ВИХРЕТОКОВЫЙ ДЕФЕКТОСКОП ДЛЯ КОНТРОЛЯ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ Российский патент 1997 года по МПК G01N27/90 

Изобретение относится к средствам неразрушающего контроля продольно-протяженных изделий типа проволоки, прутков или труб.

Известен вихретоковый дефектоскоп для контроля цилиндрических изделий [1] содержащий проходной вихретоковый преобразователь (ВТП) с вращающимся магнитным полем, подключенный к генераторному блоку и блоку обработки, в котором производится компенсация начальных напряжений ВТП, суммирование сигналов измерительных обмоток, синхронно-фазовая фильтрация суммарного сигнала и сравнение его с пороговым значением.

Недостатком этого дефектоскопа является высокая чувствительность к радиальным смещениям контролируемого изделия ввиду того, что фаза суммарного сигнала, обусловленного как дефектом, так и радиальными смещениями, может изменяться при такой схеме построения от нуля до 90^o в зависимости от угла θ расположения дефекта и направления смещения (здесь и далее используется цилиндрическая система координат с осью, совпадающей с продольной осью ВТП), в результате чего невозможна амплитудно-фазовая отстройка от влияния указанного выше мешающего фактора.

Наиболее близки к изобретению по технической сущности является вихретоковый дефектоскоп для контроля цилиндрических изделий [2] содержащий проходной ВТП с размещенными на круговом цилиндрическом каркасе двумя ортогональными двухсекционными возбуждающими обмотками с размером секций в половину окружности и взаимно противоположным направлением намотки, двумя двухсекционными с одинаковым направлением намотки измерительными обмотками, двумя двухсекционными с одинаковым направлением намотки компенсирующими обмотками, генераторный блок, первый и второй выходы которого подключены соответственно к первой и второй обмоткам возбуждения, первый и второй амплитудно-фазовые детекторы, подключенные входами управления соответственно к первому и второму выходам генераторного блока, сигнальными входами через первый и второй компенсаторы начальных ЭДС к последовательно соединенным соответственно первым и вторым измерительным и компенсирующим обмоткам, а выходами через разделительные конденсаторы ко входам первого блока векторного суммирования, третий и четвертый амплитудно-фазовые детекторы, подключенные входами управления соответственно к первому и второму выходам генератора, сигнальными входами через последовательно соединенные фазовращатель, компенсатор начальных ЭДС и масштабный преобразователь соответственно к первой и второй измерительным обмоткам, а выходами через разделительные конденсаторы ко входам второго блока векторного суммирования, выходы блоков векторного суммирования соединены через амплитудные селекторы со схемой логической обработки сигналов и блоком автоматики, первые и вторые измерительные и компенсирующие обмотки соосны соответственно первым и вторым обмоткам возбуждения.

Устройство имеет, таким образом, два измерительных канала, в которых обрабатываются сигналы каждой в отдельности измерительной обмотки и третий измерительный канал, в котором обрабатывается суммарный сигнал измерительных обмоток. В первых двух каналах осуществляется амплитудно-фазовая отстройка от влияния радиальных смещений контролируемого изделия, а сигнал третьего канала, не чувствительного к изменению диаметра изделия, используется в схеме логической обработки для исключения ложного срабатывания устройства при изменении диаметра или электромагнитных свойств материала изделия в продольном направлении, а также сигнализации об этих изменениях.

Недостатком известного устройства является следующее. Вращающееся поле ВТП создается двумя токами обмоток возбуждения одной частоты, сдвинутыми по фазе на 90 градусов. При радиальном смещении или перекосе контролируемого изделия относительно продольной оси вихретокового преобразователя в общем случае, когда направление смещения не совпадает с осями симметрии преобразователя, лежащими в ортогональной его продольной оси плоскости, вносимые напряжения измерительных обмоток обусловлены и той и другой квадратурными составляющими возбуждающего магнитного поля. Поэтому, в отличие от классического ВТП со стационарным по направлению магнитным полем, годографы сигналов используемого в устройстве-прототипе ВТП с вращающимся магнитным полем от смещения изделия представляют собой не близкие к прямым линии (линии смещения), а кривые в виде эллипсов с соотношением осей примерно 5 1. По этой причине невозможна качественная отстройка от влияния радиальных смещений и перекосов контролируемого изделия относительно продольной оси ВТП, что делает практически невозможным использование устройства-прототипа для контроля на больших скоростях некалиброванных прутков и труб, когда радиальные смещения достигают 10-15% от диаметра.

