СПОСОБ ВИХРЕТОКОВОГО КОНТРОЛЯ ПРОТЯЖЁННЫХ ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩИХ ОБЪЕКТОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2018 года по МПК G01N27/90 

Изобретение относится к способам и устройствам для бесконтактного контроля качества протяженных объектов из электропроводящих материалов при производстве и эксплуатации, а также в других отраслях промышленности, где требуется контроль электропроводящих объектов бесконтактным методом.

Проблема контроля дефектности вышеуказанных объектов осложняется тем, что простой визуальный осмотр не позволяет обнаружить дефекты, находящиеся в подповерхностном слое или в глубине таких изделий.

Для решения этой проблемы и обнаружения внутренних дефектов с помощью разнообразных методов неразрушающего контроля используют дефектоскопы, с помощью которых реализуются различные методы неразрушающего контроля.

Вихретоковые методы неразрушающего контроля (МНК) основаны на исследовании взаимодействия электромагнитного поля вихретокового преобразователя с наводимым в объекте контроля электромагнитным полем вихревых токов, имеющих частоту до единиц МГц. На практике данный метод используют для контроля объектов, которые изготовлены из электропроводящих материалов. С его помощью получают информацию о химическом составе и геометрическом размере изделия, о структуре материала, из которого объект изготовлен, и обнаруживают дефекты, залегающие на поверхности и в подповерхностном слое (до глубины 2-3 мм). Типичный прибор, используемый этим методом, - вихретоковый дефектоскоп. Однако подобные приборы в основном фиксируют наличие или отсутствие дефекта, а полную и достоверную информацию о виде и местоположении дефекта получить с их помощью затруднительно.

Известные вихретоковые МНК основаны на анализе взаимодействия внешнего электромагнитного поля с электромагнитным полем вихревых токов, наводимых возбуждающей катушкой в электропроводящем объекте контроля (ОК) этим полем. В качестве источника электромагнитного поля, как правило, используется индуктивная катушка (одна или несколько), являющаяся вихретоковым преобразователем (ВТП), которые могут быть как накладными, так и проходными. Синусоидальный (или импульсный) ток, действующий в катушках ВТП, создает электромагнитное поле, которое, проникая в электропроводящий объект контроля, возбуждает в нем вихревые токи. Электромагнитное поле вихревых токов воздействует на катушки преобразователя, наводя в них ЭДС или изменяя их полное электрическое сопротивление. Регистрируя напряжение на катушках или их сопротивление, получают информацию о свойствах объекта и о положении вихретокового преобразователя относительно объекта. По интенсивности распределения токов в контролируемом объекте можно судить о размерах изделия, свойствах материала, наличии несплошностей.

Особенность вихретокового контроля заключается в том, что его можно проводить без механического контакта преобразователя и объекта. Их взаимодействие происходит на расстояниях, достаточных для свободного движения преобразователя относительно объекта (от долей миллиметров до нескольких миллиметров). Поэтому с помощью указанных методов можно получать хорошие результаты контроля даже при высоких скоростях перемещения преобразователя относительно поверхности объекта контроля.

Известен ряд изобретений, которые относятся к области вихретокового контроля и могут быть использованы для решения актуальных технических задач.

Известен способ вихретокового двухчастотного контроля изделий (RU 2184931 С1, 10.07.2002.), заключающийся в том, что первый, высокочастотный вихретоковый преобразователь включают в колебательный контур. Разность фаз между высокочастотным возбуждающим сигналом и выходным сигналом первого преобразователя используют для регулировки частоты этого возбуждающего сигнала до соответствия резонансной частоте колебательного контура. Затем формируют низкочастотный возбуждающий сигнал посредством деления частоты высокочастотного возбуждающего сигнала на четный коэффициент и подают его на второй, низкочастотный вихретоковый преобразователь. Коэффициент деления частоты выбирают с учетом типа электропроводящего покрытия. По результатам обработки амплитудно-фазовых значений выходного напряжения второго преобразователя определяют толщину контролируемого покрытия. Благодаря регулировке частоты работы второго преобразователя обеспечивается стабилизация обобщенного параметра и достигается высокая точность измерения.

Общим признаком с заявляемым способом является возбуждение вихревых токов в объекте контроля посредством вихретокового преобразователя.

