СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ ДЕФЕКТОВ В ДЛИННОМЕРНОМ ФЕРРОМАГНИТНОМ ОБЪЕКТЕ
METHOD FOR DETECTING DEFECTS IN A LONG-DIMENSIONAL FERROMAGNETIC OBJECT

Изобретение относится к области неразрушающего магнитного контроля длинномерных ферромагнитных объектов, и предназначено, прежде всего, для магнитной дефектоскопии стальных канатов, ориентированной на определение локальных дефектов и потерь металлического сечения.
При магнитной дефектоскопии длинномерных ферромагнитных объектов, в частности стальных канатов, применяются способ постоянного магнитного поля и способ переменного магнитного поля.
Известен способ обнаружения дефектов в длинномерном ферромагнитном объекте, основанный на намагничивании объекта контроля до технического насыщения электромагнитами постоянного тока или постоянными магнитами вблизи поверхности объекта контроля, имеющем дефект, и регистрации изменения градиента напряженности магнитного поля рассеяния, образующегося в области нахождения данного дефекта. Изменение градиента напряженности магнитного поля рассеяния используется в качестве первичного информативного параметра для выявления дефектов и фиксируются соответствующими измерительными датчиками, например, датчиками Холла, или магниторезисторами (патент РФ №2204129, МПК G01N 27/82, опубл. 10.05.2003) или с помощью катушек, расположенных в зоне основного намагничивающего потока, посредством которых определяют электродвижущую силу при движении контролируемого объекта относительно этих катушек (патент РФ №2469307, МПК G01N 27/82, опубл. 10.12.2012). Данный способ обнаружения дефектов в длинномерном ферромагнитном объекте является способом постоянного магнитного поля.
Недостатками данного способа являются невысокая достоверность обнаружения дефектов в длинномерных ферромагнитных объектах и зависимость точности контроля от скорости движения объекта.
Известен способ обнаружения дефектов в длинномерном ферромагнитном объекте, заключающийся в том, что на контролируемый длинномерный ферромагнитный объект воздействуют физическим полем, формируют измерительный и опорный периодические электрические сигналы, сравнивают измерительный и опорный сигналы и по параметрам результата сравнения судят о наличии дефектов в объекте, причем в качестве физического поля используют переменное магнитное поле, создаваемое переменным намагничивающим током, опорный сигнал формируют пропорциональным току намагничивания, сравнение измерительного и опорного сигналов проводят путем наложения на последний сигнала намагничивающего переменного тока в противофазе, а контроль поля осуществляют по сдвигу фазы и изменению амплитуды высших гармоник сформированного на объекте сигнала (патент РФ №2025723, МПК G01N 27/87, G01N 27/82, опубл. 30.12.1994).
Данный способ обнаружения дефектов в длинномерном ферромагнитном объекте является способом переменного магнитного поля. При реализации данного способа физическое поле, которым воздействуют на контролируемый длинномерный ферромагнитный объект, создают формирователем переменного магнитного поля в виде возбуждающей катушки, которую запитывают от генератора переменного тока намагничивания. Измерительный электрический сигнал создают посредством соответствующего формирователя в виде измерительной катушки, а опорный электрический сигнал, создают посредством специального формирователя (в виде токового шунта), находящегося в нагрузочной цепи генератора тока намагничивания.
Сравнение электрического измерительного сигнала, являющегося фактически трансформаторной ЭДС индукции измерительной катушки, и опорного электрических сигналов проводят посредством блока сравнения сигналов, а оценку дефектов производят при помощи блока обработки выходного сигнала. Формирователь переменного магнитного поля и формирователь измерительного электрического сигнала в совокупности с соответствующей магнитной цепью образуют трансформаторный датчик.
Для обнаружения дефектов в длинномерном ферромагнитном объекте осуществляют намагничивание этого объекта переменным магнитным полем, причем в качестве элемента магнитной цепи трансформаторного датчика используют непосредственно сам контролируемый длинномерный объект. Таким образом, в качестве первичных информативных параметров для выявления дефектов в контролируемом объекте используют изменения геометрических размеров и магнитного состояния элементов магнитной цепи трансформаторного датчика, обусловленные наличием дефекта в контролируемом объекте и вызывающие соответствующие вариации индуктивности или взаимной индуктивности обмоток намагничивающей и измерительной катушек.
Недостатком данного способа является невысокая точность контроля дефектов длинномерных ферромагнитных объектов, обусловленная тем, что изменение магнитного поля вследствие потери сечения и/или появления локального дефекта, на которое измерительная катушка реагирует изменением ЭДС, происходит на фоне довольно высокого начального уровня сигнала, поэтому количественная оценка такого относительно небольшого изменения сигнала оказывается недостаточно точной. Кроме того, данный способ не позволяет осуществлять контроль дефектов в широком диапазоне контролируемых параметров.
Задачей изобретения является повышение точности обнаружения дефектов и расширение диапазона контролируемых параметров.