Технической задачей изобретения является повышение достоверности контроля за счет улучшения отстройки от влияния радиальных смещений и перекосов контролируемого изделия.

Технический результат достигается тем, что вихретоковый дефектоскоп для контроля цилиндрических изделий, содержащий проходной вихретоковый преобразователь с размещенными на круговом цилиндрическом каркасе двумя ортогональными двухсекционными возбуждающими обмотками с размером секций в половину окружности и взаимно противоположным направлением намотки, первой и второй двухсекционными с одинаковым направлением намотки измерительными обмотками, генераторный блок, первый и второй выходы которого подключены соответственно к первой и второй обмоткам возбуждения, первый и второй амплитудно-фазовые детекторы, входы управления которых соединены с первым выходом генераторного блока, третий и четвертый амплитудно-фазовые детекторы, входы управления которых соединены со вторым выходом генераторного блока, последовательно соединенные блок векторного суммирования, амплитудный селектор и блок автоматики, имеет генераторный блок, включающий в себя два генератора гармонических сигналов близких частот, выходы которых являются соответственно первым и вторыми выходами генераторного блока, и схему синхронизации, один из выходов которой соединен со входами генераторов, а другой является третьим выходом генераторного блока, дополнительно содержит четыре дискретизатора, входы управления которых соединены с третьим выходом генераторного блока, и два сумматора, подключенных выходами ко входам блока векторного суммирования, вихретоковый преобразователь содержит третью и четвертую четырехсекционные измерительные обмотки со взаимно противоположным направлением намотки соседних секций, секции первой и третьей измерительных обмоток расположены симметрично у границ секций первой возбуждающей обмотки, секции второй и четвертой измерительных обмоток расположены симметрично у границ секции второй возбуждающей обмотки, первая, вторая, третья и четвертая измерительные обмотки соединены с сигнальными входами соответственно первого, второго, третьего и четвертого амплитудно-фазовых детекторов, подключенных выходами к сигнальным входам соответственно первого, второго, третьего и четвертого дискретизаторов, выходы первого и четвертого дискретизаторов соединены со входами первого сумматора, а выходы второго и третьего дискретизаторов соединены со входами второго сумматора.

На фиг. 1 представлена блок-схема дефектоскопа для контроля цилиндрических изделий. На фиг. 2 показана конструкция ВТП. На фиг. 3 представлена зависимость вносимых дефектом напряжений отдельных каналов дефектоскопа от азимута дефекта. На фиг. 4 показана амплитудно-частотная характеристика измерительного канала. На фиг. 5 представлены годографы сигналов ВТП.

Вихретоковый дефектоскоп для контроля цилиндрических изделий содержит генераторный блок 1, включающий в себя генераторы 2 и 3 гармонических сигналов близких частот и схему синхронизации 4, соединенную первым выходом со входами генераторов, проходной ВТП с размещенными на круговом цилиндрическом каркасе двумя ортогональными двухсекционными возбуждающими обмотками 5 и 6 с размером секций в половину окружности и взаимно противоположным направлением намотки, двумя четырехсекционными измерительными обмотками 7 и 8 со взаимно противоположным направлением намотки соседних секций, двумя двухсекционными с одинаковым направлением намотки измерительными обмотками 9 и 10, четыре амплитудно-фазовых детектора 11, 12, 13, 14, соединенных сигнальными входами соответственно с измерительными обмотками 7, 9, 8, 10, а выходами с сигнальными входами соответственно дискретизаторов 15, 16, 17, 18, входы управления которых соединены со вторым выходом схемы синхронизации, два сумматора 19 и 20, соединенные каждый входами с выходами соответственно двух дискретизаторов 15, 18 и 16, 17, а выходами со входами блока векторного суммирования 21, подключенного выходом к последовательно соединенным амплитудному селектору 22 и блоку автоматики 23, выход генератора 2 соединен с обмоткой возбуждения 5 и входами управления амплитудно-фазовых детекторов 11 и 12, выход генератора 3 соединен с обмоткой возбуждения 6 и входами управления амплитудно-фазовых детекторов 13 и 14, секции измерительных обмоток 7 и 9 расположены симметрично у границ секций возбуждающей обмотки 5, а секции измерительных обмоток 8 и 10 расположены симметрично у границ секций возбуждающей обмотки 6.