Недостатком вышеприведенного решения является использование способа возбуждения вихревых токов катушкой с переменным электромагнитным полем, что приводит к возникновению скин-эффекта и уменьшению амплитуды электромагнитных волн по мере их проникновения вглубь проводящей среды. Скин-эффект при наличии переменного электромагнитного поля присутствует всегда, и он тем сильнее, чем выше рабочая частота, используемая при возбуждении. В результате скин-эффекта вышеописанный способ позволяет уверенно обнаруживать дефекты только в поверхностном и подповерхностном слое на глубине в несколько миллиметров.

Известен способ вихретоковой дефектоскопии (RU 2025724 С1, 30.12.1994.), предназначенный для контроля электропроводящих изделий протяженной формы, например капиллярных труб. Указанное техническое решение позволяет повысить точность за счет уменьшения влияния скорости перемещения изделия. Это достигается тем, что в данном способе, основанном на возбуждении в продольно перемещающемся изделии продольного электромагнитного поля, получении напряжения, вызванного разностью полей вихревых токов от двух близлежащих участков изделий и зафиксированного с помощью двух катушек измерительного канала, плоскости расположения витков которых перпендикулярны направлению возбуждающего электромагнитного поля, дополнительно создают второй аналогичный измерительный канал, в котором с помощью двух катушек фиксируют напряжение, вызванное разностью полей вихревых токов от двух близлежащих участков изделия, один из которых расположен посредине между анализируемыми первым каналом участками, осуществляют коммутацию полученных напряжений, сравнивая которые, получают сигнал, используемый для оценки дефектности изделия, при этом частоту коммутации определяют из соотношения F > 2 V/H, где F - частота коммутации каналов, V - скорость перемещения контролируемого изделия, м/с; Н - базовое расстояние между катушками одного из каналов.

К недостаткам данного способа можно отнести сложность реализации, поскольку для повышения точности контроля в нем применяется второй измерительный канал, усложняющий обработку информации и средства реализации способа.

Общими признаками с заявляемым способом являются перемещение объекта контроля относительно вихретокового преобразователя, возбуждение вихревых токов в объекте контроля посредством вихретокового преобразователя.

Известно устройство для вихретокового контроля (патент RU 2102739, С1, 20.01.1998.), содержащее последовательно соединенные генератор, вихретоковый преобразователь, блок амплитудно-фазовой селекции, второй вход которого подключен к выходу генератора, индикатор, аналого-цифровой преобразователь, цифровой рекурсивный фильтр, блок динамического преобразования сигнала и ЭВМ.

Недостатком данного устройства является использование для возбуждения вихревых токов переменного электромагнитного поля, что усложняет конструкцию в связи с необходимостью использования в ней источника электромагнитного поля - генератора.

Общим признаком с заявляемым устройством является наличие аналого-цифрового преобразователя, вычислительного устройства, вихретокового преобразователя.

Необходимо отметить, что способ возбуждения вихревых токов с помощью генерации катушкой возбуждения электромагнитного поля не является единственным методом возбуждения вихревых токов в электропроводящих объектах, поскольку широко известен способ возбуждения вихревых токов в проводниках путем взаимного перемещения магнита и проводника.

Известен «Дифференциальный датчик, система контроля и способ обнаружения аномалий в электропроводящих материалах» (US 2015/0233868 А1, 20.08.2015.).

В указанном способе возбуждение вихревых токов осуществляют путем перемещения постоянного магнита относительно материала со скоростью V параллельно его поверхности на определенном расстоянии.

Дифференциальный датчик для обнаружения аномалий в электропроводящих материалах имеет постоянный магнит (ТЧ), первую катушку (S1) с одним или множеством первых витков, которые накручивают вокруг постоянного магнита и образуют первую ось катушки (А1), и вторую катушку (S2) с одним или несколькими вторыми обмотками, которые идут вокруг постоянного магнита и определяют вторую ось катушки (А2), которая проходит в поперечном направлении, в частности перпендикулярно, к первой оси катушки. Третья катушка (S3) имеет ось, перпендикулярную осям катушек (S1) и (S2). Изменения магнитного потока могут быть обнаружены и проанализированы по отдельности для каждой из катушек. Датчик является частью системы контроля, которая включает указанный датчик и анализатор (А), который выполнен с возможностью обнаружения отдельно для каждой катушки электрических напряжений, индуцированных в обмотках катушек, или сигналов, полученных из них в обмотках катушек (S1, S2, S3) дифференциального датчика и сравнивает их с помощью, по меньшей мере, одной процедуры анализа.

