Вихретоковый преобразователь для дефектоскопии Российский патент 2024 года по МПК G01N27/90 

Изобретение относится к неразрушающему контролю и может быть использовано для дефектоскопии электропроводящих объектов.

Из уровня техники [Huang R., Lu M., Chen Z., Yin W. Reduction of Coil-Crack Angle Sensitivity Effect Using a Novel Flux Feature of ACFM Technique // Sensors 2022, 22, 201. https://doi.org/10.3390/s22010201] известен вихретоковый преобразователь (ВТП) для дефектоскопии, содержащий прямоугольную возбуждающую катушку индуктивности с плоскостью витков ортогональной рабочему торцу преобразователя. ВТП имеет две Т-образно установленные друг относительно друга измерительные катушки индуктивности. Ось одной из измерительных катушек перпендикулярна рабочему торцу и проходит через его центр, а второй катушки - параллельна рабочему торцу и находится в плоскости витков возбуждающей катушки, при этом вторая измерительная катушка размещена симметрично относительно первой. Первая измерительная катушка предназначена для регистрации нормальной к поверхности объекта контроля (ОК) составляющей индукции магнитного поля B_z, а вторая - для тангенциальной составляющей B_x. При взаимодействии известного ВТП над дефектом типа трещины функция B_z имеет максимумы над концами трещины и проходит через ноль над ее центром. Функция распределения B_x имеет экстремум (минимум) над центром трещины. По совокупности сигналов, регистрируемых первой катушкой (пропорционален B_z) и второй катушкой (пропорционален B_x) определяют наличие и параметры трещины при сканировании.

Недостаток известного ВТП заключается в низкой достоверности контроля, так как сигналы первой измерительной катушки, пропорциональные нормальной составляющей индукции B_z не возникают при плавном изменении глубины трещины с нулевых значений от ее концов. В то же время именно такие трещины, а не прямоугольной формы, наиболее вероятны. При этом велика вероятность пропуска часто встречающихся на практике длинных трещин ещё и по тому, что их концы могут не попасть в зону сканирования.

Наиболее близок к предложенному по технической сущности вихретоковый преобразователь для дефектоскопии [Шкатов П.Н. Вихретоковый преобразователь для дефектоскопии // Патент № 2796194 C1 Российская Федерация, МПК G01N 27/90, заявка № 2022130396, заявл. 23.11.2022, опубл. 17.05.2023, Бюл. № 14, 22 с.], содержащий две Т-образно расположенные прямоугольные катушки индуктивности. Катушка, лежащая в плоскости рабочего торца, используется как возбуждающая, а катушка, перпендикулярная к рабочему торцу преобразователя, проходит через ось возбуждающей катушки и ортогональна к двум ее противолежащим сторонам. Вихретоковый преобразователь содержит также идентичные друг другу вторую и третью измерительные катушки, симметрично расположенные по разные стороны относительно первой измерительной катушки и в параллельных ей плоскостях, первая измерительная катушка соединена со второй и третьей катушками последовательно - встречно относительно магнитного потока, направленного вдоль их общей оси, а число витков W₁, W₂, W₃ в первой, второй и третьей измерительных катушках, соответственно, выбираются из соотношений W₁=W₂+W₃ и W₂=W₃.

Выходной сигнал данного ВТП формируется путем регистрации измерительными катушками напряжения, наводимого осевой составляющей B_x индукции магнитного поля, направленной ортогонально к плоскости трещины. Данная составляющая возникает только при наличии локальной неоднородности, к которым относится как трещина, так и другие виды дефектов сплошности и структуры. Система из трех измерительных катушек выполняет функцию двойного дифференцирования функции B_x, за счет чего повышается отношение сигнал/помеха ВТП, где в качестве помехи могут быть электромагнитная неоднородность металла, шероховатость поверхности, перекосы оси ВТП.

Однако и указанный ВТП не обеспечивает потенциально достижимой достоверности контроля, так как его выходной сигнал формируется за счет регистрации только одной составляющей магнитного поля, что снижает вероятность правильной классификации сигналов, возникающие под воздействием дефектов типа трещин от сигналов, определяемых другими влияющими на вихретоковый сигнал факторами, например, электромагнитными неоднородностями и изменением формы поверхности, возникающими, в частности, в зоне сварных швов.

Технический результат настоящего изобретения заключается в повышении достоверности контроля за счет уменьшения вероятности неверной идентификации вихретоковых сигналов при дефектоскопии путем регистрации второго вихретокового сигнала, создаваемого тангенциальной составляющей магнитного поля дефекта при перемещении ВТП над дефектом.

