Вихретоковый метод контроля качества

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Данная работа посвящена вихретоковому методу контроля качества, рассмотрению классификации ВТП (вихретоковых преобразователей), которые являются устройствами для неразрушающего контроля качества. Как известно, долговременность и надежность являются ключевыми аспектами на данный момент, современное производство предъявляет высокие требования к качеству. В настоящее время акцентируется внимание на диагностики качества, на определении дефектов в основном типа нарушающей сплошности материала.

Вихретоковый метод является универсальным, эффективным и экономичным способом неразрушающего контроля, он позволяет решить большой спектр задач контроля изделий. Имеет много преимуществ по сравнению с другими формами неразрушающего контроля, не последним среди которых является его исключительная чувствительность к микроскопическим дефектам, расположенным непосредственно на поверхности либо близко к поверхности контролируемого металлического объекта. Вихретоковый метод контроля применяется в авиационной отрасли, судостроительной, автомобилестроительной, в нефтегазовой и в других отраслях, что подтверждает высокую значимость этого метода контроля для развития промышленности нашей страны.

На данном этапе разработано большое количество типов и разновидностей ВТП. Для более правильного их использования целесообразно знать их классификацию, которая рассмотрена в данной работе.

1. Основные термины и понятия

1 Вихретоковый неразрушающий контроль - неразрушающий контроль, основанный на анализе взаимодействия внешнего электромагнитного поля с электромагнитным полем вихревых токов, наводимых в объекте контроля этим полем.

2 Электромагнитное поле - вид материи, характеризующийся во всех точках двумя его сторонами: электрическим и магнитным полем. Каждое из этих полей определяется векторными величинами, такими как напряженность электрического поля и магнитной индукцией .

3 Закон электромагнитной индукции.

При всяком изменении магнитного потока через проводящий замкнутый контур в этом контуре возникает электрический ток I, который зависит от свойств контура.

4 Переменный ток - электрический ток, который с течением времени изменяется по величине и направлению или, в частном случае, изменяется по величине, сохраняя своё направление в электрической цепи неизменным.

5 Объект контроля(ОК) - подвергаемая контролю продукция на стадиях её жизненного цикла (создание, хранение, применение, ремонт и т.д.).

вихретоковый дефектоскоп преобразователь

2. Вихретоковый метод контроля качества

2.1 История возникновения

Вихретоковый контроль основан на взаимодействии переменного магнитного поля с контролируемым объектом. Одним из проявлений взаимодействия электромагнитного поля с электропроводящим материалом является возникновение в них вихревых токов. Вихревые токи были открыты французским физиком Д.Ф. Арго в 1825 г. и исследованы его учеником Л. Фуко, именем которого и были названы (токи Фуко).

Английский ученый М. Фарадей открыл в 1831 г. закон электромагнитной индукции и объяснил причину возникновения вихревых токов. Другой выдающийся английский ученый Д.К. Максвелл придал трудам М.Фарадея математическую завершенность и сформулировал законы электромагнитного поля.

Применение вихревых токов для неразрушающего контроля известно с 1879 года, когда англичанин Хьюз который разработал устройство с трансформаторным вихретоковым преобразователем (ВТП) для оценки электрофизических параметров металлических изделий, возбуждающие обмотки которого подключались к генератору переменного напряжения, а измерительные - к гальванометру.

Широкое практическое применение вихретоковых методов контроля началось в сороковых годах прошлого века. В настоящее время вихретоковые методы и приборы по распространенности и объемам контролируемой продукции занимают второе место после акустических методов.

2.2 Общая характеристика вихретокового метода контроля качества

Вихретоковый контроль основан на анализе взаимодействия внешнего электромагнитного поля с электромагнитным полем вихревых токов, наводимых в объекте контроля этим полем. Вихревые токи возникают в проводящих телах как вследствие магнитного потока во времени, так и в результате относительного перемещения проводящего тела и магнитного потока.