На фиг. 2 показана конструкция ВТП дефектоскопа. Для наглядности обмотки условно разнесены вдоль продольной оси Z, реально же все обмотки в продольном направлении совмещены. Размер секций измерительных обмоток по азимуту не является столь принципиальным, как в случае обмотки возбуждения, и лежит в пределах 30-40^o для четырехсекционных и 55-70^o для двухсекционных обмоток, что обеспечивает приемлемую однородность чувствительности при любом азимуте дефекта и высокую линейность годографа ВТП от радиальных смещений контролируемого изделия.

Дефектоскоп работает следующим образом.

Генераторами 2 и 3 генераторного блока 1 вырабатываются гармонические напряжения с частотами f₁ и f₂. Оба генератора синхронизируются схемой 4, благодаря чему поддерживается стабильной разность частот Df = f₁- f₂. При этом возможны различные варианты построений генераторного блока. Например, такой, когда схема синхронизации содержит генератор прямоугольных импульсов опорной частоты f₀, а генераторы 2 и 3 имеют в своем составе делители частоты соответственно в (n-1) и n раз и избирательные цепи для выделения первых гармоник прямоугольных сигналов. Частоты выходных напряжений генераторов при этом равны соответственно f₁=f₀/(n-1), f₂=f₀/n. Разность частот Δf = f_o/n(n-1). Сигнал разностной частоты Δf может быть получен последовательным делением частоты f₀ на n и (n-1). Этот сигнал является третьим выходным сигналом генераторного блока и используется для обработки сигналов ВТП. Выходными сигналами генераторов 2 и 3 запитываются обмотки возбуждения ВТП 5 и 6. Токи этих обмоток создают в зоне контроля ВТП магнитное поле с двумя гармоническими ортогональными пространственными составляющими близких частот f₁ и f₂. Результирующее магнитное поле является нестационарным по направлению, поскольку вектор его напряженности в плоскости, ортогональной продольной оси, описывает своим концом за период T = 1/Δf сложную замкнутую кривую. Наводимые в измерительных обмотках ЭДС являются результатами воздействия как возбуждающих полей, так и полей, наводимых в контролируемом изделии вихревых токов. Благодаря соответствующим направлениям намотки секций возбуждающих и измерительных обмоток (фиг. 2) при отсутствии изделия в зоне контроля ВТП и при совпадении оси помещенного в зону контроля изделия 24 с продольной осью ВТП, начальные и вносимые напряжения измерительных обмоток отсутствуют, что обусловлено взаимовычитанием сигналов, наводимых в отдельных секциях обмоток. Это свойство ВТП, используемого в предлагаемом дефектоскопе, делает последний малочувствительным к таким мешающим факторам, как изменение диаметра и электромагнитных свойств в допустимых для годного изделия пределах. Напряжения на измерительных обмотках появляются при нарушении симметрии наводимых в изделии вихревых токов в случае наличия дефекта или радиального смещения контролируемого изделия относительно продольной оси ВТП. Для разделения этих воздействий используется амплитудно-фазовая обработка сигналов. Для этого в дефектоскопе имеется четыре одинаковых измерительных канала, состоящих каждый из последовательно соединенных амплитудно-фазового детектора 11, 12, 13, 14 и интегрирующего дискретизатора 15, 16, 17, 18. Амплитудно-фазовым детектором осуществляется синхронное с соответствующей частотой управления f₁ и f₂ детектирование напряжения измерительной обмотки ВТП, а дискретизатором, включенным вместо обычно используемого в вихретоковых приборах фильтра низких частот, осуществляется усреднение выходного сигнала амплитудно-фазового детектора за время T = 1/Δf задаваемое выходным сигналом схемы синхронизации 4. Схемотехнически интегрирующий дискретизатор состоит из последовательно соединенных схем аналогового интегратора и аналогового запоминающего устройства, охваченных общей отрицательной обратной связью, и представляет собой импульсный фильтр нижних частот с конечной импульсной характеристикой. Коэффициент передачи такого измерительного такта имеет зависимость от частоты f входного сигнала вида:

где i равно 1 или 2 в зависимости от того, какой из двух выходных сигналов генераторного блока используется в качестве опорного для амплитудно-фазового детектора.

Анализ приведенной на фиг. 4 амплитудно-частотной характеристики измерительного тракта с опорной частотой f₁ показывает, что зависимость К(f) (кривая 25) имеет нули на частотах, отличающихся от f₁ на значение кратное Δf. При этом сигнал от дефекта с несущей частотой f₁, частотное распределение спектра которого показано кривой 26, пропускается измерительным трактом практически без искажения, а присутствующий на входе этого же тракта модулированный сигнал частоты f₂, частотное распределение спектра которого показано кривой 27, ослабляется более чем на порядок. Важно и то, что медленно меняющиеся сигналы частоты f₂ (дрейф напряжения разбаланса, сигналы от смещения) полностью подавляются измерительным трактом даже при весьма близких значениях f₁ и f₂. В результате такой обработки сигналов на выходах дискретизаторов 15 и 16 выделяются сигналы, пропорциональные амплитудам вносимых напряжений соответственно измерительных обмоток 7 и 9 частоты f₁, а на выходах дискретизаторов 17 и 18 соответственно измерительных обмоток 8 и 10 частоты f₂. Качественное разделение сигналов, обусловленных каждой в отдельности составляющей магнитной поля, что невозможно при использовании устройства-прототипа, позволяет эффективно применить в каждом канале амплитудно-фазовую отстройку от влияния радиальных смещений и перекосов. Линии смещения 28 на комплексной плоскости ВТП предлагаемого устройства (фиг. 5) для каждой частотной составляющей не отличаются от линий смещения, характерных для классического ВТП со стационарным по направлению магнитным полем и соответственно близки некоторым прямым, имеющим при оптимально выбранном обобщенном параметре контроля угол с линиями дефекта 29 (фиг. 5) порядка 60-80^o. Отстройка от влияния смещений и перекосов в каждом канале производится регулировкой фазовых сдвигов опорных напряжений амплитудно-фазовых детекторов, направление отстройки от смещения показано на фиг. 5д пунктирной прямой 30. В результате этого сигналы, обусловленные смещениями и перекосами, ослабляются измерительными каналами в несколько десятков раз, что почти на порядок превышает соответствующий показатель измерительных каналов устройства-прототипа. Направление линий смещения 28 на комплексной плоскости ВТП последнего зависит от азимута направления смещения контролируемого изделия, поэтому эффективная отстройка в данном случае невозможна.

Сигналы на выходах измерительных каналов дефектоскопа определяются главным образом наличием или отсутствием в контролируемой зоне дефектного участка контролируемого изделия. Амплитуды сигналов от дефекта в каждом канале зависят не только от геометрии дефекта (глубины, раскрытия, ориентации), но и от азимута местоположения на поверхности изделия.