Указанный технический результат в вихретоковом преобразователе для дефектоскопии, содержащем размещенную в плоскости рабочего торца прямоугольную возбужающую катушку индуктивности и измерительную систему, состоящую из, по меньшей мере, одной прямоугольной катушки индуктивности, катушки измерительной системы расположены над плоскостью витков возбуждающей катушки со стороны, противоположной рабочему торцу, размещены симметрично относительно его центра и в плоскостях, перпендикулярных противолежащим сторонам витков прямоугольной возбуждающей катушки, достигается благодаря тому, что он снабжен второй измерительной системой и второй возбуждающей катушкой индуктивности, идентичной первой, соединенной с ней последовательно согласно, размещенной соосно с ней и симметрично относительно катушек первой измерительной системы, вторая измерительная система состоит из двух последовательно-встречно соединенных идентичных катушек индуктивности, размещенных симметрично между возбуждающими катушками с осевым зазором вдоль оси, расположенной симметрично относительно возбуждающих катушек и параллельно плоскостям витков катушек первой измерительной системы.

На фиг. 1 схематично представлен ВТП в варианте с однокатушечной первой измерительной системой.

На фиг. 2 схематично представлен ВТП в варианте с трехкатушечной первой измерительной системой.

На фиг. 3 показан ВТП в варианте с однокатушечной первой измерительной системой над контролируемом объектом с дефектом.

На фиг. 4 показан ВТП в варианте с трехкатушечной первой измерительной системой над контролируемом объектом с дефектом.

На фиг. 5 отдельно показаны возбуждающие катушки и одна из катушек второй измерительной системы.

На фиг. 6 приведены рассчитанные методом конечных элементов (МКЭ) графики изменения квадратурных составляющих и , вносимых трещиной 9 в измерительные системы 3 и 4, соответственно, в функции смещения плоскости трещины 9 относительно центра возбуждающей катушки на величину х_и.

На фиг. 7. приведены рассчитанные МКЭ годографы вносимого при перемещении вихретокового преобразователя над трещинами разной глубины h в измерительную систему 3 нормированного напряжения .

На фиг. 8. приведены рассчитанные МКЭ годографы вносимого при перемещении ВТП над трещинами разной глубины h в измерительную систему 4 нормированного напряжения .

На фиг. 9 приведены рассчитанные МКЭ зависимости(, вносимого под влиянием трещин различной глубины при перемещении ВТП вдоль ортогональной к плоскости трещины оси х.

На фиг. 10 приведены рассчитанные МКЭ зависимости(, вносимого под влиянием трещин различной глубины при перемещении ВТП вдоль ортогональной к плоскости трещины оси х.

На фиг. 11 приведена рассчитанная МКЭ зависимость изменения напряжения U_y одной из катушек второй измерительной системы, нормированного по ее максимальному значению U_{y max}, в функции расстояния y от плоскости этой катушки до оси 7 симметрии.

Заявляемый вихретоковый преобразователь (ВТП) для дефектоскопии (фиг. 1-2), содержит соединенные последовательно-согласно идентичные прямоугольные возбуждающие катушки 1 и 2 индуктивности, первую измерительную систему и вторую измерительную систему 4, состоящую из двух последовательно-встречно соединенных идентичных катушек 4.1 и 4.2 индуктивности. В представленном на фиг. 1 варианте первая измерительная система 3 состоит из одной катушки 3, в другом варианте, представленном на фиг. 2, первая измерительная система 3 состоит из трех катушек - 3.1, 3.2 и 3.3.

Первая измерительная система 3 размещена над плоскостью витков возбуждающей катушки 1 со стороны, противоположной рабочему торцу 6, симметрично относительно его центра, в плоскости, перпендикулярной противолежащим сторонам 1.1, 1.2 витков прямоугольной возбуждающей катушки 1. Все катушки измерительной системы 3 имеют общую ось 7. Вторая возбуждающая катушка 2 размещена параллельно катушке 1 и симметрично относительно катушек первой измерительной системы 3. Вторая измерительная система состоит из двух последовательно-встречно соединенных идентичных катушек индуктивности 4.1 и 4.2, размещенных симметрично относительно возбуждающих катушек 1 и 2 с осевым зазором вдоль оси 8, расположенной симметрично относительно возбуждающих катушек 1,2 и параллельно плоскостям витков катушек первой измерительной системы 3.