Особенностями указанного способа и устройства для его реализации являются:

а) использование магнитопровода, осуществляющего передачу магнитного потока в три приемные катушки;

б) три приемные катушки намотаны на магнитопровод в трех ортогональных друг другу плоскостях, при этом плоскости катушек также ортогональны друг другу.

Основными недостатками указанного способа и устройства для его реализации, являются:

- способ намотки приемных катушек осуществляется симметрично относительно полюсов N и S. При таком способе намотки приемная катушка может быть представлена в виде «эквивалентной тонкой катушки», имеющей количество витков, равное количеству витков катушки, намотанной равномерно на магнит «от полюса до полюса», но при этом расположенной симметрично относительно полюсов N и S. Такое расположение катушки, находящейся от плоскости электропроводящего объекта на расстоянии, эквивалентном «половине расстояния от полюса N до полюса S», приводит к снижению эффективности возбуждения ЭДС, наводящейся в катушке вихревыми токами, взаимодействующими с дефектом и, как следствие, к снижению чувствительности датчика;

- использование магнитопровода приводит к появлению в токопроводящем материале магнитопровода скин-эффекта. Это особенно проявляется для высокочастотных составляющих электромагнитных волн от вихревых токов, имеющих место при высоких скоростях движения датчика относительно электропроводящего объекта. В свою очередь, скин-эффект может служить препятствием для проникновения переменного электромагнитного поля к дальним виткам приемной катушки, и, как следствие, - к снижению чувствительности датчика;

- использование магнитопровода приводит к возникновению вторичных вихревых токов в токопроводящем материале магнита и, согласно правилу Ленца, противодействующих этому полю, в результате чего также снижается эффективность возбуждения ЭДС в приемной катушке (катушках) и чувствительность датчика;

- в данном устройстве и способе увеличение напряженности магнитного поля, генерируемого магнитом, с целью увеличения силы вихревых токов в электропроводящем объекте путем увеличения его размера и расстояния между полюсами приведет к снижению его чувствительности;

- ориентация приемных катушек по трем координатам, предполагающая высокую чувствительность датчика к электромагнитным полям с любого направления, может снизить его помехозащищенность в реальных условиях технического производства.

Общими признаками заявляемого способа и способа в вышеуказанном патенте является то, что в электропроводящем объекте контроль осуществляют путем возбуждения вихревых токов посредством постоянного магнитного поля и сканирования электропроводящего объекта бесконтактным вихретоковым преобразователем (индуктором-датчиком), накладного типа, движущимся относительно объекта контроля со скоростью V (м/с).

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является «способ вихретокового контроля медной катанки и устройство для его реализации» (RU 2542624 С1, 20.02.2015), основанный на возбуждении вихревых токов в контролируемом изделии путем применения в вихретоковом преобразователе, по крайней мере, не менее одного мощного постоянного магнита, жестко закрепленного с соосно установленным ему датчиком изменения электромагнитного поля, наведенного вихревым током в контролируемом объекте.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является «устройство для реализации способа вихретокового контроля медной катанки» (RU 2542624 С1, 20.02.2015), содержащее вихретоковый преобразователь (ВТП) проходного типа, который имеет, по крайней мере, не менее одного мощного постоянного магнита, жестко закрепленного с соосно установленным ему датчиком изменения электромагнитного поля, наведенного вихревым током в контролируемом объекте.

Общими признаками заявляемого способа и прототипа является то, что в электропроводящем объекте контроль осуществляют путем возбуждения вихревых токов посредством постоянного магнитного поля и сканирования электропроводящего объекта бесконтактным вихретоковым преобразователем (индуктором-датчиком), движущимся относительно объекта контроля со скоростью V (м/с);

Общими признаками заявляемого устройства с прототипом является то, что они включают в себя бесконтактный вихретоковый преобразователь, состоящий из индуктора постоянного магнитного поля и датчика изменения электромагнитного поля.

