МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЕГАЗОВЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Технологический институт
Кафедра физики, методов
контроля и диагностики
ТГНГУ
Т
ИЙ
ИЧЕСК
ЛОГ
НО
ЕХ
КА
ФЕ
ДР А
ИНС
ТИТ
УТ
Ф МД
ВИХРЕТОКОВЫЙ КОНТРОЛЬ
Методические указания для лабораторных занятий по дисциплине
«Электромагнитные и токовихревые методы контроля и диагностики»
для студентов, обучающихся по направлению 200100.62
«Приборостроение»
Составитель К.Р. Муратов к.т.н. доцент кафедры ФМД
Тюмень
ТюмГНГУ
2013
УДК 620.1
Вихретоковый контроль: метод. указ. для студентов, обучающихся по напр.
200100.62 «Приборостроение» / сост. К.Р. Муратов; Тюменский
государственный нефтегазовый университет.– Тюмень: Издательский центр
БИК ТюмГНГУ 2013.– 40 с.
Методические указания рассмотрены и рекомендованы к изданию
методическим семинаром кафедры физики, методов контроля и диагностики
«____» ____________ 2013 года, протокол № ____.
Зав. кафедрой ФМД,
профессор, доктор физ.-мат. наук _________________ В. Ф. Новиков
Методические указания к лабораторным занятиям по дисциплине
«Электромагнитные и токовихревые методы контроля и диагностики»
предназначены для студентов, обучающихся по направлению 200100.62
«Приборостроение», профиль специальных дисциплин «Приборы и методы
контроля качества и диагностики». Дисциплина изучается в одном семестре.
Приведены основные понятия и определения, ключевых тем дисциплины.
Представлена краткая теория. Даны методические указания к выполнению
лабораторных работ.
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ ........................................................................................................... 4
1. КРАТКАЯ ТЕОРИЯ ВИХРЕТОКОВОГО КОНТРОЛЯ ........................... 6
1.1. Магнитное поле обмотки вихретокового преобразователя ................... 6
1.2. Вихревое электрическое поле в окрестности преобразователя ............. 9
1.3. Вихревые электрические токи, возбуждаемые
вихревым электрическим полем ....................................................................... 13
1.4. Регистрация отклика вихревых токов и его отображение .................. 13
1.5. Влияние дефектов сплошности на вносимое напряжение ..................... 17
2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВИХРЕТОКОВОГО
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ....................................................................................... 19
Лабораторная работа М-1 ............................................................................... 23
Лабораторная работа М-2 ............................................................................... 24
Лабораторная работа М-3 ............................................................................... 24
Контрольные вопросы к лабораторным работам М-1, М-2, М-3. .............. 25
3. ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВИХРЕТОКОВОГО
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ....................................................................................... 26
Лабораторная работа Ф-1 ............................................................................... 26
Лабораторная работа Ф-2 ............................................................................... 28
Лабораторная работа Ф-3 ............................................................................... 29
Контрольные вопросы к лабораторным работам Ф-1, Ф-2, Ф-3. ............... 29
4. ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ ВИХРЕТОКОВОГО ПРИБОРА ......................... 30
Лабораторная работа П-1 ............................................................................... 31
Лабораторная работа П-2 ............................................................................... 33
Лабораторная работа П-3 ............................................................................... 34
Контрольные вопросы к лабораторным работам П-1, П-2, П-3. ................ 35
ПРИЛОЖЕНИЯ .................................................................................................. 36
Приложение 1. Термины и определения........................................................... 36
Приложение 2. Технологическая карта контроля ......................................... 37
Приложение 3. Форма заключения................................................................... 38
ПРЕДМЕТНО-ИМЕННОЙ УКАЗАТЕЛЬ ....................................................... 39
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.................................................................................. 40
3
ВВЕДЕНИЕ
Дисциплина «Электромагнитные и токовихревые методы контроля и
диагностики» относится к специальному циклу дисциплин направления
«Приборостроение» по профилю «Приборы и методы контроля качества и
диагностики». Выполнение лабораторного практикума по указанной
дисциплине составляет неотъемлемую часть её полноценного изучения и
освоения.
Целью настоящего учебного издания является приобретение навыков
работы с вихретоковыми приборами и понимания процессов сопровождающих
вихретоковый контроль.
Дисциплина «Электромагнитные и токовихревые методы контроля и
диагностики» преподаётся в шестом семестре. Это предполагает наличие
системных физических знаний, опыта и умений самостоятельного
формирования и представления результатов измерений, их анализа и
формулировки выводов. Поэтому в лабораторных заданиях не приводится
детальный порядок выполнения, а излагаются лишь цель работы, краткие
рекомендации к выполнению и ожидаемые результаты. Составление таблиц
результатов, необходимые вычисления и графики, а также самостоятельная
формулировка задач для решения поставленной цели, являются творческой
составляющей работы, что направлено на формирование компетенций:
 Способность использовать основные законы естественнонаучных дисциплин
в профессиональной деятельности, применять методы математического
анализа и моделирования, теоретического и экспериментального
исследования (ПК-1);
 Способность проводить исследования, обрабатывать и представлять
экспериментальные данные (ПК-4);
 Готовность проводить экспериментальные исследования по анализу и
оптимизации характеристик материалов, используемых в приборостроении
(ПК-16);
 Способность анализировать поставленные исследовательские задачи в
области приборостроения на основе подбора и изучения литературных,
патентных и других источников информации (ПК-22);
 Способность выполнять математическое моделирование процессов и
объектов на базе стандартных пакетов автоматизированного проектирования
и исследований (ПК-23);
 Готовность
составлять
описания
проводимых
исследований
и
разрабатываемых проектов, собирать данные для составления отчетов,
обзоров и другой технической документации (ПК-26);
 Способность выполнять наладку, настройку и опытную проверку отдельных
видов приборов и систем в лабораторных условиях и на объектах
приборостроительного профиля (ПК-27).
4
ВВЕДЕНИЕ
В первой главе представлена краткая теория вихретокового контроля, где
последовательно описаны основные процессы, законы и явления,
сопровождающие вихретоковый контроль.
Во второй главе представлены лабораторные работы по математическому
моделированию электромагнитного поля вихретокового преобразователя. В её
начале изложены основные этапы формирования модели в среде
математического моделирования ELCUT. Работы, предлагаемые во второй
главе, представляют последовательную логическую цепочку и направлены на
формирование теоретических представлений о происходящих процессах.
Третья глава является продолжением работ по математическому
моделированию. В ней представлены работы по изучению электромагнитного
поля вихретокового преобразователя на действующих лабораторных
установках для проверки результатов математического моделирования.
Работы, представленные в четвёртой главе, направлены на приобретение
навыков работы с вихретоковым прибором и оформлению результатов
контроля.
5
1. КРАТКАЯ ТЕОРИЯ ВИХРЕТОКОВОГО КОНТРОЛЯ
ГОСТ 24289 (Контроль неразрушающий вихретоковый. Термины и
определения) устанавливает следующее определение: вихретоковый контроль
(ВК) основан на анализе взаимодействия внешнего электромагнитного поля с
электромагнитным полем вихревых токов, наводимых в объекте контроля этим
полем. Это означает, что внешнее для объекта контроля электромагнитное поле
возбуждает в нём вихревые электрические токи. Они в свою очередь создают
своё электромагнитное поле. Анализируя взаимодействие этих полей можно
делать выводы о свойствах и состоянии объекта контроля.