Катушки 3.2 и 3.3 измерительной системы 3 (фиг. 2) выполнены идентичными и расположены симметрично по разные стороны относительно катушки 3.1 в параллельных ей плоскостях. Измерительная катушка 3.1 соединена последовательно - встречно относительно магнитного потока, направленного вдоль их общей оси 7, с измерительными катушками 3.2 и 3.3, при этом внешние выводы катушек 3.2 и 3.3 образуют выход первой измерительной системы 3 ВТП. Число витков W_3.1, W_3.2, W_3.3 в измерительных катушках 3.1, 3.2, и 3.3, соответственно, выбираются из соотношений W_3.1=W_3.2+W_3.3 и W_3.2=W_3.3.

Заявляемый вихретоковый преобразователь для дефектоскопии работает следующим образом. ВТП подключается выходом первой измерительной системы 3 (выводы катушки 3 в 1-ом варианте или внешние выводы катушек 3.2 и 3.3 во 2-ом варианте), выходом второй измерительной системы (внешние выводы катушек 4.1 и 4.2) и своим входом (внешние выводы возбуждающих катушек 1 и 2) к электронному блоку двухканального вихретокового дефектоскопа (не показан), например, дефектоскопа Вектор -22 [ https://www.ndt-innovations.ru/katalog/vikhretokovyj-metod/defektoskopy-dlya-kontrolya-dlinnoj-produktsii-i-prokata/dvuhkanalnyj-defektoskop-vector-22].

При отсутствии взаимодействия с объектом контроля (режим холостого хода) начальные напряжения на всех измерительных катушках отсутствуют, то есть U_0N =0, [N=3 (3.1, 3.2, 3.3), 4.1, 4.2]. Это обеспечивается встречным направлением и равенством магнитных потоков Ф_1,N и Ф_2,N, создаваемых возбуждающими катушками 1 и 2 через измерительную катушку N. На фиг. 5 в качестве примера показано направление силовых линий В_1.1 и В_2.1 индукции магнитного поля, создаваемых током I, протекающим по проводникам 1.1 и 2.1 витков катушек 1 и 2. Из приведенного примера видно, что магнитные потоки, создаваемые возбуждающими катушками 1 и 2 через сечение любой измерительной катушки, направлены навстречу друг другу и взаимно компенсируются. При этом магнитные потоки возбуждающих катушек 1 и 2 через витки возбуждающей катушки 1, направлены в сторону рабочего торца и суммируются. Таким образом, введение второй возбуждающей катушки 2 позволяет улучшить балансировку первой измерительной системы 3 и обеспечивает балансировку второй измерительной системы 4, состоящей из последовательно - встречно соединенных катушек 4.1 и 4.2.

При наличии только одной возбуждающей катушки 1 и последовательно -встречном соединении катушек 4.1 и 4.2 балансировки второй измерительной системы 4 не происходит, так как ток во взаимодействующих с ними проводниках 1.1 и 1.2 витков катушки 1 направлен встречно. За счет этого индуцируемые катушкой 1 в катушки 4.1 и 4.2 напряжения не вычитаются, а суммируются. Балансировка происходит только при совместном действии возбуждающих катушек 1 и 2. Измерительные катушки 4.1 и 4.2 должны быть включены именно последовательно-встречно из-за того, что тангенциальные составляющие Н_т напряженности магнитного поля, создаваемого трещиной 10 имеют противоположные направления по разные стороны от центра трещины для принятой системы возбуждения в виде прямоугольных катушек 1 и 2.

Следует отметить, что, как было показано в прототипе [Шкатов П. Н. Вихретоковый преобразователь для дефектоскопии // Патент № 2796194 C1 Российская Федерация, МПК G01N 27/90, заявка № 2022130396, заявл. 23.11.2022, опубл. 17.05.2023, Бюл. № 14, 22 с.], измерительная система 3, в обоих вариантах (с одной или тремя катушками) будет сбалансирована и при действии только одной возбуждающей катушки 1. Однако при совместном действии обеих возбуждающих катушек 1 и 2 уровень разбалансировки, определяемый отклонением параметров реальных катушек первой измерительной системы 3 от идеализированных, существенно уменьшается.

Сбалансированный в режиме холостого хода по обеим измерительным системам 3 и 4 вихретоковый преобразователь размещается над поверхностью контролируемого объекта 10. При этом балансировка первой измерительной системы 3 сохраняется. При выполнении системы 3 в варианте с тремя катушками 3.1, 3.2 и 3.3 (фиг. 2), как показано в прототипе [Шкатов П.Н. Вихретоковый преобразователь для дефектоскопии // Патент № 2796194 C1 Российская Федерация, МПК G01N 27/90, заявка № 2022130396, заявл. 23.11.2022, опубл. 17.05.2023, Бюл. № 14, 22 с.], влияние перекосов оси ВТП в значительной степени подавляется при одновременном увеличении чувствительности к дефектам.