В указанном способе и устройстве (прототипе) использован магнит для возбуждения вихревых токов в катанке и датчик изменения электромагнитного поля, генерируемого вихревыми токами, расположенный «оппозитно» магниту с другой стороны медной катанки и жестко закрепленный относительно магнита. Такое расположение магнита и датчика приводит к следующим негативным эффектам, являющимся основными недостатками указанного способа и устройства для его реализации:

1. В процессе движения катанки по технологической линии имеют место ее поперечные колебания относительно направления движения по обеим, ортогональным вектору движения координатам. Магнитное поле магнита-индуктора является неоднородным, расходящимся, и по этой причине его напряженность сильно изменяется в зависимости от расстояния до полюса магнита. В этом случае поперечные колебания катанки в неоднородном магнитном поле магнита вызывают появление в катанке вихревых токов, противодействующих генерируемым электромагнитным полем этим поперечным колебаниям. Негативный эффект заключается в том, что это переменное электромагнитное поле, также как и переменное электромагнитное поле, возникающее при наличии в катанке несплошностей, принимаются датчиком и преобразуются в электрический сигнал на выходе датчика. Этот сигнал, вызванный поперечными колебаниями катанки в неоднородном магнитном поле, суммируется с сигналом от несплошностей и способен «маскировать» его, особенно в случае, когда несплошности невелики. Таким образом, чувствительность измерительного канала к мелким дефектам в прототипе сильно снижается, а сигнал в измерительном канале, вызванный поперечными колебаниями, по амплитуде может превышать сигнал от мелких дефектов и препятствовать выявлению таких дефектов системой обработки и ранжирования дефектов, т.е. приводить к их пропуску, снижая достоверность контроля.

2. Необходимо отметить, что экспериментально была выявлена зависимость чувствительности канала регистрации дефектов от места их расположения и расстояния от дефекта до полюса магнита-индуктора. Эта зависимость также является следствием изменения напряженности поля магнита в зависимости от расстояния между дефектом и полюсом магнита.

3. Кроме зависимости чувствительности канала регистрации дефектов вследствие изменения напряженности поля магнита, имеет место зависимость чувствительности от расстояния между дефектом и приемной катушкой.

4. Такое расположение магнита и датчика непригодно для диагностики и выявления дефектов в протяженных объектах (в том числе и катанке) из ферромагнитных материалов, в которых магнитное поле «замыкается», и его проникновение к противоположному краю затруднено или невозможно.

Данные обстоятельства кратно снижают возможность применения указанного способа на практике.

Основной задачей заявляемой группы изобретений является расширение арсенала технических средств и способов вихретокового контроля протяженных объектов, выполненных из электропроводящих материалов.

Технический результат заявленной группы изобретений заключается в реализации назначения заявленных решений.

При этом заявляемый способ и устройство позволяют повысить достоверность результатов вихретокового контроля электропроводящих протяженных объектов и расширить функциональные возможности вихретокового контроля, за счет обеспечения возможности работы с протяженными объектами любого сечения, соответствующего расстоянию между полюсами магнитов.

Технический результат достигается тем, что в известном способе вихретокового контроля протяженных электропроводящих объектов, основанном на том, что в электропроводящем протяженном объекте возбуждают вихревой ток и сканируют электропроводящий объект вихретоковым преобразователем, содержащим индуктор постоянного поля и датчик изменения электромагнитного поля, а протяженный электропроводящий объект перемещают относительно вихретокового преобразователя, фиксируют сигналы, соответствующие изменению электромагнитного поля, по результатам измерений которых определяют наличие дефектов, размещают по разные стороны протяженного электропроводящего объекта, по меньшей мере, два вихретоковых преобразователя, в каждом из которых установлены индукторы с полюсами разной полярности, направленные оппозитно по отношению друг к другу, а датчики изменения электромагнитного поля устанавливают на полюсах индукторов постоянного поля, при этом возбуждение вихревых токов осуществляют через датчики изменения магнитного поля.

В качестве вихретоковых преобразователей можно использовать кольцевые магниты.

Предпочтительно датчики изменения электромагнитного поля закреплять жестко на полюсах индукторов.

Оптимально датчики изменения электромагнитного поля и индукторы размещать в компаунде в виде единого целого.

Сигналы оппозитно установленных датчиков изменения электромагнитного поля подвергают операции сложения.

