/
Author: Герасимов В.Г. Покровский А.Д. Сухоруков В.В
Tags: физика электричество механика издательство высшая школа структурные схемы дефектоскопы
ISBN: 5-06-002039-8
Year: 1992
Text
НЕРАЗРУШАЮЩИИ
КОНТРОЛЬ
В. Г. Герасимов, А. Д. Покровский, В. В. Сухоруков
КНИГА 3 Электромагнитный
контроль
Под редакцией проф. В. В. Сухорукова
МОСКВА «ВЫСШАЯ ШКОЛА» S972
К 3W
S<fU4
Рекомендовано Государственным комитетом СССР
по народному образованию для использования
в учебном процессе студентами высших технических
учебных заведений
Неразрушающий контроль. В 5 кн. Кн. 3. Элект-
Н44 ромагнитный контроль: Практ. пособие/В. Г. Ге-
расимов. А. Д. Покровский, В. В. Сухоруков; Под
ред. В. В. Сухорукова. — М.: Высш, шк., 1992.—
312 с.: ил.
ISBN 5-06-002039-8
Книга посвящена электрическому, магнитному и вихретоковому
видам неразрушающего контроля. Рассмотрены физические основы,
методы и средства контроля, перспективы их развития. Показаны
структурные схемы, технические характеристики и применение элект-
рических, магнитных и вихретоковых дефектоскопов, толщиномеров
и приборов для контроля физическо-механнческих характеристик.
„ 2103000000-041 ВБК 32.87
001(01)—92 6Ф2.7
Учебное издание
НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ
В пяти книгах
Герасимов Виктор Григорьевич
Покровский Алексей Дмитриевич
Сухоруков Василий Васильевич
Книга 3. Электромагнитный контроль
Заведующий редакцией В. И. Трефилов. Редактор Е. В. Вязова. Младший ре-
дактор Д. В. Кауфман. Художник Ю. Д. Федичкин. Художественный редактор:
Т. М. Скворцова. Технический редактор Л. А. Муравьева. Корректор Г. И. Кост-
Йикова *4
Б № 9100 Л &
Изд. № ЭР-547, Сдано в набор 17.07.91. Подп. в печать 14.11.91. Формат 60Х
X88!/ie. Бум. офс. № 2. Гарнитура литературная. Печать офсетная. Объем
19,6 усл. печ. л. 19,6 усл. кр.-отт. 20,84 уч.-изд. л. Тираж 5000 экз. Зак. № 1332.
Цена 1 р. 50 к.
Издательство «Высшая школа», 101430. Москва. ГСП-4. Неглинная ул., д. 29/14.
Московская типография № 8 Министерства печати и массовой информации
РСФСР, 101898, Москва, Хохловский пер., 7.
ISBN 5-06-002039-8 © В- Г. Герасимов, А. Д. Покровский/
В. В. Сухоруков, 1992
ПРЕДИСЛОВИЕ
В третьей книге серии «Неразрушающий контроль» изложены
теоретические основы и показаны практические приложения элек-
тромагнитных методов и средств неразрушающего контроля (НК)
различных объектов.
В книге 1 «Общие вопросы. Контроль проникающими вещест-
вами» рассмотрены основные понятия и общие вопросы НК, а так-
же методы и средства контроля проникающими веществами. Кни-
га 2 «Акустический контроль» и книга 4 «Контроль излучениями»
посвящены акустическим (в основном ультразвуковым), оптиче-
ским, тепловым, радиоволновым и радиационным методам и сред-
ствам НК, а книга 5 «Интроскопия и автоматизация неразрушаю-
щего контроля»— методам и средствам визуального представления
внутренней структуры объектов (включая компьютерную томогра-
фию), а также методам повышения помехоустойчивости дефекто-
скопов и автоматизации НК.
Электромагнитный контроль, по мнению авторов, включает три
вида НК, указанных в ГОСТ 18353—79 «Контроль неразрушаю-
щий. Классификация видов и методов»: электрический, магнитный
и вихретоковый,— основанных на регистрации взаимодействия
электрических, магнитных и электромагнитных полей с объектами
контроля либо на измерении электрических и магнитных характе-
ристик объектов. Поэтому в физических принципах, да и в техни-
ческих реализациях перечисленных видов НК много общего. Отме-
тим, однако, что в ГОСТ 18353—79 отсутствует термин «электро-
магнитный контроль», а в литературе под этим термином порой
понимают либо только вихретоковый контроль, либо объединяют
магнитный и вихретоковый, с чем авторы не согласны. Строго го-
воря, взаимодействие электромагнитных полей с объектами лежит
в основе всех видов НК, кроме акустического и контроля прони-
кающими веществами.
В основу книги положены лекции, читавшиеся авторами в Мо-
сковском энергетическом институте с 1975 г. студентам специаль-
ностей «Инженерная электрофизика», «Физические методы и при-
боры неразрушающего контроля» и в настоящее время читаемые
студентам-физикам специальности «Физические методы и приборы
интроскопии». Книга отражает результаты научно-исследователь-
ских и опытно-конструкторских работ и более чем тридцатилетний
опыт коллектива кафедры электротехники и интроскопии МЭИ в
з
области электромагнитного НК. Использованы также отечествен-
ные и зарубежные публикации и материалы конференций, семи-
наров, освещены достижения ведущих зарубежных фирм и совет-
ских предприятий, выпускающих средства электромагнитного НК.
Авторы стремились к доступному изложению материала, соче-
таемому с необходимой строгостью, главное внимание уделено фи-
зике происходящих при контроле процессов. Рассмотрение особен-
ностей конкретных приборов и устройств, областей их рациональ-
ного применения, а также методик контроля конкретных объектов
придает практическую направленность предлагаемой книге. Темпы
развития приборостроения таковы, что новейшие данные о прибо-
рах НК, включенные в книгу, довольно быстро устаревают. По-
этому значительное внимание уделено основным, наиболее распро-
страненным типам приборов.
В гл. 1 рассмотрены общие вопросы теории электромагнитного
поля, его взаимодействия с изоляционными и электропроводящими
объектами. В гл. 2 изложены сведения об электрическом, в гл. 3 —
о магнитном, в гл. 4 — о вихретоковом НК.
Книга может быть использована как учебное пособие студен-
тами вузов. В конце каждого параграфа читателю предлагаются
задачи различной степени сложности с решениями либо вопросы.
Это способствует активному усвоению изложенного материала.
Авторы благодарны коллективу кафедры электротехники Мо-
сковского института приборостроения, возглавляемому проф.
В. Е. Шатерниковым, а также д-ру техн, наук Ю. К. Федосенко за
труд по рецензированию рукописи книги. Появление этой книги
было бы невозможно без постоянной помощи коллектива кафедры
электротехники и интроскопии МЭИ, сотрудникам которой авторы
выражают глубокую признательность. Большую помощь в подго-
товке рукописи к печати оказала Е. Н. Рябцева.
Предисловие, введение, гл. 2, § 4.7—4.9 и заключение написаны
проф. В. В. Сухоруковым; гл. 1, 3, § 4.10 — проф. А. Д. Покров-
ским; § 4.1—4.6 — проф. В. Г. Герасимовым.
Отзывы и пожелания о книге просим направлять по адресу:
101430, Москва, Неглинная ул., 29/14, издательство «Высшая шко-
ла».
Авторы
ВВЕДЕНИЕ
Общие вопросы классификации видов и методов НК, определе-
ние основных понятий, эффективность применения различных видов
НК рассмотрены в кн. 1 данной серии. Электромагнитные поля,
используемые в электрическом, магнитном и вихретоковом НК,
имеют частоту 0... 100 МГц. Для реализации электромагнитного
НК необходимы источники физических полей и первичные преоб-
разователи (датчики). Эффективность НК зависит от правильного
выбора вида контроля, типа, конструкции и параметров источни-
ка поля и датчика. В качестве источников электрических полей ис-
пользуют металлические электроды в виде щупов, зажимов, об-
кладок конденсаторов и т. д., к которым приложено напряжение.
Источниками магнитных полей служат постоянные магниты, элек-
тромагниты, отдельные проводники с током, а также ток, созда-
ваемый в электропроводящем объекте контроля (ОК). Для созда-
ния переменных электромагнитных полей используют катушки с
переменным током.
Датчики полей, применяемые в электромагнитном НК, весьма
разнообразны. Это электроды для регистрации разности потенциа-
лов электрических полей, датчики Холла и феррозонды для реги-
страции магнитных полей, индуктивные катушки для регистрации
электромагнитных полей.
Заметим, что часто источники полей и приемники могут быть
совмещены в одном устройстве. Например, измерительный конден-
сатор, между обкладками которого находится ОК, одновременно
создает электрическое поле и позволяет регистрировать параметры
ОК; обмотка вихретокового преобразователя создает электромаг-
нитное поле в ОК и позволяет регистрировать параметры послед-
него.
Электромагнитные методы применяют для контроля различных
объектов. С точки зрения рационального выбора вида электромаг-
нитного НК все объекты обычно делят на изоляционные (диэлек-
трические) и электропроводящие. В то же время они могут быть
ферро- и неферромагнитными. Ферромагнитные объекты целесооб-
разно контролировать магнитными методами, однако в некоторых
случаях успешно используют и вихретоковые. К ферромагнитным
материалам относят большинство марок сталей, железо, никель,
кобальт и др. Обычно это электропроводящие материалы, хотя
они могут быть и изоляционными, например магнитодиэлектрики.
5
Для контроля объектов из изоляционных неферромагнитных ма-
териалов можно применять электрические методы, например элек-
троемкостный. Электропроводящие объекты, особенно неферромаг-
нитные, лучше всего контролировать вихретоковыми методами.
В то же время необходимо иметь в виду, что с электромагнит-
ными успешно конкурируют и другие виды НК: акустический, ра-
диационный, тепловой и т. д. Поэтому рациональный выбор вида
и аппаратуры НК — задача, требующая высокой квалификации.
Как правило, электромагнитные методы НК оказываются эффек-
тивными для обнаружения дефектов в виде нарушений сплошно-
сти, выходящих на поверхность ОК (например, поверхностные тре-
щины) или находящихся неглубоко под поверхностью, для изме-
рения удельной электрической проводимости материала объектов
и других связанных с ней физико-механических характеристик,
а также геометрических параметров (толщины).
В любом случае для правильного выбора вида, метода и сред-
ства НК необходимо знание возможного диапазона изменения фи-
зических свойств и параметров материала ОК, его структуры, тех-
нологии производства, влияющей на этот диапазон, а также усло-
вий эксплуатации ОК. Это, в свою очередь, требует тесного вза-
имодействия конструкторов, технологов, эксплуатационников и спе-
циалистов по НК- В результате такого сотрудничества обеспечи-
ваются контролепригодность детали, узла, конструкции в целом,
ее надежность в эксплуатации, правильно определяется ее техни-
ческий ресурс и, следовательно, достигаются эффективность и кон-
курентоспособность.
Г лава 1
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО КОНТРОЛЯ
1.1. ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЕЩЕСТВА И ПОЛЯ
Электромагнитное поле, так же как электрическое и магнит-
ное, может существовать в пространстве, заполненном веществом,
и в вакууме. В электровакуумных устройствах поле существует в
межэлектродном пространстве, где в 1 см3 находится около 1010
молекул газа, оставшихся после откачки воздуха до состояния
технического вакуума. Электромагнитные волны распространя-
ются в межзвездном пространстве, где всего один атом находится
в объеме около 1 см3.
Электрическое и магнитное поля по-разному взаимодействуют
с различными веществами. В качестве примера на рис. 1.1 пока-
зана картина электрического поля между двумя параллельными
металлическими электродами, к которым приложена разность по-
тенциалов. В случае заполнения всего пространства между элек-
тродами однородным изолятором, например стеклом, эквипотенциа-
ли представляют прямые линии (или плоскости, ортогональные
плоскости чертежа, рис. 1.1, а). Внутри воздушного пузырька, по-
павшего в стекло, эквипотенцнали сгущаются, поскольку напряжен-
ность поля в воздухе больше из-за его меньшей диэлектрической
проницаемости (рис. 1.1,6). В то же время напряженность поля
в промежутке между пузырьком и пластинами становится меньше.
Иная картина наблюдается, если в стекло попадает металлический
шарик. Внутри шарика электрического поля нет, весь шарик об-
ладает одинаковым потенциалом (рис. 1.1, в). Напряженность поля
между шариком и пластинами увеличивается. Этот пример пока-
зывает, что по распределению электрического поля можно оцени-
вать свойства объектов.
По своим электрическим свойствам все вещества разделяют на
проводники и изоляторы. В проводниках электрические заряды
могут перемещаться под действием электрического поля. Если два
тела, заряженных одинаковыми по величине и противоположными
по знаку зарядами, соединить проводником, то тела разряжаются.
Если же было заряжено только одно тело, то заряд распределя-
ется между двумя телами. Электрическое поле существует в про-
воднике только во время движения зарядов. Статическое элек-
трическое поле в проводниках существовать не может. В изоля-
7
Стекло
Воздух (£-1)
Металл (б>о)
°) 3)
Рис. 1.1. Искажение электрического поля различными материалами
торах же электростатическое поле может существовать длитель-
ное время.
В проводниках плотность электрического тока J связана с на-
пряженностью электрического поля Е законом Ома:
J = oE, (1.1)
где а — удельная электрическая проводимость. Величина, обрат-
ная удельной электрической проводимости: р—1/сг, называется
удельным электрическим сопротивлением. Для большинства метал-
лов и сплавов о, а следовательно, и р —постоянные величины, по-
этому для них зависимость плотности тока от напряженности элек-
трического поля линейная. Вместе с тем существуют проводники
и с нелинейной зависимостью 1(E). Те проводники, для которых о
не зависит от направления вектора Е, называют изотропными. Ес-
ли же значение о различно для различных направлений вектора Е
(чаще всего максимальное различие наблюдается для каких-либо
двух взаимно ортогональных направлений), то проводник называ-
ют анизотропным.
В отличие от проводников вещества, плохо проводящие элек-
трический ток, называют диэлектриками. Термин «диэлектрик»
введен Фарадеем для обозначения веществ, в которые проникает
электрическое поле. Электрическая проводимость диэлектриков по
сравнению с металлами очень мала. Если удельное электрическое
сопротивление металлов и сплавов составляет 0,016... 1,3 Ом-мм2/м
(или 10 t;... 10 3 Ом-см), то для диэлектриков оно равно 108...
10'7 Ом-см. Под действием электрического поля в диэлектриках
происходит упругое смещение разноименных зарядов. В резуль-
тате образуются диполи — попарно связанные заряды, их связь под
действием поля не нарушается. Мерой эффекта; произведенного
действием поля на диэлектрик, является поляризованность, т. е.
дипольный момент р единицы объема. В слабых полях р=хдЕ,
а коэффициент пропорциональности называют диэлектрической
восприимчивостью. Часто вместо дипольного момента р использу-
ют электрическую индукцию
D=£oE + p^saE, (1.2)
8
где ga — абсолютная диэлектрическая проницаемость, равная про-
изведению диэлектрической постоянной 80 на относительную ди-
электрическую проницаемость ег: еа=егео. Величины хд и ег — ос-
новные характеристики диэлектриков. В анизотропных кристаллах
направление вектора р определяется не только направлением век-
тора напряженности электрического поля Е, но и направлением
осей симметрии кристалла. Поэтому вектор р составляет различ-
ные углы с вектором Е в зависимости от ориентации последнего
по отношению к осям симметрии в кристалле. В этом случае х и
Еа являются тензорами.
Восприимчивость большинства хороших
изоляторов (масло, стекло, фарфор) выра-
жается числами порядка нескольких еди-
ниц. Восприимчивость воздуха практически
равна единице. Восприимчивостью порядка
нескольких тысяч обладают многие сегнето-
электрики, лля которых зависимость меж-
ду поляризацией и напряженностью сущест-
венно нелинейна и у которых наблюдается
остаточная поляризация Ро (рис. 1.2). По-
ляризация вещества может происходить не
только под действием электрического поля,
Рис. 1.2. Связь поляри-
зации с напряженностью
электрического поля для
сегнетоэлектрика
но и под действием механического напряжения, так как возникает
пьезоэлектрический эффект. Это важное явление использовано в
пьезоэлектрических преобразователях, нашедших применение в
качестве приемников и излучателей при акустическом конт-
роле.
Наряду с рассмотренными веществами, обладающими либо
электропроводностью, либо поляризуемостью, существуют вещест-
ва, при воздействии на которые электрического поля одновремен-
но имеет место как протекание по ним тока, так и их поляриза-
ция. Эти вещества можно рассматривать либо как плохой про-
водник, либо как несовершенный изолятор. Вещества, электриче-
ская проводимость которых мала (о—10~3... 10~8 См/м), но все
же значительно превышает проводимость хороших изоляторов,
образуют класс полупроводников. Некоторые из них обладают
резко выраженной зависимостью проводимости от температуры,
напряженности электрического поля, давления и т. п. С одной сто-
роны, эти свойства используют для создания соответствующих пре-
образователей, а с другой — они мешают при оценке электрической
проводимости этих веществ, т. е. влияние внешних факторов на
электрические характеристики полупроводников является негатив-
ным при НК.
С точки зрения взаимодействия с магнитным полем любая сре-
да характеризуется магнитной восприимчивостью хм, показываю-
щей способность вещества приобретать определенную намагничен-
ность М под воздействием внешнего магнитного поля:
9
пя=М/Н. (1.3)
Связь магнитных величин определяется зависимостью В = р0(Н +
+ М), где цо — магнитная постоянная, откуда с учетом (1.3) В=
= цо(1+им)Н. Величина 1+хм, обозначаемая через цг, называется
относительной магнитной проницаемостью.
В зависимости от модуля и знака восприимчивости хм все ве-
щества условно делят на диамагнетики, парамагнетики и ферро-
магнетики.
Диамагнетики имеют отрицательную магнитную восприимчи-
вость хм=—(10-5... К)-7), т. е. это вещества, намагничивающиеся
во внешнем магнитном поле в направлении, противоположном век-
тору напряженности внешнего поля. К диамагнетикам относятся
Si, Р, Bi, Zn, Си и другие элементы, а также некоторые органи-
ческие и неорганические соединения. В технике диамагнитный эф-
фект практически не используется.
Парамагнетики — это вещества, намагничивающиеся во внеш-
нем магнитном поле по направлению поля, т. е. имеющие положи-
тельную магнитную восприимчивость Хм=10_|... 10~5. К ним от-
носятся, например, щелочные металлы, металлы группы железа,
палладия, платины, соли этих металлов, а также ферромагнетики
при температурах, превышающих температуру Кюри. Магнитные
свойства этих веществ не находят специфического использования
в технике НК.
Ферромагнетики — это вещества, в которых при температуре,
меньшей точки Кюри, устанавливается состояние самопроизволь-
ной намагниченности. Характерным признаком ферромагнетиков
является высокое значение магнитной восприимчивости (хм=1...
106) и ее сильная зависимость от напряженности магнитного поля.
Эта зависимость всегда неоднозначна, т. е. наблюдается магнит-
ный гистерезис (от греч. hysteresis — отставание, запаздывание).
Ферромагнитными свойствами обладают Fe, Со, Ni, редкоземель-
ные металлы Gd, Tb, Dy, Но, Ег, Тт, многочисленные сплавы и
соединения указанных металлов между собой и с неферромагнит-
ными элементами, а также соединения Сг и Мп с неферромагнит-
ными элементами и некоторые другие. Ферромагнетиками явля-
ется большинство конструкционных сталей. Изделия из ферромаг-
нетиков— это объект магнитного НК-
После краткого рассмотрения взаимодействия различных ве-
ществ с электрическим и магнитным полем необходимо получить
уравнения, позволяющие количественно оценить результат этого
взаимодействия. В следующем разделе рассмотрены основные
уравнения электромагнитного поля. Различные частные случаи
этих уравнений, используемые в электрическом, магнитном и вих-
ретоковом контроле, будут подробнее анализироваться в соответ-
ствующих разделах.
10
1.1. ОСНОВНЫЕ УРАВНЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ
Из всех видов неразрушающего контроля по крайней мере вих-
ретоковый, магнитный и электрический базируются на взаимодей-
ствии электромагнитных полей с объектом контроля. По этой при-
чине целесообразно рассмотреть общие свойства этих полей и част-
ные случаи использования их в тех или иных видах НК-
Уравнения Максвелла в интегральной форме — это представле-
ние в обобщенной форме законов, связывающих электрические и
магнитные величины. Связь между напряженностью магнитного
поля и электрическим током устанавливается законом полного
тока:
^H-dl = /„, (1.4)
где Н — вектор напряженности магнитного поля; L — произволь-
ный замкнутый контур; dl — элемент его длины; 1Пл — полный ток,
охватываемый контуром L.
Это уравнение определяет магнитное поле, возникающее при
движении заряженных частиц. Дж. К. Максвелл (1831—1879) пер-
вым указал, что в правой части уравнения необходимо учитывать
все виды токов, в том числе и ток смещения в пустоте.
Связь между напряженностью электрического поля и скоро-
стью изменения во времени магнитного поля, открытая М. Фара-
деем (1791—1867), названа законом электромагнитной индукции.
Максвеллу принадлежит заслуга обобщения этого закона для лю-
бой среды:
$E-dl = — , (1.5)
L at
где Е — вектор напряженности электрического поля; Ф — магнит-
ный поток, проходящий сквозь поверхность, охватываемую кон-
туром L.
Максвелл указал, что при изменении магнитного потока элек-
трическое поле возникает не только в витке, где наводится эдс,
но и вдоль любого контура, даже мысленно выделяемого в любой
среде, в том числе и в вакууме.
Связь вектора электрической индукции, окружающей заряжен-
ные частицы, с их электрическим зарядом q определяется посту-
латом Максвелла:
^D-dS = ?, (1.6)
где D — вектор электрической индукции, т. е. поток вектора элек-
трической индукции через замкнутую поверхность S; в любой среде
он равен свободному заряду в объеме, ограниченном этой поверх-
ностью.
11
Аналогично, для магнитных полей справедливо утверждение о
непрерывности силовых линий магнитного поля:
$B-dS = O,
(1.7)
где В — вектор магнитной индукции.
Эти четыре уравнения устанавливают связь между электриче-
скими и магнитными величинами, характеризующими электромаг-
нитное поле в любом объеме пространства.
Изучение электромагнитного поля в каж-
/СК/Кщ • Д°й точке пространства, а не в конечных объе-
мах требует дифференциальной формы запи-
си уравнений Максвелла. Поясним это на та-
ком примере. Согласно уравнению $H-dl =
= (пл, линейный интеграл от напряженности
1 н поля по замкнутому контуру служит мерой
электрического тока, проходящего через по-
Рис. 1.3. К иллюстра- верхпость S, ограниченную этим контуром
цин полного (рИС 1,3). р[0 зиачению интеграла нельзя су-
дить о распределении тока по поверхности S.
Запишем закон полного тока через вектор плотности тока Л„л:
f Hdl = Жл-dS. (1.8)
L 5
Согласно теореме Стокса, у Н-<11 П rot H dS. Тогда
L S
fJrotH.dS= (1.9)
Равенство (1.9) справедливо для любых пределов интегрирования,
поэтому равны и подынтегральные функции:
rotH = J„. (1.10)
Это и есть первое уравнение Максвелла. Запись в векторной фор-
ме позволяет избежать зависимости от системы координат. Следу-
ет отметить, что здесь 1ПЛ — это вектор плотности полного тока:
= Лт+ Лгр + Ли + Лгер. (1.4)
где JCT — плотность сторонних токов, т. е. в рассматриваемых слу-
чаях токов возбуждающих обмоток преобразователей; J„p=oE —
плотность токов проводимости (вихревых токов); JCK—dD/dt —
плотность токов смещения; Jnep=c[vxB]—плотность токов пе-
реноса, обусловленных движением ОК относительно магнитного
поля, создаваемого возбуждающими катушками преобразователя.
Здесь о...-удельная электрическая проводимость OK, V — скорость
движения ОК, относительно магнитного ноля.
12
Второе уравнение Максвелла представляет закон электромаг-
нитной индукции, согласно которому в витке при изменении сцеп-
ленного с ним магнитного потока Ф наводится эдс
e=-d®/df. (1.12)
Заслуга Максвелла состоит в обобщении этого закона, т. е. в
утверждении, что изменяющийся магнитный поток возбуждает
электрическое поле и при отсутствии витка.
Записывая выражение для магнитного потока Ф через магнит-
ную индукцию, т. е.
Ф= f f BdS, (1.13)
а значение эдс, наведенной в замкнутом кон-
туре L (см. рис. 1.4), охватывающем площад-
ку S,— через напряженность электрического
поля, т. е.
«I
Рис. 1.4. Поток век-
тора магнитной ин-
дукции через поверх-
ность
получаем
$Edl =----д— J^B-dS= —-dS. (1.15)
I dt Js' a dt
Частная производная d/dt использована потому, что эдс может ин-
дуцироваться не только вследствие изменения магнитного потока
во времени, но и вследствие движения или деформации контура.
Согласно теореме Стокса У E-dl= rot EdS, тогда
JJrotE.dS=-(1.16)
S S dt
Здесь также равенство интегралов справедливо для любой поверх-
ности S, поэтому равны подынтегральные функции:
rot Е= — dB/dt. (1-17)
Физический смысл этого уравнения заключается в том, что изме-
няющиееся во времени магнитное поле возбуждает вихревое элек-
трическое поле.
Полная система уравнений электромагнитного, поля записыва-
ется в виде четырех уравнений в дифференциальной форме и назы-
ется обычно системой уравнений Максвелла:
[rot H=J„+oEJ—^-+a[vxBI, (1.18)
rot E=--—, div B=O, div D=P. (1.19)
dt
13
Это основные уравнения электромагнитного поля, связывающие
четыре вектора Е, D, В, Н, два из которых характеризуют электри-
ческое поле, а два других — магнитное.
Физический смысл уравнений электромагнитного поля заклю-
чается в том, что электрическое и магнитное поля существуют не
отдельно друг от друга, а только совместно. Изменение, а не про-
сто наличие электрического поля приводит, согласно уравнению
(1.18), к появлению вихревого магнитного поля (rot Н), а измене-
ние электрического поля, согласно уравнению (1.19), приводит
к появлению вихревого электрического поля.
Удельная энергия электромагнитного поля может быть пред-
ставлена в виде суммы энергий электрического 1ГЭ и магнитного
IFM полей:
и/ = Г9 + Г„ = е,е0£-2/2 + илЯ72. (1.20)
Характерно для этих полей то, что энергия одного поля может
переходить в энергию другого при естественном условии, что сум-
ма энергий остается постоянной. Кроме того, существуют необра-
тимые потери. Мощность тепловых потерь
P=J*la ' (1.21)
часто приходится учитывать в вихретоковом контроле. Особенно
велико ее значение при вихретоковом контроле в сильных полях,
например по методу высших гармоник, когда нельзя не считаться
с нагревом объекта контроля вихревыми токами.
В тех же случаях, когда электромагнитная энергия не преоб-
разуется в теплоту, электромагнитное поле распространяется без
потерь. Это происходит в средах, условно называемых идеальны-
ми диэлектриками. Электромагнитное поле распространяется в ра-
диальном направлении от источника, причем с увеличением рас-
стояния вследствие увеличения радиуса кривизны поле становится
все более похожим на плоское.
Чтобы решить систему уравнений Максвелла, необходимо знать
свойства среды, в которой распространяется электромагнитное
поле. В задачах неразрушающего контроля такой средой является
объект контроля. Свойства объекта, находящегося в электромаг-
нитном поле, характеризуются следующими зависимостями:
Jnp=aE, D=eaE, (1.22)
Первые две зависимости характеризуют электрические, а тре-
тья— магнитные свойства. Если о, еа и иа одинаковы во всех точ-
ках материала и не зависят ни от направления векторов Е и Н,
ни от их модулей, то такие материалы называют однородными,
изотропными и линейными.
В анизотропных материалах электрические и магнитные свой-
ства зависят от направления, поэтому величины о, еа и ра следует
считать тензорами. В нелинейных материалах связь между индук-
14
цией и напряженностью поля D(£) и В(Н) нелинейна, а иногда
(ферромагнетики, сегнетоэлектрики) и неоднозначна, она имеет
гистерезисный характер. В этих случаях ца и еа, а иногда и а
нельзя считать постоянными величинами.
В неподвижном (о=0) относительно электромагнитного поля
OK JDep=o[vX В] = 0. В этом случае уравнения Максвелла с уче-
том (1.22) при Ba—const и |xa=const могут быть записаны в виде
rot Н=зЕ-|-еа—+ J„; (1.23)
rot Е= —ра—^5-. (1.24)
Эти уравнения можно преобразовать в уравнения второго порядка
относительно напряженностей поля Н и Е. Применив операцию rot
к первому уравнению и подставив в него значения rot Е из второ-
го уравнения, получим уравнение для напряженности магнитного
поля:
V2H —-----------„ца_^- = —rot J„, (1.25)
at
где V2H=rotrot H—grad div H.
Аналогично можно получить уравнение для вектора напряжен-
ности электрического поля:
от- <12Е dE ___
V2E—sapa —------ (1-26)
Уравнения (1.23) и (1.24) можно свести к уравнению для век-
торного потенциала А, определяемого выражением B=rotA:
V2A — ea[ia ----—=-_ (Мет- (1-27)
При выводе уравнений (1.25) — (1.27) принимается divH =
= div Е—div А=0, что всегда справедливо для однородных сред.
При решении некоторых задач расчета электромагнитного поля
целесообразно использовать вектор Герца Z, который связан с век-
торным потенциалом А уравнением
А = еара ——--yqj.;iZ. (1-28)
Для вектора Герца также в предположении divZ=0 справед-
ливо следующее дифференциальное уравнение:
V’Z - - ара ----------, (1 -29)
v аГа dtl dt еа
где вектор рст связан с вектором плотности сторонних токов Лет
зависимостью
(1.30)
15
Плотность токов смещения многих электропроводящих объек-
тов вихретокового контроля, выполненных из металлов, сплавов и
некоторых других материалов, незначительна по сравнению с плот-
ностью токов проводимости, поэтому уравнения (1.25) и (1.27),
наиболее часто используемые в теории вихретокового контроля,
можно представить в виде
V2H _= - rot J„, (1.25')
ot
V2A-apa-^-=-Mc,- (1.27')
Для объекта контроля, в котором отсутствуют сторонние токи,
они переходят в однородные уравнения:
V2H-a|v,-^-=0, (1.25")
V2A-ap.a-^-=0. (1.27")
Если величина Н изменяется во времени по синусоидальному
закону с угловой частотой ш, т. е. li(монохроматические
поля), то уравнения (1.25) и (1.27) переходят в уравнения Гельм-
гольца:
r-HJ-H т.1„, (1.31)
V2A4-/,’A=-iiaJ,:l, (1.32)
где
*2=<u2sa|»a—)шар.,= (’ + !“«>= —hlM- (1-33)
Комплексную величину <г называют иногда комплексной удельной
электрической проводимостью. В ОК она определяет как токи про-
водимости (вихревые токи), так и токи смещения:
а'=а, о’=шеа. (1.33а)
Заметим, что комплексная удельная электрическая проводи-
мость о — это отнюдь не физическая величина, а формально вве-
денное расчетное соотношение. Названо оно проводимостью пото-
му, что при его введении уравнения имеют точно такой же вид,
как и в случае только токов проводимости, т. е. если бы материал
характеризовался только своей удельной электрической проводи-
мостью— действительным числом а.
Вместо комплексной удельной электрической проводимости мож-
но также формально ввести комплексную диэлектрическую прони-
цаемость:
&== ш2$ар.а — j О) а |ха=ш2 f £а-V = (е; — J s') ^а. (1.33')
16
В этом случае величина, стоящая в скобках, формально может
трактоваться как комплексная диэлектрическая проницаемость
еа и характеризовать диэлектрик с потерями:
5,=<— К- (1.336)
Так как (1.33) и (1.33')—это разные формы записи одной и той
же величины, то, сравнивая эти выражения с (1.33а) и (1.336),
получаем о'=(оеа" и я''=шеа'.
Совершенно очевидно, что в пренебрежении токами смещения
используют уравнения (1.25') и (1.27') и k2 ——jraapa.
При относительном движении ВТП и ОК со скоростью v для
синусоидального возбуждающего тока уравнение (1.32) примет вид
V2A + FA+ii.aa[vx rot А]=—p,j„. (1.34)
Связь вектора напряженности электрического поля Е с вектор-
ным потенциалом А можно легко получить на основании второго
уравнения Максвелла
rot Е= -<?В/Л= - ,
dt
из которого следует, что
. (1.35)
Для монохроматического поля векторный потенциал А связан
с напряженностью электрического поля Ё соотношением
Ё= (1.35')
Задача
1.2.1. Запишите уравнение для напряженности переменного магнитного поля
в однородном электропроводящем полупространстве, находящемся в однородном
внешнем электромагнитном поле, изменяющемся по синусоидальному закону.
Параметры магнитного поля и полупространства заданы.
Решение
Вследствие однородности внешнего поля и полупространства в любом сече-
нии полупространства, параллельном его поверхности, напряженность магнитно-
го поля одинакова.
Для электропроводящего материала плотностью токов смешения можно
пренебречь, а так как сторонние токи отсутствуют, то уравнение (1.25") имеет
вид
V2H -O}tadH/(?/ = 0.
Для синусоидально изменяющегося во времени поля можно ввести комп-
лексную величину /?=Яе/®5 тогда можно записать
= ]<«)SfXaZ/.
Выбрав начало декартовой системы координат на поверхности полупространст-
ва и направив ось х внутрь него, преобразуем выражение для Vs/?:
d2tf
——- = .
d*2
Таким образом, напряженность магнитного поля в данном случае описывается
дифференциальным уравнением второго порядка.
17
1.3. ГРАНИЧНЫЕ УСЛОВИЯ
При анализе электромагнитного поля важно учесть граничные
условия на поверхности раздела двух сред, где параметры 8Г, Цг
и о могут изменяться скачком, что, в свою очередь, приводит к
скачкообразному изменению векторов поля. Эти векторы как функ-
ции координат перестают быть непрерывными, в результате опера-
ции rot и div на границах раздела теряют смысл, т. е. уравнения
Максвелла здесь не могут быть записаны. На рис. 1.5 показан уча-
сток границы, разделяющий две среды. Условно выделен прямо-
угольный контур, две стороны которого длиной I параллельны
Рис. 1.5. Условия на
границе раздела двух
сред для тангенциаль-
ных составляющих
.векторов
Рис. 1.6. Условия на гра-
нице раздела двух сред для
нормальных составляющих
векторов
участку границы, а две другие длиной т ортогональны ему. Тогда,
устремляя к нулю размер стороны т контура, ортогональной гра-
нице, получим, что слагаемые для циркуляции вектора Н вдоль
этих сторон в выражении для закона полного тока также стре-
мятся к нулю. В результате выражение закона полного тока при-
нимает вид
(1.36)
Но так как dS—ml стремится к нулю при щ->0, то граничное ус-
ловие для тангенциальных составляющих вектора напряженности
магнитного поля имеет вид
= (1-37)
Аналогично получаются граничные условия для нормальной со-
ставляющей магнитной индукции. В этом случае рассматривается
ноток вектора В через поверхность призмы, внутри которой про-
ходит граница раздела двух сред (рис. 1.6). Если высота призмы
h стремится к нулю, верхнее и нижнее основания приближаются
18
к границе и уравнение (1.7) записывается в виде разности скаляр-
ных произведений:
(B2-AS2)—(B1-iS1) = B2iS2 cos а2 —B^SjCos а^=0. (1.38)
Отсюда с учетом равенства AS^AS, получаем граничное условие
для нормальных составляющих вектора магнитной индукции:
В1Я = ВМ. (1.39)
Аналогично получаются граничные условия для составляющих
векторов электрического поля на границе раздела двух сред:
£1,— £"2-0 = “ = aiiOH> (1.40)
где Опов — плотность поверхностного заряда.
Кроме граничных должны быть также заданы начальные ус-
ловия, определяющие магнитное и электрическое состояния среды,
соответствующие моменту времени, принятому за начало отсчета.
Начальные условия специфичны для каждого конкретного случая
неразрушающего контроля и в необходимых случаях будут спе-
циально рассматриваться.
Теперь рассмотрим частные случаи электростатического и маг-
нитостатического полей.
Электростатическое поле — это такой частный случай электро-
магнитного поля, когда магнитное поле отсутствует, заряженные
тела неподвижны и
J=0, В^О, Н=0.
Система уравнений Максвелла для электростатического поля
имеет вид
rot Е^О,
div D=p. (1-41)
D~ersQE.
Из условия rot Е=0 в соответствии с формулой Стокса J*,|* rot EX
s
А
XdS== ФЕ-dl—0 следует, что f Edl не зависит от пути интегри-
l в
^рования. Поэтому можно ввести понятие потенциала ф электро-
статического поля:
Е= —grad ср. (1.42)
Теперь, исключив вектор D из системы (1.41):
D=— еа grad <р, (1.43)
получим уравнение
div (— еа grad ?)=р (1.44)
19
или для областей, где отсутствуют свободные заряды,
div ( —еа grad <р)=0. (1.45)
Практический интерес представляет случай расчета электриче-
ского поля в кусочно-однородной среде, где для каждого участка
среды величина еа постоянна и ее можно вынести за знак дивер-
генции. Тогда уравнения примут вид
div grad <р= —
(1.46)
div grad <p=0.
Первое выражение называют уравнением Пуассона, второе — урав-
нением Лапласа. В символической форме соответственно их запи-
сывают в виде
------ ИЛИ Д^> =--------- *
*r«0 Vo
у2у--0 или Д<р =0.
В электростатике уравнение Лапласа имеет исключительно
большое значение. Для отыскания решения этого уравнения его
чаще всего записывают в координатной форме, подставляя в вы-
ражение для div Е значения составляющих вектора Е:
/ , Е,= -* (1.47)
дх у ду * dz ' '
Тогда получаем
^+^1_ + ^Г.=-----------------1_. (1.48)
<1x2 1 дуг т '
Формально уравнения Лапласа и Пуассона можно записать
используя символические операторы и производя с ними те же
действия, что и с обычными векторами:
, I, д , , д , , д \2 д‘ . д? . р2
v = 11— -I- I |~k— I =------------1--------1------. (1.49)
v \ dx 1 * dy ~ dz ) dx‘i dy2 “ dz* 1 '
Умножив далее V2 на величину <р, приходим к уравнениям Лапла-
са и Пуассона.
Рассмотрим граничные условия для двух практически важных
случаев электростатического поля. В одном случае это граничные
условия на поверхности проводников, когда в электростатическом
поле отсутствуют электрические токи: J=0. Отсюда с учетом того,
что J = oE, следует, что внутри проводников, т. е. там, где <т=#0,
выполняется соотношение
Е = 0.
(1.50)
20
Но из уравнения Е——grad ф следует, что потенциал всех точек про-
водника, в том числе и точек поверхности, имеет одно и то же
значение, т. е. поверхности проводников эквипотенциальны. Сле-
довательно, на поверхности проводника в электростатическом поле
£\—0. (1.51)
Отсюда получаем граничные условия для напряженности электри-
ческого поля в диэлектрике на поверхно-
сти раздела проводника и диэлектрика: £ £г
Еп=Е= ~д?/дп, (1.52) в2/Е2
При этом D — &оегЕп = —еоЕгду/дп — ОпоЪ'--------—
В другом случае это граничные уело-
вия на поверхности раздела двух диэлек- /д е
триков. При отсутствии свободного по- 1 1
верхностного заряда (аПОв=0)
Г) „ /) /1 cal Рис- 1-7. Изменение на-
ш правления векторов при пе-
Кроме того, всегда выполняется соотно- Реходе чеРез границу раз-
шение Elx=E2t. Отсюда можно получить дела двух сред
зависимость между векторами D и Ё при
переходе из одной среды в другую. Согласно обозначениям
рис. 1.7,
Dr cos а{ — 1)2 cos а2, sin <*!=== £2 sin а2. (1.54)
Учитывая соотношения
ZJj —Z^2==s0e2r^'2’ (1.55)
получаем
tg ctj/tg а2=еи/е2г. (1.56)
Если линии напряженности электрического поля ортогональны
поверхности раздела, то Di~D2, а напряженность электрического
поля изменяется скачком:
. (1.57)
«(•ir «0«2г
Общей задачей расчета электрического поля является опреде-
ление напряженности электрического поля Е во всех его точках
по заданному распределению зарядов. При этом достаточно оп-
ределить распределение потенциала. Если задано распределение
электрических зарядов в однородной среде, то решение отыскива-
ется методом суперпозиции. Это так называемая прямая задача,
решаемая следующим образом. Для каждого заряда ?, определя-
ется создаваемая им составляющая напряженности электрического
поля:
Е(=—----------г0> (1.58)
4ЛбфЕг7-2
21
а затем составляющая потенциала qjj, соответствующая этому за-
ряду:
?/ = _ ^./(4n£(3sfr). (1.59)
Далее суммированием (или интегрированием) по всем зарядам
определяются напряженность электрического поля Е и потенциал
<р в каждой точке пространства.
Обратная задача значительно сложнее и решается с помощью
уравнений Лапласа и рассмотренных граничных условий. Так как
распределение зарядов по поверхности тел неизвестно, то решение
сильно затрудняется. Особенно сложной является задача в случае
неоднородных сред. Решить ее аналитическим путем удается для
ограниченного числа частных случаев.
По аналогии с электрическим полем определяется и магнито-
статическое поле, именно как частный случай электромагнитного
поля, когда отсутствует электрическое поле, нет электрических за-
рядов и тока. Система уравнений Максвелла для магнитостатиче-
ского поля имеет вид
rot Н = 0, div В=0. (1.60)
Из первого условия формально можно ввести понятие скалярно-
го магнитного потенциала
Н— — grad <рм, (1.61)
который часто используется при решении магнитостатических за-
дач.
Главной особенностью и сложностью многих магнитостатиче-
ских задач является то, что их очень часто приходится решать для
анизотропных сред с неоднозначной зависимостью 13(H) в виде
семейства петель гистерезиса.
Задача
1.3.1. Найти напряженность переменного магнитного поля на глубине 0,5 мм
от поверхности массивного объекта, помещенного во внешнее однородное пере-
менное электромагнитное поле напряженностью //ВНш=1000 А/м на частотах
fi = 50 Гц и f2=1000 Гц. Удельная электрическая проводимость материала
объекта контроля о = 5 МСм/м, относительная магнитная проницаемость р,г=
= 500.
Решение
Решением уравнения для напряженности магнитного поля, полученного в
аадаче 1.2.1, является выражение
Й = +
где Ct и С2 — некоторые константы. Заметим, что в проводникахУир-ас/2 — 1/8»
где б—глубина проникновения плоской электромагнитной волны в проводник
(см. § 2.3). Константа С2 должна быть равна нулю, так как в противном слу-
чае по мере углубления в полупространство с увеличением значения х напря-
22
женность Н неограниченно возрастала бы, но из физических соображений она
не может быть бесконечно большой. Константа Сх определяется из граничного
условия. При х = 0, т. е. на границе объекта, согласно (1.37), напряженность
поля равна ЯВКИ1. Тогда на глубине 0,5 мм при частоте 50 Гц напряженность
магнитного поля
Н ~ НВН||| ехр ( - У х) —
= 1000 ехр(—/2л-50-4л-10“7-500-~5- 10й/2 -0,5- 10-з) =
= 1000 ехр ( —0,35) ^704 А/м.
Аналогично на той же глубине 0,5 мм, но при частоте f2==4000 Гц, напряжен-
ность поля
/7= 1000 ехр ( — / 2л- Ю00-4л- Ц)--?-500-5- 10s/2 -0,5-10-з) =
1000 ехр ( — 1,57) — 1000 (1/4,8)—208 А/м.
Из решения этой задачи видно, что с увеличением частоты переменное эле-
ктромагнитное поле в электропроводящих объектах затухает, т. е. уменьшается
по амплитуде, причем тем сильнее, чем выше частота.
Глава 2
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ
2.1. КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
Электрический неразрушающий контроль основан на регистра-
ции электрических полей и электрических параметров объекта кон-
троля. Обычно при этом виде НК объект контроля или его часть
помещают в постоянное или переменное электрическое поле, со-
здаваемое между электродами, контактирующими с электропро-
водящим ОК (электропотенциальный метод), либо между обклад-
ками электрического конденсатора, диэлектриком которого служит
ОК (электроемкостный метод). Электрическое поле в ОК может
создаваться также путем электризации ОК трением (трибоэлек-
трический метод). Фиксируя тем или иным способом параметры
электрических полей в ОК либо параметры электрических цепей,
включающих ОК или их части, можно судить о свойствах или со-
стоянии ОК. Для регистрации используют топографию электриче-
ского поля, например изменения эквипотенциальных поверхностей
или линий, либо такой электрический параметр, как разность по-
тенциалов между двумя точками, находящимися на фиксирован-
ном расстоянии одна от другой.
В качестве регистрируемых при контроле электрических пара-
метров ОК используют электрическое сопротивление R, электриче-
ский ток I, электрическую емкость С, относительную диэлектри-
ческую проницаемость &г, тангенс угла диэлектрических потерь tg 6,
контактную термоэдс £/.
Для контроля конкретных объектов выбирают один параметр
или совокупность перечисленных параметров, коррелирующих с
контролируемыми параметрами объекта. Например, диэлектриче-
ская проницаемость ег связана с соотношением компонентов ге-
терогенных (от греч. heterogenes — разнородный) сред, что позво-
ляет определять коэффициент армирования (укрепления) компо-
зитных материалов.
В электрическом НК используют следующие методы: электро-
емкостный, электропотенциальный, электрического сопротивления,
термоэлектрический, электроискровой, трибоэлектрический и элек-
тростатический порошковый. Кроме того, известен метод визуали-
зации и фотографирования в электромагнитных полях высокой на-
пряженности, находящийся в стадии разработки.
24
Все эти методы находят применение для НК диэлектрических
и электропроводящих ОК- Рассмотрим конкретные области и при-
меры использования электрических методов.
2.2. ЭЛЕКТРОЕМКОСТЯМИ МЕТОД
Физические основы. Метод базируется на регистрации электри-
ческой емкости и/или тангенса угла диэлектрических потерь пер-
вичного преобразователя в виде электрического конденсатора, в
состав которого входит ОК или его часть. Если ОК диэлектриче-
ский (пластик, композит, бумага и т. д.), то электрическое поле
в нем создается электроемкостным преобразователем (конденсато-
ром), обкладки которого подключают к генератору переменного
напряжения. Если же ОК электропроводящий, например металли-
ческая проволока, или содержит диэлектрические слои на электро-
проводящей основе, то одной из обкладок электроемкостного пре-
образователя может служить сам ОК либо его электропроводящая
основа. Возможно также размещение электропроводящего ОК меж-
ду обкладками специального электроемкостного преобразователя.
Информативные параметры электроемкостного преобразовате-
ля— электрическая емкость С и тангенс угла диэлектрических
потерь tgdn. С ними коррелируют различные физико-механические,
геометрические свойства и параметры ОК: относительная диэлек-
трическая проницаемость ег; размеры и форма; плотность; радио-
прозрачность; содержание компонентов в смесях; влажность; сте-
пень полимеризации и старения полимерных материалов; наличие
и размеры нарушений сплошности (пустот, включений); прочность;
предел пластичности; внутренние механические напряжения и т. д.
Степень корреляции С и tg6n с параметрами ОК различна. Так,
емкость С сильно зависит от вг, но в то же время значения С за-
висят от геометрических параметров, влажности, состояния по-
верхности, степени полимеризации и др. Очевидно, что емкость
первичного электроемкостного преобразователя зависит от соста-
ва и состояния окружающей его среды, например от давления, тем-
пературы, влажности воздуха. Значение тангенса угла диэлектри-
ческих потерь в значительной мере определяется составом и влаж-
ностью ОК, степенью полимеризации его материала, а размеры
ОК и состояние его поверхности слабо влияют на этот параметр.
Поскольку С и tgfin зависят от многих параметров ОК, необхо-
димо принимать меры для выделения информации об измеряемых
параметрах.
Типы и конструкции первичных преобразователей. По взаим-
ному расположению ОК и электродов все первичные преобразо-
ватели можно разделить на накладные и проходные. [Электроды
накладных преобразователей расположены с одной стороны ОК,
а электроды проходных охватывают ОК с разных сторон. Наклад-
ные преобразователи используют чаще всего для контроля объек-
25
тов с плоскими поверхностями, а проходные — для контроля ли-
нейно протяженных объектов (проволока, пряжа, волокна). Осо-
бый тип представляют преобразователи для контроля жидких и
сыпучих материалов. Обычно они выполняются в виде погружае-
мых в контролируемую среду электродов1! (рис. 2.1, а—в) либо в
виде сосудов, заполняемых контролируемой средой (рис. 2.1, г).
Такие преобразователи используют для измерения состава, влаж-
ности, дисперсности (степень раздробления на частицы) сыпучих
материалов: формовочных смесей, зерна и др.
Рис. 2.1. Конструкции электроемкостных преобразователей для контроля сыпу-
чих материалов:
й—а — погружаемые; г — типа заполняемого сосуда; 1 — мнзкопотенциальный электрод,
2 — высокопотенциальный электрод, 3 — изолятор
В накладных преобразователях роль электродов выполняют
прямоугольные, круговые и кольцеобразные металлические пла-
стины, накладываемые на поверхность ОК. На рис. 2.2 показаны
схематически расположение электродов накладных преобразовате-
лей на поверхности ОК и силовые линии электрического поля в ОК
(штриховые линии). Преобразователь с гибкими электродами мо-
жет быть выполнен на основе бумажной ленты с нанесенными на
нее электродами в виде полос из металлической фольги толщиной
5... 10 мкм. В бумажной ленте сделаны отверстия для контактиро-
вания с электродами. Электроды с помощью вазелина притирают-
ся к поверхности ОК. Электрическая емкость между электродами
определяется их геометрическими параметрами, диэлектрической
проницаемостью материала ОК, а также диэлектрической прони-
цаемостью окружающей среды (верхнего полупространства). При
этом предполагается, что толщина ОК и размеры свободного про-
странства над электродами значительно превышают глубину зоны
контроля, т. е, глубину области, в которой действует электрическое
поле электродов. Тогда комплексная емкость первичного преобра-
зователя, учитывающая не только реактивную, но и активную со-
26
ставляющую тока между электродами, обусловленную активными
потерями в неидеальном диэлектрике,
С=С —|С,^80/(Л1ел14-Д2ег2), (2.1)
где С' и С" — соответственно действительная и мнимая составляю-
щие комплексной емкости; I — длина электродов; е0 — диэлектри-
ческая постоянная; егЬ ег2 — комплексные относительные диэлек-
трические проницаемости соответственно окружающей среды и объ-
екта контроля; и Л2 — геометрические коэффициенты, опреде-
Рис. 2.2. Расположение электродов накладных преобразователей и картина
электрического поля в ОК:
а, б — преобразователи с гибкими прямоугольными электродами (/ — фольга, 2-— бумаж-
ная лента, 3 — ОК); в — преобразователь с концентрическими электродами (7 —низкопо-
тенциальный электрод, 2—высокопотенциальный электрод. 3 — ОК, 4 — диэлектрик, 5 —
выводы)
ляющие емкости окружающей и контролируемой сред соответст-
венно. Как показано в § 1.1, комплексная диэлектрическая прони-
цаемость е. имеет две составляющие — действительную е/ и мни-
мую ег":
er = e'— je'. (2.2)
Тангенс угла диэлектрических потерь определяется выраже-
нием
<g 8,. ==</<•
Подставив (2.2) в (2.1) и выделив действительную и мнимую ча-
сти, можно получить выражения для определения действитель-
ной части относительной диэлектрической проницаемости и тан-
генса угла потерь материала ОК:
e'2 = C7(soM2) —(2.3)
tg8n2=tg8„ 14-
tg 8nl.
Л2в,2
(2.4)
л2Е;2
27
Здесь, как и ранее, индекс 1 относится к окружающей среде, ин-
декс 2 — к контролируемой; tg6„— параметр преобразователя.
Геометрические коэффициенты At и Л2 могут быть определены
через известные формулы для расчета емкости преобразователей,
приведенные, в частности, в [2]. При контроле объектов с плоски-
ми и цилиндрическими поверхностями, окруженных воздушной сре-
дой, выражения (2.3) и (2.4). упрощаются, так как Л,=Л2=Л,
е'Г1 = еГ|=1, tg 6ni = 0. Тогда
е;2 = С'Ле0/Л)-1; tg 8„2 = tg 8„ ( 1 -ф l/s),).
Учитывая, что для многих диэлектриков (пластмасса, стекло,
керамика) диэлектрические потери весьма малы, т. е. е/'Се/ и
tg бп-тО, можно считать, что емкость преобразователя — величина
действительная: С=С'=С, С"->-0.
Рис. 2.3. Накладные электроем-
костные преобразователи
ния и коммутации электро-
дов накладного преобразо-
вателя с изменяемой глуби-
ной зоны контроля
Для реальных конструкций емкостных преобразователей при
точном определении их параметров необходимо учитывать пара-
зитные емкости выводов и элементов крепления электродов, со-
единительных проводов и др., что весьма затруднительно. Устра-
нить влияние паразитных емкостей на результат измерения можно,
сравнивая значения емкости преобразователя без ОК и с ОК.
В первом случае полная емкость преобразователя
С^Со + С,,,. (2.5)
во втором
С2 = Ср-фС„2, (2.6)
где Со — начальная емкость преобразователя (без ОК); Сп — па-
разитная емкость; Ср — рабочая емкость преобразователя (с ОК).
Учитывая, что Ср=егмС0, а СШ~СП2, и вычитая (2.5) из (2.6),
можно получить выражения для определения относительной ди-
электрической проницаемости и тангенса угла потерь материала
ОК:
егм = (С2 — 1, (2.7)
tg 8«=(tg 8„2 — tg 8и1)(1 — 1/ег„). (2.8)
На рис. 2.3 приведены варианты конструкций накладных ем-
костных преобразователей.
Для изменения глубины зоны контроля, а также для ослабле-
ния влияния неровностей поверхности на
применяют накладные преобразователи
с переключаемыми электродами. На рис.
2.4 представлены схема расположения
электродов такого преобразователя на
поверхности ОК и силовые линии элек-
трического поля для двух вариантов сое-
динения электродов. Коммутация элек-
тродов позволяет реализовать меньшую
глубину зоны контроля в положении а
переключателя (сплошные силовые ли-
нии) и большую глубину в положении б
переключателя (штриховые силовые ли-
нии). В первом случае получают три па-
раллельно включенных конденсатора
с малым расстоянием между электрода-
результаты контроля
Рис. 2.5. К пояснению
способа уменьшения
влияния зазора
ми в каждом из них, во втором — один
конденсатор с большим расстоянием между электродами. При этом
каждый электрод измерительного конденсатора во втором случае
состоит из трех соединенных между собой электродов конденсато-
ра, соответствующего первому случаю. Следовательно, площадь
электродов в обоих случаях неизменна, что обеспечивает одинако-
вую чувствительность преобразователя в обоих случаях.
Поясним, почему происходит снижение чувствительности пре-
образователя к неровностям поверхности или к изменению зазора
между преобразователем и поверхностью ОК. На рис. 2.5 пока-
заны графики зависимости емкости преобразователя от зазора
для случаев малого расстояния между электродами (положение
а переключателя на рис. 2.4) и большого расстояния между ними
(положение б). Зависимость тем резче, чем меньше отношение h
К расстоянию между электродами, поэтому в положении а зависи-
мость С (й) более резкая, чем в положении б. Измеряя разность
емкостей в положениях а и б, можно получить зависимость (в),
имеющую экстремум. Очевидно, что вблизи экстремума зависи-
мость от величины k выражена слабо, что позволяет соответствую-
щим выбором геометрических параметров преобразователя значи-
тельно уменьшить его чувствительность к зазору или неровностям
поверхности, влияющим на емкость преобразователя, так же, как
зазор.
29
Изменение глубины зоны контроля позволяет также реализо-
вать послойный многопараметровый контроль объектов.
Существуют и другие конструкции накладных преобразовате-
лей, в частности для контроля цилиндрических, сферических объ-
ектов, с использованием иммерсионной среды (от позднелат. im-
mersio — погружение), которая заполняет пространство между
электродами и поверхностью ОК [2].
Ж)
Рис. 2.6. Проходные электроемкостные преобразователи
Проходные преобразователи по конструкции весьма разнооб-
разны. В отличие от накладных они применяются для контроля
линейных размеров не только диэлектрических, но и электропро-
водящих линейно протяженных объектов. Контроль электропро-
водящих объектов основан на использовании зависимости электри-
ческой емкости системы заряженных проводящих тел, включаю-
щей ОК, от размеров поперечного сечения ОК. В некоторых слу-
чаях проводящий ОК служит одним из электродов преобразова-1
теля.
На рис. 2.6 показаны схемы расположения электродов проход-
ных преобразователей. Схемы, в которых ОК 3 соединен электри-
чески с одним из электродов или сам служит электродом (рис.
2.6, в, г), применимы только для контроля электропроводящих объ-
ектов, а остальные — для любых. Кроме двух основных электро-
дов (высокопотенциального 1 и низкопотенциального 2) в некото-
30
Рис. 2.7. Трансформаторные мосто-
вые схемы включения электроемкост-
ных преобразователей:
а — с одним трансформатором; 6 — с
двумя трансформаторами
Рис. 2.8. Измерение толщины ди-
электрических объектов:
а — листов, пластин; б — бумажной лен-
ты, картона
4 схемой. В этом случае наилучшие
рых случаях используют дополнительные охранные электроды 4
и 5, обычно заземляемые (рис. 2.6, г, д'). Это позволяет снизить
погрешности измерения, так как уменьшает поле рассеяния. Схемы
с «перекрестной емкостью» (рис. 2.6, е, ж) обладают тем преиму-
ществом, что частичная емкость двух противоположных электро-
дов, например См, слабо за-
висит от формы, размеров се-
чения и зазоров между смеж-
ными электродами, а также от
наличия топкой диэлектриче-
ской пленки на поверхности
электродов. Это позволяет сни-
зить требования к точности из-
готовления электродов и цент-
ровки ОК относительно оси
преобразователя.
Принцип изменения топо-
графии электрического поля в
ОК путем коммутации элек-
тродов преобразователя, рас-
смотренные для накладных
преобразователей, справедли-
вы й для проходных. Электро-
емкостные преобразователи
включают в цепи для измере-
ния параметров конденсато-
ров С учетом необходимости
подключения относительно
длинных проводников соеди-
нительного кабеля между пре-
образователем и измерительно!
результаты получаются при включении трехзажимных преобразо-
вателей в транформаторные мостовые цепи с образцовыми кон-
денсаторами (Со на рис. 2.7).
. Кроме трансформатррных мостовых схем применяют и другие
Измерительные схемы, например автогенераторные с вынесением
блока автогенератора непосредственно к измерительному преоб-
разователю, измерители добротности с вынесенным резонансным
Контуром и др. Электроемкостные преобразователи можно подклю-
чать также к стандартным измерителям параметров конденсато-
ров.
Измерение размеров. Для измерения размеров диэлектрических,
полупроводниковых и проводящих объектов применяют накладные
и проходные преобразователи.
Толщину диэлектрических линейно протяженных объектов из-
меряют бесконтактным способом с помощью двух электродов, меж-
ду которыми существует зазор й, в который вводят ОК (рис. 2.8).
31
Один из электродов (/) низкопотенциальный, обычно заземляе-
мый— это плоская металлическая пластина (рис. 2.8, а) или ци-
линдрический опорный барабан (рис. 2.8, б). Другой электрод
(2)—высокопотенциальный, он размещен в экранирующем кор-
пусе 3. Емкость С электродов в отсутствие ОК (4) в зазоре обрат-
но пропорциональна зазору h. Как известно, емкость плоского кон-
денсатора с воздушным зазором h и площадью электродов S (без
учета краевого эффекта) C0=e0S//i, а емкость конденсатора, зазор
которого полностью заполнен диэлектриком с относительной ди-
электрической проницаемостью er, C—ereoS/h.
Если толщина Т диэлектрического ОК меньше зазора ft, то ем-
кость такого конденсатора с двуслойным диэлектриком [4, с. 146J
Здесь учтено, что толщина воздушного слоя TB=ft—Т.
Так как для диэлектриков er> 1, то из последней формулы сле-
дует, что с увеличением Т емкость преобразователя возрастает.
Зная параметры преобразователя S и Л, а также ег материала ОК,
по измеренной емкости С можно определить толщину ОК:
1(± — Ch
1 . г-------.
Аналогично можно определить толщину диэлектрика и в слу-
чае электродов с цилиндрической поверхностью (рис. 2.8,6), ис-
пользуя формулы для емкости цилиндрического конденсатора с
двуслойным диэлектриком [4, с. 146]. Значения ег для различ-
ных материалов находят по справочникам, например [4].
Преобразователь типа представленного на рис. 2.8, а исполь-
зуется в толщиномере CL-230 японской фирмы «Ono Sokki», пред-
назначенном для измерения толщины пластмасс, керамики, стекла
и других диэлектриков^ в виде пленки, листов, полос и дисков диа-
метром более 6 мм. Прибор укомплектован набором преобразова-
телей диаметром от 6 до 40 мм, позволяющих измерять толщину
Г=0...5 мм. Погрешность измерения толщины ±0,25% предела
измерения. Так, для преобразователя на диапазон 0...0.2 мм по-
грешность составляет ±0,5 мкм, а на диапазон 0...5 мм погреш-
ность ±12,5 мкм. Работой прибора управляет микропроцессор.
Преобразователь типа представленного на рис. 2.8, б применя-
ют, например, для бесконтактного измерения с разрешающей спо-
собностью 1 мкм толщины целлюлозы и картона в процессе про-
изводства.
Для измерения толщины проводящих и полупроводящих объ-
ектов используют накладные и проходные преобразователи. На
рис. 2.9 показана схема измерения толщины Т плоского проводя-
щего объекта с помощью двух накладных преобразователей, уста-
новленных напротив друг друга на расстоянии Н. Измеряя емко-
32
приборов и др.
Рис. 2.9. Измерение тол-
щины электропроводяще-
го листа с помощью на-
кладных преобразовате-
лей
сти С} и С2 преобразователей, обратно пропорциональные зазорам
и Л2 (рис. 2.9), и зная значение h, можно определить толщину
OK: T^=h—(hi—й2). Такой способ измерения использован в тол-
щиномере типа CL-220 фирмы «Оно Sokki», имеющем технические
параметры, аналогичные параметрам толщиномера CL-230. При-
бор применяется для измерения толщины металлической фольги,
кремниевых пластин для полупроводниковых
сутствие контакта позволяет контролиро-
вать объекты с высокой чистотой поверхно-
сти, которая может быть повреждена при
контактных измерениях, а также обеспечи-
вает высокую производительность непре-
рывного контроля благодаря практически
неограниченной скорости движения ОК в
рабочем зазоре.
Проходные преобразователи применяют
для измерения диаметра тонкой металличе-
ской проволоки, толщины металлических
лент, а также диэлектрических нитей, воло-
кон и пленок [5]. Используются преобразо-
ватели, показанные на рис. 2.6. Для приме-
ра приведем технические характеристики
прибора ПИД-1 Барнаульского филиала ОКБ автоматики, имею-
щего преобразователь типа рис. 2.6, б и автогенераторную схему:
Диапазоны диаметров проволоки, мкм .
80... 110 или
130... 160
Погрешность, %, верхнего предела диапазона из-
мерения ............................................ 1,5
Если накладной преобразователь, показанный на рис. 2.8, а,
прижать к поверхности диэлектрического покрытия, нанесенного
на электропроводящее основание, то очевидно, что с его помощью
можно измерять толщину диэлектрических покрытий, например
лакокрасочных, эмалевых, керамических на металлах и сплавах.
Электроемкостный метод эффективен для измерения толщины
диэлектрических покрытий на электропроводящих основаниях в
тех случаях, когда толщина основания мала и применение вихре-
токового или магнитного контроля затруднительно из-за влияния
толщины основания на результаты измерения. Такие задачи воз-
никают при контроле толщины лаков или пластиков на поверхности
упаковочных банок и тюбиков. Электроемкостный методом можно
также измерять параметры вибрации и смещения электропрово-
дящих ОК относительно преобразователя.
Метрологические характеристики электроемкостных толщино-
меров определяются главным образом типом и конструкцией пре-
образователей, схемой их включения и в меньшей степени — элек-
тронными блоками. На погрешность измерения влияют: состояние
2—1332 33
среды, окружающей преобразователь (влажность, давление, тем-
пература), кривизна, состояние поверхности ОК и влажность (ди-
электрических ОК), смещения ОК между электродами проходных
преобразователей и другие факторы. Ослабляя различными спо-
собами влияние мешающих факторов, можно добиться значитель-
ного снижения вызванных ими составляющих погрешности. Метро-
логическое обеспечение толщиномеров базируется на использова-
нии аттестованных по толщине образцов из различных материа-
лов.
Рис. 2.10. Зависимость от-
носительной диэлектриче-
ской проницаемости е, от
пористости ВТ н влажности
S композита
Электроемкостные измерители размеров находят применение
для измерения диаметра тонкой (до нескольких микрометров) про-
волоки, текстильных нитей и волокон,
толщины диэлектрических, полупровод-
никовых и проводящих пластин, лент,
пленок. Во многих случаях они успешно
конкурируют с оптическими и вихретоко-
выми приборами.
Контроль свойств и состава диэлек-
трических материалов. Как было показа-
но, электроемкостные приборы можно
применять для измерения относительной
диэлектрической проницаемости ег и тан-
генса угла диэлектрических потерь tg б„
различных материалов. Измеряя эти два
параметра, можно контролировать физи-
ко-механические свойства диэлектрических объектов.
Для измерения в, и tg вП применяют приборы, разработанные
в Институте механики полимеров АН Латвии под руководством
проф. И. Г. Матиса [2, 3]. Например, прибор типа 7212 имеет сле-
дующие технические характеристики:
Диапазон измеряемых значений е, при tg6n^0,l .... 1 ...6
Погрешность измерения а, ............... ± (0.05е, + 0,02)
Размеры зоны контроля, мм................................... 60X60
Минимальная толщина ОК, мм................................... 15
Допустимые неровности поверхности ОК, мм...................... 0,2
Прибор работает на частоте 1 МГц и укомплектован накладны-
ми преобразователями цилиндрической и прямоугольной формы.
Прибор типа 7004 имеет такие же характеристики при измере-
нии е„ но позволяет измерять tg бп в пределах 0,01... 0,05 с по-
грешностью 5%.
Так как диэлектрическая проницаемость связана с различными
физико-механическими параметрами материалов, то, изучив пред-
варительно эту связь, можно контролировать требуемые парамет-
ры. Так, используя зависимости ег от пористости W и влажности
S композиционного материала (рис. 2.10), можно по измеренному
34
значению ег определить один из этих параметров при известном и
неизменном втором.
Контролируя непрерывно значения ег и tg6n, можно следить
за кинетикой химических реакций, кристаллизацией, полимериза-
цией (отверждением), старением, вулканизацией. Плотность мате-
риала, зависящая от его макроструктуры, которая, в свою очередь,
связана с числом поляризуемых частиц в единице объема, также
связана с его диэлектрическими параметрами. Радиопрозрачность
как показатель изменения амплитуды и фазы радиоволны, прохо-
дящей через слой материала, зависит от его состава, структуры
и толщины. При этом tg6n определяет затухание волны, ег — фа-
зовый сдвиг, а толщина влияет на оба этих параметра. По изме-
ренным значениям ег композита можно определить характеристи-
ки состава и структуры, например коэффициент армирования и
диэлектрические параметры компонентов, используя формулы для
вычисления среднего значения диэлектрической проницаемости ге-
терогенных (разнородных) систем или номограммы, приведенные
В [3].
Электроемкостные преобразователи широко применяют для из-
мерения влажности различных материалов по значениям ю, по-
скольку диэлектрическая проницаемость воды отличается от ди-
электрической проницаемости большинства пластмасс, композитов,
текстиля, зерна, угля и других материалов. Так, для свободной
(гигроскопической) воды sr~80, а для названных материалов ег
не превышает 10. Однако вода может содержаться в материале
и в другом виде. Диэлектрическая проницаемость воды, абсорби-
руемой (поглощаемой) в виде монослоя, равна 2,5; при электри-
ческой поляризации влажной гетерогенной (однородной) среды
значение е,г этой среды может быть более 80, что необходимо учи-
тывать при измерении влажности.
Преобразователи электроемкостных измерителей влажности
имеют различную конструкцию, определяемую состоянием контро-
лируемого материала (твердый, сыпучий). Диапазон влажности
также зависит от возможных значений ег для конкретных материа-
лов. Так, влажность зерна можно определить в диапазоне 8...35%,
бумаги, текстиля 5...30%, угля 5...20%, а диапазон измерения
универсальных влагомеров 0...80%. Погрешность измерения 0,3...
2%.
Для метрологического обеспечения, настройки и калибровки
влагомеров используют электрические (RC) эквиваленты преобра-
зователя с ОК, а также аттестованные физические образцы. Пер-
вые используются для настройки и периодической поверки, а вто-
рые— для калибровки и метрологической аттестации влагомеров.
По сравнению с радиоволновыми [17] электроемкостные влаго-
меры проще по конструкции, не требуют специальных мер био-
логической защиты от излучений СВЧ.
2.
35
Задачи
2.2.1. Определить относительную диэлектрическую проницаемость еги и тан-
генс угла диэлектрических потерь tg 5Я материала ОК, если измеренное значе-
ние емкости Сз электроемкостного преобразователя с кабелем, взаимодействую-
щего с ОК, составило 200 пФ, tg 52=0,02, значение емкости С\ преобразовате-
ля с кабелем в отсутствие взаимодействия с ОК равно ,120 пФ; tg 61 = 0,003,
а емкость кабеля 20 пФ.
Решение
Пренебрегая паразитными емкостями (выводов и элементов крепления элект-
родов преобразователя и др.), которые, по-видимому, малы по сравнению с
емкостями кабеля, из (2.5) находим начальную емкость преобразователя:
Со « Ct - СИ1 = 120 — 20 = 100 пф.
Тогда из (2.7) имеем
«,м = (С2™ CtVCo-b 1 =»(200 — 120)/100 + 1 ^1,8
и из (2.8)
tg *м«» (tg —tg М (I — IЛ, й) =(0,02— 0,003) (I — 1/1,8) =9,4- 10~з.
2.2.2. Построить градуировочную характеристику Т«=/(С) преобразователя,
показанного на рнс. 2.8, б, при измерении толщины Т картона, если радиус Ro
опорного барабана 1 равен 100 мм, а ширина /=1 м, зазор h между бараба-
ном и электродом 2,5 мм, толщина Т картона меняется от 0,5 до 4 мм, а элект-
род 2 охватывает 1/4 окружности барабана. Относительную диэлектрическую
проницаемость ег картона принять равной трем.
Решение
Для построения зависимости Т=/(С) воспользуемся формулой для емко-
сти двуслойного цилиндрического конденсатора из [4, с. 146):
где Ro — радиус внутреннего электрода; Rt — внешний радиус первого диэлект-
рического слоя (картона в нашем случае); /?2 —-радиус наружного электрода;
Bn—относительная диэлектрическая проницаемость первого слоя; ег2— 1, по-
скольку второй слой — это воздушный зазор. Очевидно, что Ri = R0-j-T.
Так как в преобразователе, показанном на рис. 2.8, б, наружный электрод
охватывает только 1/4 окружности, то, пренебрегая краевым эффектом, в фор-
мулу для емкости следует ввести коэффициент 1/4. Если по полученной форму-
ле рассчитать зависимость C=f(Rt), то, используя связь между Rit RQ и Т,
получим искомую зависимость
Итак, расчетная формула имеет вид
J_________________________
4 '
Подставляя в нее значения
ео=(4л-9-109)-1 Ф/м; м—3 и / —I м,
36
получим (в фарадах)
IO-9
24 f In —"— + 3 In....1
\ /?о *1 )
Результаты расчетов сведены в таблицу:
Т, мм 0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 4,0 4.5 5,0
Rt, мм 100 100,5 101,0 101,5 102,0 102,5 103,0 104,0 104,5 105
С, пФ 285 305 329 '357 390 430 477 613 714 854
Градуировочная характеристика приведена на рис. 2.11. Из рис. 2.11 сле-
дует, что в диапазоне г=0... 2 мм характеристика близка линейной.
7,мм
4
3
2
1-
0
250 500 750 С, пФ
Рис. 2.11. Градуировоч-
ная характеристика пре-
образователя при изме-
рении толщины картона
Рис. 2.12. Картины поля в электро-
проводящем ОК при слабом скин-
эффекте в отсутствие (а) и при на-
личии (б) трещины
2.3. ЭЛЕКТРОПОТЕНЦИАЛЬНЫЙ МЕТОД
И МЕТОД ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ
Электропотенциальный метод основан на регистрации распре-
деления электрического потенциала по поверхности ОК. Распреде-
ление потенциала определяется свойствами ОК, проводящего элек-
трический ток, создаваемый внешним источником. Метод исполь-
зуется главным образом для дефектоскопии электропроводящих
объектов, в частности для измерения глубины трещин.
На рис. 2.12 показаны картины электрического поля в электро-
проводящей пластине при отсутствии и наличии в ней трещины.
С помощью электродов /, 2, называемых токовыми и установлен-
ных по разные стороны трещины, глубину которой необходимо из-
мерить, к пластине подводится электрический ток. Вектор плотно-
сти тока J в пластине определяется вектором напряженности элек-
37
трического поля Е и совпадает с ним по направлению: J = <jE, где
а— удельная электрическая проводимость материала ОК.
Распределение плотности тока в ОК можно найти, решив крае-
вую задачу, описываемую уравнениями Максвелла и граничными
условиями. К сожалению, аналитические решения имеющих прак-
тическую значимость задач контроля представляют большие труд-
ности. При необходимости можно использовать методы физиче-
ского и математического моделирования, в частности численные
методы с применением ЭВМ. Од-
нако для практической дефекто-
скопии решать такие задачи нет
необходимости. Решение требует-
ся для оптимизации параметров
контроля, например расстояния
между токовыми и потенциаль-
Рис. 2.13. Картины поля в эле-
ктропроводящем ОК при силь-
ном скин-эффекте в отсутствие
и при наличии трещины
ными электродами и соотношения
между этими расстояниями.
На рис. 2.12 показаны линии
равных значений плотности тока
(сплошные) и линии равных зна-
чейий электрического потенциала
(штриховые), называемые эквипотенциалями, которые взаимно ор-
тогональны. Из сопоставления картин поля рис. 2.12, а, б следует,
что трещина в сплошной проводящей среде, ориентированная по-
перек изолиний плотности тока, вызывает искажение изолиний
плотности тока и эквипотенциалей. Это можно обнаружить, изме-
ряя разность потенциалов между двумя точками па поверхности с
помощью потенциальных электродов 3 и 4, расстояние между ко-
торыми фиксировано. Очевидно, что степень искажения эквипо-
тенциалей зависит от глубины трещины h, поэтому разность потен-
циалов U между потенциальными электродами определяется зна-
чением h. Разность потенциалов U зависит также от ширины тре-
щины, тока источника, удельной электрической проводимости а
материала и геометрических параметров ОК. Влияние ширины
трещины проявляется при отношении ее ширины к глубине, боль-
шем 0,1. На практике это отношение меньше 0,1, поэтому влияни-
ем изменения ширины трещины можно пренебречь. Если контроль
осуществляется на переменном токе, то разность потенциалов за-
висит также от круговой частоты « тока и абсолютной магнитной
проницаемости ца материала ОК вследствие скин-эффекта. По-
следний проявляется в уменьшении глубины проникновения б элек-
тромагнитного поля в ОК с повышением частоты (о. Это позволя-
ет исключить влияние толщины ОК на показания прибора, так как
контуры тока сосредоточиваются в поверхностном слое (скин-
слой; от англ, sceen — шкура). Влияние скин-эффекта иллюстри-
рует рис. 2.13.
38
г
Ряс. 2.34. Разновидности эондоэ
измерителей глубины трещин:
/ — четырехэлектродные, 2 — трех-
электродные
В случае плоской электромагнитной волны толщина скин-слоя
определяется известным выражением 8=]/2/(и>р,о) . Если глуби-
на h трещины мала по сравнению с расстоянием 2а между токо-
выми электродами, то зависимость напряжения от h линейна.
На практике измеряют разность б/я—Uo напряжений, где ил, Ua~
напряжение между потенциальными электродами при наличии
между ними трещины и без нее.
Чтобы исключить влияние тока и удельной электрической про-
водимости ОК иа информативный параметр, целесообразно ввести
относительную разность напря-
жений U,= (Ua—Тогда
глубину трещины можно опреде-
лить по приближенной формуле
h~ — U.\ 2Д — расстояние между
потенциальными электродами.
Этой формулой можно пользо-
ваться при условии h-:~_a и в слу-
чае постоянного тока. На пере-
менном токе, когда скин-эффект
существенно проявляется, т. е.
толщина б скин-слоя значительно
меньше толщины ОК, зависи-
мость Л (17.) можно считать ли-
нейной, если ftsgS независимо от
расстояния между токовыми электродами.
Если h>a при использовании постоянного тока или h>8 при
использовании переменного тока, зависимости h(U.) нелинейны.
Они нелинейны также в случае расположения потенциальных элек-
тродов вблизи токовых, поскольку при этом поле токов в зоне
измерения резко неоднородно даже при отсутствии трещины.
Конструкции электродов (или щупов) разнообразны, что поз-
воляет выбрать наиболее подходящий вариант для контроля кон-
кретных объектов. Обычно электроды размещаются в головке (зон-
де), соединенной кабелем с электронным блоком (рис. 2.14). Для
хорошего контакта с поверхностью ОК электроды заостряют и
подпружинивают. При установке зонда иа поверхность ОК опе-
ратор сжимает пружину, надавливая на держатель зонда.
Используют два типа зондов: четырех- и трехэлектродные (рис.
2.14). В трехэлектродном зонде два электрода потенциальные и
один токовый. Другой токовый электрод — выносной, он выпол-
няется в виде постоянного магнита, который подключается к ис-
точнику тока соединительным шнуром (рис. 2.15). Это позволяет
устанавливать его на поверхность ферромагнитных ОК достаточно
далеко от зонда (не ближе 60 мм), чем достигается независимость
показаний прибора от расстояния между токовыми электродами
39
при измерении трещин различной глубины. Четырехэлектродные
зонды выполняют с различными расстояниями между токовыми
электродами, при этом для трещин большой глубины используют
зонды с большим расстоянием между токовыми электродами.
При контроле с помощью трехэлектродных зондов используется
и четырехэлектродный зонд 1 (рис. 2.14), входящий в комплект
Рис. 2.15. Комплект измерителя глубины трещин:
1— электронный блок, 2— соединительный шпур для выносного электрода. 3 — зонды,
4 *—выносные электроды (магнитные), 5 — контрольный образец
прибора, для коррекции влияния свойств материала ОК на резуль-
таты измерения. Его устанавливают последовательно на безде-
фектные участки контрольного образца 5, входящего в комплект
прибора (рис. 2.15), и объекта контроля. Изменяя чувствитель-
ность измерителя, добиваются совпадения показаний в обоих слу-
чаях. Это позволяет отказаться от применения для калибровки
набора рабочих образцов (с трещинами) из тех материалов, из
которых выполнены объекты, подлежащие контролю.
Измерители глубины трещин содержат источник стабилизиро-
ванного постоянного, переменного или импульсного тока (обычно
0,3 ...20 А), усилитель, детектор (для переменного и импульсного
тока) и индикатор (аналоговый или цифровой). Частота перемен-
ного тока или частота повторения импульсов тока 1 ... 1,5 кГц,
диапазон измерения глубины трещин 0,1... 120 мм. Погрешность
измерения глубины трещин 10...20%. Метрологическое обеспече-
ние базируется на применении аттестованных контрольных образ-
цов с искусственными дефектами. Для поверки в некоторых при-
борах применяют также электрические имитаторы трещины в виде
калибровочных электрических цепей, создающих образцовый сиг-
нал.
40
Электропотеициальные приборы применяют для измерения глу-
бины трещин, обнаруженных магнитопорошковыми, вихретоко-
выми и другими средствами НК, имеющими низкие пороги чувст-
вительности, но не позволяющими достоверно судить о глубине
дефектов. Поэтому измерители глубины трещин применяют обычно
в сочетании с соответствующими дефектоскопами других видов.
Ими пользуются для контроля состояния трубопроводов, рабо-
тающих под давлением, энергетического и транспортного оборудо-
вания (рис. 2.16). Другая важная область применения — количе-
ственное изучение процесса роста трещин при усталостных, проч-
ностных и других видах испытаний материалов н изделий.
Рис. 2.16. Применение измерителя
глубины трещин RMG 4011 фирмы
«Karl Deutsch» (ФРГ) для контроля:
а — зубчатых колес; б — радиусных пере-
ходов валов; в — внутренней поверхности
деталей сложной формы; 1 — электронный
блок; 2 — зонды, 3 — выносной электрод,
4 — объект контроля
Электропотеициальные приборы позволяют контролировать объ-
екты из любых электропроводящих материалов: сталей, чугунов,
цветных металлов и сплавов, графитов. Как уже указывалось, ши-
рина трещины практически не влияет на точность измерения. Од-
нако ее длина должна не менее чем в три раза превышать глуби-
ну. В противном случае изменяется картина поля: заметное влия-
ние оказывают составляющие тока, охватывающие края трещины.
Поэтому не могут быть измерены геометрические параметры таких
дефектов, как поры, раковины, объемные включения.
Электропотеициальные измерители глубины трещин просты в
устройстве и эксплуатации, имеют малые габариты, массу (2...
5 кг), стоимость. Они выпускаются различными фирмами и ши-
роко распространены на практике [3]. Эти приборы почти вне
41
конкуренции, поскольку возможности ультразвуковых дефектоско-
пов в измерении глубины трещин ограничены, а радиационные де-
фектоскопы сложнее и требуют биологической защиты [6, 17].
Известны применения электропотенциальных приборов для из-
мерения толщины стенок труб, электропроводящих покрытий на
изоляционных и проводящих основаниях, а также для контроля ка-
чества паяных соединений. Однако эти применения не получили
Рис. 2.17. К определению
электрического сопротивле-
ния участи ОК
значительного распространения.
Метод электрического сопротив-
ления основан на регистрации зна-
чения электрического сопротивле-
ния участка объекта контроля.
Этот метод’ по физическим основам
близок электропотенциальному.
Если предположить, что удель-
ное электрическое сопротивление
материала ОК в точке зависит от
ее положения между измерительны-
ми электродами 1 и 2 (рис. 2.17):
p=p(Z) так же, как и площадь по-
перечного сечения OK: S=S(Z), то очевидно, что сопротивление
Rti участка 1-2 ОК определяется интегралом по этому участку
контура I:
Я12= f -£W-d/_
’ I S(l)
(2.9)
В общем случае вычисление этого интеграла затруднительно.
Если р и S не зависят от координат, т. е. p=const и S=const, то
формула (2.9) упрощается и принимает вид
R^fl/S. (2.10)
Из (2.10) следует, что по измеренному значению сопротивления R
можно судить об удельном сопротивлении р материала ОК и о гео-
метрических параметрах ОК. Это позволяет также вести контроль
свойств материала ОК, используя связи р с химическим составом,
структурой и другими параметрами материала ОК.
Методы измерения р при известных Z и S давно и хорошо из-
вестны в физике и электротехнике. Однако значительную конку-
ренцию контактным методом измерения р составляют бесконтакт-
ные вихретоковые методы (см. гл. 4). Поэтому здесь мы остано-
вимся только на методах и средствах измерения геометрических
параметров электропроводящих ОК.
Приборы, основанные на методе электросопротивления, приме-
няют для измерения толщины электропроводящих покрытий на
изоляционных основаниях, в частности для измерения толщины
медных проводников на печатных платах — основных копструктив-
42
Рис. 2.18. Эквивалентная
схема электрической цепи
при четырехэлектродном
подключении к ОК
Пых элементах радиоэлектронных и электронных вычислительных
средств.
Одна из главных проблем при этом состоит в исключении
влияния переходных сопротивлений электрических контактов, со-
измеримых с сопротивлениями ОК, на результаты измерений. Эта
проблема в основном решается при использовании четырехэлек-
тродной схемы измерения сопротивления.
На рис. 2.18 приведена эквивалентная
схема электрической цепи при четырех-
электродном подключении к ОК, анало-
гичном показанному на рис. 2.12. Из схе-
мы следует, что переходные сопротивле-
ния 7?т1 и Rti токовых контактов 1 и 2
не влияют на напряжение U, пропорцио-
нальное измеряемому сопротивлению Rx.
Очевидно, что U ле зависит от переход-
ных сопротивлений /?„.> и R„t потенци-
альных контактов 3 и 4, поскольку в измерительной цепи можно
пренебречь током из-за высокого входного сопротивления измери-
теля напряжения U.
Рассмотрим реализацию метода электросопротивления па кон-
Рис. 2.19. Осевое сечение
металлизированного отвер-
стия печатной платы
кретном примере измерителя толщины
медного покрытия в отверстиях печат-
ных плат. Покрытие наносится для
электрического соединения проводни-
ков на противоположных сторонах
двусторонних печатных плат и для со-
единения проводников в слоях много-
слойных печатных плат, а также вы-
полняет функции монтажных узлов: в
отверстие вставляют и запаивают вы-
воды электрорадиоэлементов (микро-
схем, резисторов, конденсаторов и др.).
На рис. 2.19 схематически показа-
но осевое сечение металлизированного
отверстия в печатной плате, выпол-
ненной из стеклотекстолита 2, покры-
того медной фольгой 3, образующей
электропроводящий рисунок на по-
верхности платы. Слой 1 гальванической меди, осажденной в от-
верстии из электролита, служит для соединения проводников на
поверхностях платы. Защитный слой 4 оловянно-свинцового метал-
лорезиста предохраняет гальваническую медь от окисления. Тол-
щина печатных плат колеблется от 0,5... 1 до 2...3 мм, диаметр d
отверстий —от 0,4 до 1,5 мм, толщина Т слоя меди не должна
быть меньше 25 мкм, толщина t защитного слоя 10... 15 мкм. Диа-
метр D контактной площадки обычно вдвое больше диаметра d.
43
элементов в отверстии,
ного слоя, из-за отрыва
Рис. 2.20. Схема намерения
толщины металлизирован-
ного слоя отверстия печат-
ной платы
Если толщина Т медного слоя меньше 25 мкм, возрастает ве-
роятность отказа электрического соединения, вызванного перегре-
вом в результате прохождения тока при эксплуатации печатного
узла, а также из-за постепенного окисления слоя. Слишком тонкий
слой меди может быть также разрушен в процессе пайки выводов
из-за поперечных разрывов и трещин мед-
от него контактных площадок. Увеличение
толщины слоя меди сверх 25 мкм при-
водит к ухудшению его качества, а так-
же к уменьшению диаметра отверстия.
Таким образом, от значения Т зависят
качество печатных плат, надежность пе-
чатных узлов и, следовательно, всего
электронного устройства.
Толщину слоя меди в отверстиях кон-
тролируют разрушающими и неразруша-
ющими методами. Разрушающий метод
микрошлифов, используемый для выбо-
рочного контроля, позволяет непосредст-
венно измерять толщину Т слоя с по-
мощью микроскопа, но он трудоемок, до-
рог и дает только вероятностную оценку
качества металлизации по всей партии
плат.
Для неразрушающего контроля при-
меняют приборы, основанные на методе электросопротивления, ко-
торыми измеряют сопротивление трубки 1 из гальванической ме-
ди, полученной при металлизации отверстия в диэлектрической
плате 2 (рис. 2.19). Пропуская ток вдоль трубки с помощью элек-
трических пружинных контактов, устанавливаемых на ее торцах,
измеряют электрическое сопротивление R трубки и, зная диаметр
d отверстия, толщину I платы, удельное электрическое сопротив-
ление рм меди, рассчитывают толщину Т. При этом влиянием тон-
кого слоя металлорезиста 4 на сопротивление трубки пренебрега-
ют, так как удельное электрическое сопротивление этого слоя в
несколько раз больше, чем у меди, а на торцевых частях трубки
слой металлорезиста оказывает малое влияние на R, поскольку со-
противление этих слоев (толщиной не более 15 мкм) мало по срав-
нению с сопротивлением трубки, длина которой (не менее 0,5 мм)
во много раз превышает толщину двух слоев металлорезиста. Тог-
да в соответствии с (2.10)
п__ _______«__________L
+2Г)2-£/2} ₽Рм ndT ’
откуда Г=7?ш// (рм/), т. е. толщиномер имеет линейную градуиро-
вочную характеристику.
44
На рис. 2.20 схематически показаны устройство электродов
толщиномера и их контакт с трубкой металлизации отверстия.
Электроды в виде усеченных конусов, прижимаемых пружиной
к торцам металлизированного отверстия, выполняют роль токовых
контактов, а врезанные в них по образующим и отделенные от ос-
новного тела / изолирующими прокладками 2 металлические пла-
стины 3 — роль потенциальных электродов. Благодаря конической
форме электроды могут самоцентрироваться в отверстии, обеспе-
чивая равномерный контакт по торцам трубки, что необходимо для
снижения погрешности измерения, связанной с неоднородностью
поля токов в зоне контактирования потенциальных электродов.
При неизменном токе I напряжение U прямо пропорционально
продольному сопротивлению R трубки 1.
Описанная конструкция электродов применяется в специализи-
рованных приборах для измерения толщины медного слоя в от-
верстиях печатных плат, например в приборах типа «Caviderm»
американской фирмы <UPA Technology» (рис. 2.21). Приборы
снабжаются зондами различной конструкции, позволяющими кон-
тролировать печатные платы в разных условиях, в частности ка-
чество металлизации отверстий диаметром от 0,4 мм в печатных
платах толщиной 0,4... 5 мм и шириной до 600 мм. Приборы со-
держат микропроцессоры, принтеры, звуковые и световые сигна-
лизаторы брака. Результаты серии измерений, выполненных с ин-
струментальной погрешностью 1 мкм, обрабатываются статисти-
Рис. 2.21. Измеритель толщины медного покрытия отверстий печатных плат
«Caviderm» (США):
/ — электронный блок, 2 — принтер, 3 — измерительный стенд, 4 — линза, 5 — измеритель*
ный зонд, 6 — контролируемая плата
чески. Можно непосредственно измерять сопротивление трубки
металлизации в диапазоне 0...2000 мкОм с инструментальной по-
грешностью 1 мкОм. Через электроды пропускается импульсный
ток с максимальным значением в импульсе 80 мА. Калибровка
прибора осуществляется по аттестованным контрольным образцам.
Значения I и d вводятся оператором с пульта. Методическая по-
грешность прибора не оговаривается. Она зависит от равномерно-
45
сти контакта по торцу отверстия, а также от вариаций значений
рм, I, d в пределах допусков. Реальная методическая погрешность
превышает инструментальную в 3 ... 5 раз.
Особенность приборов типа «Caviderm» заключается в сущест-
венном влиянии соседних металлизированных отверстий на ре-
зультаты измерения, поскольку медные трубки в этих отверстиях
оказываются включенными параллельно измеряемой. Это делает
невозможным контроль качества металлизации отверстий плат,
если проводящий рисунок платы получают методом химического
стравливания медйой фольги, покрывающей заготовку платы с
двух сторон (субтрактивный метод) до травления. Именно на этой
стадии, после сверления отверстий и металлизации их поверхности,
контроль невозможен, но был бы наиболее эффективен.
Следует отметить, что в приборах, основанных на методе элек-
трического потенциала и методе электрического сопротивления,
редко используется постоянный ток, так как в этом случае на ре-
зультат измерения может оказывать влияние эффект поляризации.
Приборы, основанные на методе электросопротивления, как и
электропотенциальиые, используют также для измерения толщины
электропроводящих покрытий. Их, в частности, можно применять
для измерения толщины проводников на поверхности печатных
плат.
Задачи
2.3.1. Определить максимальную глубину hmaf трещин, измеряемую электро-
потенциальным измерителем, при которой зависимость между относительным
изменением напряжения U, и глубиной трещины линейная, если прибор рабо-
тает на переменном токе частотой [—1 кГц и используется для контроля сталь-
ных деталей. Относительная магнитная проницаемость ц, контролируемых сталей
лежит в пределах 20... 40, удельная электрическая проводимость а=1...
5 МСм/м.
Решение
Соотношение между глубиной h трещин и относительным изменением на-
пряжения —U0)/U0 описывается линейной зависимостью h — 0.5Д4Л,
если выполняется условие Л^б, где б—глубина проникновения плоской волны
электромагнитного поля в металл ОК. Так как то минимальное
значение 6mtn получается при максимальных значениях ца и о. Так как
|1а(Гн/м) — цоЦг = 4л-1О"7Цг, то следовательно.
б1л1п = /2/(2л- 103.4л-10-7-40-2,5-106) =0,0016 м = 1,6 мм.
Для сохранения линейной зависимости должно выполняться условие h^.
1,6 ММ, Т. е. Лгвах—1,6 мм.
2.3.2. Найти напряжение U между потенциальными электродами прибора
при измерении толщины Т медного слоя в отверстии печатной платы, если диа-
метр отверстия d—1 мм, толщина платы 1=2 мм. Толщина медного слоя Т=
=25 мкм, ток I вдоль слоя равен 100 мА.
46
Решение
Используем полученное в этом параграфе приближенное выражение для
сопротивления медного слоя в отверстии:
К р“ пат wdT
Согласию справочным данным [3], удельная электрическая проводимость меди
ОмСебО МСм/м (при 20°C), Тогда
________2-10-3________
60-(00 л-10-3.25- 10-е
= 424-10-6 Ом = 424 мкОм,
а напряжение
U = RI = 424-10-«-100- Ю-з = 42,4 мкВ.
1.4. термоэлектрический, электроискровой,
ТРИБОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ И ДРУГИЕ МЕТОДЫ
Термоэлектрический метод основан на регистрации термоэлек-
тродвижущей силы, возникающей при контакте разнородных про-
водников, один из которых — объект контроля.
Из курса физики известно, что при контакте проводников раз-
личного химического состава в тонком контактном слое возникает
электродвижущая сила, называемая контактной [7]. Если из раз-
нородных проводников составить замкнутую цепь, то ток в ней
определяется суммой контактных эдс. В цепи, составленной из
проводников первого класса, к которым относятся металлы и
сплавы, алгебраическая сумма контактных эдс равна нулю, если
все участки цепи имеют одинаковую температуру. Следовательно,
в такой цепи при отсутствии эдс другого происхождения (сторон-
них, индуцированных и т. д.) ток отсутствует.
Если же контакты разнородных проводников имеют различную
температуру, то возникающая в цепи эдс, называемая термоэлек-
трической, создает ток. Это явление называют термоэлектрическим
эффектом или эффектом Зеебека по имени немецкого физика
Т. И. Зеебека (1770—1831), открывшего это явление в 1821 г. в
паре медь—висмут. Термоэдс определяется формулой Ei = a(tr—
—tx), где а — коэффициент термоэдс, зависящий от химического
состава пары контактирующих проводников; /г — температура на-
гретого («горячего») контакта; G— температура ненагретого («хо-
лодного») контакта.
Если в качестве одного из электродов пары использовать метал-
лический объект, а горячий и холодный электроды изготовить из
известного металла, то, зная разность температур tr—t* и измеряя
термоэдс Et, можно определить а и, следовательно, идентифици-
ровать материал объекта контроля. На этом основано использо-
вание термоэлектрического эффекта для сортировки металлов и
сплавов, по маркам (химическому составу).
47
В тех случаях, когда ОК представляет двуслойную среду, на-
пример металлическое покрытие иа металлическом основании
(рис. 2.22), электрическая цепь содержит две последовательно со-
единенные термоэлектрические пары: электрод — покрытие и по-
крытие— основание. Результирующая термоэдс
£<=“,» (4— + W. (2.Н)
где аап, апо — дифференциальные коэффициенты термоэдс пар элек-
трод— покрытие, покрытие — основание соответственно; /2, —
температуры контактов электрод — покрытие и покрытие — осно-
вание в зоне горячего электрода Г (рис. 2.22). При этом предпо-
лагается, что в зоне холодного электрода X температура ОК равна
температуре окружающей среды. Температуры и Л зависят от
Ряс. 2.22. К пояснению
термоэлектрического ме-
тода измерения толщи-
ны металлических по-
крытий
термоэдс от толщины по-
крытия при выполнении
электродов из материа-
ла основания (а) и ма-
териала покрытия (б)
температуры горячего электрода, теплопроводности и массы покры-
тия и основания. Так как масса покрытия зависит от его толщины,
то, следовательно, термоэдс зависит от толщины покрытия. Это
обстоятельство используют при создании термоэлектрических тол-
щиномеров металлических покрытий. На рис. 2.23 приведены гра-
фики зависимости термоэдс Et от толщины покрытия, когда элек-
троды выполнены из материала основания (а) и покрытия (б).
Действительно, в первом случае a9n=aon, и формула (2.11) прини-
мает вид
Et'— Иои (/2 /о) “f" ®ио(Л ~~ /о)= Оон (^2 ~~ АД
поскольку аоп=—апо.
Во втором случае аЭп—0, и формула (2.11) имеет вид
С увеличением толщины покрытия нагрев контакта покрытие —
основание уменьшается и снижается ti. В первом случае это вы-
48
л) 6)
Рис. 2.24. Абсолютная (а) и диф-
ференциальная (б) схемы термо-
электрического контроля
зывает увеличение, а во втором — уменьшение абсолютного зна-
чения термоэдс.
При контроле термоэлектрическим методом применяют две ос-
новные схемы: абсолютную и дифференциальную. Горячий элек-
трод (обычно медный) нагревается переменным током подогре-
вателя и размещается в термоизолированном корпусе. В этом же
корпусе находится датчик температуры (терморезистор), с помо-
щью которого регулируется ток подогревателя так, чтобы разность
температур горячего и холодного
электродов была постоянной. При
использовании абсолютной схемы
(рис. 2.24, а) измеряется абсолют-
ное значение термоэдс £< и по нему
с помощью справочных таблиц, при-
веденных, например, в [3], опреде-
ляется марка материала объекта
контроля. Дифференциальная схема
(рис. 2.24, б) позволяет сравнивать
объект контроля 1 с контрольным
образцом 2, выполненным из задан-
ного материала, путем измерения
разности А£/ термоэдс пар элект-
род — ОК и электрод — контроль-
ный образец. При совпадении химического состава материалов ОК
и контрольного образца Л£<- 0. Составив в процессе предвари-
тельных экспериментов на контрольных образцах таблицу зави-
симости А£< от содержания той или иной иримеси в сплаве, мож-
но сортировать ОК по содержанию этой примеси.
Очевидно, что термоэлектрические приборы можно применять
только для контроля металлических объектов, не имеющих изо-
ляционных покрытий (лаковых, красочных, эмалевых и др.).
Выпускаемые в нашей стране и за рубежом термоэлектрические
приборы градуируются в единицах напряжения (мВ). Разность
температур горячего и холодного электродов обычно устанавли-
вается в пределах 4О...8О°С и поддерживается с точностью ±0,5°С.
Диапазон измерения термоэдс 0... 10 мВ разбивается на поддиа-
пазоны. Холодный электрод имеет варианты конструкций, напри-
мер в виде зажима, что позволяет подключать его к крупным де-
талям, либо в виде блока с пазами и отверстиями для размещения
в них мелких деталей (рис. 2.25, а). Холодный и горячий электро-
ды могут быть конструктивно объединены в виде компактного дат-
чика, прижимаемого оператором к поверхности ОК (рис. 2.25,6).
Так как эти приборы предназначены для сортировки, а не для
измерения параметров ОК, то их метрологическое обеспечение
заключается в установлении погрешности измерения термоэдс, что
легко реализуется с помощью образцовых средств измерения на-
пряжения. Как уже указывалось, применение приборов для кон-
49
кретных целей требует предварительного установления связи тер-
моэдс с параметрами, по которым будет вестись сортировка.
Достоинствами термоэлектрических приборов являются относи-
тельная простота и невысокая стоимость, а также независимость
результатов сортировки от геометрических параметров ОК. Не-
достаток— необходимость непосредственного электрического кон-
такта с ОК.
Рис. 2.25. Термоэлектрический прибор для сортировки металлических деталей
по маркам материала:
а — основной комплект прибора; б — компактный датчик: /— электронный блок, 2 — блок
горячего электрода, 3 — холодный электрод для крупных деталей. 4 — объект контроля,
5 —холодный электрод для мелких деталей, б —холодный и 7— горячий электроды
Эти приборы применяют в основном для сортировки деталей
по маркам стали, экспресс-анализа стали и чугуна по содержанию
примесей в ходе плавки и в слитках, исследования процессов уста-
лости металлов и сплавов, измерения глубины закаленного слоя
и толщины гальванических покрытий.
Термоэлектрические толщиномеры покрытий пока не нашли
широкого применения из-за значительной погрешности и конку-
ренции вихретоковых, магнитных, радиационных приборов. С дру-
гой стороны, зависимость сигналов термоэлектрических приборов
от распределения температуры в слоях многослойных ОК позволя-
ет получать важную информацию об их свойствах.
Термоэлектрические приборы применяют для измерения толщи-
ны никелевых покрытий на стали, латуни, бронзе; хромовых по-
крытий на латуни; медных покрытий на стали, стеклотекстолите
и др.
Электроискровой метод основан на регистрации электрического
пробоя на участке поверхности объекта контроля. Он используется
для обнаружения нарушений сплошности диэлектрических защит-
ных покрытий на электропроводящих объектах, а также для об-
so
наружеиия трещин в диэлектрических объектах. В первом случае
высокое переменное, импульсное или постоянное напряжение при-
кладывается между электропроводящим основанием и специаль-
ным электродом на покрытии, а во втором — между двумя элек-
тродами, расположенными с противоположных сторон диэлектри-
ческого ОК. Если в диэлектрике, к которому приложено напряже-
ние, имеются газовые пузыри, поры, трещины, то в этом месте воз-
никает искровой пробой, т. е. скачкообразное увеличение электри-
ческой проводимости. Температура газа в канале искры достигает
104 К, что приводит к термической ионизации.
Ряс. 2.26. Электроискровой дефектоскоп:
1 — электронный блок, 2 — зажим с кабелем для подключения к ОК. 3 — магнитный кон-
такт, 4 — щеточный электрод шириной 200 мм, 5 —электрод из электропроводящей резины
шириной 200 мм, 6 — высоковольтный щуп, 7 — соединительный шнур
Искровому разряду предшествует коронный, который возникает
при значительной неоднородности электрического поля в разряд-
ном промежутке. Из-за специфической формы электродов, выпол-
няемых в виде металлических щеток, ионизация возникает лишь
в тонком слое вблизи концов электродов с малым радиусом кри-
визны. При повышении напряжения на коронирующем электроде
корона может перейти в дуговой или искровой разряд. Поскольку
мощность источника напряжения в электроискровых дефектоско-
пах мала, дуговой разряд не возникает.
Напряжение искрового пробоя (/11р=£Пр</, где Ещ>— электриче-
ская прочность диэлектрика, т. е. напряженность электрического
поля, при которой возникает пробой; d — расстояние между элек-
тродами (длина разрядного промежутка). Значение Ещ, для раз-
личных диэлектриков может быть определено по справочникам,
например [4]. Так, для воздуха при нормальных условиях Enf~
~3000 кВ/м. Следовательно, для разрядного промежутка d=
= 10 мм Упр~30 кВ.
51
Электроискровой дефектоскоп содержит источник регулируемо-
го высокого напряжения, электронный блок, набор электродов и
вспомогательных устройств. Электронный блок служит для регу-
лировки и индикации испытательного напряжения, счета числа
пробоев, световой и звуковой сигнализации о пробое. Он содержит
электронные устройства блокировки испытательного напряжения
при коротких замыканиях электродов на основание ОК или в слу-
чае касания электродов оператором, чем обеспечивается безопас-
ность работы. Возникновение искрового пробоя регистрируется
электронными устройствами дефектоскопа по изменению электри-
ческого режима цепи, в которой происходит пробой (изменение
тока и напряжения).
На рис. 2.26 показан электроискровой дефектоскоп с набором
электродов, а на рис. 2.27 — его применение для обнаружения де-
фектов изоляционного покрытия наружной поверхности стальных
труб большого диаметра. Предусмотрена замена электродов высо-
ковольтного щупа 6 в зависимости от условий контроля. Применя-
ют щеточные металлические электроды 4 и электроды из электро-
проводящей резины 5. Для подключения к металлическому осно-
ванию ОК имеются пружинный зажим 2 и магнитный контакт 3.
Электроды имеют различные варианты, что позволяет контроли-
ровать плоские поверхности, наружную и внутреннюю поверхность
труб, поверхности сложной формы. Для контроля внутренней по-
верхности труб длиной до 10... 15 м применяют специальные штан-
ги, а для контроля труб, сваренных в плети,— самоходные устрой-
ства с электроприводом.
Диэлектрические трубы 1 контролируют, размещая внутри них
цилиндрический электрод 4 из ферромагнитной стали, удерживае-
мый полем кольцевого постоянного магнита 3 (или электромаг-
нита), охватывающего трубы (рис. 2.28). Другой электрод 5 ох-
ватывает трубу снаружи.
Выпускаются стационарные дефектоскопические установки не-
прерывного технологического контроля на основе приборов, по-
добных описанным. Установки позволяют контролировать качество
изоляционных покрытий труб, диэлектрических покрытий на, ме-
таллической ленте, листах.
Напряжение между электродами зависит от толщины испытуе-
мого диэлектрического слоя и колеблется в пределах 0,5... 35 кВ,
а в отдельных случаях достигает 70 кВ. Дефектоскопы могут вклю-
чаться в сеть, имеется автономное питание. Электроискровые де-
фектоскопы широко используются для контроля качества диэлек-
трических покрытий толщиной до 10 мм из полимерных материа-
лов, эпоксидных смол, стекла, эмали, битума, лаков и красок, по-
зволяя обнаруживать поры, трещины, царапины и другие дефек-
ты, когда иные методы и средства практически не применимы.
Трибоэлектрический (от греч. tribes — трение) метод основан
на регистрации электрических зарядов, возникающих в ОК при
52
трении двух тел из разнородных материалов. Оба трущихся тела
электризуются под действием контактной разности потенциалов,
причем приобретаемые ими заряды равны по абсолютному зна-
чению и противоположны по знаку. При трении двух диэлектриков
положительно заряжается тот, у которого больше диэлектрическая
проницаемость. При трении диэлектрика о металл диэлектрик при-
обретает положительный заряд. Измеряя заряд, полученный объ-
ектами контроля при трении об одно и то же тело, можно сорти-
ровать объекты.
Рис. 2.27. Контроль качества изо-
ляционного покрытия стальных
труб портативным электроискро-
вым дефектоскопом с применени-
ем охватывающего катящегося
электрода в виде гибкой спирали
Рис. 2.28. Схема электроискровой
дефектоскопии диэлектрических
труб:
1 — контролируемая труба, 3 — при-
жимные ролики, соединенные с элект-
роприводом. 3 — кольцевой магнит,
4 — внутренний электрод. 5 — на-
ружный электрод
Другое приложение трибоэлектрического эффекта относится к
дефектоскопии. Если предварительно наэлектризованный диэлек-
трический порошок нанести на поверхность диэлектрического ОК,
то последний приобретает электростатический заряд противополож-
ного знака. Электростатическое поле на поверхности ОК искажа-
ется при наличии неоднородностей, например трещин, на краях
которых создаются электростатические поля рассеяния. В резуль-
тате порошок оседает на краях трещин, делая их хорошо различи-
мыми. Порошок обычно электризуют трением, продувая его через
наконечник пульверизатора, образующий трибоэлектрическую пару
с порошком. Возможна электризация порошка в электрическом
поле между'электродами, к которым приложена разность потен-
циалов. Описанный способ индикации дефектов называют электро-
статическим порошковым и применяют для обнаружения трещин
в изделиях из фарфора, фаянса, керамики, а также в эмалевых и
стеклянных покрытиях на металлах.
53
4
Для регистрации электростатических полей, созданных заряда-
ми на поверхности диэлектрических' объектов, можно использовать
датчик в виде металлической пластины, вблизи которой со скоро-
стью v перемещается диэлектрический ОК с распределенными по
его поверхности электрическими зарядами. В результате электро-
статической индукции датчик (электрод) получит с единицы дли-
ны перемещающейся поверхности заряд q и в электроде возникнет
ток, пропорциональный скорости о движения ОК.
Этот ток может быть измерен электрометриче-
ским усилителем, и, таким образом, распределе-
ние зарядов на поверхности ОК будет отобра-
жено выходным сигналом усилителя. Регистри-
руя выходные сигналы, можно судить о наличии
неоднородностей в ОК-
На рис. 2.29 приведена схема дефектоскопа
для контроля диэлектрической пленки с помо-
щью трехэлектродного датчика, имеющего по-
лосковые измерительные электроды, включенные
на входы дифференциального усилителя и за-
вемленный экранирующий электрод. Пленка
(полиимидная), контактируя с перемоточными
барабанами, электризуется в результате трения
о них. Электрические заряды концентрируются
вблизи неоднородностей пленки (пузырей, ло-
кальных изменений толщины, инородных вклю-
чений, проколов). Проходя над датчиком, они
индуцируют заряды иа электродах. Выходное
напряжение дифференциального усилителя-пре-
образователя «заряд—напряжение» пропорционально разности
зарядов пленки в зонах измерительных электродов. В результате
удается обнаруживать дефекты пленки в виде непроводящих вклю-
чений и наплывов пены диаметром 0,3 мм при скорости движения
пленки t>=0,5 м/с, зазоре между пленкой и измерительными эле-
ктродами 0,3 мм и ширине электродов 40 мкм.
Здесь описан опытный образец дефектоскопа, требующий даль-
нейшего совершенствования.
Следует отметить, что трибоэлектрические приборы имеют ог-
раниченное распространение.
Для получения информации о дефектах различных объектов
применяют приборы и устройства, использующие электро- и фото-
химические процессы.
В электрографическом методе обнаружения пор и трещин в ме-
таллических покрытиях на плоском металлическом основании ис-
пользуется электрохимический процесс. Действие приборов, ис-
пользующих этот метод, состоит в том, что к испытуемой поверх-
ности плоским электродом прижимают реактивную бумагу, про-
питанную электролитом, и пропускают постоянный ток между
54
Рис. 2.29. Схема
электростатическо-
го дефектоскопа
диэлектрических
пленок:
1 — контролируемая
пленка. 2 — изме-
рительные электро-
ды, 3 — экранирую-
щий электрод. 4 —
дифференциальный
усилитель-преобразо-
ватель «заряд — на-
пряжение»
или олове, из хрома на
Рис. 2.30. Схема установ-
ки для высокочастотной
фотографии:
/ — ОК. 2 — фоточувствн-
тельный слой. 3 — верхний
электрод, 4 — нижний эле-
ктрод
электродом (анодом) и испытуемой поверхностью. В результате
электрохимических процессов переносов ионов металла основы
к аноду в тех местах, где сплошность покрытия нарушена, бумага
меняет цвет и на ней образуется рисунок дефектов покрытия. Та-
кие приборы используются для обнаружения дефектов в покрытиях
из золота, платины, родия, палладия, нанесенных на медь, никель,
серебро, а также в покрытиях из никеля, цинка, кадмия, олова на
стали, в покрытиях из серебра на латуни
никеле. Они находят применение, напри-
мер, при контроле печатных плат и дру-
гих плоских объектов.
Метод высокочастотной фотографии.
Фотохимические процессы лежат в осно-
ве метода получения фотоизображений
объектов, помещенных в высокочастот-
ное электрическое поле, называемого ме-
тодом высокочастотной фотографии, а
также методом визуализации и фотогра-
фирования в электромагнитных полях
высокой напряженности. Он основан на
эффекте Кирлиана (по имени советского
фотографа С. Д. Кирлиана, открывшего эффект в 1957 г.). Суть
метода состоит в следующем. Если фоточувствительиый слой на-
ложить па электропроводящий или диэлектрический объект и по-
местить его между электродами, к которым приложено перемен-
ное напряжение, то в фоточувствительном слое появляется скры-
тое изображение объекта, которое после проявления становится
видимым. При этом зоны неоднородности ОК отображаются по-
чернением фотослоя.
На рис. 2.30 приведена схема установки для высокочастотной
фотографии. Нижний электрод плотно прилегает к поверхности
ОК, а верхний выполнен в виде валика с металлической поверх-
ностью, соединенной с генератором напряжения. Валик прокаты-
вается по поверхности ОК, плотно прижимаясь к ней. Между элек-
тррдами приложено напряжение U в виде радиоимпульсов с ча-
стотой несущей 75 ...300 кГц, частотой повторения 50 ...30 Гц и
длительностью 5 мс. Максимальное значение импульсного напря-
жения составляет.40 кВ. После прокатывания валика по поверх-
ности ОК фотослой проявляют обычным способом.
На установке исследовалась возможность контроля различных
диэлектрических объектов: многослойных пластин из стеклотек-
столита, органических тканей с пропиткой каучуком.
Исследования показали, что фотослой с разной степенью по-
чернения выявляет воздушные включения размером 4 мм и более
при толщине ОК, равной 10 мм. При уменьшении толщины ОК ми-
нимальные размеры обнаруживаемых включений снижаются до
1... 1,5 мм. При этом, если диэлектрическая проницаемость вклю-
55
чения больше проницаемости ОК, оно отображается более темной
относительно фона областью, а если наоборот, то светлой. При
контроле пропитанной каучуком ткани обнаруживается разная
степень пропитки.
Исследования показали также, что возможно обнаружение не-
проклеев между пластиком и металлическим слоем, если этот слой
использовать в качестве нижнего электрода по схеме рис. 2.30.
Так, при наклейке на алюминиевую пластину толщиной 1 мм слоя
полистирольного пенопласта толщиной 4 мм обнаруживается зона
иепроклея с раскрытием 0,01 мм.
Описанным способом возможен также контроль качества метал-
лических объектов. Неоднородности поверхности металла (трещи-
ны, включения) приводят к перераспределению электрического по-
ля на поверхности, что выявляется после проявления фотослоя.
При этом размеры мелких неоднородностей (узких трещин, про-
колов) увеличиваются в десятки и сотни раз. Фотоизображение
может также отображать внутреннюю структуру металлов и спла-
вов.
Предприняты попытки количественного анализа характеристик
высокочастотного разряда между поверхностью ОК и электродами.
Для этой цели С. Ф. Романием и В. А. Карамушко разработан
опытный образец импульсного высокочастотного дефектоскопа
ДИВ-1. Его основу составляет разрядно-оптический преобразова-
тель, представляющий обкладку с прозрачным электродом и раз-
рядным промежутком толщиной 50 мкм, сформированным со сто-
роны проводящего слоя электрода. Возникающий электрический
разряд между поверхностью ОК и прозрачным электродом сопро-
вождается оптическим излучением, которое по световоду длиной
1 м передается на фотокатод фотоэлектронного умножителя, уста-
навливаемого в электронном блоке прибора. Сигнал с выхода ум-
ножителя усиливается и поступает на индикатор. Таким образом,
возникает возможность количественной оценки интенсивности раз-
ряда при сканировании поверхности ОК преобразователем. По из-
менению показаний индикатора можно обнаружить зоны непро-
клея площадью 10 мм2 между металлом и стеклопластиком тол-
щнной 6 мм, а также контролировать с погрешностью ±5% содер-
жание каучука, пропитывающего органическую ткань.
Применение разрядно-оптического преобразователя позволяет
исключить длительный процесс получения фотоизображения. Даль-
нейшее совершенствование преобразователя привело С. Ф. Рома-
ния и В. В. Бурминова к созданию дефектоскопа ДИВ-ВИДЕО,
в котором оптическое излучение, вызванное электрическим разря-
дом, воздействует на слой электролюминофора, нанесенный на
стеклянную пластину с прозрачным электропроводящим покрыти-
ем, которое подключено к высоковольтному генератору. Изображе-
ние, полученное с помощью слоя электролюминофора, передается
по волоконно-оптической линии на мишень видикона телекамеры,
56
сигналы которой преобразуются в изображение на экране телеви-
зора, увеличенное до шести раз. Диапазон толщин ОК 0,5 ...5 мм,
диаметр зоны контроля не менее 30 мм.
Дефектоскопом удается обнаружить границы металлизирован-
ных слоев, расположенных под слоем диэлектрика толщиной до
500 мкм в композиционных материалах, с погрешностью не более
± 1 мм.
В заключение следует отметить, что рассмотренный метод ви-
зуализации и фотографирования в электромагнитных полях высо-
кой напряженности еще не вышел из стадии научных исследований
и разработок и серийной аппаратуры на его основе не имеется.
Задачи
2.4.1. Определить толщину Т никелевого покрытия на латуни Л63, если из-
мерение выполняют термоэлектрическим прибором с никелевыми электродами,
показывающим термоэдс £\ ——200 мкВ.
Решение
Так как электроды выполнены из материала покрытия, то, воспользовав-
шись кривой б на рис. 2.23, находим Тс^.4 мкВ.
2.4.2. Найти напряжение U источника, подключенного к щупу электроискро-
вого дефектоскопа, предназначенного для обнаружения в нормальных условиях
нарушений изоляционного покрытия толщиной 2 мм на металлических трубах.
Решение
Напряжение должно быть не меньше пробивного: U^U„P. Так как £/пр«==
= Enpd, а электрическая прочность воздуха в нормальных условиях £прсм
~3000 кВ/м и разрядный промежуток в виде воздушного включения не может
превышать толщину изоляционного покрытия, равную 2 мм, то Упр^З-НГХ
Х2-10-3=6-103 В=6 кВ.
57
Глава 3
МАГНИТНЫЙ КОНТРОЛЬ
3.1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И КЛАССИФИКАЦИЯ
МАГНИТНЫХ МЕТОДОВ КОНТРОЛЯ
Магнитный неразрушающий контроль применяют для объектов,
хотя бы частично изготовленных из ферромагнитных материалов,
существенно изменяющих свои свойства при воздействии магнит-
ного поля. Для контроля параметров неферромагнитных частей
объекта этот вид контроля применяется в том случае, когда про-
исходит взаимодействие магнитного преобразователя с ферромаг-
нитными частями объекта, а немагнитные части, находящиеся на
пути магнитного потока, влияют на его величину. Степень влияния
зависит от размеров немагнитных частей. В зависимости от кон-
кретных задач используют те или иные первичные информативные
параметры, определяемые по магнитным характеристикам мате-
риала объекта контроля.
Различают статические и динамические магнитные характери-
стики ферромагнетиков. К статическим относят кривую намагни-
чивания и предельную петлю гистерезиса (рис. 3.1). Явление ги-
стерезиса состоит в том, что физическая величина, характеризую-
щая состояние вещества (например, намагниченность или магнит-
ная индукция), неоднозначно зависит от внешних факторов (на-
пример, напряженности магнитного поля). Гистерезис наблюдает-
ся в тех случаях, когда в процессе намагничивания состояние объ-
екта в данный момент времени определяется его состоянием в
предшествующие моменты времени.
Область начального намагничивания / характеризуется соот-
ношениями для намагниченности М и магнитной индукции В:
М — КшЧН и В=цоРгнач//, где Хнач и jAr нач — соответственно на-
чальные восприимчивость и относительная магнитная проницае-
мость.
Область Рэлея 2 определяется соотношением для кривой на-
магничивания В=цо(рг//+/?*//2), где R* — постоянная Рэлея, ха-
рактеризующая необратимые нелинейные процессы намагничива-
ния. В области 3 сильно возрастает намагниченность, здесь отно-
сительная магнитная проницаемость цг=В/(ц0#) достигает мак-
симального значения Цгшах- В области 4 намагниченность прибли-
жается к насыщению и приближенно описывается соотношением
58
м=м.(1—--------
- \ / / Н -2. H i / 1
где Ма и Ма — намагниченности насыщения и парапроцесса; alt а2,
... — некоторые константы.
В области парапроцессов 5 или области так называемого ис-
тинного намагничивания, наступающего после технического намаг
ничивания, процессы смещения границ между доменами (от фр
domaine — владение, область, сфера) и вращения векторов само
произвольной намагниченности
заканчиваются и незначитель-
ное изменение намагниченно-
сти происходит за счет пово-
рота магнитных моментов ато-
мов под действием магнитного
поля.
Важная характеристика
ферромагнитных материалов—
предельная петля гистерезиса
6. Если значение Нтзх доста-
точно велико, то дальнейшее
увеличение напряженности по- Рис зл. Кривая „амагничиваиия и пет-
ля не изменяет предельной пет- ЛИ гистерезиса ферромагнетика
ли гистерезиса. Существуют
также частные петли гистерезиса (штриховая кривая 7 на рис.
3.1), получаемые при меньших, чем Нтах, предельных напряжен-
ностях поля. Существуют также несимметричные частные циклы
8, получаемые при несимметричном относительно нуля изменении
напряженности поля, т. е. когда напряженность магнитного поля,
изменяясь по значению (обычно в небольших пределах), сохраня-
ют свой знак.
Параметрами предельной петли магнитного гистерезиса слу-
жат остаточная индукция Вг и коэрцитивная (от лат. соёгсШо —
удерживание) сила Нс.
Если время установления напряженности поля соизмеримо с
временем перемагничивания материала, то определяемые в этом
режиме характеристики называют динамическими. Основным влия-
ющим на положение динамических характеристик фактором, кото-
рый можно учитывать при магнитном контроле, являются вихре-
вые токи. На их положение может оказывать влияние и магнитная
вязкость. Вихревые токи создают магнитное поле, направленное
навстречу внешнему полю, уменьшающему магнитную индукцию.
При увеличении частоты вихревые токи возрастают и кривая на-
магничивания снижается, как показано на рис. 3.2. Вихревые токи
вызывают тепловые потери, что приводит к расширению петли
гистерезиса, как показано на рис. 3.3.
59
Геометрическое место вершин частных динамических петель
гистерезиса образует динамическую кривую намагничивания. От-
ношение индукции к напряженности поля на этой кривой называ-
ют динамической магнитной проницаемостью рд.
Для проведения теоретических исследований объектов с ферро-
магнитными материалами было бы удобно иметь аналитическую
зависимость индукции от напряженности магнитного поля. Но уни-
версального аналитического выражения, описывающего реальную
петлю гистерезиса ферромагнетика, при современном состоянии
теории нет. В прикладных исследованиях часто используют раз-
личные аппроксимирующие выражения для приближенного опи-
сания магнитных характеристик. В области слабых полей наиболь-
шее распространение получила формула Рэлея.
Н
Рис. 3.2. Влияние частоты
иа кривую намагничивания
Рис. 3.3. Влияние частоты
на петлю гистерезиса
Магнитные характеристики используют для исследования маг-
нитных свойств материалов, производственного контроля парамет-
ров материалов и свойств изделий. Последнее специфично для не-
разрушающего контроля, поэтому рассмотрим методы испытания
ферромагнитных материалов, используемые для этих целей.
Методы определения магнитных характеристик различаются,
во-первых, способами создания намагничивающего поля, т. е. маг-
нитного поля, которое воздействует на испытуемый объект, и, во-
вторых, способами измерения индукции и напряженности магнит-
ного поля.
По способу создания намагничивающего поля методы испыта-
ния, согласно [8], разделяются на три группы: с импульсным из-
менением напряженности поля; с непрерывно изменяющейся по
заданному закону напряженностью поля; с комбинированным пе-
ремагничиванием — импульсным намагничиванием и плавным не-
прерывным перемагничиванием.
Измерение магнитной индукции в испытуемом образце можно
производить с помощью индукционной катушки, охватывающей об-
разец, либо путем измерения магнитного потока в электромагните,
создающем намагничивающее поле. Измерение напряженно-
сти магнитного поля в образце основано на использовании гра-
ничного условия на границе раздела двух сред, т. е. на равенстве
60
тангенциальной составляющей напряженности магнитного поля
в воздухе вблизи поверхности образца (измеренной индукцион-
ным или гальваномагнитным преобразователем, см. соответственно
в пп. 3.2.2. и 3.2.5) и внутри образца.
Вначале рассмотрим метод импульсного изменения намагни-
чивающего поля, основанный на том, что при скачкообразном из-
менении напряженности внешнего поля происходит скачкообраз-
ное изменение индукции в образце на величину ДВ. С помощью
индукционного преобразователя можно определить это изменение
индукции по наводимой в нем эдс (£):
ы
ДВ=5та[ Edt,
т>
где S — площадь сечения индукционной катушки; w — число ее
витков; Д/— время, за которое произошло изменение индукции.
Измерение индукции удобнее всего осуществлять с помощью
веберметра.
Для определения основной кривой намагничивания этим мето-
дом вначале образец размагничивают переменным магнитным по-
лем при плавном уменьшении его амплитуды. Далее применяют
либо нулевой метод, либо метод коммутирования. При нулевом
методе выбирается необходимое число точек на кривой намагни-
чивания и определяются соответствующие им намагничивающие
токи. В случае кольцевого образца ток для создания в образце
поля напряженностью И рассчитывается по формуле
где п — число витков провода, намотанных на образец; —
средний радиус образца.
При намагничивании образца электромагнитом требуется либо
предварительно определить соотношение между током и напря-
женностью поля в электромагните, либо использовать измеритель
напряженности магнитного поля. Измерения проводят следующим
образом. Включают ток, равный первому выбранному значению,
и по веберметру получают значение ДВ. Затем устанавливают сле-
дующее значение тока и получают скачкообразные приращения
ДВ по всей кривой намагничивания (рис. 3.4). Следует иметь в ви-
ду, что получаемая таким образом кривая намагничивания распо-
ложена несколько ниже истинной, показанной штриховой линией,
из-за уменьшения индукции на величину ДВв1 под действием вих-
ревых токов.
Недостатки этого метода состоят, во-первых, в накоплении по-
грешности и, во-вторых, в невозможности повторных измерений
в каждой точке без полного размагничивания образца.
Эти недостатки устраняются при использовании коммутацион-
ного метода (рис. 3.5). Здесь для каждого выбранного значения
напряженности магнитного поля Hi производят коммутацию на-
61
правления тока, т. е. изменение при значениях Hi и —Hi, получая
таким образом приращение индукции ABi = 2Bj. Чтобы размагни-
чивание проводить только один раз, сначала измерения проводят
в слабых полях, а затем последовательно в полях большей напря-
Рис. 3.5. Коммутационный
метод определения кривой
намагничивания
Рис. 3.4. Нулевой метод
определения кривой на-
магничивания
меренные значения о, и —Di по
Рис. 3.6. Коммутационный метод оп-
ределения петли гистерезиса
женности. Методы коммутации позволяют снизить влияние вих-
ревых токов в результате стабилизации магнитного состояния об-
разца при 10... 15-кратном изменении направления намагничиваю-
щего тока. Стабилизация считается удовлетворительной, если из-
модулю практически одинаковы.
Метод импульсного измене-
ния напряженности использу-
ется и для определения пре-
дельной и частных статиче-
ских, в том числе несимметрич-
ных, петель магнитного гисте-
резиса. Благодаря симметрии
эти характеристики снимаются
только для одной половины
петли. Вначале производят из-
мерения на участке (Л, Вг),
показанном на рис. 3.6, при-
чем начинают измерения от
точки А. Устанавливают на-
магничивающий ток, соответствующий значению Нтах. Затем скач-
ками уменьшают ток, измеряют приращения индукции АВг- и оп-
ределяют значения индукции как Bi=Втах~~/\В,. Остаточную ин-
дукцию Вг определяют по измеренному значению АВ при выклю-
чении намагничивающего тока: Вг = Втзх—АВ при АЯ=Ятах.
Для измерения на участке (Вг, В) изменяют направление тока
и задают приращение AHit соответствующее значению —Н{. Ин-
дукция в этой точке определяется как В, — Вг—\В^. Далее уста-
навливают значение —Н2 и т. д. до точки Б.
Повысить точность измерения на участке (Вг, В) можно изме-
няя напряженность не от значения Я=0, а от значения Ягаах, но
это усложняет коммутирующее устройство, так как при таком из-
62
мерении необходимо всегда возвращать образец в магнитное со-
стояние, соответствующее точке А, затем выключать ток и вклю-
чать такой же ток противоположного напряжения.
Недостаток импульсного метода измерения намагниченно-
сти влияние вихревых токов на результаты измерения,
причем это влияние различно на разных участках магнитной
характеристики. В области слабых полей, там, где происходит бы-
строе изменение магнитной индукции, вихревые токи максимальны.
В области насыщения индукция изменяется мало, поэтому и влия-
ния вихревых токов почти нет. В результате погрешность измере-
ния на разных участках магнитной характеристики различна, но
учесть это не представляется возможным.
Рис. 3.7. Структурная схема установки для определения магнитных характери-
стик методом медленно изменяющегося поля
Этот недостаток устранен в методе непрерывно (обычно мед-
ленно) изменяющейся напряженности магнитного поля, скорость
изменения которой задают так, чтобы производная dBidt сохра-
нялась постоянной. Составляющая погрешности, вызванная влия-
нием вихревых токов, тем меньше, чем меньше значение dB/dt,
однако малое значение этой производной приводит к сложностям
обработки информации из-за малых значений эдс, наводимой в
индукционном преобразователе.
Структурная схема установки для определения магнитных ха-
рактеристик методом медленно изменяющегося внешнего магнит-
ного поля показана на рис. 3.7. Здесь напряжение от управляемого
источника u(t) через усилитель мощности поступает в намагни-
чивающее устройство. Магнитное поле этого устройства воздейст-
вует на объект контроля, напряженность магнитного поля и маг-
нитная индукция которого преобразуются с помощью первичных
преобразователей напряженности поля Н и индукции В в элек-
трические сигналы, которые записываются в регистрирующем уст-
ройстве. Кроме того, для сигнала, пропорционального индукции,
определяется производная dBjdt с помощью дифференцирующего
устройства. Эта производная используется в качестве напряжения
отрицательной обратной связи, управляющего источником и (t).
а
dH
dt
О н
Рис. 3.8. Закон измене-
ния напряженности при
методе медленно изме-
няющегося магнитного
поля
С помощью этой обратной связи обеспечивается такой закон из-
менения напряжения u(t), а следовательно, и намагничивающего
тока (рис. 3.8), который обеспечивает постоянство воспроизведе-
ния кривой намагничивания. Максимальная скорость изменения
напряженности поля — в областях насыщения, а минимальная —
в слабых полях.
Достоинства обоих рассмотренных методов совмещает комби-
нированный метод. Вначале с помощью импульсов тока осуществ-
ляются намагничивание и стабилизация
магнитного состояния объекта контроля.
Длительность импульсов в этом случае не
должна превышать десятков миллисекунд
во избежание значительного влияния вих-
ревых токов. После этого определение ха-
рактеристик осуществляется методом мед-
ленно изменяющегося воля.
Магнитные свойства материалов, как
показано исследованиями отечественных и
зарубежных ученых, тесно связаны с их
физико-механическими свойствами. Благо-
даря этому открываются возможности конт-
роля таких свойств, как структурное состояние, механические на-
пряжения, степень усталостного разрушения материала.
Задача сильно осложняется тем, что для разных сталей, под-
вергнутых тем или иным видам обработки, эти связи оказываются
различными и часто неоднозначными, поэтому чаще всего экспе-
риментально устанавливают зависимость между физико-механи-
ческими и магнитными свойствами для материала конкретной
марки, прошедшего определенный режим обработки. Огромная ра-
бота в этом направлении проделана в Институте физики металлов
Уральского отделения АН СССР под руководством М. Н. Михеева.
Систематизированные результаты этой работы регулярно публи-
куются в журнале «Дефектоскопия».
Большинство используемых в промышленности ферромагнит-
ных материалов, в частности сталей, имеют сложное поликристал-
лическое строение и состоят из различных фаз с неоднородными
внутренними напряжениями. Из-за сложности структуры стали,
т. е. из-за сложности магнитного взаимодействия и количествен-
ного соотношения фаз, не удается рассчитать свойства, даже зная
свойства отдельных фаз. Поэтому при определении возможности
использования результатов магнитного контроля следует учиты-
вать влияние основных факторов обработки ферромагнитных объ-
ектов контроля на их магнитные характеристики.
Сильное влияние на магнитные свойства оказывает химический
состав ферромагнетиков. У сплавов ферромагнитных материалов
друг с другом или с неферромагнитными материалами магнитные
свойства могут изменяться в широких пределах. Так, в железо-
64
никелевых сплавах присадка никеля до 30% ведет, по данным [-8],
к уменьшению намагниченности насыщения Мв, что иллюстрирует
рис. 3.9. Повышение содержания никеля свыше 30% ведет к уве-
личению намагниченности насыщения, и в сплаве с содержанием
никеля 50% она достигает 75% намагниченности насыщения чи-
стого железа, а затем монотонно уменьшается до значения чистого
никеля.
Даже небольшие колебания содержания углерода, легирующих
элементов и т. д. приводят к резким изменениям магнитных
свойств. Из зависимостей рис.
3.10 видно, что, например, при
увеличении содержания углерода
на 1,5% магнитная проницае-
мость ртах стали может умень-
шаться, а коэрцитивная сила
Рис. 3.10. Влияние содержания
углерода на магнитные свойства
стали
Рис. 3.9. Влияние содер-
жания никеля на намаг-
ниченность насыщения
Нс — увеличиваться более чем в 10 раз, в то время как индукция
насыщения В8 и остаточная индукция Вг остаются почти неизмен-
ными. Такие изменения, с одной стороны, открывают широкие
возможности для контроля химического состава ферромагнитных
материалов, в частности для сортировки сталей по маркам, а с
другой — при изменении содержания углерода (марки стали) мо-
гут быть очень существенными мешающими факторами, что за-
трудняет реализацию магнитного контроля. Результаты определе-
ния магнитных параметров для одной какой-либо стали нельзя
распространять на другие, даже близкие стали, так как даже са-
мые незначительные примеси могут очень сильно изменить маг-
нитные свойства. Поэтому в настоящее время единственным пу-
тем определения магнитных характеристик сталей каждой кон-
кретной плавки является экспериментальный.
Другие весьма сильно влияющие на магнитные свойства фак-
торы— механическая и термическая обработка. В процессе изго-
3—1332
65
товления изделия подвергаются разнообразным технологическим
операциям, в результате которых происходят изменения магнит-
ных свойств. Например, наклеп, появляющийся при штамповке или
токарной обработке, приводит к увеличению коэрцитивной силы
Нс и уменьшению магнитной проницаемости р.г. На магнитные
Рис. 3.11. Зависи-
мость магнитных
свойств стали от тем-
пературы закалки
Рис. 3.12. Зависи-
мость магнитных
свойств стали от тем-
пературы отпуска
свойства материалов очень сильно влияет термическая обработка,
являющаяся составной частью подавляющего большинства техно-
логических процессов изготовления изделий из ферромагнитных
материалов. Основной вид термической обработки — закалка и от-
пуск— сильно изменяют как структуру, так и магнитные свойства
стали. На рис. 3.11 показан характер изменения величин Вг, цтах,
Нс, а также механической характеристики — твердости HRC стали
марки ШХ15 в зависимости от температуры закалки Г3ак (закалка
в масле). Из этих зависимостей видно, что коэрцитивная сила из-
меняется немонотонно с изменением температуры закалки, значит,
измерение коэрцитивной силы для определения температуры за-
калки данной марки стали неэффективно. В то же время методы,
основанные на измерении магнитной проницаемости, здесь при-
годны. Зависимости тех же параметров этой стали от температуры
66
отпуска Тот приведены на рис. 3.12. Монотонная зависимость этих
характеристик позволяет применить для контроля низкотемпера-
турного отпуска, например, коэрцитиметрический метод.
К значительным изменениям магнитных свойств сталей при-
водят также различные виды химико-термической обработки. Хи-
мико-термическая обработка основана на поверхностном насыще-
нии стальных деталей углеродом (цементация), азотом (азотиро-
вание), бором (борирование) и другими элементами с целью по-
Пнформати1ньш
параметр Нс
Рис. 3.13. Основные задачи, решаемые
/7777777
ИшрорматиИный
параметр вг
магнитным контролем
вышения их поверхностной прочности. Влияние химико-термиче-
ской обработки на магнитные свойства в настоящее время изучено
недостаточно.
Теперь можно рассмотреть, как используются рассмотренные
магнитные характеристики в магнитном НК. К основным задачам
магнитного НК относятся:
контроль сплошности — дефектоскопия (рис. 3.13, а);
измерение размеров — обычно толщинометрия (рис. 3.13,6);
контроль физико-механических свойств — структуроскопия
(рис. 3.13, в).
В зависимости от конкретных задач и условий контроля (тре-
буемой производительности, свойств материала, разрешающей
способности) используются те или иные информативные параметры
и первичные преобразователи.
3'
67
К информативным параметрам в магнитном НК относятся: ко-
эрцитивная сила Яс; намагниченность Л1; остаточная магнитная
индукция Вг; магнитная проницаемость р (начальная либо макси-
мальная); параметры петли гистерезиса В (Я) или гармонический
состав эдс индуктивного преобразователя; параметры скачков
Баркгаузена; параметры магнитооптического эффекта.
Рис. 3,14. Способы получения
первичной информации при магнитном контроле
По способу получения первичной информации различают сле-
дующие методы магнитного* НК: магнитопорошковый (МП); маг-
нитографический (МГ); феррозондовый (ФЗ); гальваномагнитный
(ГМ); индукционный (И); пондеромоторный (ПМ); магниторези-
сторный (МР); магнитооптический (МО), или магнитодоменный.
Все эти методы позволяют решать все названные задачи магнит-
ного контроля, и их применение к этих задачам иллюстрируется
диаграммой, приведенной на рис. 3.14.
Контрольные вопросы
3.1.1. Как связана магнитная индукция с напряженностью магнитного поля?
3.1.2. На какие группы разделяют методы испытания ферромагнитных ма-
териалов по способу создания намагничивающего поля?
3.1.3. Что такое динамическая магнитная проницаемость?
3.1.4. Как влияет частота намагничивающего поля на петлю гистерезиса?
3.1.5. В чем достоинство метода непрерывного медленно изменяющегося
поля?
3.1.6. Изменение какого магнитного параметра можно использовать при
контроле температуры закалки стали ШХ15?
3.2. ПЕРВИЧНЫЕ МАГНИТНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
И МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ДЕФЕКТОСКОПИИ
3.2.1. Общая характеристика первичных преобразователей
Действие магнитных приборов НК основано либо на регистра-
ции магнитных полей вблизи объекта контроля, либо на оценке
магнитного потока внутри самого объекта. Например, магнитная
Рис. 3.15. Классификации магнитных преобразователей по первичной величине
дефектоскопия осуществляется путем регистрации магнитных по-
лей рассеяния, создаваемых дефектами. В магнитной структуроско-
пии используется несколько путей. Разбраковка может осуществ-
ляться по значению коэрцитивной силы, в этом случае оценивает-
ся напряженность магнитного поля на некотором участке поверх-
ности объекта. Возможен контроль по остаточной намагниченно-
сти, и в этом случае измеряют напряженность поля в воздухе вбли-
зи какой-то точки объекта. Если оценивается форма петли гисте-
резиса, то одновременно с оценкой напряженности магнитного поля
измеряется магнитный поток на участке ОК. В толщинометрии ис-
пользуется тот факт, что при намагничивании объекта напряжен-
ность магнитного поля либо магнитный поток вблизи него зависят
как от толщины ОК, так и от зазора между ОК и магнитопрово-
дом преобразователя. Кроме того, иногда используют силовое дей-
ствие магнитного поля.
В приборах магнитного контроля в основном применяют пер-
вичные преобразователи, осуществляющие преобразование магнит-
ных величин в электрические. Несколько отличаются лишь преоб-
разователи, использующие силовое действие магнитного поля.
Удобно дать две классификации магнитных преобразователей:
по первичной информации и по принципу действия. По первой
классификации преобразователи разделяют на полемерные и гра-
диентометрические (рис. 3.15). В свою очередь, полемерные под-
69
разделяют на модульные и компонентные (или координатные). Мо-
дульные полемерные преобразователи позволяют измерять магнит-
ную индукцию в воздухе, или, что практически то же самое, на-
пряженность H^=BI\kQ магнитного поля независимо от их направ-
ления. Таким образом, выходной сигнал модульного преобразова-
теля не зависит от ориентации последнего в пространстве.
Для компонентных преобразователей существует три переда-
точные функции:
и^/,(Нл и^инг).
Выходной сигнал такого преобразователя определяется одним из
компонентов напряженности. И если вектор напряженности на-
правлен под некоторым углом а к соответ-
/'"'-'X ствующему направлению, то выходной сиг-
\ Л пал cos «) • Отсюда вытекает поня-
\ х тие ДиагРаммы направленности компонент-
ного магнитного преобразователя. Если та-
Рис з 16 л кой преобразователь помещен в плоскопа-
правлениостикомпонент- Радельное магнитное поле и, поворачи-
ного магнитного преоб- вяясь вокруг оси, ортогональной вектору
разователя напряженности магнитного поля, он описы-
вает окружность, то график рис. 3.16, на-
зываемый диаграммой направленности, показывает, как зависит
выходной сигнал от угла а.
Градиентометрические преобразователи позволяют оценивать
неоднородность магнитных полей по значению соответствующей
производной. Две разновидности таких преобразователей — про-
дольные и поперечные—позволяют оценивать скорость изменения
одного из компонентов вектора магнитной индукции в ортогональ-
ных направлениях.
При классификации магнитных преобразователей по принципу
действия различают индукционные, феррозондовые, гальваномаг-
нитные, магниторезистивные, магнитооптические (магнитодомен-
ные) преобразователи, магнитные ленты и магнитные порошки.
В соответствии с классификацией рассмотрим принципы дей-
ствия и особенности применения магнитных преобразователей.
3.2.2. Индукционные преобразователи
В основу принципа действия индукционных преобразователей
положен закон электромагнитной индукции, согласно которому
эдс, наведенная в замкнутом контуре L, пропорциональна измене-
нию во времени сцепления этого контура с магнитным потоком:
дФ
~д~
С d(B-S)
I dt
70
Используя формулу Стокса, можно показать, что в том случае,
когда размеры контура L, охватывающего площадь S, остаются
неизменными и он не изменяет положения относительно вектора
В, появляется так называемая трансформаторная эдс
возникающая только за счет изменения индукции во времени, т. е.
в случае переменных полей.
Если же магнитная индукция постоянна, то можно изменить
магнитный поток во времени, поворачивая контур вокруг оси, пер-
пендикулярной вектору В. При этом возникает так называемая эдс
движения:
| B-dS/d/.
Магнитные преобразователи, использующие трансформаторную
эдс ЕТр, называют пассивными, и они могут применяться только
в переменных магнитных полях. Магнитные преобразователи, ис-
пользующие эдс движения Елв, называют активными, они могут
использоваться для измерения постоянных магнитных полей.
Пассивные индукционные преобразователи в простейшем слу-
чае представляют катушку, размеры которой достаточно малы,
чтобы можно было считать магнитное поле в ней однородным и
чтобы находить индукцию просто делением магнитного потока на
площадь сечения катушки. Это, как правило, короткие однослой-
ные катушки, намотанные тонким проводом, чтобы можно было
пренебречь толщиной намотки по сравнению с диаметром катушки.
В том случае, когда ось катушки в процессе измерений состав-
ляет с направлением вектора магнитной индукции угол а, эдс
„ ~ dB
£т..“~ — Sw cos а------,
р dt
где S — площадь одного витка катушки; w — число ее витков. По-
ворачивая катушку, можно легко определить направление индук-
ции, соответствующее такому положению оси катушки, при кото-
ром эдс максимальна. Если поворачивать катушку вокруг оси,
перпендикулярной вектору В, то характер изменения эдс будет
определяться диаграммой направленности, показанной на рис. 3.16.
В том случае, когда между направлениями оси поворота плоско-
сти катушки и вектора В есть угол ф, эдс определяется соотноше-
нием
_ „ . dB
£,„== — Sw cos a-sin ф-----.
. Ip df
Совершенно очевидно, что, увеличивая число витков, можно уве-
личить эдс, и это удобнее для ее последующего измерения. Необ-
71
ходимо только следить, чтобы размеры катушки не превышали
размеры области, где поле может считаться однородным.
При измерении в слабых полях может оказаться, что даже при
небольшом числе витков эдс оказывается весьма малой. Тогда для
ее увеличения можно поместить внутри катушки ферромагнитный
сердечник и магнитная индукция в сердечнике увеличится, но не
в раз, а в p.T = |ir/[l + Wp(|ir—1)1, где jiT— магнитная проницае-
мость тела; — коэффициент размагничивания, определяемый
геометрическими параметрами сердечника. В справочнике [3]
приводится следующее выражение для магнитной проницаемости
цилиндрического сердечника длиной I и диаметром d:
,
Г 1 I 1 I \ 1
1 11 —------U ।----—-------I aj’ctg у |
I \ Y5 Y / ь J
где у=/ 1 — (d/l? .
Выходной сигнал пассивного преобразователя с сердечником
Коэффициент преобразования такого преобразователя, равный
множителю перед производной АН/dt, зависит от Np, т. е. в конеч-
ном счете от размеров и формы сердечника.
Кроме однокатушечных пассивных магнитных преобразовате-
лей для оценки изменений магнитной индукции в пространстве
применяют двухкатушечные дифференциальные преобразователи.
При встречном включении катушек выходной сигнал такого пре-
образователя
с f d/7a \
cos а.----L — cos а.,--~ .
вьга 1 dZ 2 dt j
Хотя преобразователи здесь и одинаковые, но напряженность поля
в области, где размещен каждый из них, может быть различной.
Как уже было отмечено, все пассивные преобразователи могут
применяться только в переменных полях. Но часто возникают за-
дачи измерения параметров постоянных полей, например при на-
магничивании деталей постоянными магнитами и особенно при
размагничивании деталей после контроля. Для этих целей исполь-
зуют активные индукционные преобразователи.
Существует два основных типа активных индукционных преоб-
разователей (рис. 3.17). В одном из них эдс возникает за счет из-
менения скалярного произведения (В-S), т. е. практически за счет
изменения площади S, а в другом — за счет изменения магнитной
проницаемости цт-
Простейшим примером первого типа является преобразователь
с вращающейся катушкой, называемый измерительным генерато-
72
ром. На рис. 3.18 показана катушка, вращающаяся с помощью
двигателя. Выходной сигнал снимается с помощью колец и сколь-
зящих контактов (К). При угловой частоте ш напряжение, сни-
маемое со скользящих контактов,
и(/)=5®ш cos ш/.
Рис. 3.17. Основные типы индукционных преобразователей
Видно, что чувствительность можно повысить, увеличивая часто-
ту вращения. Если измеряется только модуль выходного напря-
жения, то преобразователь является модульным (в соответствии
с классификацией рис. 3.15), но если измеряется и его фаза, то
его можно использовать и как компонентный.
Рис. 3.18. Схема измерительного генера- Рис. 3.19. Измерительный ге-
тора нератор с трансформатором
Основной недостаток такого преобразователя — электрические
шумы, возникающие в скользящих контактах. Этот недостаток
можно устранить, применяя для снятия выходного сигнала транс-
форматор (рис. 3.19). Первичная обмотка трансформатора закреп-
лена на валу индукционного преобразователя и вращается вместе
с ним, а вторая неподвижна. Такие преобразователи позволяют
проводить измерения в слабых магнитных полях (порядка 10~4Тл)
при погрешности не более единиц процентов. Существенным ме-
шающим фактором могут оказаться поля рассеяния, создаваемые
двигателем, который необходимо тщательно экранировать.
73
Во втором типе активных индукционных преобразователей из-
меняется магнитное сопротивление за счет изменения положения
ферромагнитного сердечника. Простейший преобразователь, пока-
занный на рис. 3.20, представляет катушку с ферромагнитным
о?
u(t)
Рис. 3.20. Преобразова-
тель с ферромагнитным
сердечником
Рис. 3.21. Повышение
частоты сигнала в ре-
зультате изменения фор-
мы сердечника
сердечником, средняя часть которого подвижна и может вращать-
ся вокруг поперечной оси. В этом случае коэффициент размагни-
чивания изменяется, т. е. зависит от времени. В результате выход-
ной сигнал изменяется дважды за один оборот сердечника. При
измерении второй гармоники можно отфильтровать наводки, со-
здаваемые двигателем на основной ча-
стоте. Изменяя форму сердечника, как
показано на рис. 3.21, можно повысить
частоту сигнала.
Рис. 3.22. Магнитная го-
ловка
3.2.3. Магнитные индукционные
головки
Магнитная индукционная головка —
это, по существу, обычный пассивный
индукционный преобразователь. Он вы-
делен здесь вследствие специфики при-
менения и особой конструкции. Магнит-
ная индукционная головка (рис. 3.22) представляет кольцевой
магнитопровод 1 с зазором 2. На магнитопроводс размещена ка-
тушка 3. Контроль осуществляется путем перемещения магнито-
провода вблизи объекта контроля 4, причем участок зазора сопри-
касается с поверхностью предварительно намагниченного ОК.
Магнитный поток Фг в ОК, встречая трещину 5, частично оги-
бает ее, а частично проходит по магнитопроводу. Часть этого по-
тока Фраб проходит через сердечник и может создавать эдс в ка-
тушке, другая же часть создает поток рассеяния фрас. Эффектив-
ность магнитной головки может быть оценена соотношением рабо-
чего потока и потока рассеяния
74
Фра б
Фраб + Фрае
_________1___________
i lc^9/(h^cP-c)
где l3 — средняя длина магнитных силовых линий в зазоре; S3—
средняя площадь сечения, сквозь которое проходят эти линии; Zc
и Sc--длина и площадь сечения магнитопровода; рс — магнитная
проницаемость материала сердечника.
Для повышения эффективности маг-
нитных головок сердечник изготовля-
ют из материала с большой магнит-
ной проницаемостью, например из
пермаллоя 79НМ, 80НХС или ферри-
та 1000 НМ.
Выходной сигнал магнитной голов-
ки определяется градиентом магнит-
Рис. 3.23. Схема соединения
обмоток феррозонда-полемера
кого поля вблизи зазора и скоростью
перемещения головки относительно ОК. Это следует непосред-
ственно из закона электромагнитной индукции. Применение маг-
нитных индукционных головок эффективно при постоянной скоро-
сти перемещения относительно ОК. При изменении скорости из-
меняются коэффициент преобразования головки и спектр сигнала,
Ряс. 3-24. Напряженность и магнитная ин-
дукция в стержнях феррозонда
что затрудняет ее примене-
ние. По этой причине этот
тип первичных преобразова-
телей применяют только в
магнитографии, когда отпе-
чаток магнитного рельефа
вначале записывается на
магнитную ленту, а затем
считывается с. нее при по-
стоянной скорости движе-
ния.
3.2.4. Феррозондовые
преобразователи
Это компонентные пре-
образователи, предназначен-
ные для измерения либо на-
пряженности магнитного по-
ля, либо ее изменения в пространстве. Действие феррозондового
преобразователя основано на нелинейности кривых намагничива-
ния сердечников из магнитных материалов. В зависимости от вза-
имной ориентации векторов напряженности внешнего магнитного
поля и магнитного поля возбуждения преобразователя различают
феррозонды с продольным и поперечным возбуждением.
Феррозонд с продольным возбуждением состоит -из двух иден-
7S
тичных полузондов, каждый из которых содержит цилиндрический
сердечник из магнитомягкого материала с размещенными на нем
двумя катушками. Одна катушка — возбуждающая — подключа-
ется к источнику переменного тока, другая — измерительная. Схе-
ма подключения обмоток в феррозонде-полемере показана на
рис. 3.23. Здесь обмотки возбуждения соединены встречно, измери-
Рис. 3.25. Выходной сигнал феррозонда при измерении напряженности
тельные — согласно. Синусоидальный ток возбуждения /в=
==/T„ sin со/ создает в сердечнике магнитное поле возбуждения
вектор напряженности которого параллелен оси
сердечника. На рис. 3.24 показаны временные зависимости напря-
женности и индукции в каждом сердечнике. Видно, что характер
изменения индукции в каждом сердечнике одинаков и значения
индукций отличаются только знаком; следовательно, выходной
сигнал, равный сумме эдс в измерительных катушках, равен нулю.
При воздействии постоянного магнитного поля Но напряжен-
ность в первом сердечнике Н\ (/) =НВ sin со/Ч-Яо, а во втором —
Н2 (/) =На sin mt—Но. В этом случае вследствие нелинейности кри-
вой намагничивания значения индукции в стержнях становятся
различными, что видно из рис. 3.25. Там же показан и выходной
сигнал несинусоидальной формы, главная особенность которого
состоит в том, что его период Тк вдвое меньше периода Тв воз-
76
буждающего тока. Это означает, что постоянное внешнее подмаг-
ничивающее поле Но обусловливает появление второй гармоники
в выходном сигнале феррозонда. Эта вторая гармоника и является
Рис. >3.26. Характери-
стика феррозонда-по-
лемера
Рис. 3.27. Схема соединения
обмоток феррозонда-градиен-
тометра
информативной, по ней судят о напряженности постоянного маг-
нитного поля. На рис. 3.26 показана характеристика преобразо-
вания для феррозонда, работающего в режиме полемера. При
Яо=() выходной сигнал феррозонда равен нулю. Рабочим явля-
ется близкий линейному
начальный участок, где
действующее значение
второй гармоники U? про-
порционально напряжен-
ности Яо. При значитель-
ном увеличении Яо (боль-
ше Дотах) ПРОИСХОДИТ
насыщение материала
сердечника, в результате
чего индукция становится
независимой от напря-
женности возбуждающего
поля Я„ и эдс каждой из-
мерительной обмотки
уменьшается практически
до нуля.
Для оценки неодно-
родности постоянного во Рис. 3.28. Выходной сигнал феррозонда-
времени магнитного поля градиентометра
используется феррозонд-
градиентометр, который по устройству аналогичен феррозонду-по-
лемеру и отличается от него соединением обмотки (рис. 3.27),
Обмотки возбуждения соединены так, что в однородном поле,
т. е. при Яо'=Яо", напряженность, а следовательно, и индукция в
каждом вердечнике одинаковы в любой момент времени. Измери-
тельные катушки и ®," включены встречно, поэтому выходное
напряжение этого феррозонда, равное разности эдс е\ и ег в из-
77
мерительных катушках, равно нулю. Если же напряженность по-
ля изменяется в направлении, ортогональном направлению векто-
ра Но на рис. 3.27, то напряженность магнитного поля Но' не рав-
на Но". Это приводит к тому, что индукция в каждом сердечнике
не будет одинаковой и появится выходной сигнал Пвых—^(/)—
—^з(0 (рис. 3.28). Выходное напряжение, как и в предыдущем
случае, несинусоидально, но главной его особенностью также яв-
ляется наличие второй гармоники. Амплитуда выходного сигнала
пропорциональна степени неоднородности внешнего поля, т. е. ве-
личине &H=Hq—-Hq'.
Во всех случаях применения феррозондов необходимо выде-
лять вторую гармонику
Рис. 3.29. Схематическое
изображение преобразова-
теля Холла
выходного сигнала, так как именно она
несет информацию о напряженности из-
меряемого поля. При этом первая гар-
моника должна подавляться.
3.2.5. Гальваномагнитные
преобразователи
Действие гальваномагнитных преоб-
разователей основано на силовом дейст-
вии магнитного поля на движущиеся
электрические заряды. В преобразовате-
лях Холла и магниторезисторах поле действует на заряды, движу-
щищеся в полупроводнике.
Чаще всего используют преобразователи Холла в виде плоской
прямоугольной пластины из полупроводникового материала.
На рис. 3.29 показаны направления тока I, вектора магнитной
индукции В и напряжения, возникающего на выходе преобразова-
теля. Электродвижущая сила на выходе преобразователя опреде-
ляется выражением
Е
%-/В,
Л
где Rx— постоянная Холла, Ом-м/Тл; h — толщина пластины.
При не очень сильных магнитных полях (обычно до 10~! Тл)
выражение для эдс преобразователя Холла часто записывают в
виде
где у — чувствительность, которая указывается в паспорте на пре-
образователь. Как правило, в процессе измерений ток 1 остается
неизменным, и в этом случае вводят параметр «магнитная чувст-
вительность» ут—Е1В при номинальном токе. Магнитная чувстви-
тельность и номинальный ток также приводятся в паспорте на
преобразователь. Абсолютное значение магнитной чувствительно-
сти колеблется в пределах 0,06 ...0,6 В/Тл. Часто удобнее пользо-
78
ваться удельной чувствительностью k—y£, т. е. считать коэффи-
циентом преобразования произведение чувствительности на ток.
Это позволяет определить выходной сигнал при любых токах, а не
только при номинальном.
Конструктивно преобразователи выполняют в виде пластин
прямоугольной или крестообразной формы. Отечественная про-
мышленность выпускает кремниевые, германиевые и арсенид-гал-
лиевые преобразователи Холла. Толщина преобразователя около
0,2 мм, размеры активной части от 1,8x0,6 до 6X3 мм. Габарит-
ные размеры в слюдяных обкладках примерно вдвое больше.
Преобразователи Холла находят широкое применение при из-
мерении слабых магнитных полей (до 0,1 Тл), а для измерения
более сильных полей (В>1 Тл), когда наступает насыщение пре-
образователя Холла, применяют магниторезисторы. В магниторе-
зисторах используется эффект Гаусса, который состоит в измене-
нии электрического сопротивления полупроводника под действием
магнитного поля. Выпускаются магниторезисторы из антимонида
индия (InSb) и арсенида индия (InAs) со следующими парамет-
рами:
Сопротивление, Ом: InSb
при В=0........................0,5 ...200
при В—I Тл..................... 50... 4000
Относительное изменение сопротивле-
ния при В, Тл:
0,1................................0,2 ...0.5
0,5 ............. ... 5... 8
1,0........................... 10... 16
InAs
0,5... 200
1 ... 400
0,03
0,5.
2.
.0.J
1.
3
Магниторезисторы применяют в основном для измерения полей
с индукцией выше 0,2 Тл, поэтому в неразрушающем контроле их
не удается использовать для регистрации полей рассеяния дефек-
тов. Они могут быть применены при измерении индукции намагни-
чивающих полей.
3.2.6. Магнитные ленты и магнитные порошки
Магнитные ленты применяют в магнитографической дефекто-
скопии, и они занимают промежуточное положение между первич-
ными магнитными преобразователями и магнитными порошками,
используемыми для визуализации полей рассеяния дефектов. На
каждом участке магнитной ленты записывается магнитный рель-
еф ОК в процессе контроля. В дефектоскопии применяют стан-
дартные магнитные ленты. Лента должна удовлетворять следую-
щим требованиям:
, обладать одинаковыми магнитными свойствами (Нс, Вг, р,-) по
всей поверхности;
иметь линейную зависимость остаточной намагниченности М
if
от напряженности внешнего намагничивающего поля Явш в широ-
ком диапазоне напряженности;
легко размагничиваться;
обеспечивать воспроизводимость результатов;
обладать в широком диапазоне температур высокой эластич-
ностью.
Наибольшее распространение получили двуслойные ленты, со-
стоящие из немагнитной основы (поливинилхлорид, лавсан) и маг-
нитно-активного слоя — порошков оксида железа, взвешенного в
лаке,— обеспечивающего хорошую адгезию с основой. Для изго-
товления рабочего слоя используют у-оксиды железа (y-Fe2O3)
железокобальтовый феррит (CoFe2O3), диоксид хрома (СгО2).
В магнитном контроле используют ленты. шириной 35 и 75 мм.
Выбор ширины ленты определяется типом лентопротяжного меха-
низма в магнитографическом дефектоскопе.
Магнитные порошки служат для визуализации полей рассеяния,
создаваемых дефектами. Получают их путем размола оксида же-
леза в шаровых мельницах до частиц размером 0,1 ...60 мкм. Фор-
ма и размеры частиц, а также их магнитные свойства влияют на
размер областей скоплений порошка, называемых валиком, там,
где вблизи дефектов возникают поля рассеяния. Для облегчения
условий работы оператора, контролирующего поверхность детали,
порошки окрашивают.
Наибольшее распространение при контроле светлых деталей
получили черный магнитный порошок, представляющий измель-
ченную окись-закись железу Fe2Of, и буровато-красный порошок
у-оксида железа (y-Fe2O3). Для контроля деталей с темной по-
верхностью используют светлые порошки с добавлением алюминие-
вой пудры либо люминесцентные порошки. Распространенный лю-
минесцентный магнитный порошок содержит на 100 г у-оксида
железа y-Fe2Os 15 г люминофора светло-желтого цвета. Использо-
вание люминесцентных порошков эффективно только при ультра-
фиолетовом освещении.
Для облегчения работы контролеров вместо порошков часто
используют суспензии, в которых порошок разведен в жидкой сре-
де— воде, минеральных маслах, керосине. Водная магнитная сус-
пензия кроме воды и порошка содержит антикоррозионные добав-
ки. Кроме того, в суспензии вводят поверхностно-активные веще-
ства потому, что в дисперсионной среде порошок находится не в
виде отдельных частичек, а образует скопления — конгломераты
из большого числа частиц. Поверхностно-активные вещества поз-
воляют разбить крупные конгломераты на более мелкие, что по-
вышает выявляющую способность суспензии.
Для приготовления суспензий выпускают также пасты, которые
необходимо только развести в некотором количестве дисперсион-
ной среды (воде или масле). Достоинством пасты является то, что
порошок в ней хорошо растерт, находится в связанном состоянии,
80
поэтому работать с ней значительно гигиеничнее, чем с порошком.
В состав паст входят все необходимые добавки, поэтому процесс
приготовления суспензий упрощается.
3.2.7. Магнитодоменные преобразователи
Новый для неразрушающего контроля преобразователь пред-
ложен и исследован В. П. Деминым. Магнитодоменный преобразо-
ватель представляет однородную магнитную среду определенной
Рис. 3.30. Доменная структура плен-
ки, размещенной на бездефектном
образце
Рис. 3.31. Вид доменной структуры
пленки, размещенной над трещиной
толщины, в которой существуют домены (однородные области, об-
ладающие одинаковой намагниченностью), перемещающиеся в за-
висимости от магнитного поля рассеяния, создаваемого дефектами
в изделиях из ферромагнитных материалов. Действие преобразо-
вателя основано на магнитооптическом эффекте Керра или Фара-
дея.
Применяемые в настоящее время магнитодоменные преобразо-
ватели основаны на визуализации топографии магнитного поля с
помощью феррит-гранатовой магнитной пленки. На рис. 3.30 по-
казана доменная структура такой пленки, размещенной на безде-
фектном участке ферромагнитного объекта, а на рис. 3.31 — домен-
ные структуры при нахождении пленки над дефектом типа «тре-
щина». Изменение доменной структуры происходит под влиянием
магнитных полей рассеяния.
Информативные параметры доменной структуры и влияние на
эти параметры подмагничивающего поля могут быть определены
с помощью экспериментальной установки, структурная схема ко-
торой показана на рис. 3.32. Здесь световой поток от источника
света 1 проходит через поляризатор ‘2 и с помощью полупрозрач-
ного зеркала 3 освещает магнитную пленку 4 плоскополяризбван-
ным светом. При прохождении плоскополяризованного света через
81
магнитную пленку направление поворота поляризации света зави-
сит от направления намагниченности пленки. Пройдя через пленку
и отразившись от зеркального покрытия 5, световой поток вторич-
но проходит через нее, что
Рис. 3.32. Структурная схема ус-
тановки с магиитодомешшм пре-
образователем
приводит к удвоению угла поворота
плоскости поляризации. После это-
го через полупрозрачное зеркало 3
свет попадает на анализатор 6, изо-
бражение иа выходе которого зави-
сит от плоскости поляризации све-
та и, следовательно, определяется
доменной структурой. Доменная
структура определяется свойствами
ферромагнитного образца 7 и, кро-
ме того, может изменяться с по-
мощью электромагнита 8
Устройство магнитодоменного
преобразователя иллюстрируется
рис. 3.33. Основным элементом пре-
образователя является висмутсодер-
жащая феррит-гранатовая магнит-
ная пленка 1, выращенная на под-
ложке 2 из галлий-гадолиниевого
граната. На пленку нанесен отражающий слой 3, закрытый пред-
охраняющим слоем 4. Для управления доменной структурой слу-
жит катушка 5, по которой может быть пропущен ток.
вателя чепностыо насыщения
Информативным параметром магнитодоменного преобразова-
теля является видимое изображение доменной структуры магнито-
чувствительной пленки. Под влиянием внешнего подмагничиваю-
щего поля доменная структура пленки изменяется. Междомениые
границы (доменные стенки) занимают положение, соответствующее
минимуму магнитной энергии пленки (рис. 3.34).
На работу магнитодоменного преобразователя влияют два ос-
новных фактора: параметры пленки и положение доменных гра-
ниц в зависимости от напряженности поля подмагничивания.
32
Чувствительность используемых пленок составляет 10 А/см и
определяется коэрцитивной силой доменных границ, характеризую-
щейся напряженностью магнитного поля, при которой доменная
граница начинает движение. Наряду с магнитными важную роль
играет оптическая характеристика пленки — магнитооптическая
добротность ф, равная отношению удвоенного угла фарадеевского
вращения Q к коэффициенту оптического поглощения a: ty—2Q/a.
В дефектоскопии используют висмутсодержащие феррит-грана-
товые эпитаксиальные пленки с низкой коэрцитивной силой и на-
магниченностью насыщения Мх=1... 12 мТл. Толщина пленки
6 мкм, магнитооптическая добротность более 40°, ширина домен-
ной структуры 10 мкм.
Следует отметить, что магнитодоменные преобразователи толь-
ко начинают применяться в дефектоскопии. Многие их характери-
стики еще не исследованы, однако выявленные достоинства поз-
воляют считать их весьма перспективными средствами неразру-
шающего контроля.
Контрольные вопросы
3.2.1. Как с помощью пассивного индукционного преобразователя опреде-
лить направление вектора магнитной индукции?
3.2.2. Какой тин преобразователя — активный или пассивный — можно при-
менять в постоянных магнитных полях?
3.2.3. Почему сердечники магнитной головки изготовляют из материала с
большой магнитной проницаемостью?
3.2.4. Как сигнал магнитной головки зависит от скорости ее перемещения
относительно объекта контроля?
3.2.5. Встречно или согласно включены возбуждающие и измерительные об-
мотки в феррозонде-полемерс?
3.2.6. Почему при значительном увеличении напряженности внешнего маг-
нитного поля уменьшается выходной сигнал феррозонда?
3.2.7. В каком диапазоне значений индукции работают преобразователи
Холла?
3.2.8. С какой целью применяют магнитные порошки в дефектоскопии?
3.2.9. В чем преимущества магнитных суспензий перед магнитными порош-
ками?
3.2.10. Что является информативным параметром магнитодоменного преоб-
разователя?
3.2.11. Какую составляющую напряженности магнитного поля регистрирует
магнитодоменный преобразователь?
3.3. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА НАМАГНИЧИВАНИЯ ОБЪЕКТОВ КОНТРОЛЯ
З.З.1. Постановка задачи
Магнитная дефектоскопия — это частный случай магнитного
НК, представляющий способ обнаружения дефектов в виде нару-
шении сплошности в объектах из ферромагнитных материалов пу-
тем регистрации магнитных полей рассеяния вблизи этих дефек-
83
тов. Весьма низкий порог чувствительности * в этом способе тре-
бует соблюдения определенных условий контроля как для реали-
зации потенциальных возможностей способа, так и для правиль-
ной трактовки результатов. Следует отметить, что порог чувстви-
тельности магнитной дефектоскопии самый низкий среди всех ви-
дов ПК, поэтому этот вид контроля целесообразно применять в
самых ответственных случаях.
Для правильной реализации метода магнитной дефектоскопии
необходимо выполнение трех условий: подготовка поверхности ОК;
выбор направления и способа на-
магничивания; выбор первичных
преобразователей для регистра-
ции полей рассеяния. В частно-
сти, при магнитопорошковой де-
фектоскопии это сводится к вы-
бору способа нанесения магнит-
a)
Рис. 3.35. Принцип магнитной дефек- порошков и суспензий на
тоскопии поверхность ОК и осмотру его
поверхности. По окончании конт-
роля ОК. размагничивают.
Принцип магнитной дефектоскопии иллюстрирует рис. 3.35. Ес-
ли ферромагнитный объект, не имеющий резких изменений сечения,
помещен в однородное магнитное поле, то магнитный поток, про-
ходя через объект, практически не выходит за его пределы. Не-
которая часть магнитного потока Фо может проходить в воздухе,
но магнитная индукция Во в воздухе в рг раз меньше, чем индук-
ция в ферромагнетике (рис. 3.35, а). И самое главное, пет ка-
ких-либо локальных изменений индукции вблизи поверхности ОК.
Если же в ОК имеется нарушение сплошности, например трещина,
поперечное сечение которой показано на рис. 3.35, б, то происходит
перераспределение магнитного потока. В том случае, когда трещи-
на ортогональна направлению магнитной индукции, на пути маг-
нитного потока в ферромагнетике возникает препятствие в виде
воздушного промежутка, равного ширине трещины /о. Хотя длина
этого промежутка невелика (обычно единицы — десятки микро-
метров), его магнитное сопротивление намного больше участка
такой же длины в ферромагнетике, поскольку оно обратно пропор-
ционально магнитной проницаемости. Поэтому магнитный поток,
проходящий сквозь трещину, уменьшится, но вместе с тем возник-
нет поток ЛФд, выходящий из объекта в воздух над трещиной. Маг-
нитное сопротивление Ro этому потоку определяется средней дли-
ной силовой линии над дефектом. Появится также поток Ф„, оги-
бающий трещину снизу. Электрическая схема замещения рассмат-
риваемого участка магнитной цепи показана на рис. 3.36, откуда
* Под порогом чувствительности понимаются минимальные размеры дефек-
та заданной формы, при которых отношение сигнал / помеха равно двум либо
при которых дефект уверенно обнаруживается оператором.
84
видно, что соотношения между магнитными сопротивлениями оп-
ределяются длиной соответствующего пути для магнитного потока
и магнитной проницаемостью ферромагнетика.
На основании рис. 3.36 можно сделать весьма важный прак-
тический вывод, состоящий в том, что в материалах с очень боль-
шой магнитной проницаемостью магнитное сопротивление участка,
огибающего трещину снизу, может оказаться очень маленьким.
Рис. 3.37. Изменение
магнитного состояния
объекта в области
дефекта
Рис. 3.36. Электрическая
схема замещения участ-
ка магнитной цепи объ-
екта с трещиной
В результате весь магнитный поток пойдет под трещиной и потока
Дфд, выходящего из объекта в зоне расположения трещины, прак-
тически не будет, что означает весьма низкую чувствительность
магнитного метода при контроле ферромагнетиков с очень боль-
шой магнитной проницаемостью. Это следует иметь в виду при
контроле, например, магнитных головок, используемых в звуко-
записи.
Рассмотрим кратко, как изменяется магнитное состояние ОК
в области дефекта. Если ОК однородно намагничен, то его маг-
нитному состоянию вдали от дефекта соответствует точка А на
кривой намагничивания (рис. 3.37). В результате перераспреде-
ления магнитного потока при появлении трещин напряженность
магнитного поля и магнитная индукция в области ниже трещины
увеличиваются и магнитное состояние ОК изменяется (переход по
кривой намагничивания в точку С). Это соответствует увеличению
магнитной индукции на ДВ.
Чем меньше дифференциальная магнитная проницаемость
~АВ/Л.Н, тем меньшая часть дополнительного магнитного потока
пройдет под дефектом и, следовательно, тем большая его часть
пройдет над дефектом. С другой стороны, для получения большо-
го магнитного потока над дефектом необходимо, чтобы в мате-
риале ОК была достаточно высокая индукция.
Малые значения магнитной проницаемости можно было бы
обеспечить работая в слабых полях, но в этом случае оказывает-
85
ся малой индукция. Выбор оптимальных режимов намагничива-
ния при магнитной дефектоскопии является сложной задачей, и
ее решению посвящено много исследований (см., например, [3]).
Правильный режим намагничивания усиливает поле рассеяния, что
очень важно при его регистрации.
Для регистрации магнитных полей рассеяния от дефектов ис-
пользуются различные типы первичных измерительных преобразо-
вателей, однако наибольшее применение для этой цели нашли маг-
нитные порошки, обеспечивающие наивысшую среди всех видов
НК чувствительность. По этой причи-
Рис. 3.38. Фон магнитного
порошка на неровностях
поверхности
потеряны все достоинства
лапы ошибочные суждения
не вначале остановимся на магнито-
порошковой дефектоскопии.
Рассмотрим технологию контроля,
так как соблюдение ее является од-
ним из основных условий надежности
контроля. Даже самое незначительное
отклонение от технологии может при-
вести к тому, что дефекты не будут
обнаруживаться, т. е. не только будут
магнитного контроля, но и будут сде-
о состоянии ОК- Поэтому следует
иметь в виду, что все этапы технологии чрезвычайно важны и на-
рушение хотя бы одного из них может свести на нет усилия, за-
трачиваемые на соблюдение всех требований на остальных
этапах.
При магнитопорошковой дефектоскопии контроль включает сле-
дующие основные этапы:
подготовка поверхностей деталей;
н а м а г н и ч и в а и и е де талей;
обработка сухим порошком или суспензией;
осмотр деталей и разбраковка.
Дополнительным этапом часто считают размагничивание. Он
почти всегда присутствует при контроле, но это скорее не контроль,
а приведение детали в состояние, пригодное для дальнейшего ис-
пользования. Поэтому соблюдение технологии важно прежде всего
на четырех основных этапах.
Назначение первого этапа в принципе ясно. Если мы хотим
обнаружить дефекты малого размера, то размеры неровности по-
верхности не должны превышать ожидаемых размеров дефекта.
В силу высокой чувствительности данного метода все практические
рекомендации разрабатывают в расчете на выявление дефектов
минимальных размеров. Наивысшая чувствительность достигается
при чистоте обработки, соответствующей 6... 7-му классу шерохо-
ватости поверхности. Вполне понятно, что увеличение шерохова-
тости поверхности приводит к снижению чувствительности, по-
скольку магнитный порошок оседает на неровностях поверхности,
как показано на рис. 3.38. В этом случае выявление дефектов ши-
86
риной 2...3 мкм оказывается невозможным уже при 5-м классе
обработки. Казалось бы, на более чистой поверхности выявлять
дефекты легче, однако здесь вступает в силу другой фактор. Шли-
фованные поверхности (начиная с 9-го класса шероховатости)
трудно осматривать из-за бликов. Поэтому детали со шлифован-
ной поверхностью рекомендуется осматривать в рассеянном свете
или покрывать очень тонким слоем краски.
Совершенно очевидно, что перед осмотром детали должны быть
очищены от окалины, грязи, смазки.
3.3.2. Циркулярное, полюсное и комбинированное
намагничивание
Так как магнитный контроль основан на регистрации магнит-
ных полей рассеяния, то обязательной операцией контроля явля-
Рис. 3.39. Разновг продоль-
ного намл! ни . 1НИЯ
ется намагничивание контроли-
руемой детали. Лучше всего
дефекты обнаруживаются в
случае, когда плоскость дефек-
та перпендикулярна направле-
нию намагничивания. Из-за
того, что положение плоскости
дефекта заранее не известно,
детали простой формы намаг-
ничивают в одном или двух
направлениях, а детали сложной формы — в нескольких направле-
НИЯХ.
При магнитном контроле применяют три способа намагничи-
вания: продольное (полюсное), циркулярное и комбинированное.
Они отличаются преимущественным направлением магнитного по-
тока относительно наибольшего размера объекта контроля.
Продольное намагничивание можно осуществить с помощью
постоянного магнита, электромагнита или соленоида (рис. 3.39).
Первые два случая отличаются только способом создания магнит-
ного поля.
Намагничивание постоянным магнитом удобно при контроле
в полевых условиях, а также при использовании магнитного кон-
троля как дополнительного к каким-либо другим видам, когда
отсутствует специальное оборудование магнитного контроля. Ис-
пользование постоянного магнита удобно. В то же время измене-
ние напряженности поля, а следовательно, магнитного состояния
объекта контроля здесь почти невозможно.
Достоинством электромагнита является возможность управле-
ния режимом контроля.
Как постоянный магнит, так и электромагнит применяют при
контроле плоских или не сильно искривленных участков поверх-
ностей детали.
Продольное намагничивание в соленоиде используют при кон-
троле протяженных объектов типа прутков, штанг. При этом ска-
зывается влияние размагничивающего фактора (коэффициента
формы). В результате на границах намагничиваемого участка маг-
нитные силовые линии выходят из ОК. Истинная напряженность
магнитного поля внутри объекта оказывается меньше расчетной.
Влияние намагничиваемых областей детали и сложность конфигу-
рации намагничиваемой области не позволяют рассчитать магнит-
ное поле внутри детали и правильно выбрать режим контроля.
Поэтому для выбора режима намагничивания деталей сложной
Рис. 3.40. Разновидности циркулярного намагничивания
формы и определения чувствительности необходимо измерять на-
пряженность намагничивающего поля. Следует, однако, иметь в
виду, что для измерения напряженности поля вблизи дефектов
необходимы миниатюрные датчики, но даже в этом случае всегда
будут получаться заниженные результаты, так как весьма малая
по размерам область поля рассеяния окружена участками, где
полей рассеяния практически нет. Большинство первичных изме-
рительных преобразователей имеют относительно большие разме-
ры, поэтому получается усредненное по их размерам значение
напряженности, т. е. явно заниженное.
При продольном намагничивании выявляются поперечные, т. е.
направленные ортогонально направлению магнитного потока, де-
фекты. Очевидно, что при использовании постоянного магнита или
электромагнита для продольного намагничивания контроль луч-
ше всего проводить несколько раз, намагничивая участок детали
в различных направлениях.
Циркулярное намагничивание осуществляют, пропуская ток че-
рез деталь или проводник, проходящий сквозь отверстие в ОК.
Этот вид намагничивания применяют для выявления продольных
дефектов, а также дефектов, расположенных под небольшим углом
к оси детали. Основные разновидности циркулярного намагничи-
вания показаны на рис. 3.40. Протяженные детали в виде стерж-
ней, осей, у которых рабочей является боковая поверхность, на-
магничивают, пропуская ток через контакты на торцах. Для цир-
кулярного намагничивания участков длинных деталей, а также
38
в случае недоступности торцов контакты устанавливают на боко-
вую поверхность детали. Недостатком этого способа является то,
что в местах контактов возможен сильный разогрев детали и об-
разование прижогов (областей термического воздействия с изме-
ненными механическими свойствами), что недопустимо для хорошо
обработанных рабочих поверхностей. Этот недостаток отсутствует
при контроле деталей в виде труб, колец, поскольку здесь ток
проходит но проводу, пропущенному через отверстие.
В отличие от продольного при циркулярном намагничивании
во многих случаях удается приближенно оценить напряженность
магнитного поля, т. е. рассчитать режим контроля. Так, для слу-
чая / на рис. 3.40 напряженность поля иа поверхности стержня
при пропускании по нему тока I, по закону полного тока, равна
Н — I /С2яг),
контактами значительно больше диа-
Рис. 3.41. Разновидности комбинированно-
го намагничивания
где г — радиус детали.
По этой же формуле можно провести расчет и для случая 3,
когда расстояние I между
метра детали d, т. е. при
l)d>b... 10.
Расчет для кольца
(случай 2 на рис. 3.40)
аналогичен. Обычно счи-
тают, что //=//(2лтср),
где гСр — средний радиус
детали.
В случае намагничи-
вания пластин расчет ме-
нее точен, но можно по-
лагать, что при соотношении сторон сечения более 10... 15 напря-
женность магнитного поля на поверхности пластины определяется
соотношением
Н=Щ2Ь),
где b — большая сторона сечения пластины.
Для деталей более сложной формы расчет неточен, поэтому
приходится пользоваться или очень приближенными оценками, или
измерять напряженность поля.
Комбинированное намагничивание осуществляется одновремен-
ным намагничиванием детали обычно переменными полями в двух
взаимно перпендикулярных направлениях с целью выявления де-
фектов разной ориентации. Очевидно, что намагничивающие поля
не могут быть одинаковой частоты, так как в этом случае получа-
лось бы просто поле одного направления, представляющее вектор-
ную су?лму полей. На рис. 3.41 показаны основные варианты ком-
89
бинироваиного намагничивания. Видно, что комбинация здесь об-
разована двумя предыдущими вариантами. Для полей различных
частот их взаимного влияния практически нет, и каждое поле на-
магничивает объект только в своем направлении. В результате с
максимальной чувствительностью можно выявлять дефекты, ори-
ентированные в двух ортогональных направлениях. Дефекты про-
межуточных направлений будут, конечно, также выявлены, но с
меньшей чувствительностью; пропуска дефектов из-за того, что
силовые линии параллельны дефекту, не будет. Поэтому с помо-
щью комбинированного намагничивания выявляют дефекты, ори-
ентированные произвольно, хотя оно и более сложное в реализа-
ции.
Рис. 3.42. Продольно намагниченная Рис. 3.43. Способы предотвращения раз-
деталь переменного сечения магничивавия деталей
Следует остановиться на некоторых особенностях технической
реализации устройств для комбинированного намагничивания. При
использовании индуцированного тока в детали, как, например, в
третьем случае на рис. 3.41, возможно замыкание тока не через
деталь, а через магнитоировод. Во избежание этого между де-
талью и магпитопроводом приходится устанавливать изоляционные
прокладки. •
Необходимо заметить, что существует источник погрешностей,
связанный именно с намагничиванием детали. На участках изме-
нения сечения детали возникают магнитные поля рассеяния, ко-
торые маскируют поля рассеяния дефекта. На рис. 3.42 показано
продольное намагничивание детали переменного сечения. В угло-
вых областях наблюдается искривление силовых линий и частич-
ный выход их на поверхность. При наличии дефектов в этих об-
ластях на магнитное поле рассеяния дефектов накладываются по-
ля рассеяния, появившиеся из-за изменения сечения, в результате
чего возможен пропуск дефектов именно в этих областях.
Если такому контролю подвергаются детали, имеющие малое
отношение длины к диаметру, то из-за влияния размагничиваю-
щего фактора напряженность поля в детали оказывается значи-
90
тельно меньшей напряженности, создаваемой соленоидом. Умень-
шение напряженности поля может привести к пропуску дефектов.
Только при намагничивании достаточно длинных деталей можно
не учитывать влияние размагничивающего фактора. Считается, что
ослаблением напряженности поля можно пренебречь лишь при
Для предотвращения влияния размагничивающего фак-
тора применяют либо специальные удлинители, либо детали соби-
рают в цепочки (рис. 3.43). Намагничивание и обработка суспен-
зией производится без разъема этих цепочек, а осматривать каж-
дую деталь можно отдельно.
Рис. 3.44. Намагничивание детали Рис. 3.45. Намагничивание детали
до насыщения в переменных полях
3.3.3. Особенности намагничивания в постоянном,
переменном и импульсном магнитных полях
Процесс намагничивания ферромагнитного материала есть из-
менение намагниченности вещества под воздействием внешнего
магнитного поля. Насыщение ферромагнетика наступает, когда
направление результирующего вектора намагниченности доменов
приближается к направлению внешнего поля. В магнитном не-
разрушающем контроле, намагничивание ОК проводят постоянным,
переменным и импульсным полями.
При намагничивании постоянным полем в ОК создают посто-
янное магнитное поле любым из способов, рассмотренных в и.3.3.2,
напряженностью //1Иах, достаточной для насыщения материала,
как показано ла рис. 3.44. Согласно [8], считается, что в поле на-
пряженностью //max практически достигается насыщение, если
уменьшение напряженности поля на 25% (до значения 77'тах)
приводит к уменьшению остаточной индукции Вг и коэрцитивной
силы Нс не более чем на 1%. Намагничивание может быть осуще-
ствлено с помощью как постоянного магнита, так и электромаг-
нита. Достоинства намагничивания в постоянном поле — его ста-
бильность и отсутствие влияния вихревых токов. Следует, однако,
отмерить сложность построения выпрямительных устройств на
9t
большие токи. Легко проверить, что, например, для намагничива-
ния до насыщения циркулярным способом внешней поверхности
гайки М4 из стали 20 необходим ток 80 А. (По данным [3j, необ-
ходима напряженность поля 32 А/см.) Поэтому в постоянном поле
намагничивают только малогабаритные детали или отдельные уча-
стки деталей.
Намагничивание в переменных полях удобнее, так как с по-
мощью трансформатора удается получить достаточно большой ток.
Но в этом случае необходимо обеспечить выключение тока в мо-
мент достижения амплитудного значения, что технически не про-
сто. При выключении же тока в произвольный момент времени
требуемого намагничивания детали получить не удается, что иллю-
стрирует рис. 3.45. Если выключение внешнего поля произошло в
точке 1, то изменение магнитного состояния происходит по пре-
дельной петле гистерезиса в направлении, указанном стрелкой, и
достигается значение Вг (без учета влияния размагничивающего
действия концов детали). Если же выключение произошло в точ-
ке 2, то размагничивание происходит уже по частному циклу до
значения В/, меньшего Вг. Когда же выключение поля произойдет
в точке 3, материал окажется полностью размагниченным и при-
дется проводить многократное намагничивание с выключением
ноля в случайный момент времени и последующей оценкой, сте-
пени намагниченности.
Импульсный метод намагничивания сочетает достоинства на-
магничивания с помощью постоянного и переменного полей, хотя
технически он сложен. Чаще всего импульсное намагничивание
осуществляется импульсом тока в результате разряда конденса-
тора большой емкости. Длительность и амплитуда импульса на-
пряженности намагничивающего поля должны быть выбраны та-
кими, чтобы при минимальных энергетических затратах и высокой
производительности обеспечить техническое насыщение материа-
ла. Благодаря отсутствию магнитопровода импульсные установки
имеют относительно небольшую массу и являются высокоэконо-
мичными.
Следует иметь в виду, что вследствие влияния вихревых токов,
возникающих в ОК во время действия импульса, намагничивание
различных областей ОК происходит не одинаково. В то время как
поверхностные слои намагничиваются до насыщения, внутренние
области оказываются недомагниченными. Характер изменения маг-
нитной индукции на различных радиусах г* цилиндра при воздей-
ствии импульсного магнитного поля показан на рис. 3.46. Таким
образом, деталь не промагничивается полностью. Но это же как
раз и позволяет очень эффективно уменьшить влияние размагни-
чивающего действия концов детали путем перемагничивания по-
верхностного слоя импульсным полем в направлении, противопо-
ложном основному направлению намагничивания в постоянном
поле. При этом импульсным полем перемагничивается поверхност-
92
ный слой детали, в результате образуется как бы замкнутая маг-
нитная цепь (рис. 3.47).
Комбинацией намагничивания в постоянном и импульсном по-
лях является намагничивание пульсирующим (выпрямленным) то-
ком, что обеспечивает намагничивание всего объема ОК постоян-
ной составляющей тока и перемагничивание только поверхност-
ного слоя переменной составляющей. При таком намагничивании
Рис. 3.48. Намагничивающее уст-
ройство рельсового дефектоскопа
Рис. 3.46. Изменение
импульса индукции
во времени
Рис. 3.47. Намаг-
ничивание поверх-
ностного слоя де-
тали импульсным
полем
оказывается возможным контроль деталей с отношением длины
к диаметру, не превышающим 3...5. Это расширяет номен-
клатуру объектов, контролируемых методом остаточной намаг-
ниченности.
Все рассмотренные способы намагничивания реализуются в
магнитных дефектоскопах различных типов. В магнитном рельсо-
вом дефектоскопе МРД-66 производится продольное намагничи-
вание головки рельса полем постоянных магнитов. Намагничиваю-
щее устройство (рис. 3.48) состоит из двух магнитов из сплава
«магнико», расположенных над двумя рельсовыми нитями, и за-
мыкающего ярма из магнитомягкого материала. Между полюса-
ми магнитов и головкой рельса остаются зазоры h, равные 6,0...
6,5 мм, необходимые для прохода дефектоскопа по путям
со стыковыми соединениями, имеющими значительное воз-
вышение.
На рис. 3.49 показан участок размагничивания петли гистере-
зиса, для которого экспериментально определено положение ра-
бочей точки D (На——375 А/см и В^-0,33 Тл). При размещении
магнитов вблизи головки рельса рабочая точка перемещается по
прямой возврата в точку Р. При указаньем рабочем зазоре сред-
нее значение (по данным [10]) магнитной индукции в головке
93
рельса составляет лишь 20 ...25% индукции насыщения рельсовой
стали, что равно 0,3 Тл для рельса Р65К, 0,35 Тл для рельса
Р50К и 0,4 Тл для рельса Р43К, Напряженность продольной со-
ставляющей магнитного ноля 8 ... 11 А/см.
Продольное намагничивание с помощью электромагнита осу-
ществляется в магнитном вагоне-дефектоскопе, предназначенном
Рис. 3.49. Участок кривой размаг-
ничивания магнита
для скоростной дефектоскопии
рельсов пути. Рельсы намагни-
чиваются П-образными электро-
м а гнита м и постояв кого тока
(рис. 3.50). Зазор между полюса-
ми и рельсом составляет 8...
10 мм при длине намагничивае-
мого участка рельса 1100 мм.
Рабочая часть потока Фр, созда-
ется электромагнитом, другая
часть, замыкаясь, образует
потоки рассеяния по воздуху —
Фв, а также по колесам и раме
тележки — Фп (залолюсные по-
токи). При малых намагничивающих токах потоки рассеяния Фв
и залолюсные потоки Ф» малы. С увеличением намагничивающего
тока относительная доля рабочего магнитного потока падает (при
увеличении абсолютного значения). Таким образом, эксперимен-
тально подбирают намагничивающий ток, увеличение которого не
приводит к повышению намагниченности рельса.
Рис. 3.50. Намагничивающее устройство вагона-дефектоскопа
В некоторых приборах намагничивание можно осуществлять
как пропусканием тока по детали (или стержню в отверстии де-
тали), так и с помощью соленоида или электромагнита. Так, в пе-
реносном магнитном дефектоскопе ПМД-70 циркулярное намагни-
чивание осуществляется путем пропускания импульсного тока по
участку детали с помощью специальных электрических контактов.
Максимальная амплитуда импульса тока достигает 1000 А. Про-
дольное намагничивание небольших по размерам деталей осуще-
ствляется с помощью соленоида или шарнирного электромагнита,
обеспечивающего необходимый контакт полюсов с ОК. Максималь-
94
Рис. 3.51. Испытательный стенд для
контроля мелких деталей:
I — источник тока. 2 — намагничивающий
соленоид; .4 — контакты для циркулярного
намагничивания, 4 — кран для подачи маг-
нитной суспензии. 5 — педаль включения
ная напряженность поля, создаваемого электромагнитом, 160 А/см,
Соленоидом — 400 А/см.
Самые сильные намагничивающие поля создаются в стационар-
ных дефектоскопах. Так, в отечественных дефектоскопах
УМДЭ-10000 и МДС-5 осуществляется циркулярное или продоль-
йое намагничивание, причем
Максимальная амплитуда пере-
менного тока или однополупе-
риодного выпрямленного тока
достигает 15 кА для УМДЭ-
10000 и 7,5 кА для МДС-5.
Предусмотрена регулировка
тока, минимальное значение
его 25 А.
Разработаны также специ-
альные устройства, предназна-
ченные для намагничивания
постоянным, переменным или
Импульсным током при маг-
нитопорошковом неразрушаю-
щем контроле. Они снабжены
Специальными электрическими
контактами для циркулярного
намагничивания при пропускании тока через деталь. Продольное
'намагничивание осуществляется с помощью соленоида или элек-
тромагнита. Некоторые из этих устройств могут быть также ис-
пользованы и для размагничивания деталей после контроля. На
рис. 3.51 показан испытательный стенд фирмы «Tiede» для конт-
роля мелких деталей.
Таблица 3.1
Характеристики намагничивающих устройств
Тип Максимальный ток или напряженность поля Длитель- ность им- пульса, с Масса, кг
ПМД-87 Ими. 2000 А, перем. 300 А 1,5 60
МД-87П Ими. 8000 А, перем. 4000 А 1.5 117
МД-11ВП 2500 А/см 20 70
Основные характеристики отечественных намагничивающих уст-
ройств приведены в табл. 3.1. Из зарубежных устройств следует
отметить ручные электромагниты фирмы «Tiede» (ФРГ). Подвиж-
ные полюсные наконечники, поворачиваемые на 90°, обеспечивают
Хороший магнитный контакт даже на изделиях сложной формы.
Большая напряженность поля делает возможным контроль без
95
предварительного удаления защитного покрытия, если оно не тол-
ще 0,4 мм. Электромагниты могут быть оснащены электронными
устройствами для плавной регулировки напряженности поля с це-
лью правильного выбора режима контроля. Выпускаются ручные
электромагниты четырех типов, их основные технические харак-
теристики приведены в табл. 3.2.
Электромагнит TWM220 работает иа переменном токе и вклю-
чается непосредственно в сеть переменного тока. Он обеспечивает
самую большую напряженность поля среди всех выпускаемых фир-
мой «Tiede» электромагнитов, оснащен вспомогательными полюс-
ными наконечниками.
Таблица 3.2
Характеристики ручных электромагнитов фирмы «Tiede»
Тип электромагнита TWM 220 TWM 24 BWM 220/12 KWM. 24
Напряжение питания, В 220 220 220;12 3X380
Частота, Гц 50 50 50 и 50
Сечение полюса, мм Масса, кг 27X27 4,2 27X27 2,7 пост, ток 27X27 3,7 9.2
Разделительный трансформатор — 220/24 220/24 3X380/24
Масса разделительного транс- 6,5 6.5 15,0
форматора, кг Напряженность, кЛ/м, создавае- мая в железном стержне сечением: 50X20 мм 9,4 8,3 8.3 4,3
50X50 мм на стальной плите размером 500X500X10 мм 6,8 6,1 5,6
Электромагнит TWM 24 включается в сеть переменного тока
через разделительный трансформатор и в целях безопасности ра-
ботает на пониженном напряжении 24 В. Он применяется для
контроля изнутри котлов, труб и закрытых емкостей.
Ручной электромагнит BWM 220/12 является дополнительным к
ручным электромагнитам типа TWM и благодаря малым габари-
там предназначен для контроля участков недоступных для других
электромагнитов. Он оснащен лишь одной маломощной намагничи-
вающей обмоткой, поэтому напряженность поля здесь несколько
ниже, чем у основных электромагнитов типа TWM. Этот электро-
магнит может питаться от источника постоянного тока напряже-
нием 12 В.
С помощью крестообразного электромагнита KWM 24 контроль
сварных швов проводится быстрее и эффективнее. С помощью это-
го электромагнита с двумя расположенными крест-накрест ярма-
96
ми осуществляется комбинированное намагничивание, что позво-
ляет обнаруживать как продольные, так и поперечные дефекты.
Два переменных поля, сдвинутые по фазе на 90°, образуют круго-
вое вращающееся поле. Каждый полюс оснащен двумя колесами,
Рис. 3.52. Ручной электромагнит, установленный на поверхности объекта конт-
роля (а), и полюсные наконечники для него (б)
обеспечивающими постоянство зазора, и легкость перемещения
электромагнита по поверхности ОК.
Ручной электромагнит, установленный на поверхности ОК, по-
казан на рис. 3.52, а. Электромагнит в виде магнитного сердеч-
ника / находится в ручке-держателе. На пего намотаны катушки
2, создающие магнитный по-
ток 3. В области дефекта 4
возникает поток рассеяния
Фрае, регистрируемый с по-
мощью магнитного порошка
или суспензии. Электромаг-
нит снабжен устройством 5
для плавной регулировки
напряженности магнитного
поля и кнопкой 6 для вклю-
чения питания.
Ручные электромагниты
TWM и BWM могут быть
оснащены дополнительными
полюсными наконечниками
(рис. 3.5,6). Они бывают
трех видов: скошенные под
углом 45°; защитные, сбе-
регающие полюсы электро- рис Контроль сварного шва лопатки
магнита; подвижные. Рис. мощной турбины с применением полюсных
3.53 иллюстрирует контроль наконечников
4—1332
97
сварного шва лопатки мощной турбины с помощью подвижных
полюсных наконечников, а рис. 3.54 — намагничивание в продоль-
ном направлении участка диска с помощью этих же наконечни-
ков. На рис. 3.55 показана установка электромагнита при конт-
роле опорных поверхностей коленчатого вала. Здесь очень трудно
было бы осуществить намагничивание участка детали без приме-
нения подвижных полюсных наконечников.
Рис. 3.54. Продольное на-
магничивание участка дис-
ка с помощью полюсных
наконечников
Рис. 3.55. Контроль коленчатого
вала ручным электромагнитом
3.3.4. Размагничивание объектов контроля
Размагничивание деталей после контроля проводится для удоб-
ства последующей транспортировки, обработки и эксплуатации.
Необходимость размагничивания диктуется трудностями обработ-
ки и эксплуатации намагниченных деталей.
Возможны два способа размагничивания деталей. Первый —
это нагрев до температуры точки Кюри, при которой самопроиз-
вольная намагниченность ферромагнетиков исчезает и они стано-
вятся парамагнетиками. Однако этот способ практически не на-
ходит применения, поскольку при нагреве могут измениться ме-
ханические свойства материала детали, что в большинстве случа-
ев недопустимо.
Второй способ состоит в воздействии па объект контроля пе-
ременного магнитного поля с убывающей до нуля амплитудой.
Сам процесс размагничивания состоит в том, что ОК помещают
в соленоид или электромагнит и путем коммутации постоянного
поля с уменьшением его напряженности или путем уменьшения
амплитуды переменного поля доводят его до размагниченного со-
стояния. Существенным является выбор частоты переменного по-
ля или частоты коммутации постоянного поля. Это связано с влия-
нием вихревых токов, которое тем более сильно, чем больше га-
98
бариты детали и ее магнитная проницаемость. Вследствие слож-
ной зависимости характера распределения вихревых токов от кон-
фигурации деталей частоту и амплитуду размагничивающего поля
выбирают исходя из приближенных рекомендаций. Для деталей
с толщиной стенок 2 ... 3 мм из материала с Нс= 10... 15 А/см мож-
но использовать ток промышленной частоты 50 Гц. Для деталей с
толщиной стенок до 30 мм частота должна быть порядка единиц
герц. С увеличением значения Нс вследствие падения магнитной
проницаемости вихревые токи уменьшаются и допустимая тол-
щина деталей составляет 10... 15 мм на частоте 50 Гц и 50 ...60 мм
на частоте 1 Гц.
Характеристики демагнетизаторов
Таблица 3.3
Тип Фирма Характери- стика раз- магничиваю- щего поля Частота, Гц Размеры отвер- стия соленоида, мм
NF2-400S «Karl Deutsch» (ФРГ) 240 А/см 0,5... 3 400X400
SB 911 «Magnaflux» (США) 8800 А 50 225X275
SB 1619 12 000 А 50 400X475
SB 2824 7500 А 50 600X700
100-021 «Shimadzu» (Япония) 7700 А 50 711X375
100-022 7000 А 50 229X279
100-023 6000 А 50 Диаметр 150
МР-10И МР-11 И СССР 350 А/см 50 и 2... 4 500X600 250X250
Амплитуда напряженности размагничивающего поля, как пра-
вило, выбирается равной или больше амплитуды намагничиваю-
щего поля. Число периодов размагничивания обычно 40—50, т. е.
уменьшение амплитуды должно быть достаточно плавным.
При размагничивании больших партий деталей качество раз-
магничивания определяют следующим образом. Одну из деталей
нагревают до точки Кюри и охлаждают в отсутствие внешних маг-
нитных полей (кроме магнитного поля Земли). Затем чувствитель-
ным измерителем магнитной индукции оценивают максимальную
намагниченность, хотя бы в относительных единицах. Если пока-
зания измерителя при этом — некоторое число а, то считают, что
детали достаточно размагничены, если показания для этих дела-
лей не превышают За. В качестве индикатора намагниченности
может быть использован прибор для измерения остаточной магнит-
4- 99
ной индукции МФ-23Ф, предназначенный для определения качест-
ва размагничивания изделий и обнаружения локальных магнит-
ных полюсов. Оценка осуществляется по модулю и знаку разно-
сти значений остаточной магнитной индукции в зоне контроля и
на базовом расстоянии 20 мм. Диапазон измерения разности зна-
чений магнитной индукции ±2 мТл с подавлением влияния внеш-
них магнитных полей от 0 до ±20 мкТл.
Для размагничивания используют демагнетизаторы — соленои-
ды, питаемые переменным током различной частоты. Параметры
их приведены в табл. 3.3 [3].
Кроме того, для размагничивания объектов контроля исполь-
зуются намагничивающие устройства МД-87П и ПМД-87. Раз-
магничивание в них производится в течение (20+5) с уменьшени-
ем тока или удалением детали из центральной части соленоида
на расстояние, где напряженность поля можно считать равной
нулю.
Контрольные вопросы и задачи
3.3.1. Трещина какого направления вызывает максимальный поток рассея-
ния?
3.3.2. Почему чувствительность магнитного метода низка при дефектоскопии
материалов с большой магнитной проницаемостью?
3.3.3. Каковы требования к поверхности ОК при магннтопорошковом конт-
роле?
3.3.4. В каких случаях при намагничивании объекта удобно использовать
постоянный магнит?
3.3.5. Дефекты какой ориентации выявляются при циркулярном намагничи-
вании?
3.3.6. Какова цель комбинированного намагничивания?
3.3.7. В чем достоинства и недостатки намагничивания в постоянном маг-
нитном поле?
3.3.8. Достаточно ли для намагничивания переменным магнитным полем
обеспечить только необходимую напряженность поля или следует выполнить
какие-либо условия?
3J.9. Для чего применяются дополнительные полюсные наконечники?
3.3.10. Выберите значение тока для создания магнитного поля напряжен-
ностью //—80 А/см на внешней и внутренней поверхностях цилиндрической
втулки с внутренним диаметром 16 мм и с внешним диаметром 24 мм.
Р е ш е н я е
Если намагничивающий ток / пропускают непосредственно по втулке в осе-
вом направлении, то
7 = Яш/ва| = 80л.2,4^603 А.
Напряженность циркулярного магнитного поля на внутренней поверхности втул-
ки равна нулю, так как эта поверхность не охватывает намагничивающего то-
ка. Следовательно, в данной задаче намагничивание возможно только путем
пропускания тока по стержню, проходящему через отверстие втулки. Тогда на-
пряженность поля на внутренней поверхности втулки
---— ~!20 А/см,
я</внр 1
что даже больше требуемого значения. Таким образом, необходимый ток на-
магничивания составляет 603 А.
100
3.4. МАГНИТНЫЕ ПОЛЯ ДЕФЕКТОВ
Магнитные поля дефектов исследуют теоретическими метода-
ми, аналогичными используемым в электростатике. Дефект, пред-
ставляющий протяженную трещину или шаровое включение, заме-
няют моделями в виде бесконечно протяженной нити, совокупно-
сти отрезков или шаровой полости. Этим моделям приписывается
магнитный заряд, затем рассчитывают напряженность поля, соз-
даваемого этим зарядом. Результаты, полученные для таких мо-
делей, опубликованы, например, в [3]. Основоположниками этих
исследований можно считать А. Б. Сапожникова и Ф. Ферстера.
Рис. 3.56. Модель дефек-
кта в виде шаровой по-
лости
Рис. 3.57. Модель дефек-
та в виде цилиндра в
полупространстве
Если в качестве модели подповерхностного дефекта взята по-
казанная на рис. 3.56 шаровая полость внутри ферромагнитного
материала с магнитной проницаемостью ц„ то, согласно [3], со-
ставляющие напряженности магнитного поля в ферромагнитном
материале, окружающем полость, определяются по формулам
Н //III 1 „3 + г'12<'~’ ]
х ' 1+2(1, (х2 + 1/2 + z2)S/2 Г
---’‘r.-Z.1.. ;
» 1+2(1, ° (12 + у2 + г2)5/2
f-f __ Hr 1 дзуу ____________^xz______
г 1 + 2(1, ° (х2 + + z2)S/2
Следует отметить недостаток этой, а также ряда других рас-
смотренных в [3] моделей дефекта. Магнитное поле в этом слу-
чае рассчитывается внутри ферромагнетика, окружающего де-
фект. В то же время в магнитной дефектоскопии чаще необходи-
мо знать топографию поля вблизи поверхности вне объекта конт-
роля. Только некоторые модели позволяют получить ее, напри-
мер показанная на рис. 3.57 модель бесконечно протяженного ци-
линдрического дефекта в полупространстве. В этом случае, со-
гласно [3], составляющие напряженности вычисляются по фор-
мулам
101
/д=//а-2—Id | л _ у2-*2 ),
1*г + 1 V [х2 + (у — уг)‘}1 (х2 + 1/2)2 J
Н„—----^(d_J4Ll2iL£-------+ п_^\
Рт + 1\ [х24~({/—f/i)2]2 х2 + у'2 /
где
D0..:=//0a2“'=-'
p-f + 1
Д2
2Л3
£) =
Основной результат этих исследований— функции распределе-
ния тангенциальной и нормальной составляющих по поверхности
ОК в области дефекта. На рис.
Рис. 3.58. Тангенциальная (се)
и нормальная (б) составляю-
щие напряженности поля над
трещиной
3.58 показаны зависимости танген-
циальной 77х и нормальной Ну со-
ставляющих напряженности магнит-
ного поля от координаты х, ортого-
нальной плоскости трещины. Тан-
генциальная составляющая не из-
меняет знака при переходе через
дефект и для узких дефектов име-
ет один максимум, для широких —
два. Обычно магнитный контроль
используют для контроля узких де-
фектов, поэтому можно считать,
что максимум тангенциальной со-
ставляющей всегда располагается
над дефектом.
Нормальная составляющая Ну
при переходе через дефект изменя-
ет знак. С увеличением глубины
дефекта от hi до Л4 характер за-
висимости не изменяется и макси-
мальное значение Ну возрастает.
Таким образом, измерение глуби-
ны дефекта магнитным методом
можно осуществить по напряженно-
сти магнитного поля (нормальной
составляющей). При изменении ши-
рины d дефекта происходит не
только увеличение значения Ну, но
и смещение экстремума. Следова-
тельно, информация о ширине тре-
102
щины содержится как в значении, так и в положении максиму-
ма И,.
При перемещении первичного преобразователя в направлении,
перпендикулярном направлению трещины, нормальная составляю-
щая напряженности магнитного поля изменяет знак, проходя че-
рез нулевое значение, и имеет второй экстремум. В точке прохож-
дения через нуль нормальной составляющей Ня тангенциальная
составляющая Нх имеем максимум, а в случае широких трещин —
значение, близкое к максимальному.
Хотя указанные способы определения размеров дефектов мо-
гут быть реализованы, практически их применение сильно ослож-
нено основным мешающим фактором — изменением магнитных ха-
рактеристик от образца к образцу. С уменьшением магнитной ин-
дукции материала уменьшается напряженность магнитного поля
рассеяния дефекта, что может приводить к ошибкам при оценке
параметров дефекта непосредственно по какой-либо составляю-
щей напряженности магнитного поля. По этой причине предпоч-
тительнее контроль по топографии магнитного поля. Однако и
здесь существуют свои сложности — локальные неоднородности,
отличать которые от дефектов крайне трудно. Локальные неодно-
родности могут появиться в результате механических ударов, тер-
мических воздействий, поднесения магнита к детали. Если только
провести намагниченной отверткой по поверхности детали, то поя-
вится магнитный след, который вызовет ложный сигнал. Чтобы его
устранить, можно повторно намагнитить деталь и снова ее про-
контролировать. Неоднородности магнитных свойств, вызванные
механическими напряжениями (в результате ударов, перегревов),
устраняют отжигом, если позволяют условия производства или
эксплуатации ОК.
Вообще следует отметить, что хотя приближенно удается рас-
считать сигналы с помощью моделей, для реальных дефектов это
пока не удается. По этой причине магнитный неразрушающий
контроль в настоящее время базируется на использовании конт-
рольных образцов из тех же марок материалов, что и ОК. Слож-
ность их изготовления и аттестации крайне затрудняет метроло-
гию в этом виде контроля.
Контрольные вопросы
ЗЛ.1. Как изменяется тангенциальная составляющая напряженности маг-
нитного поля при переходе через дефект?
3.4.2. Как можно магнитным методом измерить глубину дефекта?
3.4.3. Для чего нужны контрольные образцы в магнитном контроле?
3.4.4. Какие меры принимают для ослабления помех, связанных с локаль-
ными неоднородностями материалов ОК?
3.5. МАГНИТНЫЕ ДЕФЕКТОСКОПЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ
3.5.1. Способы магнитного контроля
С точки зрения воздействия магнитного поля на ОК различа-
ют способ приложенного магнитного поля и способ остаточной на-
магниченности.
Контроль в приложенном поле заключается в том, что деталь
намагничивают и одновременно контролируют. Достоинство спосо-
ба состоит в возможности создания достаточно большой индук-
ции, вплоть до насыщения. Это позволяет получить значительные
поля рассеяния дефектов и повысить их выявляемое™. Но силь-
ное магнитное поле, действующее па ОК, воздействует также и
на магнитный первичный измерительный преобразовать, создавая
мощную помеху, что затрудняет контроль.
Способ остаточной намагниченности заключается в том, что ОК
вначале намагничивают, затем устраняют намагничивающее поле
и только после этого начинают контроль. Из-за меньших значений
индукции чувствительность этого способа меньше, по здесь ис-
ключено мешающее влияние намагничивающего поля, что частич-
но компенсирует потерю чувствительности. Этот способ применя-
ется для контроля магнитотвердых материалов с большой оста-
точной индукцией. В магнитомягком материале даже при доста-
точно большом значении 13, индукция может оказаться малень-
кой из-за размагничивающего влияния ОК.
В дефектоскопии используются оба метода. Существуют также
разновидности НК, реализуемые только одним из методов. На-
пример, оценка твердости коэрцитиметрическим методом осущест-
вляется только по способу остаточной намагниченности, в то вре-
мя как структуроскопия методом высших гармоник возможна
только в приложенном поле.
Сравнивая оба способа, следует отметить их достоинства.
В способе остаточной намагниченности это большая технологич-
ность, возможность контроля в условиях, когда отсутствуют ис-
точники питания электромагнитов. Способ приложенного поля обе-
спечивает более высокую чувствительность, позволяет контролиро-
вать объекты из материалов с малой индукцией насыщения. Слож-
ности возникают при контроле коротких деталей, когда появляет-
ся размагничивающее поле, нарушающее параллельность магнит-
ных линий и ухудшающее условия обнаружения дефектов.
3.5.2. Магнитопорошковые дефектоскопы
Магнитопорошковые дефектоскопы — это устройства для выяв-
ления нарушений сплошности в ОК, использующие в качестве ин-
дикаторов полей рассеяния дефектов магнитные порошки.
104
Структурная схема магнитопорошкового дефектоскопа показа-
на на рис. 3.59. Дефектоскоп содержит источник тока намагничи-
вания ИТН (постоянного, переменного или импульсного). Многие
дефектоскопы дают возможность использовать любой из этих ви-
дов тока. Существенным элементом дефектоскопа являются кабе-
ли (К), подводящие ток к ОК. Поскольку токи часто превышают
1000 А, требования к кабелям и электрическим контактам очень
жесткие. Намагничивание ОК может осуществляться циркулярно,
с помощью устройств циркулярного намагничивания путем пропус-
кания тока по детали или по стержню, проходящему через отвер-
стие в детали. Для продольного намагничивания служат электро-
магниты либо соленоиды.
Рис. 3.59. Структурная схема магнитопорошкового дефектоскопа
Способ и устройство нанесения магнитного порошка (сухого
либо в виде суспензии) выбираются в зависимости от требуемой
производительности контроля и условий работы оператора. При-
меры таких устройств рассмотрены в следующем параграфе. Ос-
ветительное устройство обеспечивает освещение объекта, удобное
для оператора, в зависимости от типа применяемого порошка. До-
полнительными устройствами дефектоскопа могут быть измерите-
ли тока либо напряженности магнитного поля, а также устройства
для сортировки деталей либо их перемещения в процессе конт-
роля.
Для магпитопорошкового контроля применяют дефектоскопы
трех видов: 1) стационарные универсальные; 2) передвижные и
переносные универсальные; 3) специализированные.
Стационарные универсальные дефектоскопы получили широкое
распространение па предприятиях, где серийно производятся раз-
нотипные детали. Такими дефектоскопами контролируют с высо-
кой производительностью детали различной конфигурации — до
нескольких сотен деталей в час. Универсальные дефектоскопы
позволяют намагничивать детали циркулярным, продольным и
105
комбинированным методами и контролировать их как в прило-
женном поле, так и по остаточной намагниченности.
Такие дефектоскопы различаются мощностью, родом намагни-
чивающего тока и размерами ОК. Допустимая длина ОК зависит
от конструктивных особенностей дефектоскопа. Максимальное по-
перечное сечение ОК определяется максимальным намагничиваю-
щим током. Считается, что максимальный диаметр ОК ориентиро-
вочно определяется током, который создает на его поверхности
магнитное поле напряженностью 80 Л/см. Это не жесткий крите-
рий, и можно найти ряд сталей, которые контролируются при
меньшей напряженности. Характеристики некоторых универсаль-
ных дефектоскопов приведены в табл. 3.4.
Таблица 3.4
Характеристики универсальных дефектоскопов
Тип Род тока Макс, ток, кА Макс, на- пряжен* ность по- ля, кА/м Макс, длина контролируе- мой детали, мм
УМДЭ-10000 Переменный, однополупери- 12 24 1600
(СССР) одный выпрямленный 15
УМДЭ-2500 Переменный 5 20 900
(СССР)
МД-10П Переменный, импульсный 20 40 2000
(СССР)
«Deitrouux Переменный, импульсный 1.5 8 360
UH 350» (ФРГ)
KHP-4D (США) Переменный, однонолупери- 40
одный, выпрямленный
PRA-8 (Япо- Переменный, постоянный 7
пня) 4
Передвижные и переносные дефектоскопы представляют источ-
ники постоянного, переменного (выпрямленного однополупериод-
иого) или иногда импульсного тока. Эти дефектоскопы предназ-
начены для намагничивания и контроля объектов в условиях, ког-
да невозможно применить стационарные дефектоскопы, например
при контроле отдельных участков крупногабаритных деталей или
при контроле объектов в полевых условиях. В этих дефектоскопах
намагничивание осуществляется с помощью электромагнита или
соленоидом, образуемым навивкой кабеля на деталь. Характери-
стики таких дефектоскопов приведены в табл. 3.5.
Специализированные дефектоскопы предназначены для конт-
роля деталей одного типа при крупносерийном производстве. Это,
как правило, установки, в которых автоматизированы все опера-
ции, кроме осмотра. Характеристики таких дефектоскопов приве-
дены в табл. 3.6.
106
Из изложенного следует, что магнитные дефектоскопы обеспе-
чивают всего лишь необходимое магнитное состояние ОК, а ре-
зультат контроля достоверен при соблюдении ряда очень важных
и часто сложных требований. В последующем будут рассмотрены
эти требования и особенности магнитопорошкового контроля.
Таблица 3.5
Характеристики передвижных и переносных дефектоскопов
Тип Род тока Макс. ток. кА Напряжен- ность поля, кА/м
ПМД-70 (СССР) МД-50П (СССР) «Deitropuls SWG 2000/4000» (ФРГ) «Magnafhix КН-15» (США) Переменный, импульс- ный Импульсный Переменный, импульс- ный Переменный, однопо- лупериодный, выпрям- ленный 1,2 5 2 4 1,5 1 1 5 со
Таблица 3.6
Характеристики специализированных дефектоскопов
Типа Род тока Макс, ток, кА Макс, длина конт- ролируемой детали, мм. или тип детали
BUR (ФРГ) Переменный, по- стоянный 0,6 Кольца подшипни- ков
«UNIVERSAL 300G» (ФРГ) Переменный 4 3300
Н-7000 (США) Переменный, по- стоянный 6 3500
HFR-144 (Япония) То же 6 3650
3.5.3. Нанесение магнитного порошка на объекты контроля
и их осмотр
Основное условие надежного выявления дефектов — равномер-
ное нанесение магнитного порошка на поверхность ОК. Порошок
наносят сухим способом и мокрым (или способом суспензии). До-
полнительным способом можно считать магнитогуммирование, т. е.
использование упругой массы наподобие резины, обладающей маг-
нитными свойствами. Иллюстрация способов дается на рис. 3.60.
При сухом способе порошок наносят на деталь с помощью уст-
ройств типа сит и распылителей (рис. 3.60, а). Способ достаточно
107
прост и высокопроизводителен, но крайне неудобен для обслужи-
вающего персонала, вынужденного работать в атмосфере распы-
ленного порошка. По этой причине широкого распространения он
не получил и применяется только для предварительного контроля,
например литых деталей.
Рис. 3.60. К иллюстрации магнитопорошкового контроля
Разновидность сухого способа — метод аэрозоля, при котором
порошок распыляется и находится во взвешенном состоянии в
замкнутом объеме. На рис. 3.60, б показан пример устройства,
реализующего этот способ. Объект контроля 1 помещен внутрь
камеры, имеющей двойные стенки. Снизу под давлением поступа-
ет воздух, проходящий через воздухопроницаемую перегородку 2
и поддерживающий в рабочем объеме магнитный порошок 3 во
взвешенном состоянии. Выходу порошка наружу препятствует
крышка 4. Из объема камеры через фильтры 5 воздух выходит
в промежуток между стенками камеры и затем выходит наружу.
В такой камере создаются хорошие условия для оседания порошка
на дефектах контролируемой детали и обеспечивается экологиче-
ский чистый контроль. Этот способ имеет высокую чувствитель-
ность, удобен для обслуживающего персонала, но малопроизводи-
телен, так как требуется много операций по установке ОК в ка-
мере.
Более широкое распространение получил мокрый способ. Здесь
используются специальные суспензии из 20... 30 г магнитного по-
рошка, разведенного в 1 л жидкости (воды, керосина или масла).
Часто в суспензию добавляют вещества, улучшающие смачивае-
мость поверхности ОК, и антикоррозионные добавки.
108
После (или в процессе) намагничивания деталь 1 обрабаты-
вается струей суспензии 2 (рис. 3.60, в) или кладется в сетку 3
и вместе с ней помещается на 30 ...40 с в ванну 4 с хорошо пере-
мешанной суспензией 5 (рис 3.60, г). При иаиесении суспензии
следят, чтобы напор струи не был слишком сильным, так как в
противном случае уже осевший на дефектах порошок может быть
смыт.
Д
а) S)
Рис. 3,61/ К иллюстра-
ции магнитогуммирова-
ния
Рис. 3.62. Устройство для осмот-
ра полостей
Осмотр ОК проводят практически сразу после обработки сус-
пензией, которая быстро высыхает на поверхности детали. Неко-
торое практически незаметное движение суспензии не влияет на
результаты контроля. При осмотре необходима хорошая освещен-
ность (около 500 лк). При нечеткой картине осаждения порошка
или в случае сомнений в достоверности результата необходимо
размагнитить деталь и повторить операции контроля.
Магнитогуммирование используют для контроля внутренних
поверхностей полостей большой длины. Намагничивать и наносить
на такие объекты порошок можно так же, как при контроле внеш-
них поверхностей, а вот осмотр их затруднителен. Тогда контро-
лируемую полость, показанную на рис. 3.61, а, заполняют магни-
тогуммированной массой, которая содержит магнитный порошок
во взвешенном состоянии и компоненты, обеспечивающие быстрое
затвердевание. Магнитный порошок оседает в тех местах, где
есть поля рассеяния дефектов. После затвердевания массы слепок
(рис. 3.61, б) вынимают из полости и осматривают. По местам
скопления порошка — «репликам» — судят о наличии дефектов.
Недостаток метода — крайне низкая производительность, для по-
вышения ее используют специальные устройства для осмотра по-
лостей (рис. 3.62).
3.5.4. Факторы, осложняющие контроль
Из того, что магнитопорошковый контроль позволяет обнару-
живать мелкие нарушения сплошности, следует, что его осложня-
ют все неоднородности ОК, как магнитные, так и геометрические.
109
Наиболее существенную магнитную неоднородность представляют
сварные швы, причем шов, выполненный ручной сваркой, контро-
лировать магнитопорошковым методом нецелесообразно, так как
неровности самого шва приведут к такой картине оседания по-
рошка, что она будет вуалировать оседания порошка па трещинах.
Гораздо легче производить осмотр ровного шва, получаемого при
автоматической сварке.
Рис. 3.63. Зоны свар- Рис. 3.64. Возможные Рис. 3.65. Трещины в литых
кого шва зоны локальной намаг- деталях
ииченности
При контроле сварных соединений магнитным методом следу-
ет помнить о наличии нескольких зон, сильно отличающихся по
магнитным свойствам от основного металла (рис. 3.63). Собствен-
но сварной шов / окружен зоной расплава 2, к которой примыка-
ет зона термического влияния 3. Первые две зоны имеют доста-
точно четкие границы, и их магнитные свойства значительно от-
личаются от свойств основного металла 4. При осмотре деталей
оседание порошка на границах этих зон легко отличить от оседа-
ния на трещинах, но трещины в этих зонах могут быть пропуще-
ны. Зона термического влияния плавно переходит в основной ме-
талл. Магнитные свойства этой зоны определяются влиянием тем-
пературы на магнитные свойства основного металла. Поэтому как
размеры этой зоны, так и ее влияние в различных материалах
могут быть различными. В случае неясности именно в этой зоне
следует дополнительно проконтролировать ее капиллярным мето-
дом.
В швах, выполненных электронно-лучевой сваркой, порошок
оседает в зоне термического влияния и в зоне расплава. Но это
оседание неплотно и его легко отличить от оседания в зоне не-
проплава. При наличии непроплава порошок в зоне расплава мо-
жет не осесть. Сложности возникают и при контроле деталей, по-
лученных литьем. Из-за сильной неровности поверхности, особен-
но при литье в формовочную смесь, на отдельных неровных участ-
ках образуются зоны локальной намагниченности, на которых про-
исходит оседание порошка (рис. 3.64). Контролировать такие де-
тали удается только с меньшей чувствительностью при уменьшен-
ной концентрации порошка в суспензии. При контроле литых де-
талей могут не обнаруживаться магнитным методом так называе-
мые неслитины, т. е. трещины, расположенные под очень малым
110
углом (менее 20°) к поверхности и почти параллельные ей (рис.
3.65). Такие дефекты, а также подповерхностные дефекты лучше
выявляются после механической обработки, после которой ложных
оседаний порошка на неровностях поверхности меньше.
Контроль очень крупных деталей сложной формы возможен по
участкам (см. рис. 3.40, б). Контроль каждого участка не имеет
специфики, связанной с крупными размерами детали.
Рис. 3.66. Контроль зубь-
ев шестерен
Рис. 3.67. Труд-
но обнаружи-
ваемые трещи-
ны
Рис. 3.68. Намагничивание пру-
жин при магнитном контроле
Сложнее контролировать мелкие детали с резкими изменения-
ми сечения либо с острыми ребрами или похожие участки круп-
ных деталей — резьба, вершины зубьев шестерен. На вершинах
зубьев наблюдается выход магнитных силовых линий за пределы
детали (рис. 3.66), что затрудняет обнаружение дефектов в этой
области. Рекомендуется такие детали намагничивать в импульсном
поле. В этом случае из-за влияния вихревых токов намагничива-
нию подвергается только поверхностный слой детали и поля рас-
сеяния уменьшаются. Трещины, идущие вдоль витка резьбы, вуа-
лируются порошком, оседающим из-за полей рассеяния, поэтому
чувствительность магнитопорошкового метода снижается и трещи-
ны, показанные на рис. 3.67, могут быть обнаружены лишь с по-
ниженной чувствительностью, т. е. при меньшей концентрации
порошка в суспензии.
При контроле пружин применяют как циркулярное, так и про-
дольное намагничивание (рис. 3.68). Пропуская ток по пружине,
можно выявить трещины, расположенные вдоль проволоки. Чтобы
не было замыкания между витками пружины, к ней следует
приложить растягивающее усилие. Пропуская ток по стержню,
проходящему через пружину, выявляют поперечные трещины.
Определенную специфику имеет контроль деталей переменно-
го сечения, когда как при продольном, так и при циркулярном
намагничивании напряженность магнитного поля на различных
участках сечения различна. На рис. 3.69 показано, что при про-
дольном намагничивании силовые линии магнитного поля на участ-
ках детали с большим сечением расположены реже, поэтому на-
пряженность поля на этих участках меньше. При циркулярном на-
Ш
магничиваиии легко определить, что чем больше диаметр детали,
тем меньше напряженность магнитного поля. Для выбора опти-
мальных условий приходится намагничивать детали многократно
и контролировать их по участкам. Совершенно ясно, что это нуж-
но делать только при контроле в приложенном поле, поскольку
при контроле в остаточном поле намагничивание можно осущест-
вить сразу максимальным током.
При реализации способа приложенного поля возможны две
ошибки. Первая состоит в том, что намагничивающее поле вы-
ключают до того, как суспензия
успеет стечь с ОК. Здесь прак-
тически получается контроль в
остаточном поле с существенно
меньшей напряженностью полей
рассеяния над дефектами, а сле-
довательно, и меньшей чувстви-
тельностью. Другая ошибка со-
Рис. 3.69. Намагничивание дета-
лей переменного сечения
стоит в том, что детали осматри-
вают без выключения намагничивающего тока. Это не приводит;
к пропуску дефектов, но сохранение намагничивающего поля со-
вершенно бесполезно. При использовании способа остаточной на-
магниченности следует иметь в виду, что контроль деталей из ма-
териалов с малой остаточной индукцией, т. е. из магнитомягких
материалов, неэффективен, так как поля рассеяния дефектов бу-
дут слабы и порошок не осядет. Ошибка возникает и тогда, когда
анализ возможности контроля проведен не по остаточной индук-
ции Вг, а по индукции насыщения Bs, которая может быть доста-
точно большой.
Сложности возникают при осмотре деталей с темной поверх-
ностью. В этом случае эффективен магнитолюминесцентный метод,
при котором суспензия изготовляется на основе люминесцентно-
го порошка. Детали осматривают в затемненном помещении при
ультрафиолетовом облучении ОК, вызывающем яркое свечение по-
рошка, что облегчает обнаружение его скоплений по световому и
цветовому контрасту, но утомительно для оператора. Поэтому
иногда вместо этого детали покрывают тонким слоем белой крас-
ки, а затем проводят контроль с обычным черным порошком. Ко-
нечно, порог чувствительности люминесцентного метода гораздо
ниже.
3.5.5. Уровни чувствительности
С помощью магнитопорошкового метода удается обнаруживать
дефекты самой различной формы и размеров. Чтобы сопоставить
возможности контроля при различных режимах намагничивания,
введем три условных уровня чувствительности — три порога чув-
ствительности, соответствующих уверенному выявлению искусст-
112
венного дефекта в виде паза заданных размеров (табл, 3.7). Мо-
дель дефекта в виде такого паза удобна тем, что, во-первых, его
параметры точно известны, а во-вторых, этот дефект сравнитель-
на легко можно реализовать на любом ОК.
[ Такой выбор уровней чувствительности позволяет количествен-
ир сопоставлять между собой
различные условия контроля,
главным образом условия на-
магничивания. Уровень Б —
основной, уровень А применя-
ется для особо ответственных
деталей. Уровень В применя-
ют на стадии предварительно-
го контроля или в тех случаях,
когда свойства материала ОК
не позволяют снизить порог
чувствительности, т. е. перейти
к уровням Б или А. Исследо-
Таблица 3,7
Условные уровни (пороги)
чувствительности
Условный уро- вень (порог) чувствительности Размеры искусственного дефекта, мкм
ширина глубина
А 2,5 10 25
Б 100
В 25 250
вания показывают, что при
выбранных уровнях чувствительности могут быть также выявлены
дефекты вдвое меньшей ширины, по обязательно при вдвое боль-
шей глубине (рис. 3.70).
Разработаны режимы размагничивания для разных уровней
чувствительности. На рис. 3.71 приведена номограмма для опре-
деления чувствительности при контроле по остаточной намагни-
ченности. Например, точкой 1 обозначена сталь ШХ15 (закалка
Рис. 3.70. Пара-
метры минималь-
ного обнаруживае-
мого дефекта
Рис. 3.71. Номограмма для опре-
деления уровня чувствительности
при контроле по остаточной на-
магниченности
с 840°С в масле, отпуск при 160°С, охлаждение в воздухе), для
которой уверенно обеспечивается режим контроля с максимальной
чувствительностью (уровень Д), поскольку остаточная индукция
этой стали велика (Вг=0,79 Тл) при большом значении коэрци-
113
тивной силы (7/с=36 А/см). Это означает, что поток рассеяния
на дефектах окажется достаточным для удержания порошка.
Аналогичный результат (точка 2} получается для стали ЗОХГСЛ
(закалка 900 °C в масле, отпуск при 500 °C в течение 1 ч). Мо ю «о
проверить, что для стали 65Г (закалка 810 °C в масле, отпуск п(>и
360°C в течение 1 ч, охлаждение на воздухе), для которой Hci--
= 16 Л/см; В,= 1,09 Тл, режим контроля по уровню А обеспечи-
вается без всякого запаса (точка попадает практически на линию
Рве. 3.72. К определению мини-
мальных размеров трещины (по-
рогового дефекта)
Рис. 3.73. Номограмма для
определения напряженности
приложенного магнитного
поля
уровня А); следовательно, при каких-либо ухудшениях магнитных
свойств возможна потеря чувствительности при контроле. Для
стали Х12Ф1 (закалка с 1050°С, отпуск при 470°С) с параметра-
ми //„=68 А/см, В,=0,44 Тл, отмеченной точкой 3, контроль по
уровню А уже невозможен и для нее может быть достигнут толь-
ко уровень Б.
Можно убедиться, что аналогичный вывод имеет место и для
стали 32Х2НГСМ (закалка с 940 °C 30 мин, охлаждение иа возду-
хе, отпуск при 270 °C в течение 4 ч) с параметрами Яс=28 А/см;
Вг=0,68 Тл. Для стали Х16Н6 (закалка с 900 °C 15 мин, охлаж-
дение на воздухе, обработка холодом при —70°C, отпуск при
250°С в течение 1 ч) с параметрами 7/с=40 А/см; В,=0,5 Тл, от-
меченной точкой 4, возможен контроль только по самому низко-
му уровню В. Такой же результат получается и для стали
42Х2НГСМ (закалка с 940 °C в течение 30 мин, охлаждение на
воздухе, отпуск при 220 °C в течение 4 ч) с параметрами Нс —
=36 А/см; В,=0,51 Тл.
В то же время многие стали в состоянии поставки невозможно
контролировать магнитопорошковым методом даже по самому
низкому уровню чувствительности. Это, например, сталь 10 (Нс~
114
—4,8 А/см; В,=0,86 Тл), отмеченная точкой 5, а также сталь 20
(Нс = 3,2 А/см; Вг = 1,17 Тл), сталь 45 (Нс = 6,4 А/см; Вг =
=41,12Тл). В этих примерах все магнитные характеристики ста-
лей взяты из справочных данных, приведенных в [3].
I Определить минимальные размеры обнаруживаемой трещины
(Пороговый дефект) можно с помощью графиков, приведенных на
pfic. 3.72. Здесь рассматривается стандартный дефект в Виде длин-
ного паза с отношением глубины h к ширине Ь, равным 10. По
известным магнитным параметрам Нс и Вг можно определить ми-
нимальную ширину, а следовательно, и минимальную глубину об-
наруживаемого дефекта. Например, в стали 37Х2НСМ (закалка
Рис. 3.74. Определение условий конт-
роля но режиму А или Б
Ле
W
!К
0 Ю Я Зв W Нс,А1си
Рис. 3.75. Определение условий конт-
роля по режимам Б и В
с 940°C), имеющей магнитные параметры //„=24 А/см; В,=
= 0,63 Тл, обнаруживается трещина минимальной ширины около
15 мкм, а минимальная глубина ее 150 мкм. Напряженность маг-
нитного поля при контроле в приложенном поле выбирают так,
чтобы магнитное состояние материала соответствовало предель-
ной петле гистерезиса. В литературе приводятся номограммы (рис.
3.73) и приближенные формулы [3] для определения необходи-
мой напряженности /7„р приложенного магнитного поля.
По номограммам напряженность поля определяется сразу для
требуемого уровня чувствительности. Например, для контроля ста-
ли 45 по уровню А, закаленной с 820 °C в масле и отпущенной при
160°С, коэрцитивная сила //„=2160 А/м, напряженность прило-
женного поля /7|,р должна быть равна 6500 А/м, по уровню Б—
около 3600 А/м, а по уровню В — около 2900 А/м. При другом ме-
тоде, рекомендуемом, например, в [5], используют приближенные
расчетные соотношения для выбора напряженности приложенного
магнитного поля. На рис. 3.74 приведены приближенные формулы
для выбора режима контроля по уровню А в зависимости от ос-
таточной индукции Вг и коэрцитивной силы Нс стали. Нужная
формула для выбора напряженности приложенного магнитного
поля выбирается в зависимости от того, в какую из указанных на
рис. 3.74 областей попадают значения В, и Нс для стали, подле-
жащей контролю. Для контроля по уровням Б и В расчетные со-
115
отношения выбираются с помощью рис. 3.75 в зависимости от от-
носительной магнитной проницаемости нг и коэрцитивной силы Ис.
Считается, что полученные с помощью этих расчетных соотноше-
ний значения могут оказаться недостаточными только для обна-
ружения очень тонких дефектов типа волосовин, а также подпо-
верхностных дефектов.
Рис. 3.76. Уменьшение напряженности
поля рассеяния дефекта на деталях с
покрытиями
Рис. 3.77. Увеличение на-
пряженности поля, необхо-
димой для контроля дета-
лей с покрытиями
Несколько иные режимы намагничивания требуются при конт-
роле деталей с неферромапштными покрытиями. Очевидно, что
с ростом толщины покрытия б уменьшается напряженность Н по-
ля рассеяния и область, занятая полем рассеяния, становится бо-
лее размытой, что иллюстрирует рис. 3.76, С тем, что локальность
контроля снижается, сделать ничего нельзя, но повысить напря-
женность поля можно, если увеличить напряженность намагничи-
вающего поля пропорционально толщине покрытия. На рис. 3.77
показано, во сколько раз необходимо увеличить напряженность
поля на поверхности детали с покрытием по сравнению с напря-
женностью поля при контроле такой же детали без покрытия. При
покрытиях большой толщины суспензия может стекать после вы-
ключения поля и для того, чтобы валик порошка сохранялся па
дефектах, рекомендуется дать суспензии высохнуть и только пос-
ле этого выключать поле.
3.5.6 Магнитографические дефектоскопы
Магнитографический метод основан на записи магнитных по-
лей рассеяния на магнитную ленту и последующем считывании и
расшифровке этой записи. Здесь процесс контроля оказывается
разделенным на два этапа, разнесенных во времени.
Метод нашел широкое применение при контроле сварных швов
в процессе монтажа трубопроводов. Запись информации на маг-
нитную ленту производится в полевых условиях по методикам, поч-
116
Рис. 3.78. Запись магнито-
грамм па сварном шве тру-
бопровода
ти не требующим знаний в области дефектоскопии, а запись рас-
шифровывает опытный дефектоскопист в лабораторных условиях.
Информацию на ленте можно сохранять в качестве документа и
повторно расшифровывать. К недостаткам метода относится низ-
кая производительность из-за необходимости укладки магнитной
ленты на контролируемую поверхность.
Для первого этапа магнитографического контроля необходимы
устройство намагничивания и приспособления для крепления ленты
иа ОК, для второго — считывающие
устройства — собственно магнитографи-
ческие дефектоскопы.
Для записи магнитограмм сварного
шва трубопровода последний намагни-
чивают продольно (рис. 3.78). В свар-
ном шве 1, соединяющем два участка
трубопровода 2, наиболее опасен дефект
типа «непровар» 3 в направлении свар-
ного шва. Поскольку намагничивание
Осуществляют приставным электромаг-
нитом 4 продольно, напряженность внеш-
него намагничивающего поля орто-
гональна ожидаемому направлению де-
фектов и поля рассеяния от них будут наибольшими.
На первом этапе контроля при записи магнитных полей рас-
сеяния дефекта по всему периметру шва вокруг трубы наклады-
вается магнитная лепта 5, ширина которой превышает ширину
шва. Сверху на магнитную ленту наматывается эластичная лента
для обеспечения лучшего прилегания магнитной ленты к поверх-
ности ОК. Затем устанавливается электромагнит, который опира-
ется иа ролики 6, с помощью которых магнит легко перемещать
вокруг трубы. Если бы роликов не было, магнит «прилип» бы к
трубе. Электромагнит подключают к передвижной электростан-
ции и затем перемещают с постоянной скоростью вдоль шва во-
круг трубы, при этом поля рассеяния дефектов намагничивают
участки лепты, находящиеся в области дефектов. Магнит при этом
удерживается па трубе пондеромоторными силами. После того как
электромагнит переместится на 360° и возвратится в исходное со-
стояние, первый этап контроля заканчивается, намагничивающий
ток выключают и ленту снимают с трубы.
Считывание осуществляется с помощью магнитографического
дефектоскопа. Блок считывания — это барабан с двумя магнит-
ными головками типа магнитофонных. На оси барабана укрепле-
на фотоэлектронная система синхронизации сигналов. Съем сиг-
налов с головок осуществляется с помощью контактных колец и
щеток. Взаимное расположение барабана и ленты показано на
рис. 3.79, а. Магнитная лента 1 перемещается с постоянной ско-
ростью v в направлении, перпендикулярном плоскости вращения
117
барабана 2, с постоянной угловой частотой га. Магнитные головки
3 относительно лепты описывают наклонные траектории 4. Рас-
стояние между этими траекториями должно быть меньше ожидае-
мой длины дефекта 5.
В качестве индикатора в магнитографических дефектоскопах
используется электронно-лучевая трубка (ЭЛТ). На верхнюю часть
экрана трубки выводится временная развертка напряжения, про-
порционального выходному сигналу магнитной головки. Эта инди-
кация называется импульсной. Время одного оборота барабана
а)
Рис. 3.79. Считывание магнитограммы:
а —схема считывания, б — изображение на экранах магнитографического дефектоскопа
равно периоду развертки, поэтому магнитный отпечаток дефекта
отображается па экране в виде неподвижного импульса (рис.
3.79, б). Этот импульс находится иа экране все время, пока маг-
нитный отпечаток находится в зоне, которая сканируется магнит-
ной головкой. При появлении импульса оператор останавливает
ленту, не прекращая вращения барабана, по амплитуде и форме
импульса делает заключение о дефектности участка сварного шва
и по положению участка на ленте выявляет место дефекта на свар-
ном стыке.
В нижней части экрана (это как бы второй отдельный экран)
оператор видит изображение дефекта при так называемой яркост-
ной индикации. Здесь луч перемещается по вертикали генерато-
ром линейной развертки, причем период развертки равен периоду
вращения барабана, по горизонтали луч перемещается со скоро-
стью перемещения пленки. В отсутствие сигнала от дефекта на
экране образуется растр. Сигнал дефекта отображается яркост-
ной модуляцией луча — луч гаснет, а дефекту соответствует затем-
ненный контур, анализируя который оператор определяет протя-
женность и форму дефекта.
Рассмотрим некоторые магнитографические дефектоскопы. Вос-
производящее устройство УВ-ЗОГ предназначено для считывания
и воспроизведения на экране ЭЛТ магнитных полей рассеяния
дефектов, записанных па магнитной ленте. Визуализация осущест-
вляется в виде яркостной и импульсной индикации.
В дефектоскопе МД-40Г считывание осуществляется с трех
феррозондовых преобразователей, чувствительность каждого из
них подобрана так, чтобы выделять сигнал из трех зон располо-
118
Рис. 3-80- Зависимость
сигнала дефекта от на-
пряженности внешнего
намагничивающего поля
жения дефекта по глубине. Регистрация сигналов ведется иа эле-
ктрохимической бумаге, иа которой записывают изображение рель-
ефа магнитного поля и сигналы, позволяющие судить как об амп-
литуде сигналов от дефекта, так и о глубине расположения де-
фекта.
Магнитотелевизионный дефектоскоп МТД-ЗЛП, разработан-
ный в Институте прикладной физики АН БССР, предназначен для
представления информации магнитограмм на телевизионном экра-
не. В дефектоскопе сигналы от дефектов построчно записываются
в оперативную память, а затем воспроиз-
водятся с повышенной скоростью. Так
формируется устойчивое телевизионное
изображение. Дефектоскоп предназначен
для расшифровки магнитограмм, записан-
ных на магнитной ленте шириной 50 мм.
С его помощью обнаруживают дефекты в
сварных соединениях толщиной до 50 мм.
По телевизионному изображению магнит-
ного рельефа сварного шва можно опреде-
лить тип, форму и местоположение дефек-
та. Блок выбора строки позволяет наблю-
дать отдельные участки сварного шва и
получать количественные характеристики изображения.
Настройка дефектоскопов на требуемые режимы контроля осу-
ществляется с помощью контрольных магнитограмм с записанны-
ми полями искусственного дефекта. Для устройства УВ-ЗОГ ис-
кусственный дефект делают в виде прорези на глубину 5% тол-
щины объекта контроля (без валика усиления) или 10% (с ва-
ликом усиления). Для дефектоскопа МД-40Г искусственный де-
фект диаметром 2 мм располагают на глубине 17,5; 10 и 5 мм в
зависимости от толщины сварного шва.
О виде дефекта можно судить по магнитограмме на экране
ЭЛТ, сравнивая ее с соответствующими контрольными магнито-
граммами. Другой способ основан на использовании того факта,
что напряженность поля поверхностных дефектов убывает с уда-
лением от поверхности детали быстрее, чем напряженность поля
внутренних дефектов. Запись осуществляют дважды, сначала на
ленту, плотно прилегающую к детали, а затем между лентой и
деталью размещают неферромагнитную прокладку толщиной 0,5...
1 мм. Во втором случае считываемый сигнал от внутренних де-
фектов изменяется значительно меньше, чем от поверхностных.
Для снижения порога чувствительности контроля необходимо
добиваться наибольшей намагниченности «отпечатка» дефекта на
магнитной ленте. Этого добиваются, оптимизируя режим намагни-
чивания. Прежде всего рассмотрим влияние напряженности на-
магничивающего поля. С увеличением напряженности намагничи-
вающего поля, создаваемого электромагнитом, напряженность
119
магнитного поля рассеяния дефекта также увеличивается. Напря-
женность поля рассеяния максимальна в случае, когда материал
ОК насыщается. Однако с увеличением напряженности внешнего
намагничивающего поля насыщается не только материал ОК, ио и
сама лента. Если же лента намагнитится до насыщения, магнит-
ное поле рассеяния на ней не будет зафиксировано, т. е. сигнала
не будет. Поэтому приходится экспериментально подбирать опти-
мальное значение напряженности возбуждающего поля HoPt, при
Рис. 3.81. Смещение максимума чувст-
вительности записи при подмагничива-
нии ленты переменным магнитным полем
магничиваиии ленты
котором получается наибольшая интенсивность отпечатка и, сле-
довательно, максимальное значение сигнала. Зависимость ампли-
туды сигнала дефекта от напряженности внешнего намагничиваю-
щего поля показана на рис. 3.80, причем значение //opt совпадает
со значением Нс магнитной ленты.
Один из путей повышения чувствительности записи полей де-
фекта на магнитную ленту состоит в подмагничивании ленты в
зоне записи переменным магнитным полем, уменьшающимся до
нуля. Чувствительность ленты к полям рассеяния дефектов воз-
растает в слабых намагничивающих полях. Смещение максимума
чувствительности пропорционально начальной амплитуде напря-
женности переменного поля, что видно из рис. 3.81. Эти данные
получены в работах, проведенных в ИПФ БССР. Это позволяет
применять высококоэрцитивные магнитные ленты, обладающие вы-
сокой разрешающей способностью.
Уровень сигнала при записи и воспроизведении может быть
повышен за счет предварительного подмагничивания магнитной
ленты. В способе, предложенном Н. С. Акуловым, ленту предва-
120
рительно намагничивают до насыщения (точка А па рис. 3.82).
После снятия намагничивающего поля лента имеет индукцию Вг.
Намагниченную ленту укладывают на поверхности ОК и записы-
вают магнитограмму путем обычного намагничивания ОК. Особен-
ность здесь заключается только в том, что направление намагни-
чивания должно быть противоположно направлению намагничен-
ности ленты, чего легко добиться предварительным поперечным
намагничиванием ленты и фиксацией этого направления. Под воз-
действием намагничивающего поля Но (рис. 3.82) происходит пе-
ремагничивание ленты до состояния, соответствующего точке С
на предельной петле гистерезиса. Если напряженность поля Но
соизмерима со значением коэрцитивной силы Нс лепты, то после
снятия ленты с ОК ее остаточная индукция близка нулю, т. е. лен-
та оказывается практически размагниченной. При появлении де-
фекта его поле рассеяния //д, накладываясь на намагничивающее
поле Но, намагничивает ленту до состояния, соответствующего
точке F, в результате остаточная индукция ленты становится рав-
ной В'гя. Таким образом, на тех участках ленты, где нет дефек-
тов, остаточная индукция отсутствует, а на дефектных участках
она равна В'га, т. е. приращение индукции от влияния дефекта со-
ставляет А/Гг при практически нулевом уровне фона.
Если бы лента не была предварительно намагничена, то ее пе-
ремагничивание происходило бы не по предельной петле гистере-
зиса, а по основной кривой намагничивания. В этом случае внеш-
нее поле Но намагничивает ленту до состояния, соответствующего
точке Е с остаточной индукцией Вг0. Поле дефекта Нл подмагни-
чивает ее до состояния, соответствующего точке D, и остаточная
индукция на участке с дефектом равна В"гя,. В этом случае при-
ращение индукции под влиянием дефекта равно АВ"Г, т. е. при-
мерно вдвое меньшее, чем \В'Г. Кроме того, следует заметить, что
это приращение не над нулевым уровнем, а над большим уров-
нем Вго.
Контроль с предварительным подмагничиванием ленты обеспе-
чивает повышенную контрастность записи и расширение вдвое
динамического диапазона амплитудной характеристики ленты.
3.5.7. Индукционные дефектоскопы
В индукционных дефектоскопах в качестве первичных преоб-
разователей используют пассивные индукционные катушки. Досто-
инство этих приборов — простота устройства и удобство эксплуа-
тации.
Все индукционные приборы — это дефектоскопы динамического
контроля, который ведется при перемещении преобразователя от-
носительно поверхности объекта. Необходимость перемещения пре-
образователей делает механический блок сканирования важной
частью дефектоскопа. Обобщенная структурная схема магнитоин-
121
Аукционного дефектоскопа приведена на рис. 3.83. Дефектоскоп
состоит из механического и электронного блоков и системы на-
магничивания.
Механический блок предназначен для перемещения преобра-
зователей относительно ОК. Этот блок включает систему сканиро-
вания, блок бесконтактного индукционного съема сигнала с вра-
щающихся преобразователей. Система сканирования должна обе-
спечить сохранность преобразователей при входе и выходе концов
ОК в механический блок. Для этого имеется система рычагов и
пружин, которая выдерживает постоянный зазор между ОК и пре-
образователем в рабочем режиме и удаляет преобразователи при
входе в блок концов ОК.
Рис. 3.83. Обобщенная структурная схема магнитоиндукционного дефектоскопа
В электронном блоке осуществляется частотная отстройка сиг-
налов от влияния помех, т. е. их разделение по спектрам частот,
и амплитудная обработка для выделения сигналов, соответствую-
щих дефекту. Значительные помехи в индукционных дефектоско-
пах создают наклеп (изменение структуры и свойств металла, выз-
ванное пластической деформацией). Магнитное поле участков с
наклепом соизмеримо по напряженности и топографии с полями
дефектов.
Сигналы, выделенные в блоке амплитудной обработки, превы-
шающие пороговое значение, поступают в блок индикации и в
блок выдачи командного импульса на систему сопровождения за-
бракованного изделия.
Блок намагничивания представляет систему движущихся элект-
ромагнитов. Например, в первых разработках дефектоскопов
ДИТ-IK и ДК-1М системой намагничивания, вращающейся во-
круг трубы, был электромагнит с кольцевым магнитопроводом.
В дефектоскопах МД-90И и МД-100И ОК типа лент, полос намаг-
ничиваются неподвижным полюсным электромагнитом. В этом
случае удается создать сильное намагничивающее поле, которому
соответствует значительная напряженность поля рассеяния, благо-
даря чему преобразователь можно размещать только с одной сто-
роны полосы. Кроме того, сильное намагничивающее поле способ-
122
ствует отстройке от влияния магнитных неоднородностей. Основ-
ные характеристики индукционных дефектоскопов приведены в
табл. 3.8.
Таблица 3.8
Характеристика индукционных дефектоскопов
Тип дефекто- скопа Вид намагничи- вания Порог чувстви- тельности: глу- бина дефекта или ширина шва, мм Производи- тельность контроля, м/с Объекты контроля
ДК-1М (СССР) Продольное (электромаг- нитом) 0,22 1,5 Трубы диамет- ром 25 ... 60 мм с толщиной стенок до 6 мм
мд-юои (СССР) Продольное Шов шириной 2 ... 5 мм 0,5... 30 Горячекатаные полосы ТОЛЩИНОЙ 1,2... 6 мм
«Rotomat» (ФРГ) Локальное Продольное 2,0 Трубы, прутки диаметром 15... 100 мм
3.5.8. Феррозондовые дефектоскопы
Дефектоскопы этого типа регистрируют поля рассеяния дефек-
тов. В них с помощью феррозонда напряженность магнитного по-
ля преобразуется в электрический сигнал, что позволяет исклю-
чить трудоемкую операцию осмотра детали и автоматизировать
процесс обработки результатов контроля. Поскольку преобразова-
тель находится на некотором расстоянии от поверхности ОК, чув-
ствительность здесь меньше, чем в магнитопорошковом методе.
Удаление преобразователя от контролируемой поверхности позво-
ляет осуществлять сканирование поверхности с большими скоро-
стями, исключая опасность повреждения преобразователя.
Процесс контроля дефектоскопами с феррозондовыми преобра-
зователями мало отличается от магнитопорошкового контроля.
Вначале деталь намагничивают, затем осуществляют сканирова-
ние поверхности феррозондовым преобразователем. Сигнал с вы-
хода преобразователя поступает на блок обработки информации,
где он фильтруется с целью отделения от помех и сравнивается с
некоторыми фиксированными уровнями сигналов, при этом воз-
можна автоматическая разбраковка ОК-
В настоящее время основное применение феррозондовые де-
фектоскопы нашли для контроля линейно протяженных объек-
тов — труб и рельсов.
Универсальный дефектоскоп МД-10Ф (сейчас уже не выпус-
каемый, но еще находящийся в эксплуатации) предназначен для
123
Рис. 3.84. Внешний вид магнито-
оптического дефектоскопа
контроля бесшовных труб и состоит из устройства сканирования
и электронного блока. Система сканирования включает два ска-
нирующих барабана с феррозондовыми преобразователями. Бара-
бан обеспечивает вращение феррозондов и механическую стаби-
лизацию зазора. На каждом барабане равномерно но окружно-
сти (через 90°) расположено четыре феррозонда. Преобразова-
тели второго барабана смещены на 45° относительно преобразо-
вателей первого. Сканирование
поверхности осуществляется но вин-
товой линии. Съем информации бес-
контактный, с помощью трансфор-
маторов, одна обмотка трансфор-
матора неподвижна, другая враща-
ется.
Для контроля качества рельсов
применяют феррозондовые дефекто-
скопы МРД-52, МРД-72 с продоль-
ным намагничиванием с помощью
электромагнита. Дефектоскоп раз-
мещается на тележке, перемещае-
мой оператором вручную по рель-
сам. Дефектоскопы различаются
схемами включения феррозондов и блоками обработки информа-
ции.
Опишем некоторые дефектоскопы. Дефектоскоп типа «Disco-
mat 6251» (ФРГ) предназначен для комбинированного вихретоко-
вого и магнитного контроля качества продольного сварного шва
ферромагнитных труб диаметром 57...600 мм. Он позволяет раз-
дельно индицировать наружные и внутренние дефекты, регулиро-
вать границы сортировки. К дефектоскопу могут подключаться уст-
ройства для маркировки дефектных труб, для управления сорти-
рующими устройствами.
Для контроля ферромагнитных труб диаметром 60... 1000 мм
Институт Ферстера выпускает дефектоскоп «Tubotest 6.024». На-
магничивание осуществляется током, проходящим по проводнику,
пропущенному внутри трубы. В процессе контроля вращающаяся
труба перемещается в продольном направлении, в то время как
преобразователи неподвижны.
Для контроля труб и прутков диаметром более 100 мм Инсти-
тутом Ферстера выпускается феррозондовый дефектоскоп «ТиЬо-
mat 6.060». Он позволяет выявлять дефекты глубиной от 0,3 мм на
наружной поверхности трубы. Этой же фирмой разработана си-
стема «Rotomat 6.700», осуществляющая автоматическое подавле-
ние помех при контроле сварных швов.
Перспективно направление развития феррозондовых дефекто-
скопов на основе устройств с несколькими преобразователями в
виде «гребенки». Их сигналы позволяют при соответствующей об-
124
работке провести классификацию типа дефектов. Применение в
дефектоскопах имитаторов сигналов упрощает калибровку. В уст-
ройствах МД-10Ф1 и МД-10Ф2 с помощью имитаторов создают
магнитное поле с заданным градиентом. Это поле воздействует на
преобразователи и позволяет определять порог чувствительности
устройства и проверять его работоспособность.
3.5.9. Магнитооптические дефектоскопы
Эти дефектоскопы разработаны недавно, и до их серинйого
выпуска еще далеко. Даже четкого названия для них не установ-
лено, и их называют также
магнитодоменными. По те ха-
рактеристики, которыми они,
судя по результатам исследо-
ваний авторов, обладают, су-
лят весьма широкое примене-
ние. Устройство дефектоскопов
в настоящее время практиче-
ски не отличается от устрой-
ства экспериментальной уста-
новки, рассмотренной в
п. 3.2.7. На рис. 3.84 показан
магнитооптический дефекто-
скоп ручного контроля. Дат-
чик устанавливается на по-
верхность ОК, а оператор че-
рез окуляр наблюдает домен-
ную структуру и по ее изобра-
жению судит о наличии тре-
щин. Таким образом,эти при-
боры, по существу, визуализи-
руют поля рассеяния дефек-
тов, подобно тому, как это
происходит в магнитопорошко-
вом методе. Проводятся рабо-
ты по созданию автоматизи-
рованных систем оценки де- рис 355 Измерение ширины протяжен-
фектности ОК, но ОНИ еще да- НЫХ дефектов по характерным особен-
леки от завершения. костям доменной структуры
Характерная особенность
изображения доменной структуры пленки при регистрации дефек-
та — наличие не более двух доменов, размеры которых превыша-
ют размеры остальных доменов. А. П. Демин предложил описы-
вать размер доменов, точнее, их площадь линиями равной напря-
женности (ЛРН) и линиями нулевого поля (ЛИП). На рис. 3.85
ВВ' и СС' — это линии равной по значению, но противоположной
125
по направлению напряженности поля. На линии нулевого поля
АА' нормальная составляющая напряженности поля дефекта рав-
на нулю. Изменение топографии поля дефекта приводит к изме-
нению положения всех трех линий. Для анализа поведения ЛНР
и ЛНП в поле дефектов следует различать точечные и протяжен-
ные дефекты и в соответствии с этим определять информативные
параметры доменной структуры.
Рис. 3.86. Доменная структура над Рис. 3.87. Модель регистрации точечного
точечным дефектом дефекта
При регистрации протяженных дефектов создаются два проти-
воположно намагниченных домена, разделяющие лабиринтную
структуру на две области. Доменная граница АА' между ними
указывает расположение трещины. Погрешность определения ко-
ординат дефекта при данном методе регистрации составляет 5%.
В тех случаях, когда напряженность поля насыщения пленки боль-
ше напряженности поля рассеяния дефекта, чувствительность де-
фектоскопа резко снижается.
Точечные дефекты регистрируют по наличию на лабиринтной
доменной структуре светлого или темного пятна. На рис. 3.86
показано изображение доменной структуры, по которой визуали-
зируется поле рассеяния над дефектом. Появление темного доме-
на соответствует совпадению направления намагниченности доме-
на и напряженности поля рассеяния дефекта. Модель точечного
дефекта в ОК и воздействие его поля рассеяния на пленку пока-
заны на рис. 3.87.
Для обнаружения точечных дефектов А. П. Деминым в качест-
ве информативных параметров рекомендованы площадь и пери-
метр «магнитного отпечатка» дефекта. Периметр определяется по
ЛРН, где значение нормальной составляющей напряженности маг-
нитного поля дефекта равно напряженности поля насыщения
пленки. Для повышения чувствительности выявления точечных де-
фектов необходимо выбирать пленки с минимальным значением
напряженности насыщения Hs.
126
Увеличение чувствительности преобразователя достигается, во-
первых, созданием условий для существования изолированной
прямой доменной границы и, во-вторых, доменов максимальной
ширины. Существование устойчивой изолированной прямой домен-
ной границы достигается благодаря образованию градиентного
роля. Минимально необходимый градиент, при котором прямая
доменная граница не искажается, определяется выражением
дНд (4n)2Mj
— у ,
дх----------V АК
где у — числовая константа, зависящая от толщины пленки, в
рассматриваемых преобразователях равная 0,016; А — константа
обменного взаимодействия; Л'—кон -
станта магнитной анизотропии; Ms—
намагниченность насыщения.
Порог чувствительности используе-
мых пленок составляет 10 Л/см и оп-
ределяется так называемой коэрци-
тивностью доменных границ, т. е. на-
пряженностью поля, при которой до-
менная граница начинает двигаться.
Различают статическую и динамиче-
скую коэрцитивность при подмагничи-
вании соответственно постоянным и
переменным полем. Поэтому при маг-
0 50 /00 8 мкм
Рис. 3.88. Зависимость шири-
ны доменов от нормальной со-
ставляющей напряженности
магнитного поля
нитодомеиной дефектоскопии различа-
ют подмагничивание ОК с целью концентрации полей рассеяния
дефектов и подмагничивание пленки, управляющее ее доменной
структурой с целью повышения разрешающей способности. Под-
магничивание ОК используется обычно для всех видов магнитно-
го контроля, здесь не будем на нем останавливаться. Подмагни-
чивание пленки характерно для магнитооптического контроля.
Подмагничивание пленки позволяет выделить из лабиринтной
доменной структуры те домены, которые несут информацию о де-
фекте. Внутренняя структура доменной границы в феррит-грана-
товой пленке оказывает существенное влияние на статические и
динамические свойства доменной структуры в неоднородном маг-,
нитном поле. У используемых феррит-гранатовых пленок сущест-
вуют скрученные границы (рис. 3.34). В середине доменной гра-
ницы вектор намагниченности М под действием тангенциальной
составляющей напряженности Нх магнитного поля изменяет ори-
ентацию на противоположную. Доменная граница находится в
том месте, где тангенциальная составляющая максимальна, т. е.
над серединой трещины (по направлению поперечного сечения).
Влияние нормальной составляющей Hy/Hs внешнего магнитно-
127
го поля па ширину d доменов иллюстрирует рис. 3.88, откуда сле-
дует, что можно визуально наблюдать изображения мелких тре-
щин в зависимости от напряженности их полей рассеяния. Низ-
кий порог чувствительности и возможность управлять шириной
доменов с помощью внешнего магнитного поля обеспечивают об-
наружение дефектов при больших зазорах, чем при других видах
магнитного контроля.
Следует отметить, что если ширина доменов, с помощью кото-
рых регистрируется трещина, соизмерима с шириной доменов, на-
ходящихся в поле зрения оператора и расположенных над безде-
фектными участками ОК, то достоверность контроля снижается.
Чтобы исключить это, проводят контроль в приложенном поле.
Задачи
3.5.1. Необходимо обнаруживать трещины в цилиндрических деталях дли-
ной /=200 мм, внешним диаметром d=35 мм и толщиной стенки 6 = 2,5 мм
из закаленной стали 45 по уровню чувствительности Б. Выбрать метод конт-
роля и режим намагничивания.
Решение
1. Выбираем метод контроля. Вначале определяем магнитные параметры
Вг и Не, например, по данным [Зр Вг=1,2 Тл; //с = 2160 А/м.
На основании рис. 3.71 делаем вывод о том. что возможен контроль по
остаточной намагниченности, так как параметры стали марки 45 попадают в
область, лежащую выше линии Б, т. е. выше требуемого в данной задаче
уровня чувствительности. На рис. 3.71 находим напряженность магнитного по-
ля, необходимую для получения требуемого значения Вг. Эта напряженность
составляет //т|х — 15 200 А/м.
2. Рассчитываем ток циркулярного намагничивания для обнаружения тре-
щин, ориентированных продольно:
1 15 200-3,14-35-10-3^ 1670 А.
3. Определяем напряженность поля соленоида для контроля поперечных
трещин. Так как отношение //d-<30, то следует намагничивать деталь с по-
мощью удлинителей либо объединить детали цепочкой и одновременно намаг-
ничивать несколько деталей. При этом не возникает никаких особенностей рас-
чета соленоида и ток намагничивания определяется из соотношения
^Лпах. ,
где п — число витков; L—длина соленоида.
Следует указать, что вблизи торцов соленоида напряженность магнитного
поля может оказаться меньше расчетной. Поэтому необходимо предусмотреть
возможность измерения напряженности поля вблизи торцов соленоида, напри-
мер с помощью приборов Ф-18 или Ф-190, измеряющих магнитную индукцию,
отличающуюся в Цо раз от напряженности магнитного поля в воздухе.
На этом заканчивается выбор режима магнитопорошкового контроля ци-
линдрической детали.
3.5.2. Разработать методику магнитопорошкового контроля крышки цилинд-
рического сосуда в полевых условиях. Материал крышки — сталь 1ХВ; Нс—
= 400 А/м; Вт=1,1 Тл. Крышка прошла термообработку — нормализацию и
отпуск.
128
Решение
При термообработке часто возникают разноориентированные поверхностные
и подповерхностные трещины. Поскольку деталь выполнена из магнитомягкой
стали (//с<800 А/м), контроль необходимо выполнять в приложенном поле.
При контроле в полевых условиях целесообразно использовать «мокрый»
метод, т. е. применять не порошок, а суспензию, переносный дефектоскоп, на-
пример типа 11МД77. Питание дефектоскопа можно производить от аккумуля-
торов.
Деталь намагничивают переносным электромагнитом в двух взаимно пер-
пендикулярных направлениях для выявления трещин различной ориентации. На-
пряженность приложенного поля для контроля по уровню чувствительности А
выбираем из соотношения
//„₽ = 52 + 1 ,ЗЯС = 52 + 1,3’4 = 57,2 А/см = 5720 А/м
(из условия задачи известно, что Не находится в пределах 4 ...16 А/см; Вг<
<1,2 Тл).
Для контроля по уровню Б
Нпр = 1,3 Т 1,1//с - 17,4 А/см = 1740 А /м.
Контроль термически обработанных деталей по уровню В нецелесообразен,
так как он имеет слишком низкую чувствительность.
Деталь осматривают во время и после нанесения суспензии с использова-
нием оптических средств (луп, микроскопов) или без них. Увеличение оптиче-
ского средства выбирают в зависимости от чистоты обработки поверхности ОК,
типа дефектов, условий контроля, и обычно оно находится в пределах 1,25... 24.
Чтобы отличить трещину от риски, применяют следующий способ. Наблю-
дая место расположения риски па детали, каплями из пипетки наносят суспен-
зию, отстоявшуюся в течение 3 ... 5 мин после перемешивания. На рисунке на-
копление порошка происходит сначала в виде отдельных точек, которые затем
увеличиваются, образуя цепочки. Если в ОК имеется- трещина, то накопление
порошка происходит по всей ее длине и ее очертания четко обрисовываются.
Картина осаждения порошка на риске и трещине может отличаться только на
начальной стадии накопления порошка.
После контроля деталь размагничивают, медленно выводя ее из катушки,
питаемой постоянным током периодически изменяющейся полярности с частотой
не более 1 Гц.
3.5.3. Проконтролировать качество сварного шва (с целью обнаружения
непровара) длиной 1 м на трубе диаметром 500 мм. Толщина стенки трубы
5=16 мм, материал — сталь Ст 3, ширина шва 6 = 20 мм, высота валика уси-
ления 1 — 3 мм. Выбрать метод контроля и рассчитать режим намагничивания.
Реше и и е
Наплучший метод контроля — магнитографический. Два других конкурирую-
щих метода магнитопорошковый и феррозондовый — непригодны здесь из-за
наличия валика усиления. Валик обусловливает значительный градиент магнит-
ного поля над его границами и способствует скоплению магнитного порошка,
что затрудняет выявление дефектов. Валик затрудняет сканирование феррозон-
дом и нс позволяет сохранять постоянным зазор между поверхностью шва и
феррозонда.
Для намагничивания выбираем П-образные электромагниты, создающие
магнитный поток, ортогональный направлению шва, для того чтобы выявлять
наиболее вероятные дефекты. Желательно намагничивать шов сразу по всей
длине, для чего можно использовать цепочку из нескольких П-образных элект-
ромагнитов.
Для исключения насыщения магнитопровода толщину полюсов необходимо
выбрать в 2 ... 3 раза большей толщины ОК: Ап— (2 ... 3)Х5 = 30 ... 50 мм. Меж-
5—1332 129
полюсное расстояние выбираем равным 70 мм, чтобы можно было использовать
магнитную ленту шириной 35 мм.
Напряженность поля в ОК определяем по закону полного тока:
ff,>K == U W - ,!Л ““ Н,М11<ж.
где 1и — длина участка магнитопровода; 1„ — длина полюсных наконечников.
Ток 1 электромагнитов нужно выбрать таким, чтобы обеспечить насыщение
участка ОК, для этого требуется ЯОк= 300... 6(H) А/см.
Для отечественных магнитных лент МК-1, И-4701 линейный участок нахо-
дится в интервале напряженностей 100... 300 или 300... 600 А/см для ленг
МК-2, И-4732. В нашем случае могут быть использованы ленты МК-2, И-4732.
Для настройки дефектоскопа нужны испытательные образцы с искусствен-
ными дефектами в виде фрезерованных канавок шириной 2... 2,5 мм.
Рис. 3.89. К ил-
люстрации принци-
па магнитной тол-
щинометрии
Рис. 3.90. Зависи-
мость M3I ниткой ин-
дукции от толщины
неферромагнитного
покрытия
3.6. МАГНИТНЫЕ ТОЛЩИНОМЕРЫ
Магнитные толщиномеры предназначены для измерения толщи-
ны защитных покрытий на ОК из ферромагнитных материалов ли-
бо для измерения толщины ферромагнитных листов. В магнитных
толщиномерах используется зависимость магнитного сопротивле-
ния участка магнитной цепи от зазора. Для иллюстрации этой за-
висимости рассмотрим магнитную цепь (рис. 3.89). При малом за-
зоре 6 поле в магнитопроводе и зазоре однородно и тогда, по
закону полного тока,
Н „I „ Н
где /ст — длина магнитопровода; w — число витков обмотки.
Если зазор мал (Л-УуА,), то Вст—В0 и напряженность магнит-
ного поля в сердечнике ЯСт=Во/(|то|ъ), откуда
—+ 8=/®,
Ио!Аг МО
и зависимость магнитной индукции от зазора имеет вид (рис.
3.90)
130
По принципу действия магнитные толщиномеры можно разде-
лить на три группы: магнитоотрывные (пондеромоторного дейст-
вия), магнитостатические и индукционные.
Работа магнитоотрывных толщиномеров основана на измере-
нии силы отрыва или притяжения постоянных магнитов и элект-
ромагнитов к ОК. Сила притяжения
пропорциональна квадрату магнит-
ной индукции Во в зазоре между
постоянным магнитом и поверх-
ностью ферромагнитного материа-
ла. Индукция в соответствии с рис.
3.90 обратно пропорциональна зазо-
ру. Основоположником пондеромо-
торного метода толщинометрии яв-
ляется академик Н. С. Акулов.
Первые магнитоотрывные приборы
были созданы в конце 30-х годов,
их развитием явились приборы ти-
па МТА (магнитный толщиномер
Акулова), отличающиеся высокой
точностью измерений, незначитель-
ной зависимостью показаний от ряда
Рис. 3.91. Магнитоотрывной
толщиномер МТА-2
мешающих факторов. Вы-
сокая точность достигается благодаря применению механизма
компенсации отрывного усилия, состоящего из двух спиральных
пружин различной жесткости. Более жесткая пружина создает
постоянное натяжение, а угол закручивания основной (менее же-
Таблица 3.9
Характеристики магнитоотрывных толщиномеров
Тип толщино- мера Диапазон из- мерения. мкм Основная погрешность Габариты, мм Масса, г
МТА-2 0...400 1,5 мкм АО толщины 65X35 150
МТА-2М 0 ... 26 20... 75 60 ...30 30 мкм и 5% для тол- щины более 30 мкм То же 85X65X40 240
сткой) пружины является функцией толщины покрытия. Изменяя
натяжение более жесткой пружины, можно разбить весь диапазон
измерений на ряд поддиапазонов.
Магнитные толщиномеры МТА-2 и МТА-2А выполнены на ба-
зе часового механизма (рис. 3.91). Постоянный магнит жестко ук-
реплен на поворотном рычаге и через пружинную и колесную си-
стемы связан с подвижной стрелкой, указывающей по шкале ци-
5‘
131
ферблата значение толщины покрытия (в миллиметрах), соответ-
ствующее усилию отрыва магнита. Механизм снабжен пружинным
двигателем для создания отрывного момента и устройством для
автоматической остановки стрелки в момент отрыва магнита. Ос-
новные технические характеристики отечественных магнитоот-
рывных толщиномеров приведены в табл. 3.9.
Аналогичные приборы выпускаются и за рубежом. Один из та-
ких приборов, «Elcometer 211» (Великобрита-
ния), показан на рис. 3.92.
Состояние поверхности (шероховатость) в
Wfflk ух значительной мере влияет иа погрешность из-
wML уХ мерения толщины покрытия, поскольку по-
у\ стоянный магнит устанавливается на поверх-
кость с некоторым зазором, определяемым
BjgaffirlA шероховатостью. Поэтому значения приведен-
Ч ных в та®лице погрешностей относятся к ОК
х. с обработкой, определяемой шероховатостью
\ I поверхности не более 7?z=2O. В других слу-
\ д I I чаях погрешности нужно пересчитывать.
\ 4Л 11 Приборы очень просты в применении и
111 II дешевы, не требуют источника питания, одна-
уИ II ко неД°статок их заключается в необходимо-
WA II сти очень тщательного измерения силы отры-
гай у ва магнита, что затрудняет автоматизацию
у контроля.
Этот недостаток устранен в толщиномерах.
Рис. 3.92. Магаито- магнитостатического типа. Их действие оспо-
отрывной толщиномер вано на оценке изменения напряженности
«Elcometer 211» магнитного поля в цепи электромагнита или
постоянного магнита при изменении зазора
между ним и поверхностью ферромагнитного
ОК, обусловленного наличием неферромагнитного покрытия. Па
рис. 3.93 схематически показано устройство магнитостатических
толщиномеров: с П-образным магнитопроводом и электромагни-
том (а), постоянным магнитом (б) и стержневым магпитопрово-
дом (в), который все же чаще выполняется с постоянным магни-
том. Рабочий магнитный поток Ф, создаваемый катушкой или по-
стоянным. магнитом, замыкается по магнитопроводу или по возду-
ху (в случае в), объекту контроля с неферромагнитным покрыти-
ем, толщина которого А измеряется. По величине магнитного по-
тока судят о толщине неферромагнитного покрытия, а магнитный
поток определяют измеряя магнитную индукцию с помощью пер-
вичного преобразователя, в качестве которого используется дат-
чик Холла, феррозонд, рамка с током и др.
К простейшим приборам такого типа относятся толщиномеры,
в которых в качестве индикатора использована механическая маг-
ниточувствительная система, например «Elcometer». В приборе ус-
132
тановлеиа дополнительная магнитная перемычка, параллельная
основному магнитопроводу, и в ней находится подвижная магнит-
ная система, уравновешиваемая пружиной. При изменении тол-
щины неферромагнитного покрытия происходит перераспределе-
ние магнитного потока между магнитопроводом и перемычкой.
Стрелка, связанная с подвижной магнитной системой, отклоняет-
ся на угол, пропорциональный толщине измеряемого покрытия.
Эти приборы применяются только для экспресс-оценки толщины
покрытий, поскольку высокой точности отсчета получить не уда-
ется.
Рис. 3.93. Схемы магнитостатических дефектоскопов
в)
При контроле деталей с криволинейной поверхностью удобнее
использовать однополюсные преобразователи со стержневыми маг-
нитами (рис. 3.93, в). Для устранения влияния наклона преобра-
зователя контактная поверхность выполняется в виде полусферы.
Для повышения чувствительности магнитостатических толщиноме-
ров осуществляют компенсацию начального уровня сигнала, раз-
мещая магниточувствительные элементы в магнитной нейтрали
либо устанавливая два дифференциально включенных преобразо-
вателя.
К недостаткам магнитостатических толщиномеров следует от-
нести то, что, во-первых, из-за большого расстояния между по-
люсами с их помощью невозможно контролировать малогабарит-
ные детали, во-вторых, в них сильно сказывается влияние края
детали (краевой эффект), поскольку область, где распределяется
постоянное магнитное поле в ферромагнетике, весьма зна-
чительна.
Эти недостатки устранены в индукционных толщиномерах, ис-
пользующих одностержневой магнитопровод и переменное элект-
ромагнитное поле, благодаря чему краевой эффект перестает про-
являться на расстояниях в несколько миллиметров.
На рис. 3.94 схематически показан преобразователь индукци-
онного магнитного толщиномера. Ферритовый стержень располо-
жен перпендикулярно поверхности объекта контроля. На стержне
133
размещены катушка w., возбуждающая переменное электромаг-
нитное поле, а также две идентичные измерительные катушки w„'
и ш„", соединенные встречно. В отсутствие ОК эдс измерительных
катушек взаимно компенсируются. При установке преобразователя
на поверхность ОК нарушается симметрия магнитного поля, соз-
данного возбуждающей катушкой. С уменьшением толщины по-
крытия t асимметрия магнитного поля возрастает и соответствен-
но возрастает выходное напряжение преобразователя, несущее ин-
формацию о толщине покрытия.
Рис. 3,95. Структурная схема индукционного толщи-
номера (а) и внешний вид портативного прибора
«Duodieck S> (б)
Рис. 3.94. Преобразо-
ватель индукционного
толщиномера
На рис. 3.95 приведена структурная схема индукционного
толщиномера. Возбуждающая катушка 1 преобразователя пита-
ется от генератора 2. Сердечник 3 преобразователя установлен па
объект контроля 4. Две дифференциально включенные измери-
тельные катушки 5 присоединены к блоку обработки сигнала 6,
на выходе которого установлены блок индикации 7 и блок авто-
матики 8.
Частота возбуждающего тока в магнитных толщиномерах обыч-
но низкая, поэтому, хотя конструктивно магнитный преобразова-
тель весьма похож на вихретоковый, действие его основано толь-
ко на изменении сопротивления магнитной цепи. Влияние вихре-
вых токов в приборах такого типа несущественно, и электропро-
водимость материала практически не влияет на показания. По-
этому для измерения пригодна одна и та же шкала для всех не-
ферромагнитных покрытий.
Обычно в индукционных толщиномерах используют накладные
преобразователи двух типов. Преобразователь первого типа в ви-
де стержня предназначен для измерения толщины покрытий на
деталях небольших размеров с криволинейной поверхностью и
сложной конфигурации. Преобразователь второго типа с подпру-
134
жиленной рабочей поверхностью и трехточечной устойчивой на по-
верхности опорой предназначен для измерения толщины покры-
тий на плоских поверхностях. Характеристики индукционных тол-
щиномеров приведены в табл. 3.10.
В настоящее время отечественной промышленностью серийно
выпускается толщиномер МТ-41НЦ. В НПО «Спектр» разработан
более совершенный портативный толщиномер МТ-50НЦ, предназ-
наченный для измерения толщины неферромагнитных покрытий
(лаков, красок, гальванических покрытий из цветных металлов
и т. д.), нанесенных на основание из ферромагнитных сталей. Диа-
пазон измеряемых толщин 5...2000 мкм, основная погрешность
Таблица 3.10
Характеристики индукционных толщиномеров
Тип (фирма, страна) Диапазон измере- ния, мкм Погрешность, % Габариты, мм Масса, кг
МТ-41НЦ (СССР) 0...20 20... 200 200 ...2000 или 1 ... 12 мм 5 127X200X280 3,5
«Monlmetr 3.3.10», (Inst, F. Forster, ФРГ) 0...200 0... 2000 0,5 мкм 2 мкм 115X60X200 0,7
«Minitest FD» («Elec- trophysik», ФРГ) 1 ... 1250 1 мкм (до 33 мкм) 3 (свыше 33 мкм) 1 145X80X36 0,45
«Deltascope MP3» («Н, Fischer», ФРГ) 0... 2000 0... 4000 100 ... 6000 150X80X30 0,35
«Permascope Mil» («Н. Fischer», ФРГ) 0... 1000 100 ...5000 1 ... 15 мм 2 2 290Х205ХЮ0 3,5
«Fischerscope Magna 460» («Н. Fischer», ФРГ) 0... 1000 ±1+0,05 мкм 335X135X340 8
«Dualscope» («И. Fisc- her», ФРГ) 0...250 0...500 0 ... 600 1 150X80X30 0,35
«Duocheck S» («Nairn- con». Италия) 0... 2000 2 ... 20 мм 1 160X80X30 0,15
«Fischerscope multi 650/750» («Н. Fisc- her», ФРГ) 0... 1000 (нефер- ромагнитные по- крытия на ферро- магнитном осно- вании) 0... 100 (никель на неферромагнит- ном основании) 1 335X135X340 6,5
135
Продолжение табл. 3.10
Тип (фирма, страна) Диапазон измере- ния, мкм Логрсшность, % Габариты, мм Масса, кг
«Nickelderm» («UPA Teclinology», США) 0... 127 (никель на неферромагнит- ном основании) 0... 38 (никель на ферромагнит ном основании) 0... 51 (нефер ромагиитпыс по крытия на ферро магнитном основа НИИ) 280X280X200 4,5
«Косоиг» Н 10/2 Н ЮМ PM ЮМ (США) 0... 1000 0...25 0... 635 1 1 1 Ю0ХЮ0Х44 180X100X44 180ХЮ0Х44 0,46 0,46 0,46
0,3... 0,5 мкм. Толщиномер имеет встроенный имитатор, позво-
ляющий осуществлять подготовку к работе без использования мер
толщины.
Как было отмечено в начале параграфа, кроме рассмотренных
существуют толщиномеры для измерения толщины слоев объек-
тов из ферромагнитных материалов. Эти толщиномеры распрост-
ранены значительно меньше из-за сложности получения высокой
точности, особенно при измерении больших толщин.
В Институте Фёрстера (ФРГ) выпускаются магнитостатиче-
ские измерители толщины жести типа 2.203 и 2.215. Преобразова-
тели выполнены в виде двухполюсных постоянных магнитов (см.
рис. 3.93,6) с датчиками Холла. Прибор 2.203 измеряет толщину
слоев в пределах 0...600 и 0... 2500 мкм (или 0...3000 мкм). Он
предназначен для контроля толщины жести для консервных ба-
нок, трансформаторного железа и т. д. Прибор 2.215, имеющий
пределы измерения 0... 50; 0... 100; 0...250; 0...500; 0... 1000; 0..,
2500 и 0...5000 мкм, предназначен для измерения отклонений от
заданной толщины ферромагнитной жести.
Для измерения толщины никелевого покрытия на пеферромаг-
нитной и ферромагнитной основе предназначен прибор «Nickel-
derm» фирмы «UPA Tedinology» (США), использующий датчики
Холла. Достоинство прибора в том, что без дополнительной по-
грешности он позволяет измерять толщину слоя никеля, находя-
щегося под слоем золота, родия или хрома на иеферромагнитной
основе. Точность измерения определяется стандартными образца-
ми, используемыми при калибровке (обычно погрешность ±5%),
а измерения осуществляются с погрешностью ±0,3 мкм на нефер-
136
ромагиитной основе и ±1 мкм на ферромагнитной. Минимальные
размеры плоского контролируемого образца на иеферромагнитной
основе составляют 6,4X0,25 мм, на ферромагнитной — 25X25 мм,
а цилиндрического образца на иеферромагнитной основе — 6,4Х
Х0,5 мм, на ферромагнитной — 51X25 мм.
Как уже отмечалось, действие всех рассмотренных магнитных
толщиномеров основано на измерении сопротивления неоднород-
ной магнитной цепи. Главные мешающие факторы здесь — коле-
бания магнитных свойств ферромагнитного основания ОК, состоя-
ние и форма его поверхности. В значительной мере влияние этих
факторов определяется топографией магнитного поля, а следова-
тельно, размерами и формой магнитопровода первичного преоб-
разователя. Калибровка толщиномеров осуществляется с помощью
стандартных контрольных образцов с различными сочетаниями
материалов покрытия и основания.
Неферромагнитное покрытие можно имитировать аттестован-
ными по толщине прокладками из неферромагнитных материалов
(например, из алюминиевой фольги) или из изоляционных мате-
риалов (например, из пластиков), которые помещают между пер-
вичным преобразователем толщиномера и непокрытым основани-
ем. НПО «Псари» (г. Тбилиси) разработаны и заводом «Агат»
(там же) выпускаются наборы мер толщины никелевых покрытий
на латуни и стали, соответствующие ГОСТ 25177—82 «Меры тол-
щины покрытий. Общие технические условия» и внесенные в госу-
дарственный реестр стандартных образцов СССР. Такие образцы
используют для градуировки и поверки магнитных толщиномеров
в процессе их эксплуатации, а также при разработке.
Множество различных сочетаний материалов основания и по-
крытия затрудняет возможность серийного изготовления стандарт-
ных образцов и повышает их стоимость, которая может дости-
гать 10...20% стоимости прибора. Поэтому актуальной задачей в
настоящее время можно считать создание средств измерения тол-
щины покрытий, которыми можно пользоваться без контрольных
образцов. В последние годы появились приборы, используемые для
контроля объектов с более широким сочетанием материалов по-
крытия и основания и обладающие улучшенными потребительски-
ми свойствами. Например, прибором «Fischerscope Magna 460»
можно измерять толщину покрытий из широкого спектра материа-
лов, таких, как хром, свинец, медь, кадмий, цинк, краска, пласт-
массы, эмаль, резина на железе и стали. Расширение возможности
приборов достигается при комбинации магнитного и вихретоково-
го методов измерения, как, например, в приборе «Fischercope mul-
ti 650/750».
Во всех зарубежных портативных приборах предусмотрено ав-
тономное питание, обеспечивающее непрерывную работу в тече-
ние 20... 80 ч.
137
Современные магнитные толщиномеры (кроме магпитоотрыв-
вых) оснащены встроенными микропроцессорами и принтерами,
либо имеют выход для подключения последних. Через стандарт-
ные интерфейсы они могут включаться в информационно-измери-
тельные системы.
Толщиномеры фирм «Н. Fischer», «UPA Technology», «Electro-
physik Cocour» и других представляют пользователю широкие воз-
можности. Так, прибор «Fischerscope Magna 460» может работать
в диалоговом режиме, удобном оператору при подготовке к рабо-
те. Оператор может установить любые верхний и нижний допусти-
мые пределы толщины покрытия, вызвать из памяти прибора лю-
бую из десяти градуировочных характеристик, соответствующую
задаче предстоящего измерения, а также ввести в память данные
калибровки по образцам, имеющимся в его распоряжении. Резуль-
таты измерений обрабатываются статистически: определяются
среднее значение, минимальное и максимальное значения, среднее
квадратическое отклонение, гистограмма и коэффициент вариа-
ции серии из 999 измерений. Отпечатанный протокол измерений
содержит данные о калибровке, количестве измерений, резуль-
татах систематической обработки, включающих графическую часть
(гистограмму, график кумулятивной функции).
Прибор комплектуется набором одно- и двухполюсных первич-
ных преобразователей разной конструкции, специальными стенда-
ми и приспособлениями для измерений на мелких деталях и де-
талях с малым радиусом кривизны.
Применение заказных БИС позволяет реализовать большин-
ство перечисленных для прибора «Fischerscope Magna 460» функ-
ций и в портативных толщиномерах с автономным питанием, мас-
са которых не превышает 0,5 кг, например в приборах «Deltascope
МР2, MP3», «Minitest». Комбинированный (магнитный и вихрето-
ковый) портативный толщиномер «Duocheck S> позволяет запоми-
нать результаты до 5000 измерений в 80 поддиапазонах толщины
и может реализовать те же функции, что и «Fischerscope Magna
460», работая без замены источника питания в течение 80 ч. Он
может быть укомплектован портативным принтером «Duoprint» с
автономным питанием и массой 0,39 кг.
Контрольные вопросы
3.6.1. Как влияет состояние поверхности объекта на результат измерения
толщины покрытия магнитоотрывным толщиномером?
3.6.2. Какие преобразователи целесообразно использовать при контроле кри-
волинейных поверхностей?
3.6.3. Влияет ли удельная электрическая проводимость объекта на резуль-
тат измерениня толщины покрытий?
3.6.4. Влияет ли магнитная проницаемость объекта на результат измерения
толщины покрытия?
3.6.5. Перечислите операции, необходимые для калибровки магнитного тол-
щиномера покрытий.
138
3.6.6. Можно ли магнитным толщиномером измерить толщину слоя эмали
на медной детали?
3.6.7. Мазоните достоинства магнитоотрывных толщиномеров.
3.6.8. Какие функции реализуются в магнитных толщиномерах с помощью
микропроцессоров?
3.7. МАГНИТНЫЕ СТРУКТУРОСКОПЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ
При магнитном контроле физико-механических свойств объек-
тов используется связь между физико-механическими и магнитны-
ми параметрами. Эта связь, часто не только неоднозначная, но и
нестабильная, носит корреляционный характер и возникает тогда,
когда одни и те же физические и химические процессы образова-
ния структуры и фазового состава ферромагнитных сталей фор-
мируют также и их магнитные свойства. Сложный характер одно-
временного влияния различных факторов на магнитные и физико-
механические свойства ферромагнитных материалов часто не поз-
воляет определить влияние каждого фактора в отдельности. По-
этому в магнитной структуроскопии оценивают изменение маг-
нитных параметров и по ним определяют соответствующие этим
изменениям различные физико-химические или физико-механиче-
ские свойства ОК. При магнитном контроле механических харак-
теристик и структуры ферромагнитных материалов используют от-
носительные измерения, т. е, не измеряют какой-либо магнитный
или механический параметр, а только фиксируют, соответствуют
ли параметры ОК заданным или отклоняются от них. Чтобы оце-
нить, насколько при этом механические параметры детали отлича-
ются от номинальных, нужны дополнительные сопоставления с па-
раметрами специально подобранных образцов.
По использованным магнитным информативным параметрам
различают следующие разновидности магнитной структуроскопии:
коэрцнтиметрия; контроль по остаточной намагниченности; конт-
роль по магнитной проницаемости; контроль по магнитным шу-
мам; ферритометрия; метод высших гармоник.
Последний метод настолько близко соприкасается с вихретоко-
вым, что представляется затруднительным отнести его к одному
из этих двух видов ПК. Мы относим его к магнитному контролю,
поскольку он основан на использовании нелинейности кривой на-
магничивания, и именно степень нелинейности определяет его ин-
формативность.
В магнитной структуроскопии оценивают магнитные парамет-
ры, сильнее других коррелирующие с теми свойствами сталей, ко-
торые интересуют инженерную практику. К настоящему времени
накоплен достаточно большой экспериментальный материал по
корреляции магнитных свойств конструкционных сталей различ-
ных марок с их физико-химическими и механическими свойства-
ми. Работы в этом направлении ведутся, в частности, в Институте
физики металлов Уральского отделения Академии наук СССР, их
139
результаты регулярно публикуются в журнале «Дефектоскопия».
Начнем рассмотрение магнитных структуроскопов с коэрцити-
метров. В неразрушающем контроле коэрцитиметр — это магнит-
ный структуроскоп. разбраковывающий объекты по значению коэр-
цитивной силы материала ОК. Даже в тех случаях, когда из спра-
вочной литературы известна связь коэрцитивной силы с требуе-
мым механическим параметром (твердостью, содержанием приме-
сей и т. д.), необходимо устанавливать возможность ее использо-
вания при коэрцитиметрическом контроле конкретных деталей в
условиях производства.
Рис. 3.96. Зависимость
коэрцитивной силы не-
которых сталей от твер-
дости
Рис. 3.97. Зависимость коэрцитивной
силы стали ШХ15 от температуры
закалки и отпуска
Наиболее широко в структуроскопии используется зависимость
между твердостью углеродистых и низколегированных сталей и
их коэрцитивной силой (рис. 3.96). Так как твердость стали зави-
сит от режима ее термической обработки, то практически во всех
случаях корреляция между твердостью и коэрцитивной силой поз-
воляет установить также и корреляцию между коэрцитивной си-
лой и температурой закалки и отпуска. На рис. 3.97, а, б приве-
дены зависимости коэрцитивной силы ШХ15 от температуры за-
калки и температуры отпуска.
Широкое распространение в настоящее время получили коэр-
цитиметры с приставным электромагнитом, наиболее удобные для
применения в производственных условиях. Схема преобразователя
такого коэрцитиметра показана на рис. 3.98. П-образный электро-
магнит, на боковых стержнях которого размещена возбуждающая
140
обмотка, предназначен для создания намагничивающего и раз-
магничивающего полей. Феррозонд, включенный по схеме полеме-
ра, является перемычкой этого электромагнита. При пропускании
постоянного тока по обмотке возбуждения намагничивается учас-
ток ОК. После выключения тока в обмотке в магнитной цепи
электромагнита существует остаточный магнитный поток, создаю-
щий сигнал на выходе феррозонда. При пропускании по обмотке
возбуждения тока противоположного на-
правления начинается процесс размагни-
чивания. Размагничивающий ток увели-
чивают до тех пор, пока магнитный по-
ток в цепи не станет равным нулю, чему
соответствует отсутствие выходного сиг-
нала феррозонда. Чем больше значение
Нс материала, тем большим должен
быть размагничивающий ток. Таким об-
разом, действие коэрцитиметра основано
на использовании корреляции между раз-
магничивающим током, пропорциональ-
ным коэрцитивной силе, и определенны-
ми механическими свойствами ОК.
Рассмотренный процесс контроля реализован в коэрцитиметре
типа КИФМ-1. Этот прибор в течение ряда лет выпускался серий-
но и нашел широкое распространение в промышленности.
Современной модификацией коэрцитиметра с приставным элек-
тромагнитом является структуроскоп МФ-31КЦ. В этом приборе
осуществлена автоматическая регулировка тока размагничивания
до значения, соответствующего размагниченному состоянию ОК,
и его цифровая индикация. Предусмотрен режим работы,
обеспечивающий сортировку ОК па три группы: норма, боль-
ше или меньше нормы, причем границы групп ОК можно регули-
ровать.
Характеристики структуроскопа МФ-31КЦ
Диапазон измерения коэрцитивной силы, А/см 1,5... 60
Диапазон тока размагничивания, мА................. 0 ... 300
Длительность цикла намагничивания, с . . . . 5
Мощность потребления, В-А........................ 150
Габариты электронного блока, мм............. 250X140X280
Масса, кг........................................... 10
Коэрцитиметры предназначены для контроля отдельных участ-
ков крупногабаритных деталей. Основные мешающие факторы —
изменение зазора между полюсами электромагнита и поверхно-
стью ОК, а также изменение толщины ОК.
Для контроля малогабаритных деталей могут быть использо-
ваны установки с рассмотренными выше преобразователями.
141
В коэрцитиметрических установках с измерительным генера-
тором, а также в феррозондовых, вибрационных и работающих по
методу сдергивания коэрцитиметрах размагничивающее поле со-
здается с помощью катушки, внутри которой помещен ОК. Эти
установки могут быть использованы при лабораторных испыта-
ниях.
Рис. 3.99. Схема коэрцитиметра
с активным индукционным пре-
образователем
На рис. 3.99 показано устройство коэрцитиметра с активным
индукционным преобразователем, иногда называемым измеритель-
ным генератором. Объект контроля / намагничивают с помощью
катушки 2 (или помещают в катушку уже намагниченным.) Ка-
тушка активного индукционного преобразователя 3 приводится во
вращение двигателем 4, и возникающая в ней эдс измеряется ин-
дикатором 5. Оси катушки 2 и 3 взаимно перпендикулярны, по-
этому магнитное поле, создаваемое катушкой I, не приводит к
возникновению в катушке 3 эдс, которая определяется только по-
лем, создаваемым объектом контроля. Для измерения коэрцитив-
ной силы ОК по катушке I пропускают ток, создающий размаг-
ничивающее поле для ОК. При напряженности этого поля, до-
стигающей значения Н„, ОК полностью размагничивается. В ре-
зультате магнитный поток, ортогональный оси катушки /, исчеза-
ет и эдс в катушке, становится равной нулю. По силе тока в ка-
тушке 1 судят о коэрцитивной силе ОК- Такой коэрцитиметр име-
ет высокую чувствительность и используется при отработке ре-
жимов контроля.
На рис. 3.100 показан феррозондовый коэрцитиметр, отличаю-
щийся от предыдущего только тем, что в качестве первичного пре-
образователя использован феррозонд 3, выходной сигнал кото-
рого измеряется в блоке 4.
Устройство коэрцитиметра, работающего по методу сдергива-
ния, наиболее просто. Такой коэрцитиметр целесообразно исполь-
зовать только как простейшее устройство для предварительной
оценки коэрцитивной силы. Из рис. 3.101 видно, что если катуш-
ка 3 перемещается в отсутствие объекта контроля 1 в однород-
142
ном поле, создаваемом катушкой 2, то эдс в ней не наводится и
индикатор 4 дает нулевые показания. Присутствие намагничен-
ного объекта / приводит к появлению эдс в катушке 3 при сдер-
гивании последней с объекта до тех пор, пока он не будет раз-
магничен встречным полем катушки 2. По напряженности этого
поля судят о коэрцитивной силе ОК.
Если вместо одной использовать две встречно включенные ка-
тушки, жестко соединенные между собой и перемещающиеся (виб-
рирующие) в осевом направлении (рис. 3.102), то получается виб-
рационный коэрцитиметр, имеющий более высокую чувствитель-
ность.
Рис. 3.103. Преобра-
зователь импульсного
магнитного анализа-
тора
Цнтиметра, работающего
По методу сдергивания
Рис. 3.102. Схема
вибрационного ко-
эрцитиметра
Коэрцитиметр «Koerzimat 1.095», разработанный в Институте
Фёрстера (ФРГ), укомплектован соленоидом и приставным элек-
тромагнитом, имеет диапазон измерения от 0 до 100 кА/м.
Кроме рассмотренного коэрцитиметрического метода структуро-
скопии широко применяется контроль по остаточной намагничен-
ности сталей, для которых известна связь остаточной индукции
или намагниченности с механическими свойствами. Полностью на-
магнитить деталь достаточно больших размеров трудно, поэтому
обычно намагничивают участок детали с помощью постоянного
магнита или электромагнита. Очень эффективно в этих случаях
импульсное намагничивание с помощью соленоида, реализуемое
в импульсных магнитных анализаторах, разработанных в Инсти-
туте прикладной физики АН БССР. Намагничивание здесь осуще-
ствляется с помощью малогабаритного соленоида, устанавливае-
мого перпендикулярно поверхности объекта контроля (рис. 3.103).
При пропускании импульса тока через соленоид участок ОК на-
магничивается неоднородно, а после окончания импульса намаг-
ниченность в каждой точке уменьшается до некоторой остаточной
намагниченности. Два феррозонда, включенных по схеме гради-
ентометра, измеряют разность напряженностей магнитного поля в
точках А и В: \Н=НгА—НтВ. Она характеризует механические
143
свойства материала ОК. На рис. 3.104 показана зависимость ве-
личины АЯ от толщины ОК.
Важным преимуществом импульсного преобразователя явля-
ется существенно более слабая зависимость сигнала от размера
зазора. При увеличении амплитуды намагничивающих импульсов
значения в точках А и В резко возрастают, достигают насыщения
Рис. 3.104. Зависимость гра-
диента напряженности магнит-
ного поля от толщины объ-
екта
и не зависят от изменений зазора в широких пределах. При изме-
нении зазора от 0 до 2 мм погрешность не превышает 2% на каж-
дые 0,1 мм.
Для малоуглеродистых сталей су-
ществует линейная связь между маг-
нитными и механическими свойствами
в и 11 те р в а ле те м пер а ту р отж и га
(600 ... 750°C), поэтому магнитные
анализаторы рекомендуют использо-
вать для отбраковки листового прока-
та, прошедшего недостаточный отжиг
(при температуре менрше 550°C), а в
интервале температур отжига (600...
750 °C) —для определения механиче-
ских свойств ио корреляции между
сигналом преобразователя и этими свойствами.
Для реализации импульсного магнитного метода разработаны
импульсные магнитные анализаторы (ИМА). Наиболее широкое
распространение нашел анализатор ИМА-4, предназначенный для
неразрушающего контроля механических свойств и структуры ли-
стового проката толщиной 0,15...4,0 мм. Намагничивание ОК осу-
ществляется последовательностью импульсов (от 1 до 10), затем
автоматически измеряется градиент магнитного ноля, причем пол-
ный цикл «намагничивание — измерение» занимает не более 5 с.
Диаметр рабочей площадки преобразователя 14 мм, но зона кон-
троля из-за влияния полей рассеяния в 2...3 раза больше.
Метрологическая поверка приборов импульсно-локального типа
проводится без образцов, для чего используется поверочное сред-
ство— мера МГП-2 градиента магнитного поля, которая позво-
ляет в линейном приближении воспроизводить закономерности
изменения остаточного поля над поверхностью ОК, т. е. создавать
регулируемый градиент магнитного поля.
Контроль физико-механических свойств ферромагнитных мате-
риалов, основанный на измерении магнитной проницаемости, не
нашел пока широкого распространения в промышленности, хотя
в ряде случаев он более удобен, чем другие виды НК- Часто маг-
нитная проницаемость зависит, например, от режима закалки силь-
нее, чем коэрцитивная сила или остаточная магнитная индукция.
Применение метода магнитных шумов или эффекта Баркгаузе-
иа для структуроскопии ферромагнитных материалов в настоящее
время находится в стадии развития. Эффект скачкообразного из-
144
мснения намагниченности открыт в 1917 г. немецким ученым
Г. Баркгаузеном и наблюдается при увеличенном масштабе зави-
симости В (И) (рис. 3.105). Скачкообразное изменение намагни-
ченности, т. е. возникновение магнитных шумов, происходит как
Рис. 3.105. Иллюстра-
ция эффекта Баркгау-
зена
кратные
и сплошную
магнитным
Рис. 3.106. Структурная схема установ-
ки для определения параметров магнит-
ных шумов
при изменениях напряженности внешнего
магнитного поля, так и при механических
нагружениях. При перемагничивании фер-
ромагнитного объекта переменным магнит-
ным полем частотный спектр индукции име-
ет как дискретные компоненты,
частоте перемагничивания, так
соста вл я ю ту ю, н аз и в ае м у ю
шумом.
На рис. 3.106 показана структурная
схема установки для определения парамет-
ров магнитных шумов. Она включает со-
леноид 1, подключенный к источнику 2 си-
нусоидальною тока (частотой от долей до
сотен герц) через фильтр 3, предназначен-
ный для подавления высокочастотных составляющих. Ферромаг-
нитный объект исследования 4 помещается в соленоид. Выходной
сигнал снимается с измерительной обмотки 5, охватывающей
объект, и его можно непосредственно наблюдать на экране осцил-
лографа 6'. Он показывает характер изменения индукции в образ-
це либо после фильтра нижних частот 7, подавляющего шумы,
либо после фильтра верхних
частот 8, подавляющего основ-
ной сигнал и оставляющего на
экране только шумы. На рис.
3.107, а показан сигнал Е из-
мерительной обмотки; па рис.
3.107, б — тот же сигнал на
выходе филыра нижних ча-
стот; на рис. 3.107, в— на вы-
ходе фильтра верхних частот.
При необходимости определить спектр шумов вместо фильтра ниж-
них частот используют набор узкополосных фильтров.
В устройствах, основанных на методе магнитных шумов, при-
меняют как проходные, так и накладные преобразователи. На
рис. 3.108 показан проходной преобразователь для контроля ка-
чества термической обработки стальной проволоки. В качестве ин-
формативного параметра используется интенсивность магнитных
шумов, т. е. амплитуды составляющих спектра и ширина спектра,
связанная с магнитными- свойствами термообработанного ОК.
Контролируемая стальная проволока 1 размещена в соленоиде 2.
Выходной сигнал снимается с двух идентичных, включенных
встречно измерительных катушек 3 и 4. В результате в выходном
145
сигнале отсутствует составляющая с частотой тока возбуждения
/в, но есть случайные составляющие, представляющие магнитный
шум на различных участках ОК. Эти составляющие не компенси-
руются, и по их интенсивности судят о механических свойствах
ОК. Кроме интенсивности шумов возможно также использование
статических характеристик скач-
Л ков, таких, как распределение скач-
ков по амплитуде либо по длитель-
/1 а) пости.
J «I На рис. 3.109 показан накладной
f \_______________ преобразователь для контроля объ-
0 с дГ У * ектов, имеющих плоскую поверх-
/ ность. Намагничивание объекта
1 / контроля / осуществляется при-
\ / ставным электромагнитом 2, инфор-
f л V* мация снимается с измерительной
/ \ катушки 3, расположенной так, что
/ \ основной магнитный поток не наво-
/ \ дит в ней эдс. В результате сигнал
/ \ в катушке определяется только
0 £ * магнитным шумом.
\ / 4 Одной из первых установок про-
\ / мышленного применения для нераз-
\ / рушающего контроля методом маг-
\J нитпых шумов была ИБШ-2, разра-
ботанная М. Миховски в Болгарии.
Установка предназначена для конт-
J. ъ. j роля структуры и степени пластиче-
0 ***W»»’*”* скоп деформации тонких прутков.
Разбраковка ведется по уровню
магнитного шума.
Рис. 3.107. Сигнал на выходе Отечественный прибор МАША-1
преобразователя при контроле предназначен для контроля содер-
методом магнитных юумов жания углерода в сталях и степепИ
поверхностного упрочнения. Прибор
укомплектован накладным и проходным преобразователями. Воз-
можность регулировки полосы частот, в которой анализируется
сигнал, позволяет уменьшить влияние изменений зазора, колеба-
ний химического состава стали, температуры закалки.
Более универсален прибор «СКИФ-100», представляющий ско-
рее установку для исследования режимов контроля методом маг-
нитных шумов. В приборе предусмотрена возможность изменения
в широких пределах частоты и амплитуды намагничивающего тока;
блок обработки информации позволяет измерять текущие харак-
теристики сигнала и действующее значение магнитного шума в
любой точке кривой намагничивания. Прибор укомплектован на-
кладным и проходным преобразователями.
К
На основании имеющихся публикаций можно сказать, что маг-
нитошумовая структуроскопии имеет хорошие перспективы благо-
даря высокой чувствительности метода и возможности отстройки
от многих мешающих факторов. В то же время большое количест-
во влияющих параметров не позволило пока создать прибора для
промышленного применения.
рис. 3.108. Схема про-
ходного преобразователя
при контроле методом
магнитных шумов
Рис. 3.109. Наклад-
ной преобразователь
при контроле магни-
тошумовым методом
Для определения содержания ферритной фазы непосредственно
в готовых стальных изделиях применяются ферритометры. Этот
контроль важен потому, что при слишком большом содержании
ферритной фазы снижается пластичность сталей и при механиче-
ских нагрузках появляются трещины. Увеличение ферритной фазы
Рис. 3.110. Однополюсный пре-
образователь
Рис. 3.111. Двухполюсный пре-
образователь
снижает прочность сварных соединений. Поскольку ферритная фа-
за определяет магнитную проницаемость вещества, определить ее
содержание можно, измеряя магнитную проницаемость. Для этого
используют однополюсные (рис. 3.110) и двухполюсные измери-
тельные преобразователи (рис. 3.111). Переменный магнитный по-
147
ток, создаваемый возбуждающей катушкой зависит от магнит-
ного сопротивления участка ОК, которое определяется содержа-
нием ферритной фазы. Магнитный поток наводит эдс в измери-
тельной катушке даи, по которому и оценивают содержание феррит-
Рис. 3.112. Изменение сигнала фер-
ритометра от зазора:
____ однополюсный зонд:-------двух-
полюсный зонд
пой фазы.
Магнитное сопротивление при
полосчатом образовании феррита
меньше, чем при сферическом,
из-за меньшего значения размаг-
ничивающего фактора. В резуль-
тате выходной сигнал преобразо-
вателя зависит не только от ко-
личества ферритных включений,
но и от их геометрии, поэтому
рекомендуется проводить калиб-
ровку на том материале, который
предполагается контролировать.
Основное мешающее влияние
в ферритометрии оказывают из-
менения зазора и геометрия по-
верхности (край и кривизна). Из
рис. 3.112, на котором показано
изменение сигнала в зависимости от зазора б, видно, что влияние
изменений зазора в случае однополюсного зонда больше, посколь-
ку однополюсный зонд работает в открытой магнитной цепи, а
двухполюсный — в замкнутой. Кроме того, на эту зависимость
влияет содержание феррита. При содержании феррита 63%
Рис. 3.113. Расположение преобразователя ферритомегра на поверхности
уменьшение сигнала с ростом зазора почти в два раза больше,
чем при 26%-ном. По этой же причине в случае однополюсного
зонда сильно влияние кривизны контролируемой поверхности и
резко выражен краевой эффект (рис. 3.113).
Градуировочные характеристики ферритометра показаны на
рис. 3.114, а. Из-за трудности подготовки образцов с заданным со-
148
держанием феррита калибровку приборов перед проведением из-
мерений осуществляют с помощью образцов из магнитомягкого
материала, сверху покрытых неферромагнитными прокладками,
например пластмассовыми пленками различной толщины (рис.
3.114,6). Изменение толщины пленки имитирует изменение содер-
жания ферритной фазы Fe. Достоинство такой калибровки состо-
ит в том, что здесь учитываются изменения характеристик преоб-
разователя, в частности износ стержневого сердечника.
Рис. 3.114. Калибровочная характеристика ферритометра (а) и образец для
калибровки (б)
Используя рассмотренные зонды для ферритометров, можно
проводить контроль на небольших участках деталей. Следует так-
же отметить удобство и простоту калибровки ферритометра.
Ферритометр ФМ-2 предназначен для определения содержания
ферритной фазы в хромоникелевых сталях аустенитного класса.
Принцип действия его основан на измерении относительной магнит-
ной проницаемости аустенитной стали в постоянном магнитном
поле. Объект контроля намагничивается постоянным магнитом,
а измерительным преобразователем служит феррозондовый поле-
мер. Градуировку прибора (в процентах) по объему a-фазы произ-
водят с помощью образцов с известным содержанием ферритной
фазы либо с помощью образцов (рис. 3.114).
Для контроля содержания ферритной фазы в сварных швах
служит прибор МФ-10Ф. Принцип действия основан на измерении
магнитной проницаемости ферромагнитного образца. Калибровка
прибора производится по образцам.
В настоящее время выпускается ферритометр МФ-50НЦ, пред-
назначенный для измерения содержания ферритной фазы в свар-
ных соединениях сталей аустенитного и аустенитно-ферритного
классов и рассчитанный на применение в цеховых и лабораторных
условиях.
149
Характеристики ферритометра МФ-50 НЦ
Диапазон измерения содержания а-фззы, % 0,5... 60
Погрешность измерения, %............................ ±5
Диаметр зоны контроля, мм............................ 5
Мощность потребления от батарей, мВт ... 90
Габариты, мм.................................... 180X88X47
Масса, кг.......................................... 0,45
Погрешность измерения этого прибора сведена к минимуму и
поэтому погрешность контроля, по существу, определяется погреш-
ностью аттестации контрольных образцов.
Из современных зарубежных приборов следует отметить пор-
тативный ферритометр «Ferritescope» фирмы «Н. Fischer». Он ис-
пользуется для измерения содержания остаточного феррита аусте-
нитной наплавки в сварных швах резервуаров, фланцев и труб.
Диапазон измерения 0..80% ферритной фазы. Прибор содержит
микропроцессор, выполняющий стандартную статистическую об-
работку результатов измерений, может хранить в каждом из че-
тырех запоминающих устройств результаты до 1000 измерений (по
четырем поддиапазонам значений ферритной фазы), имеет выход
для подключения принтера, автоматически отключает питание (ав-
тономное) по окончании работгл. Градуировка прибора автомати-
зирована.
Особое место в магнитном контроле занимает метод высших
гармоник постольку, поскольку сигнал здесь формируется так же,
как в вихретоковом методе, а в качестве информативных исполь-
зуются чисто магнитные величины — параметры петли гистерези-
са. Именно это и позволяет отнести этот метод к магнитным. Все
приборы, работа которых основана на методе высших гармоник,
относятся к структуроскопам, предназначенным для контроля ка-
чества термообработки ферромагнитных изделий.
Прибор КАП-1, разработанный в Институте прикладной физи-
ки АН БССР, предназначен для контроля качества термообработ-
ки ферромагнитных объектов из материалов с линейной зависи-
мостью динамической коэрцитивной силы от конкретной механиче-
ской характеристики. Линейность зависимости должна проверять-
ся экспериментально для каждой марки стали. Принцип действия
основан на измерении фазы или амплитуды второй гармоники сиг-
нала проходного преобразователя. Максимальный диаметр кон-
тролируемых объектов 90 мм.
В аналогичном приборе НЧГ-1 с накладным преобразователем,
разработанном в том же институте, контроль осуществляется по
одной из гармоник выходного сигнала преобразователя.
Более совершенны приборы, в которых используется совокуп-
ность нескольких гармоник сигнала. К ним относятся приборы
типа «Magnatest» фирмы «F. Forster» (ФРГ), в которых контроль
осуществляется как по основной, так и по высшим гармоникам.
Приборы предназначены для НК. заготовок и деталей массового
150
производства (прутки, проволока, трубы, гайки, болты и т. д.) из
ферромагнитных, неферромагнитных и аустенитных сталей. Так же
как и в других приборах, возможен контроль твердости, качества
термообработки, химического состава, ио только при известной
связи этих параметров с магнитными.
Прибор «Magnates! I» укомплектован низкочастотным преобра-
зователем па частоты 3 Гц... 1 кГц и высокочастотным преобразо-
вателем на частоты 1 ... 100 кГц. Максимальный диаметр ОК на
низких частотах — 500 мм, на высоких—100 мм. В этом приборе
проводится анализ сигнала по первой, третьей и пятой гармони-
кам. Предусмотрено включение на выходе приборов автомати-
ческих сортирующих устройств.
Последним образцом структуроскопа фирмы «F. Forster» явля-
ется прибор «Magnatest S», предназначенный для сортировки по
физико-механическим свойствам (твердость, качество термообра-
ботки, марка стали) ОК из ферромагнитных материалов на ос-
нове использования корреляции физико-механических и магнитных
характеристик. Прибор снабжен встроенным микропроцессором
для установки режима возбуждения ВТП, обработки сигнала и
управления сортирующими устройствами. Основной для этого
структуроскопа — проходной ВТП, возбуждаемый синусоидальным
током. Если контроль проводится в слабых полях, когда нелиней-
ность магнитных характеристик не сказывается, то это, по сущест-
ву, обычный вихретоковый прибор с проходным преобразователем.
Специфика магнитного контроля начинается только в сильных воз-
буждающих нолях, когда происходит насыщение материала. Ос-
новной режим контроля структуроскопом «Magnatest S» — режим
сильных полей, причем информативны искажения кривой напря-
жения ВТП или ее гармонические составляющие, зависящие от
формы кривой гистерезисного цикла.
Контроль осуществляется путем _ одновременного анализа со-
вокупности нескольких гармоник сигнала. Для этого прибор пред-
варительно «обучают» (калибруют) с помощью образцов с извест-
ными физико-механическими характеристиками с целью установ-
ления областей, соответствующих статистическому разбросу зна-
чений амплитуд гармоник сигнала для образцов в пределах груп-
пы. На рис. 3.115 показаны области в виде эллипсов на комплекс-
ной плоскости гармоник сигнала (возможно задание областей в
виде прямоугольников), куда попадают амплитуды первой и тре-
тьей гармоник для каждой из этих трех групп образцов. Объект
контроля будет отнесен к одной из этих трех групп только тогда,
когда одновременно амплитуды избранных при калибровке инфор-
мативных гармоник (в случае рис. 3.115 — первая и третья) по-
падут в соответствующие области. Можно использовать гармо-
ники и более высокого порядка, что повышает достоверность кон-
троля. В структуроскопе предусмотрена удобная индикация в виде
гистограмм либо в виде эллиптических или прямоугольных обла-
стей, соответствующих каждой группе образцов. Прибор может
быть укомплектован датчиками с диаметром проходного отвер-
ствия от 10 до 200 мм, работающими в двух диапазонах частот:
один — от 2 Гц до 1 кГц, другой — от 1 до 130 кГц. Имеются так-
же и накладные датчики. Предусмотрена возможность подклю-
чения сервисных устройств, например
Рис. 3.115. Иллюстрация сортировки об-
разцов на три группы по первой и треть-
ей гармоникам сигнала
матричного печатающего
устройства, кассетного
магнитофона, как для за-
писи результатов, так и
для ввода программ ка-
либровки и установки ре-
жимов контроля.
НПО «Спектр» совме-
стно с МЭИ разработал,
вихретоковый структуро-
скоп ВС-17П, выпускае-
мый в НПО «Волна»
(Кишинев). Принцип его
действия также состоит
в анализе гармоник сиг-
нала проходного преоб-
разователя. Основное его
отличие от существующих заключается в возможности оптимиза-
ции формы кривой возбуждающего тока с целью повышения се-
лективности путем подбора гармонического состава возбуждаю-
щего поля.
Контрольные вопросы
3.7.1. Какие свойства магнитных характеристик используются при НК твер-
дости и режима термообработки ферромагнитных объектов?
3.7.2. Влияет ли напряженность возбуждающего поля на результаты конт-
роля методом высших гармоник?
8.7.3. Опишите методику измерения коэрцитивной силы коэрцитиметром ти-
па КИФМ.
3.7.4. Назовите назначение и области применения ферритометра.
3.7.5. В чем заключается принцип действия магнитошумовых структуроско-
пов?
3.7.6. Оценить влияние изменений толщины зазора в пределах 0... 1 мм на
работу коэрцитиметра при контроле ОК из стали 45.
Р е ш е н и е
Для датчика с базой £—100 мм найдем по закону полного тока размаг-
ничивающий ток при отсутствии зазора:
/да = Н-f- 7/д/д.
Для закаленной стали 45, согласно [3], коэрцитивная сила Нс = 2160 А/м.
Напряженность поля Нл в датчике с магнитопроводом в виде набора пластин
из электротехнической стали не превышает 80 А/м. Длина силовой линии /д
магннтопровода датчика 200 мм. Тогда при да—1000 ток в датчике
152
I
2160-100-10з-f- 80-200-10..*
1000
-—232 mA.
При появлении зазора в 1 мм под каждым полюсом датчика суммарный
зазор /я —2 мм, в этом случае размагничивающий ток
/W HCL + //д/д + Я3/3.
Напряженность поля //, определяется магнитной индукцией в магпитопро-
воде датчика, для электротехнической стали равной примерно 1,2 Тл. Тогда
//3-= 1,2/и.о- 9,5-105 А/м
и размагничивающий ток
2160-100- Ю-з + 80-200- 108 4-9,5- 1Q5-2-10~з
что почти в девять раз больше размагничивающего тока в случае отсутствия
зазора.
Таким образом, изменение зазора в пределах 0... 1 мм под каждым полю-
сом датчика коэрцитиметра приводит к погрешности около 900%, т. е. делает
работу коэрцитиметра невозможной.
Глава 4
ВИХРЕТОКОВЫЙ КОНТРОЛЬ
4.1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВИХРЕТОКОВОГО НК
4.1.1. Общие сведения о вихретоковом контроле
Вихретоковый контроль основан на анализе взаимодействия
внешнего электромагнитного поля с электромагнитным полем вих-
ревых токов, наводимых в ОК этим полем. Распределение и плот-
ность вихревых токов определяются источником электромагнитно-
го поля, геометрическими и электромагнитными параметрами ОК,
а также взаимным расположением источника поля и ОК. В каче-
стве источника электромагнитного поля чаще всего используется
индуктивная катушка с синусоидальным током, называемая вих-
ретоковым преобразователем (ВТП). При наличии вблизи ОК та-
кой катушки (рис. 4.1, а) в результате действия вихревых токов
в ОК изменяются активное Як и индуктивное Хк, а следовательно,
и комплексное сопротивление ZK индуктивной катушки.
Взаимодействие индуктивной катушки с ОК можно представить
схемой воздушного трансформатора (рис. 4.1,6), параметры цепи
вторичной обмотки ZnT которого определяются эквивалентным кон-
туром вихревых токов в ОК. Как известно, воздушный трансфор-
матор можно представить схемой замещения (рис. 4.1, в), на кото-
рой — вносимое в индуктивную катушку активное сопротивле-
ние, обусловленное потерями энергии за счет нагрева ОК вихре-
выми токами; ......вносимая индуктивность, обусловленная изме-
нением потокосцепления индуктивной катушки за счет действия
вихревых токов. Поскольку потокосцепление ф из-за действия вих-
ревых токов изменяется, индуктивность катушки при наличии
вблизи нее электропроводящего ОК также изменится, так как
L —ф/i. Параметры и L,m зависят от плотности и распределе-
ния вихревых токов в ОК. Таким образом, определяя изменения
активного и индуктивного сопротивления такого ВТП, можно су-
дить о геометрических и электромагнитных параметрах ОК- Од-
нокатушечный ВТП, по параметрам которого судят о качестве ОК,
называют параметрическим.
Кроме параметрических ВТП в вихретоковом НК очень часто
используют двухкатушечные ВТП (рис. 4.2), одна катушка кото-
рых— возбуждающая — служит для создания электромагнитного
154
поля, а следовательно, вихревых токов в ОК, а другая (измери-
тельная)— для измерения эдс, наводимой в ней результирующим
магнитным потоком, проходящим внутри этой катушки. Нетруд-
но понять, что амплитуда и фаза эдс при синусоидальном токе в
катущна
а)
Рис. 4.1. Индуктивная катушка над проводящими ОК (а), схема воздушного
трансформатора, имитирующего ВТП (6), и схема замещения воздушного
трансформатора (в)
Рис. 4.2. Трансформаторный ВТП
над ОК
измерительной катушке будут зависеть от параметров ОК. Такой
ВТП называют трансформаторным, так как измерительная катуш-
ка в нем играет роль вторичной обмотки трансформатора.
Эдс (или сопротивление) ВТП зависит от многих параметров
ОК, а также от взаимного расположения ВТП и ОК, т. е. инфор-
ция, получаемая от преобразова-
теля, многопараметровая. Это оп-
ределяет как преимущества, так
и трудности реализации вихрето-
кового контроля. С одной сторо-
ны, он позволяет осуществлять
многопараметровый контроль.
С другой сторон ы, пр и ходится
использовать различные способы
разделения влияния контроли-
руемых параметров и подавле-
ния влияния мешающих контро-
лю факторов для того, чтобы
осуществлять селективный (раз-
дельный) контроль параметров.
Достоинством вихретокового к
можно проводить при отсутствии
этому его часто называют бесконтактным. Благодаря этому вих-
ретоковый контроль можно осуществлять при движении ОК от-
носительно ВТП, причем скорость этого движения при производ-
ственном контроле может быть значительной, что обеспечивает
онтроля является и то, что его
контакта между ВТП и ОК, по-
155
высокую производительность контроля. Получение первичной ин-
формации в виде электрических сигналов, отсутствие контакта и
высокая производительность определяют широкие возможности
автоматизации вихретокового контроля.
Дополнительным преимуществом вихретокового контроля явля-
ется то, что на сигналы ВТП практически не влияют влажность,
давление и загрязненность газовой среды, радиоактивные излуче-
ния, загрязнения поверхности ОК непроводящими веществами,
а также простота конструкции ВТП. В большинстве случаев ка-
тушки ВТП помещают в предохранительный корпус, они устойчи-
вы к механическим и атмосферным воздействиям и представляют
весьма надежные первичные преобразователи.
Так как вихревые токи возникают только в электропроводящих
материалах, то объектами вихретокового контроля могут быть из-
делия, изготовленные из металлов, сплавов, графита, полупровод-
ников и других электропроводящих материалов.
Этот вид контроля начал применяться еще в прошлом веке.
Как известно, вихревые токи были открыты в 1825 г. французским
физиком Д. Ф. Араго и исследованы его учеником Л. Фуко.
В 1831 г. английский ученый М. Фарадей объяснил причину воз-
никновения вихревых токов, открыв явление электромагнитной
индукции. В 1879 г. англичанин Хьюз, по-видимому, впервые при-
менил вихревые токи для НК: он разработал устройство с транс-
форматорным ВТП для сравнения параметров металлических объ-
ектов. В 20, 30, 40-е годы нашего столетия был разработан ряд
приборов и установок для вихретокового контроля металлических
изделий. В послевоенные годы началось широкое применение вих-
ретокового контроля в промышленности, энергетике, на транспорте,
в авиационной и космической технике, Начиная с 50-х годов стала
бурно развиваться теория электромагнитного контроля благодаря
работам таких ученых, как Ф. Фёрстер, А. Б. Сапожников, М. Н.
Михеев, Н. М. Родигин, Н. Н. Зацепин, В. В. Клюев, А. Л. Доро-
феев, Ю. М. Шкарлет, В. Е. Щербинин, Ю. К- Федосенко и др.
В настоящее время вихретоковые приборы и установки широко
используются для обнаружения и определения параметров дефек-
тов— несплошностей материалов (дефектоскопия и дефектомет-
рия), контроля размеров ОК и параметров вибраций (толщино-
метрия и виброметрия), определения физико-механических пара-
метров и структурного состояния (структуроскопия), обнаружения
электропроводящих объектов (металлоискатели) и для других це-
лей, Объектами вихретокового контроля могут быть электропро-
водящие прутки, проволока, трубы, листы, пластины, покрытия, в
том числе многослойные, железнодорожные рельсы, корпуса атом-
ных реакторов, шарики и ролики подшипников, крепежные детали
и многие другие промышленные изделия.
Дефектоскопы предназначены для обнаружения различных тре-
щин, расслоений, закатов, раковин, металлических включений
156
и т. д. Толщиномеры применяют для контроля толщины электро-
проводящих листов, пленок, пластин, покрытий на них, стенок
труб, цилиндрических и сферических баллонов. С помощью струк-
туроскопов контролируют химический состав, структуру металлов
и сплавов, механические напряжения, качество термической и
химико-термической обработки деталей, состояние поверхностных
слоев ОК. Металлоискатели могут служить для обнаружения ме-
таллических и других электропроводящих объектов в грунте, в теле
человека, продуктах питания, древесине, багаже пассажиров и т.д.
Приборы этого вида в книге не рассматриваются.
4.1.2. Классификация вихретоковых преобразователей
В настоящее время разработано большое количество типов и
разновидностей ВТП. Для более правильного нх использования
целесообразно знать их классификацию (рис. 4.3). Можно пред-
ложить несколько различных классификационных признаков.
Прежде всего по типу преобразования параметров ОК в выходной
сигнал ВТП подразделяются на параметрииескш: и трансформатор-
ные. Преимущество параметрических ВТП заключается в их про-
стоте, а недостаток, который значительно слабее выражен в транс-
форматорных ВТП,— в зависимости выходного сигнала от темпе-
ратуры преобразователя. По способу соединения катушек (обмо-
ток) ВТП делят на абсолютные и дифференциальные. Абсолютным
называют ВТП (рис. 4.4, а), выходной сигнал которого определя-
ется абсолютными значениями параметров ОК в зоне контроля.
Дифференциальным ВТП принято называть, по существу, совокуп-
ность двух ВТП, обмотки которых соединены таким образом (рис.
4.4, б), что выходной сигнал определяется разностью параметров
ОК соответствующих зон контроля.
157
V 5
Рис. 4.4. Абсолютный (а)
и дифференциальный (б)
трансформаторный ВТП:
/ — возбуждающие обмотки;
2 — измерительные обмотки;
3 — объект контроля
В зависимости от расположения ВТП по отношению к объекту
контроля их делят на проходные, накладные и комбинированные.
Проходные ВТП обычно делят на наружные, внутренние, по-
гружные и экранные. На рис. 4.5 показаны разновидности транс-
форматорных наружных проходных ВТП. Основной особенностью
их является то, что катушки ВТП
охватывают ОК- На рис. 4.5 и далее
обозначено: 1 — возбуждающая ка-
тушка, 2—измерительная катушка
(обмотка), 3— объект контроля. Ка-
тушки внутренних проходных ВТП
вводят внутрь ОК (рис. 4.6), чаще
всего они служат для контроля труб.
Погружные ВТП используют для
контроля жидких электропроводящих
сред, их катушки помещают в контро-
лируемую среду (рис. 4.7). В экран-
ных проходных ВТП возбуждающие
и измерительные катушки располага-
ют по разные стороны ОК. На рис.
4.8 показаны экранные проходные
ВТП двух типов. Совершенно очевидна, что наружными, внутрен-
ними и погружными могут быть как параметрические, так и
трансформаторные ВТП, а экранными.....только трансформатор-
ные. К проходным могут быть отнесены и так называемые «ще-
левые» ВТП (рис. 4.9) с магнитопроводом 4, охватывающий ОК.
Рис. 4.5. Проходные наружные ВТП
Накладные ВТП (рис. 4.10) располагают вблизи поверхности
ОК, они имеют одну или несколько обмоток. Их оси обычно рас-
полагают нормально поверхности ОК, т. е. их прикладывают тор-
цом к ОК. Однако возможно продольное расположение накладных
ВТП, когда оси катушек направлены вдоль поверхности ОК (про-
дольные накладные ВТП). Накладные ВТП обладают значительно
большими возможностями для контроля, чем проходные. Они по-
зволяют контролировать геометрические и электромагнитные па-
раметры ОК сложной формы. Катушки накладных ВТП могут
быть круглыми коаксиальными (рис. 4.10, а), прямоугольными
158
(рис. 4.10,6), прямоугольными крестообразными (рис. 4.10, в), с
взаимно перпендикулярными осями (рис. 4.10, г) и др. Накладные
ВТП, так же как и проходные, могут быть экранными, когда воз-
буждающие и измерительные катушки располагаются по разные
стороны ОК, например контролируемого листа (рис. 4.10,6).
Рис. 4.6. Проходные внутренние ВТП Рис. 4.7. Погруж-
ные ВТП
Накладные ВТП выполняют с ферромагнитными сердечниками
и без них. Благодаря ферромагнитному сердечнику (обычно фер-
ритовому) повышается чувствительность (абсолютная) к измене-
нию контролируемых параметров и формируется электромагнитное
поле заданной топологии. На рис. 10, е -и приведены разновидно-
сти накладных ВТП с ферромагнитными сердечниками. Очень ча-
сто сердечники используют для локализации магнитного поля с
Рис. 4.8.,Экранные проходные ВТП
Рис. 4.9. Щелевые ВТП
целью уменьшения зоны контроля. В накладных ВТП локализация
магнитного поля осуществляется благодаря тому, что в воздушный
зазор магнитопровода 4 вставляется концентратор 5 в виде мед-
ной пластинки, в которой концентрируются вихревые токи, вытес-
няющие магнитное поле в зону контроля (рис. 4.11,а), использу-
ются магнитопроводы специальной формы (рис. 4.11,6, в), отвер-
стия в неферромагнитном электропроводящем экране 4 (рис.
159
4.11, г) или короткозамкнутый ниток 5 на магнитопроводе 4 (рис.
4.11,д). К специальным типам относятся ВТП в виде линейно про-
тяженных витков или рамок, которые можно условно назвать ли-
нейными (рис. 4.12).
Л-4 А-А А-А
Рис. 4.10. Накладные ВТП с круглым» (о), с прямоугольными (б), крестооб-
разными (а) катушками, со взаимно перпендикулярными осями катушек (г);
накладной экранный ВТП (<)) и накладные ВТП с ферромагнитными сердеч-
никами (е- и)
Комбинированные ВТП (рис. 4.13) представляют комбинацию
проходных возбуждающих катушек 1 и накладных измерительных
катушек 2.
Рис. 4.11. Накладные локальные ВТП
С помощью наружных проходных ВТП контролируют линейно
протяженные объекты (проволоку, прутки, трубы и т. п.), осуще-
ствляют массовый контроль мелких изделий. С помощью внутрен-
160
них проходных ВТП контролируют внутренние поверхности труб,
баллонов, а также стенки отверстий в различных деталях.
Погружные ВТП применяют для контроля жидких сред, экран-
ные проходные — для контроля труб, щелевые — для контроля
проволоки. Для ослабления влияния радиальных перемещений ОК
на сигналы ВТП магнитопровод экранируют вблизи щели с целью
повышения однородности магнитного поля в ней. С помощью про-
ходных ВТП получают интегральную оценку контролируемых па-
раметров по периметру объекта, поэтому они обладают меньшей
чувствительностью к небольшим (локальным) изменениям его
свойств.
Рис. 4.12. Линейные ВТП
возбуждающей катушкой в виде со-
леноида («) и с возбуждающими
катушками в виде колец Гельмголь-
ца (б)
Накладными ВТП контролируют в основном объекты с плоски-
ми поверхностями и объекты сложной формы. Они применяются
также, когда требуется обеспечить локальность и высокую чувст-
вительность контроля. Продольные накладные ВТП можно исполь-
зовать для контроля расслоений изделий с покрытиями или других
многослойных изделий. Экранные накладные ВТП можно приме-
нять при контроле листов, пластин, лент и других изделий, к ко-
торым возможен двусторонний доступ. Применение этих ВТП, как
будет показано при их анализе, позволяет практически исключить
влияние смещений ОК относительно возбуждающей и измеритель-
ной катушек.
Накладные ВТП с взаимно перпендикулярными катушками
(рис. 4.10, г) нечувствительны к изменению электромагнитных
параметров однородных ОК- При нарушении однородности ОК,
например при появлении трещин, на выходе ВТП возникает сиг-
нал.
Аналогично работают и комбинированные ВТП, которые также
могут применяться для дефектоскопии. Их недостаток заключается
6—1332 161
в сильном влиянии перекосов осей проходных и накладных кату-
шек ВТП относительно поверхности ОК-
ВТП специальной конструкции [13] применяют для контроля
пространственного положения изделий, измерения параметров виб-
раций, скорости движения объектов контроля, угловых и линейных
смещений контролируемых изделий.
Приведенная классификация вихретоковых преобразователей
далеко не полностью характеризует широкие возможности контро-
ля с их помощью различных геометрических и электромагнитных
параметров ОК, а также обнаружения различных дефектов и оп-
ределения их параметров.
Контрольные вопросы
4.1.1. Чем определяются вносимые составляющие сопротивления вихретоко-
вого преобразователя?
4.1.2. В чем основные преимущества вихретокового НК по сравнению с дру-
гими видами контроля?
4.1.3. Чем отличаются абсолютные и дифференциальные ВТП?
4.1.4. Каковы функции ферромагнитных сердечников в ВТП?
4.1.5. Что такое концентратор в зазоре магнитопровода ВТП и для чего
он нужен?
4.1.6. Существуют ли ограничения на применение экранных ВТП?
4.1.7. Назовите области применения накладных н проходных ВТП.
4.1 ВИХРЕТОКОВЫЙ КОНТРОЛЬ с помощью
ПРОХОДНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
4.2.1. Контроль цилиндрических объектов
наружными проходными ВТП с однородным полем
Размеры и электромагнитные параметры протяженных цилинд-
рических объектов кругового сечения, как однородных, так и мно-
гослойных, целесообразно контролировать с помощью проходных
преобразователей с однородным магнитным полем в зоне контро-
ля. Однородное магнитное воле создается двумя способами. Чаще
всего для этого используют цилиндрическую возбуждающую ка-
тушку (см. рис. 4.5, а) с отношением длины к диаметру 2/?п,
равным или большим четырем. Длина L» измерительной катушки,
размещаемой посредине возбуждающей катушки, должна быть
значительно меньше длины Ln. Иногда однородное магнитное поле
ВТП получают, используя две короткие возбуждающие катушки,
выполненные в виде колец Гельмгольца (см. рис. 4.5, а), расстоя-
ние а между которыми равно их радиусу Rn. Диаметр короткой
измерительной катушки, расположенной посредине, значительно
меньше диаметра возбуждающих катушек.
Для определения оптимальных условий контроля кругового од-
нородного цилиндра радиуса R с помощью наружного проходного
ВТП, имеющего длинную возбуждающую катушку радиуса R* и
162
создающего однородное переменное магнитное поле в зоне контро-
ля, напряженность которого.изменяется по синусоидальному зако-
ну H(t) =Hesm at (рис. 4.14), необходимо знать зависимость эдс
Е измерительной катушки ВТП от параметров контролируемого
цилиндра. С этой целью находят или распределение напряженно-
сти магнитного поля Н и вычисляют магнитный поток Ф внутри
цилиндра, или векторный потенциал А
в месте расположения витков измери-
тельной катушки. Магнитный поток
внутри цилиндра определяется по фор-
муле Ф = J J u.JI -dS, где |1а — абсо-
Рис. 4.14. Круговой цилиндр
в проходном ВТП
лютная магнитная проницаемость
риала цилиндра; S — площадь его
речного сечения.
В первом случае эдс измерительной катушки на основе закона
электромагнитной индукции
е(/)~ —-------
dr
мате-
попе-
(4.1)
где — количество витков измерительной катушки; Ф — магнит-
ный поток, проходящий через эту катушку.
Для синусоидального магнитного потока Ф(/)=Фтп5Ш
комплексная амплитуда эдс
(4.2)
•
где Ф,„ = ф„,г , ф® — начальная фаза магнитного потока.
Во втором случае комплексная амплитуда эдс определяется
через векторный потенциал А:
A„,dl. (4.3)
I
Если круговая измерительная катушка радиусом R» расположена
коаксиально с круговым цилиндром, то
Ёт= (4.4)
где I—2nR» — длина контура измерительной обмотки; Ат— комп-
лексная амплитуда векторного потенциала. Индекс т часто опу-
скают, так как можно пользоваться не только комплексными ам-
плитудами, но и комплексными действующими значениями
Е—EJV2. Поэтому (4.4) можно записать в виде
(4.4Z)
или для напряжения
й=—Е2j(4.4")
6*
163
Для параметрических проходных ВТП комплексное сопротив-
ление можно определить по формуле
(4.4'")
Если параметры ниц, контролируемого цилиндра постоянные,
а возбуждающее в нем вихревые токи электромагнитное поле мо-
нохроматическое, то в соответствии с (1.31) и (1.32) электромаг-
нитное поле внутри цилиндра, где отсутствуют сторонние токи,
описывается однородными уравнениями Гельмгольца
у-’Н : FH 0, (4.5)
у2АЦ-А2А = 0, (4.6)
где k_—V — jwp.a. Заметим, что k= I к2 | =У2 /8, где б — глубина
проникновения плоской электромагнитной волны в проводник.
Считая контролируемый цилиндр бесконечно длинным (иа
практике он значительно длиннее возбуждающей катушки), урав-
нения (4.5) и (4.6) в цилиндрических координатах г, <р и z можно
представить уравнениями Бесселя:
------1---------4-й2/7=О, (4.7)
dr> ’ r dr 1 -
Ай. I аА I \д.„.о (4 8)
dr2 г Аг \ I
Для рассматриваемого случая, когда круговые возбуждающая
катушка и контролируемый цилиндр коаксиальны, напряженность
магнитного поля Н имеет осевую (Н=Йге2=Йе,), а векторный
потенциал А — угловую (А—4феф=Леф) составляющие, каждая
из которых зависит только от г. В пространстве между возбуж-
дающей катушкой и контролируемым цилиндром (при R < г <
<Йв)Й—На, так как магнитное поле ослабляется из-за действия
вихревых токов только внутри цилиндра. Вне длинной возбуждаю-
щей катушки (г>/?,)Й=0.
Решение уравнений (4.7) и (4.8) получают, используя гранич-
ные условия (1.37) и (1.40) для Й и А на поверхности контроли-
руемого цилиндра:
Я=А0/0(М/[/0(4/?)], (4.9)
А=н-аЛ?оГ1(*г)/[Л/о(*Л?)1, (4.10)
где /0 и /1 — модифицированные функции Бесселя первого рода
соответственно нулевого и первого порядков.
164
Плотность вихревых токов в цилиндре
J = — 1шаА= — ]оираА/0 — —
- 0 /О(Х)
(4-11)
Рис. 4.15. Распределение
модулей относительной на-
пряженности магнитного по-
ля (а) и плотности вихре-
вых токов (б) в круговом
цилиндре
где *_=№ — обобщенный параметр контролируемого цилиндра.
На рис. 4.15 приведены графики распределения модулей отно-
сительной напряженности магнитного поля Я» = /7/Яо и относи-
тельной плотности вихревых токов/. = ///(,, где Jo= kHa Z‘ I —
I ~ /o(£)I
модуль плотности вихревых токов на
Поверхности цилиндра. Уменьшение
напряженности магнитного поля во
внутренних слоях цилиндра обуслов-
лено скин-эффектом. В соответствии
с законом Ленца вторичное магнит-
ное поле, создаваемое вихревыми то-
ками, ослабляет первичное магнитное
поле, причем во внутренних слоях ци-
линдра вторичное магнитное поле соз-
дается практически всеми вихревыми
токами цилиндра, поэтому оно боль-
ше, чем в поверхностных слоях, где
оно создается только токами более
внешних слоев. Уменьшение плотности
вихревых токов J во внутренних
слоях цилиндра обусловлено умень-
шением Н. Степень уменьшения Н и
J зависит от модуля обобщенного па-
раметра х— р/?|; с ростом х они
уменьшаются быстрее.
Заметим, что обобщенный параметр
X = kli = /\ I«>уат связан
с глубиной проникновения 8=У 2/(ш|1,а) плоской электромагнит-^
ной волны в электропроводящую среду соотношением - 2 /8
или 1/х-=:&/(/?[''2 ). Это объясняется тем, что в отличие от плоской
волны при распространении цилиндрической волны ее фронт ис-
кажается, волна как бы «стягивается» к оси цилиндра, проникая
глубже, чем плоская волна в полупространстве при одинаковых
значениях параметра k.
Из рис. 4.15, б следует, что плотность вихревых токов на оси
цилиндра равна нулю независимо от значения х. Таким образом,
вихретоковые методы эффективны для контроля поверхностных
слоев объектов.
Чтобы определить эдс измерительной катушки по формуле
(4.4'), необходимо знать значения векторного потенциала Ли при
г=Ди. Для этого используем соотношение го1Ли=роЙо, справед-
165
ливое при R<R,,<RC, которое в цилиндрических координатах име-
ет вид
<1Д(1/11г + Ла/г=р1)//0. (4.12)
Решение этого уравнения:
РоНо /1(Х)
Л=^_г—0-^)
Подставляя (4.12') в (4.4'), получаем
Е= — jJT<«W„(J-0//0| —(4.13)
L ?'о(£) J
При отсутствии электропроводящего цилиндра внутри проход-
ного ВТП эдс измерительной обмотки, называемая начальной,
Ё^== -w„ -—== s,nR\. (4.14)
В практике вихретокового контроля наибольший интерес пред-
ставляет относительное напряжение измерительной обмотки
Ut= — Ё,—------—— =jl 1— ц-р7111о-t (4.15)
£» I £ '«(-I) I
где г]=(/?//?и)2—коэффициент заполнения, равный отношению
площади поперечного сечения контролируемого цилиндра к пло-
щади, охватываемой контуром измерительной обмотки, если ее
радиус меньше радиуса возбуждающей катушки. Заметим, что при
размещении измерительной обмотки вне возбуждающей катушки,
т. е. при /?„>/?,, т|= (Л//?в)2, поскольку вне возбуждающей катуш-
ки Н—0. Таким образом,
__ ((R/R»)2 при , j 10,
I (R/RJ2 при А'.,
В случае неферромагнитного цилиндра уменьшение магнитного
потока за счет вихревых токов принято характеризовать эффек-
тивной магнитной проницаемостью - - безразмерной комплексной
величиной
где Фц—магнитный поток, пронизывающий цилиндр при данном
значении л'=А’)/Г — ]о>11(1з ; Фо — магнитный поток через то же се-
чение при отсутствии цилиндра.
Подставляя выражение imh в (4.15), получаем
= ^4 +4№Ф11. (4-18)
166
Таблица 4.1
Значения действительной и мнимой частей цЭф1
X НсЕиэф11-Ю6 ~1т[цэф,]-Ю» х । Ке[Цэф11- 10й —1т[ц,ф1]-10в
од 999 998 002 500 4,4 323 149 269 3'17
0,2 999 967 005 000 4.5 315819 264 202
0,3 999 831 011 247 4,6 308 856 259 901
0,4 999 467 019 985 4,7 302 227 254 602
0,5 998 700 031 194 4,8 295 90! 250 093
0,6 997 ЗЮ 044 834 4,9 289 852 245 762
0,7 995 033 060 832
0,8 991 567 079 073 5,0 284 056 241 598
0,9 986 592 099 384 5,2 273 148 233 726
5,4 263 050 226 397
1,0 979 767 121 523 5.6 253 661 219 540
1,1 970 768 145 172 5.8 244 904 213 100
1,2 959 304 169 931 6,0 236 715 207 030
1.3 945 146 195 324 6.2 229042 201 292
1,4 928 154 220 813 6.4 221 841 195 855
1.5 908 299 245819 6,6 2.15071 190 695
1,6 885 679 269 756 6,8 208 698 185 790
1,7 860 523 292 068
1,8 833 179 312 269 7,0 202 690 181 122
1,9 804 093 329 967 7,2 197017 176 675
7,4 191 655 172 434
2,0 773 777 344 896 7.6 .186 577 168 386
2,1 742 769 356 920 7,8 181 763 164 520
2,2 711 598 366 035 8,0 177 193 160 824
2,3 680 751 372 347 8,2 172 848 157 287
2,4 650 648 376 057 8,4 168 713 153 901
2,5 621 629 377 429 8,6 164 771 150 655
2,6 593 948 376 766 8,8 161 011 147 542
2,7 567 778 374 385
2,8 5-13 216 370 599 9.0 157419 144 554
2,9 520 298 365 703 9,2 153 984 141 683
9,4 150 696 138 923
3,0 . 499 010 359 963 9.6 147 546 136 268
3,1 479 299 353 612 9,8 144 525 133 7Г1
3,2 461 087 345 849 10,0 141 625 131 248
3,3 444 276 339 840 12,0 117 967 110 806
3,4 428 762 332 720 14,0 101 087 095 849
3,5 414 437 325 594 16,0 088 436 084 439
3.6 401 192 3! 8 544 18,0 078 600 075 451
3.7 388 923 311 632 20,0 070 734 068 189
3,8 377 534 304 901 30,0 047 140 046 029
3,9 366 933 298 380 40,0 035 355 034 730
50,0 028 284 027 884
4,0 357 039 292 090 80,0 017 678 017521
4,1 347 776 286 038 100,0 014 142 014 042
4,2 339 078 280 227 200,0 007 071 007 046
4,3 330 887 274 655
167
причем для т]= 1,0, т. е. при — а для неферромаг-
нитных цилиндров (р,г— 1) О—]цЭф1. Значения действительной и
мнимой частей ц»Ф1 Для различных х приведены в табл. 4.1, а гра-
фик р.эф1 (№—j?2wpoo)—на рис. 4.16.
На рис. 4.17 приведены годографы (годограф — геометрическое
место концов векторов) относительного напряжения £7*(х2) наруж-
ного проходного ВТП для проводящего немагнитного цилиндра
Рис. 4.16. Зависи-
мость ц,ф1 от обоб-
щенного параметра
х2
Рис. 4.17. Годографы
относительного на-
пряжения О,(х2) на-
ружного проходного
ВТП при контроле
кругового неферро-
магнитного цилиндра
(щ=1)
(|1г=1) при >1 = 0,5; 0,75; 1,0 и о»шеа, т. е. когда плотность вих-
ревых токов значительно больше плотности токов смещения. Ос-
новной годограф (при л=1) отличается от приведенного на
рис. 4.16 лишь множителем j: О,=jр-афi Он показывает зависи-
мость О, от о при /?=const, так как л'2=/^2<»|10о. Из (4.18) для
р,= 1 следует, что
11..т)(1-!М1. (4-18')
т. е. годографы (7, (г|)—это прямые линии (тонкие сплошные на
рис. 4.17). При изменении радиуса контролируемого цилиндра R
изменяются значения коэффициента заполнения т| и обобщенного
параметра х, а следовательно, |ц>ф|, поэтому годографы 0„{R) не-
прямолипейны (штриховые линии на рис. 4.17).
Из рис. 4.17 следует, что при изменении параметров R я а кон-
тролируемого цилиндра годографы б',(/<) и !7.(о) имеют различ-
ив
Иые направления. Как будет показано дальше (см. § 4.6), это
позволяет раздельно контролировать указанные параметры ци-
линдра. Наилучшие условия раздельного контроля К и о сущест-
вуют тогда, когда углы между годографами О. (R) | a=const И
tj, (о) | B=c(„lsi стремятся к я/2. При х-^-оо эти углы стремятся к
л(4. Угол между годографами U, (R) | „„„const и О. (о) |n=Const при
х-х0 стремится к пулю.
Особенность контроля ферромагнитных объектов состоит в
сильном влиянии магнитных свойств объекта на годографы сиг-
налов ВТП. С одной стороны, изменения магнитных свойств ока-
зывают сильное мешающее влияние, затрудняя использование вих-
ретоковых приборов, а с другой — именно благодаря их изменению
возможен контроль таких свойств, как твердость, механические на-
пряжения, степень усталостного повреждения. Условия контроля
ферромагнитных объектов отличаются от условий контроля нефер-
ромагиитных также и тем, что годографы сигналов ВТП су-
щественно зависят от напряженности поля возбуждения. Нелиней-
ность магнитных характеристик материалов ОК позволяет в каче-
стве информативных параметров сигнала ВТП использовать выс-
шие гармоники напряжения ВТП.
Не рассматривая здесь метод контроля с использованием выс-
ших гармоник, которому посвящена специальная литература, огра-
ничимся анализом годографов сигналов ВТП в предположении
линейности магнитных характеристик материала ОК, т. е. в пред-
положении |ir==const. Тогда очевидно, что абсолютная магнитная
проницаемость материала цилиндра |ia=const и при условии
(1— п)<с |гцо|1>ф|| зависимости 0 (х) ^т|Ц41,ф| имеют вид, показан-
ный на рис. 448, а, из которого видно, что при х->-0 напряжение
И» в |1г раз больше, чем при цг=1. Это объясняется тем, что маг-
нитный поток в ферромагнитном протяженном цилиндре, располо-
женном в однородном магнитном поле, в цг раз больше, чем в пе-
ферромагнитном. При х>() напряжение U. уменьшается в резуль-
тате действия вихревых токов и при х-ъоо
Из рис. 4.18, а видно, что направления изменения б/, на комп-
лексной плоскости при изменении R и совпадают. Исходя из
этого были сделаны неправильные выводы о невозможности раз-
дельного контроля R и |1г. Более тщательный анализ, проведенный
авторами, показал, что при больших значениях х слагаемые 1—т)
и |гщтр3ф|| в (4.18) соизмеримы, а выводы, сделанные из рис.
4.18,а, неправомерны.
Годографы О, (х), вычисленные по формуле (4.18) и построен-
ные в логарифмическом масштабе для различных значений |ir и
Т|, приведены иа рис. 4.18,6, где сплошными линиями изображено
семейство кривых, соответствующих ц=1 и различным значениям
рт. При больших значениях х кривые сливаются в одну прямую,
выходящую из начала координат под углом 45°. Штрихпунктир-
16»
ные кривые соответствуют цг= 100 и различным значениям tp
Штриховые линии, проведенные из точек, соответствующих не-
скольким значениям х на основной кривой (ц,= 100 и -q—1)>
представляют годографы и (7*(pr), направления которых
при малых значениях х практически совпадают. Но по мере уве-
личения х, что соответствует росту частоты тока возбуждения ВТП
а)
Рис. 4.18. Годографы относительного напряжения (Л наружного проходного
ВТП при изменении параметров ферромагнитного цилиндра для I— т|<
«С(ПРг|1.ф|) (а) и годографы, построенные по формуле (4.18) в логарифмиче-
ском масштабе (б)
при заданных параметрах цилиндра, угол ф между указанными
годографами возрастает, достигая 90° при определенном значении
х (см.: Герасимов В. Г. Электромагнитный контроль однослойных
и многослойных изделий.— М.: Энергия, 1972). Это свидетельствует
о возможности раздельного контроля диаметра и магнитной про-
ницаемости ферромагнитных цилиндров.
В практике вихретокового контроля начальное напряжение
?7о™—£'о обычно компенсируют, поэтому чаще интересуются от-
носительным вносимым напряжением возникающим при вне-
сении контролируемого цилиндра в наружный проходной ВТП:
И-19)
На рис. 4.19 приведены графики зависимости U ян* Ь) и <р=
= arg£7BII* (х) для неферромагнитных цилиндров. Относительное
170
вносимое напряжение UJtn* с увеличением х возрастает от нуля до
единицы.
Годографы Г711П* отличаются от годографов 17*, приведенных на
рис. 4.17, тем, что они располагаются не
квадранте комплексной плоскости, при-
чем при х~=~0 U* — \, LW = 0, а при
Х-->оо (/*—>•(), [70ц* = —j.
Чтобы создать оптимальные условия
(режимы) для контроля какого-либо па-
раметра цилиндрических объектов, не-
обходимо знать чувствительность про-
ходного ВТП к этому параметру. В тео-
рии вихретокового контроля оперируют
понятием относительной комплексной
чувствительности ВТП к контролируе-
мому параметру р:
S„, =dUtidp* р0, (4.20)
где р*-~~р1р$, ро — номинальное значение
параметра р.
Выражения для относительной комп-
лексной чувствительности наружного
проходного ВТП к изменениям R, и и
рг однородного кругового цилиндра при
условии ®р.а<Со имеют вид [13]
/ 1 аД \
R* j I ~ ........... Раф! )»
\ Нг 4 - и ]
в первом, а в четвертом
Рис. 4.19. Зависимость
модуля и аргумента
17в„* от обобщенного па-
раметра х для немагнит-
ных цилиндров
(4.21)
У* == Ж (1 Жн ~Уф1);
(4.22)
SИ Ц: j "ПР*Л I 1
Г2
(4.23)
На рис. 4.20, а—в приведены годографы относительной комп-
лексной чувствительности наружного проходного ВТП для т| = 1
к изменению радиуса R, удельной электрической проводимости о
при рг=1 и магнитной проницаемости цг при рг=10 кругового
цилиндра. Направление векторов SR*> и S(I* соответствует на-
правлению касательных к соответствующим годографам рис. 4.17
для рассматриваемых значений х. На рис. 4.20 показаны векторы
5л*, и S|t* для х~~-4. Модули векторов рис. 4.20 пропорцио-
нальны приращениям Д(7*, обусловленным изменением контроли-
руемого параметра Д/?*, До* или Дц*.
171
На рис. 4.20, г показаны зависимости модулей относительной
чувствительности Зя«, Зо. и SB. от х2 при тех же значениях г] и
Иг, что и годографы рис. 4.20, а—в.
Из рис. 4.20 видно, что с ростом х чувствительность Зя. растет,
стремясь к значению Зя.=2; Зв. уменьшается до нуля при х->со;
Sa. вначале возрастает от нуля до 3<,.=0,35 при х~2,5(х2~6,25),
а затем уменьшается, стремясь к нулю при х->-оо.
Рис. 4.20. Годографы чувствительности наружного проходного ВТП к измене-
ниям радиуса (а), удельной электрической проводимости (б) и магнитной про-
ницаемости (в) кругового цилиндра; зависимости модулей чувствительности на-
ружного проходного ВТП к изменению параметров кругового цилиндра (с)
Таким образом, наилучшие условия для контроля радиуса ци-
линдра соответствуют большим значениям х; для контроля маг-
нитной проницаемости — малым значениям х; а для контроля
удельной электрической проводимости — значению №2,5,
По приведенным на рис. 4.20 зависимостям легко рассчитать
приращения выходного напряжения наружного проходного ВТП
при заданном изменении контролируемого параметра кругового
цилиндра. Если, например, удельная электрическая проводимость
о неферромагнитного цилиндра изменится на 1%, то при х=2,5
и т]=1 изменение относительного напряжения U. составит 0,35%.
172
Нели начальное напряжение равно, например, 1 В, то приращение
выходного напряжения при этом составит 3,5 мВ.
Если величина <оеа соизмерима с о, а р.г=1, то выражения для
относительной комплексной чувствительности внешнего проход-
ного ВТП имеют такой вид:
Л2
— jTJ—— Р’ф1, (4.24)
f \ 1
-----1+)м,,/а'- И-25)
(4.26)
С помощью формул (4.21)...(4.26) можно рассчитать прираще-
ния напряжения ВТП, обусловленные изменением контролируемо-
го или мешающего параметра:
kUb’SnS^pIpa. (4.27)
В (4.27) предполагается, что Sp.= const, что справедливо толь-
ко для малых Др(Др/р0«1).
Если в наружном проходном ВТП с однородным магнитным по-
лем находится труба (из проводящего материала), то относитель-
ное вносимое напряжение определяется также формулой (4.19),
только выражение для в этом случае более сложное:
•?21
2 5а)+ f22)
Р>фЯ = — -------—-----------~~-------------> И-28)
—22 —21
£22) + "^“ Г00(^2Ь f22) '
где
Fи(-21’ 1(^21)^ 1(^22) А(£20^А(£22);
Л)) (*2И ^*22)" А о (^21) А (^22) Ч- А(^21) (^22)j
^*10 Х.22|—Kj (*21) А(*22) + А (^21) А0(^22);
F00 (£2Р ^22) =^’о(^21) А (-^22) А (*21) *0 (^22);
Ki и Ко—модифицированные цилиндрические функции второго
рода соответственно первого и нулевого порядка; Х21 — k2Rr,
x22~k2R2; k2—]/~ — l«!p0VT2a2^ и Цг2~удельная электрическая
проводимость и относительная магнитная проницаемость стенки
173
трубы; 7<| и /?2-—соответственно внутренний и внешний радиусы
трубы.
На рис. 4.21 приведены рассчитанные по формулам (4.19) и
(4.28) годографы (7Вн* для неферромагнитной трубы (ро2 = 1К
Штриховые кривые соответствуют изменениям (7ЯН* при из-
менении а для данной толщины стенки трубы, т. е. для опреде-
0 0,1 0,2 0,5
Imus»»
Рис. 4.21. Годографы относительного
вносимого напряжения наружного
проходного ВТП при изменении па-
раметров неферромагнитной трубы
ленных значений a12 = ^i/^2-
С п л о in и ы ми ли н иями по к а з а и ы
годографы 1/в11*(а!2) для различ-
ных значений обобщенного пара-
метра Хг2~ k2Ri- Предельная
штрихпунктирная кривая, пред-
ставляющая полуокружность, от-
носится к бесконечно тонкой тру-
бе. Жирной линией изображен
годограф для сплошного цилинд-
ра ((i12 = 0). Сплошными линия-
ми показаны также годографы
для сплошных цилиндров при
п=0,5 и 0,75.
Для определения оптималь-
ных условий контроля парамет-
ров труб необходимо знать и
чувствительность наружного про-
ходного ВТП к изменениям этих
параметров. Выражения для от-
носительной комплексной чувст-
вительности наружного проход-
ного ВТП к изменениям пара-
метров неферромагнитной трубы
приведены в [3]:
= — h -=--- 1^ф20
(4.29)
к изменениям внешнего радиуса;
(4.30)
к изменениям внутреннего радиуса;
= 1 -----Йф20 +
121
4
(4.31)
к изменениям удельной электрической проводимости.
174
Здесь
Q'20 — 7
х*
-2 J
По этим формулам рассчитаны зависимости (диаграммы чув-
ствительности) от х22 (рис. 4.22) для т|== 1; цг= 1. По этим диа-
граммам может быть определена чувствительность Sy* наружного
Проходного ВТП к изменениям толщины стенки трубы. Если тол-
щина стенки трубы изменяется в результате изменения внешнего
диаметра R2 при неизменном внутреннем диаметре Ri, то значение
5т* определяется по диаграмме 2.22, а, а если изменяется Ri при
#2=const, то следует использовать диаграмму рис. 4.22,6.
Рис. 4.22. Диаграммы чувствительности наружного проходного ВТП к измене-
ниям внешнего (а) и внутреннего (б) радиусов, удельной электрической про-
водимости (в) неферромагнитной трубы
Из рис. 4.22 следует, что с уменьшением толщины стенки тру-
бы, т. е. с возрастанием отношения a\2=R\/R2, чувствительность
к изменению всех трех параметров (/?f, R2 и о) увеличивается. Од-
нако следует иметь в виду, что для тонкостенных труб годографы
17вн*(о) и практически совпадают, поэтому раздельный
контроль удельной электрической проводимости и толщины стенки
тонкостенных труб невозможен. Понятие тонкостейности труб от-
носительно, оно зависит от значения обобщенного параметра х22.
Так, для х22<5 трубы с можно считать тонкостенными, для
них годографы Г7Вн*(о) и £7Вп*СЛ почти сливаются, а для x22>10
даже трубы с aJ2=0,95 нельзя считать тонкостенными.
С помощью наружных проходных ВТП можно осуществлять
контроль параметров не только труб и однородных сплошных ци-
175
линдров, но и двух-, трех- и многослойных цилиндрических изде-
лий.
Выражение для эффективной магнитной проницаемости, опре-
деляющей напряжение наружного проходного ВТП при контроле
двуслойных неферромагнитных цилиндров, имеет вид [3]
Г zi(xu) 1
ар ^2>~1 7077Г,7/’,>,&|* "й)
----------1 (4.32)
На рис. 4.23 приведены годографы t7BII* для биметаллических
неферромагнитных цилиндров с
Рис. 4.23. Годографы (7В„.
наружного проходного ВТП
при изменении параметров
неферромагнитных биметал-
лических цилиндров
различным отношением радиусов
ai2“₽i//?2 и параметров у12~
=k\lki при коэффициенте заполне-
ния rj=I и цг1 = рг2 — В Штрих-
пунктирной кривой изображен го-
дограф для однородного цилиндра
с 0=02» сплошными кривыми — го-
дографы, соответствующие биме-
таллическому цилиндру ДЛЯ Х22--2
и 7 при у12==0,25; 0,5; 2,0; 4,0. Для
сравнения на этом же графике по-
строен годограф [7ВП* (штриховая
кривая), соответствующий трубам
с различными значениями а12.
Выражения для чувствительно-
стей к изменению параметров двух-
слойных цилиндров приведены в
книге В. Г. Герасимова «Электро-
магнитный контроль однослойных и
многослойных изделий» (М.: Энер-
гия, 1972). Напряжение наружного
проходного ВТП при контроле мно-
гослойных круговы,х цилиндриче-
ских изделий можно определить с
помощью выражения для величины
Цэфп, представляющего рекуррент-
ную формулу, т. е. формулу, в ко-
торую входит величина иЭф(П--1),
имеющая такую же структуру, как
И Цэф п-
176
2
—ап —
.-^гл-l
2щ„ ~ >
2р-гл
?s4,<«-i)/?»o(i,
(4.33)
где Xij=kiRj — обобщенный параметр; п — количество слоев.
Закапчивая рассмотрение наружных проходных ВТП с одно-
родным полем, отметим, что их важным достоинством является то,
что радиальные перемещения длинных однородных контролируе-
мых цилиндров внутри ВТП практически не влияют на напряже-
ние измерительной обмотки.
4.2.2. Контроль цилиндрических объектов
внутренними проходными ВТП с однородным полем
При контроле полых цилиндрических объектов (трубы', балло-
ны, детали с цилиндрическими отверстиями и т. п.) в ряде случаев
целесообразно использовать внутренние проходные ВТП, возбуж-
дающие катушки которых имеют большое отношение длины к диа-
метру. (см. рис. 4.6). Для такого проходного ВТП, находящегося
внутри проводящей трубы с внешним радиусом К, и внутренним
радиусом Иг, справедливо уравнение (4.8). Решая это уравнение
с использованием граничных условий, получаем выражения для
векторного потенциаал А в полости трубы (в точках размещения
витков измерительной обмотки):
Г К‘
1—;
’ Ли
(4.34)
при /?„>/?„
витков
| Хд)
Ь2Ло°(^1> ^2)
возбуждающей обмотки на единицу
где ш'„ — количество
длины.
Подставляя (4.34)
лучаем выражение для относительного напряжения внутреннего
проходного ВТП, которое для Ли=Кв=Л2 имеет вид
,у 2|1^0><f21.
в (4.4") и деля на 1/о=шШиЦо/Шв'лЛи2, по-
2нЛ1 (х51, f22)/[* z/’00 21>?иЯ
(4.35)
177
На рис. 4.24 приведены годографы Cr„„.==P.~~j внутреннего
проходного ВТП для неферромагнитных труб с различным отно-
шением а2| = /?2/й|. На этом графике сплошными линиями изо-
бражены зависимости 17в„. (а2|) для различных значений обобщен-
ного параметра л-22=А2/?2. Предельная штрихпунктирная линия,
Рис. 4.24. Годографы 17В|1.
внутреннего проходного
ВТП при изменении пара-
метров иеферромагнитной
трубы
представляющая полуокружность, со-
ответствует годографу для бесконеч-
но тонкой трубы. Штриховые линии
соединяют точки годографов, соответ-
ствующие a2i = const, т. е. относятся
к трубам с одинаковой толщиной
стенки, но с различными значениями
о. Левая сплошная линия (а2р~0)
представляет годограф для массивно-
го однородного объекта с цилиндриче-
ской полостью.
Сравнение этих годографов с годо-
графами напряжения внешнего про-
ходного ВТП (см. рис. 4.21) показы-
вает, что по виду они похожи, во ко-
личественные значения (7Вн* при оди-
наковых х существенно отличаются.
Из приведенных на рис. 4.24 годо-
графов видно, что с помощью внутрен-
него проходного ВТП, как и с по-
мощью внешнего проходного, можно
осуществлять селективный контроль
удельной электрической проводимости
а и толщины стенки Т трубы, так как
изменения напряжений на комплекс-
ной плоскости, обусловленные изме-
нениями о и a2i==^2/Rb имеют раз-
личные направления. Угол между эти-
ми направлениями при постоянном
внутреннем радиусе трубы увеличива-
ется с возрастанием х22, т. е. с ростом частоты возбуждения то-
ка, но уменьшается с увеличением а21. Последнее свидетельствует
о том, что различать изменения о и Т при контроле тонкостенных
труб практически невозможно. Такой же недостаток, как уже от
мечалось, присущ и внешним проходным ВТП.
Чувствительность внутреннего проходного ВТП с однородным полем к из-
менениям Rt, Rz и о иеферромагнитной трубы определяется следующими вы-
ражениями:
S
-R1*
2^01 (f 21> 5-22) "И р'
(4.36)
(4-37)
F<n(-r21, .x22) j2 ________
. T^j) J ^5'21^00(^1’ 5.22)
(4.38)
В качестве примера на рис. 4.25 приведены годографы чувствительности
внутреннего проходного ВТП к изменениям внутреннего радиуса трубы R2,
рассчитанные по формуле (4.37). Ана-
лиз выполненных расчетов показывает,
что чувствительность к внутреннему
радиусу растет с уменьшением толщи-
ны стенки трубы и при a2j-*1 дости-
гает значения х2г1/2. Каждому значе-
нию «21 соответствует определенное
значение Хп, при котором чувствитель-
ность S«2 максимальна. Например, для
«21 = 0,8 Sk2 максимальна при хг2 = 3.
Для массивного объекта с цилиндриче-
ской полостью, т. е. при а21=-~0, чувст-
вительность S/?2 (штриховая кривая)
увеличивается с ростом .ггг, достигая
максимума, равного двум.
Сопоставление показывает,
что чувствительность внутренне-
го ВТП к изменениям внутрен-
него радиуса трубы больше чув-
ствительности наружного ВТП,
Рис. 4.25. Годографы чувствитель-
ности внутреннего проходного
ВТП к изменениям внутреннего
радиуса неферромагнитной трубы
а к изменениям внешнего радиу-
са больше чувствительность на-
ружного проходного ВТП.
Для определения напряжения
внутреннего проходного ВТП при
контроле многослойных труб можно воспользоваться рекуррент-
ными формулами, приведенными в [3].
4.2.3. Контроль цилиндрических объектов
проходными ВТП с неоднородным полем
В практике вихретокового контроля иногда применяют возбуж-
дающие катушки ВТП с небольшим отношением длины к диамет-
ру, в частности при контроле труб большого диаметра, при исполь-
зовании параметрических ВТП и в ряде случаев исходя из кон-
структивных соображений. Такие ВТП создают неоднородное маг-
179
нитное поле, а следовательно, приведенные ранее зависимости на-
пряжения проходных ВТП от параметров цилиндрических ОК ис-
пользовать нельзя.
Для анализа проходных ВТП с неоднородным полем необходи-
мо рассмотреть задачу о распределении электромагнитного поля
витка с током / и радиусом /?в, который охватывает цилиндриче-
ский ОК. В общем виде задача о распределении магнитного поля
Рис. 4.26. Цилиндрический ОК в
проходном ВТП с неоднородным
полем
ет вид
такого витка, охватывающего
многослойный цилиндр и распо-
ложенного в полости многослой-
ной трубы, рассмотрена в [13].
Здесь рассмотрим задачу о
контроле однородного кругового
цилиндра радиусом R с удельной
электрической проводимостью а
и постоянной магнитной прони-
цаемостью ца (рис. 4.26).
Для этого используем урав-
нение (1.32) для векторного по-
тенциала 4, которое в цилиндри-
ческой системе координат име-
д
дг
дЧА
j ^Л2 — сг, (4.39)
где Л=ЛФ(г, z) —угловая составляющая векторного потенциала,
зависящая от координат г и z. Составляющие Лг==Лг==О, так как
при круговом витке плотность сторонних токов также имеет только
угловую составляющую Лт=Лтф, которую целесообразно задать
в виде обобщенной дельта-функции
Лт=^ —
Уравнение (4.39) решается с помощью прямого интегрального пре-
образования Фурье
А* (г, k)“ J А (г, z) cos Xzdz,
где X—параметр интегрального преобразования. С помощью этого
преобразования уравнение (4.39) в частных производных сводится
к обыкновенному дифференциальному уравнению
I
(4.40)
где q = X2 — k2 ; J*T~ J Лт cos Xzdz— преобразованная плот-
~ о
ность сторонних токов.
180
Граничные условия для преооразованного векторного потенциа-
ла Л*, так же как и для исходного А, определяются из равенства
составляющих напряженности электрического £„ и магнитного
полей на поверхности цилиндра:
Решая уравнение (4.40) и используя обратное преобразование
2 7 •
Фурье А = —I А* (г, X)cos \z d X, получаем выражение для век-
Jt J
торного потенциала вне контролируемого цилиндра (£<г<оо),
приняв М?в=х:
А2=Л0 + А.„ = Л)^-^ cos xz„<ix,
л о
где Л0(г, г) векторный потенциал в отсутствие цилиндра, причем
( 4
I fK1(x)/1(-’cr*)cosxz,dx,
и>/ I о
Ло==—— I _
I J /.(л) Ki (xr„) cos xz„<ix, oo>r^-R,;
4Ш, — векторный потенциал поля вихревых токов (вносимый);
f . р __ н,/1(гя«) _
Л +^л’Л(-гя») ’ ’
г„==г//?„; R* = RlR„; zt = z/R№; £=]/ х2 + .
Чтобы получить выражение для векторного потенциала одно-
слойной возбуждающей катушки произвольной длины I (рис. 4.26),
необходимо векторный потенциал от элемента катушки dZ
dA = ——dZ Г А*2 cos X(z™y)dX
« l i
проинтегрировать по ее длине. В результате имеем
С (х) (х)К!(xrt) -ш в'5-1:/ cos xztdx, (4.41)
'»о х
где l, = l!RK.
Полученные соотношения позволяют рассчитывать эдо транс-
форматорных ВТП с возбуждающей и измерительными обмотками,
расположенными на расстоянии z друг от друга, а также измене-
ние полного сопротивления Z параметрического ВТП. Переход от
Aim к OiW осуществляется с помощью формулы (4.4").
Сравнивая основные характеристики проходных ВТП с одно-
родными и неоднородными
родным полем
полями, следует отметить, что они ана-
логичны по характеру. Однако ко-
личественные значения этих зави-
симостей значительно отличаются,
причем для ВТП с неоднородным
полем они зависят от длины воз-
буждающей и измерительной кату-
шек и от расстояния z между ни-
ми.
Рис. 4.28. Зависимости мо-
дуля относительного вноси-
мого сопротивления про-
ходного ВТП от изменения
его длины
Анализ годографов, рассчитанных по формуле (4.41), показы-
вает, что при возрастании z напряжение UiW убывает, а £/вн* воз-
растает. Фазовый угол (аргумент [7П11*) при этом изменяется ана-
логично тому, как это происходит при возрастании обобщенного
параметра х. Особенно резко это проявляется при Х—2...5.
На рис. 4.27 приведены годографы проходных ВТП с воз-
буждающей катушкой различной длины /* для разных г* при рг=
— 1. На этом же рисунке изображен годограф ВТП с одно-
родным полем (/*~^оо). Модуль ВТП с разнесенными катуш-
ками (г* = 2,0) больше модуля £7ВП* ВТП с однородным полем, а
для ВТП с совмещенными катушками (z=0) он меньше. Это оз-
начает, что относительная чувствительность ВТП с совмещенными
короткими катушками меньше, а с разнесенными — больше отно-
182
сительной чувствительности ВТП с однородным полем. Анализ
ВТП с совмещенными катушками показывает, что увеличение I,
эквивалентно возрастанию коэффицента заполнения т|.
Комплексное сопротивление параметрического ВТП Z=67/u,
а нормированное но индуктивному сопротивлению катушки при
отсутствии в ней проводящего цилиндра Z.=Z/(<oL0). На рис. 4.28
приведены зависимости модуля относительного вносимого сопро-
I I
тивления z„,e= ------- , — комплексное начальное сопротив-
I “At I
лсние ВТП (в отсутствие цилиндра) от длины катушки ВТП при
различных значениях x=kR, и /?.=0,75. Из рис. 4.28 видно, что
модуль z,„. возрастает почти вдвое при изменении /. от 0 до 10
Основной недостаток проходных ВТП с неоднородным поле:
заключается в сильном влиянии на радиальных перемещени
и перекосов ОК внутри ВТП. Для некоторого ослабления это1
влияния рекомендуется использовать измерительную катушку р;
диусом =0,65... 0,75, расположенную на расстоянии z, = 0,5...
0,8 от возбуждающей. При этом приращение От„ вызванное сме-
щением, равным 20% радиуса ОК, составляет несколько процен-
тов от приращения 6%,., вызванного 2%-ным изменением радиуса
ОК.
Следует отметить, что при длине возбуждающей катушки /.^4
для расчета эдс трансформаторного и полного сопротивления па-
раметрического ВТП можно пользоваться формулами для ВТП
с однородным полем, при этом погрешность не превышает 5%.
Более подробный анализ трансформаторных и параметрических
проходных ВТП с неоднородным полем приведен в [13].
Задачи
4.2.1. Определить напряжение наружного проходного ВТП. если короткая
измерительная катушка радиусом Ru—10 мм охватывает длинную возбуждаю-
щую катушку (/в=40 мм) радиусом /?О=8,5 мм. Радиус контролируемого ци-
линдра /? = 6 мм; p.r=l; <J=15,8 МСм/м; ток возбуждения /в—0,1 А; его час-
тота /=2 кГц, количество витков возбуждающей катушки и?в=500, измеритель-
ной 200.
Решение
Для определения относительного напряжения (7. воспользуемся годографом,
приведенным на рис. 4.21. Сначала рассчитаем коэффициент заполнения 1] —
= (/?//?п)2 —0,5 и обобщенный параметр х2 —ft2(op0a== (6-10"3)2-2л-2-103-4лХ
ХЮ-7* 15.8-106—9. На годографах рис. 4.21 находим точку А (х2 — 9; rj = 0,5),
для которой t/B)I* = 0,19—j0,27.
В соответствии с формулой (4.14) начальное напряжение (при отсутствии
цилиндра)
2Я-2.103-200-4Л-10-7-0,1-500л-10-4
Ua =--------~---------------------------------------------=«3,9 В.
18’
Тогда
U - UGU* UQ (tfan* 4- J) - 3,9 (0,19 4- j0,73) - (0,74 -b J2,85) B.
4.2.2. Определить приращение напряжения Al/ проходного ВТП с диамет-
ром измерительной обмотки 1)„~28,2 мм и начальным напряжением t/0—1 В
при изменении на 1% диаметра неферромагнитного цилиндра с номинальным,
диаметром Do~20 мм и о=—33,6 МСм/м, если частота тока возбуждения f==
~3 кГц.
Решение
Относительное приращение напряжения проходного ВТП можно найти по
формуле (4.27): А(Л~ Sp.Ap/Po- Для нашего случая Al?,— SHt6.R/R0.
Для определения 5И. необходимо рассчитать значение обобщенного пара-
метра: х2 = /?в2(0|1вст == 10_4-2л-3-103-4л-10~7-33.6-1()в — 79,5. По графику
Sn,(x2) (см. рис. 4.20, г) для х2 —79,5 находим Sfi.—1,8 яри г] — 1,0. В нашем
случае коэффициент заполнения ij—(Dti/£>„)7--—0.5.
Таким образом, Л(/ —At7.(70—tjSh*(A/?//?o)T/o — 0,5-1,8-0,01 • 1 —0,009 В =
==9 мВ.
4.3. ВИХРЕТОКОВЫЙ КОНТРОЛЬ с помощью
НАКЛАДНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
4.3.1. Контроль электропроводящих листов
накладными ВТП
Накладные ВТП более универсальны, чем проходные, они мо-
гут быть использованы
Рис. 4.29. Накладной
ВТП над проводящим
листом
для контроля объектов с плоской и ци-
линдрической поверхностью, если ра-
диус кривизны не очень мал, а также
для контроля изделий сложной формы.
С помощью накладных ВТП можно осу-
ществлять локальный контроль парамет-
ров, в то время как проходные ВТП по-
зволяют определять параметры, усред-
ненные по периметру, а иногда и по
сечению цилиндрических объектов. Бла-
годаря локальности действия накладные
ВТП обладают хорошей чувствительно-
стью к большинству дефектов.
Очень часто накладные ВТП приме-
няют для контроля объектов с плоской
поверхностью: листы, фольга, пластины и др. Чтобы определить
зависимость напряжения накладного ВТП от толщины и электро-
магнитных свойств (о, jia) такого ОК, рассмотрим задачу о рас-
пределении электромагнитного поля витка радиуса /?0 с синусо-
идальным током 1, расположенного над электропроводящей пла-
стиной толщиной Т на высоте h3 (рис. 4.29). Здесь, как и в
п. 4.2.3, целесообразно использовать цилиндрическую систему ко-
ординат (г, ф, z) и уравнение (4.39) для векторного потенциала.
'84
Для решения уравнения (4.39) также используем метод инте-
грального преобразования, в данном случае преобразование
Фурье — Бесселя. Формула прямого интегрального преобразова-
ния Фурье — Бесселя
А* (г, X) - f А (г, ^r/^Xrjdr,
(4.42)
где Ji—функция Бесселя первого рода первого порядка. В ре-
зультате этого преобразования уравнение (4.39) принимает вид
dz~
-£2А*
(4.43)
где Л*г^= С z)r/i(Xr)dr; q==X2--№.
Граничные условия для преобразованных векторных потенциа-
лов А(*, Л2*, Лз* запишем в виде
;• :* 1 d А г I dAt ~
= ----------=----------------при 2 = 0;
IHl <lz |»а <1г
ЛГ==Л*, —— —!------при z= — Т. (4.44)
На dz но dz
Здесь Ai*.....Аз' — преобразованные векторные потенциалы в сре-
де, где расположен источник поля, в листе и под листом соответ-
ственно. С учетом ограниченности значений векторных потенциа-
лов при z->±оо можно записать:
2Х
+ ?,е
2? I- - I
2Х
(4.45)
где фь /2, Ч>2, h— функции комплексного аргумента, которые на-
ходят из граничных условий; Л,, расстояние между возбуждаю-
щей катушкой и ОК — зазор. Определив <pi, fa, <й, [з из системы
уравнений (4.44) и проведя обратное преобразование Фурье —
Бесселя по формуле A(r, z)= j A*(z, X)(Xr)dX, получим.
о
185
Л = Ло.+ л...= f ЛО./ЫЛаг) 1 *""•1 <1Х +
О
+е^ f y/jx^j/.cxDe....*е+л»ш,
1 о
Л= ПУ/М^е-^] ^jia^jl(kr) d)„
2 ' — s Q
0 “
A3^^n. f/jC^-AV^X/^/jXOdX, (4.46)
2 6
(Xp, ~9)(>ф., + «)o'? — (Xp, 4)(Xp, + q)e^
<pt==--=-----—-----—-----------------=- ; (4.4/)
— Д
‘2q(^r +i)en' 2q(V~^.r)e~rf!
J<r=----7-----; ?2-=—----------. (4.48)
- - Д Д
/3=±!^ . &=(>.»,(4.49)
Выражение для вносимого напряжения можно получить исполь-
зуя формулу (4.4"):
6r,„=j2n«iw„/?„4„„ = J<1>ix0n/?1,wHOT„/ ₽)Л(х#„»)Х
О
хЛ(х)е“лА*<1х, (4.50)
где <pi(я, р) определяется выражением (4.47), в котором вместо
X необходимо подставить х = Л/?в, вместо Т—Т* — T/R^, вместо
q~g ==J/a-2 + J^ , при этом [1 = Л?„|/ шр.,о; Л*=(А„ + йи)//?„;/?„,=
= ДЖ,.
Функция ф( (х, р) характеризует влияние на (7ВН толщины и
электромагнитных свойств (о, р.,) контролируемой пластины и за-
висит от радиуса Rn возбуждающей обмотки накладного ВТП.
Поэтому эту функцию называют иногда функцией влияния.
Относительное вносимое напряжение накладного ВТП £7Вн* —
= 0w/Uq> причем начальное напряжение UQ~ | [70|, где
)/ДХ [(1-—(4.51)
A2=4/?„4/[(14-/?rt)2 + c2]; ct = c/R,-, с = Лв-~й„;
Е и К — полные эллиптические интегралы первого и второго рода
с модулем k.
186
Вносимое напряжение (7Вн иногда нормируют не по начально-
му напряжению Uo ВТП, а по максимальному вносимому напря-
жению U вн max | О ин max |, ГДС
и,( JRx)J (4.52)
что имеет место при удельной электрической проводимости конт-
ролируемой пластины а-->оо. Это напряжение может быть рассчи-
тано по формуле (4.51) при с = /гв-|-/ги.
Полное вносимое сопротивление накладного ВТП
j fi(x, ₽)J1U)e^2rt»*dx. (4.53)
О
Полное относительное вносимое сопротивление ZBH* получают
нормировкой по величине (>)Lo = Im (tfo//) или Im (UBll max//), ко-
торые можно рассчитать с помощью формул (4.51) и (4.52) соот-
ветственно.
Если толщина контролируемой пластины больше глубины про-
никновения электромагнитного поля, создаваемого возбуждающей
катушкой накладного ВТП (Г>-5), то ОК можно рассматривать
как проводящее полупространство. В этом случае функция влия-
ния имеет вид
Т,(А р)===(|», —j/ X2 I"jp2 )/(1хг]/ -Х2 + 1ф- (4.54)
На рис. 4.30, а приведены годографы для иеферромагпит-
ного листа, рассчитанные с помощью формул (4.50) и (4.51). Как
видно из рис. 4.30, а, при /|. = 0 они ограничены с одной стороны
штрихпунктирной линией, соответствующей бесконечно большой
толщине листа (Г»-*-оо, т. е. проводящее полупространство), с
другой — сплошной полуокружностью радиусом 0,5, соответствую-
щей годографу для бесконечно тонкой пластины (7\-т0). В этом
случае функция влияния имеет вид
Сплошными линиями показаны годографы {7ВН* при изменении /и
и толщины пластины при p = const. Штриховыми линиями изоб-
ражены годографы t/в,,* при изменении о (параметра р). Так как
между направлениями приращений (7Ш!* на комплексной плоско-
сти, обусловленных изменениями /и, о и Т*, существуют опреде-
ленные углы, то в принципе с помощью накладного ВТП возмо-
жен раздельный контроль этих параметров. Следует, однако, иметь
в виду, что для тонких пластин углы между направлениями при-
ращений {/вн*, вызванных изменениями о и Г*, очень небольшие,
поэтому раздельный контроль этих параметров практически не-
возможен.
187
Расчеты вносимого напряжения накладного ВТП показывают,
что оно зависит от отношения у—RB/R„. Годографы, приведенные
на рис. 4.30, а, соответствуют у=1. На рис. 4.30, б показаны го-
дографы £Лш*(Р, у) для неферромагнитного листа бесконечно
Рис. 4.30. Годографы бпн, при изменении параметров неферромагнитно-
го листа (а) и полупространства для разных у (б)
большой толщины при Л*=0,1. Из рис. 4.30, б следует, что умень-
шение у приводит к увеличению 1/вн*. при этом убывает U& и, сле-
довательно, уменьшаются абсолютные значения напряжения ВТП.
Кроме того, с изменением у изменяется кривизна «годографов за-
зора» [3]. В определенном диапазоне значений р эти
годографы приближаются к прямым, что важно для эффективного
подавления изменений зазора при контроле параметров ОК с ис-
пользованием двухпараметровых способов выделения информации
(см. п. 4.6.2). Применение ВТП с у < 0,2 нецелесообразно, по-
188
скольку вынуждает принимать специальные меры для компенса-
ции снижения абсолютной чувствительности ВТП.
На рис. 4.31 приведены графики зависимости модуля и аргу-
мента относительного вносимого напряжения от относитель-
ной толщины листа Т, и удельной электрической проводимости
о, а следовательно, от р и от относительного зазора Л. между
(<?, с)
ВТП и ОК. При разработке вихретоковых толщиномеров и изме-
рителей о эти графики используют как градуировочные характе-
ристики или как графики функций влияния (см. § 4.9; 4.10),
поэтому знание их имеет большое практическое значение. Так, из
рис. 4.31, а, б следует, что с увеличением р возрастает чувстви-
тельность к изменению толщины Г. листа и одновременно умень-
шается верхнее значение Т»тах диапазона измерения толщины.
Например, при р=5 значение Т. таЛ=0,2, а при р=20 Г. таа~
~0,04 (рис. 4.31, а). С другой стороны, из рис. 4.31, д, е видно,
что если изменение зазора Л. резко влияет па С'™., то <p=arg Йвн.
189
почти не зависит от /i*. Таким образом, используя для контроля
толщины Т фазу вносимого напряжения (кривые рис. 4.31, б),
можно добиться уменьшения погрешности измерения, вызванной
изменением зазора (см. п. 4.6.2).
а)
Рис. 4.32. Годографы относительной чувствительности накладного ВТП к изме-
нениям толщины неферромагиитного листа (а); зависимости модуля и ар-
гумента фнт. от Г. (б, в) и от р (г, д)
На рис. 4.32, а приведены годографы относительной чувстви-
тельности накладного ВТП к изменению толщины неферромагнит-
ного листа Sr* при различных значениях р (сплошные линии) и
7* (штриховые линии) для &* —0,5. Из анализа диаграмм St* для
й*—0,5 следует, что чувствительность максимальна при 7*р2 —
= 77?в<оцо0^3. При изменении относительного зазора /г. в преде-
лах 0,0625 ...1,5 значения 7*р2, соответствующие максимальной
190
чувствительности, уменьшаются от 4,5 до 2,5. Если необходимо
контролировать толщину листа с подавлением влияния изменений
и способом проекций (см. § 4.6), то оптимальное значение 7\р>2 —
==1,5 при /ч*=0,5.
Рис, 4.33. Годографы относительной
чувствительности накладного ВТП к
изменениям удельной электрической
проводимости неферромагнитного ли-
ста (а), зависимости модуля SaW и
аргумента от 7\ (б, в) и от
3 (г, д)
191
На рис. 4.32, б, в приведены графики зависимости, модуля Sr.
и аргумента i|iST. от толщины листа Т„ для Л.=0,5 и различных
значений (5, а на рис. 4.32, г, д — зависимости модуля и аргумен-
та Sr. от р для различных значений 7’».
На рис. 4.33, а приведены годографы относительной чувстви-
тельности S„. накладного ВТП к изменению удельной электриче-
ской проводимости неферромагиитного листа для /1,=0,5. Сплош-
ными кривыми изображены годографы при изменении Т„
внутренняя кривая соответствует проводящему полупространству
(Т->оо); штриховыми — годографы при изменении р, т. е. при
изменении а для R»=const и w=const. Чувствительность S„,
как и St<,, для h,=0,5 максимальна при 7',р2~3.
Максимальная чувствительность S„ при контроле тонких лис-
тов вдвое больше, чем при контроле о проводящего полупрост-
ранства. Для ослабления влияния изменений толщины листа при
контроле о по диаграммам чувствительности, приведенным на рис.
4.32, а и 4.33, а, необходимо выбрать частоту тока возбуждения
достаточно большой, чтобы глубина проникновения электромаг-
нитного поля была меньше толщины пластины: H--V
В этом случае чувствительность У значительно ниже чувстви.
дельности £„».
На рис. 4.33, б, в приведены графики зависимости модуля и ар-
гумента S„ от Г. для различных значений р при Л. = 0,5, а на
рис. 4.33, г, д — графики зависимости модуля и аргумента S,,. от
Р для различных значений Л.
При раздельном контроле удельной проводимости о и зазора
можно успешно использовать способ проекции для ослабления
влияния мешающего параметра (см. п. 4.6.2), поскольку угол меж-
ду направлениями изменения О„, на комплексной плоскости (см.
рис. 4.30), обусловленный изменениями а и Л» при р>2,5, имеет
довольно большое значение и достигает 45°.
Исследования показали, что для р = 2,5...2О чувствительность
накладного ВТП к изменению зазора максимальна в области й.=
=0,3 ...0,6. Увеличение [> приводит к увеличению чувствительно-
сти к изменению зазора, что позволяет рекомендовать область
больших р для контроля вибраций деталей и толщины диэлектри-
ческих покрытий на металлических изделиях. При больших зна-
чениях р влияние изменений о уменьшается, поэтому специальные
способы подавления влияния изменений о в приборах не исполь-
зуются.
На рис. 4.34 приведены годографы относительного вносимого
напряжения ив„» накладного ВТП, расположенного над ферро-
магнитной пластиной большой толщины (проводящее полупрост-
ранство). Параметрами этих годографов, занимающих два квад-
ранта комплексной плоскости, выбраны величины ₽0=/^в|/ и
492
1тЩн*
0,8
0,6
0,4
0,2
0,2
Рис. 4.34. Годогра-
фы [7ВК. наклад-
ного ВТП над фер-
ромагнитным про-
водящим полупро-
странством
₽о/1 р-r - Из рис. 4.34 видно, что при наличии ферромагнитной плас-
тины для некоторых значений р0 и |о эффект увеличения магнит-
ного потока, сцепленного с измерительной катушкой накладного
ВТП, в результате поднесения ферромагнетика преобладает над
эффектом ослабления магнитного потока под действием вихревых
токов. Следует, однако, отметить, что эффект
увеличения магнитного потока в накладных
ВТП выражен значительно слабее, чем в про-
ходных. При больших значениях ц, и малых
значениях Ро относительное напряжение (У,
накладного ВТП только в два раза больше
Напряжения U. для ОК с цг=1. В то же
время напряжение U, проходного ВТП с од-
нородным полем при малых значениях kR и
т]= 1 в Цг раз больше в случае ферромагнит-
ного цилиндра, чем в случае неферромагиит-
Ного (ц.= 1). Это объясняется тем, что для
проходных ВТП с длинной возбуждающей
катушкой ферромагнитный цилиндр бесконеч-
но большой длины эквивалентен замкнутому
магнитопроводу, например тороидальному.
А это значит, что его магнитное сопротивле-
ние Лм=//(ц.5) обратно пропорционально
ц,, а магнитный поток Ф=ш//Л„ прямо про-
порционален 11Г.
Для накладных ВТП в случае ферромаг-
нитного полупространства при больших ц,
магнитное сопротивление уменьшается лишь
в два раза по сравнению со случаем немаг-
нитного ОК, поскольку магнитное сопротив-
ление ферромагнитного полупространства
при больших щ много меньше магнитного
сопротивления верхнего полупространства
‘(воздух). Именно поэтому напряжение {/.
накладного ВТП при больших .и, только в два ,
U, в случае неферромагнитного полупространства.
При малых р0 и возможен раздельный контроль о и ц,. При
увеличении ц, годографы УВ11(о) и О„ (it,) сливаются и раздель-
ный контроль о и ц, невозможен.
Раздельное измерение параметров ферромагнитных листов с
помощью накладных ВТП возможно лишь в области малых зна-
чений обобщенного параметра PO = /?BI/Z tup-o3 > относительной маг-
нитной проницаемости ц, и толщины Т,. При р0=1...3 и р.г=1...
30 углы между направлениями изменений напряжения От(о) и
почти прямые, что делает возможным их раздельный
контроль с помощью накладных ВТП.
раза больше, чем
7—1332
193
4.3.2. Контроль двуслойных объектов накладными ВТП
Контроль параметров проводящих покрытий толщиной Т на
проводящем основании является довольно сложной задачей, так
как в случае ферромагнитных материалов имеется пять влияющих
на напряжение ВТП параметров ОК, шестым влияющим парамет-
ром является зазор (расстояние) между ВТП и ОК. В случае не-
ферромагнитных материалов ОК количество влияющих парамет-
ров сокращается до четырех.
Функция влияния, определяющая реакцию двуслойного ОК на
вносимое напряжение, имеет вид
Q Q _____(Ргос?11 + Р-Лт?ос)е ----------- (XPf It + £„)Х
*?!(Pit» РОс) = ~ ------' *
+?„)(Рг„«ос +ю«?„)е * „-?„)Х
XflVrfoc-Нгос?„)е ~
-г.,,, ’ ' • °'
ХСВг,,?»: —
где = К; '7,)с==К х2 + Ж; ; Р„
= I |Ог, И |1,ое — относительные магнитные пропи-
цаемости материалов соответственно покрытия и основания; оп и
Оос — удельные электрические проводимости материалов соответ-
ственно покрытия и основания.
На рис. 4.35, а приведены годографы (7В)1*(Ри> Л), рассчитан-
ные для /и —0,5 с помощью формул (4.50) и (4.55). Штрнхпунк-
тирная линия па этом рисунке соответствует годографу {7В||*(Рп)
для полупространства с электромагнитными параметрами покры-
тия. Годографы напряжения (7ВН* при изменении толщины покры-
тия Т независимо от значений о(| начинаются в предельной точке
7\ = 0, соответствующей рос — 3,54, и закапчиваются в предельных
точках при 7\->оо, соответствующих полупространству с удельной
электрической проводимостью покрытия оп-
В области, где ОпСпос, т. е. рГ1<рос (кривые на рис. 4.35, а,
лежащие выше точки рос —3,54), увеличение толщины покрытия
приводит к уменьшению и тем сильнее, чем больше различа-
ются значения оп и оос. Влияние изменения Г* в этой области в
какой-то степени напоминает влияние изменения зазора /и, осо-
бенно в области малых значений Г* и рп. В области значений ₽п>-
>рос (кривые ниже точки рос—3,54) увеличение Г* приводит в
основном к увеличению £/вн*.
На рис. 4.35, б, в приведены зависимости модуля и аргумента
вносимого напряжения накладного ВТП от относительной толщи-
ны покрытия двуслойных ОК для рос=3,54 и /г* = 0,5.
194
Наилучшие условия контроля двуслойных объектов реализуют-
ся при сильно отличающихся значениях и аос. Если ап/оос<
<0,01, то условия контроля выбирают такими же, как и при
контроле изменений зазора, причем при этом целесообразно вы-
бирать частоту возбуждающего тока ВТП такой, чтобы выполня-
лось условие рп<1,25. Режим контроля при оп/оос>100 можно
выбирать таким же, как и при контроле проводящих листов, но
частота возбуждающего тока должна быть такой, чтобы выпол-
нялось условие рое<1,25.
Рис. 4.35. Годографы (7ВН. накладного ВТП над двуслойным ОК (а): зависи-
мость модуля (б) и аргумента (в) от рОс = 3,54; /г. = 0,5
При измерении толщины неферромагнитного покрытия (верх-
него слоя) в широком диапазоне ее значений чувствительность на-
кладного ВТП максимальна при выполнении условия
₽,Лс^‘Й»!1о1/ «Woe =Fmax. (4.56)
где Ртах соответствует такому значению р для полупространства,
когда чувствительность ST* достигает максимума для выбранного
значения й*.
При измерении удельной электрической проводимости покры-
тия режим контроля необходимо выбирать таким, чтобы не чувст-
вовалось влияние изменения толщины покрытия (Т*рп>2).
7* 195
Условия контроля удельной электрической проводимости осно-
вания благоприятны в широком диапазоне значений толщины по-
крытия. Желательно так выбирать диаметр возбуждающей ка-
тушки ВТП, чтобы Г,<0,125. При этом влияние изменения зазо-
ра подобно влиянию изменения толщины покрытия.
4.3.3. Контроль проводящих листов
экранными накладными ВТП
При контроле проводящих листов, пластин, фольги и других
ОК с двусторонним доступом к ним можно использовать экранные
накладные ВТП (см. рис. 4.10, <5), которые обладают некоторыми
преимуществами по сравнению с обычными накладными ВТП.
Выражение для напряжения измерительной катушки экранно-
го накладного ВТП можно получить используя формулу для век-
торного потенциала Аз (4.46):
хг. -»л,
/|(««) А(ХЯ„.) е
U=то/4®,,/—=------------—----------—(4,57)
о (Х|«, — (Хн, — д)'1е
Из этого выражения следует, что напряжение 0 не зависит от по-
ложения листа между возбуждающей и измерительной катушкой,
а зависит от величины й.= (/!,+й„)//?„ т. е. лишь от суммарно-
го расстояния между этими катушками. Отсюда вытекает важное
преимущество экранных накладных ВТП: перемещение контроли-
руемого листа между катушками (вдоль оси этих катушек) не
влияет па результаты контроля. Важно только, чтобы не было пе-
рекосов листа при контроле.
На рис. 4.36 приведены годографы относительного вносимого
напряжения экранного накладного ВТП (O—Or>)/Ua {Uo—
начальное напряжение) при контроле листа из неферромагннтно-
го материала. Сплошными линиями изображены годографы при
изменении толщины листа 7\, а штриховыми — при изменении
обобщенного параметра р.
Из рис. 4.36 и анализа формулы (4.57) следует, что между го-
дографами £7»,,.(Г.) и (7В».(Р) имеются определенные углы, а это
значит, что при контроле листов экранными накладными ВТП
можно осуществлять раздельный контроль толщины и удельной
электрической проводимости листов. Однако для тонких листов
эти углы настолько малы, что раздельный контроль Т и а практи-
чески невозможен.
Из анализа годографов рис. 4.36 следует, что наиболее при-
годной для раздельного контроля Тио является область значе-
ний 2,5<7'»₽г< 15, но при этом следует иметь в виду, что раз-
дельный контроль этих параметров проводящих листов экранны-
ми накладными ВТП затруднительнее, чем в случае обычных на-
196
кладиых ВТП, поскольку углы между соответствующими годо-
графами в случае экранных накладных ВТП меньше. Чувстви-
тельность экранного накладного ВТП, как и накладного ВТП, к
изменениям толщины и удельной электрической проводимости
листа максимальна при 7'»р2~3.
На рис. 4.37, а приведены зависимости модуля 0, = 0/Uo эк-
ранного накладного ВТП от толщины немагнитного листа для
различных значений обобщенно-
го параметра р. Из рисунка вид-
но, что эти зависимости нелиней-
ны, а также что чувствительность
к толщине сильно зависит от па-
раметра р.
; Недостатком метода контроля
ерлщины листа, основанного на
измерении модуля <7», является
большая погрешность контроля
при изменении взаимного поло-
жения катушек ВТП, т. е. рас-
стояния Л между ними, что вид-
но из формулы (4.57). Для
уменьшения этой погрешности
целесообразно использовать при
контроле экранными накладны-
ми ВТП толщины листов изме-
нения аргумента т. е. фазово-
го угла напряжения О измери-
тельной обмотки, при изменении
их толщины (4.57).
На рис. 4.37, б приведены за-
висимости arg О от толщины
листа Т, для различных значе-
ний р. Если 7’«р>2, то фазовый
угол напряжения измерительной
катушки линейно зависит от толщины, что используется для по-
строения толщиномеров с линейной шкалой [3].
Следует отметить, что с увеличением чувствительности экран-
ного накладного ВТП к изменению толщины контролируемого
листа Т при увеличении р диапазон линейности зависимости
arg 1/(7",,) уменьшается.
Возможно также использование экранных накладных ВТП при
контроле параметров ферромагнитных пластин [3]. Анализ годо-
графов, приведенных в [3], показывает, что раздельный контроль
относительной магнитной проницаемости р, и удельной электриче-
ской проводимости о, а также о и толщины Т возможен для пла-
стин малой толщины в области небольших значений ро (1,25 ...5,0)
и и, (1... 100). С увеличением р0 и ц, экранирующее действие
197
ферромагнитной пластины увеличивается и напряжение измери-
тельной катушки экранного накладного ВТП уменьшается.
Задачи контроля сферических и сфероидальных объектов па-
рно. 4.37. Зависимости модуля (о) и аргумента (6) б. экранного ВТП от тол-
щины неферромагпитного листа
4.3.4. Особенности расчета накладных ВТП
с ферромагнитными сердечниками
При вихретоковом контроле широко применяют накладные ВТП
с ферромагнитными сердечниками. Чаще всего в качестве мате-
риала ферромагнитного сердечпинка используют феррит. Форма
сердечника может быть различной. На рис. 4.10 в качестве при-
мера показаны накладные ВТП с круглыми катушками и цилинд-
рическими сердечниками (<?), с прямоугольными катушками и фер-
ритовым сердечником прямоугольного сечения (ж), с круглыми
катушками и полуброневым ферритовым сердечником (з) и с
ферритовым сердечником в виде полутороида (и).
Как отмечалось в п. 4.1.2, применение ферромагнитных сер-
дечников позволяет повысить абсолютную чувствительность ВТП
и уменьшить зону контроля благодаря локализации магнитного
потока. Кроме того, при использовании ферромагнитного сердеч-
ника можно отдалить рабочую зону ВТП от его обмоток, что иног-
да бывает желательно по конструктивным соображениям, напри-
мер при контроле труднодоступных участков ОК. Недостатком
накладных ВТП с ферромагнитными сердечниками является мепь-
198
шая температурная стабильность из-за изменения магнитных
свойств ферромагнитного сердечника под воздействием темпера-
туры.
Физические основы работы накладных ВТП с ферромагнитны-
ми сердечниками и без них мало отличаются. Однако методика
расчета вносимых напряжений накладных ВТП с ферромагнит-
ными сердечниками имеет определенные особенности. Разрабо-
тана приближенная методика расчета накладных ВТП с ферро-
магнитными сердечниками, основанная на использовании прибли-
женных методов *. В соответствии с этой методикой вносимое на-
пряжение трансформаторного накладного ВТП
где X — геометрический параметр ВТП, связанный с глубиной про-
никновения электромагнитного поля в проводящее полупростран-
ство; Л — расстояние между ВТП и OK; <pi(Pi)—функция, опре-
деляющая влияние ОК па параметры ВТП; |/i«Po;
Di — диаметр контура максимальной плотности вихревых токов.
Главная особенность методики расчета состоит в правильном
определении диаметра D,. В работе Н. Н. Локшиной и
Ю. М. Шкарлета показано, что для накладного ВТП без ферро-
магнитного сердечника О, определяется в основном средним зна-
чением диаметра Do большей обмотки ВТП и зависит от зазора
h между ВТП и ОК, причем чем больше h, тем больше О,. С до-
статочной для инженерной практики точностью можно считать,
что D^Do+1,5/1.
Для ВТП с ферромагнитным сердечником диаметр Do зависит
от формы и размеров сердечника. Так, для ВТП с ферритовым
сердечником квадратного сечения в качестве Do следует прини-
мать среднее значение стороны квадрата большей (внешней) об-
мотки; для ВТП с прямоугольными обмотками и ферритовым сер-
дечником прямоугольного сечения — среднее значение длины об-
мотки па меньшей стороне прямоугольника, В случае ВТП с по-
луброневым ферритовым сердечником вихревые токи создаются в
области кольца между внешним контуром сердечника и его цент-
ральным цилиндром. Поэтому здесь в качестве Do следует прини-
мать значение среднего диаметра этого кольца. Для ВТП с обмот-
ками па ферритовом полукольце (см. рис. 4.10, и) в качестве Do
принимается значение среднего диаметра полукольца.
После нахождения D| и р, функция влияния <Pi (Pi) определяет-
ся таким же образом, как и для накладных ВТП без ферромагнит-
ных сердечников.
• Локшина Н. Н., Шкарлет Ю. М. Приближенная методика расчета
накладных вихретоковых датчиков//Дефектоскопия. 1970, № 1.
199
Задачи
4.3.1. Определить комплексное напряжение О измерительной обмотки на-
кладного ВТП с Лв=7?и—^= Ю мм на частоте f—1 кГц при контроле листа
с параметрами о —31 МСм/м; цг— 1; Т=2 мм; зазор между катушками ВТП
и листом h=ha= Ли-*-0. Начальное напряжение ВТП Uq— 1 В.
Решение
Для определения напряжения О необходимо найти значения обобщенных
параметров:
₽ = 2jTlOM7iJ0-7-31 106—5; Г* = Г/Яв -0,2;
Л* ==== 2A/^e~»0.
С помощью годографа вносимых напряжений накладного ВТП для прово-
дящих немагнитных листов находим —0,34-~j0,53 (точка А на рис. 4.30, а).
Относительное напряжение измерительной обмотки ВТП £7.= l7BK.4-j==O,344-
+J0.47. Зная начальное напряжение Uo, по которому нормировано Оан, можно
определить искомое комплексное напряжение:
и =* = (0,34 4- J0,47) В.
4.3.2. Найти комплексные напряжения О при тех же условиях, что и в
предыдущей задаче, если: а) толщина листа увеличена до 4 мм; б) толщина
листа уменьшена до 1 мм (в обоих случаях сг=>31 МСм/мЗ; в) удельная элект-
рическая проводимость листа увеличена до о=62 МСм/м; г) о уменьшена
до 16,5 МСм/м (в обоих случаях толщина листа Т=2 мм).
Решение
а) Т.ж=0,4; (точка В на рис. 4.30, а) Р,я.=0.26—j0,56; искомое на-
пряжение (?«= (V.n.-f-j) t/e®= (0,264-10.44) В.
б) Т»®»0,1; p^s-5 (точка С) 0««.=®0,38—J0.36; искомое напряжение
«=(O.K.+j)U“=(0,384-j0.64) В.
в) Т, —0,2; ст=62 МСм/м; р^7,1 (точка D); Z7Bh.=»0,27-J0.68; искомое
напряжение £/== (17»M.4-j)t/o—(0,274-j0,32) В.
г) Т.«=0,2; о=15,5 МСм/м; £~3.5 (точка £); l)ei.. = 0,34-j0,29; искомое
напряжение £?== (t?BH.4-j)Uo — (0,344-j0,71) В.
4.4. ИМПУЛЬСНОЕ ВОЗБУЖДЕНИЕ ПРОХОДНЫХ
И НАКЛАДНЫХ ВТП
4.4.1. Проходные ВТП
С целью увеличения количества информационных параметров
сигналов, а иногда с целью уменьшения энергии, потребляемой
миниатюрным ВТП, при вихретоковом контроле применяют им-
пульсное возбуждение. В импульсном режиме могут работать как
трансформаторные, так и параметрические ВТП. При импульсном
возбуждении чаще всего используют прямоугольные импульсы, а
иногда радиоимпульсы. Импульсное воздействие тока возбуждаю-
щей катушки может быть представлено как совокупность воздей-
ствий гармонических составляющих тока iB. Полезная информация
от ОК, получаемая под воздействием гармонических составляю-
200
тих, различная, поэтому импульсное возбуждение ВТП можно
использовать для многопараметрового контроля. Кроме того, в
некоторых случаях легче решаются при импульсном возбуждении
задачи контроля одного или двух параметров объектов.
Рис. 4.38. Графики зависимости от времени //ц, Ф,„ для иеферромагнитной и
Фци для ферромагнитной трубы (о), Ф*п„ для ц. = 7 и (б), для раз-
личных «о (в) и Фв„. для различных а,2 (г)
Рассмотрим процессы в проводящем цилиндрическом ОК при
импульсном возбуждении наружного проходного ВТП. До пода-
чи импульса тока в возбуждающую катушку ВТП напряженность
магнитного поля в зоне расположения ОК равна нулю. Будем счи-
тать, что импульсное возбуждение ВТП обеспечивает скачок на-
пряженности магнитного поля от нуля до Но (рис. 4.38, а), т. е.
что постоянной времени возбуждающей катушки можно пренеб-
речь. На самом деле нарастание тока в возбуждающей катушке,
а следовательно, и напряженности магнитного поля Н имеет экс-
поненциальный характер. Скорость нарастания определяется по-
стоянной времени возбуждающей катушки. Влияние длительности
фронта возбуждающих импульсов на электромагнитные процессы
в цилиндрическом ОК будет рассмотрено далее.
201
При теоретическом исследовании импульсного возбуждения на-
ружного проходного ВТП, охватывающего цилиндрический объ-
ект, полагаем, что возрастание напряженности магнитного поля
вне ОК происходит скачком. Это соответствует как бы бесконеч-
ной частоте возбуждающего переменного тока ВТП. Вследствие
бесконечно большой скорости нарастания величины Н магнитное
поле в начальный момент /=0+ внутрь ОК не проникает, т. е.
Яц=0, и магнитный поток Фц в контролируемом цилиндре равен
пулю (рис. 4.38, а, в). Следовательно, можно считать, что вноси-
мый магнитный поток Ф,„ = ФЦ—Фо, обусловленный наличием в
ВТП цилиндрического ОК, в начале переходного процесса Ф„„(0+)
равен магнитному потоку Фо=л/?г2ройо через сечение цилиндри-
ческого ОК, где — внешний радиус ОК (рис. 4.38, б, г). Таким
образом, при /=0+
Ф«* = Ф»Л= 1.
Магнитный поток в контролируемом неферромагнитном цилинд-
ре Фц с течением времени стремится к значению Фо, а в ферро-
магнитном цилиндре — к значению ц,Фо (рис. 4.38, а).
Для определения зависимости Фм(/) во время переходного
процесса необходимо знать распределение напряженности магнит-
ного поля И (г, 0 внутри цилиндрического ОК. Воспользуемся
уравнением (1.25"). В цилиндрической системе координат урав-
нение имеет вид
/Ш , I дН дН
дГг + г дг t)t =0-
(4.58)
Решение этого уравнения находится с помощью интегрального
преобразования Лапласа на основе теоремы разложения, исполь-
зуемой в теории операционного исчисления. При решении необ-
ходимо использовать граничные условия (1.37).
Нестационарный вносимый магнитный поток через поперечное
сечение трубы
= 1...j Ь У, [,
L \ <4 ) J
(4.59)
где ai2==/?|//?2; т—/?22|1з<т — постоянная времени; R; и R2 —
внутренний и внешний диаметр трубы;
— корни характеристического уравнения
O'ni) — J о N 0 (а12^л) —‘ А (а12^яг) ^0
202
При контроле сплошного кругового цилиндра радиусом 7? с
помощью ВТП с однородным полем вносимый магнитный поток
Ф11Н(О=1— е
I \ т~1
(4.60)
где т=7?2р.аО.
Максимальное значение вносимого магнитного потока наблю-
дается при /=0+: Фвн(0+)= л7?2цоНо. Оно зависит только от внеш-
него радиуса цилиндрического ОК, что очень важно для практи-
ческого использования при импульсном возбуждении ВТП, и не
зависит ни от ст, ни от щ, ни от толщины стенки трубы (при
скачке напряженности магнитного поля).
На рис. 4.38, в приведены графики зависимости относитель-
ного магнитного потока цилиндра Фц*(Z) — Фц(/)/Фо, а на рис.
4.38, г — относительного вносимого магнитного потока Фвн*(0 =
==Фвн(0/Фвн(0+) в случае иеферромагнитной (щ=1) однослой-
ной трубы, рассчитанные по формуле (4.59) для (ц2=0,8... 0,99 и
в случае сплошного цилиндра (oi2=0) в функции времени /* = //?.
Зависимость относительного напряжения измерительной обмотки
ВТП от времени «*(/) имеет такой же вид, как и Фц*(/).
В начале переходного процесса величины Фц(/) и Фви(0 изме-
няются одинаково для сплошного цилиндра и для трубы. В по-
следующие моменты времени в зависимостях появляются разли-
чия, причем они наступают тем позже, чем больше толщина стен-
ки трубы. Крутизна зависимостей Фвн*(/) определяется удельной
электрической проводимостью <т материала и толщиной стенки
трубы. В случае тонкостенной трубы ФВ|| уменьшается очень
быстро. Так, для трубы с ai2=0,99 вносимый поток ФВ1) —0 при
/*~0,012т.
Для ферромагнитного цилиндра характер переходного элект-
ромагнитного процесса иллюстрирует рис. 4.38, б. В конечных
фазах процесса вносимый магнитный поток изменяет знак, так
как установившееся его значение Фуст==л/?2ца/7о в ферромагнит-
ном цилиндре в |1Г раз больше, чем в иеферромагнитной.
Площадь импульса вносимого магнитного потока
f ф„(0й/=л^3//0 V (4.61)
и I
для трубы II
J Ф„„(/)Л=0,125л/?2^^о (4.62)
о
для однородного цилиндра.
Из формул (4.61) и (4.62) следует, что площадь импульса
203
Фви, а следовательно, и среднее значение магнитного потока Фср
линейно зависят от удельной электрической проводимости о ма-
териала цилиндрического ОК, что очень важно для практики НК.
Реально в случае экспоненциального нарастания напряженно-
сти магнитного поля Н проходного ВТП, т. е. с учетом длитель-
ности фронта /ф#0 нарастания Н, максимальный магнитный по-
ток Фтах наблюдается не в начальный момент времени (t—0), а
Рис. 4.39. Графики зависимости
Фшах. от длительности фронта воз-
буждающих импульсов для пе-
ферромагннтной трубы
дует из рис. 4.39. Соотношения
чая конечного фронта импульса
в момент, зависящий от длитель-
ности фронта и от всех парамет-
ров ОК. На рис. 4.39 приведены
графики зависимости Фтах*
=Фтах/(л/?2гНо//о) ОТ отноше-
ния т//ф для различных значений
«12. При больших значениях от-
ношения т//ф значения Фтйх* в
трубе и сплошном цилиндре сов-
падают. Чем больше толщина
стенки, тем при меньших значе-
ниях т//ф обнаруживается это
различие.
Выражение (4.59) справедли-
во, если выбирать т//ф==»
—/?22роа//ф^ К)3 ... 10\ это сле-
(4.61) и (4.62) верны и для слу-
напряженпости магнитного поля,
что расширяет возможности вихретокового контроля при импульс-
ном возбуждении ВТП.
4.4.2. Накладные ВТП
При теоретическом исследовании импульсного возбуждения на-
кладного ВТП необходимо решить задачу о переходном процессе
в случае витка, расположенного над ОК, при скачкообразном воз-
растании тока от нуля до единицы. Используя интегральные пре-
образования Лапласа и Фурье — Бесселя, получают выражения
для векторного потенциала поля ВТП, характеризующие переход-
ный процесс в зависимости от параметров ОК.
Выражение для векторного потенциала ДИ|(0 поля, создавае-
мого вихревыми токами в ферромагнитном проводящем листе
(p,r=const), расположенном под накладным ВТП, имеет вид
А,, (О
2
l)th(X7’*)
+ 1) th (X7'„) +2^г
т
(> +^,)[2.“f+H+v^)th(XZ-,)
Л(ЧЛ(><,)£ ,(z«‘+s-‘)dx,
(4.63)
204
где т = A’2B|iacr, vm — корни уравнения 2jirv cos (vZ7*) + (pr2 —
v2)sin (vX7 *) =0. Для экранного накладного ВТП составляющая
векторного потенциала, обусловленная влиянием ферромагнитного
проводящего листа,
л,„(/)=-М-f Г_____________2^е”'‘__________
2 oL W + 0 "’(Щ) +2ii,ch(M-,)
+
vme (! i”‘m)
[21*Г+М'.(^+Д) cos (''«АЛ.)]
X J XC»» 2«»)dX.
Анализ формул (4.63) и (4.64) показывает, что величина А„, (/)
достигает максимума при / = 0+, который не зависит от а, р, и Т
листа и определяется
только расстоянием меж-
ду ОК и возбуждающей
катушкой накладного
ВТП. Площадь импульса
вносимого векторного по-
тенциала | /BH(/)dZ ли-
о
нейно зависит от <т.
Если создать вихрето-
(4.64)
ковый прибор, в котором Рис. 4.40. Графики зависимости Лви* от
ток возбуждающей об- времени для неферромагнитного листа
мотки ВТП имеет форму
прямоугольных импульсов, а напряжение измерительной обмотки
интегрируется, то среднее выходное напряжение интегратора пря-
мо пропорционально о, а максимальное его значение зависит
только от зазора накладного ВТП.
На рис. 4.40 приведены зависимости относительного векторного
потенциала Двн* (/*) =ЛВИ (/*)/А (0+) для витка радиусом /7. при
различных значениях относительной толщины 7* немагнитного
листа: /* — //т, 7* —7/(2RB). Из рис. 4.40 видно, что в начальные
моменты переходного процесса Лви* не зависит от толщины лис-
та, т. е. Лвк* изменяется так же, как и для накладного ВТП, рас-
положенного над полупространством (7->оо). Отличия наступают
тем позднее, чем больше Т.
При малых значениях 7* затухание вносимого магнитного по-
тока происходит по экспоненте. В этом случае параметры 7, и о
входят в формулы для Аък(1), а следовательно, и UBH(t) как со-
множители, поэтому раздельный контроль их накладными ВТП
при импульсном возбуждении практически невозможен.
В отличие от контроля немагнитных объектов при контроле
ферромагнитных объектов вносимый магнитный потокв конечных
205
фазах переходного процесса изменяет знак, причем установивше-
еся значение магнитного потока (при не превышает значе-
ния при Z,=0. С уменьшением 7”» электромагнитные переходные
процессы в случае ферромагнитных и неферромагнитных ОК от-
личаются меньше.
Характер переходных процессов в случае многослойных ОК по-
добен описанному. В начальные моменты переходного процесса
вносимый магнитный поток песет информацию о верхних слоях
многослойной среды, в более поздних фазах переходного процес-
са на Ф,ш, а следовательно, и на влияют все более глубокие
слои.
При возбуждении накладного ВТП импульсами тока с дли-
тельностью фронта /ф справедливы те же закономерности, которые
были выявлены при анализе импульсного возбуждения проходных
ВТП.
Задачи
4.4.1, Найти относительный вносимый в наружный проходной ВТП магнит-
ный поток Фвн» при возбуждении магнитного поля прямоугольным импульсом
H(t) в трубе с ai2==/?j//?2==0,95 в момент времени —//т —0,01.
Р о ш е я и е
По графикам Ф8„.(/.) (рис. 4.38) находим Ф|1И.~0,675.
4.4.2. Определить относительный вносимый векторный потенциал поля ЛВи.
накладного ВТП с прямоугольным импульсом тока ia(i) при возбуждении маг-
нитного поля в листе толщиной 7\ = 0,2 в момент времени /. = 0,1.
Р е i ii е н и е
По графикам Лвн.(/.) (рис. 4.40) находим /1ВЯ. —0,3.
4.5. ВИХРЕТОКОВАЯ ДЕФЕКТОСКОПИЯ
4.5.1. Сигналы проходных ВТП от дефектов
Сигналы проходных ВТП от дефектов зависят от многих фак-
торов: геометрических параметров дефектов, значения обобщенно-
го параметра контроля x=kR, формы и положения ОК, парамет-
ров ВТП, а для дифференциальных ВТП — от асимметрии его ка-
тушек, при контроле ферромагнитных ОК — от тока возбуждения
ВТП.
Проходные ВТП чаще всего используют для дефектоскопии
протяженных ОК, в первую очередь цилиндрической формы: прут-
ков, труб и проволоки. Для таких ОК, получаемых прокаткой или
волочением, наиболее характерны узкие продольные дефекты: тре-
щины, волосовины, риски, закаты и т. п. При анализе чувствитель-
ности проходных ВТП такие дефекты можно рассматривать как
бесконечно длинный и узкий разрез определенной глубины h, на-
206
правлеиный в глубь цилиндра по радиусу (дефект типа А на рис.
4.41).
На рис. 4.42 представлен годограф относительного комплекс-
ного приращения напряжения Ди, измерительной обмотки про-
ходного трансформаторного ВТП с однородным полем от относи-
'гельной глубины поверхностного дефекта h„=h/ (2R) (R — радиус
ОК) цилиндрического нефер-
ромагнитного ОК для различ-
ных значений обобщенного па-
раметра х2=7?2а>|1о<т при ко-
эффициенте заполнения т] = 1.
На рис. 4.43 приведена зави-
симость модуля /г.).
Рис. 4.42. Годографы AUt(h„)
для узких поверхностных дефек-
тов
Рис. 4.41. Дефекты в
круговом цилиндре
Графики рис. 4.43 показывают, что максимальный сигнал полу-
чается при х2~10. Однако при изменении х2 от 4 до 20 чувстви-
тельность ВТП к рассмотренным дефектам изменяется не более
чем на 20% и близка максимальной. При изменении х2 от 1 до
200 чувствительность проходных ВТП к этим дефектам изменяет-
ся меньше, чем в три раза. Это позволяет обнаруживать поверх-
ностные дефекты в цилиндрических ОК при значительных измене-
ниях их диаметра и удельной электрической проводимости при
одной и той же частоте тока возбуждения ВТП.
Уменьшение чувствительности проходных ВТП к узким поверх-
ностным дефектам при малых значениях параметра х объясняет-
ся уменьшением плотности вихревых токов в ОК- Очевидно, что
при х->0 плотность вихревых токов стремится к нулю и дефект
не может быть обнаружен.
При больших значениях х из-за скин-эффекта вихревые токи
«прижимаются» к поверхности ОК, в том числе и к «стенкам» де-
фекта, и влияние токов, направленных навстречу друг другу с
обеих сторон трещины, на магнитный поток в значительной степе-
ни компенсируется. На рис. 4.44 показаны линии равной относи-
тельной напряженности Я* магнитного поля, форма которых сов-
207
падает с формой контуров вихревых токов в цилиндре с дефектом.
Чем больше х, тем плотнее вихревые токи «прилегают» к стейкам
(«берегам») дефекта и тем меньше становятся сигналы от узких
дефектов; при х->оо дефекты также практически не обнаружива-
ются.
Если дефект имеет значительную ширину (значительное «рас-
крытие») (дефект типа В на рис. 4.41), то он может быть обнару-
жен и при х-»-оо. Чувствительность проходного ВТП к нему хотя
и убывает, но стремится к некоторому значению, отличному от
нуля.
Рис. 4.43. Графики зависимости
модулей |ЛС7*| от глубины длин-
ных поверхностных дефектов в
неферромагнитном цилиндре и от
обобщенного параметра №
Рис. 4.44. Распределение напря-
женности магнитного ноля в сече-
нии цилиндра с дефектом глуби-
ной ht~Q,2 при №==16
Годографы относительного приращения Дй, и его модуля Д[7*
от относительной ширины (раскрытия) t/h поверхностного дефек-
та типа В приведены на рис. 4.45 для цилиндрического ОК с де-
фектом глубиной /и —0,15 при х2 = 15. Как видно из рис. 4.45, из-
менение относительной ширины дефекта t/h от 0,01 до 0,1, что
реально встречается на практике, несущественно влияет на сиг-
нал, а при дальнейшем ее увеличении Д1/* резко возрастает. На
рис. 4.45, а для сравнения показано влияние изменения диаметра
ДО (%) цилиндрического ОК на приращения напряжения про-
ходного ВТП (штриховая линия). Зависимости, аналогичные при-
веденным на рис. 4.45, характерны и для других значений пара-
метра х2.
Годограф приращения Д17* и зависимость его модуля от отно-
сительной глубины залегания б»=6/(2/?) узкого длинного подпо-
верхностного дефекта (дефект типа С на рис. 4.41) приведены на
рис. 4.46 для х2 = 15. Из рис. 4.46 видно, что с увеличением 6*
208
ImAIf*
Рис. 4.45. Годографы Д[7. (а) и графики зависимости модуля ДС/. (б) от от-
носительной ширины поверхностного дефекта
Рис. 4.46. Годографы Д(7. (а) и графики зависимости модулей Д£Л (б) от глу-
бины залегания подповерхностных дефектов в неферромагнитном цилиндре при
х2==15
209
убывает модуль приращения напряжения и значительно изменя-
ется его аргумент. При увеличении б* от нуля до 0,1 аргумент
Л(7* изменяется приблизительно на 90°. Это необходимо учитывать
при реализации амплитудно-фазового способа ослабления влияния
мешающих факторов (см. § 4.6) при вихретоковой дефектоскопии
цилиндрических ОК. Из рис. 4.46, б видно, что чувствительность
Рис. 4.47. Годографы
й. проходного ВТП
для кругового ци-
линдра с поверхност-
ными и подповерх-
ностными дефектами
проходного ВТП к дефектам резко убы-
вает при увеличении 6*, и тем резче,
чем больше х2. Из рис. 4.46, б следует,
что при увеличении б* от 0 до 0,02 ве-
личина АР* уменьшается более чем в
два раза при х2---5 и 15 и в семь раз
при х2==150. Таким образом, для обна-
ружения подповерхностных дефектов не-
Рис. 4.48. Влияние длины
дефекта в круговом цилинд-
ре на сигналы проходного
ВТП
обходимо выбирать режим контроля, соответствующий х2г$;5.
Диаграммы рис. 4.42, 4.43, 4.45 и 4.46 позволяют определить
глубину дефектов неферромагнитных цилиндрических ОК по из-
вестным приращениям напряжения АР* и значениям параметра
х2. Погрешность определения глубины дефектов определяется от-
клонениями формы и ориентации реальных дефектов от принятых
для годографов.
Для реализации часто применяемого амплитудно-фазового спо-
соба ослабления влияния мешающих факторов большое значение
имеет взаимное положение на годографах приращений АР* линий
влияния дефектов АР, (Л,), радиуса ОК АР (Я) и удельной элект-
рической проводимости АР,(о). На рис. 4.47 зачерненные зоны
определяют геометрические места концов векторов приращений
напряжений проходного ВТП Р„ обусловленных наличием уз-
ких продольных дефектов при разных значениях h* и б*. Макси-
210
малыюе приращение напряжения соответствует дефекту глубиной
й. = 0,2.
С увеличением № угол между линиями АС, (/?) и ДО, (Л.) воз-
растает. Однако при этом чувствительность к подповерхностным
дефектам может значительно уменьшаться. Амплитудно-фазовый
способ выделения информации следует использовать с учетом
того, что аргумент приращений напряжения от дефектов может
изменяться в широких пределах в зависимости от значений ft. и
6», а также от ориентации и формы дефекта. Например, при ос-
лаблении влияния изменений о возможно уменьшение чувстви-
тельности к подповерхностным дефектам
(вплоть до нуля при некоторых значениях /
6.). /V \
Влияние длины I дефекта цилиндрического / X \
ОК на модуль приращения напряжения от М ( -уХ)с I
дефекта иллюстрирует рис. 4.48, на котором \7 /
по оси абсцисс отложена относительная дли- 8Ч-----------X /
на дефекта /» = //(2/?), а по оси ординат— X/
значения /l. = AO,i,/At/.,„„ где ДО,;,— отпо- —-S
сителыюе приращение напряжения от дефек- ,, . „
та с относительной длиной Al/,»— относи- дефскты в трубе
тельное приращение напряжения от бесконеч-
но длинного дефекта той же глубины. Из рис. 4.48 следует, что
можно считать бесконечно длинными дефекты глубиной /1»ХО,О5
при дефекты глубиной /i.scrO,! при /»>2, дефекты глуби-
ной й»>0,2 при Z»>3. При этом погрешность в определении при-
ращений напряжения от дефекта не превышает 10%.
Дефекты в прутках квадратного сечения. Сигналы проходного
ВТП с однородным полем от дефектов в прутках квадратного се-
чения зависят от параметров дефектов примерно так же, как и в
случае цилиндрических ОК круглого сечения, если диаметр ци-
линдра равен стороне квадрата сечения ОК. Это позволяет ис-
пользовать диаграммы рис. 4.42, 4.43, 4.45 и 4.46 для ориентиро-
вочных расчетов приращений напряжения от дефектов в прутках
квадратного сечения.
Влияние дефектов в трубах (рис. 4.49) на сигналы проходного
ВТП отражают диаграммы рис. 4.50. Эти диаграммы построены
для трех значений х2 = /?2гыр0а=5, 15 и 50 и четырех значений
толщины стенки трубы —/%)/(2/%) =0,165; 0,13; 0,10;
0,065, где R, и /% —соответственно внутренний и наружный радиу-
сы контролируемой трубы. Сплошными линиями изображены го-
дографы приращений напряжений от дефектов типа А и С (рис.
4.49), а штриховой линией для дефекта типа В. Глубина дефектов
hT„ нормирована по толщине стенки Т.
Влияние глубины залегания дефекта под поверхностью б, по-
казано иа рис. 4.50 штриховыми линиями, из которого видно, что
чувствительность проходных ВТП к дефектам труб зависит от
211
частоты тока возбуждения ВТП и толщины стенки труб. Так, при
х1—15 чувствительность ВТП как к поверхностным, так и к под-
поверхностным дефектам труб значительно выше, чем при х2 —50.
Рис. 4.50. 1 одографы Д1). проходного ВТП от дефектов в трубах при различ-
ных значениях хг
с большей толщиной стенок (7’* = 0,165 и 0,13) она выше, чем при
х2 = 15. При малых толщинах стенок труб (Т*=0,1 и 0,065) чув-
ствительность ВТП и к поверхностным и подповерхностным де-
212
фектам при = 5 немного ниже, чем при х2=15. Это связано с
глубиной проникновения электромагнитного поля в стенку трубы.
Чувствительность к подповерхностным дефектам в большинст-
ве случаев меньше, чем к поверхностным, но при малых толщинах
стенок труб эти чувствительности практически одинаковы. В не-
которых случаях, например для х2—15, при 7\=0,1 чувствитель-
ность к подповерхностным дефектам даже
поверхностным. На рис. 4.51 сплошной
л и н и е й 11 о к а з а и г р а ф и к з а в и с и м о ст и
приращения напряжения Д(Д от глуби-
ны дефекта в трубе с толщиной
стенки 7"* —0,13 при х2—15. Для срав-
нения штриховой линией показана зави-
симость Л77* от глубины поверхностного
дефекта в сплошном цилиндре при х2 =
— 15. Из рис. 4.51 видно, что относитель-
ное приращение напряжения Д17* от де-
фекта при А7*<0,75 для трубы меньше,
несколько выше, чем к
Рис. 4.51. Зависимость
Л(7, проходного ВТП от
глубины дефекта в ци-
линдре и в трубе
чем для сплошного цилиндра, а при
Лг*>0,75 оно больше.
Влияние дефектов протяженных ОК
сложного профиля (биметаллические ци-
линдры, трубы сложного профиля и др.)
на сигналы ВТП существенно не отличается от рассмотренного
выше. Это справедливо не только для наружных, но и для внут-
ренних и экранных проходных ВТП.
4.5.2. Сигналы накладных ВТП от дефектов
Сигналы накладных ВТП от дефектов, как и сигналы проход-
пых ВТП, зависят от геометрических параметров дефекта и его
ориентации относительно ВТП, значения обобщенного параметра
контроля р, параметров ВТП, тока возбуждения (для ферромаг-
нитных материалов). Кроме того, на сигналы накладных ВТП от
дефектов влияют форма и кривизна поверхности объекта в зоне
контроля, а также в сильной степени расстояние (зазор) между
ВТП и ок.
Годографы приращений напряжения накладного ВТП, распо-
ложенного над неферромагнитным полупространством, от глубины
А* узких длинных дефектов, а также от глубины залегания б* де-
фектов при р = 0,57Ээ!Л/ «Ро3 =^би относительном зазоре £=0,375
приведены на рис. 4.52. Для накладного ВТП зазор, глубина де-
фекта и глубина его залегания пронормированы по эквивалентно-
му диаметру преобразователя D3K.
На рис. 4.53 показаны графики зависимости Д7Л(₽, Л*) и
ЛУ*(р, б*). Из рис. 4.53, а видно, что максимальные приращения
напряжения от поверхностных дефектов получаются при р=6... 10.
213
При использовании накладных ВТП в
дефектоскопах для уменьшения влияния
зазора очень часто применяют амплитудно-
фазовый способ выделения информации.
В связи с этим представляет интерес зави-
симость проекции ALj_* приращения напря-
жения на направление вектора опорного
напряжения, перпендикулярное линии
влияния зазора. На рис. 4.54 показаны
графики зависимости /**) и
6*). Графики рис. 4.54, б показы-
вают, что у дефектоскопов с амплитудно-
фазовым способом подавления влияния
изменения зазора чувствительность к под-
поверхностным дефектам убывает медлен-
но при увеличении глубины залегания д*
и может быть даже выше чувствительности
к поверхностным дефектам. Так, при р = 6
кривая ,AL/|*(6 ) имеет резко выраженный
максимум, а при р = 2 чувствительность
Рис. 4,52. 1 одографы накладного ВТП к дефектам существенно
Ли» накладного ВГП от 1 » п
глубины узких длинных ||е изменяется при изменении Л. от 0 до
дефектов в проводящем 0,3.
полупространстве Зависимость приращения напряжения
накладного ВТП от длины дефекта показа-
на па рис. 4.55, из которого видно, что сигналы от дефекта воз-
растают при увеличении длины дефекта l.==l/D„.
Зависимости, приведенные на рис. 4.52 ...4.55, показывают, что
чувствительность накладного ВТП к дефектам определяется раз-
Рис. 4.53. Графики зависимости сигналов накладного ВТП, обусловленных де-
фектами, от обобщенного параметра р (п) и глубины б залегания дефектов (б)
214
Рис. 4.54. Графики зависимости проекции векторов напряжений, обусловленных
поверхностными (а) и подповерхностными (6) дефектами, на направление,
перпендикулярное линии влияния изменения зазора
мерами дефектов, отнесенными к эквивалентному диаметру преоб-
разователя. Отсюда следует вывод, что для обнаружения мелких
дефектов необходимо уменьшать диаметр ВТП. В этом состоит
одно из важнейших преимуществ накладного ВТП по сравнению
с проходным.
Подтвердим это следующим примером. Пусть необходимо обнаружить уз-
кие поверхностные дефекты глубиной h=2 мм и длиной /==7,5 мм в прутках
кругового сечения диаметров D — 20 мм из латуни (о = 18 МСм/м).
Рассчитаем приращение напряжения проходного дифференциального ВТП
с однородным полем, считая, что расстояние между измерительными катушками
(база Ь) значительно больше диаметра D прутка, а коэффициент заполнения
т) —0,64. Оптимальное значение обобщенного параметра контроля найдем из
графика рис. 4.43: хг=10. Следовательно, частота тока возбуждения ВТП
fp —4х2/(2л|1!)/)н) —700 Гц.
Пусть начальное напряжение /Л=1 В. Из графика рис. 4.43 для ft.=
= h/D = 0,l и х2=10 найдем относительное приращение напряжения измери-
тельной обмотки АТ/. = 0,019. Абсолютное значение этого приращения
ДТ7 = =- 1-0,64-0,019 0,012 В 12 мВ.
Учитывая ограниченную длину дефекта Z/Z) = 0,375), из графика рис.
4.48 найдем поправку Л. = 0,55. Тогда
AT7Z =- л,иЛ* -----
Определим теперь приращение напря
жения от этого дефекта накладного ВТП.
если его эквивалентный диаметр DaK=
=3 мм. Для такого диаметра ВТП отно-
сительная длина дефекта /.--=//£>* 2,5, а
относительная глубина ht — h/DiK=0,G6.
Оптимальное значение обобщенного
параметра найдем из рис. 4.53: р = 7.
Если принять начальное напряжение Т/п =
= 1 В и зазор, равной 1 мм, т. е. £ —
= 0,33, то из диаграммы рис. 4.53 полу-
чим АТД — 0,04, т. е. АТ/ = T/oAt/* =
~40-10~3 В. Таким образом, сигнал от
рассматриваемого дефекта при использо-
вании накладного ВТП в 6 раз боль-
ше, чем при использовании проходного.
Рис. 4.55. Зависимость АТ/, на-
кладного ВТП от длины дефекта
4.5.3. Анализ огибающей сигналов ВТП
от дефектов
В вихретоковой дефектоскопии широко применяется модуля-
ционный метод выделения информации, основанный на оценке
пространственного распределения параметров ОК. При использо-
вании этого метода ВТП перемещается относительно ОК с неко-
торой скоростью V. Если известна зависимость сигнала ВТП от
положения дефектного участка ОК относительно ВТП, то по из-
вестной скорости взаимного перемещения ОК и ВТП можно опре-
делить форму огибающей модулированного сигнала.
Форма огибающей модулированного напряжения абсолютного
проходного ВТП с однородным полем и короткими измерительны-
ми катушками при продольном перемещении длинного проводяще-
го цилиндра с точечным поверхностным дефектом (длина и шири-
на дефекта меньше 0,2/?„) может быть определена по приближен-
ной формуле колоколообразного импульса:
zz (/) — (4.65)
где 17тах — максимальное значение импульса напряжения; т„—
длительность импульса напряжения на уровне 0,5Утах. При этом
можно пользоваться приближенной формулой
та = 0,425г<1( 1,54 3) при д<;0,6, (4.66)
где t0=2/?„/v.
Спектр сигнала от точечного дефекта также имеет форму ко-
локолообразного импульса
U(Q) =0,125(/,„аЛе^ 1268*’» (4.67)
с шириной AQ=4/th на уровне 0,5 от максимального значения.
Форма огибающей модулированного импульса напряжения
дифференциального проходного ВТП от точечного поверхностного
дефекта описывается выражением
/ 4/2 4-г^2\ ( 2Ж
u(t)^=2Umax ехр------------- sh___
к 2г2 ) <
где b/(2Rtt)—относительная база дифференциального ВТП;
b — расстояние (база) между средними плоскостями измеритель-
ных обмоток дифференциального ВТП.
Спектр сигнала, описываемый выражением (4.68), можно най-
ти по формуле
/7(2)= | 2£/max sin (О,5^2го) | ехр (-0,018522г2). (4.69)
На рис. 4.56 представлены формы и спектры сигналов дифферен-
циального проходного ВТП от точечного дефекта глубиной &*=
216
(4.68)
—0,05 для различных 5* при tj 0,3(> и 0,81. Па рис. 4.56, а кри-
вые (/*(/) пронормированы по начальному напряжению, а на рис.
4.56, б кривые 77*— по максимальному значению спектра сигнала
Рис. 4.57. Зависимость фор-
мы огибающей модулиро-
ванного напряжения диф-
ференциального проходного
ВТП от длины поверхност-
ного дефекта в круговом
цилиндре
Зависимости формы огибающей модулированного напряжения,
т. е. AU*(z*), где z* — расстояние между центрами дефекта и
дифференциального проходного ВТП, от длины /* = // (2/?и) узких
поверхностных дефектов глубиной /z*=0,05 при т|=0,64 и базе
6* = 0,8 показаны на рис. 4.57. При
/*>2 амплитуда 17гпах импульсов
напряжения практически остается
неизменной, а расстояние между
пиками импульсов увеличивается.
При /*<0,2 форма импульса почти
не отличается от формы, соответст-
вующей /* = 0,22.
Для повышения отношения сиг-
нал/помеха целесообразно умень-
шав базу, поскольку при этом
ослабляются помехи, вызванные,
например, изменениями диаметра
ОК или его удельной электриче-
ской проводимости. Однако при
этом следует иметь в виду, что с
уменьшением базы уменьшаются
длина зоны контроля и значение
Umax, поскольку ЗОНЫ КОНТРОЛЯ И3-
мерительных катушек дифферен-
циального проходного ВТП при малых />* перекрываются. Опти-
мальное значение Ь* — 0,25... 0,5, при этом Umax уменьшается не
более чем на 30% от /7тах, соответствующего &*»1-
Увеличение глубины дефекта Л* от 0,025 до 0,2 существенно
217
не влияет на форму импульсов напряжения, изменяя только зна-
чение С/max. С уменьшением коэффициента заполнения ц длитель-
ность импульсов напряжения увеличивается, a Uma* уменьшается.
'Гак, изменение т] от 0,0025 до 0,81 приводит к уменьшению дли-
тельности импульса от точечных дефектов примерно в семь раз.
Это необходимо учитывать, хотя на практике редко встречаются
случаи изменения 1] в процессе контроля более чем в 10 раз.
Для определения формы огибающей модулированного напря-
жения (формы импульса) накладного ВТП при движении его от-
носительного точечного дефекта со скоростью v можно пользо-
ваться приближенной формулой
u(t)~U е™'*7'*, (4.70)
т
где V — напряжение измерительной обмотки накладного ВТП при
отсутствии дефекта; т~/?эк/^, Яж— эквивалентный радиус на-
кладного ВТП. \
Спектр такого импульса
t/(S)=O,5KTt/Sre-02SsM (1-0.1252М). (4.71)
Если накладной ВТП периодически перемещается над дефек-
том, например при вращении вокруг цилиндрического ОК радиу-
сом R, то огибающую модулированного сигнала (периодического
несинусоидального напряжения) можно представить в виде ряда
гармоник, нормированных по амплитуде первой гармоники (п =
С='1)' |-0,5(лЯэ11да ,
{/,(«)=ехр[/?;к (1 -п’)/(4^)]^-' (4'z2)
На рис. 4.58 показаны спектры огибающей модулированного
напряжения накладного ВТП U.(n), где п — номер гармоники, для
точечного, продольного и поперечного дефектов. Под продольны-
ми понимают дефекты, ориентированные вдоль направления дви-
жения оси ВТП, а под поперечными — ориентированные поперек
этого направления.
При использовании модуляционного метода вихретоковой де-
фектоскопии важно, чтобы спектр импульсов, соответствующих де-
фектам, отличался от спектра модулированного напряжения, обу-
словленного влиянием мешающих факторов. Следует отметить,
что спектры помех от изменений диаметра и удельной электриче-
ской проводимости о для проходных ВТП, от изменений а и зазо-
ра между ВТП и ОК для накладных ВТП, как правило, сущест-
венно отличаются от спектров сигналов от дефектов. Спектры по-
мех от ОК обычно более низкочастотны, а спектры электрических
помех более высокочастотны.
При вращении накладного ВТП вокруг цилиндрического ОК
радиусом R (или при вращении ОК) основным мешающим факто-
218
Рис. 4.58. Спектры огибающей мо-
дулированного напряжения на-
кладного ВТП для точечного (/),
продольного (2) и поперечного
(3) дефектов
ром является изменение зазора между ОК и ВТП. Частота ос-
новной гармоники огибающей модулированного напряжения при
изменении зазора (наличие биении вращающегося ОК или ВТП)
/•'б = Д^/60, где N— частота вращения. При этом спектр «импуль-
сов биений» лежит в основном в низкочастотной области. Поэто-
му для ослабления влияния зазора
су пропускания усилителя дефекто-
скопа, ориентируясь на подавление
основной гармоники /7б или выби-
рая нижнюю частоту полосы
пропускания из соотношения Ftl==
— (0,6 ...0,8) FtiR/RsK для точечного
и поперечного дефектов и из соот-
ношения Fit = 0,4F()R/RiK для про-
дольного дефекта. Верхняя частота
полосы пропускания для точечного
и поперечного дефектов -
= 4,6 FgR/Rjk, а для продольного
Fa==l,8 FqR/Rsk. Ограничение поло-
сы пропускания сверху целесооб-
разно для подавления влияния им-
пульсных помех, вызванных измене-
нием напряжения сети.
При уменьшении отношения
Rsk/R спектр огибающей сигнала от дефекта сдвигается в область
высоких частот. В то же время спектр импульсов биений при не-
изменном зазоре изменяется мало. Следовательно, уменьшая от-
ношение R3K/R (уменьшая соответственно диаметр ВТП), можно
добиться лучшего выделения сигналов от дефектов. Полоса про-
пускания усилителя дефектоскопа при этом должна быть смеще-
на в сторону более высоких частот.
Задачи
4.5.1. Определить приращение напряжения Al7 измерительной обмотки ра-
диусом /С~!0 мм наружного проходного ВТП с однородным полем от узкой
продольной поверхностной трещины глубиной Л —2 мм в немагнитном прово-
дящем Цилиндре радиусом R — 5 мм с удельной электрической проводимостью
= 25,3 МСм/м на частоте [—-! кГц, начальное напряжение ВТП Uo —0,5 В.
Р е ш е и и е
Сначала необходимо найти значения обобщенных параметров:
Л* = Л/(2й) = 0,2; чеМ—Y==0,25; х‘‘ = = 52 Ю-^Х
\ /
Х2л- 103.4л. 10-7-25,3-10з - 5.
По графику рис. 4.42 для ц — 1.0 находим А(7* =—0,021 -НО.043.
Искомое приращение напряжения Аб’=цД{Л(7о —0,25(—0,021+J0.043) X
Х0,5= (-0,0026-И0,0054) В == (—2,6-f-j5,4) мВ.
219
4.5.2. Определить приращение напряжения Al7 измерительной обмотки на-
кладного ВТП (/?в= /?и = 5 мм) от узкого подповерхностного дефекта глуби-
ной h—3 мм и глубиной залегания 6=0,2 мм в проводящей (сг--58,4 МСм/м)
пластине большой толщины (толщина пластины значительно больше глубины
проникновения магнитного поля в пластину) при f^=2,0 кГц, если начальное
напряжение 1/о=О,5 В, а зазор между ВТП и ОК равен 3,75 мм.
Р е ш е н и е
Найдем значения обобщенных параметров: h.=h/DM — 0,3; 6, = 6/Рэи-=
= 0,02; ₽ = 0,5/)эк/ <W ~6; относительный зазор § = 0.375.
По графику рис. 4.52 находим Д0.=—O,OO15-t-jO,O175. Искомое прираще-
ние напряжения Д<7= (—0,754-j8,75) мВ.
4.6. СПОСОБЫ ОСЛАБЛЕНИЯ ВЛИЯНИЯ МЕШАЮЩИХ ФАКТОРОВ
4.6.1. Возможности многопараметрового вихретокового
контроля
Одна из основных особенностей вихретокового контроля по
сравнению с другими видами неразрушающего контроля состоит
в том, что выходная информация, поступающая от ВТП, зависит
от большого количества параметров ОК и других влияющих фак-
торов. К параметрам ОК относят: размеры (диаметр прутков и
труб, толщина листов, проводящих и непроводящих покрытий, сте-
нок труб, слоев двуслойных и многослойных изделий и т. п.); эле-
ктромагнитные параметры (удельная электрическая проводимость,
магнитная проницаемость и связанные с ними химический состав
материала, твердость, глубина поверхностных слоев термической
и химической обработки изделий — закалки, цементации, обезуг-
лероживания и т. д.); параметры дефектов (глубина, ширина, дли-
ла, положение их в ОК, глубина залегания и др.). Помимо пара-
метров ОК к влияющим факторам можно отнести: положение ОК
по отношению к ВТП; расстояние между ВТП и ОК; нестабиль-
ность напряжения, частоты тока возбуждения ВТП; электромаг-
нитные наводки в преобразователе, измерительной цепи, блоках
формирования и обработки информации и др.
Все влияющие факторы при вихретоковом контроле делятся
на контролируемые параметры ОК и мешающие факторы (пара-
метры). В практике вихретокового контроля требуется селектив-
ное определение одного, двух, реже большего количества пара-
метров ОК. Поэтому одна из самых важных и наиболее трудных
проблем реализации вихретокового контроля, создания селектив-
ных вихретоковых приборов заключается в ослаблении влияния
мешающих факторов и параметров ОК. Ослабить влияние внеш-
них мешающих факторов (температура окружающей среды, эле-
ктромагнитные наводки и др.) легче, чем влияние мешающих па-
раметров ОК, поскольку они, как правило, связаны с контроли-
руемыми параметрами.
220
Носителем полезной информации о контролируемом параметре
служит сигнал ВТП. Для трансформаторного ВТП сигналом слу-
жит напряжение (эдс) измерительной катушки, а для параметри-
ческого — изменение его комплексного сопротивления. Если ВТП
работает на одной частоте, то его выходной сигнал имеет два па-
раметра: амплитуду и фазу напряжения (или активную и реак-
тивную составляющие напряжения/сопротивлепия, или модуль и
аргумент комплексного сопротивления). Производными этих двух
параметров сигнала могут быть: резонансная частота и напряже-
ние колебательного контура, включающего ВТП; частота и амп-
литуда колебаний автогенератора, построенного с использованием
этого колебательного контура; емкости и сопротивления плеч мос-
товой цепи, содержащей параметрический ВТП, при которых про-
исходит уравновешивание моста, и др.
Выбор и использование той или иной выходной величины оп-
ределяется поставленной задачей и требованиями к измеритель-
ной цепи и аппаратуре. В зависимости от количества учитываемых
параметров различают однопараметровый, двухпараметровый и
многопараметровый контроль. Однопараметровый контроль, яв-
ляющийся простейшим вариантом вихретокового контроля, приме-
няют, как правило, тогда, когда влияние контролируемого пара-
метра на выходную величину существенно больше влияния других
параметров. В этом случае условия контроля выбирают такими,
чтобы чувствительность ВТП к контролируемому параметру была
много больше чувствительности ВТП к другим влияющим факто-
рам. Примером одиопараметрового контроля может служить из-
мерение диаметра цилиндрического ОК (проволоки, прутка и т. п.).
Выбрав частоту тока возбуждения ВТП достаточно высокой, мож-
но добиться необходимого ослабления влияния удельной электри-
ческой проводимости на выходные параметры ВТП (см. рис. 4.20).
При проектировании средств одиопараметрового вихретокового
контроля необходимо правильно выбрать тип и конструкцию ВТП,
проанализировать его годографы и диаграммы чувствительности
с целью выбора оптимальной частоты тока возбуждения ВТП.
4.6,2. Двухпараметровые способы выделения информации
Двухпараметровые способы выделения информации получили
наибольшее распространение в практике вихретокового НК и при-
меняются в случаях, когда сильное влияние на выходные сигналы
ВТП помимо контролируемого оказывает еще один параметр —
мешающий. Выбор способа ослаблепиия (подавления) влияния ме-
шающих факторов, при котором погрешность контроля минималь-
на, основан на анализе зависимостей выходных сигналов В1Т1 от
контролируемого и подавляемого параметров. При двухпарамет-
ровом контроле чувствительность к контролируемому параметру
обычно снижается, но чувствительность к мешающему фактору
221
составляющие комплекс!
параметроном контроле,
частоте, оди н пара метр
Re
Рис. 4.59. К пояснению
амплитудного способа
выделения информации
уменьшается в большей степени. В результате возрастает отноше-
ние сигпал/помеха.
Носителями полезной информации при двухпараметровом конт-
роле могут быть амплитуда, фаза, проекция вектора приращения
напряжения на выбранное в комплексной плоскости направление,
loro сопротивления ВТП и др. При двух-
осуществляемом, как правило, на одной
ОК является контролируемым (рв), дру-
гой параметр (фактор) — подавляемым
(Рп).
Одновременное ослабление влияния
нескольких мешающих факторов при
двухпараметровом контроле возможно
лишь в тех случаях, когда характер их
влияния на параметры сигнала ВТП не
отличается от характера влияния по-
давляемого фактора. В основе двухпа-
раметрового контроля лежит различное
влияние на параметры сигнала контро-
лируемого и подавляемого факторов.
К наиболее распространенным двухпа-
раметровым способам выделения инфор-
мации при вихретоковом контроле отно-
сятся амплитудный, фазовый и ампли-
тудно-фазовый, основанные на использо-
вании соответственно амплитуды, фазы, а также одновременно
амплитуды и фазы выходного напряжения ВТП. Все эти способы
используют гармонический режим возбуждения ВТП. Общим для
них является то, что сигнал имеет два информационных парамет-
ра и в результате компенсации части выходного напряжения ВТП
начальная рабочая точка устанавливается в определенном месте
комплексной плоскости вносимых напряжений ВТП, что изменя-
ет функцию влияния параметров ОК на сигналы ВТП.
Амплитудный способ. Рассмотрим часть годографа вносимых
напряжений 178|Ъ обусловленных изменениями контролируемого па-
раметра и подавляемого фактора (параметра) р„ (рис. 4.59).
Амплитуда напряжения ВТП (модуль комплексного напряжения)
может лишь в небольшой степени зависеть от изменения подав-
ляемого параметра, если рабочая точка из начала координат сме-
щается в точку Л' комплексной плоскости и[И1, расположенную на
нормали NN' к годографу С/вп(рп) в точке А, соответствующей ОК
с номинальными параметрами (рко, рпо). Этого можно добиться
вычитанием компенсирующего напряжения йк из напряжения из-
мерительной обмотки ВТП: IJa = Uh—где UH— начальное вно-
симое напряжение при рк0 и рп0. Если изменение подавляемого
фактора рп вызывает смещение конца вектора (7Вн из точки А в
точку В, то разность модулей векторов ОА и Ub MJ^Ua—
222
В то же время при изменении контролируемого параметра рк
(точка С) ДУ = ОЛ—Uc=S,Aps sin а, где SK=dU/дрк— ткулъ
чувствительности ВТП к контролируемому параметру рк; а — угол
в точке А между направлениями па комплексной плоскости линий
влияния факторов рк и р„.
Амплитудный способ двухпараметрового контроля целесооб-
разно применять тогда, когда годографы (р„) близки дугам
концентрических окружностей, а угол а между касательными к
ним и годографами Ув„(р,) значителен (л/4<а<л/2). Очень
Рис. 4.60, Структурная схема прибо-
ра, использующего амплитудный спо-
соб выделения информации
Рис. 4.61. Схема компен-
сирующего устройства
важно, чтобы этот угол мало изменялся при значительных прира-
щениях параметров рк и рп. В противном случае, т. е. когда ли-
ния влияния ра отличается от окружности, а линии влияния рк —
от прямой линии, амплитудный способ приводит к погрешностям
контроля, которые тем больше, чем сильнее отличие UKK{pn) от
окружности, а £7Вн(рк)—от прямой линии. Так как в этом случае
выходное напряжение прибора пропорционально sin а, то наилуч-
шие условия выделения информации о параметре рк будут при
а->90°.
Амплитудный способ выделения информации целесообразно
применять, например, для контроля диаметра прутков проходны-
ми ВТП или толщины диэлектрических покрытий (что идентично
изменению зазора между ВТП и ОК) накладными ВТП с подав-
лением влияния изменений удельной электрической проводимости
о (см. годографы соответственно на рис. 4.21 и 4.30).
Схема прибора, основанного на использовании амплитудного
способа ослабления влияния мешающих факторов (рис. 4.60). Ав-
тогенератор (АГ) синусоидальных напряжений обеспечивает ток
возбуждения ВТП и напряжение компенсатора (К). Сигналы с
ВТП усиливаются усилителем (У) и детектируются амплитудным
детектором (АД), а постоянное напряжение детектора подается
на индикатор (И). Компенсатор (К) позволяет отрегулировать
компенсирующее напряжение по амплитуде и фазе так, чтобы
оно соответствовало требованиям подавления влияния мешаю-
щего фактора. Компенсатор можно выполнить в виде различ-
223
р Rf'
Рис. 4.62. К пояснению фа-
эового способа выделения
информации
ных устройств и, в частности, в виде устройства (рис. 4.61), поз-
воляющего плавно регулировать активную Re и реактивную
Im UK составляющие выходного напряжения компенсатора. Режим
работы ВТП выбирается таким образом, чтобы обобщенный пара-
метр X или р соответствовал рабочей точке А (см. рис. 4.59), в
которой наилучшим образом выполняется условие а-х-900, а го-
дографы Ув„(р„) приближаются к ду-
гам окружностей.
Настройка прибора, основанного
на амплитудном способе выделения
информации, начинается с компенса-
ции начального напряжения и0 ВТП
•(при отсутствии ОК). Эта операция
называется установкой нуля («Уст.
О»), При настройке компенсатора ре-
гулировкой переменных резисторов
Ri и Кг добиваются, чтобы в точке
К, выбранной иа пересечении норма-
лей к й,а (р„) |pK=const в точках
Рп mln и Рп max, бЫЛО МИНИМаЛЬНЫМ
влияние р„ на вносимое напряжение.
Калибровка прибора осуществляется
с помощью образцов ОК, имеющих
экстремальные значения параметров
Рк mln И Рк max При р„== рп ном-
Фазовый способ. Фаза напряжения
ВТП может почти не зависеть от
подавляемого параметра р„, если на-
чальная рабочая точка К находится на касательной ТТ (рис. 4.62)
к линии влияния рп в точке А, соответствующей ОК с но-
минальными параметрами. На рис. 4.62 видно, что при изменении
параметра р,„ т. е. при переходе из точки А в точку В, разность
аргументов r|ia=arg Ув„л—arg У„|В вносимого напряжения О„ из-
меняется мало, а при изменении параметра рв, т. е. при переходе
из точки А в точку С, разность аргументов фс—arg 1?внз—arg Утю
имеет существенно большее значение.
Приращение контролируемого параметра при фазовом способе
Лрк = ил tgi|>c/(SKsina), где SK —модуль чувствительности ВТП
к контролируемому параметру; а — угол между линиями влияния
параметров рк и р„ в точке А на комплексной плоскости
Фазовый способ вихретокового контроля целесообразно исполь-
зовать при совмещении точки компенсации К с точкой пересече-
ния касательных к линиям влияния р„ на комплексной плоскости
О,„. Применение фазового способа обработки сигналов оптималь-
но в том случае, когда годографы UB„(p„) представляют пучок
лучей (прямых линий), сходящихся в одной точке, а угол а между
ними и годографами 0ю{рк) близок л/2. Если годографы
224
f\n(Pi>)—не прямые линии, то возникает погрешность контроля,
тем большая, чем больше линии (>«,, (р„) отличаются от прямых.
Поэтому при выборе режима контроля для фазового способа ос-
лабления влияния изменения р„ стремятся выбрать такие пара-
метры ВТП [в частности, параметра у для накладных ВТП (см.
п. 4.3.1) и обобщенного параметра], при которых годографы
б'вЛРл) мало отличаются от прямых.
Линии влияния диаметра цилиндра (трубы) для проходного
ВТП и линии влияния зазора для накладного ВТП близки к пуч-
ку лучей, исходящих из начала коорди-
нат (см. рис. 4.21 и 4.30), что позволяет
реализовать фазовый способ ослабления
влияния изменения диаметра и зазора
при контроле удельной электрической
проводимости без специального компен-
сатора. Фазовый способ оказывается
также эффективным при контроле на-
кладными экранными ВТП толщины
неферромагнитных листов с подавле-
нием влияния изменения а, а также при
контроле толщины листов накладными
ВТП с подавлением влияния зазора.
Структурная схема прибора, основан-
ного на фазовом способе ослабления
влияния мешающих факторов, отличает-
ся от приведенной на рис. 4.60 тем, что
после усилителя включено фазометриче-
ское устройство того или иного типа,
опорное напряжение на которое посту-
Рис. 4.63. К пояснению
амплитудно-фазового
способа выделения ин-
формации
пает от автогенератора.
Достоинство фазового способа ослабления влияния мешающих
факторов заключается в том, что нестабильность амплитуды сиг-
нала ВТП не влияет на погрешность контроля. Обычно в таких
приборах используют специальные ограничители, стабилизирую-
щие максимальные значения сигнала.
Настройка вихретокового прибора, реализующего фазовый спо-
соб, осуществляется установлением компенсационного напряже-
ния (рис. 4.62) по образцам с различными значениями р„, при
котором влияние р„ на выходное напряжение прибора минималь-
но. Калибровка осуществляется по образцам с различными значе-
ниями рк при помощи фазорегулятора, устанавливающего фазу
опорного напряжения, подаваемого на фазометрическое устрой-
ство.
Амплитудно-фазовый способ (способ проекции). Проекция век-
тора приращения напряжения ВТП на направление нормали AW'
к линии влияния рп в точке А (рис. 4.63) мало зависит от измене-
ний подавляемого мешающего фактора рп. Отношение проекции
8—1332
225
Рис. 4.64. Структурные схемы приборов,
использующих амплитудно-фазовый способ
выделения информации:
с — с фазочувствителышм детектором: б — е
ЭЛТ в режиме «синусоида»; в — с ЭЛТ в ре-
жиме «точка»
приращения напряжения, обусловленного изменением контроли-
руемого параметра Пк=/1С'=$кАрк sin а, к изменениям подав-
ляемого фактора П„=АВ'=8„&ра sin р : /7в//7пЭ> 1, так как sin т>
3>sinp. Такой способ ослабления влияния мешающего фактора
называют способом проекции или амплитудно-фазовым способом
двухпараметрового контроля. Его целесообразно применять в тех
случаях, когда линии
влияния рк и р„ на комп-
лексной ПЛОСКОСТИ От—
почти параллельные пря-
мые, а угол а между ни-
ми немного отличается от
прямого. Обычно этот
способ используют при
изменениях в малых пре-
делах параметров рк и
р„. Это объясняется тем,
что реальные годографы
От(Рч) И 0т(р„) не яв-
ляются прямыми, из-за
чего возникает погреш-
ность контроля, которая
возрастает с увеличением
Др,< и Лр„. Поэтому ре-
жим контроля при ампли-
тудно-фазовом способе
выбирают таким, чтобы
участки годографов при
заданных диапазонах из-
менения рк и р„ были по
возможности прямолиней-
ными.
При реализации этого способа начальную рабочую точку К
обычно совмещают с точкой А, соответствующей поминальным
значениям рКИом и ра1юя. В этом случае выходное напряжение
ВТП с учетом компенсирующего напряжения близко нулю при но-
минальных параметрах ОК. Этот способ находит наиболее ши-
рокое применение в вихретоковых приборах.
Обобщенные параметры контроля х (для проходного ВТП) и
Р (для накладного ВТП) следует выбирать так, чтобы угол между
линиями влияния параметров р„ и р„ составлял несколько десят-
ков градусов и чтобы обеспечивалась достаточная чувствитель-
ность к контролируемому параметру рг„ Так, при контроле толщи-
ны неферромагнитного листа с подавлением влияния зазора целе-
сообразно выбрать р~5, если Т, — 0,1, и р~2,5, если Т»=0,3 (см.
рис. 4.30, а).
226
Структурные схемы приборов, основанных на использовании
способа проекции (амплитудно-фазового способа) различны (рис.
4.64). На рис. 4.64, а представлена структурная схема прибора, в
котором применен фазочувствительиый детектор. Автогенератор
(АГ) синусоидального напряжения обеспечивает ток возбуждения
ВТП. Блок ВТП содержит компенсатор, позволяющий совмещать
точку компенсации с точкой иа годографе, соответствующей но-
минальным значениям параметров ОК. Сигналы на выходе блока
ВТП усиливаются усилителем (У) и поступают на фазочувстви-
тельный детектор (ФД). Опорное напряжение на фазочувстви-
тельный детектор подается через фазорегулятор (ФР) от автоге-
нератора. К выходу фазочувствительиого детектора подключен ин-
дикатор (И).
Если в качестве фазочувствительного устройства используется
электронно-лучевая трубка (ЭЛТ), то в зависимости от способа
индикации применяют две схемы приборов. На рис. 4.64, б приве-
дена структурная схема прибора с временной разверткой на экра-
не— способ «синусоиды». На вертикальные пластины ЭЛТ пода-
ется усиленное выходное напряжение блока ВТП, а на горизон-
тальные— пилообразное напряжение развертки с генератора ли-
нейно изменяющегося напряжения (ГЛИН), синхронизируемого
напряжением автогенератора, поступающим на ЭЛТ через фазоре-
гулятор. На экране ЭЛТ возникает периодическая кривая, фаза
которой плавно изменяется с помощью фазорегулятора. Это поз-
воляет фиксировать мгновенное значение сигнала, а при синусои-
дальном выходном напряжении ив1„ ВТП — проекцию 1?,н1 па при-
нятое направление. Если при анализе кривой на экране ЭЛТ ис-
пользовать линейку со щелевой прорезью, то можно фиксировать
мгновенное значение напряжения «,ых= т sin(<a/+a), соот-
ветствующее проекции вектора 0„„т на определенное направле-
ние. Например, можно фиксировать величину и„„ = m sin а.
На рис. 4.64, в приведена структурная схема прибора с ЭЛТ и
двумя фазочувствительными детекторами (ФД| и ФД2), в котором
реализуется способ «точки». Опорные напряжения на детекторы
ФД1 и ФДг поступают через фазорегулятор ФРь Фазорегулятор
ФР2 сдвигает на 90° фазу опорного напряжения, поступающего на
детектор ФД2. Постоянные напряжения на выходе детекторов
ФД1 и ФДг пропорциональны проекциям напряжения на выходе
блока ВТП на два взаимно перпендикулярных направления. С по-
мощью фазового регулятора ФР| можно добиться, чтобы под
влиянием мешающего фактора светящаяся точка на экране ЭЛТ
смещалась по одной из осей, тогда изменение контролируемого па-
раметра может быть определено по смещению этой точки по дру-
гой оси. Таким образом, на экране ЭЛТ отображается комплекс-
ная плоскость выходных напряжений ВТП.
Настройка вихретоковых приборов, реализующих амплитудно-
фазовый способ ослабления влияния меняющих факторов, заклю-
8'
227
чается в том, что с помощью компенсатора устанавливается вы-
ходное напряжение иВыХ—0 при использовании образца с номи-
нальными параметрами ОК. Затем с помощью фазорегулятора по
образцам с различными значениями р„ и рк выбирается нужное
направление проекций Свых — нормаль к годографам ави(рп).
Калибровка (установка нужного коэффициента усиления усилите-
ля) производится по образцам с различными значениями рк и р,,.
Наиболее простая схема вихретокового прибора, реализующая
амплитудно-фазовый способ, представлена на рис. 4.64, а. Прибор
экономичен, поскольку не содержит ЭЛТ. Схема прибора рис.
4.64, в наиболее сложная. В приборе, выполненном по схеме рис.
4.64, б, контроль осуществляется по гармоникам выходного напря-
жения ВТП, т. е. путем анализа несинусоидального напряжения
при контроле ферромагнитных объектов. С помощью прибора, вы-
полненного по схеме рис. 4.64, в, представляется информация, не-
обходимая для автоматической сортировки. Такие схемы исполь-
зуются в автоматических установках для контроля мелких дета-
лей. Прибор, построенный по схеме рис. 4.64, в, имеет также преи-
мущество перед другими типами приборов, реализующих ампли-
тудно-фазовый способ (схемы рис. 4.64, а, б), состоящее в том,
что он может работать в режиме изменяющейся частоты автоге-
нератора, с которого в данном случае снимают два синусоидаль-
ных напряжения, сдвинутые по фазе на л/2 и подаваемые па фа-
зовые детекторы. Приборы, выполненные по схемам рис. 4.64, а, б,
обычно работают лишь на фиксированной частоте автогенератора.
Иногда вихретоковые приборы содержат блоки, необходимые для
реализации всех трех схем амплитудно-фазового способа, а режим
их работы выбирает оператор.
Двухлараметровый контроль с помощью параметрического
ВТП, включенного последовательно с конденсатором и резисто-
ром (рис. 4.65, а). Подбирая емкость конденсатора и сопротивле-
ние добавочного резистора, с которого снимается выходное на-
пряжение Йвых, можно добиться ослабления влияния мешающего
фактора. На рис. 4.65, б изображена диаграмма комплексных со-
противлений параметрического ВТП. На этой диаграмме отложе-
ны активное Ro+^д и реактивное jx» сопротивления цепи при от-
сутствии ОК, вносимые активное /?в„о и реактивное jxBHo сопро-
тивления, соответствующие ОК с поминальными параметрами. Со-
противление резистора /?д и емкость конденсатора С, а следова-
тельно, его сопротивление .].ет подбираются такими, чтобы между
линией влияния подавляемого параметра р„ и направлением из-
менения полного сопротивления цепи zno™ (^о4-^д+^вно)+]’/Хх
был прямой угол (Z_TP0/<—90°), при этом .v?.-......хс—хнно.
При изменении параметров ОК модуль полного сопротивле-
ния
Zn ~ 1' ( Н- ^Д + Т ( ~~~ А Ан Я
228
Из диаграммы видно, что при правильном выборе емкости С кон-
денсатора и сопротивления резистора, включенных последова-
тельно с ВТП, полное сопротивление цепи г„ при изменениях по-
давляемого параметра р„ изменяется очень мало, а при изменении
Рис. 4.65. Схема включения ВТП в
последовательный колебательный
контур (а), диаграмма комплексных
сопротивлений (б), амплитудно-час-
тотные характеристики параллельно-
го контура (в)
контролируемого параметра рк эти изменения значительно боль-
ше. Поскольку выходное напряжение пропорционально току цепи
(рис. -4.65, а), оно почти не изменяется при изменении р„ и су-
щественно зависит от контролируемого параметра рк-
Аналогичные результаты могут быть получены при использо-
вании параллельного резонансного контура. Ослабление влияния
мешающего фактора осуществляется здесь следующим образом.
Амплитудно-частотная характеристика контура, состоящего из
конденсатора и ВТП с ОК, приведена на рис. 4.65, в (кривая /).
Резонансная частота этого контура равна (о. В качестве рабочей
выбирается частота ft, несколько отличающаяся от резонансной.
229
При изменении параметров ОК или расстояния между ВТП и ОК
изменяются вносимые индуктивность и активное сопротивление
ВТП, а следовательно, и амплитудно-частотная характеристика
колебательного контура (кривая 2 на рис. 4.65, в). Если вносимая
индуктивность увеличивается, то резонансная частота f0' умень-
шается. От значения вносимого сопротивления зависит доброт-
ность контура (если оно возрастает, то добротность уменьшается
Рис. 4.66. Структурная схема при-
бора с ВТП. включенным в ко-
лебательный контур
Рис. 4.67. Структурная схема прибо-
ра, реализующего амплитудно-час-
тотный способ выделения информа-
ции
и амплитудно-частотная характеристика контура становится бо-
лее пологой). Можно так выбрать рабочую частоту Д>, что при из-
менении мешающего фактора напряжение на контуре UKP почти
не изменяется (кривые 1 и 2 пересекаются в точке А). В то же
время изменение контролируемого параметра приводит к сущест-
венному изменению [Др (например, точка В), так как оно сопро-
вождается другим соотношением приращений вносимых индуктив-
ности и активного сопротивления (например, кривая ,3). Такой
способ успешно применяют для ослабления влияния зазора между
накладным ВТП и ОК.
Структурная схема прибора с ВТП, включенным в колебатель-
ный контур, приведена на рис. 4.66. Напряжение с автогенерато-
ра поступает на рабочий PKi и компенсационный РК2 резонанс-
ные контуры. Напряжения с контуров после детектирования амп-
литудными детекторами АД] и АД2 поступают на входы диффе-
ренциального усилителя постоянного тока УНТ, на выходе кото-
рого включен индикатор.
Двухпараметровый контроль с помощью приборов, в которых
параметрический ВТП включен в колебательный контур автогене-
ратора. В этом случае носителями информации могут служить
амплитуда и частота синусоидальных колебаний автогенератора.
Используя различные зависимости амплитуды и частоты колеба-
ний от контролируемого параметра и мешающего фактора, мож-
но подобрать коэффициенты преобразования амплитуды и часто-
ты в постоянные напряжения такими, чтобы сумма или разность
этих напряжений мало зависела от мешающего фактора, но в то
же время выходное напряжение было пропорционально изме-
230
пению контролируемого параметра. Такой способ ослабления
влияния мешающего параметра называют амплитудно-частот-
ным.
Структурная схема прибора, реализующего амплитудно-частот-
ный способ выделения информации, приведена на рис. 4.67. Напря-
жение с автогенератора (АГ), в контур которого включен ВТП,
поступает на входы амплитудного детектора (АД) и частотного
дискриминатора (ЧД). Напряжения на выходах этих устройств
соответственно равны:
^АД— &А^Лп“с?1(^вн> .;... АркН-ДАи
VP* <>РЛ
(4.73)
^чд^^ч/аг—лвп)~...........Дрк-ф Т. ддг
др* дРв
Подбирая коэффициенты преобразования £Л, k4 и осуществляя с
помощью сумм.ирующего устройства (СУ) алгебраическое сумми-
рование (7Ад и ПЧд, можно существенно ослабить влияние изме-
нений мешающего фактора.
При конструировании вихретоковых приборов с параметриче-
скими ВТП следует учитывать, что им свойственна температурная
нестабильность, приводящая к изменению напряжений ГАдй Пчд,
а следовательно, к возникновению погрешностей контроля. По-
этому необходимо использовать специальные способы и средства
термостабилизации.
4.6.3. Способы стабилизации и вариации
условий контроля
Для ослабления влияния мешающих факторов при вихретоко-
вом контроле используют стабилизацию положения и параметров
ОК, а также обобщенных параметров, характеризующих условия
контроля.
Способы стабилизации. Обычно требуется стабилизация поло-
жения ВТП относительно ОК, особенно для накладных ВТП, по-
скольку изменение зазора между ВТП и ОК при перемещении
ВТП является наиболее значительным мешающим фактором. Для
стабилизации положения ВТП часто используют механизмы с пру-
жинами, возвращающими ОК или ВТП в исходное положение
при их отклонении (для накладных ВТП), или направляющие ро-
лики, ограничители (для проходных ВТП). Недостаток таких ме-
ханических систем стабилизации положения ВТП заключается в
сильном влиянии состояния поверхностей ОК (загрязненность, ше-
роховатость) на точность контроля. Погрешность установки ОК
относительно накладного ВТП составляет 0,1...0,3 мм. Измене-
ние толщины зазора в таких пределах обычно приводит к значи-
231
Рис. 4.68. Структурная
схема прибора со стаби-
лизацией зазора
тельным погрешностям контроля, а иногда делает его невозмож-
ным.
Поэтому часто возникает необходимость более точной стабили-
зации зазора, например с помощью следящих систем. В этом слу-
чае сигнал о зазоре, получаемый от основного или специального
ВТП, сравнивается с заданным сигналом, соответствующим номи-
нальному зазору. Если зазор изменяется, то возникает сигнал рас-
согласования, который управляет механизмом перемещения ВТП.
Таким образом, ВТП перемещается до восстановления номиналь-
ного зазора. Точность стабилизации зазора в такой системе может
быть очень высокой (погрешность не
более единиц микрометров).
Одна из возможных структурных
схем прибора со стабилизацией зазора
приведена на рис. 4.68. Прибор содер-
жит автогенератор (АГ), специальный
накладной вихретоковый преобразова-
тель зазора СВТП, усилитель сигнала,
характеризующего зазор, фазорегулятор
(ФР), фазочувствительный детектор
(ФД), усилитель мощности (УМ), ис-
полнительный механизм перемещений
(ИМП) основного (рабочего) преобра-
зователя (РВТП) и измерительное устройство (ИУ), предназна-
ченное для обработки и индикации информации о контролируе-
мом параметре. Оба ВТП жестко соединены друг с другом и
представляют единую конструкцию. При отклонении зазора от
номинального значения возникает соответствующий сигнал от
преобразователя зазора. Настроенный с помощью фазорегулятора
фазочувствительный детектор выделяет сигнал об отклонении за-
зора от номинального. Этот сигнал вызывает перемещение рабоче-
го ВТП с помощью исполнительного механизма до восстановления
номинального зазора.
Стабилизация параметров ОК основана на различных физиче-
ских воздействиях на него. Она применяется при контроле ферро-
магнитных объектов и в некоторых других случаях. Контроль фер-
ромагнитных ОК существенно затрудняется, как известно, измене-
ниями магнитных свойств, вызванными небольшими колебаниями
химического состава, структуры, режима термической обработки,
а также механическими напряжениями. Для стабилизации магнит-
ных свойств ОК используют подмагничивание сильным постоян-
ным магнитным полем. При этом уменьшаются как полезные сиг-
налы, так и помехи, но отношение сигнал/помеха обычно возра-
стает. Другим примером стабилизации параметров ОК может слу-
жить контроль толщины верхнего слоя биметаллических пластин
с подавлением влияния толщины нижнего неконтролируемого слоя
путем увеличения его толщины с помощью специальной подклад-
232
ки, изготовленной из того же материала, что и неконтролируемый
слой. Толщину подкладки выбирают настолько большой, чтобы из-
менение суммарной толщины нижнего слоя не влияло на сигнал
ВТП.
Стабилизация обобщенного параметра позволяет сохранить
постоянной чувствительность ВТП к изменению контролируемого
параметра и устранить погрешность, обусловленную непрямоли-
нейностыо годографов напряжений t7eH(p«) и От(р„). Стабилиза-
ция обобщенного параметра используется в приборе с проходными
ВТП для контроля удельной электрической проводимости о нефер-
ромагнитных пруктов с ослаблением влияния изменения радиуса R
прутков путем изменения рабочей частоты ВТП. Если обеспечить
неизменность обобщенного параметра х2=/?2<оц0о=С| путем из-
менения угловой частоты е>, то эффективная магнитная проницае-
мость рЭф также будет постоянной. Так как t?BH = j (цзф —
— 1) (R/R„)2Ua [см. (4.19)], где 7?» — радиус катушки ВТП, то
Пви=С2/?2, а следовательно, /? = УУВ1</С2 и
а = С 1/(/?2«>р0) = С Bau>Po)= Cf(U „„ft. (4.74)
Таким образом, определяя экспериментально значения кон-
стант С,—С3, можно найти значения R и о через U„„ и f. Стабили-
зация обобщенного параметра х при изменении R и о осущест-
вляется путем изменения частоты f до установления фиксирован-
ного значения фазы вносимого напряжения й„„.
Принцип стабилизации обобщенного параметра использован
В. К). Селезневым для контроля электромагнитных параметров
изделий из ферромагнитных материалов, в частности р. В п. 4.2.1
показано, что относительное вносимое напряжение наружного про-
ходного ВТП при контроле ферромагнитных цилиндров определя-
ется по формуле (цг£1Эф—1) или
тр,ф + h (ргКер9ф - 1). (4.75)
Аргумент этого комплексного напряжения
<p==arg Z7„* = arg ](№ф-1) (4.76)
не зависит от коэффициента заполнения -р. Как видно из форму-
лы (4.76) и годографа рис. 4.18, а, действительная составляющая
относительно вносимого напряжения Re й„„ достигает максимума
при том же значении обобщенного параметра х0^2,5, что и дейст-
вительная составляющая Ке(]цэф) (см. п. 4.2.1). Из формулы
(4.76) следует, что
еЧ?= [] (Ы^ХЬ)" I]2; I I 2’ (4'77)
233
так как
I Г=[№*(^о)-1] Hx-foto1]’ (478)
где цэф — сопряженная комплексная величина. Используя формулу
(4.78), имеем
е 'М1 №ф(^)]/[№фto)-- ’]•
откуда
е'«<- + I
IV = ~=---------------- (479)
|13|l>(fo)e + L3*(fo)
Выражение (4.79) можно преобразовать:
11,=[Ьф(^о) (cos a —tg? sin а)]-’,
где a = arg р,ф(х<>) =—argj»,t(£o).
Учитывая, что cos а = 0,8515; sin а = 0,5244, а р.,ф(х0) =
= |tM>(xo) | =0,7197, окончательно получаем
рг=(0,6128..-0,3744 tg ?)-1. (4.80)
Таким образом, для измерения ц, достаточно определить ве-
личину <p = argU,„. при условии, что величина Re йм. достигла
максимума при изменении частоты тока возбуждения ВТП, т. е.
при условии х=х0.
Способ вариации условий контроля основан на том, что ме-
шающий фактор (например, зазор) принудительно изменяется в
сравнительно широких пределах, перекрывающих возможный диа-
пазон изменений в процессе контроля. При достижении номиналь-
ных условий контроля (например, поминального зазора) произво-
дится регистрация контролируемых параметров.
Обычно в этих случаях используется дифференциальный ВТП,
состоящий из рабочего и компенсационного преобразователей. По-
следний установлен на определенном (поминальном) расстоянии
от образцового ОК. Если рабочий преобразователь находится на
номинальном расстоянии (номинальный зазор) от ОК с номиналь-
ными параметрами, такими же, как у образцового, то напряжение
на выходе дифференциального ВТП отсутствует.
Структурная схема прибора, использующего способ вариации
зазора как мешающего фактора, приведена на рис. 4.69. Механизм
перемещений (МП) осуществляет возвратно-поступательное дви-
жение накладного ВТП по направлению нормали к поверхности
объекта. Автогенератор (АГ) создает ток в обмотке возбуждения
ВТП, сигналы которого поступают в блок определения зазора
(БОЗ) и в блок определения контролируемого параметра (БОКП)
234
через управляемый ключ (УК), когда зазор становится номиналь-
ным, ключ открывается под действием выходного напряжения
блока определения зазора. При этом блок определения контроли-
руемого параметра фиксирует значение контролируемого пара-
метра.
Достоинство способов стабилизации и вариации условий конт-
роля заключается в том, что в широком диапазоне изменения ме-
шающего фактора можно устранить погрешность влияния непря-
молинейности годографов в функции мешающего фактора рп:
#ви(рп)« Однако эти способы не универсальны, а их применение
Рис. 4.69. Структурная схема
прибора, использующего спо-
соб вариации зазора
Рис. 4.70. Структурная схема прибора при
импульсном возбуждении ВТП
иногда приводит к снижению производительности контроля из-за
инерционности механических систем стабилизации и изменений
мешающих факторов. Реализация этих способов ослабления влия-
ния мешающих факторов приводит к усложнению средства конт-
роля, поэтому они не нашли пока широкого применения.
Для селективного контроля параметров при импульсном воз-
буждении проходных и накладных ВТП можно использовать при-
бор, структурная схема которого приведена на рис. 4.70. С гене-
ратора прямоугольных импульсов (ГИ) напряжение поступает на
трансформаторный ВТП, измерительная катушка которого под-
ключена к интегрирующему усилителю ИУр Его выходное на-
пряжение пропорционально магнитному потоку Ф(/). В § 4.4 по-
казано, что максимальное значение магнитного потока Ф,Пах про-
ходного ВТП зависит только от внешнего радиуса /?вн цилиндри-
ческого ОК, а накладного ВТП — только от зазора h между ОК
и ВТП.
Таким образом, по максимальному значению напряжения на
выходе усилителя ИУ1 можно измерять Rim и h с подавлением
влияния остальных (мешающих) параметров ОК. Индикация этих
измерений осуществляется измерительным блоком Напря-
жение с выхода первого усилителя ИУ| поступает на второй интег-
рирующий усилитель ИУг, выходное напряжение которого про-
порционально среднему значению магнитного потока Фср. В § 4.4
отмечалось, что величина Фср линейно зависит от удельной элект-
235
рической проводимости ОК, поэтому напряжение на выходе уси-
лителя ИУ2 подается па измерительный блок И„ для индикации
результатов измерения. Для подавления влияния внешнего диа-
метра цилиндрического О1< или зазора между накладным ВТП
и ОК в измерительный блок И„ можно вводить компенсирующее
напряжение с выхода измерительного блока
При модуляционном способе ослабления влияния мешающих
факторов используется зависимость огибающей сигналов ВТП от
параметров дефектов в вихретоковой дефектоскопии. Если ВТП
и ОК взаимно перемещаются, то изменения свойств ОК преобра-
зуются в изменения сигнала ВТП во времени. На этом основано
действие приборов для контроля модуляционным способом протя-
женных ОК (листов, прутков, проволоки и т. п.). Выходной сиг-
нал ВТП усиливается и детектируется, а затем анализируется
огибающая высокочастотных колебаний. Возможность раздельно-
го контроля различных факторов определяется различием формы
или спектров сигналов. Сигналы обрабатываются с помощью спе-
циальных устройств, анализирующих спектр огибающей.
Структурная схема прибора, реализующего модуляционный
способ, отличается от схемы прибора, основанного иа амплитуд-
ном способе (см. рис. 4.60), только наличием усилителя огибаю-
щей (усилителя низкой частоты), фильтров и блока распознава-
ния сигналов, последовательно включенных между амплитудным
детектором и индикатором.
Контрольные вопросы
4.6.1. Какое количество параметров можно контролировать при использова-
нии двух рабочих частот ВТП?
4.6.2. Какой способ выделения информации нельзя использовать для от-
стройки от изменения зазора?
4,6.3. Если при использовании в ВТП электронно-лучевой трубки на ее
пластины подаются синусоидальные напряжения одинаковой амплитуды, сдви-
нутые на 90", то какое изображение появится на экране: а) синусоиды, б) пря-
мой линии, в) эллипса, г) окружности?
4.6.4. Какой способ обработки сигналов предпочтителен для подавления
влияния изменений .зазора?
4.6.5, В чем преимущество импульсного режима работы ВТП перед возбуж-
дением синусоидальным током?
4.6.6. Назовите наиболее целесообразный способ обработки сигнала при
вихретоковой структуроскопни неферромагнитных изделий с подавлением влия-
ния изменений зазора.
4.6.7. При каком виде годографов можно рекомендовать амплитудно фазовый
способ обработки сигналов для раздельного контроля двух параметров изделия?
4.6.8. В чем преимущество модуляционного дефектоскопа перед статиче-
ским?
4.6.9. Выберите способ обработки информации ври использовании экранного
накладного ВТП диаметром 5 мм и рабочей частотой 40 кГц для контроля алю-
миниевой катаной ленты, движущейся со скоростью !0 м/с, ширина ленты
100 мм. толщина 0,6... 1,5 мм, зона контроля — полоса шириной Г^=10 мм в
середине ленты, доступ к ОК. двусторонний. Измеряемый параметр — толщина.
236
4.7. КОНСТРУКЦИИ ВИХРЕТОКОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
4.7.1. Общая характеристика
Конструкции ВТП определяются их назначением, условиями
применения, диапазоном частот тока возбуждения и другими фак-
торами. Поэтому они весьма разнообразны. Так, фирма «Institut
F. Forster» (ФРГ) предлагает более 800 вариантов выполнения
ВТП. При этом размеры катушек ВТП колеблются от десятых до-
лей миллиметра до 300 ...500 мм в диаметре, а масса ВТП — от
десятков граммов до сотен килограммов, без учета узлов закреп-
ления и перемещения ВТП в системах НК. Как правило, каждый
прибор комплектуется широким набором ВТП, которые могут быть
поставлены по заказу потребителя. Особенно широк набор типов
и вариантов исполнения ВТП для универсальных дефектоскопов.
Основные требования, предъявляемые к конструкции ВТП,—
прочность, износоустойчивость, защищенность от внешних воздей-
ствий, возможность доступа к зоне контроля, удобство эксплуата-
ции, эргономичность и соответствие требованиям технической эс-
тетики, взаимозаменяемость, контроле- и ремонтопригодность, на-
дежность. Успешное решение этой задачи во многом определяет
эф фе кт и в i ю с т ь п р и б о р а.
Конструкция ВТП обычно содержит следующие составные
части: одну или несколько катушек; корпус для размещения в нем
катушек и других узлов прибора; средства стабилизации положе-
ния катушек относительно ОК в процессе контроля; средства для
размещения ВТП в заданном положении относительно ОК; соеди-
нительные разъемы и кабели.
Часто ВТП используют совместно с механическими или элект-
ромеханическими средствами сканирования поверхности ОК, на-
пример для вращения ВТП, поступательного движения и движения
по винтовой линии внутри труб и отверстий в деталях, для враще-
ния вокруг 'груб и прутков.
Катушка ВТП обычно состоит из каркаса и обмоток, она мо-
жет содержать ферромагнитные сердечники разных типов.
Корпус защищает катушки ВТП от воздействий внешней сре-
ды (атмосферы, жидкости), от внешних электромагнитных полей
и механических воздействий. Корпуса выполняют из пластмасс и
металлов, используя разные технологии (прессование, литье, ме-
ханическую обработку) в зависимости от серийности, материала
и конструкции. По конструкции корпуса сильно различаются в
зависимости от типа и назначения ВТП. Иногда в корпусе разме-
щают электронные элементы и узлы прибора (резисторы и кон-
денсаторы, микросхемы усилителей и др.), а также световые ин-
дикаторы. Металлические корпуса обычно выполняют роль экра-
нов, защищающих от внешних электромагнитных полей. У ВТП,
применяемых для контроля горячих ОК, металлический корпус
237
обычно выполняют двойным, пропуская охлаждающую воду меж-
ду его стенками.
Средства стабилизации положения катушек относительно ОК
чаще всего выполняют в виде пружин, прижимающих катушки
накладных ВТП к поверхности ОК. При использовании проход-
ных ВТП это могут быть: втулки, ограничивающие перемещения
ОК внутри катушек; направляющие и прижимные ролики при
контроле проволоки и других линейно протяженных объектов; бо-
лее сложные устройства с электроприводом для перемещения ка-
тушек относительно ОК. Средства стабилизации положения могут
и не входить конструктивно в состав ВТП.
Средства для установки ВТП в определенном положении мо-
гут выполняться в виде насадок различной формы, обеспечиваю-
щих, например, заданное положение катушек накладного ВТП от-
носительно кромок детали. Для размещения ВТП внутри труб
применяют штанги разных конструкций с центрирующими устрой-
ствами, а для прохождения изгибов труб ВТП выполняют в виде
сочлененных шарнирно узлов.
Соединительные разъемы и кабели служат для соединения ка-
тушек ВТП с электронным блоком прибора и для других целей.
Для большинства приборов длина кабелей не превышает 1,5 ...2 м,
но в отдельных случаях она может доходить до десятков метров,
например при контроле внутренней поверхности труб парогенера-
торов или корпусов атомных реакторов.
Ниже кратко рассмотрены основные варианты конструкций
ВТП по типам: накладные, проходные, экранные, линейные и по-
казаны примеры их практического применения.
4.7.2. Накладные ВТП
По конструкции все накладные ВТП можно условно разделить
па две основные группы: для ручного и для автоматического конт-
роля. ВТП для ручного контроля должен быть удобен для удер-
жания в руке оператора. ВТП второй группы устанавливаются в
деталях машин (например, в статорах турбин для измерения за-
зоров между статором и ротором), в узлах механического привода
и других узлах линии автоматизированного НК- Поэтому по кон-
струкции они проще.
Рассмотрим некоторые типовые конструкции накладных ВТП
для ручного контроля. Основной элемент ВТП — катушки, обыч-
но размещаемые на каркасе и выполненные либо намоткой изо-
лированным проводом (обычно медным), либо методом фотоли-
тографии на изоляционном основании (печатные обмотки).
Метод фотолитографии позволяет получить высокую степень
воспроизводимости параметров катушек, поскольку печатные об-
мотки изготовляются групповым способом с одного фотошаблона.
Этим достигается взаимозаменяемость ВТП. Кроме того, процесс
23S
фотолитографии высокопроизводителен, что снижает себестоимость
ВТП при серийном производстве. Обычно печатные обмотки
выполняют в виде плоских круговых или прямоугольных спира-
лей, что позволяет минимизировать зазор между обмоткой и ОК,
однако не позволяет получить миоговитковые обмотки. Для уве-
личения числа витков делают многослойные печатные обмотки,
подобно многослойным
печатным платам, однако
это усложняет технологи-
ческий процесс изготов-
ления ВТП и повышает
их себестоимость. Поэто-
му печатные обмотки
применяют главным об-
разом для высокочастот-
ных ВТП, где не требу-
ется много витков.
На рис. 4.71, а пока-
Рис. 4.71. Размещение (а) и электрическая
схема соединения (б) печатных обмоток
катушки ВТП толщиномера диэлектриче-
ских покрытий на проводящем основании:
I — каркас: 2 -- диэлектрическая подложка с
обмотками; 3 — паз для укладки соединитель-
ных проводников; 4 — контактные площадки
обмоток
зана катушка толщино-
мера диэлектрических по-
крытий на проводящем
основании с печатными
обмотками, работающая
на частоте 10 МГц. Каж-
дая обмотка содержит
по 10 витков. Обмотки включены по дифференциальной схеме
(рис. 4.71, б) для компенсации начального напряжения 1/0. Воз-
буждающие L\(L2) и измерительные Г3(/,4) обмотки формируют-
ся на противоположных сторонах тонкой изоляционной подложки
(стеклотекстолит, полиимид, лавсан), чем достигается высокий
коэффициент индуктивной связи между ними. Затем подложки со
сформированными на них обмотками наклеивают на торцы ди-
электрического каркаса, обмотки соединяют электрически и за-
крепляют каркас в корпусе (на рисунке не показан). Ширина
проводника таких обмоток 20 ...100 мкм при толщине 5...50 мкм
и расстоянии между проводниками 20... 100 мкм.
В качестве другого примера ВТП с печатными обмотками по-
казан на рис. 4.72. Гибкая диэлектрическая подложка 1 со сфор-
мированными па противоположных ее сторонах возбуждающей 3
и измерительной 2 обмотками закрепляется на несущем стержне
5, который затем запрессовывается в колпачок 6 из пластмассы.
Выводы обмоток привариваются к контактным площадкам 4 и 7
и после запрессовки оказываются внутри полого колпачка 6. Та-
кие обмотки создают магнитный поток радиального направления
вблизи своей поверхности, что используется для возбуждения вих-
ревых токов осевого направления в стенках отверстия, в которое
вводится ВТП толщиномера медного слоя в отверстиях печатных
239
Рис. 4.72.
щиномера
Печатные обмотки ВТП тол-
медного слоя в отверстиях
печатных плат;
1 — гибкая диэлектрическая подложка; 2 —
измерительная обмотка; 3 — возбуждающая
обмотка; 4, 7 — контактные площадки; 5 ~
несущий стержень; б — колпачок
тока воз-
каркас
сложнее.
плат (см. § 4.9). Наружный диаметр рабочей части ВТП 0,5...
1,3 мм, ее длина 2...4 мм.
Обмотки катушек, намотанных проводом, располагают на кар-
касе по-разному. В варианте, показанном на рис. 4.73, а, возбуж-
дающая и измерительная
обмотки имеют наибольшую
взаимную паразитную ем-
кость, что отрицательно
влияет на характеристики
ВТП при высоких частотах.
Кроме того, здесь нет до-
ступа к внутренней обмот-
ке в случае ее повреждения.
В варианте рис. 4.73, б
наименьшая паразитная ем-
кость между обмотками, и
поэтому он удобен при вы-
соких частотах
Суждения, хотя
здесь несколько
Имеется доступ к обеим
обмоткам. Вариант рис. 4.73, в — промежуточный.
Каркасы катушек, показанных на рис. 4.73, изготовляют из
изоляционных материалов (капролон, гетинакс, оргстекло, эбонит
и т. д.) путем токарной обработки, а при серийном производст-
ве— прессованием из пресс-порошков. Диаметр проводов обмоток
возбуждения 0,08 ...0,2 мм,
а измерительных обмо-
ток— 0,03 ...0,08 мм.
Если ВТП содержит фер-
ромагнитный стержень
(обычно из магнитодиэлек-
трика), то в каркасе дела-
ют осевое отверстие.
На рис. 4.74 показана
конструкция накладного
ВТП толщиномера. Каркас
1 катушки с обмотками 2
размещен в корпусе 3, за-
крытом сверху крышкой 4 с
окружена экраном 6, выполненным из пермаллоя и меди. Экран
служит для локализации магнитного поля обмоток и уменьшает
диаметр зоны контроля. После сборки ВТП заливается компаун-
дом для предохранения обмоток от внешних воздействий и при-
дания прочности всей конструкции.
Как видно из рис. 4.74, конструкция достаточно проста; ее не-
достаток—возможное изменение зазора между торцом ВТП и
240
а)
Рис. 4.73. Варианты катушек накладных
ВТП:
1 — каркас; 2, 3 — возбуждающая и изме-
рительная обмотки соответственно; 4 — от-
верстие для магнитопровода
соединительным кабелем 5. Катушка
объектом контроля, что может приводить к погрешности измере-
ния. Зазор может изменяться при изменении усилия прижатия
ВТП к поверхности ОК рукой оператора.
На рис. 4.75 приведена конструкция
накладного ВТП, свободная от этого не-
достатка. Корпус / с установленным в
его нижней части ферритовым магнито-
проводом в виде цилиндрического стерж-
ня 2 с намотанными на нем обмотками
3 охвачен оправкой 4 с колпачком 5.
сквозь который проходит кабель 6. Спи-
ральная цилиндрическая пружина 7 меж-
ду колпачком и корпусом / определяет
силу, с которой стержень прижимается
к поверхности ОК при нажатии на
оправку в осевом направлении. Оправка
движется вдоль оси, сжимая пружину
Рис. 4.75. На-
кладной ВТП
карандашного
типа с подпру-
жиненной ка-
тушкой
Рис. 4.74. Накладной ВТП с
фиксированным положением
катушки в корпусе
до тех пор, пока нижний торец оправки не прижмется к поверхно-
сти ОК.
Приведенную на рис. 4.75 конструкцию называют датчиком
карандашного типа. Она имеет широкое распространение и раз-
241
Рис. 4.76. Конструкция
накладного ВТП с пла-
вающей подвесоЙ ка-
тушки:
1 — каркас; 2 — обмотки;
3 — резиновая манжета;
4 — гибкие выводы обмо-
ток; 5 •— корпус; 6 — кол-
пачок: 7 — резиновая втул-
ка; 8 — кабель
Рис. 4.77. Схема
ВТП с магнито-
проводом и элект-
ропроводящей
вставкой в зазоре:
/ — магнитопровод;
2 — обмотки; 3 —
медная вставка
пые модификации. Некоторые из них по-
зволяют устранить влияние перекоса оси
ВТП относительно поверхности ОК благо-
даря гибкой связи катушки с корпусом,
реализуемой резиновой манжетой (рис.
4.76) или способной изгибаться спираль-
ной пружиной (31-
При эксплуатации рабочие (торцевые)
поверхности накладных ВТП истираются,
что приводит к изменению параметров
ВТП. Для предотвращения износа трущие-
ся поверхности ВТП усиливают, устанав-
ливая, например, керамическое кольцо,
окружающее катушку и контактирующее
своим торцом с поверхностью OK [3]. Дру-
гой способ — установка в торце ВТП ко-
рундовых или твердосплавных вставок со
сферической поверхностью. Если ВТП со-
держит ферритовый сердечник, то износо-
стойкие вставки закрепляют в его торце.
Для локализации зоны контроля на-
кладных ВТП применяют конструкции с
магнитопроводами, электропроводящими
экранами и короткозамкнутыми витками.
Электропроводящие (обычно медные) эк-
раны, в которых возбуждаются вихревые
токи, способствуют вытеснению магнитного
ноля из области, где они расположены,
концентрируя его в зоне контроля. Такую
же роль выполняют короткозамкнутые вит-
ки. На рис. 4.77 показана схема ВТП с
магнитопроводом 1, в зазоре которого по-
мещена медная вставка 3, вытесняющая
магнитный поток, создаваемый обмоткой
2, из зазора в ОК. Другие варианты маг-
питоироводов и электропроводящих экра-
нов, в том числе с применением коротко-
замкнутых витков, рассмотрены в [13].
Для контроля объектов сложной фор-
мы применяют специальные насадки (рис.
4.78) и специальные накладные ВТП раз-
личных конструкций (рис. 4.79—4.81). На-
кладной ВТП большого диаметра, приме-
няемый в толщиномерах дорожных по-
крытий, показан на рис. 4.82; датчики, ус-
танавливаемые в роторных машинах для
измерения зазоров, — на рис. 4.83.
242
Ма рис. 4.84 приведена конструкция датчика для дефектоско-
пии внутренних стенок отверстий. Предусмотрена световая сиг-
нализация с помощью лампочки о наличии дефекта в зоне конт-
роля. Вторая лампочка предназначена для «запоминания» инфор-
Рис. 4.78. Насадки для контроля накладными ВТП участков объектов слож-
ной формы:
а —ребер; б — кромок лопаток турбин; в цилиндрических деталей; г — радиусных пере-
ходов; 1 — ВТП; 2 — насадка; 3 — ОК
мации о дефекте: она зажигается одновременно с первой и горит
до тех пор, пока не будет выключена оператором с помощью
кнопки, установленной в корпусе датчика. Это позволяет опера-
тору полностью сосредоточиться и
дикатор электронного блока де-
фектоскопа.
Различают электрические, гео-
метрические и эксплуатационные
параметры накладных ВТП.
К электрическим параметрам от-
носят: сопротивления обмоток
постоянному R и переменному г
току; допустимый ток возбужде-
ния /в до»; частоту тока возбуж-
дения fB', начальное напряжение
измерительной обмотки Uo; па-
разитную емкость обмоток Со
или собственную резонансную
частоту fQ; к геометрическим па-
раметрам— размеры и форму; к
эксплуатационным—размеры зо-
ны контроля, условия эксплуа-
тации (температура, влажность,
давление, наличие агрессивных
сред и т. д.), режим эксплуата-
ции, срок службы.
Сопротивление обмоток постоянному току определяется дли-
ной, площадью сечения и материалом проводников обмоток, а со-
противление переменному току — этими же параметрами, а также
датчике, не отвлекаясь на ин-
Рис. 4.79. Конструкции ВТП для
контроля лопаток компрессоров га-
зотурбинных двигателей:
а — общий вид; б — зонд для контро-
ля кромки; в — зонд для контроля ра-
диусных переходов; 1 — рукоятка; 2 —•
гибкая трубка; 3 — зонд
243
числом витков, размерами обмоток, материалом магнитопровода,
его формой и размерами. Па высоких частотах заметное влияние
на сопротивление переменному току оказывают паразитные емко-
сти обмоток и подводящих проводов. При этом могут иметь место
оезонансы токов и напряжений, что нежелательно, поскольку это
приводит к изменению характеристик ВТП, а в силу нестабильно-
сти паразитных емкостей — и к нестабильности этих характери-
стик.
На рис. 4.85 приведе-
на упрощенная эквива-
лентная схема трансфор-
маторного ВТП с учетом
паразитных емкостей. На
схеме приняты обозначе-
ния: Ег и Zr— эдс и вы-
ходное комплексное со-
противление генератора,
подключенного к обмот-
ке возбуждения с комп-
лексным сопротивлением
Zr, ZBX— входное сопро-
тивление блока обработ-
Рис. 4.80. Накладные ВТП для дефектоско- ки информации; С], С?—
вия (стрелки указывают положение катушек): собственные паразитные
а-- — стенок отверстий разного диаметра; г - - ба- рмкпгти обмпТОК* (\
рабанов колес самолетов: О. е — внутренних поверх- uvmuivn, 0.5,
костей деталей, достуипих через оглсрстия С3 — Паразитные емКОСТИ
между обмотками; Си,
С6 — паразитные емкости обмоток па объект контроля; Ск1, Ск2 —
емкости соединительных кабелей. Емкости С3 — Се обычно не
превышают для накладных ВТП нескольких пикофарад, емкости
кабелей С,,: и Ск2 обычно больше емкостей С, и С2 и составляют
10.„30 пФ в зависимости от типа и длины кабеля. Рассчитать и
экспериментально определить паразитные емкости затруднитель-
но, возможны только оценки. Поэтому собственные резонансные
частоты ВТП находят экспериментально.
Для повышения чувствительности ВТП желательно, чтобы его
цепь возбуждения работала в режиме заданного тока, поэтому
следует стремиться к выполнению условия гг»гв, где г,— полное
сопротивление цепи возбуждения ВТП. Для измерительной цепи
желателен режим г„-<г„х.
Начальное напряжение измерительной обмотки 1Д находят
экспериментально или по формуле Uo=2afMlB, где М — взаимная
индуктивность между возбуждающей и измерительной обмотками,
определяемая, например, по справочнику [14].
Размеры и форма ВТП определяются их назначением. Размеры
244
Рис. -1.81. Накладные ВТП, используемые для тоф< м н копии деталей сложной
формы:
а, б.с насадками для контроля кромок турбишнп л иок п—ножевого типа, и его
применение (г) для контроля пазов головки цилиндр! i н двигателя; д — ж — для
контроля деталей п'иоии
Рис. 4.82. Накладной ВТП диаметром до 300 мм толщиномера дорожных по-
крытий
245
Рис. 4.83. Накладные ВТП для измере-
ния зазоров в роторных машинах
7
9
-8х|
Генератор
сг 'Му Ч |
' I Щ !
6 Усилитель
Оёъект
НН
и
контроля
Рис. 4.85. Упрощенная эквивалентная
схема трансформаторного ВТП
Рис. 4.84. ВТП с ин-
дикацией дефектов:
/ — катушка; 2 — ог-
раничительная гайка;
3 — соединительная гай-
ка; 4 — кнопка выклю-
чателя; 5 — корпус; 6 —
сигнальная лампа; 7 —
прозрачный колпачок;
8 — резиновая втулка;
9 — кабель
246
зоны контроля зависят от размеров обмоток ВТП и зазора между
ВТП и ОК. Ориентировочно можно считать, что зона контроля
ВТП с круговыми обмотками превышает диаметр обмоток в 1,5...
2,5 раза. Прочие эксплуатационные параметры ВТП определяют-
ся их конструкцией.
4.7.3. Проходные ВТП
Конструктивно проходные ВТП (наружные, внутренние и эк-
ранные, см. § 4.1) различаются меньше, чем накладные. Рассмот-
рим наиболее распространенные конструкции наружных проход-
ных ВТП.
и
Рис. 4.86. Конструкция проходного ВТП со сменными вставками
На рис. 4.86 показана конструкция со сменными катушками,
применяемая для дефектоскопии труб и прутков. В центральную
ч.'нчь корпуса 1 из ферромагнитной стали помещается сменный
б.!ц{ ВТП 2, состоящий из возбуждающей обмотки 3 и двух вклю-
ченных встречно измерительных обмоток 4. Внутрь диэлектриче-
ского каркаса 1! катушек помещена разрезанная вдоль оси труб-
ка 6 из слабопроводящей неферромагнитной стали. Трубка обес-
печивает механическую защиту каркаса и обмоток от контроли-
руемых труб, а разрез резко уменьшает вихревые токи в ней, бла-
годаря чему не ослабляется магнитное поле в ОК. Внутренний
диаметр трубки несколько превышает внутренний диаметр смен-
ных вставок 5, устанавливаемый в соответствии с диаметром ОК.
Применение вставок, ограничивающих возможные радиальные пе-
ремещения ОК, вызвано неоднородностью магнитного поля в зоне
контроля из-за малого отношения длины возбуждающей обмотки 3
к ее диаметру.
247
Вставки 7 из неферромагнитного хорошо проводящего металла
служат экранами, уменьшающими зону контроля по оси ВТП. Они
введены для того, чтобы уменьшить длину неконтролируемых
участков ОК (трубы или прутка) вблизи его концов, поскольку
а)
6)
Рис. 4.87. Проходные ВТП для контроля объектов круглого (о) и прямоуголь-
ного (б) сечения
корпусом I, крышками у, сменными
Рис. 4.88. Конструкция проходного диффе-
ренциального ВТП для дефектоскопии про-
волоки
влияние концов приводит к появлению ложных сигналов. Для
подмагничивания ферромагнитных прутков и труб постоянным
магнитным полем используется магнитная система, состоящая из
обмоток 8 с постоянным током и магнитопровода, образованного
вставками 5 из ферромаг-
нитной стали и участком
объекта в зоне катушек
ВТП. Подмагничивание, как
показано в § 4.6, позволяет
повысить отношение сиг-
нал/помеха при дефектоско-
пии ферромагнитных ОК.
Фиксаторы 10 служат для
крепления сменных вставок.
Конструкция имеет разные
модификации и типоразме-
ры в зависимости от разме-
ров поперечного сече-
ния ОК.
Проходные ВТП без системы подмагничивания применяют для
контроля объектов круглого и прямоугольного сечения (рис. 4.87).
На рис. 4.88 показана конструкция проходного дифференциально-
го ВТП для дефектоскопии проволоки диаметром 0,3... 1 мм. На
248
каркасе 1 в виде трубки из кварцевого стекла намотана длинная
возбуждающая обмотка 2, создающая однородное магнитное поле
в зоне контроля. Каркас 1 помещен в диэлектрический каркас 3
измерительных обмоток 4 малой длины, включенных последова-
Рис. 4.89. Блок ВТП для дефектоскопии тонкой проволоки:
а — общий вид; б — установка ВТП в блоке; / — ВТП в корпусе; 2 — направляющие про-
волоку ролики; 3— винт; 4 — проходное отверстие ВТП; 5 — контролируемая проволока
тельно и встречно. Катушки ВТП залиты компаундом 5 и разме-
щены в латунном корпусе 6, служащем электромагнитным экра-
ном. В компаунде в процессе заливки сформирован канал для ОК-
В торцах катушек установлены керамические втулки 7 для предо-
хранения от механических повреждений. ВТП работает при часто-
те тока возбуждения 1 МГц.
Рис. 4.90. Внутренние проходные ВТП для дефектоскопии труб теплообменни-
ков
На рис. 4.89 показан блок проходного ВТП дефектоскопа тон-
кой проволоки. Конструкция ВТП отличается от приведенной на
рис. 4.88 другой формой корпуса 1, закрепляемого винтом 3 на ос-
новании, на котором установлены также направляющие проволо-
249
такие
Рис. 4.91. Конструкция
проходного ВТП для
контроля термообработ-
ки швейных игл:
1,2— возбуждающая и из-
м е ри те л ьн а я обм от к н; 3.
4 — каркас возбуждающей
и измерительной обмоток
соответственно; 5 — корпус;
6 — гайка; 7 — вставка
ку ролики 2. ВТП может быть легко заменен другим, с другим
диаметром проходного отверстия 4. ВТП соединяется с основани-
ем штепсельным разъемом в нижней части корпуса.
Внутренние проходные ВТП применяют для дефектоскопии
труб в тех случаях, когда доступ к их наружной поверхности за-
труднен или невозможен, например при контроле труб теплооб-
........ ” трубы имеют U-образную форму и длину
до 15 м. При дефектоскопии таких труб
ВТП должны перемещаться вдоль тру-
бы на соответствующую длину и прохо-
дить места изгибов, имеющих радиус от
50 до 2500 мм. Конструкции внутренних
проходных датчиков для контроля труб
парогенераторов и конденсаторов пока-
заны на рис. 4.90. Дифференциальный
ВТП 1 соединен со штепсельным разъе-
мом 4 гибким шлангом 2, который мо-
жет иметь центрирующие сферические
втулки 3. Вся конструкция через штеп-
сельный разъем подключается к соеди-
нительному бронированному кабелю, с
помощью которого датчик протягивают
сквозь трубу 5 с постоянной скоростью.
Имеются и другие конструкции внутрен-
них проходных ВТП, например исполь-
зующие металлические щетки (типа
«ежик») для центровки датчика и одно-
временной очистки внутренней поверхно-
сти труб от отложений.
Для контроля коротких объектов проходными ВТП часто при-
меняют специальные вставки, фиксирующие положение объекта
в ВТП с тем, чтобы ослабить влияние на результаты контроля их
возможных взаимных смещений. На рис. 4.91 в качестве примера
приведена конструкция трансформаторного проходного ВТП для
контроля качества термообработки швейных игл. Здесь исполь-
зованы три секции возбуждающих и измерительных обмоток, что
позволяет раздельно контролировать три зоны иглы, прошедшие
различную термообработку.
Все рассмотренные конструкции ВТП предназначены для рабо-
ты в нормальных условиях. Однако ВТП можно эффективно ис-
пользовать и при высоких температурах окружающей среды или
для контроля нагретых объектов. Поскольку температура мало
влияет на сигналы трансформаторных ВТП (см. п. 4.1.2), главная
проблема состоит в обеспечении работоспособности ВТП при вы-
сокой температуре. Этого достигают применением термостойких
материалов или искусственного охлаждения, соответственно раз-
250
У
Рис. 4.92. Конструкция
неохлаждаемого высоко-
температурного ВТП для
измерения зазоров рабо-
чих лопаток газотурбин-
ных двигателей:
1 — каркас; 2 — обмотки;
3 — корпус; 4 — крышка;
.5 — выводы: 6 — статор
двигателя; 7 — лопатка
личают неохлаждаемые и охлаждаемые высокотемпературные
ВТП.
В неохлаждаемых ВТП применяют такие термостойкие мате-
риалы, как радиочастотная корундовая керамика, стекло, фарфор
и обмоточные провода в термостойкой изоляции (например, стек-
лянной). На рис. 4.92 показана конст-
рукция неохлаждаемого высокотемпера-
турного накладного ВТП, установленно-
го в отверстии статора газотурбинного
двигателя для измерения зазоров между
рабочими лопатками и статором. На
каркасе / из отожженного при темпера-
туре 1650°С корунда намотаны в два
провода возбуждающая и измеритель-
ная обмотки ~2 из провода ПМС диамет-
ром 0,07... 0,1 мм. Обмотки крепят к
каркасу жаропрочным цементом и гер-
метизируют им катушку снаружи. Для
повышения термостабильности стеклян-
ная изоляция проводов оплавляется пу-
тем нагрева до 600...690°С. При этом
снимаются механические напряжения в
проводах обмоток. При температуре до
550°С ресурс такого ВТП не менее
170... 190 ч"
Обычно охлаждаемые ВТП имеют
герметичный корпус из неферромагнит-
ного сплава с высоким удельным сопро-
тивлением (например, из коррозионно-
стойкой аустенитной стали), внутри ко-
торого циркулирует вода (рис. 4.93).
Конструкции, подобные показанным на
рис. 4.93, применяют для контроля проката в технологическом по-
токе при температуре 900... 1200°С. Контроль при температуре
выше точки Кюри позволяет исключить помехи, вызванные изме-
нением магнитных свойств ОК. В конструкции рис. 4.93 использо-
ван ферритовый магнитопровод 5 с медной вставкой 6 и медным
экраном 7 с апертурой (вырезом) для локализации зоны контро-
ля при дефектоскопии. Этот вариант конструкции способен рабо-
тать при температуре до 100°С.
ВТП могут быть успешно использованы в агрессивных средах.
Это, например, экранный накладной ВТП прибора, применяемо-
го для измерения толщины деталей в процессе химического фре-
зерования--технологии, основанной на размерном травлении ме-
таллов специальными травящими растворами (рис. 4.94). ВТП
состоит из размещенных на каркасе 1 возбуждающей 2 и измери-
тельной 3 обмоток (под резиновым колпачком 4), которые охва-
251
7 $
Рис. 4 93. Конструкции охлаж-
даемых водой накладного (а)
и проходного (б) ВТП:
/..корпус.'. 2, ;1 — трубки. отводя-
щая I! НОДВОДЖЦЗЯ иоду соотвстст-
nciitfi); 3 — обмотки: 5 — ферри-
товый магнитоировод: 6 — мел-
ii.ivi нет,анка; 7 — экран с апер-
турой; 8 — провод; 9 — изоляци-
онная трубка для проводов; 10—
штуцер; // — обечайка
тывают ОК с обеих сто-
рон и размещены на
трубчатой скобе 7, герме-
т изир ов а иной со сторон ы
штуцера 10 ганкой //,
и р и ж и м ающей резиновы й
шланг. Колпачки 4 при-
жаты к фланцам 5 гай-
ками 6', обеспечивая гер-
метизацию ВТП и внут-
ренне Й 11 о л ости ско б ы.
С помощью кронштейна
8, к ого р ы й м о ж ет пере-
мещаться но направляю-
щей 9, можно закрепить
датчик на детали, погру-
жаемой в раствор трави-
теля, и контролировать
пронес с. и з м е; I е ш i я тол -
щпны детали.
Д
Рис. 4.94. Конструкции экранного ВТП, ист ского
фрезерования
Контрольные вопросы
4.7.1. Перечислите основные требования к конструкции ВТП.
4.7.2. Укажите меры локализации зоны контроля при использовании наклад-
ных ВТП.
4.7.3. В чем преимущества печатных обмоток ВТП?
4.7.4. Перечислите основные парамсры накладных ВТП.
4.7.5. В чем преимущества проходных ВТП с однородным полем в зоне
контроля и каковы ограничения на их применение?
4.7.6. Укажите, какие конструктивные элементы проходного ВТП, показан-
ного на рис. 4.86, используются для подавления влияния на результаты конт-
роля изменения магнитных свойств ОК.
4.7.7. Для чего в конструкцию проходного ВТП (см. рис. 4.86) введены
вставки из хорошо проводящего металла? Объясните их действие.
4.7.8. Какие меры принимают для повышения термостойкости ВТП?
4.8. ВИХРЕТОКОВЫЕ ДЕФЕКТОСКОПЫ
4.8.1. Классификация и технические характеристики
Дефектоскопы — наиболее распространенный вид вихретоковых
приборов НК, они предназначены для обнаружения несплошностей
в объектах из электропроводящих материалов. Условно их мож-
но классифицировать по нескольким признакам. По виду объек-
тов контроля различают дефектоскопы для контроля: объектов с
плоскими поверхностями и объектов сложно!"! формы; линейно про-
тяженных объектов (пруток, проволока, трубы); мелких деталей
массового производства (детали подшипников качения, крепежные
детали и т. д.). По режиму работы — дефектоскопы для работы
в статическом и динамическом режимах и универсальные. По ти-
пу применяемых ВТП — дефектоскопы с проходными и накладны-
ми ВТП; универсальные дефектоскопы. По конструктивному ис-
полнению-...стационарные, переносные и портативные. Все клас-
сификационные признаки независимы. Возможны и другие приз-
наки, например вид питания, защищенность от внешних воздейст-
вий, хотя они относятся к общим для продукции приборостроения.
Технические характеристики дефектоскопов определяет ГОСТ
26697- - 85 «Контроль неразрушающий. Дефектоскопы магнитные
и вихретоковые. Общие технические требования» (с изменениями
1987 г.). Их можно разделить па общие, относящиеся к дефекто-
скопам как продукции приборостроения (масса, мощность потреб-
ления, показатели надежности, срок службы и т. д.), и специаль-
ные. К специальным характеристикам относят порог чувствитель-
ности, разрешающую способность и максимальную производитель-
ность или скорость контроля.
Основной параметр дефектоскопа — порог чувствительности.
Это минимальные размеры дефекта заданной формы, при которых
отношение сигпал/помеха равно двум (ГОСТ 26697—85). В каче-
стве стандартных дефектов часто принимают узкие разрезы, плос-
кость которых ориентирована нормально к поверхности образца,
253
имеющие определенную глубину, длину и ширину, называемую
также раскрытием. Такие искусственные дефекты наносят на плос-
кие образцы, пруток и трубы различными методами. Другой тип
стандартного дефекта — круглое сквозное или глухое отверстие
заданных диаметра и глубины (для глухих отверстий). Отверстия
как искусственные дефекты легче получаются, по сигналы от от-
верстий и искусственных трещин и рисок той же глубины раз-
личны.
Реальный порог чувствительности дефектоскопа зависит, оче-
видно, как от уровня сигнала, так и от уровня помех. Наиболь-
шее влияние оказывают помехи, связанные с изменением свойств
ОК (например, параметров цЛ и о), размеров, шероховатости по-
верхности ОК, а также с изменением взаимного положения ВТП
и ОК (изменения зазора при использовании накладных ВТП и
радиальные перемещения ОК в проходном ВТП). Поэтому порог
чувствительности не есть неизменный параметр, он зависит от кон-
кретных условий применения дефектоскопа, что необходимо иметь
в виду при его эксплуатации. Порог чувствительности, задаваемый
в технической документации дефектоскопа, определяют, строго ого-
варивая эти условия. Указываются, например, материал и марка
образца с аттестованным искусственным дефектом, взаимное рас-
положение ВТП и образца, размеры образца, расположение ис-
кусственного дефекта. Так как сигнал зависит от положения ВТП
относительно дефекта, то обычно при определении порога чувст-
вительности имеют в виду наибольшее значение сигнала, получае-
мого при сканировании дефектного участка.
Разрешающая способность — минимальное расстояние между
двумя дефектами, при котором они регистрируются раздельно.
Этот параметр обычно задается в пределах 5... 15 мм. Для де-
фектоскопов с проходными ВТП он зависит от диаметра ОК (и
ВТП соответственно): чем больше диаметр, тем хуже разрешаю-
щая способность для дефектов, расположенных вдоль оси ОК.
Для накладных ВТП разрешающая способность тем лучше, чем
меньше зона чувствительности ВТП.
Максимальная производительность контроля — важная эксплуа-
тационная характеристика, обычно задаваемая для дефектоско-
пов, работающих в автоматическом или полуавтоматическом ре-
жиме в технологических производственных линиях. При контроле
линейно протяженных объектов производительность определяется
скоростью контроля (м/с), а при контроле мелких объектов —
числом объектов в единицу времени (шт./ч). Производительность
контроля вихретоковых дефектоскопов ограничивается главным
образом возможностями транспортирующих и сортирующих ОК
устройств и устройств сканирования. Ограничения, связанные с
влиянием скорости движения ОК в зоне контроля на сигналы
ВТП, значительно менее жесткие и не определяют обычно произ-
водительности.
254
Кроме перечисленных указываются также качественные харак-
теристики дефектоскопов: наличие автоматического подавления
влияния изменений зазора; возможность оценки глубины (или
протяженности) дефекта и документирования результатов конт-
роля.
Установленные ГОСТ 26697—85 общие технические требования
обычно дополняются такими параметрами и характеристиками,
как частота тока возбуждения
ВТП, условия применения дефекто-
скопа, виды и характеристики объ-
ектов контроля.
Дефектоскопы для контроля
объектов с плоскими поверхностя-
ми и объектов сложной формы
обычно комплектуются накладны-
ми ВТП и предназначены для рабо-
ты в статическом и/или динамиче-
ском режиме. В первом режиме опе-
ратор перемещает ВТП по поверх-
ности ОК вручную, во втором режи-
Рис. 4.96. К пояснению
способа разделения влия-
ния дефекта и зазора на
комплексное сопротивле-
ние параметрического
ВТП
Рис. 4.95. Структурная схема ав-
тогенератор ного дефектоскопа
ме ВТП с помощью электропривода сканирует исследуемый учас-
ток ОК по выбору оператора. Чаще всего такие дефектоскопы вы-
полняют в виде портативных или переносных приборов, допускаю-
щих работу в полевых условиях.
4.8.2. Дефектоскопы для работы в статическом режиме
Эти дефектоскопы широко применяют для контроля плоских,
цилиндрических и другой формы объектов путем сканирования по-
верхности оператором вручную. Основной мешающий фактор при
работе с такими дефектоскопами — изменения зазора между ВТП
и поверхностью ОК- Для ослабления влияния этого фактора на ре-
зультаты контроля применяют конструкции ВТП с подпружинен-
ными катушками (см. § 4.7), а также способы обработки инфор-
мации, рассмотренные в § 4.6.
Структурные схемы статических дефектоскопов различны, их
255
выбор определяется опытом разработчика, габаритами (а значит,
степенью сложности) прибора, требуемыми техническими харак-
теристиками. Наиболее простую принципиальную электрическую
схему имеют дефектоскопы, в которых ВТП используется в каче-
стве индуктивного элемента резонансного контура автогенератора
1 (рис. 4.95). Автогенератор через буферный каскад 2 связан с
амплитудным детектором 3. Постоянное напряжение, пропорцио-
нальное амплитуде напряжения автогенератора, усиливается уси-
лителем постоянного тока 4, к выходу которого подключен стре-
лочный индикатор 5, а также пороговые устройства 6 и 7, управ-
ляющие работой генераторов звуковой частоты 8 и 9. К выходам
генераторов 8 и 9 подключены головные телефоны 10. Генерато-
ры вырабатывают напряжения различных частот, например 1000
и 400 Гц.
Автогенератор настраивается па определенную частоту f, соот-
ветствующую электромагнитным параметрам материала ОК, пе-
реключением конденсаторов в резонансном контуре. Регулируя
емкость переменного конденсатора, с помощью выведенной на пе-
реднюю панель прибора ручки изменяют коэффициент положи-
тельной обратной связи до тех пор, пока амплитуда напряжения
автогенератора не будет установлена в заданных пределах, соот-
ветствующих установке ВТП иа бездефектный участок ОК. При
этом частота f должна быть такой, чтобы при соответствующем ей
значении обобщенного параметра р комплексное сопротивление Z
обмотки параметрического ВТП определялось точкой А (рис. 4.96).
Тогда при появлении дефекта в зоне ВТП точка, определяющая
комплексное сопротивление Z, перемещается в положение В, ак-
тивная составляющая R сопротивления Z возрастает, добротность
контура автогенератора и соответственно амплитуда напряжения
автогенератора уменьшаются. При этом срабатывает пороговое
устройство 6, реагирующее на уменьшение уровня, запускается
звуковой генератор 8 и через наушники прослушивается звук оп-
ределенной тональности. Если же увеличивается зазор между ВТП
и поверхностью ОК, то точка в плоскости Z перемещается в поло-
жение С, активная составляющая R уменьшается, добротность и
амплитуда напряжения автогенератора возрастают. Это приводит
к срабатыванию порогового устройства 7 и запуску звукового ге-
нератора 9. Через наушники прослушивается звук другой тональ-
ности. Это позволяет разделить влияние дефекта и зазора.
Настройка такого прибора весьма проста и заключается в ус-
тановке режима работы автогенератора переменным конденсато-
ром в цепи положительной обратной связи, такого, что при рас-
положении датчика на бездефектном участке ОК автогенератор
близок к срыву автоколебаний. Перемещая затем датчик над де-
фектным участком, настройкой переменного конденсатора доби-
ваются срыва автоколебаний из-за уменьшения добротности об-
256
мотки ВТП, входящей в колебательный контур. Срыв колебаний
индицируется стрелочным индикатором и сопровождается звуко-
вым сигналом о дефекте. Таким образом, для настройки прибора
требуется только один орган регулировки, если не считать пере-
ключателя выбора частоты автогенератора, который отсутствует,
если прибор работает на одной частоте.
Рис. 4.97. Принципиальные схемы автогенераторов дефектоскопов:
а — одноконтурная; б — двухконтурная
Дефектоскопы описанного типа имеют параметрический ВТП,
основной недостаток которого, как показано в п. 4.1.2, состоит
в зависимости его сопротивления от температуры. В данном слу-
чае влияние изменений температуры ослабляется благодаря пе-
риодической настройке дефектоскопа па бездефектном и дефект-
ном участках ОК.
Применяют и другие схемы автогенераторов в дефектоскопах,
в частности с использованием частотных детекторов, реагирую-
щих на изменение частоты автоколебаний, а также схемы с од-
новременным использованием частотного и амплитудного детек-
торов (см. схему рис. 4.73).
Приведенные на рис. 4.97 схемы представляют варианты обоб-
щенных трехточечных схем автогенераторов. В одноконтурной
схеме (рис. 4.97, а) колебательный контур образован индуктив-
ностью L обмотки датчика и одним из трех переключаемых кон-
денсаторов Ci—С3, задающих частоту автоколебаний. Автогенера-
тор выполнен по емкостной трехточечной схеме на транзисторе
VT, включенном по схеме с общей базой. Коэффициент обратной
связи определяется емкостным делителем из конденсаторов С4—
С7. Регулировкой емкости конденсатора С4 устанавливается ре-
жим, близкий к срыву автоколебаний, при этом датчик располо-
жен на бездефектном участке ОК.
Двухконтурная схема (рис. 4.97, б) выполнена на полевом
транзисторе VT и содержит два контура: L]C\C$ и С2С5С6. Гене-
ратор представляет индуктивную трехточечную схему с общим
9—1332 257
истоком, поэтому оба контура должны иметь индуктивный харак-
тер на рабочей частоте. Индуктивность Lx образована обмоткой
ВТП. Режим работы генератора определяется взаимной расстрой-
кой контуров и емкостью конденсатора связи С2. Для настройки
дефектоскопа служит сопротивление переменного конденсатора С5.
На режим работы генератора влияет также переменной резистор
изменяющий коэффициент отрицательной обратной связи уси-
лителя.
Двухконтурный генератор позволяет подавить влияние изме-
нений зазора, соответствующей настройкой режима работы. При
этом используется зависимость коэффициента положительной об-
ратной связи от частоты, чего не наблюдается в одноконтурной
схеме. Так, если частота снижается, то снижается и коэффициент
обратной связи. В одноконтурном генераторе коэффициент обрат-
ной связи изменяется в основном в результате изменения доброт-
ности контура, в двухконтурном — за счет обоих факторов. В этом
и состоит суть ослабления влияния зазора.
Действительно, если при установке датчика на бездефектный
участок ОК собственная частота контура ЦС\С.у ниже собствен-
ной частоты контура £2СГ)С6( то при увеличении зазора индуктив-
ное сопротивление (oLt датчика возрастает (см. рис. 4.96), что при-
водит к снижению собственной частоты контура Т|С1С4 и уходу
ее от собственной частоты контура Т2С5Сб и частоты автоколеба-
ний. Этим вызвана тенденция уменьшения полного сопротивления
z контура L[C\C^. С другой стороны, перемещение точки па ком-
плексной плоскости комплексных сопротивлений Z из положения
А в положение С (рис. 4.96) увеличивает добротность Q=(oZ.//?
контура из-за уменьшения R, и возникает противоположная тен-
денция к увеличению z. Очевидно, что соответствующей настрой-
кой с помощью конденсатора Сг, можно добиться требуемой на-
чальной расстройкой собственных частот контуров L\C\C< и
так, чтобы при изменении зазора полное сопротивление z контура
А1С’]С4 изменялось незначительно. Тогда незначительными будут
и изменения амплитуды колебаний в автогенераторе, что и озна-
чает ослабление влияния зазора.
Если же в зону контроля попадает дефект (трещина), точка
на комплексной плоскости, определяющая значение Z, занимает
положение В (см. рис. 4.96), что приводит к увеличению активно-
го сопротивления R ВТП и снижению добротности контура Z,)CIC4.
В результате происходит срыв автоколебаний либо уменьшение их
амплитуды, что и регистрируется индикаторами.
Не останавливаясь на устройстве дефектоскопов с ВТП, вклю-
ченными в резонансный контур усилителя (см. § 4.7), отметим, что
настройку таких приборов осуществляют, изменяя либо частоту
генератора, либо собственную частоту контура.
Основное достоинство автогенераторных схем и схем с вклю-
ченным в резонансный контур усилителя ВТП — простота реали-
258
зации и высокая чувствительность. Это позволяет создавать на их
основе малогабаритные портативные и дешевые приборы для ра-
боты прежде всего в полевых условиях. Их с успехом может при-
менять малоквалифицированный персонал, так как они имеют ми-
нимум регулировок (одну-две). К недостаткам этих проборов от-
носится нестабильность, связанная с применением параметриче-
ских ВТП, влияние которой преодолевается периодической под-
стройкой режима работы. Частота тока возбуждения ВТП в при-
борах этого типа лежит в пределах 0,8 ...5 МГц.
Рассматриваемые дефектоскопы выпускаются серийно в нашей
стране и многими фирмами за рубежом. Одним из первых серий-
ных отечественных приборов этого класса был дефектоскоп типа
ППД, разработанный А. Л. Дорофеевым и Ю. Г. Казамановым.
Эти приборы выпускались с 1965 г. [15], и большое их число
эксплуатируется и в настоящее время. Широко распространены
зарубежные дефектоскопы автогенераториого типа «Delectometer»
(фирма «Institut F. Forster», ФРГ), «Eddyprobe», «Halec» («Нос-
king», Великобритания) и др. Их автогенераторы построены по
схемам, близким схеме рис. 4.97, а, что позволяет подавить влия-
ние изменений зазора в пределах 0... 0,1 мм. Эти малогабаритные
приборы имеют, как правило, также комбинированное питание и
большой комплект датчиков.
Дефектоскоп «Delectometer Н2.835», предназначенный для конт-
роля объектов из ферро- и неферромагнитных металлов и спла-
вов с удельной электрической проводимостью о=0,5...60 МСм/м,
имеет: автоматическую установку нуля и автоматическую настрой-
ку компенсации влияния изменений зазора; аналоговую и сигналь-
ную (световую и звуковую) индикацию дефектов; алфавитно-циф-
ровой дисплей для индикации уровня чувствительности и вида
материала ОК; выход для записи информации на осциллограф,
самописец и головные телефоны. Прибор высокочувствительный,
позволяет обнаруживать трещины под слоем пеферромагнитного
металла, например в несущих конструкциях летательных аппаратов
под обшивкой из листов алюминиевых сплавов. Порог чувстви-
тельности дефектоскопа от 20 мкм до 0,2 мм в зависимости от
состояния поверхности.
По схеме двухконтурного автогенератора (рис. 4.97, б) по-
строены отечественные дефектоскопы типа «Проба» Кишиневско-
го ПО «Волна». Они работают на частотах 1... 2 и 6...8 МГц и
имеют переменно-тональную звуковую сигнализацию дефекта. При
увеличении амплитуды высокочастотных колебаний автогенерато-
ра под влиянием дефекта возрастает уровень постоянного напря-
жения на выходе амплитудного детектора. Это напряжение уп-
равляет частотой и амплитудой генератора звуковой частоты, под-
ключенного к головным телефонам, что удобно оператору. Прибор
снабжен также индикатором предельно допустимого зазора, кото-
рый работает следующим образом. При настройке прибора на по-
2U
давление влияния зазора (как было описано) напряжение на кон-
туре Ь2С5Сб, т. е. стоковое напряжение транзистора VT (рис.
4.97, б), почти не меняется. В то же время напряжение на кон-
туре ЦС^С* увеличивается при увеличении зазора. После детек-
тирования вторым ампли-
тудным детектором по-
стоянное напряжение,
пропорциональное ампли-
туде высокочастотного
напряжения, через поро-
говое устройство посту-
пает на светодиодный ин-
дикатор предельно допу-
стимого зазора.
Приборы типа «Про-
ба» снабжаются набором
Рис. 4.98. Структурная схема дефектоско- датчиков для контроля
па ВД-88Н ребер, отверстий диамет-
ром 4...25 мм и глубиной
до 150 мм, и, хотя и уступают прибору «Defectometer Н2.835» по
ряду характеристик, могут применяться в сложных климатиче-
ских условиях. Порог чувствительности прибора 0,2 ...0,5 мм при
подавлении влияния изменений зазора в пределах 0...0.1 мм.
Один из самых малогабаритных дефектоскопов — прибор
ВД-88Н, разработанный А. Д. Покровским и А. И. Хвостовым в
МЭИ. Он построен по автогенераторной схеме (рис. 4.97, а), ио
имеет ряд преимуществ перед приборами типа ППД. Структур-
ная схема дефектоскопа приведена на рис. 4.98. В приборе реали-
зована автоматическая подстройка автогенератора в режим, близ-
кий к срыву автоколебаний. Вихретоковый преобразователь 1
включен в контур управляемого автогенератора 2, к выходу кото-
рого подключены последовательно соединенные усилитель амп-
литудный детектор 4, пороговое устройство 5, управляемый гене-
ратор импульсов 6, управляемый ключ 7, двоичный счетчик им-
пульсов 8, цифроаналоговый преобразователь 9. С выхода ЦАП
постоянное напряжение поступает на управляющий вход автоге-
нератора. Устройство индикации 10 с символьным жидкокристал-
лическим индикатором подключено к выходу порогового устройст-
ва. К генератору импульсов подключены головные телефоны 12.
Дефектоскоп работает в режиме автоматической настройки и
в режиме контроля объектов.
В режиме настройки ВТП устанавливают на бездефектный уча-
сток ОК и нажимают на кнопку «С». В результате счетчики им-
пульсов 8 и 11 устанавливаются на нуль и замыкается ключ 7.
При этом на выходе ЦАП устанавливается такой уровень напря-
жения, воздействующего на варикап в цепи положительной обрат-
ной связи автогенератора, при котором происходит срыв автоколе-
260
баний. В результате на вход порогового устройства поступает на-
пряжение низкого уровня, пороговое устройство переходит в ну-
левое состояние, благодаря чему запускается генератор импуль-
сов. Через замкнутый управляемый ключ импульсы поступают на
входы двоичного 8 и деся-
тичного 11 счетчиков. Код
счетчика 8 преобразуется
ЦАП в постоянное напря-
жение, которое изменяется
при изменении кода счетчи-
ка до тех пор, пока не бу-
дет достигнут уровень, при
котором емкость варикапа
соответствует режиму авто-
колебаний автогенератора 2.
Затем срабатывает порого-
вое устройство, на выходе
которого появляется напря-
жение высокого уровня, бло-
кирующее работу генерато-
ра импульсов. В результате
размыкается ключ. Состоя-
ние счетчика перестает из-
Рис. 4.99. Внешний вид дефек-
тоскопа ВД-88Н
меняться, следовательно,
выходное напряжение ЦАП также не изменяется, благодаря чему
автогенератор остается в режиме, близком к срыву автоколеба-
ний: на индикаторе появляется символ «С». Затем символ исчеза-
ет и появляется десятичное число, отражающее содержимое счет-
чиков 11 и 8 и соответствующее материалу ОК, например алюми-
нию, титану, стали. Весь цикл настройки занимает 100 мс.
В режиме контроля ВТП перемещают по поверхности объекта
со скоростью не более 0,3 м/с. При попадании дефекта в зону
контроля уменьшается добротность обмотки ВТП и происходит
срыв автоколебаний генератора. В результате срабатывает поро-
говое устройство, на индикаторе появляется символ «F», а в го-
ловных телефонах — звуковой сигнал от генератора импульсов.
Прибор позволяет приближенно оценить размеры дефекта. Для
этого используется режим цифровой индикации. Вначале фикси-
руется показание индикатора после калибровки, соответствующее
материалу ОК, затем после обнаружения дефекта, установив ВТП
над ним, нажимают на кнопку «С», настраивая тем самым авто-
генератор в режим автоколебаний, близкий к срыву. После окон-
чания процесса настройки генератора на индикаторе вместо сим-
вола «F» появляется число, отражающее воздействие дефектного
участка ОК на ВТП. По разности показаний индикатора над без-
дефектным и дефектным участками ОК судят о размерах дефек-
та— чем больше разность, тем больше размеры дефекта.
261
Дефектоскоп имеет малые габариты и массу (с батареями пи-
тания не более 0,5 кг). Он комплектуется тремя датчиками диа-
метром 1,8; 10 и 52 мм. Пороги чувствительности определяются
типоразмерами ВТП и колеблются от
Рис. 4J00. Контроль двигателя реактивного
лайнера портативным дефектоскопом:
а —деталей двигателя на аэродроме; б—кромок
лопаток турбины без ее разборки; в — замковой
части лопаток после разборки турбины
также для
выявления сварных
0,1 до 5 мм (по глубине
искусственной трещины).
Допустимые пределы из-
менения зазора от 0,075
до 5 мм в зависимости
от диаметра датчика.
Минимальное расстояние
зоны контроля от края
ОК от 1 до 25 мм в за-
висимости от датчика.
Допустимый угол накло-
на оси ВТП к поверхно-
сти ОК 20°.
Применение дефекто-
скопа позволяет обнару-
живать поверхностные
трещины и риски в
стальных изделиях (же-
лезнодорожные колеса и
оси, металлические мо-
стовые конструкции, под-
шипники качения и т. д.),
а также в объектах из
неферромагнитных ме-
таллов и сплавов. Он эф-
фективен для обнаруже-
ния трещин в пролетных
строениях металлических
мостов под слоем ржав-
чины и краски толщиной
до 5 мм. Прибор приме-
нялся, например, для де-
фектоскопии зоны соеди-
нения металлической ча-
сти антенны с железобе-
тонной на Останкинской
телебашне в Москве, а
швов при криминалистической
экспертизе замененных номерных знаков на деталях автомобилей.
Прибор прост и надежен в работе, имеет всего три кнопки управ-
ления (рис. 4.99).
Портативные дефектоскопы с накладными ВТП, работающие
в статическом режиме, применяют для ручного контроля, главным
образом в процессе эксплуатации конструкций, машин и оборудо-
262
вания. Широкое применение нашли они и для контроля авиацион-
ной техники в полевых условиях аэродромов и на ремонтных пред-
приятиях [15] для дефектоскопии деталей реактивных (рис. 4.100)
и поршневых двигателей (см. рис. 4.81, г), элементов конструкций
Рис. 4.101. Дефектоскопия элементов конструкций крыла (а) и шасси (б)
самолета
крыла и шасси самолетов (рис. 4.101), элементов конструкций
вертолетов (рис. 4.102) и других объектов. Они находят приме-
нение также для слежения за ростом усталостных трещин в образ-
цах материалов и в различных деталях в процессе динамических
испытаний на усталость, для контроля оборудования электростан-
ций и химических предприятий, судового оборудования и др.
Помимо портативных применяют и переносные дефектоскопы
с осциллографическими индика-
торами, работающие в статиче-
ском режиме. Обычно они име-
ют структурную схему (см. рис.
4.64, в), реализующую на экране
ЭЛТ комплексную плоскость на-
пряжений. Это позволяет сущест-
венно расширить возможности
прибора по сравнению с порта-
тивным вариантом. Для примера
рассмотрим прибор «Forster De-
fectoscop S2.830» (рис. 4.103).
Он может работать как с на-
кладными, так и с проходными
ВТП, диапазон частот тока воз-
буждения ВТП от 100 Гц до
990 кГц (устанавливаемых ди-
скретно с малым шагом), имеет
Рис. 4.102. Дефектоскопия элементов
конструкций вертолета в полевых ус-
ловиях
263
Рис. 4.103. Прибор «Forster-Defectoscop S 2.830»
цифровые дисплеи для индикации установленного значения ча-
стоты, чувствительности и фазового угла опорного напряжения
фазового детектора. Фазорегулятор позволяет изменять фазу
опорного напряжения на 360° с шагом Г. Компенсация начально-
го напряжения ВТП (установка нуля) производится автоматиче-
ски нажатием кнопки. Возможно изменение отношения масшта-
бов изображения на экране по вертикали и горизонтали (отцоше-
Рис. 4.104. Применение прибора «Defectoscop S 2.830» с накладными (а, в),
проходными (г, д) и внутренними проходными (б) датчиками для контроля:
а, в —авиационной техники; & — энергетического оборудования; г —крепежных деталей
(болтов); д — труб
264
ние У/Л')- Имеется световая сигнализация о дефекте с установкой
порога срабатывания. Установленные параметры режима работы
запоминаются и сохраняются при выключении прибора.
Прибор имеет автономное питание от аккумулятора напряже-
нием 12 В и массу около 7 кг, удобен при эксплуатации в произ-
водственных условиях (рис. 4.104).
4.8.3. Дефектоскопы для работы
в динамическом режиме и универсальные
Дефектоскопы с накладными ВТП, работающие в динамическом
режиме, эффективны при контроле объектов, допускающих цикли-
ческое сканирование поверхности, например труб и прутков круго-
вого сечения, стенок круглых отверстий. Как показано в п. 4.5.3,
использование динамического режима позволяет увеличить отноше-
ние сигнал/помеха благодаря фильтрации огибающей высокочас-
тотного напряжения ВТП. Отношение сигнал/помеха на выходе
фильтра можно увеличить, используя различие спектров сигналов
от дефектов и помех. Обычно дефектам как локальным резким из-
менениям однородности ОК соответствуют скачки огибающей сиг-
нала, имеющего широкополосный спектр, а помехам, связанным с
относительно более плавными изменениями размеров и электрофи-
зических параметров ОК,— низкочастотные составляющие спект-
ра. Для повышения отношения сигнал/помеха можно использовать
и более тонкие различия в спектрах и в других представлениях
сигналов и помех, например через корреляционные функции. Мето-
ды и средства, которые применяют для выявления этих различий и
в конечном счете для повышения отношения сигнал/помеха, по-
дробно рассмотрены в [19]. Ограничимся здесь только кратким
изложением методов и средств фильтрации применительно к кон-
кретным структурам дефектоскопов.
Структурные схемы дефектоскопов, работающих в динамиче-
ском режиме, отличаются от структурных схем дефектоскопов в
статическом режиме, как правило, только наличием дополнитель-
ных последетекторных блоков обработки информации — фильтров
и усилителей огибающей, блоков синхронизации развертки осцил-
лографического индикатора и блоков преобразования импульсов
сигналов для работы средств сигнализации и автоматизации конт-
роля. Для работы в динамическом режиме дефектоскоп комплек-
туется средствами сканирования поверхности ОК (обычно это
электромеханические устройства вращения накладных ВТП).
На рис. 4.105 приведена структурная схема дефектоскопа типа
«Circograph» — типичного прибора, работающего в динамическом
режиме с накладными ВТП. Генератор 1 вырабатывает синусои-
дальное напряжение высокой частоты (например, 400 кГц), кото-
рое поступает на возбуждающие обмотки ВТП 2 и входы компен-
сатора 3 и фазорегулятора 4. Усиленное усилителем 5 напряжение
265
измерительных обмоток ВТП поступает на фазовой детектор 6.
Выделенная последним проекция вектора напряжения ВТП на вы-
бранное с помощью фазорегулятора направление вектора опорного
напряжения поступает иа вход фильтра 7 с регулируемой полосой
пропускания. С выхода фильтра напряжение через усилитель 8
поступает на вертикально отклоняющие пластины осциллографи-
ческого индикатора 15. Напряжение развертки формируется фор-
мирователем 12 и усиливается усилителем 13. Развертка запуска-
Рис. 4.105. Структурная схема дефектоско-
па типа «Circograph»
ется либо генератором 11.
либо внешними импульсами
синхронизации, поступаю-
щими через усилитель 16.
Внешняя синхронизация
развертки необходима, ког-
да требуется синхронизиро-
вать ее с вращением ВТП.
Блоки 9 и 10 служат для
формирования импульсов,
необходимых для зажига-
ния светового индикатора
14, а блок 17 — для форми-
рования импульса сигнала
на внешние устройства. В блоке 9 предусмотрена возможность
воздействия внешними стробирующими и запирающими импульса-
ми в тех случаях, когда необходимо блокировать сигнализацию о
дефектах (например, при подходе к краю ОК).
Рассмотренная схема положена в основу нескольких модифика-
ций приборов типа «Circograph». На рис. 4.106 показан четырехка-
нальный дефектоскоп «Circograph 6.231» с комплектом датчиков.
Установленные во вращающейся вокруг цилиндрического ОК, на-
пример трубы (диаметром 2...130 мм), головке четыре накладных
ВТП (рис. 4.106, 6) подключаются к соответствующим каналам
дефектоскопа. При значительном изменении зазора между ВТП и
ОК в результате несоосности ОК и вращающейся головки возника-
ют помехи, а также изменяется чувствительность ВТП. Для ком-
пенсации этого эффекта в приборе применена автоматическая регу-
лировка коэффициента усиления каждого канала. С этой целью
получают информацию о зазоре с помощью специальной обмотки
датчика, работающей на более высокой частоте, чем основная об-
мотка. Влияние изменений зазора в небольших пределах подавля-
ется соответствующей настройкой фазы опорного напряжения фа-
зового детектора. В результате допустимые изменения зазора со-
ставляют 1...3 мм.
Прибор снабжается также накладными вращающимися датчи-
ками, которые могут помещаться внутрь труб диаметром 18,5...
200 мм или в отверстия (рис. 4.106, в), и поставляется фирмой
«Institut F. Forster» (ФРГ) в различной конфигурации. Вариант,
266
показанный на рис. 4.1, г, используется в технологических линиях
производства труб, прутков и других объектов круглого сечения
(рис. 4.107).
Приборы серии «Circograph» выпускаются с 1964 г. и хорошо
зарекомендовали себя. В одной из последних моделей «Circograph S»
(рис. 4.108) используется встроенный микропроцессор, что позво-
Рис. 4.106. Четырехканальный дефектоскоп «Circograph 6.231» с вращающими-
ся накладными ВТП:
о —стойка с электронными блоками; б —блок вращения ВТП; в — ВТП для контроля
внутренней поверхности труб и стенок отверстий; г —устройство вращения ВТП
267
ляет получать информацию на экране дисплея в режиме линей-
ной развертки и в режиме 3D одновременно, чем повышается до-
стоверность обнаружения дефектов. Режим 3D («трехразмерный»,
от англ, dimensional — размерный)—динамический режим комп-
лексной плоскости напряжений. В этом режиме точка на экране,
отображающая конец вектора комплексного выходного напряже-
ния ВТП, описывает сложные замкнутые траектории при движении
ВТП относительно объ-
екта контроля. Траекто-
рии запоминаются на
время, требуемое для
анализа и устанавливае-
мое оператором. Таким
образом, отображаются
два параметра сигнала
(составляющие X и У) в
зависимости от времени
(или от связанных с ним
пространственных коор-
динат ВТП относительно
ОК). По положению тра-
ектории в комплексной
Рис. 4.107. Дефектоскоп «Clrcograph 6.231», плоскости определяются
установленный в производственной линии фазовые характеристики
сигнала, а по форме
траектории опытный оператор может идентифицировать дефект.
Установкой сектора в комплексной плоскости (показан штрихо-
вой линией на рис. 4.108, б) и диаметра окружности оператор
может задать пороги срабатывания сигнализаторов дефектов по
фазе и амплитуде сигнала соответственно.
Для контроля оборудования в процессе эксплуатации применя-
ют переносные дефектоскопы, работающие в динамическом режи-
ме. К ним относятся приборы «Forster Defectoscop D 2.831», «Ro-
totest В» фирмы «Rohmann» (ФРГ), отечественный прибор ЭДМ-Ф
[15]. Основная особенность этих дефектоскопов — применение вра-
щающихся накладных ВТП. Вращение осуществляется специаль-
ными устройствами. На рис. 4.109 показана конструкция такого
устройства, применяемого в дефектоскопе ЭДМ-Ф. Электродвига-
тель 1 через соединительные муфты 2 и 3 приводит во вращение
пустотелый вал 4 ротора, вращающийся в подшипниках 5 и 6. Вал
ротора соединен со сменным наконечником 7 через разъем 8, он
закреплен гайкой 9. В наконечнике размещена катушка 10 наклад-
ного ВТП, ось которой перпендикулярна оси наконечника. Элек-
трические цепи ротора (катушки ВТП) и статора соединены бес-
контактно с помощью двух трансформаторов (для возбуждающей и
измерительной цепей ВТП). Одна обмотка (11 и /3) каждого
трансформатора размещена на роторе, а другая (12 и 14)—на
268
Рис. 4.108. Дефектоскоп «Circograph S>:
а —стойка с электронными блоками и клавиатурой микрокомпьютера и блок вра-
щения Bill; о — сигналы ВТП в режиме временной развертки (вверху) и в режи-
ме 3D (внизу)
статоре. Обмотки охвачены
ферритовыми магнитопровода-
ми 15, 16 и коаксиальны. Об-
мотки трансформаторов свя-
зываются магнитным потоком
Ф, пронизывающим магнито-
проводы.
В верхней части устройст-
ва находятся сигнальная лам-
па 17, дроссели 19 и конден-
саторы 18 фильтра цепи пита-
ния электродвигателя, для
включения которого использу-
ется тумблер 20. Разъем 21
служит для соединения уст-
ройства с электронным бло-
‘ ком дефектоскопа.
На рис. 4.110 показаны
аналогичное устройство дру-
гой конструкции к прибору
«Forster Defectoscop D 2.831»
и сменные датчики к нему, а
на рис. 4.111—дефектоскопия
деталей двигателя авиалайне-
ра с помощью прибора «Roto-
tcst В» и устройство для вра-
А
Рис. 4.109. Конструкция устройства вращения накладных ВТП в отверстиях
270
4.110. Устройство вращения
Рис.
ВТП к прибору «Defectoscop D 2.831»
(а) и сменные датчики к нему (б)
щения датчика. Приборы приме-
няются главным образом для
дефектоскопии стенок отверстий
и зон вокруг заклепок, для чего
имеются специальные устройст-
ва, вращающие датчик вокруг
заклепки (рис. 4.112). Осцилло-
графический индикатор приборов
работает обычно в режиме ли-
нейной развертки или в динами-
ческом режиме комплексной пло-
скости напряжений (режим 3D).
В первом режиме импульс на
экране дисплея соответствует де-
фекту, во втором — это сложные
замкнутые траектории, описы-
ваемые точкой, отображающей
конец вектора комплексного на-
пряжения U как функцию поло-
жения датчика относительно ОК
(рис. 4.113). По этим траекто-
риям, сохраняющимся на экра-
не, оператор может идентифици-
ровать сигнал на фоне помех.
Прибор «Forster Defectoscop D 2.831» может быть использован
и как универсальный в ручном режиме контроля с накладными и
внутренними проходными ВТП. При этом развертка не синхрони-
зируется с положением ВТП, а ее скорость устанавливается так,
Luft hansa
‘ $
Рис. 4.111. Дефектоскопия деталей двигателя авиалайнера с использованием
прибора «Rototest В» (а) и устройство для вращения датчика (б)
271
ис. ин, а, и}, и
Рис. 4.112. Устройство для
вращения накладных датчи-
ков вокруг заклепок
Рис. 4.113. Сигналы дефекто-
скопа в динамическом режиме:
а — временной развертки; б •—
комплексной плоскости (режим
3D)
чтобы удобно было наблюдать сигналы при ручном сканировании.
Конструктивно аналогичен прибору «Defectoscop S 2.830».
Прибор «Defectoscop SD 2.832» может работать и в статиче-
в динамическом (рис. 4.114, в—д') ре-
жимах. В статическом режиме прибор
может быть использован и для сорти-
ровки объектов по характеристикам
материалов, например по удельной
электрической проводимости, толщи-
не покрытий, степени коррозии, твер-
дости (рис. 4.114, е). Диапазон рабо-
чих частот прибора 100 Гн... 10 МГц.
Наиболее совершенны универсаль-
ные переносные дефектоскопы на ос-
нове микропроцессоров. Подробнее применение микропроцессоров
в вихретоковых приборах НК рассмотрено в (19], а здесь приве-
дем сведения только о некоторых характеристиках дефектоскопов
с микропроцессорами. Типичные примеры таких приборов — де-
фектоскопы «Elotest В1» фирмы
«Rohmann» и AV-100 фирмы «Ho-
cking» (Великобритания) (рис.
4.115). Эти приборы предназначены
для работы как с накладными, так
и с проходными ВТП разных кон-
струкций в статическом и динами-
ческом режиме, просты в обслужи-
вании, масса около 7 кг, имеют ав-
тономное и сетевое питание. Основ-
ной индикатор — осциллографиче-
ский с возможностью запоминания
изображений. Индикатор работает
в режимах временной развертки и
31). Диапазон рабочих частот в ста-
тическом режиме 10 Гц... 10 МГц,
в динамическом режиме — обычно
одна или две фиксированные часто-
ты (например, 400 кГц и 2 МГц).
Возможен выбор типа фильтра
(низко-, высокочастотный и поло-
совой) и его параметров (частоты
среза или полосы пропускания).
Приборы работают в диалоговом режиме, информация представ-
ляется оператору в символьной форме на экране ЭЛТ или на спе-
циальном символьном дисплее. Режимы настройки прибора (тип
ВТП, ток возбуждения ВТП и его частота, коэффициент усиления,
фаза опорного напряжения, тип и параметры фильтра, вид пред-
ставления информации на экране и масштаб изображения, пороги
272
Рис. 4.114. Применение прибора «Defectoscop SD 2.832»:
а — дефектоскопия объекта с защитным покрытием; б — дефектоскопия кромки лопатки
турбины; в — обнаружение трещин вокруг заклепок головкой с вращающимися датчика-
ми; г — дефектоскопия стенок отверстий; д — дефектоскопия тел вращения; е — контроль
свойств материалов
срабатывания индикаторов дефектов и др.) запоминаются. Можно
запомнить параметры от 32 до 50 различных режимов; кроме того,
пользователь может установить и запомнить параметры еще столь-
ких же собственных режимов. Для документирования полученной
информации имеется встроенный принтер.
Дефектоскопы для контроля линейно протяженных объектов
рассчитаны на работу с накладными либо с проходными ВТП. Ра-
Рис. 4.115. Универсальные переносные микропроцессорные дефектоскопы «Е1о-
test В1» (а) и «Hocking AV-,100» (б)
273
нее был рассмотрен дефектоскоп ти-
па «Circograph» с вращающимися на-
кладными ВТП, установленными на
специальной головке, используемый
в линиях дефектоскопии прутков и
~ труб круглого сечения.
~ Производительность v (м/с) копт-
ел роля для дефектоскопов с вращающи-
мися ВТП определяется частотой .'V
ш вращения ВТП, шириной dK зоны
контроля каждого из них и их числом
Е п: v = n.NdK. Производительность рав-
о на предельной поступательной скоро-
*£ сти движения ОК, при которой вся
$ поверхность ОК сканируется врэщаю-
к щимися датчиками по винтовым ли-
ниям. Производительность контроля
прибора типа «Circograph 2.631» до
о 1 м/с при контроле наружной поверх-
ности труб и до 0,2 м/с при контроле
и внутренней поверхности.
~ Более высокой производительно-
Е стью обладают дефектоскопы с про-
с ходными ВТП. Однако у них меньше
‘ё чувствительность к дефектам (см.
§ 4.5). Эти дефектоскопы обычно вхо-
2з дят в состав технологических линий,
о Так, фирма «Jnstitut F. Forster» дли-
g тельное время выпускает ряд прибо-
§ ров и установок серии «Defectomat»,
•е* образующих в совокупности систему
* «Defectotest 2.800» для контроля ли-
з нейно протяженных объектов. В нее
5 входят переносные дефектоскопы «De-
| fectomat С 2.820» (или Е 2.829), уста-
£ новка «Defectomat S 2.810» и универ-
с тальный прибор «Defectomat F 2.825».
2 Для контроля горячей продукции вы-
пускается прибор «Defectoterm», в со-
б став которого входят «Defectomat С»,
£ «Е» или «S», охлаждаемые водой дат-
чики системы «Т», а также блок ста-
тистической обработки информации
типа «Digicord» или «Datalyt». Систе-
ма дополняется устройствами механи-
ческой транспортировки, сортировки
и маркировки контролируемой про-
274
дукции, что позволяет заказчику получить линию контроля «под
ключ». Порог чувствительности прибора серии «Defectomat»
!.,.4% диаметра ОК-
Для дефектоскопии проволоки этой же фирмой выпускаются
установки типа 2.704 и 2.162, 2.163.
С помощью этих приборов можно контролировать линейно про-
тяженные объекты круглого и прямолинейного профиля с попереч-
ным сечением от 40 мкм до 180 мм.
Рассмотрим типичные особенности входящих в систему прибо-
ров на примере дефектоскопа «Defectomat С», построенного по
структурной схеме рис. 4.64 с добавлением последетекторного уси-
лителя огибающей и фильтров. Его дисплей может работать в ре-
жиме развертки или 3D. Диапазон частот 1 кГц... 1 МГц (семь
фиксированных значений), диапазон диа-
метров ОК 0,2... 170 мм, производитель-
ность контроля 0,002... 100 м/с. Порого-
вое устройство, включающее сигнализа-
тор дефектов, реагирует на проекцию
вектора сигнала на выбранное направ-
ление, либо на его мнимую составляю-
щую, либо на его модуль. Имеется блок
корреляционной обработки информации
двух ВТП, разнесенных в пространстве
с целью повышения отношения сигнал/
помеха. Прибор может работать с широ-
f)
Рис. 4.117. Стационарная дефектоскопическая установка «Defectomat S 2.810»
(а) с системой анализа результатов «Datalyt» (б)
275
ким набором проходных ВТП, а также с вращающимися наклад-
ными ВТП. Имеется двухканальная модификация прибора, когда
используются одновременно две частоты.
Модель «Defectomat Е» отличается от модели «С» отсутствием
дисплея и некоторых других блоков (рис. 4.116), но имеет световой
аналоговый индикатор в виде светящейся шкалы, длина которой
соответствует модулю вектора сигнала. Модель «Е» дешевле моде-
ли «С» и используется для решения более простых задач.
Установка «Defectomat S 2.810» отличается от модели С 2.820
большим числом блоков, что позволяет полностью автоматизиро-
вать процесс контроля (рис. 4.117). Она выполнена по модульному
принципу, может комплектоваться в многоканальном и многочас-
тотном вариантах, имеет многоканальный самописец, счетчики
плотности дефектов по длине ОК,
счетчики числа проконтролирован-
ных изделий и др. Допускается ис-
пользовать те же типы датчиков,
что и у моделей «С» и «Е», рабо-
тать в статическом и динамическом
режимах с производительностью до
100 м/с. Компьютерная система
анализа результатов контроля «1)а-
talyt» позволяет обработать, за-
помнить и отпечатать даняые.ана-
лиэа. Установка предназначена для
автоматического высокопроизводи-
тельного контроля качества продук-
ции металлургических предприятий
и входит в состав технологических
линий.
Аналогичные установки выпу-
скаются различными фирмами за
рубежом, а также в нашей стране,
например дефектоскопы ВД-30П и
ВД-ЗШ [3]. Последние, правда,
i)
Рис. 4.118. Установка 2.704 для дефектоскопии тонкой проволоки:
а — электронный блок; б — устройство транспортировки проволоки с датчиками
276
уступают описанным приборам и установкам по ряду характери-
стик.
Установка типа 2.704 фирмы «Institut F. Forster» для дефекто-
скопии тонкой проволоки позволяет контролировать неферромаг-
Рис. 4.119. Установка 2.162 фирмы «Institut F. Forster» для дефектоскопии
проволоки:
а — электронный блок: б — устройство транспортировки проволоки; в — датчик
Рис. 4.120. Дефектоскоп ВД-23П для контроля проволоки
нитную проволоку, в основном из тугоплавких металлов (вольфрам,
молибден), диаметром 4 0... 200 мкм на частоте 120 МГц (рис. 4.118).
Используются абсолютные проходные ВТП (см. рис. 4.89, б).
Отличительная особенность принципиальной электрической схемы
277
прибора —детектирование сигнала ВТП непосредственно до усиле-
ния, что обусловлено высокой частотой тока возбуждения ВТП.
Производительность контроля до 1,3 м/с. Имеются пороговые уст-
ройства для сортировки проволоки на три класса по плотности
Рис. 4.121. Универсальный дефектоскоп
«Defectomat F 2.825»
дефектов, самописец и прин-
тер (в модели pS, снаб-
женной микропроцессором).
Порог чувствительности
10... 15% диаметра прово-
локи.
Установка 2.162 той же
фирмы для дефектоскопии
неферромагнитной проволо-
ки диаметром 0,2...3,2 мм
с производительностью до
10 м/с (рис. 4.119) имеет
пять фиксированных значе-
ний частоты — от 2 до
8,4 МГц, порог чувстви-
тельности 1...4% диаметра проволоки.
В отечественных приборах ВД-20П, ВД-23П (рис. 4.120) для де-
фектоскопии проволоки использованы дифференциальные проход-
ные ВТП типа показанного на рис. 4.88. Это позволяет повысить
отношение сигнал/помеха по сравнению с абсолютным ВТП. Для
обнаружения протяжен-
ных дефектов типа рас-
слоения в проволоке из
вольфрама в блоке обра-
ботки информации ана-
лизируется частота вы-
бросов амплитуды выше
заданного уровня. На
основании результатов
°) Ч 8)
анализа выносится реше-
ние о типе дефекта: рас-
слоение или короткий за-
усенец, трещина. Соответ-
ствующие счетчики опре-
деляют суммарную дли-
Рис. 4.122. Статические режимы представле-
ния информации на комплексной плоскости
индикатора дефектоскопа с установкой поро-
гов по мнимой (К) составляющей вектора О
(а), по модулю вектора О (б), по значению
модуля вектора 0 в секторе его аргументов
ну участков проволоки с
расслоениями и число коротких дефектов. По этим данным опе-
ратором устанавливается сортность проволоки. Дефектоскопы ра-
ботают на фиксированных частотах от 130 кГц до 100 МГц и по-
зволяют контролировать проволоку диаметром от 50 мкм до 5 мм
с производительностью 0.1...5 м/с (в зависимости от диаметра).