В настоящей главе будет последовательно изложена цепочка физических
процессов и явлений [1], обусловливающих вихретоковый контроль.
1.1.
Магнитное поле обмотки вихретокового преобразователя
Обмотка вихретокового преобразователя представляет собой, как правило,
цилиндрическую катушку, которая размещается вблизи, вокруг или внутри
объекта контроля (Рис. 1). Электрический ток, пропускаемый через катушку,
возбуждает вокруг неё магнитное поле.
Рис. 1. Обмотка ВТП:
а – вблизи ОК; б – снаружи ОК; в – внутри ОК
6
КРАТКАЯ ТЕОРИЯ ВИХРЕТОКОВОГО КОНТРОЛЯ
Согласно закону Био-Савара-Лапласа напряжённость магнитного поля ⃗ ,
создаваемая элементом проводника обмотки ⃗ с током в точке с координатой
⃗относительно этого элемента, определяется уравнением:
⃗× ⃗
1
(1)
∙
∙ ,
4
Рассмотрим поле кольца с током как
элемента катушки (Рис. 3). В силу
симметрии кольца относительно оси
задание координаты точки О становится
избыточным, то есть достаточно задать
удалённость этой точки от оси кольца.
⃗=
Рис. 2. Иллюстрация к закону
Био-Савара-Лапласа
Рис. 3. Одиночный виток катушки
Радиус вектор ⃗ указывает положение точки О относительно элемента
проводника ⃗, напряжённость которой необходимо определить.
− ) + ⃗ ∙ (− ) + ⃗ ∙
⃗ = ⃗∙ (
=
=
=
(
∙
∙
− ) +
=> ⃗ =
=− ∙
= ∙
=>
+
=
(
+
Комбинируя выражения (1) и (2) получим
7
⃗ = ⃗∙
+ ⃗∙
∙
∙
+
(2)
)−2
∙
КРАТКАЯ ТЕОРИЯ ВИХРЕТОКОВОГО КОНТРОЛЯ
∙
⎧ ∙
(
⎪4
⎪
∙
⃗=
4
(
⎨
⎪
⎪ ∙
(
⎩4
Величина напряжённости
элементарных составляющих:
⎧
⎪
⎪
⎪
⃗=
⎨
⎪
⎪
⎪
⎩
=
=
=
4
4
4
∙
∙
+
+
∙
)−2
∙
∙
+
+
−
)−2
∙
(
/
∙
(3)
/
∙
)
/
+
+ )−2
∙
будет являться суммой (интегралом) её
∙
∙
(
+
+
∙
∙
(
+
(
∙
(
+
∙
∙
)−2
∙
∙
/
∙
+
)−2
−
∙
+
)−2
∙
/
(4)
)
∙
/
Можно показать, что составляющая
= 0, то есть вектор напряжённости
лежит в плоскости XOZ. Действительно, в силу симметрии объекта (кольца с
током) составляющая
≠ 0 означала бы нарушение этой симметрии. Таким
образом, магнитное поле также должно быть симметричным относительно оси
кольца (Рис. 4).
Рис. 4. Магнитное поле кругового витка с током
8
КРАТКАЯ ТЕОРИЯ ВИХРЕТОКОВОГО КОНТРОЛЯ
Интегралы для составляющих
и
в общем случае неберущиеся
аналитически, поэтому для их определения необходимо воспользоваться
численными расчётами в системах компьютерной математики (MathCad,
MathLab, Delfi и др.). На Рис. 5 представлен характер распределения
составляющих поля вдоль перпендикуляра к оси кольца с током.
Рис. 5. Распределение магнитного поля в осевом сечении витка с током.
1.2.
Вихревое электрическое поле в окрестности преобразователя
Для
определения
напряжённости
вихревого
поля ⃗ воспользуемся законом электромагнитной индукции
⃗∙ ⃗=−
⃗
∙ ⃗∙
,
электрического
(5)
где L – произвольный замкнутый контур, ⃗ - элемент этого контура, S –
площадь, ограниченная контуром L, ⃗ – единичный вектор нормали к элементу
⃗ - вектор индукции магнитного поля ( = 4 ∙ 10 площадки dS, ⃗ =
магнитная постоянная), t - время. (Рис. 6).
9
КРАТКАЯ ТЕОРИЯ ВИХРЕТОКОВОГО КОНТРОЛЯ
| ⃗| = 1
⃗ ∙ ⃗ = ⃗ ∙ | ⃗| ∙ cos( ) =
Рис. 6. Иллюстрация к уравнению 5
В силу симметрии задачи линии напряжённости вихревого электрического
поля ⃗ будут симметричны оси кольца (Рис. 6). В качестве контура L выберем
соосную кольцу окружность радиусом
и в качестве поверхности S
ограниченный ею круг. Тогда величина напряжённости E будет одинакова во
всех точках контура L и направлена по касательной к нему, а левая часть
уравнения (5) будет иметь вид:
⃗∙ ⃗=
(6)
∙2
Правая часть уравнения примет вид:
−
⃗
∙ ⃗∙
=−
∙
(7)
Тогда величина напряжённости вихревого электрического поля будет равна
=−
1
∙
2
(8)
В вихретоковом контроле используется, как правило, гармонически
меняющийся ток =
(здесь
- циклическая частота тока, = √−1 мнимая единица) и, пренебрегая нелинейностью ферромагнитных сердечников,
индукция поля также будет меняться по гармоническому закону
=
(
– амплитудная составляющая индукции вдоль оси Z). В результате
выражение (8) будет преобразовано в форму:
10
КРАТКАЯ ТЕОРИЯ ВИХРЕТОКОВОГО КОНТРОЛЯ
=−
∙
2
=
(9)
∙
2
Из выражения (9) следует, что напряжённость вихревого электрического
поля опаздывает по фазе от возбуждающего тока на , что демонстрирует
рисунок 7.
1,2
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
-0,2
0
-0,4
-0,6
-0,8
-1
-1,2
Возбуждающий ток
90
180
270
Напряженость вихревого электрического поля
360
450
540
630
720
810
900
Фаза,
990 градус
1080
Рис. 7. Характер временной зависимости возбуждающего тока и напряжённости
вихревого электрического поля в долях их амплитуд.
Интеграл ∫
∙
в уравнении (9) есть магнитный поток Ф сквозь
поверхность S при максимальном (амплитудном) значении тока. Поток
индукции магнитного поля можно рассматривать как алгебраическую сумму
силовых линий входящих в поверхность, следовательно, можно ожидать, что с
увеличением радиуса круга поток вначале будет расти, а затем на участках с
обратным направлением силовых линий убывать (Рис. 8).
Рис. 8. Распределение амплитуды напряжённости вихревого
электрического поля в осевом сечении
11
КРАТКАЯ ТЕОРИЯ ВИХРЕТОКОВОГО КОНТРОЛЯ
Поскольку рассматриваемый объект симметричен в качестве элемента dS
выберем тонкую ленту радиуса
и шириной
, в любой точке которой
составляющая индукции
одинакова (Рис. 9).
Рис. 9. Иллюстрация к уравнению (10).
Тогда интеграл в уравнении (9) примет вид:
∙
=
В результате напряжённость
определяться выражением
=
Здесь
=
∫
∙
∙
∙
∙
∙2
вихревого
∙
(10)
∙
электрического
=
поля
∙
будет
(11)
- амплитуда напряжённости электрического
поля. Обратим внимание, что амплитуда
пропорциональна частоте возбуждения .