Оптимально осуществлять сканирование одного и того же участка электропроводящего объекта многократно.

Для каждой пары сигналов датчиков предпочтительно определять корелляционную функцию.

Протяженный электропроводящий объект оптимально перемещать относительно вихретоковых преобразователей со скоростью не менее 1 м/с.

Технический результат достигается также тем, что в известном устройстве для контроля протяженных электропроводящих объектов, содержащем вихретоковый преобразователь, состоящий из индуктора постоянного поля и датчика изменения электромагнитного поля, блок обработки и анализа, вход которого связан с выходом датчика изменения электромагнитного поля, вихретоковый преобразователь содержит, по меньшей мере, два индуктора постоянного поля, размещенные оппозитно относительно протяженного электропроводящего объекта, а датчики изменения электромагнитного поля закреплены на полюсах индукторов постоянного поля, при этом датчики изменения электромагнитного поля и индукторы постоянного поля составляют единое целое, а оппозитно установленные индукторы имеют разную полярность.

Вихретоковый преобразователь может быть выполнен в виде кольцевого магнита, между полюсами которого размещен протяженный электропроводящий объект, при этом полюса кольцевого магнита имеют разную полярность и расположены друг напротив друга оппозитно, а датчики изменения электромагнитного поля закреплены на полюсах кольцевого магнита.

Датчики изменения электромагнитного поля могут быть выполнены в виде плоских приемных катушек.

Предпочтительно датчики изменения электромагнитного поля жестко закреплять друг против друга на противоположных полюсах индукторов.

В качестве индукторов постоянного поля могут быть использованы электромагниты, или любые постоянные магниты произвольной геометрической формы.

Блок обработки и анализа предпочтительно выполнить в виде последовательно соединенных усилителей, сумматора, АЦП и вычислительного устройства.

В одном из вариантов выполнения устройство может содержать более одного вихретокового преобразователя.

Заявляемое техническое решение позволяет устранить наличие отмеченных выше негативных факторов, присущих прототипу, и позволяет добиться следующих результатов:

1) обеспечить однородность магнитного поля в зазоре двух магнитов, являющегося областью прохождения электропроводящего объекта, тем самым устранить возникновение вихревых токов, маскирующих сигналы от дефектов и повысить достоверность контроля;

2) устранить зависимость чувствительности измерительного канала к дефектам от места его расположения;

3) устранить «замыкание» магнитного поля в ферромагнетиках и обеспечить возможность проникновения магнитного поля на всю глубину протяженного электропроводящего объекта и, тем самым, предоставить возможность диагностики и выявления дефектов по всему сечению.

Основными отличиями заявляемого способа от технического решения прототипа является то, что возбуждение вихревых токов в контролируемом объекте осуществляют постоянным однородным магнитным полем постоянных магнитов или электромагнитов через приемные катушки, закрепленные на разнополярных полюсах постоянных магнитов, расположенных «оппозитно» по разные стороны протяженного объекта и обладающих нулевой чувствительностью к постоянному магнитному полю.

Основным отличием заявляемого устройства от прототипа является то, что в устройстве используются вихретоковые преобразователи, в которых датчики изменения электромагнитного поля закреплены на полюсе магнитов - индукторов и представляют с индуктором единое целое, причем датчики изменения электромагнитного поля имеют нулевую чувствительность к собственному магнитному полю индуктора.

На Фиг. 1 схематически представлен один из вариантов устройства вихретокового контроля протяженного электропроводящего объекта, где показаны фрагмент контролируемого объекта 1, движущийся со скоростью V относительно вихретокового преобразователя.

На Фиг. 2 представлен вариант конструкции вихретокового преобразователя устройства, выполненного в виде кольцевого магнита.

На Фиг. 3 приведена диаграмма контроля протяженного электропроводящего объекта с дефектами, на которой изображены сигналы с датчиков изменения электромагнитного поля после их обработки в вычислительном устройстве.

На Фиг. 4 приведена диаграмма контроля протяженного электропроводящего объекта, не имеющего дефектов.

На фиг. 5 представлена функциональная схема устройства обработки и анализа.

