Физическая сущность

Вихретоковый (электромагнитный) вид неразрушающего контроля

Основан на анализе взаимодействия внешнего электромагнитного поля с электромагнитным полем вихревых токов, наводимых в объекте контроля (ОК) этим полем. Пригоден для обнаружения и определения дефектов типа нарушенной сплошности деталей (дефектоскопия и дефектометрия), контроля размеров ОК и параметров вибраций (толщинометрия и вибро-метрия), определения физико-механических параметров и структуры материалов (структуроскопия) и обнаружения электропроводящих объектов (металлоискание).

Подчеркнем, что объектами вихретокового контроля (ВТК), независимо от названных сфер применения, могут быть только электропроводящие детали, так как вихревые токи возникают в материалах, проводящих электрический ток (металлы, сплавы, графит, полупроводники). Объекты ВТК в вагонном хозяйстве указаны в РД 32.174-2001 [36] (цельнокатаное колесо, элементы тележек различных моделей и буксовых подшипников, ударно-тяговое оборудование). Общие требования к средствам и методикам проведения ВТК деталей при всех видах планового ремонта вагонов приведены в РД 32.150-2000 [43].

Физическая сущность

Методы вихретокового контроля основаны на законе электромагнитной индукции, согласно которому во всяком замкнутом проводящем контуре с числом витков W при изменении потока Ф магнитной индукции В через площадь S, ограниченную этим контуром, возникает электродвижущая сила индукции

.

Последняя уменьшается при возрастании и увеличивается при уменьшении Ф (закон Джоуля—Ленца).

В общем случае в контур входит ферромагнитный сердечник с проницаемостью μс, а напряженность Н внешнего поля зависит от угла α к нормали контура. Тогда

В результате в контуре наводится ЭДС

,

что обеспечивает преобразование переменного магнитного поля в электрический сигнал.

Пусть источником переменного магнитного поля служит накладная катушка вихретокового преобразователя (ВТП), питаемая переменным током (рис. 5.1, 5.2, 5.3).

Рис. 5.1. К сущности ВТК:«холостая» позиция — электромагнитное взаимодействие ВТП и ОК отсутствует

Рис. 5.2. К сущности ВТК: позиция постановки ВТП «на металл»- электромагнитное взаимодействие ВТП с ОК в бездефектной зоне

Рис. 2.175. Распределение вихревых токов в ОК под катушкой

Обсудим два самых простых, но обладающих достаточной общностью способа формирования этого сигнала, когда источником переменного магнитного поля служит:

1) однообмоточная катушка, питаемая переменным током;

2) катушка с двумя индуктивно связанными обмотками, одна из них питается переменным током. Средой, обеспечивающей наведение ЭДС, будет ОК, обладающий или немагнитными или ферромагнитными свойствами.

Рассмотрим физические процессы при электромагнитном взаимодействии накладной одно обмоточной катушки, обтекаемой переменным током I0, с электропроводящим ОК и сопоставим параметры обмотки (сигналы) при трех ее позициях относительно контролируемой поверхности.

«Холостая» позиция. Обмотка находится вне ОК, т.е. удалена от его поверхности и обтекается синусоидальным или импульсным током I0 (см. рис. 5.1). Ее параметры: активное сопротивление R0индуктивное Хо = ωL0, где Lo — собственная индуктивность. Тогда полное комплексное сопротивление (импеданс) Z0 = R0 + jωL0 и напряжение на зажимах катушки

Витки с током I0 формируют переменное магнитное поле напряженностью возбуждения HВ0 определенной амплитуды и фазы. Это первичное поле зависит от числа витков W катушки, ее размеров и значения тока I0; оно характеризуется величиной магнитного потока Фо. Из-за удаленности катушки от ОК их электромагнитное взаимодействие настолько слабое, что наведенная ЭДС исчезающе мала и вихревые токи в ОК практически не возникают. Следовательно, электромагнитного взаимодействия нет, обмотка с током «погружена» в собственное поле Фо, а ее параметры Zo и U0 остаются неизменными, так как ее электропроводящая среда структурно однородна.

Позиция 1 – взаимодействие поля обмотки с металлом. Катушка установлена торцом на поверхность ОК в бездефектной зоне (см. рис. 5.2). Линии магнитного поля возбуждения, охватывая витки, замыкаются через металл ОК, проникая в него на определенную глубину δ. Так как поле Фо переменное и по закону Фарадея в ОК наводит ЭДС, то в его поверхностном слое под обмоткой возникают вихревые электрические токи iвт, замыкающиеся по кругу и охватывающие линии поля Фо, проникающие в тело ОК. Они «собираются» в кольцевой контур и напрямую зависят от силы и частоты тока I0 в катушке. Плотность же и распределение вихревых токов зависят от конфигурации контролируемой поверхности, электромагнитных параметров ОК – удельной электрической проводимости σ (Ом/м) и абсолютной магнитной проницаемости μа (Гн/м), а также сплошности его материала и взаимного расположения катушки и ОК (углов ее наклона, зазора h).

Вихревым токам сопутствует скин-эффект (поверхностный эффект), вызывающий вытеснение к поверхности ОК переменного магнитного поля. Глубина δ проникновения вихревых токов характеризует расстояние, на котором плотность вихревых токов приблизительно в «е» раз (е = 2,71) меньше, чем на поверхности.

Таким образом, скин-эффект приводит к неравномерному распределению плотности j вихревых токов по сечению ОК. Она неравномерна и в плоскостях протекания вихревого тока: максимальна в кольцевом контуре и равна нулю на оси катушки, но по мере удаления от оси в пределах радиуса возрастает до максимума, а за пределами катушки убывает до нуля.

