СПОСОБ КОНТРОЛЯ ОБЪЕКТА ИЗ ЭЛЕКТРИЧЕСКИ ПРОВОДЯЩЕГО МАТЕРИАЛА Российский патент 2006 года по МПК G01N27/90 

Данное изобретение относится к способу контроля электрически проводящего объекта для обнаружения дефектов. В способе используют зонд, который содержит передающую катушку для наведения в объекте вихревых токов и приемную систему для получения сигнала, указывающего силу магнитного поля или изменения силы магнитного поля.

Примерами объектов, подходящих для контроля с помощью способа, согласно данному изобретению являются металлические плиты или стенки вместилищ, таких как трубы, котлы или контейнеры, имеющие радиус кривизны, больший толщины объекта. Электрически проводящим материалом может быть любой электрически проводящий материал, например углеродистая сталь или нержавеющая сталь.

Дефектом может быть местное уменьшение толщины объекта, которое вызвано, например, коррозией.

В описании европейского патента №321112 раскрыт способ определения толщины стенки контейнера с использованием зонда, содержащего передающую катушку для наведения вихревых токов в объекте и приемную систему для получения сигнала, указывающего на изменения силы магнитного поля. Известный способ содержит наведение переходных вихревых токов в объекте, прием сигнала, указывающего вихревые токи, и сравнение затухания принятого сигнала в период времени с затуханием для известной толщины стенки, за счет чего можно делать вывод о толщине части стенки вместилища.

Задачей данного изобретения является создание улучшенного способа контроля объекта для обнаружения дефектов. Другой задачей является создание способа контроля, который является более быстрым, чем существующие способы обследования, и который менее чувствителен к изменениям электромагнитных свойств объекта. Другой задачей является обеспечение возможности обнаружения более мелких дефектов, чем это возможно с помощью известного способа.

Для этого способ контроля электрически проводящего объекта для обнаружения наличия дефектов с использованием зонда, содержащего передающую катушку для наведения в объекте вихревых токов и приемную систему для получения сигнала, указывающего силу магнитного поля или изменения силы магнитного поля, при этом приемная система включает по меньшей мере один приемник, согласно данному изобретению, содержит стадии:

(a) выбора на поверхности объекта, наиболее близкой к зонду, множества контрольных точек;

(b) выбора из указанного множества первой контрольной точки;

(c) расположения зонда в выбранной контрольной точке, наведения переходных вихревых токов в объекте и определения характеристической величины Ф, которая связана с амплитудой сигнала приемника перед рассеянием вихревых токов к дальней поверхности объекта и которая тем самым является функцией подъема и радиуса вихревых токов;

(d) выбора из указанного множества следующей контрольной точки и повторения стадии (с), пока не будут пройдены все контрольные точки; и

(е) определения дефекта в контрольной точке, если характеристическая величина Ф значительно отличается от нормы.

Кроме того, данное изобретение предлагает способ контроля электрически проводящего объекта для обнаружения дефектов с использованием зонда, который содержит передающую катушку для наведения в объекте вихревых токов и приемную систему для получения сигнала, указывающего силу магнитного поля или изменения силы магнитного поля, при этом приемная система включает по меньшей мере два расположенных на расстоянии друг от друга приемника, при этом способ содержит стадии:

(a) выбора на поверхности объекта, наиболее близкой к зонду, множества контрольных точек;

(b) выбора из указанного множества первой контрольной точки;

(c) расположения зонда в выбранной точке, наведения переходных вихревых токов в объекте и определения характеристической величины Ф, которая связана с градиентом электромагнитного поля и которая тем самым является функцией подъема и радиуса вихревых токов;

(d) выбора из указанного множества следующей контрольной точки и повторения стадии (с), пока не будут пройдены все контрольные точки; и

(e) определения наличия дефекта в контрольной точке, если характеристическая величина Ф значительно отличается от нормы.

Ниже приводится подробное описание примера выполнения со ссылками на чертежи, на которых изображено:

фиг.1 изображает первый вариант выполнения;

фиг.2 - отображение характеристической величины в виде функции положения зонда;

фиг.3а - вихревые токи, генерируемые в объекте без дефектов;

фиг.3b - вихревые токи, генерируемые в объекте с небольшим дефектом;

фиг.3с - вихревые токи, генерируемые в объекте с большим дефектом;

фиг.4 - график зависимости подъема от положения вдоль объекта.

На фиг.1 объект из электрически проводящего материала обозначен позицией 2, а зонд - позицией 4. Зонд 4 содержит передающую катушку 6 для передачи электромагнитного поля и приемник 8.