Вихревые токи замыкаются непосредственно в проводящих изделиях, образуя вихреобразные контуры, сцепляющиеся с индуктирующим их магнитным потоком, они вызывают неравномерное распределение напряженности магнитного поля в проводящем изделии, в котором они возникают. Возникает магнитный поверхностный эффект, заключающийся в том, что происходит вытеснение магнитного потока из середины изделия к его поверхности, которое будет тем больше, чем выше угловая частота переменного тока возбуждающей катушки ВТП и чем больше абсолютная магнитная проницаемость материала объекта контроля. Форма кривых распределения вихревых токов повторяет форму витков обмотки возбуждения ВТП с учётом формы ОК. В результате действия вихревых токов в ОК изменяется результирующее магнитное поле.

Распределение плотности вихревых токов в проводящем ОК определяется источником электромагнитного поля, геометрическими и электромагнитными параметрами ОК, а также взаимным расположением ВТП и ОК.

2.3 Принцип действия неразрушающего контроля

В качестве источника электромагнитного поля чаще всего используется индуктивная катушка с синусоидальным током, называемая вихретоковым преобразователем. При наличии вблизи ОК такой катушки, являющейся генератором (рисунок 1), в результате действия вихревых токов в ОК, изменяются активное R, индуктивное XL и, следовательно, комплексное сопротивление Z индуктивной катушки. Вихревые токи вносят изменения в электрические параметры катушки и соответствующие изменения этих величин принято обозначать так Rвн вносимое в катушку активное сопротивление, обусловленное потерями энергии за счет нагрева ОК вихревыми токами; XL - вносимое индуктивное сопротивление, обусловленное изменением потокосцепления катушки (и, как следствие, изменением ее индуктивности L), Z - соответствующее изменение полного сопротивления (импеданса) катушки.

Рисунок 1 1 принцип устройства вихретокового контроля; 2 график распределения плотности вихревых токов

По графику распределения плотности вихревых токов в ОК видно, что максимального значения плотности вихревых токов в ОК достигает под витками возбуждающей обмотки ВТП. Под центром возбуждающей обмотки ВТП вихревые токи отсутствуют, а следовательно, обнаружить дефект в этом месте ОК не предоставляется возможным.Вихревые токи вызывают выделение тепла, которое называют потерями энергии на вихревые токи. Эти потери определяют вносимое активное сопротивление ВТП, которое может быть одним из информативных параметров ВТП при контроле изделий.

3. Физические основы вихретокового контроля

При вихретоковом неразрушающем контроле электромагнитное поле создается переменным током в возбуждающей катушке ВТП. Чаще всего используется синусоидальный переменный ток. Рассмотрим его основные параметры.

Значения переменного тока в любой момент времени называют мгновенными значениями (формула1):

, (1)

где - мгновенное значение тока; - амплитуда тока; - угловая частота колебаний; - начальная фаза; - время.

На практике применения переменных токов широко пользуются следующие понятия:

1) Амплитудное значение тока (напряжения и т.п.) характеризует максимальный размах колебаний тока относительно положения равновесия.

2) Действующее значение тока (напряжения и т.п.) - среднее квадратическое значение переменной электрической величины.

Для синусоидального тока действующее и амплитудное значения связаны соотношением (формула 2):

Для действующих значений синусоидальных напряжения и электродвижущей силы (ЭДС) справедливы аналогичные соотношения.

Электроизмерительные приборы для измерения переменных электрических величин чаще всего градуируются в их действующих значениях.

Второе уравнение Максвела представляет собой закон электромагнитной индукции.

Изменяющееся магнитное поле возбуждает электрическое поле, определяемое уравнением (формула 3):

, (3)

где - возбуждаемое электрическое поле; - изменяющееся магнитное поле; - приращение времени.

Физический смысл уравнений электромагнитного поля заключается в том, что электрическое и магнитное поля существуют только совместно.

Переменное магнитно поле в соответствии с законом электромагнитной индукции индуцирует в катушке ЭДС самоиндукции , значение, которого определяется скоростью изменения потокосцепления Ф витков катушки с магнитным полем (формула 4).

