ВИХРЕТОКОВОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ Российский патент 1998 года по МПК G01N27/90 G01B7/06 

Устройство относится к средствам для неразрушающего контроля геометрических и физических параметров электропроводящих изделий, преимущественно для контроля толщины стенки и плакирующего слоя труб и плакирующего слоя стержней.

Известно вихретоковое устройство для контроля качества изделий, действие которого основано на амплитудном способе выделения информации о контролируемом параметре [1] . Схема прибора включает в себя генератор тока, блок проходных вихретоковых преобразователей, усилитель и амплитудный детектор.

Недостатками этого устройства является существенная зависимость результатов контроля от изменения диаметра изделия, значительные погрешности, обусловленные разностенностью трубы.

Из известных вихретоковых устройств наиболее близким по технической сущности является устройство (прототип) для контроля качества изделий, в том числе толщины стенки трубы, приведенное в [2]. Устройство содержит генератор тока, подсоединенный к генератору блоки измерительного и компенсационного преобразователей, содержащие идентичные проходные вихретоковые преобразователи, выходы которых дифференциально подключены к входам блока амплитудно-фазовой обработки сигнала, включающего в себя последовательно соединенные компенсатор, дифференциальный усилитель, фазочувствительный выпрямитель, опорный вход которого через фазовращатель подключен к выходу генератора, усилитель постоянного тока и блок информации. Данное устройство позволяет контролировать усредненное по поперечному сечению значение толщины стенки и плакирующего слоя трубы.

Недостатком известного устройства является то, что по результатам контроля трубы этим устройством нельзя судить о максимальном и минимальном значении толщины стенки и о разностенности трубы, определяемой эксцентриситетом (Е) между наружной и внутренней поверхностями трубы, а также в случае наличия в трубе дефектов в виде вмятин, растравов и т.п.

Техническим результатом, на достижение которого направлено данное устройство, является повышение достоверности и информативности контроля и улучшение за счет этого эксплуатационных характеристик изделия.

Указанный результат достигается тем, что в известном вихретоковом устройстве (прототип), содержащем генератор тока, блок измерительных и блок компенсационных вихретоковых преобразователей, блок амплитудно-фазовой обработки сигнала преобразователей, первый вход которого соединен с выходом генератора, первый блок информации, первый вход которого подключен к выходу первого блока обработки сигнала, блок измерительных и блок компенсационных вихретоковых преобразователей выполнены в виде 2n (здесь n - целое число) пар измерительных и 2n пар компенсационных идентичных накладных вихретоковых преобразователей, каждый из которых содержит две обмотки, выполненные в виде катушек индуктивности, идентично расположенных в соответствующих блоках преобразователей, при этом обмотки каждой пары преобразователей соосны и расположены у диаметрально противоположных точек поверхности исследуемого изделия, угол между осями ближайших пар преобразователей равен 90^o/n, и оси всех пар преобразователей в каждом блоке расположены в одной или двух перпендикулярных к продольной оси исследуемого изделия плоскостях, выход каждой первой обмотки каждого преобразователя подсоединен через резистор к выходу генератора, а вторые обмотки преобразователей каждого блока соединены между собой последовательно согласно, устройство снабжено первым блоком повторителей, два входа которого соединены с выходами вторых обмоток измерительных преобразователей и выходами вторых обмоток компенсационных преобразователей, а выходы - соответственно с вторым и третьим входами первого блока амплитудно-фазовой обработки сигнала, последовательно соединенными вторым блоком повторителей, входы которого подключены к выходам первых обмоток первой пары измерительных преобразователей, вторым блоком амплитудно-фазовой обработки сигнала преобразователей, первый (опорный) вход которого соединен с выходом генератора, и первым формирователем абсолютного значения сигнала, последовательно соединенными третьим блоком повторителей, к входам которого подключены выходы первых обмоток второй пары измерительных преобразователей, ось которых перпендикулярна оси первой пары измерительных преобразователей, третьим блоком обработки сигнала преобразователей, первый вход которого подключен к выходу генератора, и вторым формирователем абсолютного значения сигнала, первым сумматором, входы которого подключены к выходам формирователей абсолютного значения сигнала, а выход - к третьему входу первого блока информации, вторым сумматором, к входам которого подсоединены выход первого блока обработки сигнала преобразователей и выход первого сумматора, а к выходу - четвертый вход первого блока информации, вычитателем, выход которого подключен к второму входу первого блока информации, первым и вторым усилителями с регулируемым коэффициентом передачи, измерительные входы которых соединены соответственно с выходом первого блока обработки сигнала и выходом первого сумматора, а выходы - с первым и вторым входами вычитателя, первым и вторым блоками модуляционной обработки сигналов, входы которых подключены соответственно к выходам первого блока обработки сигнала преобразователей и первого сумматора, а выходы - к входам управляющего сиганла первого и второго усилителей с регулируемым коэффициентом передачи, вторым блоком информации, входы которого подключены к выходам первого и второго блоков модуляционной обработки сигналов.