На фиг. 3а и 3б показана зависимость амплитуд сигналов от дефекта, имеющего азимут θ (отсчитывается от оси ОУ фиг. 1, фиг. 2), от значения угла q. Индексы напряжений соответствуют номерам блоков фиг. 1. Для независимости амплитуды суммарного сигнала от азимута дефекта производится попарное алгебраическое суммирование сигналов U₁₅, U₁₈ и U₁₆, U₁₇ сумматорами 19, 20, а затем векторное суммирование напряжений (U₁₅ + U₁₈) и (U₁₆ + U₁₇) блоком 21. Выходное напряжение этого блока практически не зависит от азимута дефекта (фиг. 3в). Другой положительной особенностью такого алгоритма обработки сигналов ВТП является то, что в этом случае значительно ослабляется сигнал помехи, обусловленный возможным нарушением оптимального условия отстройки от смещения ввиду изменения электрофизических свойств контролируемого изделия, что приводит к нарушению перпендикулярности направления отстройки и линии смещения (фиг. 5). Физически такое ослабление влияния смещения объясняется тем, что при смещении изделия по оси OY сигнал возникает в измерительных обмотках 7 и 10, а при смещении по оси ОХ в измерительных обмотках 8 и 9, причем в обоих случаях в противофазе. Вследствие этого после суммирования продетектированных сигналов, сигналы от смещения в разных каналах взаимно компенсируются. Уровень выходного сигнала блока векторного суммирования 21 контролируется амплитудным селектором 22, логический сигнал "1" на выходе которого появляется при превышении установленного порога, соответствующего минимальному обнаруживаемому дефекту. При появлении "1" на выходе амплитудного селектора 22, подключенным к нему блоком автоматики 3 выдается сигнал управления на исполнительные устройства (не показаны).

Использование предлагаемого дефектоскопа для контроля стальных прутков и труб на наличие дефектов типа трещин и волосовин обеспечивает надежное обнаружение вдвое меньших по глубине в сравнении с прототипом дефектов на фоне радиальных смещений изделия от продольной оси ВТП до 10% от их диаметра.

Использование: средство неразрушающего контроля. Сущность изобретения: дефектоскоп содержит генераторный блок 1, выполненный из двух генераторов 2 и 3 и схемы синхронизации 4, проходной вихретоковый преобразователь с размещенными на круговом цилиндрическом каркасе двумя ортогональными двухсекционными возбуждающими отмотками 5 и 6, первой и второй двухсекционными измерительными обмотками 9 и 10 и третьей и четвертой четырехсекционными измерительными обмотками 7 и 8, а также четыре амплитудно-фазовых детектора 11, 12, 13 и 14, четыре дискретизатора 15, 16, 17 и 18, два сумматора 19 и 20 и последовательно соединенные блок векторного суммирования 21, амплитудный селектор 22 и блок автоматики 23. 5 ил.

Вихретоковый дефектоскоп для контроля цилиндрических изделий, содержащий проходной вихретоковый преобразователь с размещенными на круговом цилиндрическом каркасе двумя ортогональными двухсекционными возбуждающими обмотками с размером секций в половину окружности и взаимно противоположным направлением намотки, первой и второй двухсекционными с одинаковым направлением намотки измерительными обмотками, генераторный блок, первый и второй выходы которого подключены соответственно к первой и второй обмоткам возбуждения, первый и второй амплитудно-фазовые детекторы, входы управления которых соединены с первым выходом генераторного блока, третий и четвертый амплитудно-фаэовые детекторы, входы управления которых соединены с вторым выходом генераторного блока, последовательно соединенные блок векторного суммирования, амплитудный селектор и блок автоматики, отличающийся тем, что генераторный блок состоит из двух генераторов гармонических сигналов близких частот, выходы которых являются соответственно первым и вторым выходами генераторного блока, и схемы синхронизации, один из выходов которой соединен с входами генераторов, а другой является третьим выходом генераторного блока, дефектоскоп дополнительно содержит четыре дискретизатора, входы управления которых соединены с третьим выходом генераторного блока, и два сумматора, подключенных выходами к входам блока векторного суммирования, вихретоковый преобразователь содержит третью и четвертую четырехсекционные измерительные обмотки с взаимно противоположным направлением намотки соседних секций, секции первой и третьей измерительных обмоток расположены симметрично у границ секций первой возбуждающей обмотки, секции второй и четвертой измерительных обмоток расположены симметрично у границ секций второй возбуждающей обмотки, первая, вторая, третья и четвертая измерительные обмотки соединены с сигнальными входами соответственно первого, второго, третьего и четвертого амплитудно-фазовых детекторов, подключенных выходами к сигнальным входам соответственно первого, второго, третьего и четвертого дискретизаторов, выходы первого и четвертого дискретизаторов соединены с входами первого сумматора, а выходы второго и третьего дискретизаторов соединены с входами второго сумматора.