, (4)

4. Средства вихретокового неразрушающего контроля

Вихретоковый преобразователь-устройство, состоящее из одной или нескольких индуктивных обмоток, предназначенных для возбуждения в объекте контроля вихревых токов и преобразования зависящего от параметров объекта электромагнитного поля в сигнал преобразователя, электромагнитное поле вихревых ЭДС воздействует на катушки преобразователя, наводя в них ЭДС(трансформаторные преобразователи) или изменяя их полное электрическое сопротивление (параметрические) ,регистрируя напряжение на зажимах катушки или их сопротивление, получают информацию о свойствах объекта и о положении преобразователя относительно него.

4.1 Классификация вихретоковых преобразователей

Существует и разработано большое количество типов и разновидностей ВТП ( схема 1). Для более правильного их использования целесообразно знать их классификацию. Прежде всего, по типу преобразования параметров ОК в выходной сигнал ВТП подразделяются на параметрические и трансформаторные. По рабочему положению относительно объекта контроля делят на накладные, проходные и комбинированные. В зависимости от способа соединения обмоток подразделяют на абсолютные и дифференциальные.

В трансформаторных ВТП, имеющих как минимум две обмотки (возбуждающую и измерительную), параметры объекта контроля преобразуются в напряжение измерительной обмотки.

В параметрических ВТП, имеющих, как правило, одну обмотку, - в комплексное сопротивление. Преимущество параметрических ВТП заключается в их простоте, а недостаток, который в трансформаторных ВТП выражен значительно слабее, - в зависимости выходного сигнала от температуры преобразователя.

4.1.1 По виду преобразования параметров объекта в выходной сигнал

Параметрический ВТП представляет собой катушку индуктивности. В отверстие катушки для усиления магнитного поля может быть вставлен ферритовый сердечник (рисунок 2).

а - катушка без сердечника, б- с сердечником.

Рисунок 2 Конструкция параметрического ВТП

Переменный электрический ток I в катушке создает магнитный поток преобразователя (рисунок №3), который при отсутствии контролируемой детали зависит от частоты электрического тока, геометрических размеров и формы катушки, а также относительной магнитной проницаемости µ среды внутри катушки. В катушке без сердечника (в воздухе) µ=1. Внутри катушки с сердечником µ>>1 и магнитный поток больше, чем без сердечника.

- магнитный поток ВТП; I - ток в катушке возбуждения.

Рисунок 3 Параметрический ВТП

При установке параметрического ВТП на деталь под катушкой в металле возбуждаются вихревые токи (рисунок 4), которые создают собственный магнитный поток , взаимодействующий с магнитным потоком катушки преобразователя .

Д - деталь; - магнитный поток ВТП; - магнитный поток вихревых токов; - вихревой ток.

Рисунок 4 Взаимодействие параметрического ВТП с деталью при отсутствии трещины

Полное электрическое сопротивление катушки:

, (5)

где - полное электрическое сопротивление катушки; - активное сопротивление катушки; - индуктивное сопротивление катушки.

При наличии в металле дефекта в виде трещины изменяются траектории и значения вихревых токов (рисунок ) и, соответственно, магнитный поток .

Д - деталь; - магнитный поток ВТП; - магнитный поток вихревых токов; - вихревой ток; Т - трещина.

Рисунок 5 Взаимодействие параметрического ВТП с деталью при наличии трещины

Результирующий магнитный поток и полное электрическое сопротивление Z катушки зависят от формы и размеров дефекта и электромагнитных свойств металла контролируемой детали. Анализ изменения полного электрического сопротивления катушки позволяет выявить наличие дефекта.

Трансформаторный ВТП имеет не менее двух катушек, одна из которых (возбуждающая) служит для создания электромагнитного поля и вихревых токов в детали, а другая (измерительная) - для измерения ЭДС, наводимой в ней результирующим магнитным потоком (рисунок 6).