Кроме того, технический результат достигается за счет того, что выход каждой первой обмотки каждого преобразователя, кроме выходов обмоток, подключенных к входам второго и третьего блока повторителей, подключен через резистор к общей шине. Блок компенсационных вихретоковых преобразователей может дополнительно содержать компенсационный образец. Кроме того, каждая пара преобразователей при расположении их внутри исследуемого изделия может быть снабжена разделяющими преобразователи экранами, выполненными, например, из магнитного неэлектропроводящего материала.

На фиг.1 показан пример реализации устройства в виде блок-схемы. На фиг. 2 схематично показано расположение вихретоковых преобразователей относительно контролируемого изделия - трубы (а), трубы с плакирующим слоем на внутренней поверхности трубы (б), прутка с плакирующим слоем при наличии в блоке преобразователей дополнительных двухобмоточных преобразователей (в). На фиг. 3 приведены выходные напряжения каналов амплитудно-фазовой обработки сигнала пар преобразователей и первого сумматора. На фиг.4 приведено напряжение на выходе вычитателя при наличии локального утонения стенки трубы при разрыве связи между выходами первого и второго блоков амплитудной обработки сигнала и управляющими входами усилителей с регулируемым коэффициентом передачи сигнала (а) и при наличии этой связи (б).

Вихретоковое устройство неразрушающего контроля, приведенное ан фиг.1 в качестве примера реализации заявляемого устройства, содержит генератор 1, блок 2 измерительных и блок 3 компенсационных преобразователей, каждый из которых состоит из двух пар двухобмоточных накладных вихретоковых преобразователей, расположенных вблизи поверхности образцов (изделия) у диаметрально противоположных точек (фиг.2), обмотки в каждой паре соосны, а оси пар взаимноперпендикулярны и расположены в одной (или двух) плоскости(ях), перпендикулярной(ных) к продольной оси образца (изделия). Все первичные обмотки 4,5 и 6,7 измерительных преобразователей и 8,9 и 10,11 компенсационных преобразователей подсоединены через резисторы к общей шине. Вторичные обмотки 12 измерительных преобразователей соединены последовательно согласно. Также соединены и вторичные обмотки 13 компенсационных преобразователей.

Устройство содержит также последовательно соединенные первый блок 14 повторителей, входы которого соединены с выходом обмоток 12 и 13, первый блок 15 амплитудно-фазовой обработки сигнала и первый блок 16 информации, два идентичных канала, каждый из которых состоит из последовательно соединенных блока 17 (18) повторителей, входы которого соединены с выходом пары обмоток 4 и 5 (6 и 7), блока 19 (20) амплитудно-фазовой обработки сигнала и формирователя 21 (22) абсолютных значений сигнала, при этом третий вход блоков 15, 19 и 20 подсоединен к выходу генератора, а каждый блок амплитудно-фазовой обработки состоит, например, из последовательно соединенных блока компенсаторов, дифференциального усилителя, фазочувствительного выпрямителя, опорный вход которого через фазовращатель соединен с выходом генератора, и усилителя постоянного тока. Устройство также содержит первый сумматор 23, входы которого подсоединены к выходам формирователей 21 и 22, а выход - к третьему входу блока информации 16, второй сумматор 24, первый и второй входы которого подсоединены соответственно к выходу блока 15 и выходу сумматора 23, а выход - к четвертому входу блока 16, последовательно соединенные усилитель 25 с регулируемым коэффициентом передачи и вычитатель 26, выход которого соединен с вторым входом блока 16, усилитель 27 с управляемым коэффициентом передачи сигнала, вход которого подсоединен к выходу первого сумматора 23, а выход - к второму входу вычитателя 26. Кроме того, устройство содержит два блока модуляционной обработки сигнала 28 и 29, входы которых соединены соответственно с выходами блока 15 и сумматора 23, а выходы - с управляющими входами усилителей 25 и 27, и второй блок информации 30, входы которого подсоединены соответственно к выходам блоков 28 и 29.

В случае контроля толщины стенки трубы устройство работает следующим образом.

После проведения балансировки измерительных каналов при введении в блоки 2 и 3 измерительных и компенсационных преобразователей соответствующих образцов в блоке 3 располагается образец 31 номинального значения толщины стенки трубы, а в блоке 2 - контролируемое изделие 32. В процессе контроля изделие 32 поступательно перемещается относительно неподвижного блока 2 с постоянной скоростью. Напряжение с генератора 1 поступает на обмотки 5-12 измерительных и компенсационных преобразователей блоков 2 и 3. Сигнал с обмоток 12 и 13 через блок повторителей 14, позволяющий исключить влияние каналов обработки сигналов и соединительных кабелей на токи, протекающие в обмотках преобразователей, поступает на вход блока 15 обработки сигнала, служащего для усиления и преобразования сигнала с одновременным подавлением влияния изменения зазора между преобразователями и трубой. Напряжение с выхода блока 15, пропорциональное среднему значению толщины стенки трубы, подается на первый вход блока 16 информации, на первый вход сумматора 24 и через усилитель 25 с регулируемым коэффициентом передачи - на первый вход вычитателя 26.