Устройство (фиг. 1), реализующее заявляемый способ, содержит вихретоковые преобразователи, обеспечивающие в зазоре однородное магнитное поле, возбуждающее в протяженном электропроводящем объекте, например катанке 1, вихревые токи. Вихретоковый преобразователь (фиг. 1) состоит из индукторов постоянного поля 2, 3 и датчиков 4, 5 изменения электромагнитного поля, выполненных, например, в виде плоских приемных катушек, выходы которых соединены с блоком обработки и анализа 6. Индукторы 2, 3, постоянного магнитного поля вихретокового преобразователя размещены оппозитно относительно протяженного электропроводящего объекта 1, датчики изменения электромагнитного поля 4, 5 закреплены на полюсах (N) и (S), индукторов 2, 3 постоянного поля и составляют с ними единое целое, причем оппозитно установленные индукторы 2, 3 постоянного поля вихретокового преобразователя имеют разную полярность.

Устройство обработки и анализа 6 содержит усилители 10 и 11, соединенные с входами сумматора 12, последовательно соединенного с АЦП 13 и вычислительным устройством 14.

В одном из вариантов выполнения вихретокового преобразователя может быть использован кольцевой магнит 7 с полюсами 8 (N) и 9 (S), расположенными напротив друг друга, обеспечивающий, благодаря конструкции, однородное поле в зазоре между полюсами. При этом протяженный электропроводящий объект 1 движется со скоростью V в однородном магнитном поле между полюсами кольцевого магнита, на которых закреплены датчики 4 и 5 изменения магнитного поля.

Заявляемый способ и устройство работают следующим образом. В случае вхождения в магнитное поле участка протяженного электропроводящего объекта 1, например катанки с несплошностью, установившийся характер вихревых токов в катанке и противодействующего магнитного поля нарушается и на выходах датчиков 4,5 появляются соответствующие сигналы. Амплитуды сигналов пропорциональны размеру несплошности, что позволяет при обработке сигналов применить систему ранжирования дефектов, т.е. деления дефектов на группы - «сверхмалые», «малые», «средние», «большие», сверхбольшие» в зависимости от амплитуды сигнала. Динамический диапазон сигнала может составлять от десятков мВ до 10 В. Синфазные сигналы с датчиков 4 и 5 поступают соответственно на усилители 10 и 11, с выходов усилителей на сумматор 12, с выхода сумматора - на АЦП 13 и далее - в вычислительное устройство 14. Обработанные результаты показаны на диаграммах Фиг. 3 и Фиг. 4.

На Фиг. 3, как уже было сказано выше, приведена диаграмма контроля реальной зоны протяженного электропроводящего объекта с дефектами, на которой видны амплитудные флуктуации сигналов датчиков изменения магнитного поля, свидетельствующие о наличии различных дефектов. Резкое увеличение амплитуды сигнала отражает результат взаимодействия вихревых токов с дефектами в электропроводящем объекте. При этом, в зависимости от величины дефекта, амплитуда флуктуаций может быть десятки мВ (сигналы 1 и 2) сотни мВ (3) или свыше 10 В (4), что может свидетельствовать об обнаружении дефектов размером от (0,1-0,2) мм.

На Фиг. 4 показана диаграмма качественного участка протяженного электропроводящего объекта, которая представляет из себя практически прямую линию, т.к. изменения переменного тока, образованного вихревым током, не происходит. Причина этого заключается в том, что, как уже было сказано выше, в проводнике, не содержащем поверхностных и внутренних дефектов, два любых произвольно взятых участка подобны друг другу, в этом случае вихревые токи в электропроводящем объекте носят установившийся характер и генерируют противодействующее магнитное поле, не меняющееся во времени и подобное постоянному полю постоянного магнита.

При практической реализации заявляемого способа контроля возможно появление факторов, препятствующих проведению контроля и получению достоверной информации о наличии дефектов в объекте контроля. Такими факторами, в частности, могут быть поперечные колебания протяженного объекта при движении относительно индукторов с направлением вектора колебаний, ортогональным вектору движения объекта. В этом случае изменение расстояния между поверхностью катанки и источником магнитного поля - индуктором вследствие колебаний может приводить к изменению напряженности магнитного поля в объекте катанке и, следовательно, к возникновению противодействующих этим изменениям вихревых токов, которые также будут регистрироваться датчиками и в некоторых случаях могут быть приняты системой обработки за дефект.

