ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДЛЯ ДЕФЕКТОСКОПИИ Российский патент 1996 года по МПК G01N27/90 

Изобретение относится к неразрущающему контроли и может быть использовано для дефектоскопии электропороводящих объектов.

Известен электромагнитный преобразователь для дефектоскопии, содержащий измерительный элемент в виде двух вложенных друг в друга и дифференциально включенных катушек индуктивности, токопровод, состоящий из коаксиальной системы двух проводников, электрически замкнутых на обоих торцах и размещенных соосно с измерительным элементом, и замкнутого магнитопровода с обмоткой, индуктивно сцепленной с электрически замкнутым контуром, образованным токопроводом [1]
Недостаток известного преобразователя состоит в пониженной чувствительности контроля из-за экранирующего действия торцов токопровода. Их экранирующее действие не может быть уменьшено за счет уменьшения толщины и удельной электрической проводимости, перемычек на торцах, так как это приводит к их перегреву. Еще один недостаток известного преобразователя состоит в невозможности использования нескольких измерительных элементов и, следовательно, невозможности наращивания ширины зоны контроля для повышения производительности.

Наиболее близок к предложенному по технической сущности, принятый за прототип, электромагнитный преобразователь для дефектоскопии, содержащий, по меньшей мере, один измерительный элемент в виде двух вложенных друг в друга и дифференциально включенных катушек индуктивности, возбуждающую систему, состоящую из электрически замкнутого токопровода с плоским активным участком, и замкнутого магнитопровода с токовой обмоткой, индуктивно сцепленной с электрически замкнутым контуром, образованным токопроводом, а измерительные элементы размещены над рабочей поверхностью активного участка токопровода [2]
Однако и этот электромагнитный преобразователь не обладает требуемой чувствительностью к локальным неоднородностям, что, в частности, не позволяет выявлять трещины ориентированные вдоль возбуждаемых вихревых токов. Кроме того, при возбуждении вихревых токов плоской шиной с током глубина контроля получается существенно меньше потенциально достижимой.

Цель изобретения повышение абсолютной чувствительности до уровня, обеспечивающего выявление трещин, ориентированных вдоль вихревых токов, и увеличение глубины контроля.

Поставленная цель в электромагнитном преобразователе для дефектоскопии, содержащем по меньшей мере, один измерительный элемент, состоящий из дифференциально включенных катушек индуктивности, и возбуждающую системы, состоящую из электрически замкнутого токопровода и замкнутого магнитопровода с токовой обмоткой, индуктивно сцепленной с токопроводом, достигается благодаря тому, что он снабжен разомкнутым магнитопроводом с торцами, размещенными в плоскости, параллельной плоскости витков измерительного элемента, токопровод образован плоской шиной, прилегающей к торцам разомкнутого магнитопровода, его внутренней и внешней поверхностям, часть токопровода, прилегающая к внешней поверхности разомкнутого магнитопровода имеет петлю, охватывающую поперечное сечение замкнутого магнитопровода, а измерительный элемент расположен симметрично относительно торцов разомкнутого магнитопровода.

Дополнительно, для защиты измерительного элемента от абразивного действия поверхности контролируемого объекта и других воздействий, электромагнитный преобразователь снабжен неферромагнитной металлической защитной пластиной, закрывающей рабочий торец измерительного элемента и размещенной между внешними кромками торцов разомкнутого магнитопровода.

Рекомендуется защитную пластину электрически соединить с с противолежащими участками пассивной части токопровода.

В другом варианте защитная пластина выполнена в виде части электрически замкнутого контура, индуктивно связанного с замкнутым магнитопроводом.

Толщину и материал защитной пластины рекомендуется выбирать исходя из соотношения:
R_п/R_т>10,
где R_t электрическое сопротивление короткой части токопровода, соединенной параллельно с пластиной, R_п электрическое сопротивление защитной пластины.

Кроме того, для выравнивания чувствительности к трещинам различной ориентации, электромагнитный преобразователь снабжен второй таковой обмоткой, намотанной на разомкнутый магнитопровод и симметрично размещенной относительно его торцов.