Поставленная задача достигается тем, что в способе обнаружения дефектов в длинномерном ферромагнитном объекте, заключающимся в том, что на контролируемый длинномерный ферромагнитный объект воздействуют физическим полем, формируют измерительный и опорный периодические электрические сигналы, сравнивают противофазным наложением измерительный и опорный сигналы и по параметрам результата сравнения судят о наличии дефектов в объекте, в отличие от прототипа, в качестве физического поля используют одновременно переменное электрическое и постоянное магнитное поля, этим физическим полем воздействуют одновременно на контролируемый длинномерный ферромагнитный объект и на эталонный ферромагнитный объект конечной длины, соответствующий сортаменту контролируемого объекта нормального качества без дефектов, посредством этого воздействия в обоих объектах возбуждают магнитоэлектрический и магнитомодуляционные эффекты, при помощи которых формируют измерительный сигнал, пропорциональный изменению физического поля в контролируемом объекте, и опорный сигнал, пропорциональный изменению физического поля в эталонном объекте, причем измерительный и опорный сигналы формируют в виде соответствующих ЭДС индукции, содержащих трансформаторную и магнитомодуляционную составляющие.
Для обнаружения дефектов типа потери металлического сечения в качестве параметра результата сравнения используют разность трансформаторных составляющих ЭДС измерительного и опорного сигналов на частоте переменного электрического поля, а для обнаружения локальных дефектов в качестве параметра результата сравнения используют разность магнитомодуляционных составляющих ЭДС измерительного и опорного сигналов на удвоенной частоте переменного электрического поля. При этом переменное электрическое поле в объекте создают посредством вибраторной антенны конденсаторного типа, а воздействие физическим полем осуществляют на частоте электромеханического резонанса контролируемого длинномерного ферромагнитного объекта, причем напряженность постоянного магнитного поля  выбирается из условия
m
где H - амплитуда продольной составляющей магнитного поля поперечно-электрической ТЕ волны, возбуждаемой вибраторной антенной.
Заявляемый способ обнаружения дефектов в длинномерном ферромагнитном объекте можно интерпретировать следующей блок-схемой его реализации, где 1 - генератор переменного напряжения; 2 - формирователь переменного электрического поля в виде вибраторной антенны конденсаторного типа; 3 - формирователь постоянного магнитного поля в виде двухполюсного постоянного магнита; 4 - разветвленный магнитопровод; 5 - намагничивающий модуль; 6 - контролируемый длинномерный ферромагнитный объект; 7 - формирователь измерительного сигнала в виде первой регистрирующей катушки; 8 - эталонный ферромагнитный объект; 9 - формирователь опорного сигнала в виде второй регистрирующей катушки; 10 - блок сравнения регистрирующих сигналов; 11 - блок обработки выходного сигнала.
Разветвленный магнитопровод образует вместе с ферромагнитными объектами 6 и 8 два идентичных взаимосвязанных ферромагнитных контура I и II, через которые определенным образом конфигурируются «гибридные» магнитные потоки Ф' и Ф'', возбуждаемые суммарным физическим полем, создаваемым вибраторной антенной 2 и постоянным магнитом 3. В сущности, намагничивающий модуль и регистрирующие катушки 7 и 9 образуют аналог трансформаторного измерительного датчика (ИД).
Способ реализуется следующим образом. На контролируемый участок длинномерного ферромагнитного объекта 6 и на эталонный ферромагнитный объект 8, например стальные канаты, воздействуют физическим полем с помощью намагничивающего модуля 5. Указанное физическое поле складывается из переменного электрического поля  создаваемого посредством вибраторной антенны 2, и постоянного магнитного поля  создаваемого двухполюсным постоянным магнитом 3. Вибраторная антенна 2 является излучающей резонансной антенной конденсаторного типа с сосредоточенной емкостью С [Брякин И.В. Модулятор на базе С-антенны // Вестник КРСУ. - Бишкек, 2015, том 15, №9. - С. 112-116], которую возбуждают переменным напряжением  на частоте электромеханического резонанса (ЭМР) ферромагнитного объекта 6 с помощью генератора 1 ВЧ-напряжения.
Материалы элементов магнитной цепи относятся к ферромагнитным материалам, которые кроме свойства концентрировать магнитные поля дополнительно обладают еще и магнитоэлектрическим эффектом (МЭ), заключающимся в появлении намагниченности во внешнем электрическом поле (обратный МЭ эффект) или в индуцировании электрической поляризации в материале во внешнем магнитном поле (прямой МЭ эффект). Поскольку МЭ эффект в материале элементов магнитной цепи наблюдается в механически связанных магнитострикционной и пьезоэлектрической структурных компонентах, то он резко увеличивается вблизи частоты ЭМР.
В связи с тем, что переменное электрическое поле вибраторной антенны 2 на ЭМР фактически возбуждает механическое взаимодействие магнитострикционного и пьезоэлектрического структурных компонентов материала магнитной цепи, то во всем объеме этой магнитной цепи наряду с продольной составляющей магнитного поля поперечно-электрической ТЕ волны (волна магнитного типа Н), возбуждаемой вибраторной антенной, дополнительно под действием переменного электрического поля возникает МЭ эффект, который лежит в основе явления модуляции (периодического изменения) магнитной проницаемости ферромагнитного материала.