Сигналы с обмоток 4,5 и 6,7, пройдя соответственно через блоки 17 и 18 повторителей, преобразуются соответственно блоками 19,20 и формирователями 21,22 в однополярные сигналы, пропорциональные величине разностенности трубы в двух взаимно перпендикулярных направлениях одного сечения трубы, которые поступают на входы сумматора 23. При этом фаза опорного напряжения блоков 19 и 20 выбирается такой, чтобы изменение зазора не влияло на выходной сигнал блоков 19 и 20.

Значимость величины сигнала на выходе формирователей 21, 22 и сумматора 23 от положения линии, соединяющей центры наружной и внутренней поверхности трубы при ее вращении в любом направлении (в процессе контроля указанная линия может занимать различное положение относительно обмоток измерительных преобразователей), показаны на фиг.3 (линии 33 - 35). Независимо от положения трубы сигналы на выходе формирователей 21 и 22 имеют одну полярность, и значение максимальной разностенности трубы определяется как сумма сигналов U₁ и U₂ на выходе формирователей 21 и 22 , т.е.

,
где
k₁ - коэффициент пропорциональности;
2 ε - величина максимальной разностенности.

Сигнал U_Σ постоянен для одного сечения трубы при любом положении трубы относительно преобразователей. Напряжение с выхода сумматора 23 поступает на входы вычитаемого и прибавляемого сигналов соответственно вычитателя 26 и сумматора 24. Сигналы с выходов вычитателя 26, сумматоров 24 и 23, величина которых пропорциональна соответственно минимальной и максимальной толщине стенки и максимальной разностенности трубы в поперечном сечении, подаются на соответствующие входы блока 16 информации, который включает в себя, например, стрелочные индикаторы, сигнализаторы предельных значений толщины, самопишущие прибора и т.п.

При наличии локального утонения стенки трубы (например, вмятина, растрав, сдир и т. п.) в сигнале на выходе блока 15 и сумматора 23 содержится переменная составляющая, которая после ее преобразования блоками 28 и 29 модуляционной обработки сигнала поступает на управляющий вход соответствующего усилителя 25 и 27, что приводит к уменьшению сигнала на выходе усилителя 25 и увеличению сигнала на выходе усилителя 27 пропорционально величине сигналов на выходе блоков 28,29 и, следовательно, уменьшению сигнала на выходе вычитателя 26 пропорционально утонению стенки трубы в соответствии с выражением
U_в=U₁₅•k₂₅-0,5U₂₃•k₂₇
где
U_в - сигнал на выходе вычитателя 26;
U₁₅ - сигнал на выходе блока 15;
U₂₃ - сигнал на выходе сумматора 23;


При отсутствии в контролируемой трубе локального уточнения (или когда труба не перемещается относительно преобразователей) коэффициенты K₂₅ и K₂₇ равны единице.

Подключение выходов блоков 28 и 29 к второму блоку 30 информации позволяет проанализировать характер и размеры утонения стенки, например, с помощью персональной ЭВМ, и тем самым повысить информативность контроля изделий.

Зависимость величины сигнала на выходе вычитателя 26 от наличия локального утонения стенки трубы при отсутствии и наличии управляющих сигналов на соответствующем входе усилителей 25 и 27 показана на фиг.4 (линии 36 и 37).

При значительных размерах диаметра контролируемого изделия для повышения достоверности определения средней толщины стенки трубы (толщина плакирующего слоя) и выявления локальных утонений в блоки преобразователей вводятся дополнительные 2 пары преобразователей, и при этом угол между осями основных пар преобразователей (фиг.2,в, поз.38) составит 90^o/n градусов.

В случае контроля толщины плакирующего слоя на внутренней поверхности трубы преобразователи располагаются внутри трубы (см. фиг. 2, б) и для уменьшения взаимного воздействия электромагнитных полей преобразователей одной пары между их торцами установлен экран 39.

Экспериментальные исследования заявленного устройства при контроле толщины стенки трубы и толщины плакирующего слоя на внутренней стороне трубы показали, что по сравнению с устройством аналогичного назначения (прототип) заявляемое устройство обеспечивает большую достоверность результатов контроля за счет сокращения длины единовременно контролируемого участка изделия на 2-3 диаметра изделия, а также за счет выявления локальных утонений. Возможность выявления локальных утонений и проведения анализа их параметров повышает информативность контроля.