Проведенные патентно-литературные исследования не выявили технических решений, содержащих признаки идентичные или эквивалентные признакам заявляемого электромагнитного преобразователя, Поэтому, по мнению заявителя, заявляемое техническое решение соответствует критерию "существенные отличия",
На фиг. 1 приведена конструкция заявляемого электромагнитного преобразователя для дефектоскопии с защитной пластиной, электрически соединенной с противолежащими участками пассивной части токопровода: на фиг, 2 отдельно показан токопровод: на фиг. 3 измерительный элемент; на фиг. 4 отдельно показана конструкция защитной пластины, выполненной в виде электрически замкнутого контура; на фиг. 5 показана форма импульсов огибавшей выходного напряжения измерительного элемента при его перемещении вдоль трещины под действием вихревых токов, текущих вдоль трещины и перпендикулярно ей; на фиг, 6 показана форма импульса огибающей выходного напряжения измерительного элемента, обусловленного действием вихревых токов, текущих параллельно трещине, при перемещении измерительного элемента через центр трещины перпендикулярно ей.

Электромагнитный преобразователь для дефектоскопии содержит измерительный элемент 1, который состоит из двух вложенных друг в друга и дифференциально включенных катушек индуктивности 2 и 3, возбуждающую систему, образованную токопроводом 4, разомкнутым магнитопроводом 5, замкнутым магнитопроводом 6 с токовой обмоткой 7, индуктивно сцепленной с токопроводом 4. Токопровод 4 имеет активные участки 8 и 9, находящиеся в зонах торцов разомкнутого магнитопровода 5. Кроме того, электромагнитный преобразователь содержит вторую токовую обмотку 10, намотанную на разомкнутый магнитопровод 5 и симметрично размещенную относительно его торцов, и защитную пластину 11. Измерительный элемент 1 размещен симметрично относительно торцов разомкнутого магнитопровода 5. Профиль активных участков 8, 9 токопровода рекомендуется согласовывать с формой поверхности контролируемого объекта. Если электромагнитный преобразователь предназначен для контроля объектов со стороны их плоской поверхности, то активные участки 8, 9 целесообразно также выполнять плоскими. Разомкнутый магнитопровод 5 рекомендуется выполнять П-образным или С- образным. Измерительный элемент 1 целесообразно располагать так, чтобы его рабочий торец был в одной плоскости с внешней поверхностью активных участков 8, 9 токопровода. Защитная пластина 11 накладывается на рабочий торец измерительного элемента 1 и активные участки 8, 9 токопровода. В одном из вариантов ( фиг. 1 ) защитная пластина 11 электрически соединена с противолежащими участками пассивной части токопровода 4. В другом варианте ( фиг, 4 ) 6 защитная пластина 11 выполнена в виде части электрически замкнутого контура, индуктивно связанного с замкнутым магнитопроводом 6 и имеет конструкции подобную конструкции токопровода 4. Токопровод 4 образован плоской шиной, прилегающей к торцам разомкнутого магнитопровода 5, его внутренней и внешней поверхностям. Часть токопровода 4, прилегающая к внешней поверхности разомкнутого магнитопровода 5, имеет петлю 12 охватывавшую поперечное сечение замкнутого магнитопровода 5 Измерительный элемент 1 рекомендуется выполнять в виде вложенных друг в друга катушек индуктивности 3 и 4 с одинаковой формой витков. Число витков катушек 3 и 4 измерительного элемента (фиг. 3) выбирают исходя из соотношения,
S1•N1 S2•N2
где S1, S2 площади рабочих торцов катушек, а N1 и N2 число их витков, что обеспечивает балансировку измерительного элемента в однородных и изменяющихся по линейному закону магнитных полях,
Электромагнитный преобразователь работает следующим образом: Токовую обмотку 7 подключают к источнику переменного напряжения (не показан), а выход измерительного элемента 1 к блоку обработки сигнала ( не показан ). В простейшем случае в качестве блока обработки сигнала может использоваться осциллограф или последовательно соединенные усилитель, компаратор и индикатор. Переменный магнитный поток, создаваемый при этом в замкнутом магнитопроводе 6, приводит к возникновению тока в токопроводе 4. При изготовлении электромагнитного преобразователя производят его балансировку. Для этого определяют положение и ориентацию измерительного элемента при котором его выходное напряжение минимально.