При взаимодействии с объектом контроля 9 индуцированными в нем вихревыми токами в измерительных катушках 4.1 и 4.2 второй измерительной системы будут наводиться напряжения U_y1 и U_y2. Магнитные потоки вихревых токов через плоскости витков катушек 4.1 и 4.2 имеют встречное направление, поэтому при последовательно - согласном соединении катушек 4.1 и 4.2 балансировка второй измерительной системы на бездефектном участке сохранялась бы. Однако в этом случае и изменения напряжений U_y1 и U_y2, вносимые под воздействием дефекта будут компенсироваться. Смысл введение второй измерительной системы 4 состоит в регистрации вносимых дефектом сигналов U_y=ΔU_y1+ΔU_y2 одновременно с регистрацией сигналов U_x первой измерительной системы 3 и их совместном анализе. В связи с этим катушки 4.1 и 4.2 следует соединять последовательно-встречно, а напряжение U_ум=U_y1+U_y2, возникающее на выходе измерительной системы 4 на бездефектном участке, компенсировать, например, с помощью компенсатора в соответствующем измерительном канале электронного блока дефектоскопа (не показан).

В процессе дефектоскопии вихретоковый преобразователь перемещается вдоль оси 7 (ось х). Приведенные на фиг. 6 графики изменения квадратурных составляющих нормированных напряжений и , вносимых трещиной 9 в измерительные системы 3 и 4, соответственно, в функции расстояния х_и=Δх между центром ВТП и дефектом 9 (фиг. 3,4) показывают качественное различие зависимостей функций U_x(х) и U_y(х). Обе квадратурные составляющие и функции имеют два разнополярных экстремума, смещенных относительно х_и=0 при симметричном размещении ВТП и дефекта 9. В то же время обе квадратурные составляющие и функции при х_и=0 имеют экстремальные значения и не меняют знак.

Здесь и далее нормировка осуществлялась по начальному напряжению на одной из катушек, например, 4.1 второй измерительной системы 4. Так как начальные напряжения всех катушек первой измерительной системы 3 нулевые, нормировка напряжения осуществлялась по максимуму напряжения U_N, наводимая в измерительную систему 2 при перемещении ВТП над торцом и второго ВТП идентичного первому. При этом первый ВТП подключается к электронному блоку только своим входом, а второй ВТП - только своим выходом. Методика измерения нормирующего напряжения U_N приведена в источнике [Шкатов П.Н. К вопросу о нормировке сигналов дифференциальных вихретоковых преобразователей // Тезисы докладов XXIII Всероссийской НТК по неразрушающему контролю и технической диагностике, 23-25 октября, 2023 г.].

При вихретоковой дефектоскопии широко используют годографы вихретокового сигнала , отражающие зависимость одной из его квадратурных составляющих от другой при сканировании [Федосенко Ю.К., Шкатов П.Н., Ефимов А.Г. Вихретоковый контроль. - Москва: Издательский дом "Спектр", 2014. - 224 с.]. Это делается для того, чтобы разделить влияние на вихретоковый сигнал различных факторов, например, дефектов сплошности и структурных неоднородностей, вариации рабочего зазора, перекосов и т.п. Обычно годографы вихретокового сигнала при перемещении дифференциальных ВТП над дефектом имеют вид восьмерки, части которой располагаются в разных квадрантах комплексной плоскости при приближения к дефекту (x_u>0) и удаления от него ВТП (x <0). Часто восьмеркообразные годографы вырождаются в линию. В абсолютных ВТП годографы имеют вид кривых, совпадающих при приближении ВТП к дефекту и удалении от него.

Приведенные на фиг. 7 годографы первой измерительной системы 3 (фиг.2) при перемещении ВТП над длинными трещинами имеют восьмеркообразный вид, если глубина h трещины h=1 мм и близкий к линии при h=5 мм.

Годографы второй измерительной системы 4, как видно из фиг. 8, при перемещении ВТП над длинными трещинами при h=1,3,5 и 10 мм имеют кривых, совпадающих при приближении и удалении ВТП относительно дефекта.

Зависимости на фиг.6 - 8 приведены для материала с удельной электрической проводимостью , относительной магнитной проницаемостью μ=200 при рабочей частоте f=150 КГц и размерах возбуждающих катушек 720 мм. При вариации указанных параметров вид представленных на фиг. 6 - 8 зависимостей и отмеченные закономерности сохраняются.