В этом случае одновременное существование МЭ эффекта, ответственного за появление магнитомодуляционной ЭДС, и продольной составляющей магнитного поля поперечно-электрической ТЕ волны, определяющей возникновение трансформаторной ЭДС, существенно повышает как чувствительность самого метода, так и точность идентификации вида дефекта.
Вследствие нелинейного характера кривой намагничивания ферромагнитных материалов магнитомодуляционная ЭДС будет содержать высшие гармоники, которые и содержат необходимую дополнительную диагностическую информацию. При отсутствии постоянного магнитного поля имеются лишь нечетные высшие гармоники (3-я, 5-я и т.д.), а при наличии постоянного магнитного поля наряду с нечетными гармониками появятся и четные гармоники (2-я, 4-я и т.д.).
Магнитные потоки Ф' и Ф'' будут наводить в регистрирующих катушках 7 и 9 соответствующие ЭДС индукции, причем ЭДС  катушки 7 используют в качестве измерительного сигнала, а ЭДС  катушки 9 - в качестве опорного сигнала. Каждый из указанных сигналов содержит две составляющие - трансформаторную ЭДС и магнитомодуляционную ЭДС:
где  и  - трансформаторные ЭДС, наводимые соответствующими магнитными потоками в катушках 7 и 9 от переменных полей возбуждения;  и  - магнитомодуляционные ЭДС, наводимые модулированным магнитным полем соответственно в катушках 7 и 9.
В связи с тем, что обмотки регистрирующих катушек 7 и 9 включены последовательно-встречно, то в блоке 10 выполняется процесс сравнения противофазным наложением измерительного  и опорного сигналов  и величина электрического сигнала с выхода блока 10 (т.е. напряжения небаланса) будет определяться выражением
где
Тогда при использовании контролируемого длинномерного ферромагнитного объекта 6 без дефектов величины измерительного и опорного сигналов будут равны, т.е.  и на выходе блока 10 формируется нулевое состояния напряжения небаланса этих сигналов
При наличии в контролируемом объекте 6 дефектов типа локальных дефектов и дефектов типа потери сечения на выходе блока 10 возникает напряжение небаланса  содержащее в виде первой составляющей трансформаторную ЭДС на частоте возбуждения вибраторной антенны 2, а в виде второй составляющей - магнитомодуляционную ЭДС на удвоенной частоте возбуждения вибраторной антенны 2. После соответствующей обработки электрического сигнала блоком 11 определяют отсутствие или наличие локального дефекта, осуществляют его идентификацию и определяют его геометрические и физико-химические характеристики.
Для предотвращения намагничивания контролируемого и эталонного объектов, а также для интенсификации МЭ напряженность постоянного магнитного поля выбирается из условия
m
где H - амплитуда продольной составляющей магнитного поля поперечно-электрической ТЕ волны, возбуждаемой вибраторной антенной.
Такое соотношение обеспечивает реализацию необходимых физических процессов в ферромагнитных материалах в зоне максимального изменения их магнитной проницаемости, и, соответственно, создает оптимальные условия не только для возбуждения продольной составляющей магнитного поля поперечно-электрической ТЕ волны, но и необходимые условия для наибольшего проявления МЭ.
Преимущества предложенного способа обнаружения дефектов в длинномерном ферромагнитном объекте:
- наличие дополнительного постоянного магнитного поля обеспечивает значительное повышение чувствительности;
- обнаружение дефектов реализуется как в случае неподвижного, так и перемещающегося объекта контроля.
- обеспечивает высокую точность измерения, существенное снижение температурного дестабилизирующего фактора, повышение помехоустойчивости и упрощение конструкции ИД в целом за счет использования различных физических эффектов;
- обеспечивает быструю перенастройку для контроля различных длинномерных ферромагнитных объектов путем соответствующей замены эталонного ферромагнитного объекта.
Проведенные натурные исследования нового способа обнаружения дефектов в длинномерном ферромагнитном объекте подтвердили его эффективность и высокую информативность.
Дефектоскопы, реализующие предложенный способ, обладают малыми габаритами, малым весом и автономным питанием. При этом контролируемый объект не требует дополнительного намагничивания до технического насыщения. Все это позволяет производить оперативную техническую диагностику на работающем оборудовании, что в свою очередь имеет огромное значение для нужд промышленной безопасности.
Широкое использование способа при дефектоскопическом контроле длинномерных ферромагнитных объектов в составе уже существующих компьютеризированных диагностических систем обеспечит соответствующее повышение достоверности обнаружения локальных дефектов и снижение погрешности измерения потери металлического сечения за счет информационной избыточности и алгоритмизации обработки измерительной информации. Это, в конечном счете, позволит реализовать детальный анализ результатов дефектоскопии и организовать соответствующий мониторинг за динамикой износа и повреждения длинномерных ферромагнитных объектов.