Затем электромагнитный преобразователь размещают над поверхностью контролируемого объекта ( не показан ), так, чтобы рабочий торец измерительного элемента 1 и и активные участки 8 и 9 токопровода прилегали к поверхности объекта контроля и сканируют ее, перемещая электромагнитный преобразователь, Ток, протекающий по таковой обмотке 7, создает переменный магнитный поток циркулирующий в замкнутом магнитопроводе 6. Этот магнитный поток индуцирует токи в замкнутом токопроводе 4. Переменный магнитный поток, создаваемый индуцированными в токопроводе 4 токами, в свою очередь, возбуждает в контролируемом объекте вихревые токи. Эти вихревые токи в зоне контроля под измерительным элементом 1 направлены от одного из активных участков 8, 9 к другому. Плотность вихревых токов в зоне контроля повышается в десятки раз за счет усиления магнитного потока токопровода 4 разомкнутым магнитопроводом 5. Кроме того магнитопровод 5 формирует магнитный по ток с вытянутыми в направлении контролируемого объекта силовыми линиями, что повышает глубину контроля.

Если дефекты сплошности в зоне контроля отсутствует, то имеющееся напряжение Up разбаланса измерительного элемента 1 практически не изменяется и очень слабо зависит от перекосов электромагнитного преобразователя и вариации зазора между измерительным элементом 1 и поверхностью контролируемого объекта При наличии в зоне контроля дефектов типа трещин в процессе сканирования поверхности контролируемого объекта возникают импульсы огибавшей напряжения, показанные на фиг, 5 6. В отличие от известных электромагнитных преобразователей с коаксиальными накладными катушками индуктивности данный электромагнитный преобразователь имеет существенно большую глубину контроля при той же рабочей частоте и значительно меньшую потерю чувствительности к дефектам при увеличении рабочего зазора. Это связано с тем, что возбуждаемые вихревые токи циркулируют в контурах, существенно превышающих зону электромагнитного взаимодействия измерительного преобразователя с создаваемыми вихревыми токами,
На фиг, 5 показан импульс 13 огибающей выходного напряжения измерительного элемента при его перемещении вдоль трещины под действием вихревых токов, текущих вдоль трещины и импульс 14, возникавший под действием вихревых токов, текущих перпендикулярно ей; на фиг. 6 показан импульс 15 огибающей выходного напряжения измерительного элемента, обусловленный действием вихревых токов текущих параллельно трещине, при перемещении измерительного элемента 1 через центр трещины перпендикулярно ей. Расстояние между экстремумами кривой 13 примерно соответствует расстоянию между концами длинной трещины. Расстояние между экстремумами кривой 15 определяется эквивалентными диаметрами катушек 3 и 4 чувствительного элемента 1. Как видно из приведенных на фиг, 5-6 графиков форма импульсов огибающей зависит от ориентации трещин, что затрудняет их выявление и оценку параметров. В частности, возможен пропуск длинной трещины ориентированной параллельно плоскости токопровода 4. Для выравнивания чувствительности электромагнитного преобразователя к трещинам различной ориентации в зоне контроля возбуждаются вихревые токи, направленные перпендикулярно отрезкам, проведенным между центрами активных участков 8 и 9. С этой целью токовая обмотка 10 подключается к источнику высокочастотного напряжения ( не показан ) и создается второй возбуждавший переменный магнитный поток, замыкающийся через разомкнутый магнитопровод 5 и контролируемый объект. В простейшем случае токовые обмотки 7 и 10 могут запитываться от одного и того же источника. При этом диаграмма чувствительности электромагнитного преобразователя получается 4-х лепестковой и не имеет нулевых зон. Последнее связано с тем, что распределения вихревых токов, возбуждаемых различными системами, не совпадают. Дополнительно выравнять диаграмму чувствительности электромагнитного преобразователя к трещинам различной ориентации можно, подключив обмотки 7 и 10 к источникам высокочастотных напряжений U1 и U2, амплитуды которых модулированы квадратурными низкочастотными напряжениями. Иначе гoворя, напряжения U1 и U2 изменяется по законам
u1 U1•SIN(W_н•SIN(Wвt),
u2 U2•COS(W_нt)•SIN(Wвt),
где Wн и Wв нижняя и верхняя круговые частоты.

При этом в зоне контроля создается вращающееся поле вихревых токов с угловой частотой Wн. Торец измерительного элемента 1 защищен от абразивного действия поверхности контролируемого объекта металлической защитной пластиной 11. Защитная пластина 11 экранирует поле вихревых токов, что приводит к определенной потере чувствительности, тем большей, чем больше ее толщина и удельная электрическая проводимость.