12
напряжённости
E
прямо
КРАТКАЯ ТЕОРИЯ ВИХРЕТОКОВОГО КОНТРОЛЯ
1.3.
Вихревые электрические токи, возбуждаемые
вихревым электрическим полем
Плотность электрического тока ⃗ определяется согласно закону Ома (в
дифференциальной форме)
(12)
⃗ = ⃗,
где
– удельная электропроводность среды.
Таким образом, при наличии электропроводящего тела вблизи
возбуждающей катушки в нём возникнут вихревые токи, которые в свою
очередь тоже создают переменное магнитное поле и, следовательно, влияют
друг на друга. Это приводит к изменению фазы вихревых токов (относительно
фазы напряжённости ⃗ ) и их амплитуды до тех пор, пока система не придёт к
самосогласованному состоянию. Самосогласование вихревых токов происходит
достаточно быстро в течение нескольких периодов, и в дальнейшем будем
рассматривать установившуюся картину распределения вихревых токов и их
магнитного поля. С учётом сказанного плотность вихревых токов будет связана
с напряжённостью следующим соотношением
⃗,
(13)
⃗= ∙
где:
- приведённое значение проводимости среды,  - сдвиг фазы,
обусловленный взаимным действием вихревых токов.
1.4.
Регистрация отклика вихревых токов и его отображение
В катушке возбуждения (для параметрических датчиков) или в
несвязанной с ней другой катушке (для трансформаторных датчиков)
результирующим магнитным полем будет наводиться ЭДС индукции,
зависящая от исполнения ВТП, размеров, формы и свойств ОК. На регистрации
и анализе наводимой ЭДС основан вихретоковый метод контроля.
Итак, уточним в целом физическую цепочку основных процессов с
помощью блок-схемы (Рис. 10):
Переменный
электрический ток
катушки создает
переменное магнитное
поле
Переменное магнитное
поле создает вихревое
электрическое поле
Вихревое электрическое
поле в проводящем
материале создает
вихревой электрический
ток
Регистрация ЭДС
индукции вихревых токов
позволяет судить о
свойствах проводящего
материала и наличии
дефектов
Результирующее
магнитное поле
индуцирует ЭДС в
катушке
Вихревой ток создает свое
магнитное
поле, когерентное с полем
катушки
Рис. 10 Блок-схема физических процессов
13
КРАТКАЯ ТЕОРИЯ ВИХРЕТОКОВОГО КОНТРОЛЯ
В качестве информативных параметров, представляемых оператору,
используют амплитуду и фазу сигнала наведённого совокупным магнитным
полем. Составляющая сигнала (вносимая ЭДС вихретокового преобразователя),
обусловленная вихревыми токами имеет величину, как правило, не более 10 %
от «холостого» сигнала (начальной ЭДС вихретокового преобразователя нач ).
Поэтому в большинстве вихретоковых приборов используют процедуру
«обнуления», которая реализуется с помощью вычитания нач из общего
сигнала. Это может быть сделано либо с помощью специально генерируемого
дополнительного сигнала, противоположного «холостому», либо программно
при наличии вторичного прибора с высоким разрешением.
Выбор параметра для оценки свойств ОК обусловлен его исследуемым
свойством (проводимость, магнитная проницаемость, наличие неоднородностей
материала). Это в свою очередь обусловливает выбор типа прибора
(амплитудный или фазовый). В последующих лабораторных работах будет
применён вихретоковый прибор универсального типа с возможностью
отображения амплитуды и фазы сигнала, как по отдельности, так и совместно.
Совмещённое отображение амплитуды и фазы сигнала ВТП реализуется в
так называемой комплексной плоскости (Рис. 11).
а
б
Рис. 11. Комплексная плоскость:
а – общее отображение параметров в комплексной плоскости;
б – вектора вносимого напряжения при различных условиях.
Исходный возбуждающий ток является опорной величиной, относительно
которой определяют изменение фазы остальных величин. Поэтому на Рис. 11а
вектор силы тока I и напряжённости H лежат на действительной оси Re. Вектор
напряжённости вихревого электрического поля E, возбуждаемого током I,
направлен в отрицательном направлении мнимой оси Im. Это непосредственно
14
КРАТКАЯ ТЕОРИЯ ВИХРЕТОКОВОГО КОНТРОЛЯ
следует из уравнения (9). В силу самосогласования вихревых токов, которое
было учтено в уравнении (13), вектор плотности вихревых токов jвт смещён по
фазе на угол  относительно вектора E. Вихревые токи, аналогично
возбуждающему току, наводят в измерительной катушке ЭДС индукции внвт со
смещением по фазе на угол
2 . Регистрируемое прибором вносимое
напряжение вихревых токов uвнвт противоположно внвт, то есть uвнвт=-внвт. В
результате измеряемый сигнал расположен в четвёртой четверти комплексной
плоскости и смещён по фазе относительно тока возбуждения на величину .
При наличии у объекта контроля магнитных свойств вектор вносимого
напряжения может находиться как в первой, так и в четвёртой четверти. Это
обусловлено возникновением в измерительной обмотке дополнительной ЭДС
внм, связанной с намагниченностью ОК.
Необходимо отметить, что амплитуда напряжённости вихревого
электрического поля, амплитуда плотности вихревых токов и их фаза различны
для разных точек пространства. В приведённом выше описании речь идёт о
некоторых усреднённых (эффективных) значениях амплитуд и фазы.
На Рис. 11б представлены вариации вносимого напряжения при изменении
свойств ОК или условий, например электрической проводимости или частоты
возбуждения. Множество точек, на которые указывают вектора вносимого
напряжения при вариации каким либо из параметров называется годографом.
Различные вариации параметров ВТП дают множество различных решений
вносимого напряжения, однако существует способ их обобщения. Если
использовать в качестве информативного параметра относительное вносимое
вн
напряжение отн
вн = | нач| , то можно избавиться от эффекта масштабирования,
например, если изменить ток возбуждения или число витков возбуждающей
катушки, вносимое напряжение изменится аналогично начальной ЭДС.
Установлено также, что влияние частоты возбуждения, электропроводности ОК
и его эквивалентного радиуса (см. [3,4]) на относительное вносимое
напряжение имеет одинаковый характер. То есть, вариация одного из этих
параметров (при прочих равных условиях) даёт одинаковый характер
годографа отн
вн . Их влияние принято отражать обобщённым параметром
b =
.
Магнитная проницаемость ОК, относительный зазор накладного ВТП или
коэффициент заполнения проходного ВТП (см. [3,4]) имеют другой характер
воздействия. Таким образом, можно построить семейство обобщённых
годографов (Рис. 12) для каждого типа датчиков, что позволяет упростить
выбор ВТП и поиск оптимальных режимов работы вихретокового прибора.
15
КРАТКАЯ ТЕОРИЯ ВИХРЕТОКОВОГО КОНТРОЛЯ
Рис. 12. Годографы относительного вносимого напряжения
накладного преобразователя:
а – расположенного над проводящей ферромагнитной средой;
б – расположенного над проводящей немагнитной средой.
16
КРАТКАЯ ТЕОРИЯ ВИХРЕТОКОВОГО КОНТРОЛЯ
1.5.