Передающая катушка 6 соединена с устройством (не изображено) для возбуждения передающей катушки, а приемная система соединена с устройством (не изображено) для записи сигналов из приемной системы.

Расстояние между зондом 4 и ближней поверхностью 12 обозначено L, а пространство между зондом 4 и объектом 2 заполнено, например, изолирующим слоем (не изображен), покрывающим ближнюю поверхность 12. Расстояние L называется также подъемом.

Объект 2 имеет два дефекта: один на ближней поверхности 12, обозначенный позицией 15, и второй на дальней поверхности 18, обозначенный позицией 20.

Во время нормальной работы зонд 4 перемещают вдоль ближней поверхности 12 на расстоянии L от нее и в нескольких точках выполняют измерение.

Для выполнения измерения зонд 4 располагают в первой точке из множества точек. В объекте наводят вихревые токи посредством активирования передающей катушки 6 и определяют характеристическую величину Ф электромагнитного поля, создаваемого вихревыми токами. Затем зонд 4 размещают в следующей точке и наводят в объекте вихревые токи и определяют характеристическую величину Ф электромагнитного поля, создаваемого вихревыми токами. Эту процедуру повторяют, пока не будут пройдены все точки.

Затем определяют наличие дефекта в точке контроля, если характеристическая величина Ф значительно отличается от нормы.

На фиг.2 показан график зависимости характеристической величины от положения зонда 4 вдоль объекта 2. Характеристическая величина является постоянной при отсутствии дефекта, как демонстрируют отрезки 25, 26 и 27 линии. Дефекты 15 и 20 находятся на кривой в точках 30 и 31.

Для наведения переходных вихревых токов в объекте в передающую катушку 6 подается энергия, а затем резко отключается. Характеристическую величину определяют путем выполнения записи V(t) сигнала приемника и определения средней амплитуды

где t₀ является начальным моментом времени, Δ - интервалом выборки и n - числом выборок, включенных в суммирование.

Зонд 4 предпочтительно содержит второй приемник 40, который расположен на расстоянии от первого приемника 8. Расстояние между приемниками 40 и 8 примерно одного порядка с подъемом и предпочтительно составляет от 0,1 до 0,9 подъема. В этом случае для переходных вихревых токов, определяющих характеристическую величину Ф, выполняют стадии записи сигналов приемников во времени, при этом V₁(t) является сигналом первого приемника 8 в момент времени t, a V_u(t) - сигналом второго приемника в момент времени t и определения характеристической величины

где t₀ является начальным моментом времени, Δ - интервалом выборки и n - числом выборок, включенных в суммирование.

Для пояснения того, почему способ согласно данному изобретению обеспечивает возможность обнаружения (или обнаружение) небольших дефектов, рассмотрим фиг.3а-3с. На фиг.3а-3с показаны вихревые токи, генерированные в объекте 35. Для простоты показан только один вихревой ток 36. Вихревой ток 36 проходит в плоскости, параллельной ближней поверхности 37 объекта 35, при этом крест означает, что вихревой ток входит в плоскость чертежа, а точка - что вихревой ток выходит из плоскости чертежа. Когда во время испытания определяют характеристическую величину, то вихревой ток рассеивается в направлении дальней поверхности 38 и его величина уменьшается. Известные способы основываются на времени, необходимом для достижения вихревыми токами дальней поверхности 38, в то время как способ согласно данному изобретению основывается на характеристической величине Ф как функции подъема L и радиуса R вихревых токов.

На фиг.3а показан объект без дефектов. Оба способа дадут одинаковый результат. На фиг.35b показан объект 35 с небольшим дефектом 39а. При одинаковых конфигурации зонда (не изображен) и подъеме генерируют вихревые токи 36, которые располагаются вокруг небольшого дефекта 39а. Вихревые токи 36 начинаются у ближней поверхности 37 и поэтому способ, основанный на времени, необходимом для достижения вихревыми токами дальней поверхности 38, не обеспечивает обнаружение дефекта 39а. Однако, поскольку характеристическая величина Ф зависит от радиуса, то способ согласно данному изобретению обеспечивает обнаружение дефекта 39а. Для полноты следует указать на то, что при относительно большом дефекте 39b, показанном на фиг.3с, способ, основанный на времени, необходимом для достижения вихревыми токами дальней поверхности 38, обеспечивает обнаружение уменьшения толщины, в то время как способ согласно данному изобретению показывает увеличение подъема.