Рекомендацию по выбору параметров первой измерительной системы 3 даны в прототипе. Расстояние y_k измерительных катушек 4.1 и 4.2 второй измерительной системы от оси 7 симметрии ВТП рекомендуется выбирать из соотношения

0,9b > y_k/ > 0,4b,

где b - ширина прямоугольных возбуждающих катушек 1 и 2.

Целесообразность такого выбора следует из приведенной на фиг. 11 зависимости отношения U_y/U_{y max} от расстояния y_k.

Вихретоковые сигналы от дефектов, отображаемые в виде зависимостей, подобных представленным на рис. 7 и 8, во многих случаях схожи с отображениями вихретоковых сигналов, не связанных с воздействием дефектов. Вероятность неверной интерпретации регистрируемого при дефектоскопии вихретокового сигнала существенно уменьшается при совместном анализе вихретоковых сигналов U_x и U_y, имеющих качественно различные и однозначные функции изменения U_x(х) и U_y(х) при перемещении над дефектом.

Результат совместного анализа функций U_x(х) и U_y(х) удобно представить в виде их зависимостей друг от друга, которые могут выводиться на дисплей дефектоскопа в процессе сканирования. На фиг. 9 представлена зависимость , а на фиг. 10 - для трещин глубиной от 1 до 10 мм. Аналогичный вид имеют зависимости между амплитудами U_x(х) и U_y(х), однако, так как амплитуда может быть только положительной диаграмма разместится в первом квадранте координатной системы, а кривые при приближении и удалении ВТП от дефекта сольются. Этот недостаток можно устранить, если использовать дополнительную информацию об изменении знака одной из квадратурных компонент U_x(х) или ее фазы. В этом случае будет анализироваться функция U_x{Sign[Re(U_y)]U_y}, учитывающая изменение знака при приближении и удалении ВТП от дефекта и имеющая, поэтому, такую же форму, как функции и . Форма получаемых при сканировании дефектного участка фигур является уникальной, определяемая согласованным изменением осевой и тангенциальной составляющих магнитного поля при воздействии дефекта типа трещины. Это существенно повышает достоверность контроля.

Таким образом заявляемый вихретоковый преобразователь для дефектоскопии, по сравнению с прототипом, обеспечивает большую достоверность контроля, за счет уменьшения вероятности неверной идентификации вихретоковых сигналов при дефектоскопии путем регистрации двух вихретоковых сигналов, один из которых определяется осевой составляющей магнитного поля дефекта, а второй - его тангенциальной составляющей.

Изобретение относится к неразрушающему контролю и может быть использовано для дефектоскопии электропроводящих объектов. Технический результат: повышение достоверности контроля. Сущность: первая измерительная система 3 предназначена для регистрации вихретоковых сигналов определяемых осевой составляющей магнитного поля дефекта. Первая измерительная система 3 размещена над плоскостью витков возбуждающей катушки 1 со стороны, противоположной рабочему торцу 6 преобразователя, симметрично относительно его центра в плоскости, перпендикулярной противолежащим сторонам 1.1, 1.2 витков прямоугольной возбуждающей катушки 1. Вторая измерительная система предназначена для регистрации вихретоковых сигналов определяемых тангенциальной составляющей магнитного поля дефекта. Вторая измерительная система состоит из двух последовательно-встречно соединенных идентичных катушек индуктивности 4.1 и 4.2, размещенных симметрично относительно возбуждающих катушек 1, 2 с осевым зазором вдоль оси 8, расположенной симметрично относительно возбуждающих катушек 1, 2 и параллельно плоскостям витков катушек первой измерительной системы 3. 11 ил.

Вихретоковый преобразователь для дефектоскопии, содержащий размещенную в плоскости рабочего торца прямоугольную возбуждающую катушку индуктивности и измерительную систему, состоящую из по меньшей мере одной прямоугольной катушки индуктивности, катушки измерительной системы расположены над плоскостью витков возбуждающей катушки со стороны, противоположной рабочему торцу, размещены симметрично относительно его центра и в плоскостях, перпендикулярных противолежащим сторонам витков прямоугольной возбуждающей катушки, отличающийся тем, что он снабжен второй измерительной системой и второй возбуждающей катушкой индуктивности, идентичной первой, соединенной с ней последовательно согласно, размещенной соосно с ней и симметрично относительно катушек первой измерительной системы, вторая измерительная система состоит из двух последовательно-встречно соединенных идентичных катушек индуктивности, размещенных симметрично между возбуждающими катушками с осевым зазором вдоль оси, расположенной симметрично относительно возбуждающих катушек и параллельно плоскостям витков катушек первой измерительной системы.