Рисунок 6 Конструкция трансформаторных ВТП с двумя измерительными катушками с сердечниками (а) и с одной измерительной катушкой без сердечника (б)

На обмотку возбуждающей катушки подается переменный ток I, создающий переменный магнитный поток, в результате чего в обмотках измерительных катушек индуцируется ЭДС и . Обмотки измерительных катушек включены последовательно встречно, при этом сигнал разбаланса представлен в формуле 6.

, (6)

где - ЭДС первой обмотки; - ЭДС второй обмотки.

При положении преобразователя в воздухе вдали от металла детали (рисунок 7) сигнал разбаланса (преобразователь сбалансирован).

С - сердечник; ОВ - обмотка возбуждения; и - измерительные обмотки; I - ток в обмотке возбуждения; и - ЭДС верхней и нижней обмоток; - сигнал разбаланса; - напряжение на обмотке возбуждения.

Рисунок 7 Трансформаторный ВТП без контролируемой детали (а) и временные диаграммы напряжения на обмотке возбуждения и сигнала разбаланса (б)

При расположении преобразователя над бездефектным участком детали (рисунок № 8) в поверхностном слое металла возбуждаются вихревые токи, которые создают собственное магнитное поле, воздействующее на нижнюю измерительную обмотку. При этом на выходе преобразователя возникает сигнал разбаланса ,амплитуда и сдвиг фазы которого относительно напряжения возбуждения зависят от электромагнитных свойств металла.

Д - деталь; I - ток в обмотке возбуждения; - вихревой ток; - магнитный поток ВТП; - магнитный поток вихревых токов; и -ЭДС верхней и нижней обмоток; - сигнал разбаланса; - напряжение на обмотке возбуждения; - сдвиг фазы.

Рисунок 8 Взаимодействие трансформаторного ВТП с деталью без дефекта (а) и временные диаграммы напряжения на обмотке возбуждения и сигнала разбаланса (б)

Д - деталь; I - ток в обмотке возбуждения; - вихревой ток; - магнитный поток ВТП; - магнитный поток вихревых токов; и -ЭДС верхней и нижней обмоток; - сигнал разбаланса; - напряжение на обмотке возбуждения; - сдвиг фазы; Т - трещина.

Рисунок 9 Взаимодействие трансформаторного ВТП с деталью при наличии трещины (а) и временные диаграммы напряжения на обмотке возбуждения и сигнала разбаланса (б)

При расположении преобразователя над трещиной в металле детали (рисунок 9) изменяется амплитуда и сдвиг фазы сигнала разбаланса относительно напряжения возбуждения . Изменение электромагнитных свойств металла также влияет на амплитуду и фазу сигнала разбаланса. При этом возможны ложные срабатывания индикаторов дефектоскопа, для исключения которых обычно предусматривается автоматическая настройка.

4.1.2 По рабочему положению

В зависимости от расположения ВТП по отношению к детали их делят на накладные и проходные.

Накладные ВТП располагают вблизи поверхности детали, они имеют одну или несколько измерительных обмоток (рисунок 10). Накладными ВТП

контролируют в основном объекты с плоскими поверхностями и объекты сложной формы. Они применяются также в тех случаях, когда требуется обеспечить локальность и высокую чувствительность контроля.

Оси накладных ВТП располагают перпендикулярно к поверхности детали, то есть их прикладывают торцом к детали. Однако возможно продольное расположение накладного ВТП, когда оси измерительных катушек направлены вдоль поверхности детали - продольные накладные ВТП. Продольные накладные ВТП (рисунок 10, в) обычно применяют для контроля расслоений детали с покрытиями или других многослойных изделий.

Накладные ВТП могут быть экранными (рисунок10, г), когда возбуждающие и измерительные катушки располагаются по разные стороны детали. Экранные накладные ВТП применяют при контроле листов, пластин, лент, и других объектов, к которым возможен двухсторонний доступ.