Для иллюстрации результата способа согласно данному изобретению на фиг.4 показана характеристическая величина Ф в произвольных единицах в зависимости от положения Х зонда вдоль объекта. Кривая 40 показывает действительный профиль дефекта, который является подъемом, который следует ожидать при прохождении зонда на расстоянии 50 мм над плоским объектом, имеющим номинальную толщину 15 мм, снабженную на ближней поверхности дефектом с глубиной 2 мм. Кривая 41 показывает характеристическую величину в зависимости от положения. Характеристическая величина была определена с помощью зонда, содержащего две приемные катушки, и с промежутками времени от 6 до 40 мс.

Дефект четко виден. Для сравнения была определена толщина объекта с использованием обычной технологии с использованием импульсных вихревых токов, в которой для определения толщины стенки используют время, в течение которого вихревые токи рассеиваются до дальней поверхности. Прерывистая кривая 42 показывает толщину в произвольных единицах как функцию положения и можно видеть, что дефект не обнаруживается. Из фиг.4 следует, что характеристическая величина является мерой подъема для плоского и неповрежденного объекта, но дефект приводит к изменению характеристической величины, которая становится больше действительного подъема.

Для обнаружения дефекта на ближней поверхности способ согласно данному изобретению является быстрым, поскольку первые миллисекунды принятого сигнала содержат достаточную информацию для обнаружения дефекта на ближней поверхности. В противоположность этому известные способы требуют рассеивания вихревых потоков к дальней стороне поверхности, что занимает около 40-100 мс. Поэтому известный способ требует по меньшей мере 40-100 мс для обнаружения дефекта.

Следует отметить, что это преимущество способа утрачивается, когда дефекты, подлежащие обнаружению, находятся на дальней поверхности, поскольку их можно обнаружить только тогда, когда вихревые токи рассеются до дальней поверхности. Это было подтверждено экспериментально.

В варианте выполнения зонда 4, показанном на фиг.1, приемники 8 и 40 расположены один над другим в вертикальном направлении - перпендикулярно ближней поверхности 15 объекта 5. В альтернативном варианте выполнения (не изображен) антенные приемные средства разнесены в горизонтальном направлении - параллельно ближней поверхности 12. Это является предпочтительным, в частности, тогда, когда используется U-образный ферритовый сердечник, открытый конец которого направлен в сторону объекта. U-образный ферритовый сердечник содержит на обоих плечах передающую катушку и приемную катушку, затем ближе к U-образной части ферритового сердечника расположена вторая приемная катушка.

Поскольку коррозия под изоляцией происходит на ближней поверхности, то данное изобретение весьма пригодно для обследования коррозии под изоляцией. Использование первых миллисекунд сигнала не только отфильтровывает влияния дальней поверхности, но также делает способ очень быстрым. С помощью обычного способа вихревых токов можно обследовать около 20 м/час, в то время как способ согласно данному изобретению обеспечивает скорость обследования более 100 м/час.

Имеется еще одно преимущество способа согласно данному изобретению по сравнению с обычным способом. Обычный способ с использованием вихревых токов основывается на измерении времени, необходимого для достижения вихревыми токами дальней поверхности. Толщина стенки является произведением этого времени и скорости, с которой вихревые токи распространяются в материале. Указанная скорость зависит от электрической проводимости и магнитной проницаемости материала. Эти свойства зависят от температуры образца и для ферромагнитных материалов, таких как углеродистая сталь, от микроструктуры материала. Электрическая проводимость и магнитная проницаемость часто значительно изменяются от одного места к другому в материалах из углеродистой стали. В результате, скорость прохождения вихревых токов через материал изменяется от одного места к другому в образце из углеродистой стали. Это обуславливает изменения в указанном выше времени, которые с помощью обычных способов с использованием импульсных вихревых токов нельзя отличать от изменений, вызванных изменениями толщины стенки. Это явление ограничивает надежность обычных способов при применении к объектам из углеродистой стали. Изменения в скорости, с которой вихревые токи проходят через материал, не влияют на способ согласно данному изобретению. Поэтому способ согласно данному изобретению более подходит для применения к образцам из углеродистой стали, чем обычный способ.