Устройство предназначено для контроля толщины стенки и плакирующего слоя труб и стерней. 2n пары измерительных и 2n пары компенсационных двухобмоточных накладных вихретоковых преобразователей, взаимодействующих с конролируемым изделием и компенсационным образцом, равномерно расположены по периметру изделия. Преобразователи каждой пары соосны. Вторые обмотки каждого вида преобразователей соединены между собой последовательно согласно. Выходы вторых обмоток и первых обмоток двух пар измерительных преобразователей, оси которых взаимно перпендикулярны, подключены к трем каналам обработки сигналов. Сигналы с выходов первого канала и первого сумматора, входы которого соединены с выходами второго и третьего каналов, пропорциональны среднему значению толщины и максимальной разнотолщинности в поперечном сечении контролируемого изделия. Взаимодействие этих сигналов с остальными элементами устройства позволяет получить информацию о разнотолщинности, средней, максимальной и минимальной толщинах в поперечном сечении изделия по всей его длине с учетом локальных уменьшений толщины. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Вихретоковое устройство для неразрушающего контроля, содержащее генератор переменного тока, блок измерительных и блок компенсационных вихретоковых преобразователей, первый блок амплитудно-фазовой обработки сигнала преобразователей, первый вход которого подключен к выходу генератора переменного тока, первый блок информации, первый вход которого подсоединен к выходу первого блока амплитудно-фазовой обработки сигнала преобразователей, отличающееся тем, что блок измерительных и блок компенсационных вихретоковых преобразователей выполнены в виде 2n, где n - целое число, пар измерительных и 2n пар компенсационных идентичных накладных вихретоковых преобразователей, каждый из которых содержит две обмотки, выполненные в виде катушек индуктивности, расположенных в соответствующем блоке вихретоковых преобразователей, при этом обмотки каждой пары преобразователей соосны и расположены у диаметрально противоположных точек поверхности исследуемого изделия, угол между осями ближайших пар преобразователей равен 90^o/n и оси всех пар преобразователей в каждом блоке расположены в одной или двух перпендикулярных продольной оси исследуемого изделия плоскостях, выход каждой первой обмотки каждого преобразователя подсоединен через резистор к выходу генератора переменного тока, а вторые обмотки преобразователей каждого блока соединены между собой последовательно согласно, устройство снабжено первым блоком повторителей, два входа которого соединены соответственно с выходами вторых обмоток измерительных и компенсационных преобразователей, а выходы - соответственно с вторым и третьим входами первого блока амплитудно-фазовой обработки сигнала преобразователей, последовательно соединенными вторым блоком повторителей, входы которого подключены к выходам первых обмоток первой пары измерительных преобразователей, вторым блоком амплитудно-фазовой обработки сигнала преобразователей и первым формирователем абсолютного значения сигнала, последовательно соединенными третьим блоком повторителей, к входам которого подключены выходы первых обмоток второй пары измерительных преобразователей, ось которой перпендикулярна оси первой пары измерительных преобразователей, третьим блоком амплитудно-фазовой обработки сигнала преобразователей и вторым формирователем абсолютного значения сигнала, причем первые входы второго и третьего блоков амплитудно-фазовой обработки сигнала преобразователей соединены с выходом генератора переменного тока, первым сумматором, входы которого подключены к выходам формирователей абсолютного значения сигнала, а выход - к третьему входу первого блока информации, вторым сумматором, к входам которого подсоединены выход первого блока амплитудно-фазовой обработки сигнала преобразователей и выход первого сумматора, а к выходу - четвертый вход первого блока информации, вычитателем, выход которого подключен к второму входу первого блока информации, первым и вторым усилителями с регулируемым коэффициентом передачи, измерительные входы которых соединены соответственно с выходом первого блока амплитудно-фазовой обработки сигнала преобразователей и выходом первого сумматора, а выходы - с первым и вторым входами вычитателя, первым и вторым блоками модуляционной обработки сигналов, входы которых подключены к выходам соответственно первого блока амплитудно-фазовой обработки сигнала преобразователей и первого сумматора, а выходы - к входам управляющего сигнала первого и второго усилителей с регулируемым коэффициентом передачи, а также вторым блоком информации, входы которого подключены к выходам первого и второго блоков модуляционной обработки сигналов. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что выход каждой первой обмотки каждого преобразователя, кроме выходов обмоток, подключенных к входам второго и третьего блока повторителей, подключен через резистор к общей шине. 3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что блок компенсационных вихретоковых преобразователей дополнительно содержит компенсационный образец. 4. Устройство по любому из пп.1 - 3, отличающееся тем, что каждая пара преобразователей при расположении их внутри исследуемого изделия снабжена разделяющими преобразователи экранами. 5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что экраны, разделяющие преобразователи каждой пары, выполнены из магнитного неэлектропроводящего материала.