На практике данное представление упрощают: неравномерное распределение плотности j вихревых токов заменяют равномерным, но распространяющимся в теле ОК на некоторую глубину δ, принимая значение плотности неизменным и равным плотности вихревых токов на поверхности ОК. При таком допущении считают, что в теле на глубинах больше δ токи отсутствуют. Тогда максимальную глубину δmах проникновения вихревых токов (см. рис. 5.3) оценивают формулой

, (5.1)

где – обобщенный параметр ВТК;

Rср – радиус среднего витка возбуждающей катушка.

Если учесть,что μа = μоμ, μ0=4π10-7 (Гн/м), ω = 2πf (1/с), то [м],

или [см], если [δ] = [см/м].

Вихревые токи, как и всякие другие электрические токи, создают свое собственное магнитное поле Фвт с напряженностью Hвт. Оно вторично, меньше поля возбуждения Фо и по закону Джоуля–Ленца в каждый момент времени противоположно первичному полю Ф0, т.е., являясь ответной реакцией, непрерывно противодействует ему.

Параметры контура вихревых токов непосредственно не могут быть использованы для анализа состояния ОК, поскольку они замыкаются в его токопроводящей среде. Удобнее анализировать их косвенно, по параметрам электромагнитных процессов, которые им сопутствуют, но находятся вне ОК. Такими параметрами являются: изменение ЭДС, которая наводится на зажимах обмотки электромагнитным полем Hвт вихревых токов Iв1 и всегда направлена, согласно тому же закону Джоуля–Ленца, навстречу приложенному к катушке переменному напряжению U0, или изменение собственного полного сопротивления (импеданса) катушки Zo = R0 + jωL0 (см. рис. 5.2). Взаимодействие первичного Hb0(Ф0) и вторичного НВ0(Ф0) полей приводит к образованию результирующего поля Hp1(Фр1), т.е. в этой позиции катушка оказалась «погруженной» в электромагнитное поле с новым значением напряженности и, следовательно, магнитного потока Фр), которое изменяет электрические параметры катушки. Ее активное сопротивление возрастает с первоначального значения R0 до R1 = R0 + RBH1, где RBH1 – внесенное металлом детали активное сопротивление (рис. 5.4). Если ОК выполнен из немагнитного металла, то магнитное поле вихревых токов Hвт уменьшает напряженность Hb0 первичного поля, если из магнитного – то результирующее поле становится больше Hв0, но за счет ферромагнитных свойств ОК. Следовательно, в первом случае индуктивное сопротивление катушки уменьшается, т.е. L1 = L0 - LBH1, а во втором – увеличивается до L1 = L0 + LBH1. Здесь Lbh1 – внесенная металлом индуктивность. Таким образом, металл ОК, внесенный в поле Фо катушки, однозначно влияет на параметры ее полного сопротивления.

Изменение активного R и реактивного X сопротивлений возбуждающей катушки зависит от удельной электрической проводимости а и магнитной проницаемости μ металла, от частоты f намагничивающего тока, зазора h. Чем больше σ и μ, тем в большей степени изменяются параметры катушки, но тем меньше глубина проникновения вихревых токов в металл. Низкочастотные вихревые токи проникают более глубоко, высокочастотные ограничиваются тонким поверхностным слоем.

Позиция 2 – катушка находится над дефектом, т.е. в зоне вихревых токов нарушена сплошность металла ОК. Если дефектом является трещина бесконечной длины, то она рассекает замкнутый контур вихревых токов на два обособленных по ту и другую сторону трещины, что условно показано на рис. 5.4. Плотность вихревых токов в непосредственной близости к трещине и по обе стороны от нее резко возрастает — действие, аналогичное резкому уменьшению а. В случае конечной по длине трещины вихревые потоки огибают ее, путь токов увеличивается, что приводит также к эффекту уменьшения а. Наиболее сильные изме нения проявляются над трещиной и сравнительно быстро уменьшаются по обе стороны от нее. При этом симметрия, амплитуда и фаза вторичного поля Hвт изменяются, изменяется и результирующее поле Фр2. Катушка оказалась в поле с увеличенным по сравнению с ФP1 значением Фр2. Ее параметры снова изменились, но на ∆L и ∆R, т.е. приняли значения L2 = Lo – Lвн1 + ∆L и R2 = R0 + RBH1 + ∆R, что явилось результатом изначального изменения μа и σ в зоне трещины. Таким образом, изменение параметров катушки несет в себе информацию о характере дефекта, электромагнитных характеристиках материала и расстоянии h до ОК.

Рис. 2.176. К сущности ВТК: позиция электромагнитного взаимодействия ВТП с ОК в дефектной зоне

ЭДС (а также сопротивление катушки) зависит от многих параметров ОК (наличия поверхностных дефектов, изменения проводимости и магнитной проницаемости) и взаимного расположения катушки и ОК (зазор, близость к «краю», наклоны катушки и т.п.), при этом получаемая информация зависит от результата взаимодействия полей Hвт и Hв0. Это и хорошо (преимущество в полноте контроля), и плохо (трудности в селекции). Важно последнее, так как измерение одного параметра ОК, например выявление трещины, сопровождается проявлением взаимодействия по другим параметрам, а они выступают как мешающие факторы. Для их подавления (отстройки) требуются специальные аппаратурные методы. Вихретоковый контроль — бесконтактный, так как между катушкой и ОК всегда имеется зазор, достаточный для ее свободного перемещения, что способствует достижению высоких скоростей сканирования и, следовательно, высокой производительности контроля. Вторым достоинством является возможность автоматизации ВТК, что предопределено электрической природой сигнала ВТП. Третья отличительная особенность ВТК заключена в возможности его портативного исполнения за счет использования средств микроэлектроники.

Поиск по сайту: