Очевидно, що

Рисунок 10.1 – Залежність коерцитивної сили деяких сталей від твердості

 

Найчастіше в структуроскопії використовується залежність між твердістю вуглецевих і низьколегованих сталей та їх коерцитивної сили (рис. 10.1). Так як твердість сталі залежить від режиму її термічної обробки, то практично в усіх випадках кореляція між твердістю і коерцитивною силою дозволяє встановити також кореляцію між коерцитивною силою і температурою гартування чи відпустки (рис. 10.2).

Рисунок 51 – Залежність коерцитивної сили сталі ШХ15 від температури загартовання і відпустки

 

Широкого поширення останнім часом отримали коерцитиметри з приставним електромагнітом, як найбільш зручні для використання у виробничих умовах. Схема перетворювача такого коерцитиметра показана на рис. 10.3 П-подібний електромагніт, на бокових стрижнях якого розміщена збуджувальна обмотка , призначений для створення намагнічуючого і розмагнічуючого полів. Ферозонд, який під’єднаний згідно схемі полеміра, є перетинкою цього електромагніта. При пропусканні постійного струму по обмотці збудження в магнітному колі електромагніта існує магнітний потік, який створює сигнал на виході ферозонда. При пропусканні по обмотці збудження струму протилежного напрямку починається процес розмагнічування. Розмагнічуючий струм збільшують до тих пір, поки магнітний потік в колі не стане рівний нулю, чому відповідає відсутність вихідного сигналу ферозонда. Чим більше значення HС матеріалу, тим більшим повинен бути розмагнічуючий струм. Таким чином, дія коерцитиметра базується на використанні кореляції між розмагнічуючим струмом, який пропорційний коерцитивній силі, і визначеними механічними властивостями ОК.

Рисунок 10.3 – Перетворювач коерцитиметра з приставним магнітом

 

Розглянутий процес контролю реалізовано в коерцитиметрі типу КИФМ-1. Цей прилад протягом багатьох років випускався серійно і знайшов використання в промисловості.

Cучасною модифікацією коерцитиметра з приставним магнітом є структуроскоп МФ-31КЦ. В цьому приладі реалізоване автоматичне регулювання струму розмагнічування до значення, яке відповідає розмагніченому стану ОК, і його цифрова індикація. Передбачений режим роботи, який забезпечує сортування ОК на три групи: норма, більше або менше норми. Границі груп ОК можна регулювати.

Коерцитиметри забезпечують також контроль окремих ділянок великих деталей. Основні заважаючі фактори при цьому – зміна зазору між полюсами електромагніта і поверхнею ОК, а також зміна товщини ОК.

Для контролю малих деталей можуть бути використані установки з розглянутими вище перетворювачами, наприклад структуроскоп МФ-51КЦ. Його основні характеристики є такими:

- діапазон вимірювань коерцитивної сили, А/см (0,15 – 60) кА/м;

- діапазон струму розмагнічування, мА (0 – 300)мА;

- довжина циклу намагнічування, с 5 с;

- потужність споживання, В*А 150 ВхА;

- габарити електронного блоку, мм 250х140х280 м

- маса, кг 10 кг.

В коерцитиметричних установках з вимірювальним генератором, а також у ферозондових, вібраційних і тих, які працюють згідно методу зісмикування, розмагнічуюче поле створюється з допомогою котушки, всередині якої розміщують ОК. Ці установки можуть бути використані при лабораторних дослідженнях.

Рисунок 10.4 – Схема коерцитиметра з активним індукційним перетворювачем

 

В коерцитиметрі з активним індуктивним перетворювачем (рис. 10.4) об'єкт контролю 1 намагнічують за допомогою котушки 2 (або розміщують в котушці вже намагніченим). Котушка активного індукційного перетворювача 3 приводиться в обертання двигуном 4 і виникаюча в ній е.р.с вимірюється індикатором 5. Осі котушки 2 і 3 взаємно перпендикулярні, тому магнітне поле, яке створюється котушкою 2 не приводить до виникнення в котушці 3 е.р.с, яка визначається тільки полем, яке створює ОК. Для вимірювання коерцитивної сили ОК через котушку 2 пропускають струм, який створює розмагнічуюче поле для об’єкта контролю. При напруженості цього поля, яка досягає значення HС, ОК повністю розмагнічується. В результаті магнітний потік, який ортогональний осі котушки 2, зникає і е.р.с в котушці стає рівною нулю. По силі струму в котушці 2 судять про коерцитивну силу ОК. Такий коерцитиметр має високу чутливість і використовується при відпрацьовуванні режимів контролю.

На рис. 10.4 показано ферозондовий коерцитиметр, який відрізняється від попереднього лише тим, що в якості первинного перетворювача використано ферозонд 3, вихідний сигнал якого вимірюється блоком 4.

 

Рисунок 10.4 – Схема ферозондового коерцитиметра

 

Будова коерцитиметра, який працює по методу “зісмикування”, найбільш проста. Такий коерцитиметр можна використовувати тільки як пристрій для попередньої оцінки коерцитивної сили. З рис. 10.6 очевидно, що переміщення котушки 3 при відсутності ОК 1 в однорідному полі, яке створюється котушкою 2, не викликає в ній е.р.с. і індикатор 4 дає нульові покази. Присутність об’єкта 1 зумовлює появу е.р.с в котушці 3 при “зісмикуванні”останньої з об’єкта до тих пір, поки він не буде розмагнічений зустрічним полем котушки 2. По напруженості цього поля судять про коерцитивну силу ОК.

Рисунок 10.5 – Схема коерцитиметра, який праціює за принципом “зісмикування”

 

Якщо замість одної використовувати дві зустрічно включені котушки, жорстко з’єднані між собою, які переміщуються в осьовому напрямі (рис. 10.7), то отримаємо вібраційний коерцитиметр, який має більш високу чутливість.

Рисунок 10.7 – Схема вібраційного коерцитиметра

 

Коерцитиметр “Koerzimat 1.095”, який розроблено в Інституті Фьорстера, укомплектований соленоїдом і приставним електромагнітом, має діапазон вимірювання від 0 до 100 кА/м.

 

10.3 Пристрої контролю по залишковій намагнічуваності

 

В магнітній стуктуроскопії широко використовують контроль по залишковій намагнічуваності сталей, для яких відомий зв’язок залишкової намагнічуваності з механічними властивостями. Повністю намагнітити деталь достатньо великих розмірів важко, тому переважно намагнічують ділянку деталі за допомогою постійного магніту або електромагніта. Дуже ефективне в таких випадках імпульсне намагнічування за допомогою соленоїда, яке практично реалізується в імпульсних магнітних аналізаторах. Намагнічування в них здійснюється за допомогою малогабаритного соленоїда, який встановлюють перпендикулярно поверхні об’єкта контролю (рис. 10.8). При пропусканні імпульсу струму через соленоїд ділянка ОК намагнічується неоднорідно, а після закінчення імпульсу намагніченість в кожній точці зменшується до деякої залишкової намагніченості. Два ферозонди, які з’єднані згідно схемі градієнтометра, вимірюють різницю напруженостей магнітного поля в точках А і В: . Вона характеризує механічні властивості матеріалу ОК. На рис. 10.9 показана залежність величини ΔH від товщини ОК.

 

Рисунок 10.8 – Перетворювач імпульсного магнітного аналізатора

 

Рисунок 10.9 – Залежність градієнта напруженості магнітного поля від товщини об’єкта

Важливою перевагою імпульсного перетворювача є суттєво слабша залежність сигналу від розміру зазора. При збільшенні амплітуди намагнічуючих імпульсів значення в точках А і В різко збільшуються, досягають насичення і не залежать від зміни зазора в досить широких межах. Так при зміні зазора від 0 до 2 мм похибка не перевищує 2% на кожні 0,1 мм.

Для маловуглецевих сталей існує лінійний зв’язок між магнітними і механічними властивостями в інтервалі температур відпалу (600 - 750)0С. Тому магнітні аналізатори часто застосовують для бракування листового прокату, який отримав недостатній відпал (при температурі менше 5500С).

Контроль фізико-механічних властивостей феромагнітних матеріалів, який базується на вимірюванні магнітної проникності, не знайшов широкого використання в промисловості, хоча теоретично його реалізація можлива.

 

10.4 Магнітошумові стуктуроскопи

 

Використання методу магнітних шумів або ефекту Баркгаузена для структуроскопії феромагнітних матеріалів на сучасному етапі знаходиться в стані широкого промислового впровадження. Ефект стрибкоподібної зміни намагніченості було відкрито у 1917 році німецьким вченим Г.Баркгаузеном і він спостерігається при багаторазовому збільшенні масштабу кривої намагнічування, яка описує залежність (рис. 10.10). Стрибкоподібна зміна намагніченості, тобто виникнення магнітних шумів, відбувається як при зміні напруженості зовнішнього магнітного поля, так і при механічних напруженнях. При перемагнічуванні феромагнітного об’єкта змінним магнітним полем частотний спектр індукції має як дискретні компоненти, кратні частоті перемагнічування, так і суцільну складову, яку називають магнітним шумом.

Структурна схема установки для визначення параметрів магнітних шумів (рис. 10.11) містить соленоїд 1, який під’єднаний до джерела 2 синусоїдального струму через фільтр 3, який призначений для подавлення високочастотних складових. Феромагнітний об’єкт дослідження 4 розміщують в соленоїді. Вихідний сигнал знімається з вимірювальної обмотки 5, яка охоплює об’єкт, і його можна безпосередньо спостерігати на екрані осцилографа 6. Він показує характер зміни індукції в об’єкті або після фільтру низьких частот 7, який подавлює шуми, або після фільтра високих частот 8.

Рисунок 10.10 – Ілюстрація ефекту Баркгаузена

 

Рисунок 10.11 – Структурна схема установки для визначення параметрів магнітних шумів

Рисунок 10.12 – Сигнал на виході перетворювача при контролі методом магнітних шумів

 

На рис. 10.12, а зображений сигнал Е вимірювальної обмотки; на рис. 10.12 б – цей же сигнал на виході фільтра низьких частот; на рис. 10.12, в – на виході фільтра високих частот. При необхідності визначити спектр шумів замість фільтра низьких частот використовують набір вузькосмугових фільтрів.

 

11 ЕЛЕКТРИЧНИЙ КОНТРОЛЬ

 

11.1 Фізичні основи і класифікація електричних методів контролю

 

Електричні методи контролю базуються на створенні у контрольованому об’єкті електричного поля або на безпосередній дії на нього електричного збудження (наприклад, електростатичним полем, полем постійного чи змінного струму), або на дії на об’єкт збурення неелектричного походження (наприклад, тепловим, механічним), яке викликає появу електричного сигналу. В якості первинного інформативного параметра використовують електричні характеристики об’єкта контролю.

З врахуванням цих фізичних основ електричні методи контролю поділяються на такі основні види:

- електроємнісний метод контролю (використовується принцип зміни параметрів електроємнісного перетворювача);

- електропотенціальний метод контролю (використовується явище зміни електричного потенціалу вздовж поверхні ОК);

- термоелектричний метод контролю (використовується явище виникнення термоелектрорушійної сили в місці контакту давача з поверхнею ОК);

- електроіскровий метод контролю (використовується явище електричного пробою контрольованої ділянки ОК).

 

11.2 Електроємнісний метод контролю

 

Електроємнісний метод контролю (ЕЄМК) передбачає введення об’єкта контролю або його досліджуваної ділянки в електростатичне поле і визначення потрібних характеристик матеріалу по викликаній ними зворотній реакції на джерело цього поля. В якості джерела поля використовують електричний конденсатор, який є одночасно також і первинним електроємнісним перетворювачем так як здійснює перетворення фізичних і геометричних характеристик об’єкта контролю в електричний параметр. Зворотна реакція електроємнісного перетворювача проявляється як зміна його інтегральних параметрів.

Інформативність ЕЄМК визначається залежністю первинних інформативних параметрів електроємнісного перетворювача від характеристик ОК і від геометричних розмірів об’єкта. До найбільш інформативних геометричних параметрів відносять товщину пластин, оболонок і діелектричних покрить на провідній і непровідній основі, поздовжні розміри. (рис. 11.1). На цьому рисунку сильні кореляційні зв’язки між контрольованими і інформативними параметрами вказані суцільними лініями, а слабкі – пунктирними.

 
 
Об’єкт контролю


Характеристика Характеристика

матеріалу виробу

 

Параметри НИК

 


Рисунок 11.1 - Схема впливу характеристик об’єкта контролю на електричні параметри електроємнісного перетворювача.

 

Необхідно вказати, що інформативні параметри електроємнісного перетворювача залежать також від його конструкції та електричних характеристик середовища, в якому знаходиться ОК. Як видно з рис. 11.1, в якості інформативного параметра використовують ємність електроємнісного перетворювача та тангенс кута втрат.

По призначенню електроємнісні методи контролю можуть бути класифіковані на три групи: вимірювання параметрів складу та структури матеріалу, визначення геометричних розмірів об’єкту контролю, контроль вологості.

Використання ЕЄМК характеризується такими особливостями:

- інформація, яку отримуємо від об’єкта контролю, багатопараметричною, що з однієї сторони добре, бо надає багатогранну характеристику Ок, а з другої – погано, бо створює додаткові затрудення для необхідності розділення впливу контрольованих параметрів;

- забезпечує можливість проведення безконтактних вимірювань в динамічному режимі, що важливо при автоматизації процесу контролю;

- ЕЄМК дозволяє отримати інформацію як про середні значення контрольованих параметрів у відносно великих об’ємах матеріалу, так і про значення параметрів в окремих точках шляхом локалізації поля на окремих ділянках чи певній глибині досліджуваного матеріалу.

 

11.3 Особливості конструкції і основи розрахунку електроємнісних перетворювачів

 

Конструкція електроємнісного перетворювача залежить від об’єкту контролю і в першу чергу від агрегатного стану досліджуваного середовища. Найскладніша задача пов’язана з контролем твердих матеріалів, так як рідкі і газоподібні середовища можуть набувати будь-якої форми. Конструкцію перетворювача вибирають у даному випадку на основі умови забезпечення найбільшої точності вимірювань.

У випадку контролю суцільних твердих матеріалів конструкцію електроємнісного перетворювача в першу чергу визначає умова забезпечення неруйнівного контролю. Для цього використовують накладні електроємнісні перетворювачі, які поділяють на : односторонні плоскі та криволінійні.

Накладні електроємнісні перетворювачі характеризуються великою неоднорідністю електростатичного поля, яке вони створюють в об’єкті контролю. У зв’язку з цим використання накладних електроємнісних перетворювачів звичайно потребує компенсації впливу контактних умов (забруднення поверхні і т.п.).

Для контролю розмірів поперечного січення лінійно-протяжних виробів застосовують прохідні перетворювачі (рис. 11.2). В залежності від схеми включення електродів і об’єкту контролю конструкції перетворювачів бувають двох- або трьохзатискуваними. Їх робота базується на вимірювання повної або часткової ємності.

При проектуванні приладів з електроємнісними перетворювачами в залежності від задачі контролю визначенню підлягають наступні характеристики перетворювачів:

- робоча ємність, тобто ємність тієї повітряної ділянки перетворювача, яка заповнюється контрольованим матеріалом;

- тангенс кута втрат або добротність незаповненого контрольованим матеріалом перетворювача;

- глибина і ширина зони контролю (розміри ділянки матеріалу, який контролюється перетворювачем);

- функція перетворення (залежність ємності перетворювача від вхідних параметрів, якими переважно є фізичні і геометричні параметри ОК);

- розподіл напруженості електричного поля в об’єкті контролю.

Найбільш універсальними методами розрахунку перерахованих характеристик є метод конфорних відображення для розрахунку електроємнісних перетворювачів з плоскопаралельним електричним полем і однорідним контрольованим середовищем і метод інтегральних рівнянь для конструкції перетворювачів з просторовим електричним полем і гетерогенним контрольованим середовищем.

 

а – в – з вимірюванням повної ємності;

г –д - з вимірюванням часткової ємності;

е – ж - з вимірюванням перехресної емності.

1 – високопотенціальний електрод, 2 – низькопотенціальний електрод, 3 – об’єкт контролю, 4, 5 – охоронні електроди, 6 – індикатор, 7 - джерело живлення.

 

Рисунок 11.2 - Конструкція прохідних електроємнісних перетворювачів

 

 

11.4 Електропотенціальний метод контролю і його технічна реалізація

 

Електропотенціальний метод базується на реєстрації розподілу електричного потенціалу вздовж поверхні ОК. Розподіл потенціалу визначається властивостями ОК, що проводить електричний струм, який створюється зовнішнім джерелом. Метод використовується головним чином для дефектоскопії струмопровідних об'єктів, зокрема для вимірювання глибини тріщин.

На рис. 11.3 зображені картини електричного поля в електропровідній пластині при відсутності і наявності в ній тріщини.

 

Рисунок 11.3 – Графічна інтерпретація фізичних основ електропотенціального методу контролю електропровідного ОК при відсутності (а) і наявності (б) поверхневої тріщини

 

За допомогою електродів 1, 2, які називаються струмовими і розміщені по різні боки тріщини, глибину якої необхідно виміряти, до пластини підводиться електричний струм. Вектор щільності струму у пластині визначається вектором напруженості електричного поля і співпадає з ним по напрямку.

На рис. 11.3 вказані лінії однакових значень щільності струму (суцільні) і лінії однакових значень електричного потенціалу (штрихові) - носять назву еквіпотенціальних - які взаємно ортогональні. Із зіставлення картин поля цього рисунку випливає, що тріщина в суцільному провідному середовищі, яка орієнтована поперек ізоліній щільності струму, викликає перекручування ізоліній щільності струму і еквіпотенціалей. Це можна виявити вимірюванням різниці потенціалів між двома точками на поверхні за допомогою потенціальних електродів 3 і 4, відстань між якими фіксована. Очевидно, що ступінь перекручування еквіпотенціалей залежить від глибини тріщини h. Тому різниця потенціалів U між потенціальними електродами визначається значенням параметра h. Різниця потенціалів U залежить також від ширини тріщини, струму джерела, питомої електричної провідності σ матеріалу і геометричних параметрів ОК. Вплив ширини тріщини виявляється при відношенні її ширини до глибини більшим від 0,1. На практиці це відношення менше 0,1, тому впливом зміни ширини тріщини можна зневажити. Якщо контроль здійснюється за допомогою змінного струму, то різниця потенціалів залежить також від кругової частоти струму і абсолютної магнітної проникності μа матеріалу ОК внаслідок скін-ефекту. Останній виявляється у зменшенні глибини проникнення δ електромагнітного поля в ОК із підвищенням частоти ω. Це дозволяє виключити вплив товщини ОК на покази приладу, так як контури струму зосереджуються в поверхневому шарі.

Електропотенціальні прилади застосовують для вимірювання глибини тріщин, виявлених магнітопорошковими, вихрострумовими та іншими засобами НК, що мають низькі пороги чутливості, але не дозволяють вірогідно судити про глибину дефектів. Тому вимірювачі глибини тріщин застосовують звичайно у з’єднанні з відповідними дефектоскопами інших видів. Ними користуються для контролю стану трубопроводів, які працюють під тиском, енергетичного і транспортного обладнання. Іще одна важлива область використання цих приладів - кількісне вивчення процесу росту тріщин при втомних, міцнісних та інших видах випробувань матеріалів і виробів.

Електропотенціальні прилади дозволяють контролювати об’єкти з будь-яких матеріалів, що проводять струм: сталей, чавунів, кольорових металів і сплавів, графітів. При цьому, ширина тріщини практично не впливає на точність вимірювання. Але її довжина повинна не менше ніж у три рази перевищувати глибину. У противному випадку змінюється картина поля: помітний вплив роблять складові струму, що охоплюють краї тріщини. Тому не можуть бути виміряні геометричні параметри таких дефектів, як пори, раковини, об'ємні включення.

Електропотенціальні вимірювачі глибини тріщин прості в налаштуванні й експлуатації, мають малі габарити, масу (2-5 кг), вартість. Вони випускаються різними фірмами і поширені на практиці. В цій області дефектоскопії розглянуті прилади практично поза конкуренцією, оскільки можливості ультразвукових дефектоскопів у вимірюванні глибини тріщин обмежені, а радіаційні дефектоскопи складніші і вимагають біологічного захисту.

 

11.5 Термоелектричний метод контролю і його технічна реалізація

 

Термоелектричний метод контролю базується на реєстрації термоЕРС, що виникає при контакті різнорідних провідників, один із яких – об’єкт контролю.

З курсу фізики відомо, що при контакті провідників різного хімічного складу в тонкому контактному шарі виникає електрорушійна сила, яка часто називається контактною. Якщо з різнорідних провідників скласти замкнутий контур, то струм у ньому визначається сумою контактних ЕРС. У контурі алгебраїчна сума контактних ЕРС дорівнює нулю, якщо усі ділянки контуру мають однакову температуру. Отже, у такому ланцюзі при відсутності ЕРС іншого походження (сторонніх, індукційних, тощо) струм відсутній. Якщо ж контакти різнорідних провідників мають різну температуру, то виникаюча в ланцюзі ЕРС (термоелектрична ЕРС), створює струм. Це явище називають термоелектричним ефектом або ефектом Зеебека. ТермоЕРС визначається формулою:

Et=α(tГ-tХ),

де α - коефіцієнт термоЕРС, що залежить від хімічного складу пари провідників, що контактують; tг - температура нагрітого (“гарячого”) контакту; tх — температура не нагрітого (“холодного”) контакту.

Якщо в якості одного з електродів пари використовувати металевий об'єкт, а гарячі і холодний електроди при цьому виготовити з відомого металу, то, знаючи різницю температур (tГ-tХ) і вимірюючи термоЕРС Ег, можна визначити α і, отже, ідентифікувати матеріал об'єкта контролю. В цьому полягає суть використання термоелектричного ефекту для сортування металів і сплавів згідно марок (хімічного складу).

При контролі термоелектричним методом застосовують дві основні схеми: абсолютну і диференціальну. Гарячий електрод (переважно мідний) нагрівається змінним струмом підігрівача і розташовується у термоізольованому корпусі. У цьому ж корпусі знаходиться давач температури (терморезистор), за допомогою якого регулюється струм підігрівника так, щоб різниця температур гарячого і холодного електродів була постійною. При використанні абсолютної схеми (рис. 11.4,а) вимірюється абсолютне значення термоЕРС Еt і по ньому за допомогою довідкових таблиць, визначається марка матеріалу об'єкта контролю. Диференціальна схема (рис. 11.4,б) дозволяє порівнювати об'єкт контролю 1 із контрольним зразком 2, який виготовлений із заданого матеріалу. При цьому вимірюється різниця ΔEt ( термоЕРС пар електрод — ОК і електрод — контрольний зразок. При співпадінні хімічного складу матеріалів ОК і контрольного зразка ΔEt=0. Склавши у процесі попередніх експериментів на контрольних зразках таблицю залежності ΔEt від наявності тої чи іншої домішки в сплаві, можна сортувати ОК по наявності цієї домішки.

 

Рисунок 11.4 – Схеми термоелектричного методу контролю з застосуванням абсолютного (а) та диференціального (б) способів вимірювань.

 

Очевидно, що термоелектричні прилади можна застосовувати тільки для контролю металевих об'єктів, що не мають ізоляційних покрить (лакових, емалевих тощо).

 

11.6 Електроіскровий метод контролю і його технічна реалізація

 

Електроіскровий метод контролю базується на реєстрації електричного пробою на ділянці поверхні об'єкта контролю. Він використовується для виявлення порушень суцільності діелектричних захисних покрить на об'єктах, що проводять струм, а також для знаходження тріщин у діелектричних об'єктах. У першому випадку висока змінна, імпульсна або постійна напруга прикладається між підставкою, яка електропровідна, і спеціальним електродом на покритті, а у другому - між двома електродами, розташованими з протилежних боків діелектричного ОК. Якщо в діелектрику, до якого прикладена напруга, є газові бульбашки, пори, тріщини, то в цьому місці виникає іскровий пробій, тобто стрибкоподібне збільшення електричної провідності.

Електроіскрові дефектоскопи містять джерело регульованої високої напруги, електронний блок, набір електродів і допоміжних пристроїв. Електронний блок служить для регулювання і індикації випробувальної напруги, обчислення кількості пробоїв, світлової і звукової сигналізації про пробій. Він містить електронні пристрої блокування випробувальної напруги при коротких замиканнях електродів на підставу ОК або у випадку торкання електродів оператором, чим забезпечується безпека роботи. Виникнення іскрового пробою реєструється електронними пристроями дефектоскопа по зміні електричного режиму кола, у якому відбувається пробій (зміна струму і напруги).

Випускаються стаціонарні дефектоскопічні установки неперервного технологічного контролю, які дозволяють контролювати якість ізоляційних покрить труб, діелектричних покрить на металевих стрічках, листах.

Напруга між електродами залежить від товщини випробовуваного діелектричного шару і коливається в межах 0,5-35 кВ, а в окремих випадках досягає 70 кВ. Дефектоскопи можуть вмикатися в мережу, або комплектуються автономним живленням. Електроіскрові дефектоскопи широко використовуються для контролю якості діелектричних покрить товщиною до 10 мм із полімерних матеріалів, епоксидних смол, скла, емалі, бітуму, лаків і фарб. В багатьох випадках вони дозволяють виявляти пори, тріщини, подряпини та інші дефекти, коли інші методи і засоби неруйнівного контролю практично не можуть бути застосовані.

 

12 ЕЛЕКТРОМАГНІТНИЙ (ВИХРОСТРУМОВИЙ) КОНТРОЛЬ

 

12.1 Загальна характеристика і область застосування електромагнітного методу контролю

 

Електромагнітний (вихрострумовий) метод контролю базується на взаємодії зовнішнього електромагнітного поля з електромагнітним полем вихрових струмів, які наводяться обмоткою збудження в електропровідному об’єкті контролю. Густина вихрових струмів є функцією від геометричних розмірів і електромагнітних параметрів ОК, а також від взаємного розташування вимірювального вихрострумового перетворювача (ВСП) та ОК. Конструктивно ВСП – це є індуктивні котушки (одна або декілька ). Струм, який проходить через обмотку збудження створює електромагнітне поле, яке перетинає поверхню ОК і в електропровідному шарі наводить вихрові струми. Електромагнітне поле цих струмів діє на ВСП одним із двох шляхів:

1) наводиться е.р.с.індукції (якщо є дві обмотки);

2) змінюється повний комплексний опір обмотки (однообмотковий ВСП).

ЕРС і опір Z залежить від багатьох параметрів. З одного боку це добре, але з іншого – погано, бо вплив цих параметрів треба розділяти при побудові системи обробки вимірювальної інформації.

Даний метод контролю забезпечує можливість безконтактного контролю, що є основною його перевагою. При цьому досягається велика продуктивність, мала залежність від стану середовища на результат контролю, велика надійність, можливість роботи в середовищах з підвищеною радіацією або запиленістю.

Недоліком даного методу є можливість контролю тільки електропровідних об’єктів або при наявності електропровідних основ при контролі діелектричних матеріалів, а також складність побудови пристроїв обробки багатопараметричної вимірювальної інформації.

Отримання первинної інформації у вигляді електричних сигналів, безконтактність і висока продуктивність визначають широкі можливості автоматизації вихрострумового методу контролю.

Простота конструкції перетворювача – ще одна з переваг даного методу. У більшості випадків котушки встановлюють у захисному корпусі і заливають компаундом. Завдяки цьому вони стійкі до механічних і атмосферних впливів, можуть працювати у досить широкому інтервалі температур і тисків.

Вихрострумові методи базуються на збудженні вихрових струмів, тому їх використовують для контролю якості електропровідних об’єктів: металів, сплавів, напівпровідників. Їм властива мала глибина зони контролю, яка визначається глибиною проникнення електромагнітного поля у контрольоване середовище.

Цей метод широко використовують у дефектоскопії, визначенні розмірів і структуроскопії матеріалів і виробів.

У дефектоскопії за допомогою даного методу виявляють дефекти типу порушення суцільності, які виходять на поверхню або залягають на невеликій глибині, а також різноманітні тріщини, неметалеві включення, тощо.

Вихрострумовий метод дозволяє розв’язувати задачі контролю розмірів виробів. Цим методом вимірюють діаметр дроту, товщину металевих листів і стінок труб, товщину покрить на електропровідних основах.

Структурний стан металів і сплавів впливає на їх електричні і магнітні характеристики. Це дозволяє контролювати не тільки однорідність хімічного складу, але й структуру металів, а також виявляти механічні напруження елементів конструкцій виробів.

 

12.2 Фізичні основи електромагнітного контролю

 

За основу вихрострумового методу покладена залежність інтенсивності і розподілу вихрових струмів в об’єкті контролю від його основних параметрів і від взаємного розташування ВСП і об’єкта. Змінний струм, який діє в котушках ВСП, створює електромагнітне поле, яке збуджує вихрові струми в електропровідному об’єкті контролю. На рис. 12.1 подана узагальнена функціональна схема вихрострумового контролю з використанням накладного перетворювача. Густина вихрових струмів максимальна на поверхні об’єкта в контурі, діаметр якого близький до діаметра збуджувальної обмотки, і зменшується до нуля вздовж осі ВСП і при . Густина вихрових струмів зменшується також і по глибині об’єкта контролю. Для наближеної оцінки глибини проникнення електромагнітного поля накладного ВСП в об’єкт контролю можна скористатися формулую глибини проникнення (м) плоскої хвилі:

, (12.1)

де - колова частота струму збудження ВСП;

- абсолютна магнітна проникність, Гн/м;

- питома електрична провідність матеріалу об’єкта контролю, См/м.

 

 

Рисунок 12.1 – Узагальнена схема вихрострумового контролю за допомогою накладного ВСП

 

Величина відповідає затуханню напруженості магнітного поля в е раз у порівнянні із значенням напруженості магнітного поля на поверхні об’єкта. Формула (12.1) надає завищене значення глибини проникнення, яке тим ближче до реального, чим більшим є значення узагальненого параметра

, (12.2)

де - радіус збуджуючої обмотки ВСП.

Так при реальне значення менше знайденого за формулою (12.1) в 2.2 рази, а при - в 1.5 рази.

Для визначення при відомому значенні можна використовувати наступну формулу:

(12.3)

Формулу (12.1) також можна застосовувати для наближеної оцінки глибини проникнення магнітного поля прохідного ВСП в довгий круговий циліндр чи трубу. Дійсне значення глибини проникнення для зовнішнього прохідного ВСП з однорідним магнітним полем перевищує оцінку за формулою (12.1).

 

Рисунок 12.2 – Залежність відносної глибини проникнення магнітного поля прохідного ВСП з однорідним полем в круговий циліндр від параметра (суцільна лінія – дійсні значення, пунктирна - наближені)

 

На рис. 12.2 вказані графіки залежності відносної глибини проникнення від квадрату узагальненого параметра контролю х:

, (12.4)

де R – радіус контрольованого циліндра або зовнішній радіус труби ().

Для лінійного середовища та осьосиметричного монохроматичного магнітного поля комплексна е.р.с становить:

(12.5)

де l – довжина контуру вимірювальної обмотки, яка коаксіальна із збуджуючою.

Для розрахунків переважно використовують відносну е.р.с:

, (12.6)

де Е0 – модуль вектора початкової е.р.с (відповідає відсутності об’єкта у зоні контролю).

, (12.7)

де Ф0 і А0 – модулі векторів магнітного потоку і векторного потенціалу.

Комплексний опір параметричного ВСП визначається виразом:

, (12.8)

де - струм збудження в обмотці ВСП.

Нормоване по початковому індуктивному опору значення комплексного опору параметричного ВСП становить:

. (12.9)

 

12.3 Класифікація і види вихрострумових перетворювачів (ВСП)

 

По робочому положенню відносно об’єкта контролю ВСП поділяються на накладні, прохідні, комбіновані.

Накладні ВСП зазвичай мають форму одної або декількох котушок, до торців яких підводиться поверхня об’єкту контролю (рис. 12.3). Котушки таких перетворювачів можуть бути круглими коаксіальними (рис. 12.3, а), прямокутними (рис. 12.3, б), прямокутними хрестоподібними (рис. 12.3, в) або із взаємноперпендикулярними осями (рис. 12.3, г).

 

Рисунок 12.3 - Види накладних перетворювачів

 

Накладні ВСП можуть бути з феромагнітним осердям і без нього. При наявності осердя зростає чутливість, але зменшується зона контролю за рахунок локалізації магнітного потоку.

Прохідні ВСП класифікують на зовнішні, внутрішні і занурювальні. Відмінна особливість прохідних ВСП полягає в тому, що під час процесу контролю вони проходять або ззовні об’єкту, охоплюючи його (рис. 12.4, а-в), або всередині нього (рис. 12.4, г-д), або занурюються у рідкий об’єкт (рис. 12.4, е-ж).

Комбіновані ВСП є за своєю суттю комбінацією накладних і прохідних ВСП (рис. 12.5).

 

1 – об’єкт контролю; 2 – збуджувальна обмотка; 3 – вимірювальна обмотка

 

Рисунок 12.4 - Види прохідних ВСП

 

1 – об’єкт контролю; 2 – збуджувальна обмотка; 3 – вимірювальна обмотка

а – з прохідною збуджувальною і накладною вимірювальною обмотками; б – лінійні.

 

Рисунок 12.5 – Види комбінованих ВСП

 

По виду перетворення параметрів об’єкта у вихідний сигнал перетворювача ВСП поділяються на трансформаторні (містять не менше двох обмоток) і параметричні (однообмоткові ).

Параметричні ВСП хоча і простіші, однак в них більш суттєва залежність вихідного сигналу від температури у порівнянні з трансформаторними.

В залежності від з’єднання обмоток розрізняють абсолютні і диференціальні ВСП. Останні забезпечують більш суттєве підвищення відношення корисного сигналу до завади, так як в них вихідний сигнал визначається приростом контрольованого параметра.

В абсолютних ВСП вихідний сигнал визначається абсолютним значенням параметрів контролю.

Накладними ВСП контролюють об’єкти з плоскими поверхнями і об’єкти складної форми. Ці перетворювачі використовують також, коли потрібно забезпечити локальну і високу чутливість контролю. Накладними і прохідними ВСП контролюють лінійно-протяжні об’єкти. Їх використовують при масовому контролі дрібних виробів. За допомогою внутрішніх прохідних ВСП контролюють внутрішню поверхню труб, а також стінки отворів у різних деталях. Прохідні ВСП дають інтегральну оцінку контрольованого параметра вздовж периметра об’єкта, тому вони мають меншу чутливість до локальних варіацій їх властивостей.

13 ЕЛЕКТРОМАГНІТНИЙ КОНТРОЛЬ ПРОХІДНИМИ І НАКЛАДНИМИ ВСП

 

13.1 Контроль циліндричних об’єктів зовнішніми прохідними ВСП

 

Такими ВСП контролюються геометричні розміри, електричні і магнітні параметри циліндричних об’єктів кругового січення. Для визначення оптимальних умов контролю необхідно знайти залежність вихідної е.р.с від параметрів об’єкта контролю.

З цією метою знаходять розподіл напруженості магнітного поля Н і обчислюють магнітний потік Φ в середині об’єкта контролю або векторний потенціал А і визначають миттєве е(t) або комплексне значення е.р.с вимірювальної обмотки:

(13.1)

, (13.2)

де l - довжина контура вимірювальної обмотки, яка коаксіальна до збуджуючої;

WB - кількість витків вимірювальної обмотки.

З врахуванням геометричних розмірів ОК і ВСП формула (13.2) має вигляд:

, (13.3)

де – напруженість магнітного поля за межами об’єкту контролю;

RВ – радіус контура, який охоплюється вимірювальною обмоткою ВСП;

R – радіус об’єкта контролю;

μ – відносна магнітна проникність ОК;

- магнітна стала;

I0,, I1 – модифіковані циліндричні функції І роду 0-го та 1-ого порядку;

ω – кругова частота струму збудження ВСП;

- комплексний параметр, який визначається функціональною залежністю від абсолютної магнітної проникності , питомої електропровідності і частоти струму збудження :

(13.4)

При відсутності ОК в середині ВСП маємо на його виході е.р.с “холостого ходу”, яка дорівнює:

 

, (13.5)

де - е.р.с холостого ходу (комплексна величина).

При цьому значення відносної вихідної напруги вимірювальної обмотки визначається з виразу:

(13.6)

де η – коефіцієнт заповнення, який визначається радіусом R циліндра і радіусом обмоток збуджувальної або вимірювальної з врахуванням нижче вказаних умов:

(13.7)

 

(13.8)

Використовуючи поняття ефективної магнітної проникності циліндра:

(13.9)

і провівши заміну , отримаємо:

(13.10)

Параметр комплексна величина і характеризує ступінь зменшення магнітного потоку за рахунок вихрових струмів для немагнітного об’єкту контролю.

На практиці здійснюється компенсація е.р.с холостого ходу, тому часто використовують значення відносної вносимої напруги перетворювача, яка розраховується за формулою

(13.1)

На рис. 13.1 приведені годографи відносної напруги перетворювача для провідного немагнітного циліндра () при . З рис. 13.1 видно, що зміни R і циліндра викликають різні напрями зміни векторів напруги на комплексній площині. Це дозволяє роздільно контролювати вказані параметри циліндра. Найкращі умови роздільного контролю R і існують тоді, коли кути між годографами і прямують до . При ці кути досягають величини .

 

 

Рисунок 13.1 – Годографи відносної напруги прохідного ВСП при зміні параметрів немагнітного циліндра

 

При визначенні оптимальних умов контролю будь-якого параметру ОК необхідно знайти похідні даного вихідного сигналу по цьому контрольованому параметру. Наприклад, похідна - визначає чутливість ВСП стосовно контрольованого параметра R (радіуса циліндра) і записується виразом:

(13.2)

 

Аналогічно можна отримати формули для визначення чутливості ВСП стосовно параметрів і :

(13.13)

(13.14)

Тут зауважимо, що формули (13.12) – (13.14) справедливі при створення ОК однорідного вздовж його осі магнітного поля і дотриманні умови .

 

13.2 Контроль циліндричних об’єктів внутрішніми прохідними ВСП

 

Для контролю пустотілих циліндричних об’єктів (труби, балони і т.п.) в ряді випадків доцільно застосовувати внутрішні прохідні ВСП, котушка збудження яких виготовляється з великим (більше 3) відношенням довжини до діаметра. Для розрахунку такого ВСП, який знаходиться всередині електропровідної труби з внутрішнім радіусом і зовнішнім , значення відносної напруги визначається з виразу:

, (13.15)

де і - комплексні функції, які містять - функції Бесселя І роду, відповідно нульового та першого порядків, а також - функції Бесселя ІІ роду, відповідно нульового та першого порядків; - комплексні параметри, які визначаються виразами:

(13.16)

(13.17)

. (13.18)

 

При цьому виді контролю також вводять узагальнені параметри:

(13.19)

і (13.20)

У виразах (13.15) – (13.19) індекс 2 стосується параметрів ОК зі сторони ВСП, тобто таких, які відносяться до радіуса R2.

На рис. 13.2 приведені годографи внутрішнього прохідного ВСП для труб з різним відношенням . На цьому графіку суцільними лініями зображено залежності для різних значень параметра . Пунктирні лінії з’єднують точки годографів, що відповідають , тобто відповідають незмінній товщині стінки труби. Гранична крива при зменшенні - годограф для нескінченно товстої труби (штрих пунктирна крива).

З приведених на рис. 13.2 годографів видно, що за допомогою внутрішнього прохідного ВСП, (так як і за допомогою зовнішнього прохідного ВСП) можна здійснювати селективний контроль і товщини стінки труби, так як вектори приростів напруг внутрішнього прохідного перетворювача обумовлені змінами електричної провідності і товщини стінки труби, мають на комплексній площині різні напрями. Кут між векторами цих приростів напруг при постійному внутрішньому радіусі труби із зростанням , тобто з ростом частоти, збільшується.

Суцільними лініями на рис. 13.2 показана зміна вихідного сигналу в залежності від зміни геометричних розмірів об’єкту контролю, тобто змінюється коефіцієнт α. При цьому вздовж цієї лінії узагальнений параметр є незмінний.

У випадку зміни параметра х і незміного параметра α вихідний сигнал змінюється вздовж пунктирної лінії, тобто можна контролювати електричні і магнітні властивості об’єкту контролю. Якщо одночасно змінюються м, σ, R 2 і , тоді треба інтерполювати різними х та α ().

 

 

Рисунок 13.2 - Годографи відносної вносимої напруги внутрішнього прохідного ВСП при контролі неферомагнітних труб

 

13.3 Контроль циліндричний об’єктів контролю екранними прохідними ВСП з однорідним полем

 

Контроль параметрів одношарових і багатошарових труб можна здійснювати за допомогою екранних прохідних ВСП, у яких збуджуюча обмотка охоплює контрольовану трубу, а вимірювальна знаходиться всередині труби. Для визначення е.р.с вимірювальної обмотки такого перетворювача можна скористатись виразом:

(13.21)

Розраховані за (13.21) годографи відносних величин напруг вимірювальної обмотки та неферомагнітних труб з відношенням радіусів приведені на рис. 13.3. пунктирні лінії на цьому годографі з’єднують точки з однаковими значеннями параметра . Кути між суцільними і пунктирними лініями годографів характеризують фазові співвідношення між приростами напруг, які обумовлені змінами внутрішнього радіусу і питомої електричної провідності труби. З годографів, приведених на рис. 13.3, видно, що кут зсуву фаз між даними приростами малий при невеликих значеннях параметра і що він зростає при зменшенні відношення .

Для товстостінних труб (при ) формула (13.21) може бути представлена таким асимптотичним виразом . Для тонкостінних труб (при ) можна використовувати наступний асимптотичний вираз:

, (13.22)

де Т – товщина стінки труби.

 

Цей вираз являє собою рівняння півкола з радіусом, рівним 0,5.

На рис. 13.3 граничні годографи при і при зображені штрихпунктирними лініями.

Для одно- та багатошарових труб застосовують такий тип годографу:

 

 

Рисунок 13.3 - Годографи відносної напруги екранного прохідного ВСП при зміні параметрів неферомагнітної труби

 

13.4 Порівняння зовнішніх, внутрішніх і екранних прохідних ВСП

 

Вибір типу прохідного перетворювача при контролі параметрів циліндричних об’єктів визначається перш за все конструктивними особливостями перетворювачів. Так, контроль прутків, біметалічних та багатошарових циліндрів, звичайно, здійснюється за допомогою зовнішніх перетворювачів. Контроль об’єктів з циліндричними порожнинами при односторонньому доступі із сторони порожнини, наприклад контроль стінок отворів в масивних деталях, може проводитись прохідними перетворювачами лише внутрішнього типу. В той же час одношарові і багатошарові труби можна контролювати як зовнішніми, внутрішніми, так і екранними перетворювачами. Коли конструктивні особливості перетворювачів на мають великого значення, необхідно співставити чутливості кожного типу прохідного перетворювача до змін контрольованого і заважаючих параметрів труби.

В табл. 2.2 приведені максимальні значення чутливості трьох типів прохідних перетворювачів до змін внутрішнього R1, зовнішнього R2 радіусів і питомої електричної провідності труби з різним відношенням радіусів , а також значення узагальненого параметра , що відповідають максимумам чутливості.

Таблиця 2.2 -

  Зовнішні Внутрішні Екранні
0.6 0.8 0.9 0.6 0.8 0.9 0.6 0.8 0.9
Чутливість до зміни R2 5.5 0.4 1.9 4.2 1.9 2.9 5.3
4.5 2.8 3.7 4.9
Чутливість до зміни R1 0.25 1.2 3.5 2.05 4.4 0.7 1.95 4.3
2.5 3.2 4.5 1.5 4.3 3.7 4.8
Чутливість до зміни 0.39 0.44 0.48 0.3 0.42 0.45 0.59 0.53 5.1
2.6 3.5 4.5 2.7 4.8

 

З аналізу формули для чутливостей прохідних перетворювачів до змін параметрів труб і приведених в табл. 2.2 даних можна зробити наступні висновки. Чутливості всіх трьох типів перетворювачів до зміни зовнішнього і внутрішнього радіусів труби збільшуються з ростом , прямуючи до граничного значення - для тонкостінних труб, тобто при .

Найбільш чутливі до зміни зовнішні перетворювачі, до зміни - внутрішні перетворювачі, а до зміни - екранні перетворювачі. Слід відмітити, що чутливість екранного перетворювача до змін близька до максимальної, але застосування цього типу перетворювача утруднена через більш складну конструкцію.

 

13.5 Контроль об’єктів за допомогою накладних ВСП

 

Накладні ВСП найчастіше від інших використовуються в приладах електромагнітного контролю внаслідок їх універсальності. В довідниках і спеціальній літературі подаються вирази для визначення значень вносимої напруги при контролі неферомагнітних листів і такого ж півпростору. Однак аналітичні залежності характеризуються значною математичною складністю і великою кількістю змінних параметрів. Тому для практичних розрахунків користуються годографами, які зображені на рис. 13.4. в них застосовуються такі узагальнені параметри контролю:

(13.23)

(13.24)

(13.25)

де - середній радіус обмотки збудження;

Т – товщина контрольованого листа;

- віддалі по поверхні листа до середини висоти обмоток збуджуючої і вимірювальної відповідно;

μ – магнітна проникність між об'єктом контролю та перетворювачем.

 

На рис. 13.4 зображено годографи для не магнітного листа. Годографи показані на рис. 13.4 обмежені з однієї сторони штрихпунктирною кривою, що відповідає нескінченній товщині листа (, півпростір), з другої сторони годографами для тонких () листів. Суцільними лініями показані годографи при зміні товщини (), штрихові лінії показують годограф при зміні .

Аналізуючи приведені годографи, можна відмітити, що в загальному випадку можливий роздільний контроль .

 

 

Рисунок 13.4 - Годографи відносної вносимої напруги накладного ВСП при контролі неферомагнітного листа

 

Справа - суцільні годографи побудовані для змінної при фіксованому , пунктирна лінія вказує на зміну вихідного сигналу в залежності від зміни β при постійному . Ліва частина показує залежність від параметра h, тобто від віддалі ВСП до об’єкту контролю. Цими годографами можна контролювати товщини немагнітних і неелектричних провідних покриттів. Зліва - суцільні годографи при фіксованому значенні і змінній β , а пунктирні – вказують зміну від при постійній β.

Для тих значень, які не вказані на годографі, вихідний сигнал знаходять методом інтерполяції між двома відомими змінними.

 

14 ОСНОВИ КОНСТРУЮВАННЯ І ОСОБЛИВОСТІ ПРАКТИЧНОГО ЗАСТОСУВАННЯ ЗАСОБІВ ЕЛЕКТРОМАГНІТНОГО КОНТРОЛЮ

 

14.1 Конструкції накладних і прохідних ВСП

 

Найчастіше накладні ВСП призначені для ручного контролю, тому зазвичай вони мають корпус, зручний для роботи оператора. На рис. 14.1 зображені два варіанти конструкції таких ВСП. В конструкції на рис. 14.1, а обмотки 1 ВСП, які охоплюють феритове осердя 2, за допомогою керамічної втулки 3 жорстко закріплюються в корпусі 4. Керамічна втулка 3 служить також для запобігання механічних пошкоджень торця обмоток. Для більш чіткої фіксації зазору між обмотками ВСП та об’єктом контролю в конструкції на рис. 14.1, б використовується підпружинена оправка 5, яку оператор переміщує вздовж корпусу 4 до контакту з поверхнею об’єкта, стискаючи пружину на визначену довжину.

На рис. 14.2 зображений прохідний диференціальний ВСП для дефектоскопії дротів діаметром (0,3 – 1) мм. На каркасі 1 у вигляді трубки з кварцевого скла намотана довга збуджувальна обмотка 2. Каркас з обмоткою розташований у діелектричній втулці 3, в якій є пази для двох коротких вимірювальних обмоток 4