Влияние дефектов сплошности на вносимое напряжение
Ранее (пункт 1.2.) было показано, что линии напряжённости вихревого
электрического поля, возбуждаемого круглой катушкой, представляют собой
окружности. Это поле в свою очередь возбуждает вихревой электрический ток,
линии которого имеют ту же форму окружностей в однородной проводящей
среде (Рис. 13а). Поскольку вихревое электрическое поле в основном
локализовано в окрестности радиуса близкого к радиусу возбуждающей
катушки (см. Рис. 8), можно выделить условный эффективный слой, по
которому преимущественно протекает вихревой ток (на Рис. 13а кольцо
ограниченное линиями тока).
При наличии в проводящей среде несплошностей, например поперечной
трещины (Рис. 13б), на границах этих дефектов происходит накопление
электрических зарядов. Это в свою очередь создаёт электрическое поле
зарядов, за счёт которого происходит «скольжение» электрического тока вдоль
дефектов.
Рис. 13. Характер линий напряжённости электрического поля и вихревых токов:
а – в отсутствии трещины; б – в присутствии трещины
Таким образом, границы дефектов являются участками накопления
электрического заряда и, следовательно, эти дефекты обладают некоторой
электроёмкостью. Например, схеме распределения линий электрического тока
вблизи
поперечной
трещины
можно
сопоставить
эквивалентную
электрическую схему (Рис. 14) где трещина представляет собой два
конденсатора ёмкостью С (и соответствующим ёмкостным сопротивлением
17
КРАТКАЯ ТЕОРИЯ ВИХРЕТОКОВОГО КОНТРОЛЯ
XC), соединённых двумя резисторами, сопротивление RT которых представляет
собой прилегающий к трещине слой проводящей среды. Элементы Zo
символизируют эффективный слой материала вдоль линий вихревого поля
(включает в себя активное сопротивление Ro и индуктивность Lo,
обусловленную взаимным влиянием вихревых токов). ЭДС индукции,
наводимая ВТП в материале представлена элементами .
Поскольку токи IТ, текущие вдоль
поверхности
трещины,
противоположны и близко расположены,
можно
пренебречь
их
«откликом» в измерительной катушке.
Локальность участков с токами IC также
позволяет пренебречь их влиянием.
Поэтому основной вклад во вносимое
напряжение будет оказывать ток IВТ,
решение для которого имеет вид:
−
(14)
.
ВТ =
+ ( − )
Здесь
Рис. 14. Эквивалентная
−
=
,
=
+ ∙ ∙
(15)
электрическая схема распределения
∙
токов вблизи трещины
Анализируя ранее полученные закономерности в совокупности с
уравнением (14) можно получить зависимость:
−
отн
(16)
=
∙
,
вн
+ ( − )
где: k – коэффициент учитывающий геометрию ВТП, магнитные свойства ОК
и, по сути, представляет собой комбинацию взаимных индуктивностей катушки
возбуждения, объекта контроля и измерительной катушки.
Коэффициент k является действительной величиной, поэтому фаза
относительного вносимого напряжения согласно (16) определяется
соотношением
.
(
)
Для случая отсутствия дефекта, то есть
= 0 уравнение (16) примет вид:
∙
отн
(17)
.
вн =
Необходимо понимать, что приведённая модель влияния трещины и
свойств ОК является предельно упрощённой и не может в полной мере
отражать действительность и даёт возможность лишь сделать осторожную
оценку направления изменений амплитуды и фазы вносимого напряжения.
18
2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВИХРЕТОКОВОГО
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
В этой главе даётся описание лабораторных работ по моделированию
электромагнитного поля вихретоковых преобразователей в комплексе
программ инженерного моделирования Elcut [2]. Вложенный электронный
справочник программы содержит достаточно полную информацию о видах
решаемых задач, особенностях интерфейса и примеры, поэтому изложим
основные базовые этапы работы в данной среде.
1. Запустив программу Elcut выбрать создание новой задачи (Рис. 15). Далее
выбрать тип задачи «Магнитное поле переменных токов». Класс модели
«Осесимметричная». Указать частоту переменного поля, единицы измерения.
Нажать кнопку «Готово»
Рис. 15
2. В появившемся окне (Рис. 17)
левая часть представляет дерево
модели.
В
правой
части
необходимо с помощью линий
нарисовать геометрию модели.
Поскольку используемый класс
модели
«Осесимметричная»
необходимо
изобразить
одну
половину модели в осевом сечении
(Рис. 16, Рис. 17).
Рис. 16
19
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВИХРЕТОКОВОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
Радиальная ось r
Блок
«Объект
контроля»
Блок «Воздух»
Блок
«Катушка»
Дерево
модели
Ось
симметрии Z
Рис. 17
3. Далее необходимо выделить характерные области модели (метки) (Рис. 18) и
задать названия этих меток, которые затем появятся в дереве модели. Для
каждой
метки
задать
свойства
(магнитная
проницаемость,
электропроводность и источники поля).
Рис. 18
4. После создания сетки для численного расчёта модели (Рис. 19) получить
результаты расчёта (Рис. 20)
20
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВИХРЕТОКОВОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
Рис. 19
Рис. 20.
5. Получить интересующие численные значения с помощью вложенных средств
их извлечения (интегральный и локальный калькулятор, таблица значений
вдоль заданного контура или LabelMover). С помощью надстройки
LabelMover можно автоматизировать вариацию исходных значений и
получения искомых величин.
6. В программе не предусмотрено прямое извлечение величины напряжённости
вихревого электрического поля E. Для её получения рекомендуется
использовать закон Ома (12), то есть
=
где плотность тока
и проводимость
являются стандартными
извлекаемыми величинами. Однако в областях типа «Воздух» проводимость
равна нулю, что обусловливает нулевую плотность вихревого тока. То есть
= 0/0 – неопределённость! Для устранения этой проблемы рекомендуется
задать проводимость порядка 1 См/м или меньше. Возникающие при этом
вихревые токи с малой плотностью слабо влияют на общую картину
электромагнитного поля и позволяют вычислить напряжённость . Для
оценки влияния малой проводимости необходимо сравнить картину
распределения магнитного поля со случаем с нулевыми значениями
проводимости.
21
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВИХРЕТОКОВОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
В лабораторных работах по математическому моделированию поля ВТП
рассматриваются три типа ВТП по расположению их относительно ОК
(Рис. 21): накладной, проходной наружный и проходной внутренний.
Производится вариация свойств и размеров ОК. В таблице 1 представлены
исходные данные для выполнения лабораторных работ.
а
б
в
Рис. 21. Схемы расположения катушек ВТП
относительно объекта контроля:
а – накладной ВТП; б – проходной наружный ВТП;
в – проходной внутренний ВТП
Таблица 1
Варианты заданий по моделированию поля ВТП
Радиус
а) 0,9R
б) 0,75R
в) 0,5R
Внеш. и внутр.
радиусы
а) 5R, 1,1R
б) 1,25R, 1,1R
в) 1,25R, 1,2R
,
106
См/м
Радиус
катушки 2 r2,
мм
Толщина
а) =R
б) = L
в) 50 мм
μ
Измерительные катушки
Радиус
катушки 1 r1,
мм
Форма ОК
20 1) 1
40
60 2) 100
100
150 3) 500
20
40
60
100
150
Пластина
10
20
30
40
50
10
20
30
40
50
Характерный
размер, мм
Сплошной
цилиндр
Длина L, мм
5
10
15
20
25
Объект контроля
Труба
Радиус R, мм
μ сердечника
(магнитопровода)
Тип ВТП
Накладной
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
1
2
3
4
5
Проходной
наружный
1
2
3
4
5
Проходной
внутренний
№ варианта
Возбуждающая
катушка
R
R
0,75 R
0,75 R
1,25R
1) 1
2) 5
2) 10 3) 10
3) 100 4) 15
R
R
22
Расположение
измерительных
катушек
Катушки
1
и
2
непосредственно
примыкают к торцам
возбуждающей по обе
стороны. 1 – со стороны
ОК,
2
–
с
противоположной.