Катушки накладных ВТП могут быть круглыми коаксиальными, прямоугольными, прямоугольными крестообразными, с взаимно перпендикулярными осями и др. Накладные ВТП выполняются с ферромагнитными сердечниками и без них. Благодаря ферромагнитному сердечнику (обычно ферритовому) повышается чувствительность к изменению контролируемых параметров и формируется электромагнитное поле заданной топологии. Очень часто сердечники используют для локализации магнитного поля с целью уменьшения зоны контроля.

1 - деталь; 2 - обмотка возбуждения; 3 - измерительная обмотка

Рисунок 10 Накладные трансформаторные (а, б, в, г) и параметрический (д) ВТП

Проходные ВТП делят на наружные, внутренние, погружные. Отличительная особенность проходных ВТП в том, что в процессе контроля они проходят либо снаружи объекта, охватывая его, либо внутри объекта, либо погружаются в жидкий объект. Обычно проходные ВТП имеют однородное магнитное поле в зоне контроля, в результате чего радиальные смещения однородного объекта контроля не влияют на выходной сигнал преобразователя. Для этого длина L возбуждающей обмотки должна не менее чем в 34 раза превышать ее диаметр D, а длина Ly измерительной обмотки, размещенной в середине возбуждающей обмотки, должна быть значительно меньше длины последней.

Накладными ВТП контролируют в основном объекты с плоскими поверхностями и объекты сложной формы. Эти преобразователи применяют также, когда требуется обеспечить локальность и высокую чувствительность контроля. Наружными проходными ВТП контролируют линейно-протяженные объекты (проволоку, прутки, трубы и т.д.); применяют их и при массовом контроле мелких изделий. Внутренними проходными ВТП контролируют внутренние поверхности труб, а также стенки отверстий в различных деталях.

Комбинированные преобразователи представляют собой комбинацию накладных и проходных ВТП.

4.1.3 В зависимости от способа соединения обмоток

По способу соединения катушек( обмоток) ВТП делят на абсолютные и дифференциальные. Выходной сигнал абсолютного ВТП определяется абсолютным значением параметров объекта, а дифференциального приращениями этих параметров.

4.2 Конструкция вихретоковых преобразователей

Конструкция ВТП определяется их назначением, условиями применения, диапазоном частот тока возбуждения и другими факторами. При этом размеры катушек ВТП колеблются от нескольких миллиметров до 300- 500 мм в диаметре, а масса ВТП - от десятков граммов до сотен килограммов.

Конструкция ВТП обычно содержит следующие составные части: одну или несколько катушек; корпус для размещения в нем катушек и других узлов приборов; средства стабилизации положения катушек относительно ОК в процессе контроля; средства для размещения ВТП в заданном положении относительно ОК; соединительные разъемы и кабели.

Основные требования, предъявляемые к конструкции ВТП, - прочность, износоустойчивость, защищенность от внешних воздействий, возможность доступа к зоне контроля, удобство эксплуатации и соответствие требованиям технической эстетики, надёжность. Успешное решение этих задач во многом определяет эффективность прибора.

4.3 Приборы вихретокового неразрушающего контроля

Дефектоскопы - наиболее распространенный вид вихретоковых приборов неразрушающего контроля, они предназначены для обнаружения несплошностей в объектах из электропроводящих материалов.

Толщинометры - это приборы для измерения толщины объекта контроля и покрытий на них.

Вихретоковые универсальные приборы решают задачи дефектоскопии, толщинометрии и структуроскопии в широком диапазоне как размеров и форм изделий, так и марок сталей и сплавов. Для этого они выполняются с широкими возможностями измерительных каналов, набором ВТП различных конструкций. Универсальность достигается благодаря выпуску электронного блока с широкими измерительными возможностями по частотному диапазону, коэффициенту усиления, набору способов обработки сигналов,набору полосовых низкочастотных фильтров, применению встроенных микропроцессоров с высоким техническими характеристиками, жидкокристаллических дисплеев, набором возможностей представления информации на экранах.