Коррозия под изоляцией происходит в трубах, покрытых изолирующим материалом. Обычно изолирующий материал защищен от дождя металлическим покрытием. Это металлическое покрытие называют оболочкой. Оболочка обычно выполняется из алюминия или стали и имеет толщину около 0,7 мм. Оболочку применяют секциями с типичной длиной 1 м. Проникновение воды предотвращается за счет частичного наложения друг на друга двух секций оболочки. Оболочку не надо удалять во время обследования с использованием технологии вихревых токов. В первом приближении действие оболочки состоит в задержке Δt принятого сигнала: если сигнал без оболочки является s(t), то сигнал с оболочкой становится s(t-Δt). Величина Δt изменяется вдоль секции оболочки: вблизи наложения секций Δt больше по сравнению с величиной в середине. Изменения сдвига Δt влияют на обычный способ с использованием импульсных вихревых токов, изменения в Δt проявляются как дополнительные изменения в измеряемой толщине стали. Заявителями установлено, что способ согласно данному изобретению, когда используют два приемника, является менее чувствительным к наличию металлической оболочки. Причиной этому является то, что, как было экспериментально установлено, характеристическая величина Ф почти не зависит от времени t: Ф(t)≈Ф(t-Δt), при этом

где τ=t или τ=t-Δt.

В описании и в формуле изобретения используется слово норма, что является ожидаемой величиной характеристической величины при отсутствии дефекта.

В описании и в формуле изобретения значительное отличие является статистическим значительным отличием, например больше стандартного отклонения.

Приемники, описываемые со ссылками на чертежи, являются катушками, а сигнал из приемника представляет изменение силы магнитного поля во времени. В качестве альтернативного решения приемники могут быть преобразователями с использованием эффекта Холла. Когда приемники являются преобразователями с использованием эффекта Холла или когда сигналы из катушек интегрируются, то сигналы указывают силу магнитного поля.

В случае, когда приемники являются катушками, их диаметр предпочтительно одного порядка с подъемом и более предпочтительно равен от 0,1 до 0,9 подъема.

Приемники 8 и 40 расположены друг над другом в вертикальном направлении - перпендикулярно ближней поверхности 12 объекта 2. В альтернативном варианте выполнения (не изображен) приемные антенные средства разнесены в горизонтальном направлении - параллельно ближней поверхности 12. Это является предпочтительным, в частности, тогда, когда используется U-образный ферритовый сердечник, открытый конец которого направлен в сторону объекта. U-образный ферритовый сердечник содержит на обоих плечах передающую катушку и приемную катушку, затем ближе к U-образной части ферритового сердечника расположена вторая приемная катушка.

Изобретение относится к контролю проводящих объектов с помощью вихревых токов. Сущность: выбирают на ближней к зонду поверхности объекта множества контрольных точек. Располагают зонд в первой выбранной точке. Наводят переходные вихревые токи в объекте. Записывают сигнал одного или двух приемников. Используют амплитуду первых миллисекунд сигнала для определения характеристической величины Ф электромагнитного поля, созданного вихревыми токами. Повторяют измерения, пока не будут пройдены все контрольные точки. Определяют наличие дефекта в контрольной точке, если характеристическая величина Ф значительно отличается от нормы. Технический результат: повышение быстродействия, возможность обнаружения более мелких дефектов. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ контроля электрически проводящего объекта для обнаружения дефектов с использованием зонда, который содержит передающую катушку для наведения в объекте вихревых токов и приемную систему для получения сигнала, указывающего силу магнитного поля или изменения силы магнитного поля, при этом приемная система включает по меньшей мере один приемник, содержащий стадии

(a) выбора на поверхности объекта, наиболее близкой к зонду, множества контрольных точек,

(b) выбора из указанного множества первой контрольной точки,

(c) расположения зонда в выбранной контрольной точке, наведения переходных вихревых токов в объекте, записи сигнала V(t) и использование амплитуды первых миллисекунд сигнала для определения характеристической величины Ф,

(d) выбора из указанного множества следующей контрольной точки и повторения стадии (с), пока не будут пройдены все контрольные точки, и

(e) определения наличия дефекта в контрольной точке, если характеристическая величина Ф значительно отличается от нормы.

где t₀ является начальным моментом времени; Δ - интервалом выборки; и n - числом выборок, включенных в суммирование.

(a) выбора на поверхности объекта, наиболее близкой к зонду, множества контрольных точек,

(b) выбора из указанного множества первой контрольной точки,

(c) расположения зонда в выбранной контрольной точке, наведения переходных вихревых токов в объекте, записи сигнала V₁(t) первого приемника в зависимости от времени (t) и записи сигнала V_u(t) второго приемника в зависимости от времени (t) и использование первых миллисекунд обоих сигналов для определения характеристической величины Ф, которая связана с градиентом электромагнитного поля,

(d) выбора из указанного множества следующей контрольной точки и повторения стадии (с), пока не будут пройдены все контрольные точки, и

(e) определения наличия дефекта в контрольной точке, если характеристическая величина Ф значительно отличается от нормы.

где t₀ является начальным моментом времени; Δ - интервалом выборки; и n - числом выборок, включенных в суммирование.