1,9R
Катушка 1 примыкает к
торцу
возбуждающей.
Катушка
2
внутри
возбуждающей,
имеет
одинаковую с ней длину.
2,1R
Катушка 1 примыкает к
торцу
возбуждающей.
Катушка
2
снаружи
возбуждающей,
имеет
одинаковую с ней длину.
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВИХРЕТОКОВОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
Лабораторная работа М-1
Изучение распределения первичного вихревого электрического поля
вблизи цилиндрической катушки с переменным током.
Цель работы: Установить закономерности распределения напряжённости
вихревого электрического поля вблизи катушки с переменным
электрическим током.
1. В соответствии с вариантом работы необходимо построить модель
вихретокового преобразователя в среде ELCUT. Поскольку в настоящей работе
необходимо получить картину распределения первичного вихревого
электрического поля включать в модель объект контроля и вторичные катушки
необязательно. Однако для выполнения последующих лабораторных работ эти
элементы можно ввести в модель. Для исключения их влияния задать
магнитную проницаемость = 1 и электрическую проводимость ≅ 0 , что
эквивалентно их отсутствию.
Моделирование электромагнитного поля ВТП выполнить для низкой и
высокой частот , которые связаны уравнением
100 ∙ 15
=
=
= 300
1∙5
Здесь
,
,
,
– максимальные и минимальные значения
магнитной проницаемости и электропроводности ОК, соответственно.
Вариацию магнитной проницаемостью сердечника (магнитопровода) ВТП
можно выполнять автоматизировано с помощью надстройки LabelMover. В
процессе расчёта каждого из вариативных шагов задачи в папке, содержащей
файл решаемой задачи LabelMover, сохраняются результаты вычислений для
каждого шага в виде файлов с расширениями pbm, dhe, res.
2. В качестве альтернативного решения допускается выполнить вычисления
вихревого электрического поля другими средствами компьютерной математики
(MathCad и т.п.), используя уравнения 4-10.
3. Выполнить анализ полученных результатов вычислений. Представить и
описать зависимости, отражающие установленные закономерности. Объяснить
физику этих закономерностей.
Рекомендуется обратить внимание на фазу напряжённости вихревого
электрического поля
В качестве инструмента анализа рекомендуется использование
программных сред Microsoft Excel, MathCad и т.п.
4. Обосновано предложить форму сердечника (магнитопровода), которая
позволит сфокусировать магнитное поле ВТП.
5. Сделать общие выводы.
23
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВИХРЕТОКОВОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
Лабораторная работа М-2
Изучение распределения вихревого электрического поля и плотности
вихревых токов вблизи ВТП в присутствии объекта контроля
Цель работы: Установить закономерности распределения электромагнитного
поля ВТП в объёме объекта контроля.
1. В отличие от модели предыдущей лабораторной работы в данной модели
необходимо включить в расчёт объект контроля с указанными в своём варианте
свойствами ОК. Для ранее выбранных низкой и высокой частот провести
аналогичные вычисления.
2. При анализе результатов вычислений обратить внимание на влияние
электрической проводимости и магнитной проницаемости ОК на
пространственное распределение амплитуд и фаз напряжённости вихревого
электрического поля.
3. Выполнить
анализ
пространственного
распределения
вихревых
токов (их амплитуд и фаз). Рекомендуется сравнить полученные распределения
с известными закономерностями, описанными в учебниках и справочниках [3,4]
4. Выделить особо значимые результаты вычислений и обосновать их выбор.
5. Сравнить результаты, полученные для комбинаций (
,
,
) и
(
,
,
) при прочих равных условиях. Объяснить и сделать выводы.
Лабораторная работа М-3
Изучение зависимости вносимой ЭДС от параметров ОК.
Цель работы: Выявить закономерности влияния параметров ОК на вносимую
ЭДС.
1. В модели задачи Elcut необходимо включить в расчёт измерительные
катушки. Для этого достаточно в соответствующем блоке задать ненулевое
значение электропроводности. Электропроводность измерительных катушек
будет невысокой, поскольку предполагается, что измерительные катушки
подключаются к вольтметру с высоким внутренним сопротивлением. Поэтому
можно рекомендовать значение в 1 Сименс.
2. Поскольку в настоящей работе нет необходимости вычислять
напряжённость электрического поля, ранее введённые фиктивные ненулевые
значения неэлектропроводящих областей обнулить.
3. Для регистрации наводимых в измерительных катушках ЭДС индукции
необходимо использовать надстройку LabelMover. В качестве извлекаемых
значений принять активную и реактивную составляющие напряжения катушек.
4. Поскольку целью работы стоит изучение вносимой ЭДС, для её
определения провести вычисления начальной ЭДС (без ОК), что эквивалентно
24
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВИХРЕТОКОВОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
отсутствию электропроводности ОК ( = 0) и его магнитных свойств ( = 1).
Вычитая значение начальной ЭДС из расчётных значений напряжений катушек
будем иметь вносимую ЭДС.
5. Все составляющие (действительную и мнимую) вносимой ЭДС
представить в относительных величинах
( вносимая)
,
| начальная |
( вносимая)
,
| начальная |
|
начальная |
=
(
начальная )
+
(
начальная )
6. Вычисления выполнить для ранее выбранных высокой и низкой частот, а
также для частоты в 1 МГц.
7. По полученным результатам вычислений построить отдельный годограф
относительного вносимого ЭДС для каждой измерительной катушки. На
годографах стрелками отразить направления, связанные с изменением свойств
и размеров ОК, а также магнитной проницаемости сердечника
(магнитопровода).
8. Сделать вывод о характере влияния всех параметров на годограф сигнала
ВТП.
9. Обоснованно предложить изменения формы и размеров первичной и
вторичных катушек ВТП.
Контрольные вопросы к лабораторным работам М-1, М-2, М-3.
1. Объяснить характер влияния частоты на напряжённость вихревого
электрического поля, плотность вихревых токов и напряжение
измерительной катушки.
2. Чем обусловлено убывание плотности тока с глубиной?
3. Объяснить последовательность процессов, сопровождающих вихретоковый
контроль.
4. Что такое годограф сигнала ВТП?
5. Глубина проникновения вихревых токов. От чего зависит?
6. Для заданного преподавателем типа ВТП, свойств ОК и частоты
возбуждения оценить максимальную допустимую шероховатость
поверхности ОК.
7. Согласно предложенным преподавателем годографу и условиям контроля
(проводимость ОК, радиус катушки ВТП, характер дефектов) обоснованно
предложить рабочую частоту и способ выделения полезного сигнала.
25
3. ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВИХРЕТОКОВОГО
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
Работы Ф-1,2,3 направлены на экспериментальное закрепление знаний
физических процессов, сопровождающих вихретоковый контроль.
Лабораторная работа Ф-1
Регистрация напряжённости вихревого электрического поля вблизи
возбуждающей катушки.
Цель работы: Выявить
закономерности
распределения
электрического поля вблизи катушки ВТП.
