МСм/м. Для изменения значения зазора использовались 12 образцов зазора (диэлектрических пластинок) толщиной (1…15) мм. Для определения функциональной зависимости измеряемых сигналов от изменений удельной электрической проводимости применялось изменение температуры образцов в диапазоне (-12…+85)°С. Для проверки эффективности отстройки от влияния изменений электропроводности использовались образцы с удельной электрической проводимостью материала 18 МСм/м и 20 МСм/м. Диапазон изменения значений множителя s, используемого для корректировки значений фазы вносимого напряжения третьей частоты по результатам измерения фазы второй частоты, составлял от 3,1 до 4,3.
Результаты испытаний опытного образца устройства показали, что при использовании предлагаемого способа контроля в указанном диапазоне изменений влияющих параметров абсолютная погрешность измерения толщины стенки не превышает (0,2…0,3) мм. Без использования отстройки от мешающих факторов (например, от изменений электропроводности при изменении температуры в указанном диапазоне) погрешность измерения возрастает на порядок.