5. Область применения вихретокового контроля

Вихретокового контроля -- контроль качества электропроводящих объектов: металлов, сплавов, графита, полупроводников и т.д. Вихретоковый контроль зарекомендовал себя на практике как безопасный и надежный метод, приемлемый для производств, где предъявляются высокие требования к качеству контроля состояния оборудования в рамках жестких ограничений норм и условий.

Как в России, так и за рубежом, в технологических процессах химических, нефтехимических, фармацевтических и других предприятий широко применяются теплообменные аппараты с большим количеством труб в трубных пучках. В настоящее время контроль состояния трубных пучков, как правило, производится путем гидравлических испытаний. Другой способ заключается в тестировании труб с наружной стороны с помощью портативных ультразвуковых дефектоскопов. В обоих случаях процедура тестирования требует значительного времени и обычно не дает полной и достоверной картины состояния труб.

Эффективное решение этой проблемы -- использование вихретокового метода с использованием датчиков, движущихся внутри трубы. Так в ядерной промышленности достаточно давно применяют вихретоковый способ контроля с внутренним перемещающимся датчиком. При контроле теплообменных аппаратов датчик вводится в трубу с помощью толкателя, позволяющего развивать скорость до 8 м/с. В приборе возможна последовательная генерация различных частот. Контроль состояния труб на нескольких частотах значительно расширяет разрешающую способность и диапазон использования метода, обеспечивая возможность обнаружения самых разнообразных дефектов -- от поверхностных трещин до неоднородностей материала в более глубоких областях -- с высокой скоростью и надежностью.

Заключение

В настоящий момент вихретоковый метод неразрушающего контроля является одним из самых точных методов контроля и технической диагностики, толщинометрии, дефектоскопии, благодаря высококлассным приборам вихретокового контроля, основанных на вихретоковых преобразователях контроля, современный вихретоковый неразрушающий контроль позволяет диагностировать самые разные электропроводящие материалы, такие как металлы, сплавы, графит, полупроводники.

При помощи вихретокового метода обнаруживают несплошности, измеряют точные размеры, выявляют вибрации, определяют физико-механические характеристики и состояние объектов. На сегодняшний день данный метод контроля позволяет выполнять техническую диагностику.

К его преимуществам обычно относят, прежде всего, высокую чувствительность к микроскопическим дефектам, которые находятся на поверхности либо в непосредственной близости от исследуемого участка металлического объекта. Вихретоковый неразрушающий контроль эффективен даже в том случае, если между исследуемым объектом и преобразователем есть небольшой зазор (от нескольких долей миллиметра до нескольких миллиметров).

Вихретоковый метод неразрушающего контроля для многих привлекателен еще и сравнительно высокой скоростью проведения. Даже если объект имеет сложную геометрию, либо находится в труднодоступном месте, такой контроль вполне возможен и эффективен. Данный метод имеет широкий спектр возможностей, благодаря которым наша промышленность развивается, для того чтобы произвести качественный контроль нужен прибор, который оснащен всеми нужными функциями, быстрый, гарантирующий точность результата, основой которого являются вихретоковые преобразователи.

Список использованных источников

1. Неразрушающий контроль и диагностика: Справочник / В.В. Клюев, Ф.Р. Сосин - 3-е изд., испр. и доп. М.: Машиностроение, 2005. 656 с.

2. Электромагнитный контроль: учебное электронное текст. Издание / Костин В.Н. Екатеринбург, 2013. 286 с.

3. https://ru.wikipedia.org

4. Неразрушающий контроль: практ. пособие в 5 кн.: кн. 2 Акустические методы контроля / И.Н. Ермолов, Н.П. Алешин. М., высш. шк., 1991. 283 с.

5. ГОСТ 7.32-2001. Отчёт о научно-исследовательской работе. Структура и правила оформления. Э, ,Введ. 01.07.2002. М.: ИПК Издательство стандартов, 2001. 22 с.

6. ГОСТ Р 7.0.5-2008. Библиографическая ссылка. Общие требования и правила составления. Введ. 28.04.2008. М.: Федеральное государственное учреждение «Российская книжная палата» Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям. 2008. 22 с.

Размещено на Allbest.ru