вихревого
Постановка задачи
Лабораторная установка (Рис. 22) состоит из цилиндрической катушки 1, в
которую подаётся переменный ток. Соосно с ней расположен диск 2 для
регистрации напряжённости вихревого электрического поля. Диск может быть
расположен на разных высотах посредствам осевого стержня 3. Переключатель
4 позволяет подключать к измерительному прибору отдельные катушки
измерительного диска 2. Для изучения влияния вихревых токов в проводящей
среде соосно с катушкой устанавливаются диски 5 различной толщины и
электропроводности .
Измерительный диск представляет собой текстолитовую пластину, на
которой соосно расположены отдельные тонкие катушки разного диаметра.
Переменное магнитное поле катушки 1, как было описано в главе 1, возбуждает
вихревое электрическое поле, напряжённость которого определяется согласно
уравнению (8). Оно в свою очередь определяет регистрируемое прибором
напряжение U согласно уравнению
(18)
=2
,
где N – число витков катушки. Отсюда напряжённость E
=
∙
(19)
2
Для удобства число витков измерительных катушек и их радиус
подобраны из условия
. Таким образом, напряжённость
2 =
вихревого электрического поля
напряжению .
будет пропорциональна регистрируемому
26
ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВИХРЕТОКОВОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
Рис. 22 Лабораторная установка
Порядок выполнения работы
1. К разъёму возбуждающей катушки присоединить генератор переменного
тока и первый канал цифрового осциллографа. Второй канал осциллографа
присоединить к выходу измерительного диска.
2. Включить приборы и настроить: амплитуду и частоту генератора, пределы
измерений первого и второго каналов осциллографа. Частоту принять из
диапазона 100500 Гц.
3. Последовательно переключая измерительные катушки (переключателем 4)
и смещая измерительный диск провести регистрацию сигнала 1 и 2 каналов
осциллографа в цифровом формате.
4. Увеличить частоту возбуждения (в 5-10 раз) и повторить манипуляции по
пункту 3.
5. С помощью предложенной преподавателем программы провести обработку
результатов измерений. Её выходными значениями будут амплитуды
первичного и вторичного сигналов и их разность фаз.
6. Построить
зависимости
отражающие
распределение
величины
напряжённости вихревого электрического поля при различных частотах
возбуждения.
7. Сравнить полученные зависимости с модельными из предыдущих
лабораторных работ. Сделать выводы.
27
ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВИХРЕТОКОВОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
Лабораторная работа Ф-2
Изучение влияния свойств сплошных проводников на вносимое напряжение
Цель работы: Установить закономерности
вносимое напряжение.
влияния
параметров
ОК
на
Постановка задачи
В теоретическом введении (глава 1) описан механизм возникновения
вихревых токов и их влияния на ЭДС, наводимую в измерительной катушке
(или в катушке возбуждения). В работе Ф-2 необходимо установить степень
влияния ОК на напряжение в измерительной катушке, равное наводимой в
катушке ЭДС индукции, взятой со знаком минус.
Для решения поставленной задачи используется установка, описанная в
работе Ф-1 (Рис. 22). В качестве образцов имитирующих ОК используются
диски (позиция 5) различной проводимости, магнитной проницаемости и
толщины, которые устанавливаются соосно возбуждающей катушке.
Порядок выполнения работы
1. Аналогично пунктам 1 и 2 предыдущей работы подготовить к работе
лабораторную установку. При этом использовать те же частоты и
амплитуды возбуждения.
2. Установить измерительный диск вплотную к возбуждающей катушке. По
результатам предыдущей работы выбрать одну из измерительных катушек
(измерительного
диска)
на
которой
ожидается
наибольшая
чувствительность измерения. В дальнейшем измерения проводить только с
этой катушкой.
3. Последовательно устанавливая диски различной проводимости, магнитной
проницаемости и толщины провести измерения на частотах и амплитудах
возбуждения из предыдущей работы. Выполнить программную обработку
результатов измерения.
4. Используя значения напряжений предыдущей работы вычислить
относительные вносимые напряжения в каждом случае вариации
параметров (частота, проводимость, магнитная проницаемость и толщина
ОК).
5. Построить годографы относительного вносимого напряжения для
различных вариаций параметров. Провести анализ степени влияния
параметров ОК на характер годографов.
6. Для одного из модельных дисков рассчитать электрическое сопротивление
Ro эффективного кольцевого контура вдоль линий поля.
7. Используя экспериментальные данные, уравнения (15) и (17) оценить
величину индуктивности Lo контура вихревых токов.
28
ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВИХРЕТОКОВОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
Лабораторная работа Ф-3
Влияние дефектов сплошности
Цель работы: Установить закономерности влияния
сплошности в объекте контроля.
параметров
дефекта
Постановка задачи
В разделе 1.5. была показана модель влияния поперечной трещины на
вносимое напряжение. В настоящей работе предстоит экспериментально
показать это. Для этого в качестве объекта контроля, содержащего дефект,
используются рассечённые пополам металлические диски аналогичные по
диаметру, толщине и материалу, цельным дискам (Рис. 22, поз.5). Ожидается
изменение фазы и амплитуды вносимого напряжения по сравнению с
результатами работы Ф-2.
Порядок выполнения работы
1. На основании уравнения (16) и оценённых в работе Ф-2 значений Ro и Lo
спрогнозировать влияние трещины на относительное вносимое напряжение.
Величину RT принять равной (0,60,7)Ro, Ёмкость С вычислить по размерам
трещины как для плоского конденсатора.
2. Используя модельные диски с трещинами согласно методике описанной в
работе Ф-2 построить годографы относительного вносимого напряжения.
3. Выполнить сравнение с годографом, полученным в работе Ф-2. Сделать
вывод о характере влияния трещины на относительное вносимое
напряжение.
4. Сделать вывод о применимости конденсаторной модели трещины.
Контрольные вопросы к лабораторным работам Ф-1, Ф-2, Ф-3.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Объяснить
характер
распределения
величины
напряжённости
электрического поля вдоль радиуса.
Как влияет проводящая среда на распределение вихревого электрического
поля?
Оцените предельную толщину пластины, величину которой ещё можно
контролировать.
Будет ли зависеть глубина проникновения вихревых токов от диаметра
возбуждающей катушки и диаметра измерительной катушки?
Исходя из экспериментальных наблюдений и (или) теоретических расчётов
предложите оптимальное значение зазора между катушкой и объектом
контроля.
Схематично изобразить линии вихревого тока вокруг дефектов,
предложенных преподавателем.
29
4. ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ ВИХРЕТОКОВОГО ПРИБОРА
Работы П-1,2,3 направлены на освоение работы с вихретоковым прибором.
В
лабораторном
практикуме
используется универсальный вихретоковый
дефектоскоп с возможностью отображения
сигнала в комплексной плоскости (Рис. 23).
В
основу
работы
дефектоскопа
заложено
измерение
параметров
электромагнитного поля (амплитуды, фазы),
создаваемого
вихревыми
токами,
возбуждаемыми
преобразователем
дефектоскопа
в поверхностном слое
металлов,
обусловленных
изменением
однородности или проводимости материала.
Принятый сигнал усиливается, после чего
Рис. 23. Универсальный
преобразуется
в
цифровую
форму,
вихретоковый дефектоскоп
обрабатывается
микропроцессором
и
отображается на индикаторе в графическом
виде. Амплитуда, фаза или координаты конца вектора сигнала отображаются в
поле значений на индикаторе в цифровом виде. При калибровке дефектоскопа в
поле значений отображается значение измеряемого параметра (толщина
покрытия, глубина трещин, электропроводность или ферритная фаза). [6]
Для правильной настройки прибора, следовательно, получения корректных
результатов контроля необходимо знать устройство прибора и понимать
принципы его работы.