Для компенсации снижения чувствительности, связанной с экранирующим действием пластины 11, по ней пропускают ток, приводящий к увеличению плотности вихревых токов в контролируемом объекте. При этом, во избежание нежелательного перегрева пластины 11, часть тока пропускаемого по ней должна составлять незначительную часть общего тока токопровода 4. Это достигается при выполнении условия R_п/R_т>10, где Rт электрическое сопротивление короткой части токопровода, соединенной параллельно с пластиной, Rп - электрическое сопротивление защитной пластины, В другом варианте, показанном на фиг. 4, защитная пластина 11 является частью электрически замкнутого контура, индуктивно связанного с замкнутым магнитопроводом 5.

По сравнению с прототипом заявляемый электромагнитный преобразователь для дефектоскопии имеет следующие преимущества:
повышенную абсолютную чувствительность, позволяющую выявлять трещины, ориентированные параллельно возбужденным вихревым токам;
повышенную глубину контроля;
возможность равновероятного выявления дефектов с различной ориентацией относительно токопровода:
возможность определения ориентации дефектов путем анализа закона изменения выходного сигнала стационарно установленного преобразователя;
наличие эффективной защиты измерительного преобразователя от абразивного действия поверхности контролируемого объекта и других внешних воздействий. ЫЫЫ2 ЫЫЫ4

Использование: дефектоскопия электропроводящих объектов. Сущность изобретения: преобразователь снабжен разомкнутым магнитопроводом 5 с торцами, размещенными в плоскости, параллельной плоскости витков измерительного элемента 1, токопровод 4 образован плоской шиной, прилегающей к торцам разомкнутого магнитопровода 5, его внутренней и внешней поверхностям, часть токопровода 4, прилегающая к внешней поверхности разомкнутого магнитопровода 5, имеет петлю, охватывающую поперечное сечение замкнутого магнитопровода 6, а измерительный элемент 1 расположен симметрично относительно торцов разомкнутого магнитопровода 5. Для защиты измерительного элемента 1 он снабжен неферромагнитной металлической защитной пластиной 11, закрывающей рабочий торец измерительного элемента 1 и размещенной между внешними кромками торца разомкнутого магнитопровода 5. Для выравнивания чувствительности к трещинам различной ориентации электромагнитный преобразователь снабжен второй токовой обмоткой 10, намотанной на разомкнутый магнитопровод 5 и симметрично размещенной oтносительно его торцов. 5 з. п. ф-лы, 6 ил.

1. Электромагнитный преобразователь для дефектоскопии, содержащий по крайней мере один измерительный элемент, состоящий из дифференциально включенных катушек индуктивности, и возбуждающую систему, состоящую из электрически замкнутого токопровода и замкнутого магнитопровода с токовой обмоткой, индуктивно сцепленной с токопроводом, отличающийся тем, что он снабжен разомкнутым магнитопроводом, торцы которого размещены в плоскости, параллельной плоскости витков измерительного элемента, а токопровод выполнен в виде плоской шины, прилегающей к торцам разомкнутого магнитопровода, его внутренней и внешней поверхностям, часть токопровода, прилегающая к внешней поверхности разомкнутого магнитопровода выполнена петлей, охватывающей поперечное сечение замкнутого магнитопровода, а измерительный элемент расположен симметрично относительно торцов разомкнутого магнитопровода. 2. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что он снабжен неферромагнитной металлической защитной пластиной, закрывающей рабочий торец измерительного элемента и размещенной между внешними поверхностями торцов разомкнутого магнитопровода. 3. Преобразователь по п. 2, отличающийся тем, что защитная пластина электрически соединена с противолежащими участками токопровода. 4. Преобразователь по п.3, отличающийся тем, что защитная пластина является частью электрически замкнутого контура, индуктивно связанного с замкнутым магнитопроводом. 5. Преобразователь по пп.3 и 4, отличающийся тем, что толщина и материал защитной пластины выбраны исходя из соотношения Rп/Rт> 10, где Rт - электрическое сопротивление части токопровода, соединенной параллельно с пластиной; Rп электрическое сопротивление защитной пластины. 6. Преобразователь по пп. 1-5, отличающийся тем, что он снабжен второй токовой обмоткой, намотанной на разомкнутый магнитопровод и симметрично размещенной относительно его торцов.