В отличие от прототипа, в конструкции которого магнит-индуктор не способен обеспечить однородное магнитное поле, заявляемое техническое решение, в котором использованы ВТП с двумя индукторами, расположенными «оппозитно» друг другу, обеспечивает в зазоре между полюсами однородное магнитное поле. Другой вариант реализации заявляемого технического решения использует для тех же целей кольцевой магнит (Фиг. 2). В обоих случаях на полюсах N и S магнитов жестко закреплены датчики 4 и 5, в качестве которых использованы плоские приемные катушки, работающие синфазно. Использование пары катушек позволяет повысить чувствительность и достоверность контроля по сравнению с прототипом. Крайне важным является и тот факт, что, в отличие от прототипа, заявляемое техническое решение позволяет проводить контроль по всему сечению материала, а также осуществлять контроль объектов из ферромагнитных материалов, что недостижимо в прототипе.

Ниже приведены примеры практической реализации способа, осуществляемого с помощью заявленного устройства при отсутствии дефекта в контролируемом объекте и в случае наличия дефекта.

Пример 1. Медную катанку 1 перемещали со скоростью V = 10 м/сек в магнитном поле, создаваемом между полюсами пары индукторов 2, 3, выполненных на основе линейных магнитов, изготовленных из материала неодим-железо-бор (NdFeB). На разноименных, оппозитно расположенных полюсах были закреплены путем заливки компаундом датчики 4 и 5 изменения магнитного поля. В качестве датчиков использовались плоские приемные катушки диаметром 20 мм и толщиной 1,5 мм. При этом поперечные размеры полюсов составляли 25 мм. Расстояние от поверхности катанки до поверхности каждого из индукторов составляло около 3 мм. Датчики 4, 5 осуществляли преобразование медленно изменяющегося электромагнитного поля в напряжение амплитудой от нескольких десятков мВ при «сверхмалых» дефектах до 10 В («сверхбольшие» дефекты). При отсутствии дефекта уровень сигнала соответствовал уровню собственных внутренних шумов каналов усиления сигнала. При наличии в протяженном объекте дефектов уровень сигнала на выходе каналов усиления был от единиц мВ до 10 В в зависимости от размера конкретного дефекта. Ранжирование и статистическую обработку выявленных дефектов осуществляли с помощью вычислительного устройства с предустановленной компьютерной программой.

Сигналы оппозитно установленных датчиков изменения электромагнитного поля подвергали операции сложения. Для каждой пары сигналов датчиков определяли корелляционную функцию.

Пример 2. Протяженный электропроводящий объект в виде прута диаметром 20 мм перемещали в магнитном поле в зазоре 25 мм кольцевого магнита с поперечными размерами полюсов 25 мм со скоростью от 20 до 60 м/с. При скорости 20 м/с наблюдалась флуктуация напряжения амплитудой 40 мВ, что соответствовало дефекту размером 0,3 мм. При скорости 40 м/с амплитуда сигнала от того же дефекта была 80 мВ, а при скорости 60 м/с - 120 мВ.

Было установлено, что зависимость амплитуды сигнала от скорости перемещения является прямо пропорциональной.

На базе заявляемого изобретения был разработан диагностический комплекс, реализующий заявляемое устройство.

Указанный диагностический комплекс позволяет достоверно и с высокой чувствительностью выявлять дефекты по всему сечению протяженных электропроводящих объектов диаметром 8-20 мм, движущихся на линии производства со скоростью от 1 до 100 м/с.

Заявляемый способ и устройство для его реализации может найти широкое применение для вихретокового контроля катанки и других протяженных электропроводящих объектов, т.к. позволяет устранить влияние на результаты контроля поперечных колебаний и вибраций, контролировать изделия из ферромагнетиков и, помимо этого, устранить зависимость чувствительности аппаратуры к месту расположения дефекта по сечению протяженного электропроводящего объекта. При этом обработка полученных сигналов с помощью вычислительных средств позволяет определить местонахождения дефекта и оценить его влияние на качество контролируемого объекта.