Универсальный дефектоскоп «Defectomat F 2.825» (рис. 4.121)
используется в исследовательских лабораториях и учебных заведе-
278
ниях для разработки новых методик вихретоковой дефектоскопии,
исследования свойств материалов, а также для контроля качества
конкретных видов продукции. Он может работать в статическом и
динамическом режимах со всеми типами ВТП в диапазоне частот
100 Гц...1 МГц. Дисплей представляет информацию о сигнале на
комплексной плоскости в одном из трех режимов в статике с со-
ответствующей установкой порогов сигнализации (зоны 1, 2 на рис.
4.122) о дефектах по нескольким параметрам вектора сигнала.
Дисплей может работать также в режиме временной развертки.
Возможно запоминание изображения дисплея. Прибор имеет встро-
енный самописец, аналоговый выход на магнитограф, выход для
подключения персонального компьютера. Масса прибора около
40 кг.
4.8.4. Метрологическое обеспечение
и области применения
Метрологическое обеспечение вихретоковых дефектоскопов ба-
зируется на применении стандартных образцов с искусственными
дефектами, аттестованными по геометрическим параметрам. Учи-
тывая большое разнообразие объектов контроля и видов дефек-
тов, невозможно укомплектовать дефектоскопы образцами, пригод-
ными на все случаи. Обычно дефектоскопы комплектуют несколь-
кими образцами из наиболее характерных материалов с
искусственными дефектами в виде узких пазов и отверстий различ-
ной глубины. Образцы аттестуют метрологические службы Госстан-
дарта СССР либо предприятия и используют для установки порога
чувствительности, аттестации и поверки дефектоскопа. При необхо-
димости пользователь изготовляет и аттестует требуемые ему образ-
цы самостоятельно с помощью метрологических служб предприятия.
Следует учитывать, что сигнал от дефекта и возможность его об-
наружения зависят от формы, размеров и материала образца,
его структурного состояния (режима термо- и механической обра-
ботки), состояния поверхности, технологии нанесения искусствен-
ных дефектов, а также от режима настройки дефектоскопа и
применяемых ВТП. Поэтому внедрению дефектоскопа в производ-
ство должна предшествовать значительная работа по изучению
объекта и условий контроля, выбору оптимального режима конт-
роля, разработке методик контроля и обучению персонала. При-
мером такой работы могут служить исследования, выполненные
специалистами разных стран с целью установления связи между
сигналами вихретоковых дефектоскопов и дефектами оборудования
атомных электростанций. В частности, для метрологического обес-
печения НК труб парогенераторов с использованием вихретоковых
дефектоскопов с внутренними проходными ВТП (см. рис. 4.90) со-
ставлены каталоги сигналов от искусственных дефектов различных
типов, отражающие также влияние типичных помех. Имеется во-
279
семь типов искусственных дефектов, в том числе цилиндрические и
конические глухие отверстия разной глубины, сквозные отверстия,
кольцевые проточки, поперечные и продольные пазы разного сече-
ния. Сигналы ВТП при дифференциальном и абсолютном включе-
нии, полученные при его движении внутри трубы вдоль ее оси,
регистрировались самописцами в комплексной плоскости XY (ре-
жим 3D), а также в координатах X(t) и У(/) (режим временной
развертки).
Рис. 4.123. Сигналы дефектоскопа, работающего в режиме 3D, от искусствен-
ных дефектов в трубах парогенераторов:
а — от кольцевой проточки глубиной, составляющей 20% толщины стенки; б — от глухого
отверстия глубиной 90% толщины стенки; в — от сквозного отверстия; г —от продольного
паза глубиной 65% толщины стенки
На рис. 4.123 приведены примеры сигналов от дефектов различ-
ных типов в трубе из аустенитной стали диаметром 16 мм и тол-
щиной стенки 1,5 мм, полученные с помощью дефектоскопа типа
«Multitest ЕМ4300» фирмы «Magnaflux Corporation» (США) на
частоте 100 кГц при дифференциальном включении ВТП. Имея до-
статочно обширный каталог сигналов от дефектов, можно иденти-
фицировать дефект и приближенно оценить его параметры.
На рис. 4.124 в качестве примера показаны: сигнал от дефекта
в виде сквозного отверстия диаметром 2 мм в трубе (а), помехи от
прижимной плиты, закрепляющей трубы в парогенераторе (б), и
сигнал от того же дефекта на фоне помехи (в). Из рисунка следу-
280
ет, что можно надежно идентифицировать дефект и при наличии
помехи.
Для создания каталога требуются большой объем исследований
и значительное число образцов ОК. В ответственных случаях эта
работа выполняется специализированными организациями, отвеча-
ющими за контроль состояния оборудования.
Учитывая трудности в изготовлении большого числа стандарт-
ных образцов, изменение их характеристик во времени (старение),
необходимость их учета и хранения, целесообразно минимизиро-
вать их число, используя настройку режима работы и поверку
дефектоскопов с помощью имитаторов сигналов. Способы имитации
сигналов от дефектов различны. Условно их можно разделить на
физические и электрические.
Рис. 4.124. Сигналы и помехи при дефектоскопии труб парогенераторов
Физические способы основаны на применении физической мо-
дели объекта, воздействие которой на ВТП эквивалентно воздей-
ствию дефекта. Например, для настройки и поверки порога чувст-
вительности дефектоскопа тонкой проволоки в проходной ВТП
вводят конец проволоки, диаметр которой значительно меньше
диаметра проволоки, подлежащей дефектоскопии. Приближе-
ние конца проволоки к измерительной обмотке ВТП вы-
зывает появление импульса огибающей, параметры кото-
рого определяются главным образом диаметром проволоки.
Очевидно, что изготовить искусственные дефекты на проволоке из
вольфрама, например, диаметром 50... 100 мкм весьма затрудни-
тельно.
Электрические способы базируются на создании электрических
сигналов, параметры которых близки параметрам сигналов от де-
фектов. При этом необходимо стремиться к тому, чтобы имитацион-
ные сигналы проходили как можно большую часть тракта дефекто-
скопа, включая и ВТП. Для этого целесообразно создавать эти
сигналы на выходе генератора, возбуждающего ВТП. Например,
можно модулировать ток возбуждения ВТП, создавая импульсы
огибающей в измерительных обмотках. Очевидно, что в случае
дифференциальных ВТП необходимо предварительно разбаланси-
ровать измерительные обмотки.
281
Электрические способы имитации удобны в реализации, хорошо
воспроизводимы и контролируются измерительной аппаратурой.
Однако они не позволяют проследить за взаимодействием ВТП с
ОК. Поэтому их целесообразно применять для проверки работо-
способности прибора и его настройки в процессе эксплуатации в
сочетании со стандартными образцами с искусственными дефекта-
ми при поверке и аттестации.
Вихретоковые дефектоскопы используют наряду с ультразвуко-
выми, магнитными и другими конкурирующими приборами. Поэто-
му важно представлять те области, где их преимущества проявля-
ются больше всего. Одна из главных областей применения вихрето-
ковых дефектоскопов — высокопроизводительный бесконтактный
контроль качества объектов из неферромагнитных электропроводя-
щих материалов: цветных металлов и сплавов, аустенитных сталей,
графитов. При использовании ультразвуковых дефектоскопов тре-
буется акустический контакт с ОК, а такие материалы, как аусте-
нитные стали и графиты, дают высокий уровень помех, что связано
с отражением ультразвука от границ зерен. Магнитные дефектоско-
пы, очевидно, неприменимы.
С помощью вихретоковых дефектоскопов хорошо выявляют по-
верхностные дефекты и значительно хуже подповерхностные; как
правило, невозможно определить размеры дефектов. Для обнару-
жения глубоко залегающих дефектов и определения их размеров
ультразвуковые приборы обладают преимуществом. Кроме того,
ультразвуковые дефектоскопы (в отличие от вихретоковых) нечув-
ствительны к изменениям удельной электрической проводимости и
магнитных свойств ОК, что во многих случаях затрудняет примене-
ние вихретоковых приборов. Вихретоковые дефектоскопы оказыва-
ются вне конкуренции при контроле миниатюрных неферромагнит-
ных объектов: тонкой проволоки, мелких деталей. Они же незаме-
нимы как простые, дешевые и удобные в эксплуатации портативные
средства контроля в полевых условиях.
При контроле объектов из ферромагнитных электропроводящих
материалов главными конкурентами вихретоковым дефектоскопам
выступают магнитные. Заметим, что по чувствительности к поверх-
ностным дефектам магнитопорошковый метод превосходит вихре-
токовый, однако он не идет с ним ни в какое сравнение по техноло-
гичности и производительности. При вихретоковой дефектоскопии
ферромагнитных объектов встает проблема мешающего влияния
неоднородности магнитных свойств ОК на результаты контроля,
что в магнитных методах проявляется не так существенно.
Таким образом, эффективность применения дефектоскопа зави-
сит от конкретных условий, т. е. выбору прибора должен предшест-
вовать серьезный анализ. Во многих случаях наибольшего эффекта
удается достичь, используя одновременно приборы разных типов
для решения одной задачи, например вихретоковый и ультразвуко-
вой дефектоскопы в установке фирмы «Nukem» (ФРГ) для дефек-
282
Рис. 4.125. Комбинированная вихретоковая и ультразвуковая установка фир-
мы «Nukem» для дефектоскопии труб теплообменников (а) и вращающиеся
головки с преобразователями (б)
283
тоскопии труб теплообменников в процессе их производства (рис.
4.125). Здесь накладные вихретоковые и ультразвуковые преобра-
зователи вращаются вокруг трубы специальными головками.
Контрольные вопросы
4.8.1. По каким признакам можно классифицировать вихретоковые дефекто-
скопы?
4.8.2. Назовите основные технические характеристики дефектоскопов.
4.8.3. В чем вы видите основные достоинства и недостатки автогенератор-
ных дефектоскопов?
4.8.4. Как ослабляется влияние изменений зазора в дефектоскопе с двух-
контурным автогенератором (см. рис. 4.97, 6)?
4.8.5. Для чего нужны автоматическая настройка дефектЬскопа ВД-88Н
(см. рис. 4.98, 4.99) на бездефектном участке ОК и как она реализуется?
4.8.6. В чем преимущества динамического режима работы дефектоскопов
по сравнению со статическим?
4.8.7. Объясните режим работы 3D дефектоскопа. В чем достоинства этого
режима?
4.8.8. Как достигается метрологическое обеспечение дефектоскопов?
4.9. ВИХРЕТОКОВЫЕ ТОЛЩИНОМЕРЫ
4.9.1. Классификация и основные технические
характеристики толщиномеров
Вихретоковые толщиномеры — это приборы для измерения тол-
щины объектов и покрытий на них. Объектами контроля могут
быть листы, ленты и фольга из металлов и сплавов, стенки труб и
баллонов, детали машин. Еще более разнообразны покрытия.
В вихретоковой толщинометрии все виды покрытий удобно разде-
лить на следующие группы:
изоляционные покрытия на электропроводящих основаниях, на-
пример лакокрасочные, эмалевые, пластиковые, стеклянные, рези-
новые покрытия на металлах и сплавах;
электропроводящие покрытия на изоляционных основаниях, на-
пример медные слои на стеклотекстолитовых печатных платах,
алюминиевые покрытия на стекле (зеркала) и пластиках;
электропроводящие покрытия на электропроводящих основани-
ях, например антикоррозионные слои алюминия на алюминиевых
сплавах, нанесенные плакированием (от франц, plaquer — покры-
вать).
Покрытия защищают металлы от коррозии, выполняют теплоза-
щитные, декоративные и другие функции. Среди показателей каче-
ства покрытий важнейший — толщина, допустимые пределы изме-
нения которой определяются нормативно-технической документаци-
ей. Разрушающие методы измерения толщины покрытий, например
метод микрошлифов, метод взвешивания, травления, не позволяют
реализовать 100%-ный контроль продукции, малопроизводительны
и неэкономичны. Поэтому применение вихретоковых толщиноме-
284
ров для измерения толщины покрытий дает, как правило, значи-
тельный технический и экономический эффект.
Вихретоковые толщиномеры можно классифицировать по виду
объектов контроля и по конструктивному исполнению. По виду
объектов контроля выделяют толщиномеры изоляционных покры-
тий на электропроводящих основаниях, электропроводящих покры-
тий на изоляционных основаниях и электропроводящих объектов
(стенок труб, фольги, лент, листов), электропроводящих покрытий
на электропроводящих основаниях.
По конструктивному исполнению различают портативные и пе-
реносные толщиномеры.
Технические характеристики вихретоковых толщиномеров опре-
деляются ГОСТ 26737—85 «Контроль неразрушающий. Толщино-
меры покрытий магнитные и вихретоковые. Общие технические тре-
бования». Основная характеристика — предел допускаемой ос-
новной погрешности. Он зависит от многих факторов и может быть
определен, как для любого средства измерения, в соответствии с
принятыми стандартами. Однако для вихретоковых толщиномеров
имеется определенная специфика, которая заключается в том, что
методическая погрешность определяется в значительной степени
свойствами ОК и условиями взаимодействия ВТП и ОК. Если инст-
рументальная погрешность может быть уменьшена до вполне при-
емлемого значения обычными приемами снижения погрешности
средств измерения, то с погрешностью, связанной с ОК, как пра-
вило, не удается справиться так просто. Ее не всегда можно опре-
делять достаточно достоверно, поскольку требуются аттестованные
образцы толщины покрытий. Их трудно изготовить и аттестовать
с погрешностью менее 1...3%, а это означает, что погрешность при-
бора может составлять 3...10%, так как по действующим стандар-
там погрешность образцовых мер должна быть примерно в три
раза меньше погрешности поверяемого средства измерения. Осо-
бенно большие затруднения возникают при аттестации толщино-
меров малых толщин покрытий (единицы — десятки микрометров).
Зарубежные фирмы приводят только инструментальную погреш-
ность прибора, причем под нею чаще всего понимается разброс по-
казаний при многократных измерениях. Действующие в нашей
стране стандарты требуют указания погрешности измерения при-
бора, включая и методическую погрешность, которая в 2...3 раза
превышает погрешность образцовой меры. Поэтому паспортная
погрешность отечественных толщиномеров (около 5%), как прави-
ло, существенно больше, чем зарубежных (1...2%), хотя это и не
всегда отражает истинное положение.
Диапазон измеряемых величин обусловлен назначением толщи-
номера и характеристиками объектов контроля. Для большинства
толщиномеров изоляционного покрытия на проводящем основании
он составляет от 0 до 1 мм, а в специальных приборах — до 50 и
даже до 400 мм; для толщиномеров электропроводящего слоя — от
285
0,005 до 5 мм, а у некоторых приборов — до 60 мм; для толщино-
меров проводящих покрытий на проводящем основании — 0,005...
0,5 мм. Обычно диапазон разбивается на несколько поддиапазонов
с целью поддержания чувствительности в определенных пределах.
Диаметром зоны измерения, который может колебаться в ши-
роких пределах — от единиц до десятков миллиметров, а в отдель-
ных случаях и до нескольких сотен миллиметров, — определяется
выбор размеров ВТП. Остальные характеристики толщиномеров
неспецифичны и относятся к общим для электронных измеритель-
ных средств: масса, мощность потребления, показатели надежности,
срок службы и др.
4.9.2. Толщиномеры изоляционных покрытий
на электропроводящих основаниях
Покрытия из изоляционных материалов на металлических ос-
нованиях наносят для теплозащиты, защиты от агрессивных сред
н атмосферных воздействий, они также выполняют декоративные
и другие функции. Материалом покрытия могут служить лак,
краска, эмаль, стекло, резина, пластмасса, оксидные и фосфатные
слои. Материалы основания могут быть ферро- и неферромагнит-
ными. Если основание выполнено из ферромагнитных материалов,
то эффективнее применять магнитные толщиномеры (см. § 3.6).
Типичные неферромагнитные электропроводящие основания — алю-
миниевые сплавы, латунь, бронза, медь и др.
Особый случай применения толщиномеров рассматриваемого
типа — для измерения толщины изоляционных слоев с помощью
так называемых закладных элементов, представляющих металли-
ческие пластинки или фольгу, закладываемые в технологическом
процессе в диэлектрический объект и покрываемые затем слоями
диэлектриков, толщину которых необходимо измерять. Этот прием
используется для измерения толщины асфальтобетонных покрытий
автомобильных дорог в процессе строительства и эксплуатации,
диэлектрических слоев композиционных материалов, выполняемых
намоткой из стеклоткани, и др.
С точки зрения вихретокового контроля измерение толщины
диэлектрика на проводящем основании представляет задачу изме-
рения зазора между накладным ВТП и поверхностью проводяще-
го основания. Поэтому, как показано в § 4.3, в этом случае целе-
сообразно выбирать значение обобщенного параметра р =
= А)Кощио как можно большим. Ограничение значения р сверху
определяется наибольшим технически достижимым значением
частоты тока возбуждения, поскольку при неизменном радиусе R
ВТП увеличить р можно только увеличивая частоту / = <о/(2л).
Предельное значение fmai следует выбирать так, чтобы оно не ме-
нее чем в 2 „3 раза было ниже собственной резонансной частоты
fo ВТП с соединительным кабелем (см. п. 4.7.2). Исходя из этих
286
соображений частоту в толщиномерах изоляционного слоя выбира-
ют в пределах 1...20 МГц, при этом обычно р>20. Как следует из
§ 4.3, при р>20 чувствительность ВТП к изменениям удельной
электрической проводимости о мала, поэтому в толщиномерах изо-
ляционного слоя обычно осуществляют подавление влияния изме-
нений удельной проводимости о основания, а в качестве информа-
тивного параметра сигнала ВТП используют модуль вектора
Рис. 4.126. Портативный
толщиномер «Isoscop
МР»
Рис. 4.127. Портативные толщиноме-
ры «Elcometer 300»:
а — модель 300В;б — модель 300S
(амплитуду) напряжения. Поэтому структурные схемы таких тол-
щиномеров обычно достаточно просты и выполняются либо по схе-
ме рис. 4.60 с трансформаторным ВТП, либо по схеме рис. 4.66 с
параметрическим ВТП. Второй вариант в современных разработках
применяется сравнительно редко в связи с необходимостью приня-
тия мер по ослаблению влияния изменения температуры на пара-
метры ВТП.
Толщиномеры изоляционных покрытий можно условно разде-
лить на портативные и переносные. В последнее время приборы
этого типа часто выполняют как комбинацию вихретоковых и маг-
нитных. С их помощью можно измерять толщину любых изоляци-
онных покрытий на электропроводящих неферромагнитных основа-
ниях и толщину любых неферромагнитных покрытий (изоляцион-
ных и проводящих) на ферромагнитных основаниях.
Существует два основных типа портативных толщиномеров: ана-
логовые и цифровые, причем цифровые в настоящее время выполня-
ют на основе микропроцессоров. Приборы поставляются на между-
народный рынок многими фирмами, среди которых ведущее место
287
занимают фирмы «Н. Fischer» (ФРГ) и «Elcometer Instruments»
(Великобритания).
Приборы серии «Isoscop МР» предназначены для измерения
толщины диэлектрических покрытий в диапазоне 3...1000 мкм с
инструментальной погрешностью около 1%±1 мкм (рис. 4.126).
Основание — любые цветные неферромагнитные металлы и сплавы.
Прибор модели МР 3 имеет встроенный микропроцессор для выпол-
нения ряда основных и сервисных функций. К основным относятся:
калибровка по трем образцовым мерам (нулевое, максимальное
и среднее значение толщины); вычисление толщины покрытия по
сигналу ВТП с помощью градуировочной характеристики, находя-
щейся в памяти прибора; управление работой блоков прибора и
индикатором.
Сервисные функции включают: статистическую обработку серии
повторяющихся измерений и совокупности серий; запоминание ре-
зультатов отдельных измерений (до 1000) и серий измерений (до
500) в четырех отдельных блоках памяти; выдачу результатов из-
мерения и их статистической обработки на внешний принтер или
компьютер.
Данные хранятся в памяти и при отключении питающего напря-
жения. Для увеличения времени работы без подзарядки аккумуля-
торов или смены батарей питания прибор отключается автомати-
чески, если им не пользуются.
Прибор комплектуется накладными ВТП с минимальной-зоной
контроля 3 мм в диаметре, минимально допустимый радиус кри-
визны объектов контроля 2 мм. Результаты статистической обра-
ботки данных включают следующие параметры: среднее значение,
среднее квадратическое отклонение, минимальное и максимальное
значения, число измерений и номер измерения. Масса прибора око-
ло 350 г.
Большие возможности имеет портативный толщиномер «Elco-
meter 300», предназначенный для измерения покрытий на ферро- и
неферромагнитных основаниях (рис. 4.127). Прибор имеет пример-
но те же технические характеристики, что и «Isoscop МР», но име-
ет иную методику калибровки и более широкие сервисные функции.
Возможны три варианта калибровки, дающие различную погреш-
ность измерения и применяемые в зависимости от условий конт-
роля.
В первом варианте прибор калибруют по двум точкам: при ус-
тановке ВТП на непокрытое основание (нулевая точка) и при фик-
сированном зазоре между ВТП и основанием. Этот зазор устанав-
ливают с помощью аттестованных по толщине изоляционных про-
кладок (образцовых мер). Если толщина образцовой меры близка
измеряемой величине, то погрешность измерения не превышает
±1% ±2 мкм. Если же она ближе к верхнему пределу измерения,
то погрешность может возрасти до ±3% ±2 мкм.
288
Второй вариант обычно применяют при измерениях на объектах
малых размеров или на поверхностях с малым радиусом кривизны,
и прибор калибруется по одной точке.
Третий вариант калибровки применяется в тех случаях, когда
непокрытое основание недоступно. Калибровка осуществляется с
помощью аттестованных по толщине изоляционных прокладок не-
посредственно на объекте измерения. Погрешность может достигать
±5% ±2 мкм.
Процесс калибровки заключается в том, что по сигналам, соот-
ветствующим образцовым мерам, определяются коэффициенты ап-
проксимирующих градуировочную характеристику полиномов. Вид
полинома заложен в постоянной памяти встроенного в прибор ми-
крокомпьютера. Параметры градуировочной характеристики, опре-
деляемые коэффициентами .полинома, можно уточнить с помощью
образцовых мер с учетом таких факторов, как температура окру-
жающей среды, износ торцевой поверхности ВТП, удельная элек-
трическая проводимость основания.
Модель 300В не содержит микропроцессора, очень проста в
эксплуатации, имеет всего пять кнопок. Используется калибровка
по двум точкам. После включения и калибровки прибор готов к
работе. Ввод команд путем нажатия на кнопки и выполнение из-
мерений подтверждаются звуковыми сигналами. Результат послед-
него измерения запоминается. Прибор снабжается набором из пяти
ВТП (три для ферромагнитной и два-для неферромагнитной осно-
вы) с диаметром зоны контроля 6...8 мм. Минимально допустимый
радиус кривизны ОК с вогнутой поверхностью 25...80 мм, а с вы-
пуклой 1,5...25 мм в зависимости от толщины покрытия. К прибору
можно подключить принтер, на который выводится результат каж-
дого измерения. Масса прибора около 300 г (включая источник пи-
тания). Прибор автоматически выключается через 4 мин после по-
следнего измерения.
Модель 300S имеет более широкие возможности, предоставляе-
мые микропроцессором, в частности возможно запоминание не од-
ной (как в модели 300В), а многих градуировочных характеристик,
полученных при калибровке на различных объектах. Данные изме-
рений можно накапливать и проводить их статическую обработку
по группам, каждая из которых соответствует определенному
типу ОК и градуировочной характеристике. В приборе можно ис-
пользовать все три варианта калибровки. Возможна установка
нижнего и верхнего допустимых пределов толщины покрытия, пос-
ле чего все результаты измерений, выходящие за эти пределы,
индицируются на символьном жидкокристаллическом дисплее в
режиме мигания. На экран выводится также информация о типе
используемого ВТП и состоянии батарей. Статистическая обработка
результатов до 2700 измерений такая же, как в приборе «Isoscop
МР».
10—1332
289
Модель 300SP отличается от модели 300S тем, что на подклю-
чаемый внешний принтер можно вывести все результаты измерений
и их статистической обработки, включая гистограмму распределе-
ния измеренных значений.
Переносные толщиномеры изоляционных покрытий на проводя-
щих основаниях отличаются от описанных портативных приборов
главным образом более широкими функциональными возможно-
стями. Так, приборы типа «Permascop Е НОВ», «Fischerscop eddy»
и «Fischerscop multi»
фирмы «Н. Fischer» име-
ют приблизительно те же
характеристики, что и
толщиномеры типа «Е1со-
meter». Они позволяют
запоминать от четырех
(«Permascop») до десяти
градуировочных характе-
ристик, а к прибору
«Fischerscop multi» мож-
но подключить одновре-
менно по два магнитных
и вихретоковых преобра-
Рис. 4.128. Переносной толщиномер зователя и вести измере-
«Fischerscop multi» иия по четырем каналам.
Приборы имеют цифро-
вой выход на принтер, а также выходы в международных стан-
дартах RS-232, IEEE-488, IEC-625. На рис. 4.128 показан прибор
«Fischerscop multi 650/750», в котором, как и в «Elcometer», ис-
пользуются магнитный и вихретоковый принципы измерения и
помимо задач, решаемых прибором «Elcometer», можно измерять
толщину (до 150 мкм) медных и алюминиевых покрытий на изо-
ляционном основании. Прибор имеет стандартный набор из пяти
магнитных и вихретоковых датчиков.
Переносные толщиномеры с успехом применяют и в автомати-
ческих линиях по нанесению покрытий па листы, лепты, пленки.
В этом случае они поставляются по специальному заказу после
тщательного изучения технологического процесса и технических
требований к продукции.
Как уже указывалось, вихретоковые толщиномеры применяют
и для измерения толщины слоев изоляционных материалов с по-
мощью закладных элементов. На рис. 4.129, а показана установка
закладных элементов в процессе нанесения асфальтового покрытия
автодороги, а на рис. 4.129, б — использование прибора «Perma-
scop EY8d» для измерения толщины асфальта. Закладной эле-
мент— это алюминиевая фольга. Минимальная площадь элемента
зависит от толщины измеряемого слоя и колеблется от 250 см2
(при толщине слоя до 12 см) до 2000 см2 (при толщине слоя до
290
40 см). С увеличением толщины Т слоя необходимо увеличивать
диаметр D ВТП с тем, чтобы относительное значение зазора (T/D)
между ВТП и закладным элементом не было слишком большим
(не более 1...1.5), что могло бы привести к значительной потере
чувствительности прибора. Прибор имеет четыре модификации на
разную толщину покрытия и три типоразмера ВТП диаметром от
120 до 300 мм. Погрешность измерения ±0,5% предела измере-
ния.
Ряс. 4.129. Переносной прибор «Permascop EY8d.> для измерения толщины ас-
фальтового покрытия автодорог:
а — установка закладных элементов; б — измерение
При использовании толщиномеров изоляционных покрытий на
проводящих основаниях следует учитывать, что толщина основания
не должна быть меньше некоторого минимального значения во из-
бежание возникновения дополнительной погрешности. Дело в том,
что, как показано в п. 4.3.1, можно считать, что вихревые точки
проникают на глубину 8=)/ 2/(шрао). Так, при частоте f=l МГц
и удельной проводимости о=1 МСм/м глубина проникновения
б~0,4 мм (см. [3, с. 88]). Поэтому при толщине основания, мень-
шей 0,4 мм, возможно возникновение дополнительной погрешности,
связанной с влиянием толщины. Для большинства приборов мини-
мально допустимая толщина основания обычно указывается в пас-
порте. При необходимости эту величину можно определить экспе-
’0" J91
риментально, имея, однако, в виду, что она зависит также и от
диаметра ВТП, так как в приведенной для глубины проникновения
плоской электромагнитной волны формуле не учтена зависимость
напряженности магнитного поля от осевой координаты. Чем
меньше диаметр ВТП, тем меньше глубина проникновения поля.
В некоторых случаях можно устранить влияние толщины осно-
вания на результаты измерения, увеличивая ее с помощью под-
кладки достаточной толщины из того же материала. Для большин-
ства выпускаемых толщиномеров минимальная толщина основания
из материалов с удельной проводимостью около 5 МСм/м лежит в
пределах 0,1...0,2 мм. Если толщина основания меньше, то можно
воспользоваться электроемкостным толщиномером (см. § 2.1).
Помимо толщиномеров изоляционных покрытий вихретоковые
преобразователи находят применение для измерения зазоров и ви-
браций в машинах и механизмах. ВТП и приборы соответствую-
щего назначения рассмотрены в [13]. По методу измерения эти
приборы не отличаются от описанных толщиномеров, поскольку в
них измеряется расстояние между ВТП и электропроводящим объ-
ектом (зазор). Однако имеется определенная специфика, особенно
в тех случаях, когда зазор или его изменение во времени функцио-
нально связаны с такими физическими величинами, как смещение
или деформация (например, вала турбины), амплитуда вибраций,
виброскорость, виброускореиие и др.).
4.9.3. Толщиномеры электропроводящих
неферромагнитных слоев
Задача измерения толщины электропроводящих слоев возника-
ет при контроле металлических листов, лент, фольги, труб, балло-
нов, деталей плоской формы, а также при контроле металлических
покрытий на изоляционных основаниях. Следует учитывать, что
для измерения толщины металлических объектов с успехом приме-
няют ультразвуковые толщиномеры, обладающие высокой точно-
стью [6]. Так как результаты измерений вихретоковыми толщино-
мерами принципиально зависят от удельной электрической прово-
димости а материала ОК, а также от зазора между ВТП и ОК, то
погрешности вихретоковых толщиномеров обычно больше, чем
ультразвуковых. Поэтому вихретоковые толщиномеры электропро-
водящих слоев оказываются конкурентоспособными при измерении
малых толщин (менее 0,2 мм), а также в тех случаях, когда недо-
пустим акустический контакт (через слой жидкости) преобразова-
теля с ОК. Правда, в последние годы появились ультразвуковые
толщиномеры с бесконтактными электромагнитно-акустическими
преобразователями, но минимальная толщина ОК, измеряемая
этими приборами, около 1 мм.
Измерение толщины тонких ферромагнитных слоев осуществля-
ют обычно магнитными толщиномерами (см. § 3.6).
292
подавления влияния
Рис. 4.130. К поясне-
нию способа расши-
рения диапазона по-
давления влияния за-
зора
вектора напряжения
Как уже указывалось, основных мешающих факторов при изме-
рении толщины электропроводящих слоев два: изменения зазора А
и удельной электрической проводимости о. Следовательно, задача
здесь более сложная, чем при измерении изоляционных покрытий
на проводящих основаниях. Показания большинства приборов не
зависят от влияния одного из мешающих факторов, обычно от из-
менений зазора. Эту независимость реализуют способом проекций
либо фазовым способом (см. п. 4.6.2). Для
обоих мешающих факторов применяют
двухчастотные способы с использованием
амплитудно-фазовых параметров сигналов
на каждой частоте. Следует, однако, иметь
в виду, что допустимые диапазоны вариа-
ции мешающих факторов обычно невелики.
В толщиномерах стенок труб серии
ТВФ, разработанных под руководством
А. И. Никитина во Всесоюзном НИИ труб-
ной промышленности по схеме рис. 4.64, с,
которая дополнена обратной связью с вы-
хода фазового детектора на фазорегулятор,
использован способ проекции для подавле-
ния влияния изменений зазора. Это позво-
ляет расширить диапазон подавления влия-
ния зазора. Обратная связь действует сле-
дующим образом. При увеличении модуля
ВТП, вызванном влиянием изменения толщины ОК, возрастает
выходное напряжение фазового детектора. Часть этого напряже-
ния воздействует на управляемый напряжением резистор (вари-
стор), включенный в одно из плеч фазорегулятора RC-типа в ка-
нале опорного напряжения фазового детектора. Изменение сопро-
тивления варистора вызывает некоторое изменение фазы опор-
ного напряжения иоп фазового детектора. Параметры цепи обрат-
ной связи подбираются такими, чтобы изменение фазы опорного
напряжения компенсировало кривизну годографа в комп-
лексной плоскости напряжения при значительном изменении за-
зора. Фаза опорного напряжения должна быть изменена так, что-
бы угол между годографами 6В[1(Л) и опорного напряжения 0оп
поддерживался равным л./2 для разных значений h в заданном
диапазоне (от точки А до точки В на рис. 4.130). К сожалению,
необходим подбор параметров цепи обратной связи для аппрок-
симации зависимости ф — arg Uon(h) для каждого ВТП. При-
менение описанного способа позволяет расширить диапазон по-
давления влияния изменений зазора до 0,5... 1,0 мм, уменьшая
в 4...5 раз погрешность, связанную с влиянием кривизны годо-
графа tA„(^).
Погрешность измерения толщины стенок труб из аустенитных
(неферромагнитных) сталей, медных, алюминиевых и других не-
293
ферромагнитных сплавов приборами серии ТВФ не превышает 2%.
Диаметр контролируемых труб от 4 до 30 мм при толщине стенки от
0,15 до 5 мм. Диапазон частот приборов в пределах 2,5...75 кГц.
Приборы в течение многих лет эксплуатировались на трубных за-
водах для выборочного и сплошного контроля.
Подобные толщиномеры, снабженные охлаждаемыми водой на-
кладными ВТП, применяют на станах горячей прокатки труб при
колебаниях температуры на ±75"С относительно среднего значения
900...1000°С. Для компенсации влияния изменений температуры на
показания приборов используется канал коррекции показаний, в
который вводится значение температуры трубы, измеренное радиа-
ционным пирометром. Погрешность измерения толщины стенки труб
в этих условиях не превышает 3...4% при производительности конт-
роля до 10...12 м/с.
Для контроля средней по сечению толщины стенки труб (или
продольной разностенности) на прокатных станах применяют тол-
щиномеры типа ТГТФ с проходными ВТП, также охлаждаемыми
водой (см. рис. 4.93, б). Погрешность измерения средней толщины
стенки не превышает 3%. Прибор устанавливается на входной
стороне трубопрокатного стана, куда поступают заготовки, нагре-
тые до температуры 900...1000сС. Его применение позволяет управ-
лять процессом прокатки труб, благодаря чему можно получать
трубы с минусовым допуском по толщине стенки и тем самым эко-
номить металл.
Для контроля толщины 7' деталей из алюминиевых сплавов в
процессе химического фрезерования применяют фазовые толщино-
меры с накладными и экранными накладными ВТП. Так как годо-
графы вносимого напряжения (7„„(/i) в некоторой зоне близки пуч-
ку лучей (см. рис. 4.30, а) и arg Um(h) «const, то такие приборы
выполняют по схеме фазометра. Частота тока возбуждения ВТП
определяется по формуле f^2/(n|j0o7’2), получаемой из условия
Т»Р>2 (см. п. 4.3.3), для обеспечения линейности зависимости
фазы вносимого в ВТП напряжения от толщины. Так, для контро-
ля листов из алюминиевых сплавов с о = 20 МСм/м и толщиной
около 2 мм частота выбирается равной примерно 6 кГц.
Универсальный фазовый толщиномер типа УФТ рассчитан на
работу с накладными и экранными накладными ВТП. При работе
с накладными ВТП диапазон измерения 0,5...4,0 мм, при работе с
экранными — 0,5...8,0 мм. Частота тока возбуждения 6,5 кГц для
экранных и 1 кГц для накладных ВТП. В основу прибора положе-
на схема фазометра на триггерах. Прибор снабжен набором экран-
ных ВТП (см. рис. 4.94) с зоной контроля не менее 12X12 мм при
допустимом радиусе кривизны ОК не менее 60 мм, а также набо-
ром накладных ВТП с зоной контроля не менее 15X15 мм.
Погрешность измерения прибором типа УФТ не превышает
0,5...1,0% от верхнего предела поддиапазона при использовании
экранных и 1,0...1,5% при использовании накладных ВТП. Допол-
294
нительная погрешность при изменении зазора в пределах 0...0.5 мм
не превышает .0,5% измеряемой величины (для накладных ВТП).
Расстояние между экранными ВТП на 4...5 мм больше макси-
мальной толщины ОК, что необходимо для свободного доступа
травящего раствора к поверхности контролируемой детали. Смеще-
ние детали в пределах этого зазора между обмотками ВТП не соз-
дает дополнительной погрешности.
Для калибровки приборов используют аттестованные по толщи-
не контрольные образцы, по два на каждый поддиапазон (посколь-
ку градуировочная характеристика линейная), выполненные из то-
го же материала, что и ОК. Это означает, что в приборах не подав-
ляется влияние изменений удельной электрической проводимости
на результаты измерений.
Еще одна область применения вихретоковых толщиномеров —
измерения толщины электропроводящих покрытий на изоляцион-
ной основе, например при производстве фольгированных листов из
стеклотекстолита, применяемого в качестве основы печатных плат,
в зеркальной промышленности, при нанесении декоративных метал-
лических покрытий на пластмассы. Особенность задачи измерения
толщины тонких (до 150 мкм) электропроводящих покрытий состо-
ит в том, что в этом случае практически невозможно разделить
влияние толщины Т и удельной проводимости ст на выходной сиг-
нал ВТП и толщиномер реагирует, по существу, на изменение
произведения аТ. Годографы (/«„(о) и ию(Т), сближаясь, прини-
мают форму полуокружности, соответствующей бесконечно тонко-
му слою (см. рис. 4.21).
Для измерения толщины медных покрытий на изоляционной ос-
нове, главным образом для контроля качества печатных плат, ис-
пользуется вихретоковый толщиномер «Fischerscop eddy» модели
ббОВ-Си. Он входит в семейство приборов «Fischerscop eddy» и
позволяет измерять толщину медного покрытия до 150 мкм. Харак-
теристики прибора те же, что и прибора «Fischerscop multi». Для
этих же целей может быть использован прибор «Dermitron D-3000-
Plus» фирмы «ПРА Technology» (США)—универсальный микро-
процессорный толщиномер, снабженный набором ВТП с зоной конт-
роля 2...9 мм в диаметре, набором аттестованных Американским
бюро стандартов образцов толщины покрытий. В нем соединены
два принципа измерения: вихретоковый и магнитный — и три типа
измерительных преобразователей: вихретоковый, индукционный и
холловский (см. гл. 3).
Задача измерения тонких (до 1 мкм) электроприводящих по-
крытий на изоляционных основаниях решается приборами серии
ВИМП, разработанными под руководством В. В. Гаврилина и
Ю. К. Григулиса [16]. В приборах использованы параметрические
и трансформаторные ВТП. Структурная схема соответствует рис.
4.60. Частота тока возбуждения различна в разных модификациях
прибора (от 12 кГц до 1,2 МГц) и определяется диапазоном тол-
295
Рис. 4.131. Зависи-
мость погрешности 6
измерения толщины
медного слоя в от-
верстии печатной пла-
ты от радиальных
смещений ВТП в от-
верстии
щин и материалом покрытия. Приборы градуируются в единицах
толщины (при неизменной величине о) или в единицах электриче-
ского сопротивления квадрата поверхности. Верхний предел изме-
рения толщины покрытий 0,5...! мкм, а в некоторых модификаци-
ях— до 25...30 мкм. Погрешность измерения около 5%, зоны конт-
роля различны для разных типов ВТП (от 2,5X2,5 мм до 9Х 12 см).
В последних модификациях (ВИМП-51, ВИМП-51М, ВИМП-52)
подавляется влияние изменений зазора, при
зазоре не более 0,5 мм дополнительная по-
грешность не превышает 2%, применяется
автоподстройка нуля прибора в паузах меж-
ду измерениями.
Приборы серии ВИМП используют для
измерения толщины слоев алюминия, меди,
серебра на диэлектриках и полупроводниках,
наносимых в процессе вакуумной металлиза-
ции, а также толщины медных слоев на сталь-
ных лентах (ВИМПг2).
Метрологическое обеспечение приборов се-
рии ВИМП основано на использовании конт-
рольных образцов толщины покрытий. По-
скольку, как было отмечено, вихретоковый
прибор реагирует на сопротивление квадрата
поверхности (Ом) Rs== 1/(оТ), образны атте-
стуют путем измерения этого сопротивления
с помощью микроомметра или измерительного
моста. Для этого изготовляют образец покрытия квадратной фор-
мы и на противоположные стороны квадрата напылением наносят
электроды, между которыми и измеряется сопротивление. Толщи-
ну покрытия измеряют оптическими методами: интерференцион-
ным, эллипсометрическим [17],— нанося его на образец-свидетель,
в качестве которого применяют концевую меру. Результаты ат-
тестации образцов по толщине и сопротивлению квадрата поверх-
ности оформляются метрологическими службами.
Специфической задачей измерения толщины электропроводяще-
го слоя на изоляционном основании является контроль толщины
слоя металлизации отверстий печатных плат (см. § 2.3). В Москов-
ском энергетическом институте разработана серия вихретоковых
измерителей типа ИТМ толщины медного слоя в отверстиях печат-
ных плат. Основой приборов этого типа служит миниатюрный ли-
нейный ВТП (см. рис. 4.72). Применение такого ВТП позволило
резко снизить погрешность измерения, связанную с влиянием кон-
тактных площадок на результаты измерения. Размещая продоль-
ные проводники ВТП равномерно по его поверхности, добиваются
снижения погрешности, вызванной влиянием радиальных переме-
щений ВТП внутри отверстия, поскольку при удалении проводни-
ков на одной стороне ВТП от стенки отверстия проводники на диа-
296
метрально противоположной стороне приближаются к стенке. На
рис. 4.131 показана кривая погрешности 6 в функции радиального
смещения оси ВТП относительно оси отверстия.
Влияние осевых смещений ВТП относительно печатной платы
иа результаты измерения устраняется благодаря тому, что длина
Рис. 4.132. Выносной пробник приборов серии ИТМ со снятым корпусом
Рис. 4.133. Измеритель толщины мед-
ного слоя отверстий печатных плат
ИТМ-11
продольных проводников ВТП превышает максимальную толщину
контролируемой печатной платы. Малые размеры ВТП (диаметр
1 мм и менее, длина 3...4 мм) и малое число его витков не позволя-
ют получить значительное начальное напряжение Uo. Обычно
UQ не превышает 1...2 мВ, а сигналы — десятков — сотен микро-
вольт. Поэтому для устранения
влияния подводящих проводов
предварительный усилитель сиг-
нала размещен в выносном проб-
нике прибора (рис. 4.132).
На рис. 4.133 показан внеш-
ний вид прибора ИТМ-11, пред-
назначенного для измерения тол-
щины медного слоя в отверстиях
диаметром 0,8; 1,0; 1,3 мм печат-
ных плат толщиной 1; 1,5;
2,0 мм. Диапазон измеряемых
толщин покрытия 5...50 мкм при
погрешности измерения 5 мкм и
продолжительности одного изме-
рения 5 с. Структурная схема
прибора соответствует рис. 4.60,
градуировочная характеристика
практически линейна. Это позволяет проводить калибровку по
двум точкам: нуля и вблизи верхнего предела измерения. В ка-
честве контрольного образца применяют закрепленную на верхней
крышке прибора медную пластину, аттестованную по толщине и
диаметру отверстия. При установке ВТП в отверстие контрольно-
го образца стрелка индикатора прибора должна быть установле-
на ручкой регулировки чувствительности па фиксированную от-
метку шкалы вблизи предельного значения 50 мкм. Метрологиче-
297
ское обеспечение прибора базируется на результатах эксперимен-
тальных исследований, .выполненных на физических моделях ВТП
и ОК, увеличенных в 15 раз.
Применение приборов ИТМ-11 позволяет отказаться от разру-
шающего метода микрошлифов при контроле качества металлиза-
ции отверстий. В отличие от приборов типа «Caviderm», основан-
ных на измерении электросопротивления (см. § 2.3), приборы типа
ИТМ позволяют контролировать качество металлизации до травле-
ния рисунка печатной платы, т. е. на начальных стадиях техноло-
гического процесса, своевременно обнаруживать брак и принимать
меры к его исправлению. В отличие от прибора «Caviderm» не тре-
буется двусторонний доступ к отверстию. Оловянно-свинцовый
металлорезист, нанесенный на слой меди, не влияет на погрешность
измерений, как и в приборе «Caviderm», поскольку вихревые то-
ки направлены вдоль оси отверстия, а удельное сопротивление
слоя металлорезиста значительно больше, чем слоя меди.
Прибор ИТМ-12 отличается от ИТМ-11 тем, что в основу его
работы положен фазовый способ измерения толщины Т покрытия,
что позволяет дополнительно подавить влияние изменения диа-
метра d контролируемого отверстия. Годографы йв„(Т) и 0m(d)
рассматриваемого линейного ВТП подобны соответствующим го-
дографам для накладного ВТП, если d заменить на зазор h (см.
рис. 4.30, а). Поэтому фазовый способ подавления влияния вари-
аций d оказывается таким же эффективным, как и фазовый
способ подавления влияния зазора h для накладного ВТП (см.
п. 4.6.2).
В приборе ИТМ-12 использованы сверхминиатюрные ВТП, что
позволило обеспечить контроль металлизации отверстий диамет-
ром от 0,6 мм. Используя цифровую элементную базу, удается
расширить функциональные возможности прибора. Так, диаметр
контролируемого отверстия может принимать любое значение в
диапазоне 0,6...1,5 мм, а не только три дискретных значения, как
при использовании ИТМ-11. То же относится и к толщине платы и
удельной электрической проводимости медного слоя, которая для
ИТМ-11 должна быть равна (44+2) МСм/м, а для ИТМ-12 — 30...
50 МСм/м. Использование в ИТМ-12 ВТП меньшего, чем в
ИТМ-11, диаметра потребовало повышения частоты тока возбуж-
дения. Прибор прост в управлении, имеет автоматическую установ-
ку нуля, индикацию результата на главном цифровом дисплее и
индикацию установленных значений диаметра отверстия, толщины
платы и удельной электрической проводимости материала покры-
тия на вспомогательных индикаторах (рис. 4.134). Имеется свето-
вая и звуковая сигнализация о выходе измеренного значения тол-
щины металлизации за допуск, причем световой сигнализатор име-
ется на выносном пробнике, с тем чтобы не отвлекать внимания
оператора от объекта контроля на дисплей прибора. Габариты
модели ИТМ-12 меньше, чем ИТМ-11, несмотря на более сложную
298
принципиальную электрическую схему, благодаря использованию
современной элементной базы.
Прибор ИТМ-21 выполнен на базе однокристального микро-
компьютера «Электроника С5-31». Применение микрокомпьютера
и программного управления работой прибора позволило расширить
его функциональные возможно-
сти, автоматизировать настрой-
ку и калибровку, повысить про-
изводительность контроля.
Структурная схема прибора
приведена на рис. 4.135, блок-
схема программы функциониро-
вания—на рис. 4.136. Генератор
(Г), выполненный в виде синте-
затора частот, возбуждает ВТП,
с выхода которого сигнал посту- _ . тл ~
г , .J Рис. 4.134. Измеритель толщины
пает на один из входов диффе- мея11ого слоя отоерс™1 печатных
ренциального усилителя (ДУ). плат ИТМ-12
На второй вход дифференциаль-
ного усилителя поступает напряжение той же частоты, регулируе-
мое по амплитуде и фазе компенсатором (К), на вход которого
напряжение поступает от генератора. Усиленная дифференциаль-
ным усилителем разность напряжений ВТП и компенсатора по-
ступает на входы синхронных (фазовых) детекторов СД1 и СД2.
Опорные напряжения синхронных детекторов, созданные форми-
рователем опорных напряжений (ФОН), сдвинуты по фазе на
л/2. Полученные на выходах синхронных детекторов постоянные
напряжения, пропорциональные действительной и мнимой состав-
ляющим вектора [7НН, с помощью мультиплексора (М) поочеред-
но подаются на аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Циф-
ровые данные с выхода АЦП вводятся в микрокомпьютер и об-
299
рабатываются по заданным алгоритмам. Результаты обработки
данных отображаются на символьном светодиодном дисплее (Д).
Через общую шину микрокомпьютер МК управляет работой
генератора, устанавливая частоту и амплитуду его напряжения, а
также коэффициентом усиления дифференциального усилителя,
работой мультиплексора, АЦП, дисплея и компенсатора.
Рис. 4.136. Блок-схема алгоритма функционирования прибора ИТМ-21
Работа управляющей программы, состоящей из ряда подпро-
грамм, начинается с подпрограммы Начальная установка, выпол-
нив которой инициируется кнопкой Пуск. Подпрограмма очищает
оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), выдает на генера-
тор код номинальной частоты тока возбуждения ВТП, загружает
из перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства
(ППЗУ) в ОЗУ значения базовых параметров объекта контроля
(диаметр d отверстия, толщина S печатной платы, удельная прово-
димость о), соответствующие калибровочному образцу. Затем сле-
дует переход к подпрограмме Индикация, в результате выполнения
которой на цифровом дисплее появляется сигнал о завершении
подпрограммы Начальная установка. После этого опрашивается
регистр режимов работы, состояние которого определяется при на-
жатии на одну из кнопок: Ввод, Установка нуля, Калибровка, Из-
мерение.
При нажатии на кнопку Установка нуля запускается соответст-
вующая подпрограмма, управляющая работой компенсатора, ми-
300
нимизирующего модуль Ue вектора разности начального напряже-
ния и0 ВТП и напряжения компенсатора до значения Ур0:
б'Ро = t?o—Ок-
Действительная и мнимая составляющие вектора Цр0 хранятся
в ОЗУ. Затем дисплей индицирует завершение подпрограммы и
повторяется опрос регистров режима работы.
Переход к подпрограмме Калибровка происходит после уста-
новки ВТП в отверстие калибровочного образца, размещенного на
крышке прибора, после нажатия соответствующей кнопки. Подпро-
грамма реализует следующие операции.
1. Считывание с АЦП значений действительной и мнимой со-
ставляющих напряжения: U = UBTn—1}к.
2. Вычитание из составляющих вектора 0 соответствующих со-
ставляющих £7р0:
Re [U] — Re [Ур0] = Re |Z/BTn]-Re [CJ - Re [СД
Im[47] -Im [Д)0| =Im [i7I1TI1] -Im[CJ -Im [Cp0],
или с учетом (4.121)
Re [£?] - Re [z7p0] = Re [Свтп] - Re [C0] = Re [CJ,
Im [C] —Im [t/pJ =Im [CBTn] “Im |£Уо| = Im [t/J.
3. Вычисление модуля вносимого напряжения
lZ(Re + •
4. Запоминание JJ„„ в ОЗУ.
5. Расчет коэффициента at полинома, аппроксимирующего гра-
дуировочную характеристику:
1-К„ = а(1 + а1Тк + а1Г1 (4.81)
где Гк и U„,K — толщина слоя металлизации и модуль вносимого
напряжения, соответствующие калибровочному образцу. Коэффи-
циенты йо и а2 определяются заранее (на этапе разработки прибо-
ра) и заносятся в ППЗУ. Заметим, что калибровку можно выпол-
нять и более точно, определяя все три коэффициента а0, и а2 из
системы трех уравнений, получаемых с помощью комплекта калиб-
ровочных образцов. В ППЗУ хранятся также значения коэффици-
ентов полиномов, аппроксимирующих функции влияния парамет-
ров d, S, о. Подпрограмма Калибровка завершается индикацией о
выполнении калибровки.
Подпрограмма Ввод позволяет вводить с пульта прибора в ОЗУ
значения параметров d, S, о, а также допусков на значение изме-
ряемой толщины Т. По окончании подпрограммы происходит воз-
врат к подпрограмме Индикация, в результате дисплей индициру-
ет значения введенных параметров.
301
Подпрограмма Измерение начинается после нажатия на соот-
ветствующую кнопку со считывания данных с АЦП и вычисления
модуля напряжения £7ВИ при размещении ВТП в контролируемом
отверстии. Измеряемая величина Т находится из решения уравне-
ния (4.81) по известным значениям Дви, «о, а\, а2 и отображается
на дисплее. Эта подпрограмма реализуется в двух вариантах, об-
ращение к которым задается с пульта через регистр режимов ра-
боты: циклическое измерение без запоминания; измерение по
и статистической обработкой
результатов серии измерений.
В перврм варианте считы-
вание результатов измерения
повторяется автоматически,
без участия оператора, и на
дисплее отображается теку-
щее значение Т. Во втором ва-
рианте результат считывается
после нажатия кнопки на
пульте прибора, отображает-
команде с пульта с запоминанием
Рис. 4.137. Микропроцессорный тол- »а Дисплее и используется
щиномер медного слоя отверстий не- Для вычисления статистиче-
чатных плат ИТМ-21 ских данных о серии измере-
ний: среднего значения; сред-
него квадратичного отклонения; гистограммы с шагом 5 мкм;
числа измерений, выходящих за допуски по Т. Эти данные вызы-
ваются па дисплей нажатием соответствующих кнопок.
Приведенная программа записана в ППЗУ на двух микросхе-
мах К573РФ2 с ультрафиолетовым стиранием и занимает 32 Кбит.
Время выполнения любой подпрограммы не превышает 100 мс.
При необходимости программа может быть изменена, для чего
достаточно переписать ее в ППЗУ.
Прибор ИТМ-21 (рис. 4.137) имеет практически те же габариты
и массу, что и ИТМ-11, его технические характеристики близки
характеристикам прибора ИТМ-12, но он предоставляет большие
возможности пользователю благодаря статистической обработке
результатов до 1000 измерений и автоматизации большинства опе-
раций.
Приборы типа ИТМ выпускаются филиалом «ИНТРО-МКС»
совместного предприятия «МКС Плюс» (Москва).
Для измерения толщины листов, лент, полос из неферромагнит-
ных металлов и сплавов при поточном производстве используется
прибор типа ВТЛ-10Н. В нем использован принцип измерения за-
зоров между жестко закрепленными ВТП и противоположными
поверхностями плоского объекта контроля. Очевидно, что это воз-
можно только при доступе к обеим поверхностям ОК. Если рассто-
яние между двумя ВТП равно с, а зазоры равны hi и h2, то с~
302
=hi + T+h2 и толщина может быть определена по формуле Т~'
= c—(hi + h-i).
Этот же алгоритм измерения толщины с помощью емкостных
преобразователей изложен в § 2.2.
Так как в данном случае измеряются зазоры, то, для того что-
бы исключить влияние изменения электрических и магнитных
свойств материала ОК, датчики прибора возбуждаются током вы-
сокой частоты. Диапазон измерения толщины 0,005...60 мм. По-
грешность измерения 5 мкм при толщине 5...50 мкм и 2% измеряе-
мой величины в остальных поддиапазонах. Прибор управляется
микрокомпьютером, что позволяет автоматически устанавливать
нуль, проверять работоспособность и выполнять статистическую
обработку результатов измерений.
4.9.4. Толщиномеры электропроводящих
неферромагнитных покрытий
на электропроводящих
неферромагнитных основаниях
Этот тип вихретоковых толщиномеров получил наименьшее
распространение, что связано с большим разнообразием возмож-
ных сочетаний материалов покрытий и оснований, а также влияни-
ем на результаты измерений по крайней мере трех мешающих фак-
торов: зазора, удельной электрической проводимости о покрытия и
основания. Кроме того, очевидно, что разность между удельными
электрическими проводимостями покрытия и основания должна
быть значительной. К покрытиям рассматриваемого типа относит-
ся большинство гальванических покрытий на металлах и сплавах
(медь, цинк, олово, серебро, золото, платина и др.), а также пла-
кирующие покрытия на металлах. Многообразие сочетаний мате-
риалов покрытий и оснований приводит к необходимости создания
либо узкоспециализированных приборов (рассчитанных на одно-
два сочетания), либо разработки средств индивидуальной градуи-
ровки прибора в виде серий градуировочных кривых, номограмм,
сменных шкал и большого набора контрольных образцов.
К специализированным толщиномерам гальванических покры-
тий относятся приборы типа ИТГП, разработанные под руководст-
вом А. Л. Рубина. Приборы построены по схеме фазометров и
предназначены для измерения толщины кадмиевых, цинковых и
никелевых покрытий толщиной до 30 мкм (вариант ИТГП-1А) или
медных и серебряных покрытий толщиной до 50 мкм (ИТГП-1Б)
на деталях из ферромагнитных сталей. Погрешность измерения
5%±1 мкм. Заметим, что погрешность измерения магнитных тол-
щиномеров 1...2%. Допустимое изменение зазора не более 50 мкм,
площадь зоны контроля 3,5x3,5 мм.
Для измерения толщины медных и серебряных покрытий на не-
ферромагнитных сталях, серебряных покрытий на латуни и бронзе,
303
хромовых покрытий на титановых сплавах применяют приборы
ИТГП-1В и ИТГП-2с. Погрешность измерения 10%±1,5 мкм.
В заключение следует отметить, что вихретоковые толщиноме-
ры покрытий практически вне конкуренции при измерении изоля-
ционных покрытий на электропроводящих неферромагнитных
основаниях в широком диапазоне толщин покрытий (единицы мик-
рометров— десятки сантиметров). Они успешно применяются
также для измерения толщины электропроводящих неферромагнит-
ных слоев (от сотых долей микрометра до десятков миллиметров)
на изоляционных основаниях. Правда, здесь с ними конкурируют
радиационные (радиоизотопные и рентгенофлуоресцентные) тол-
щиномеры, особенно эффективные при контроле покрытий малой
толщины (до 30...50 мкм) на металлических основаниях. При поль-
зовании этими приборами не имеет значения материал покрытия и
основания (проводящий или непроводящий, ферро- или неферро-
магнитный), важно лишь, чтобы атомные номера химических эле-
ментов материалов покрытия и основания различались на 1...2 еди-
ницы [17]. Недостаток приборов этого типа — большая стоимость
(по сравнению с вихретоковыми приборами) и необходимость со-
блюдения требований радиационной безопасности.
При измерении толщины покрытий на ферромагнитных основа-
ниях или толщины ферромагнитных покрытий (никеля, кобальта)
предпочтительнее магнитные толщиномеры.
Для метрологического обеспечения толщиномеров покрытий
разрабатываются и выпускаются контрольные образцы. Так, НПО
«Псари» (г. Тбилиси) выпускает комплекты аттестованных образ-
цов покрытий, внесенных в Государственный реестр образцовых
мер СССР. Однако они охватывают далеко не все распространен-
ные сочетания покрытий и оснований и, кроме того, дороги. По-
этому для укомплектования толщиномеров применяют контроль-
ные образцы, изготовленные и аттестованные изготовителем при-
боров или потребителем. Перспективно применение имитаторов
толщины покрытий разных типов и электрических способов про-
верки и калибровки, что позволяет сократить число контрольных
образцов.
Контрольные вопросы
4.9.1. С какой целью в толщиномерах изоляционных покрытий на электро-
проводящих основаниях используют высокую частоту тока возбуждения ВТП
(1 ...20 МГц)?
4.9.2. В чем суть методики измерения толщины изоляционных слоев вихре-
токовыми толщиномерами?
4.9.3. Как связан диаметр обмоток ВТП толщиномера с толщиной измеряе-
мого изоляционного слоя?
4.9.4. Назовите достоинства фазового толщиномера с использованием эк-
ранных ВТП? Каковы ограничения в применении такого прибора?
304
4.10. ПРИБОРЫ ДЛЯ КОНТРОЛЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ
ХАРАКТЕРИСТИК
Вихретоковая структуроскопия объектов из неферромагнитных
материалов базируется на связи удельной электрической проводи-
мости с их физико-механическими характеристиками. Измерители
удельной электрической проводимости обычно применяются с на-
кладным ВТП. Структуроскопы с проходными ВТП — это чаще
всего приборы для сортировки ОК по изменениям о.
Измерители удельной электрической проводимости относятся К
двухпараметровым приборам, в которых подавляется влияние из-
менений зазора. Кроме того, существует ряд других мешающих
факторов, влияние которых необходимо учитывать: кривизна и ше-
роховатость поверхности, влияние края и толщины OK-
Режим работы ВТП обычно соответствует обобщенному пара-
метру р=5...10, т. е. несколько больше значения, обеспечивающего
максимальную чувствительность ВТП к изменению а. Благодаря
этому глубина проникновения вихревых токов в ОК невелика, что
позволяет измерять удельную электрическую проводимость мате-
риала объектов малой толщины без дополнительной погрешности,
связанной с возможными изменениями толщины ОК. Приборы
обеспечивают измерение о в диапазоне 0,5...60 МСм/м, что полно-
стью перекрывает диапазон значений о применяемых на практике
неферромагнитных металлов и сплавов. Погрешность измерения
удельной электрической проводимости, согласно ГОСТ 27333—87
«Контроль неразрушающий. Измерение удельной электрической
проводимости цветных металлов вихретоковым методом», не долж-
на превышать 3% в диапазоне 0,5...3 МСм/м и 2% в диапазоне
3...37 МСм/м. Измерения должны проводиться на плоской площад-
ке ОК, с которой удалены лакокрасочные, плакирующие и другие
покрытия, загрязнения и на которой отсутствуют видимые поверх-
ностные дефекты. Обеспечение единства измерений, градуировка,
аттестация и проверка вихретоковых измерителей осуществляются с
помощью стандартных образцов удельной электрической проводи-
мости. В настоящее время Всесоюзным институтом легких сплавов
(ВИЛС) разработаны и выпускаются стандартные образцы удель-
ной электрической проводимости с погрешностью аттестации 0,5...
1,0% для диапазона 14...36 МСм/м, 1 % для диапазона 3... 15 МСм/м
и 1,5% для диапазона 0,55...2,15 МСм/м. Образцы для первых
двух диапазонов представляют собой диски диаметром 20 мм и
толщиной 2 мм и пластины размером 30X30X15 мм для послед-
него диапазона и предназначены для работы с накладными ВТП.
Перед измерениями вихретоковый прибор настраивают по двум
стандартным образцам, имеющим удельную электрическую прово-
димость, близкую к верхней и нижней границам диапазона (или
поддиапазона) измерения прибора, или по двум образцам, близким
по о к ожидаемой для ОК.
305
Для исключения влияния основных мешающих факторов (крае-
вого эффекта для ОК, имеющих недостаточную величину площадки;
толщины для тонких ОК; толщины плакирующего слоя; кривизны
поверхности) на погрешность измерений, согласно ГОСТ 27333—87,
рекомендуется вводить поправки. Размеры накладных ВТП опре-
деляют зону контроля и минимально допустимую толщину ОК.
Основные параметры выпускаемых в настоящее время вихре-
токовых измерителей удельной электрической проводимости при-
ведены в табл. 4.2.
Таблица 4.2
Основные параметры вихретоковых измерителей
удельной электрической проводимости
Тип измерителя Диапазон измерения. МСм/м Отко- сит, по- греш- ность, % Макс, зазор, мм Мин. толщи- на ОК, мм Диа- метр зоны конт- роля, мм Габаритные размеры, ММ »1асса. кг
ВЭ-26Н (НПО «Спектр», Москва) ВЭ-17НЦ/3 5...62 2 0.25 1 10 190X92X48 0,5
0,5... 2,5 2 0,2 1 20 170X92X25 0,5
ВЭ-17НЦ/4 2,1 ...9,9 2 0.2 1 15 170X92X25 0,5
ВЭ-17НЦ/5 (Ураль- ский электромехани- ческий завод, г. Ека- 9,5... 35 2 0,2 1 10 170X92X25 0,5
теринбург) PM-I40A («Mag- 5,8... 60 2 3 15 250X120Х 1.7
naflux», США) Х200
«Sigmatest 2.067» 0,5... 5.5 1 * 0,2 0,8 15 200Х230Х 1,2
(«F. Forster», ФРГ) 5... 62 1 * 0,3 2.5 15 ХЮО
«Sigmascope SMPb («Н. Fischer», ФРГ) 0,1 ..,65 1 0,5 7/Г<г 5; 15 176X97X43 0,52
• Приведенная погрешность.
Наряду с измерителями а фирмой «Magnaflux» выпускается
универсальный прибор ED-520, с помощью которого возможна
как дефектоскопия, так и сортировка ОК из неферромагнитных и
ферромагнитных материалов. Прибор позволяет обнаруживать по-
'Таблица 4.3
Технические характеристики приборов
Тип прибора Частота тока возбуждения ВТП Размер экрана, мм Тип преобразо- вателя Габариты, мм Масса, КГ
MIZ 17 MIZ 20 MIZ 20А 100 Гц ...6 МГц 50 Гц ... 2 МГц 50 Гц ... 2 МГц 120X150 70X102 57ХП4 Абс., дифф. То же Экранный 280X216X508 165X267X368 165X267X368 12,8 7,26 9,2
306
h I
Рис. 4.S38. Го-
дографы сигна-
ла при сорти-
ровке материа-
лов по удель-
ной электриче-
ской проводи-
мости
верхностные и подповерхностные (близкие к поверхности) не-
сплошности в неферромагнитных материалах. Поверхностные де-
фекты в ферромагнитных материалах могут быть обнаружены, если
только в области дефектов нет резких изменений магнитной прони-
цаемости. Диапазон частот тока возбуждения ВТП 55...200 кГц,
причем перед началом работы устанавливается частота, при кото-
рой изменение зазора не влияет на показания прибора. Прибор
работает как индикатор изменения параметров ВТП, включенного
в мостовую цепь. Сортировка объектов по маркам сплава, содержа-
нию углерода, качеству термообработки возможна, если заранее
известна связь этих свойств с электрическими и магнитными пара-
метрами объекта.
В приборе ED-530 использован встроенный
микропроцессор для автоматической баланси-
ровки преобразователя, установки частоты и по-
давления влияния зазора. Назначение и область
применения этого прибора такие же, что и при-
бора ED-520, однако автоматическая настройка
делает его более удобным в работе.
Наряду с измерителями удельной электриче-
ской проводимости существуют многоцелевые
приборы, в которых совмещены функции дефек-
тоскопов, толщиномеров покрытии и сортиров-
щиков по удельной электрической проводимости
и магнитной проницаемости. К ним относится
серия приборов MIZ фирмы «Zetec» (США),
основные технические данные которых приведе
ны в табл. 4.3. На жидкокристаллическом дис-
плее прибора MIZ может быть предщавлен век-
тор вихретокового сигнала на комплексной пло-
скости (в режиме 3D). Предусмотрены различ-
ные виды обработки сигнала ВТП. Имеется вы-
ход для регистрации действительной X(t) и
мнимой Y(/) составляющих сигнала, предусмот-
рена связь с внешним компьютером и вывод
данных на принтер.
В приборах этого типа по существу используется амплитудно-
фазовый метод обработки сигнала, но при компьютерной обработ-
ке сигнала структурная схема прибора имеет некоторые отличия
от схем приборов, рассмотренных в п. 4.6.2. Возможность установ-
ления границ сортировки в очень широких пределах позволяет
контролировать различные характеристики объекта.
В проспектах фирмы приводятся основные типы годографов
сигнала как при дефектоскопия, так и при структуроскопии. В ка-
честве информативных признаков можно использовать амплитуду
либо фазу сигнала и соответственно амилптудпо-фазовый или фа-
зовый способ выделения информации (см. § 4.6). Сортировка мо-
307
жет осуществляться оператором по изображению на экране либо
автоматически.
Рис. 4.138 иллюстрирует процесс сортировки объектов из фер-
ро- и иеферромагиитных сплавов на частоте 60 кГц. Сигнал для
объекта из феррита соответствует верхнему (вертикальному) годо-
графу, а для других объектов по часовой стрелке — инструменталь-
ной стали 1, нержавеющей стали 2, свинцу 3 и алюминиевому
сплаву 4. Годографы получены в режиме индикации 3D при подне-
сении накладного ВТП к поверхности ОК и удалении от нее (при
изменении зазора h от бесконечности до минимума и снова до
бесконечности). Прибор можно использовать для дефектоскопии и
общей оценки качества изделий; контроля стенок отверстий под
болтовые соединения; определения тепловых повреждений деталей,
возникших в результате трения
или воздействия пламени, на-
пример на фюзеляже самолета;
измерения толщины непроводя-
щих покрытий на электропрово-
дящем основании; оценки каче-
ства термообработки; дефекто-
скопии труб теплообменников;
контроля толщины листов. Все
эти задачи решаются в результа-
те оценки формы, размеров и по-
ложения годографа сигнала. Эту
работу сравнительно легко мо-
жет выполнять оператор при ус-
ловии, что режим контроля с
учетом всех мешающих факторов
Рис. 4.139. Прибор «Eddyvisor»
для сортировки электропроводя-
щих объектов
предварительно тщательно ис-
следован в лабораторных условиях. При этом необходимо выявить
возможные положения годографов с учетом всех факторов и сре-
ди них выявить диапазон изменений годографа под влиянием
контролируемого параметра, а затем можно установить границы
сортировки.
Один из наиболее совершенных универсальных приборов «РЬа-
sec D6» фирмы «Hocking» (Великобритания) позволяет решать
большинство задач вихретокового контроля. Это двухканальный
прибор, обеспечивающий двухчастотное возбуждение преобразова-
теля в диапазоне 1 кГц...1 МГц, причем выбор частоты по каждому
каналу не зависит от частоты другого канала. Компенсировать на-
чальное напряжение ВТП можно как одновременно в двух каналах,
так и независимо. Каждый канал может работать с любым типом
ВТП как при абсолютном, так и при дифференциальном включе-
нии. Раздельная регулировка горизонтального и вертикального
усиления позволяет получить на экране запоминающей ЭЛТ годо-
графы в виде, наиболее удобном для анализа.
308
Прибор «Eddyvisor» (рис. 4.139) фирмы «ibg» (ФРГ) с по-
мощью восьми программ, выбираемых оператором в диалоговом
режиме, может контролировать твердость, глубину упрочненного
слоя, содержание углерода, механические напряжения и другие ха-
рактеристики объектов из сплавов с практически любой удельной
электрической проводимостью. Зоны сортируемых ОК отобража-
ются контурами на экране дисплея, охватывающими точки, соот-
ветствующие сигналам ВТП в комплексной плоскости (рис. 4.140).
Задача оператора состоит в том, чтобы выбрать такой режим конт-
роля (частоту и ток возбуждения ВТП, например), при котором
зоны объектов с различными контролируемыми свойствами не пе-
рекрываются.
Рис. -4.140. Экран дисплея прибора «Eddyvisor» при сортировке объектов по трем
группам качества
Накапливая результаты контроля, можно сформировать банк
данных для сортировки объектов по выбранным признакам. Это
позволяет повысить производительность контроля и снизить тре-
бования к квалификации оператора.
Контрольные вопросы
4.10.1. Каков диапазон измерения удельной электрической проводимости со-
временными вихретоковыми приборами?
4.10.2. Для чего измеряется удельная электрическая проводимость материа-
лов при неразрушающем контроле?
4.10.3. Как можно проводить сортировку по маркам материалов с исполь-
зованием годографов сигнала ВТП в режиме 3D?
4.10.4. Какие ограничения на размеры ОК налагаются при измерении их
удельной электрической проводимости вихретоковыми приборами?
4.10.5. Можно «ай измерять удельную *.>< ь.трпчсскую проводимость тонких
(толщиной несколько микрометров) гальвшшчо них покрытий, например медных
на изоляционной основе?
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Неразрушающий контроль. В 5 кн. Кн. 1. Общие вопросы. Контроль про-
никающими веществами / А. К. Гурвич, И. Н. Ермолов, С. Г. Сажин; Под
ред. В. В. Сухорукова. М.: Высшая школа. 1991.
2. Матис И. Г. Электроемкостные преобразователи для неразрушающего конт-
роля. Рига: Зннатне, 1982... 304 с,
3. Приборы для неразрушаюшего контроля материалов и изделий. Справочник.
В 2-х кн. Кн. 2 / Под ред. В. В. Ключева. Мл Машиностроение. 1986.--- 352 с.
4. Электротехнический справочник. В 3 т. Т. 1. Общие вопросы. Электротехни-
ческие материалы/Под ред. профессоров МЭИ. Мл Энергоатомиздат 1985.—
488 с.
5. Горбов М. М., Струнский М. Г. Бесконтактные емкостные м.икрометры. — Л.:
Энергоатомиздат, 1986.— 136 с.
6. Неразрушающий контроль. В 5 кн. Кн. 2. Акустический контроль/И. И. Ер-
молов, И, П. Алешин, А. И. Потапов; Под ред. В. В. Сухорукова. — М.;
Высшая школа, 1991.
7. Тамм И. Е. Основы теории электричества.— Мл Наука, 1976. — 616 с.
8. Испытание магнитных материалов и систем/Под ред. А. Я. Шихина. — Мл
Энергоатомиздат, 1984.— 376 с.
9. Раев В. К., Хозенков Г, Е. Цилиндрические магнитные домены в элементах
вычислительной техники.—Мл Энергоиздат, 1981. —216 с.
10. Неразрушающий контроль рельсов при их эксплуатации и ремонте/Под
ред. А. К- Гурвнча. Мл Транспорт, 1983.— 318 с.
11. Сапожников А. Б. Теоретические основы электромагнитной дефектоскопии
металлических тел. Томск: ТГУ, 1980.— 308 с.
12. Фёрстер Ф. Неразрушающий контроль методом полей рассеяния. Теоретиче-
ские и экспериментальные основы выявления поверхностных дефектов ко-
нечной и бесконечной глубины//Дефектоскопия. 1982. № 11. С. 3—11,
13. Герасимов В. Г., Клюев В. В., Шатерников В. Е. Методы и приборы элект-
ромагнитного контроля промышленных изделий. Мл Энергоатомиздат,
1983. —272 с.
14. Калантаров П. Л., Цейтлин Л. А. Расчет индуктивностей. Справ. Л.: Энерго-
атомиздат. 1986. — 487 с.
15. Дорофеев А. Л., Казаманов К). Г. Электромагнитная дефектоскопия. — Мл
Машиностроение, 1980, —232 с.
16. Гаврилин В. В., Григулис К). К., Пориньш В. М. Электромагнитные радио-
волновые приборы для контроля слоев полупроводниковых н металлических
структур. Рига: Зннатне, 1982.— 162 с.
17. Неразрушающий контроль. В 5 кн. Кн. 4. Контроль излучениями / Б. Н. Епи-
фанцев, Е. А. Гусев, Ф. Р. Соснин, В. М. Матвеев; Под ред. В. В. Сухо-
рукова. Мл Высшая школа, 1992.
18. Данчеев В. П., Родин А. А., Сухоруков В. В. Применение микропроцессоров
и микроЭВМ. в неразрушающем контроле. Мл МЭИ, 1984. — 48 с.
19. Неразрушающий контроль. В 5 кн. Кн. 5. Интроскопия и автоматизация конт-
роля/В. В. Сухоруков, А. А. Абакумов, Э. И. Вайнберг, P.-И. Ю. Кажис;
Под ред. В. В. Сухорукова. Мл Высшая школа, 1992.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие ............................................................ 3
Введение............................................................... 5
Глава 1. Физические основы электромагнитного контроля................... 7
1.1. Характеристики вещества и поля.................................... 7
1.2. Основные уравнения электромагнитного поля.. И
1.3. Граничные условия.................................................. 18
Глава 2. Электрический контроль......................................... 24
2.1. Классификация методов электрического контроля........... 24
2.2. Электроемкостный метод............................................ 25
2.3. Электропотенциальный метод и метод электрического сопротивления 37
2.4. Термоэлектрический, электроискровой, трибоэлектрический и другие
методы................................................................... 47
Глава 3. Магнитный контроль...................................... 58
3.1. Физические основы и классификация магнитных методов контроля . .
3.2. Первичные магнитные преобразователи и магнитные материалы для
дефектоскопии .....................................................
3.2.1. Общая характеристика первичных преобразователей.........
3.2.2. Индукционные преобразователи............................
3.2.3. Магнитные индукционные головки .........................
3.2.4. Феррозондовые преобразователи...........................
3.2.5. Гальваномагнитные преобразователи.......................
3.2.6. Магнитные ленты и магнитные порошки.....................
3.2.7. Магнитодоменные преобразователи.........................
3.3. Методы и средства намагничивания объектов контроля............
3.3.1. Постановка задачи ......................................
3.3.2. Циркулярное, полюсное и комбинированное намагничивание . .
3.3.3. Особенности намагничивания в постоянном, переменном и им-
пульсном магнитных полях .......................................
3.3.4. Размагничивание объектов контроля.......................
3.4. Магнитные поля дефектов.......................................
3.5. Магнитные дефектоскопы и их применение........................
3.5.1. Способы магнитного контроля.............................
3 5.2. Магнитопорошковые дефектоскопы..........................
3.5.3. Нанесение магнитного порошка на объекты контроля и их ос-
мотр ...........................................................
35.4. Факторы, осложняющие контроль............................
3.5 5. Уровни чувствительности.................................
3.5 6. Магнитографические дефектоскопы.........................
3.5.7. Индукционные дефектоскопы...............................
3.5.8. Феррозондовые дефектоскопы..............................
3 5.9. Магнитооптические дефектоскопы..........................
36. Магнитные толщиномеры..........................................
3.7. Магнитные структуроскопы и их применение......................
58
69
69
70
74
75
78
79
81
83
83
87
91
98
101
104
104
104
107
109
112
116
121
123
125
130
139
Глава 4. Вихретоковый контроль......................................... 154
4.1. Физические основы вихретокового НК .............................. 154
4.1.1. Общие сведения о вихретоковом контроле...................... 154
4.1.2. Классификация вихретоковых преобразователей................. 157
4.2. Вихретоковый контроль с помощью проходных преобразователей . . 162
4.2.1. Контроль цилиндрических объектов наружными проходными
ВТП с однородным полем..................................... .
4.2.2. Контроль цилиндрических объектов внутренними проходными
ВТП с однородным полем.........................................
4.2.3. Контроль цилиндрических объектов проходными ВТП с неод-
нородным полем.................................................
4.3. Вихретоковый контроль с помощью накладных преобразователей . .
4.3.1. Контроль электропроводящих листов накладными ВТП ....
4.3.2. Контроль двуслойных объектов накладными ВТП.............
4.3.3. Контроль проводящих листов экранными накладными ВТП . .
4.3.4. Особенности расчета накладных ВТП с ферромагнитными сер-
дечниками .....................................................
4.4. Импульсное возбуждение проходных и накладных ВТП...............
: 4.4.1. Проходные ВТП.................................... . . .
4.4.2. Накладные ВТП...........................................
4.5. Вихретоковая дефектоскопия.....................................
4.5.1. Сигналы проходных ВТП от дефектов.......................
4.5 2. Сигналы накладных ВТП от дефектов......................
4.5.3. Анализ огибающей сигналов ВТП от дефектов.................
4.6- Способы ослабления влияния мешающих факторов............... .
4.6.1. Возможности многопараметрового вихретокового контроля . .
4.6.2. Двухпараметровые способы выделения информации . . . < . .
4.6.3. Способы стабилизации и вариации условий контроля........
4.7. Конструкции вихретоковых преобразователей......................
4.7.1. Общая характеристика....................................
4.7.2, Накладные ВТП..........................................
4.7.3. Проходные ВТП...........................................
4.8. Вихретоковые дефектоскопы......................................
4.8.1. Классификация и технические характеристики . . . ........
4.8.2. Дефектоскопы для работы в статическом режиме .......
4.8.3. Дефектоскопы для работы в динамическом режиме и универ-
сальные .......................................................
4.8.4. Метрологическое обеспечение й области применения........
4.9. Вихретоковые толщиномеры.......................................
4.9.1. Классификация и основные технические характеристики толщи-
номеров .......................................................
4.9.2. Толщиномеры изоляционных покрытий на электропроводящих
основаниях ........................................... .......
4.9.3. Толщиномеры электропроводящих неферромагнитных слоев . .
4.9.4. Толщиномеры электропроводящих неферромагнитных покрытий
на электропроводящих неферромагнитных основаниях...............
4.10. Приборы для контроля физико-механических характеристик ....
Список литературы.......................................... ......
162
177
179
184
184
194
196
198
200
200
204
206
206
213
216
220
220
221
231
237
237
238
247
253
253
255
265
279
284
284
286
292
303
305
310