Принципиальная блок-схема дефектоскопа приведена на Рис. 24.
Управляемый микропроцессором генератор создаёт переменный ток в катушке
преобразователя.
Ответный
сигнал
преобразователя
обрабатывается
усилителем, величина усиления которого регулируется микропроцессором
посредствам цифро-аналогового преобразователя (ЦАП). Затем усиленный
информативный сигнал передаётся в квадратичный детектор, который
выделяет фазу и амплитуду сигнала. Далее аналого-цифровой
преобразователь (АЦП) полученную аналоговую информацию от
квадратичного детектора преобразует в цифровую форму и передаёт
микропроцессору. Взаимодействие прибора с оператором производится с
помощью клавиатуры, дисплея (ЖКИ), блока автоматической сигнализации
дефектов (АСД) и порта RS-232.
30
ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ ВИХРЕТОКОВОГО ПРИБОРА
Рис. 24 Блок-схема прибора
Описание работы прибора, его настройки представлены в руководстве
пользователя [5] и в настоящем учебном пособии не изложены. Во избежание
повреждения прибора и датчиков, неправильной настройки прибора
студент должен предварительно изучить руководство пользователя и
приступать к выполнению лабораторной работы только после получения
допуска преподавателя. Для получения допуска необходимо знать устройство
прибора, последовательность подключения ВТП, структуру меню настройки
прибора. Кроме того подключение ВТП к прибору и его настройку
необходимо выполнять в присутствии преподавателя!
Лабораторная работа П-1
Обнаружение поверхностных дефектов
Цель работы: Приобрести навыки обнаружения поверхностных дефектов
вихретоковым прибором.
Постановка задачи
Дефекты металлов имеют различную природу происхождения, форму,
габариты и ориентацию. Это в результате диктует как выбор ВТП для их
обнаружения, так и режимы возбуждения, регистрации и способ выделения
полезной информации. В лабораторной работе необходимо выявить скрытые
поверхностные дефекты в трёх предложенных преподавателем образцах. Виды
дефектов заранее оговорены, но не указаны. Для их обнаружения в наличии
имеются четыре типа ВТП: ПВР-1, ПВД-1, ПВД-1000 и ПВДТ-500.
Информация о преобразователях представлена в их паспортах.
31
ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ ВИХРЕТОКОВОГО ПРИБОРА
Нормативные документы и документы по оценке зависят от
принадлежности объекта контроля к тем или иным группам изделий по их
назначению и уровню опасности (ж/д транспорт, подъёмники, турбины и т.д.).
Информация об объекте контроля, его материале и соответствующие
документы предоставляются преподавателем.
Порядок выполнения работы
1. Согласно паспорту предоставленного для выполнения работы ВТП выбрать
три рабочие частоты, шаг сканирования.
2. Для предоставленных объектов контроля выполнить эскиз с указанием
отдельных зон контроля и схемой сканирования в каждой из них. Примеры
и рекомендации по выполнению схем контроля представлены в РД 13-032006 [7].
3. Согласно руководству пользователя [5] настроить порог чувствительности
прибора по образцу СО-1. Кроме того настроить прибор на измерение
глубины дефекта. Настроить сигнализацию прибора на наличие дефекта и
увеличение зазора (зоны сектор и коробка). Для удобства разделения
сигналов дефекта и зазора можно изменить фазу сигнала.
4. Обратить внимание на влияние ориентации преобразователя на выходной
сигнал: угловое отклонение от вертикали, влияние зазора, а для ПВДТ-500
угловое положение относительно его оси.
5. Выполнить поиск дефектов, результаты занести в технологическую карту
(Приложение 2). Технологическую карту составить для каждого образца и
настройки ВТП. Записать во внутреннюю память прибора и распечатать
годографы, полученные на дефектах.
6. Для каждого образца дать заключение (Приложение 3) о выявленных
дефектах.
7. Дать общие рекомендации об оптимальных режимах работы
преобразователя.
Сделать
оценку
возможности
использования
амплитудного или фазового дефектоскопов.
32
ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ ВИХРЕТОКОВОГО ПРИБОРА
Лабораторная работа П-2
Толщинометрия диэлектрических покрытий
Цель работы: Приобрести навыки толщинометрии.
Постановка задачи
Покрытия изделий предназначены для выполнения, как правило, защитных
функций. Одним из регламентируемых параметров качества покрытий является
толщина. В настоящей работе необходимо выполнить измерение толщины
диэлектрических покрытий на металлической основе.
Диэлектрический слой для вихретокового преобразователя является
зазором между ним и металлическим основанием. В теоретическом введении
было указано, что характер влияния зазора на сигнал ВТП отличается от
характера влияния частоты возбуждения, проводимости и магнитной
проницаемости ОК. Это открывает возможность выделения полезного сигнала
(от зазора) на фоне возможных флуктуаций проводимости и магнитных свойств
ОК [3, 4].
Порядок выполнения работы
1.
2.
3.
4.
5.
6.
На основании информации об имеющихся преобразователях и
предоставленному преподавателем объекту контроля обоснованно выбрать
тип ВТП подходящий для контроля толщины покрытия.
Сделать эскиз с указанием отдельных зон контроля и схемой сканирования
в каждой из них.
Выбрать режимы работы ВТП. Выполнить настройку на стандартном
образце.
Провести сканирование согласно разработанной схеме контроля.
Результаты занести в технологическую карту контроля.
При обнаружении дефектов сплошности основания выполнить отдельную
настройку прибора для оценки их размеров и выполнить сканирование.
Занести результаты в технологическую карту.
Дать заключение.
33
ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ ВИХРЕТОКОВОГО ПРИБОРА
Лабораторная работа П-3
Определение проводимости немагнитных металлов
вихретоковым методом
Цель работы: Определить
образца.
величину
электропроводности
металлического
Постановка задачи
Проводимость металлов определяется их химическим составом и
структурным состоянием, что обусловливает возможность косвенной оценки
этих свойств. В теоретическом введении было показано влияние обобщённого
параметра b =
на относительное вносимое напряжение отн
вн , что
графически отображено на Рис. 12. Частота преобразователя и радиус его
возбуждающей катушки являются детерминированными величинами.
Следовательно, изменение сигнала при постоянном зазоре ВТП и отсутствии
дефектов будет зависеть только от проводимости ОК.
В работе необходимо определить проводимость немагнитных образцов с
помощью образцов с известной проводимостью.
Порядок выполнения работы
1. На основании предварительных данных об образцах выполнить анализ
способа определения проводимости (по фазе, амплитуде и т.д.) и выбрать
преобразователь и диапазон рабочих частот. Результаты анализа
представить в отчёте.
2. Выполнить настройку прибора с выбранным преобразователем. Получить
значения сигналов прибора по эталонным и контролируемым образцам на
выбранных частотах (не менее 2-х). Обнуление (балансировку) сигнала
выполнять на воздухе.
3. Установить закономерности параметров сигнала и проводимости эталонных
образцов. В качестве параметров можно выбрать координаты X и Y,
амплитуду и фазу сигнала. По градуировочной зависимости определить
проводимость контролируемых образцов.
4. Оценить погрешность измерения проводимости. Выполнить анализ
режимов работы прибора (частота, усиление) с целью получения
наибольшей чувствительности и точности измерения. При необходимости
повторить измерения с другими настройками.
5. Показать какой метод выделения информативного сигнала будет наиболее
подходящим для контроля проводимости.