Группа изобретений относится к способам и устройствам для бесконтактного контроля качества протяженных объектов из электропроводящих материалов при производстве и эксплуатации, а также в других отраслях промышленности, где требуется контроль протяженных электропроводящих объектов бесконтактным методом. Сущность изобретения заключается в том, что способ вихретокового контроля протяженных электропроводящих объектов дополнительно содержит этапы, на которых протяженный электропроводящий объект сканируют вихретоковым преобразователем, содержащим не менее двух индукторов постоянного поля с полюсами разной полярности, направленными оппозитно по отношению друг к другу, при этом индукторы устанавливают по разные стороны протяженного электропроводящего объекта, а датчики изменения электромагнитного поля размещают на полюсах индукторов постоянного поля, причем возбуждение вихревых токов осуществляют через датчики изменения магнитного поля. Технический результат – повышение достоверности контроля, возможность диагностики и выявления дефектов по всему сечению объекта контроля. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ вихретокового контроля протяженных электропроводящих объектов, основанный на том, что в электропроводящем объекте возбуждают вихревой ток и сканируют электропроводящий объект вихретоковым преобразователем, содержащим индуктор постоянного поля и датчик изменения электромагнитного поля, при этом протяженный электропроводящий объект перемещают относительно вихретокового преобразователя, фиксируют сигналы, соответствующие изменению электромагнитного поля, по результатам измерений которых определяют наличие дефектов, отличающийся тем, что протяженный электропроводящий объект сканируют вихретоковым преобразователем, содержащим не менее двух индукторов постоянного поля с полюсами разной полярности, направленными оппозитно по отношению друг к другу, при этом индукторы устанавливают по разные стороны протяженного электропроводящего объекта, а датчики изменения электромагнитного поля размещают на полюсах индукторов постоянного поля, причем возбуждение вихревых токов осуществляют через датчики изменения магнитного поля.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве вихретоковых преобразователей используют кольцевые магниты.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что датчики изменения электромагнитного поля, жестко закрепляют на полюсах индукторов.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что датчики изменения электромагнитного поля и индукторы размещают в компаунде в качестве единого целого.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что сигналы оппозитных датчиков изменения электромагнитного поля подвергают операции сложения.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что сканирование одного и того же участка электропроводящего объекта осуществляют неоднократно.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что определяют корелляционную функцию для каждой пары сигналов оппозитных датчиков.

8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что протяженный электропроводящий объект перемещают относительно вихретоковых преобразователей со скоростью не менее 1 м/с.

9. Устройство для реализации способа вихретокового контроля протяженных электропроводящих объектов по п. 1, содержащее вихретоковый преобразователь, состоящий из индуктора постоянного поля и датчика изменения электромагнитного поля, блок обработки и анализа, вход которого связан с выходом датчика изменения электромагнитного поля, отличающееся тем, что вихретоковый преобразователь содержит, по меньшей мере, два индуктора постоянного поля, размещенные оппозитно относительно протяженного электропроводящего объекта, а датчики изменения электромагнитного поля закреплены на полюсах индукторов постоянного поля и составляют с ними единое целое, причем оппозитно установленные индукторы постоянного поля имеют разную полярность.

10. Устройство по п. 9, отличающееся тем, что вихретоковый преобразователь выполнен в виде кольцевого магнита, между полюсами которого размещен протяженный электропроводящий объект, при этом полюса кольцевого магнита имеют разную полярность и расположены друг напротив друга оппозитно, а датчики изменения электромагнитного поля закреплены на полюсах кольцевого магнита.

11. Устройство по п. 9, отличающееся тем, что датчики изменения электромагнитного поля выполнены в виде плоских приемных катушек, соединенных со входами блока обработки и анализа.

12. Устройство по п. 9, отличающееся тем, что датчики изменения электромагнитного поля жестко закреплены друг против друга на противоположных полюсах индукторов.

13. Устройство по п. 9, отличающееся тем, что в качестве индукторов постоянного поля используют электромагниты или любые постоянные магниты произвольной геометрической формы.

14. Устройство по п. 9, отличающееся тем, что блок обработки и анализа выполнен в виде усилителей, входы которых являются входами блока обработки и анализа, соединенными с выходами датчиков изменения электромагнитного поля, а выходы усилителей подключены к сумматору, последовательно соединенному с АЦП и вычислительным устройством.

15. Устройство по п. 9, отличающееся тем, что оно содержит более одного вихретокового преобразователя.