6. Результаты работы занести в технологическую карту. Дать заключение.
34
ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ ВИХРЕТОКОВОГО ПРИБОРА
Контрольные вопросы к лабораторным работам П-1, П-2, П-3.
1. Перечислить основные функциональные блоки прибора и их назначение.
2. Объяснить функциональное назначение элементов меню прибора. На блоксхеме (Рис. 24) указать какие блоки прибора при этом задействованы.
3. Для предложенного преподавателем преобразователя, объекта контроля и
его контролируемого свойства (состояния) выполнить настройку
дефектоскопа.
4. Перечислить методы выделения полезного сигнала. Объяснить их суть.
5. По предоставленному преподавателем годографу сигнала ВТП (или его
параметров) дать рекомендации способа контроля толщины, дефектов,
проводимости или магнитной проницаемости объекта контроля. Также
рекомендовать тип датчика и способ выделения информативного сигнала.
35
ПРИЛОЖЕНИЯ
Приложение 1. Термины и определения
Вихретоковый контроль (ВК) основан на анализе взаимодействия
внешнего электромагнитного поля с электромагнитным полем вихревых токов,
наводимых в объекте контроля этим полем.
Вихретоковый преобразователь (ВТП) – устройство, состоящее из одной
или нескольких индуктивных обмоток, предназначенных для возбуждения в
объекте контроля (ОК) вихревых токов и преобразования зависящего от
параметров объекта электромагнитного поля в сигнал преобразователя.
Начальная ЭДС вихретокового преобразователя – ЭДС на выводах
разомкнутой измерительной обмотки ВТП при отсутствии ОК.
Вносимая ЭДС вихретокового преобразователя – приращение ЭДС на
выводах разомкнутой измерительной обмотки ВТП, обусловленное внесением в
его электромагнитное поле ОК.
Относительная вносимая ЭДС вихретокового преобразователя –
отношение вносимой ЭДС вихретокового преобразователя к его начальной
ЭДС.
Вносимое напряжение вихретокового преобразователя или вносимое
напряжение – приращение напряжения на выходах измерительной обмотки
ВТП, обусловленное внесением в его электромагнитное поле ОК.
Вносимое сопротивление вихретокового преобразователя или вносимое
сопротивление – приращение сопротивления обмотки ВТП, обусловленное
внесением в его электромагнитное поле ОК.
Годограф вихретокового преобразователя – геометрическое место
концов вектора ЭДС или напряжений на комплексной плоскости
преобразователя, полученное в результате изменения частоты, удельной
электрической проводимости, относительной магнитной проницаемости,
размеров ОК, размеров преобразователя, других влияющих факторов или
образованных из них обобщенных переменных величин.
Контролируемый параметр при вихретоковом контроле – параметр
объекта, подлежащий контролю путем преобразования в сигнал ВТП.
Мешающий параметр вихретокового контроля – параметр объекта, не
подлежащий контролю, изменение которого оказывает влияние на результаты
контроля.
36
ПРИЛОЖЕНИЯ
Приложение 2. Технологическая карта контроля
37
ПРИЛОЖЕНИЯ
Приложение 3. Форма заключения
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЕГАЗОВЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Кафедра: «Физика, методы
контроля и диагностики»
ЗАКЛЮЧЕНИЕ № ____
по результатам вихретокового контроля
Ф.И.О. дефектоскописта
Объект контроля
№ объекта контроля
Используемое оборудование
Материал
Параметры контроля
Тип преобразователя
Диаметр преобразователя
Результаты контроля
Режимы
контроля
Номер эксперимента
1
2
3
4
5
Тип ВТП
Частота, кГц
Фаза, градус
Усиление, dB
Порог
чувствительности, мм
Количество обнар-х
дефектов
№ рисунка
годографа/диаграммы
Примечания
Заключение:
Контроль провёл:
Фамилия И.О.
Подпись
38
Дата
ПРЕДМЕТНО-ИМЕННОЙ УКАЗАТЕЛЬ
Elcut .................................................................................................................... 19
LabelMover ........................................................................................................ 21
Вихревые токи .................................................................................................. 13
Вихретоковый контроль .................................................................................. 36
Вихретоковый преобразователь ...................................................................... 36
Вносимая ЭДС вихретокового преобразователя........................................... 36
Годограф ............................................................................................................ 15
Закон Био-Савара-Лапласа ................................................................................ 7
Закон электромагнитной индукции .................................................................. 9
Комплексная плоскость ................................................................................... 14
Метка ................................................................................................................. 20
Напряжённость вихревого электрического поля ............................................ 9
Начальная ЭДС вихретокового преобразователя ......................................... 36
Относительная вносимая ЭДС вихретокового преобразователя ................ 36
Плотность электрического тока ...................................................................... 13
Самосогласование вихревых токов ................................................................ 13
Типы ВТП .......................................................................................................... 22
39
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Трофимова Т. И. Курс физики: учеб. пособие для вузов / Таисия Ивановна
Трофимова. — 11-е изд., стер. — М.: Издательский центр «Академия», 2006.
— 560 с.
2. ELCUT®: программа моделирования электромагнитных, тепловых и
механических задач [Электронный ресурс]. – ООО «Тор», 1989-2013. –
Режим доступа: http://www.elcut.ru/, свободный. – Загл. с экрана (11.10.2013)
3. Федосенко Ю.К., Шкатов П.Н., Ефимов А.Г. Вихретоковый контроль:
учёб.пособие / под. общ. ред. В.В. Клюева. М.: Издательский дом «Спектр»,
2011. 224 с.: ил. – (Диагностика безопасности)
4. Неразрушающий контроль: Справочник в 8 томах. Т.2 / Под ред. В.В.
Клюева. М.: Машиностроение, 2006
5. ВЕКТОР Руководство пользователя (11.10.2012) // Сайт «Кропус»: – ООО
«Научно-Производственный Центр «Кропус-ПО», [2013] – Режим доступа:
http://www.kropus.ru/books/manual/vd.php, свободный. – Загл. с экрана.
(11.10.2013)
6. ВЕКТОР Паспорт (09.10.2012) // Сайт «Кропус»: – ООО «НаучноПроизводственный Центр «Кропус-ПО», [2013] – Режим доступа:
http://www.kropus.ru/books/manual/vd.php, свободный. – Загл. с экрана.
(11.10.2013)
7. РД 13-03-2006 Методические рекомендации о порядке проведения
вихретокового контроля технических устройств и сооружений,
применяемых и эксплуатируемых на опасных производственных объектах
8. ГОСТ 24289-80. Контроль неразрушающий вихретоковый. Термины и
определения.
9. ГОСТ 8.283-78. Дефектоскопы электромагнитные. Методы и средства
поверки.
10. ГОСТ 8.362-79. Измерение толщины покрытий. Термины и определения.
11. ГОСТ 8.503-84. Толщиномеры покрытий. Методы и средства поверки.
12. ГОСТ 22238-76. Контроль неразрушающий. Меры образцовые для поверки
толщиномеров покрытий. Общие положения.
13. ГОСТ 27333-87. Контроль неразрушающий. Измерение удельной
электрической проводимости цветных металлов вихретоковым методом.
14. ГОСТ 26697-85. Контроль неразрушающий. Дефектоскопы магнитные и
вихретоковые. Общие технические требования.
15. ГОСТ 26737-85. Контроль неразрушающий. Толщиномеры покрытий
магнитные и вихретоковые. Общие технические требования.
40