вихретоковый дефектоскоп и способ его настройки

Формула изобретения

1. Вихретоковый дефектоскоп, состоящий из последовательно соединенных автогенератора, параллельный колебательный контур которого содержит вихретоковый преобразователь и конденсатор, детектора и индикатора, отличающийся тем, что в него введены переменный резистор и катушка индукционности, причем первая ветвь параллельного колебательного контура образована параллельно соединенными вихретоковым преобразователем и переменным резистором, последовательно которым подключен конденсатор, а вторая ветвь состоит из катушки индуктивности.

2. Способ настройки вихретокового дефектоскопа, заключающийся в том, что регулированием напряжения питания автогенератора устанавливают его в режим автоколебаний, вихретоковый преобразователь устанавливают рабочим торцом на бездефектный участок образца с дефектом, регулированием напряжения питания автогенератора устанавливают его в режим, достаточно далекий от срыва автоколебаний, сканируют вихретоковый преобразователь по образцу с дефектом и по показаниям индикатора проверяют дефектоскопом дефекта, отличающийся тем, что регулированием переменного резистора отстраиваются от влияния зазора между рабочим торцом вихретокового преобразователя и поверхностью образца.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к неразрушающему контролю и может использоваться для выявления дефектов типа "нарушения сплошности" в электропроводящих немагнитных изделиях.

Известен двухконтурный автогенераторный дефектоскоп, к управляющему электроду (сетке, базе) активного элемента автогенератора которого подключены одними концами комплексные сопротивления Z₂ и Z₃, подключенные другими концами каждое к катоду (эмиттеру) и аноду (коллектору) соответственно активного элемента автогенератора, к которым также подключено одним и другим концами соответственно комплексное сопротивление Z₁, причем комплексные сопротивления Z₂ и Z₃ образуются каждое параллельными колебательными контурами, катушка индуктивности колебательного контура, образующего комплексное сопротивление Z₃, является вихретоковым преобразователем, комплексное сопротивление Z₁ образовано емкостью.

Дефектоскоп применяется для выявления поверхностных дефектов типа "нарушения сплошности" с отстройкой от влияния зазора в электропроводящих немагнитных и магнитных изделиях [1]

Недостатком дефектоскопа является его сложность.

Известен способ настройки двухконтурного автогенераторного дефектоскопа, заключающийся в том, что элементы колебательных контуров регулируют таким образом, что собственная частота контура преобразователя устанавливается ниже собственной частоты второго контура. При этом при установке датчика на металл происходит сближение настроек обоих контуров за счет повышения собственной частоты контура датчика, в результате чего коэффициент обратной связи возрастает, одновременно уменьшается добротность контура датчика, что приводит к уменьшению коэффициента обратной связи, в результате чего коэффициент обратной связи не меняется, что соответствует отстройке от влияния зазора.

Недостатком способа также является его сложность.

Наиболее близким к изобретению является вихретоковый дефектоскоп, состоящий из последовательно соединенных автогенератора, параллельный колебательный контур которого образован вихретоковым преобразователем и конденсатором, детектора и индикатора [2]

Недостатком дефектоскопа является отсутствие отстройки от влияния зазора.

Наиболее близким к изобретению является также способ настройки вихретокового дефектоскопа, заключающийся в том, что регулированием напряжения питания автогенератора устанавливают его в режим автоколебаний, вихретоковый преобразователь устанавливают рабочим торцом на бездефектный участок образца с дефектом, регулированием напряжения питания автогенератора устанавливают его в режим, достаточно далекий от срыва автоколебаний, сканируют вихретоковый преобразователь по образцу с дефектом и по показаниям индикатора проверяют выявление дефектоскопом дефекта.

Недостатком способа является отсутствие отстройки от влияния зазора.

Задачей изобретения является повышение надежности выявления дефектов типа "нарушения сплошности" в электропроводящих немагнитных магнитных изделиях путем отстройки от влияния зазора.

Поставленная задача достигается тем, что в вихретоковый дефектоскоп, состоящий из последовательно соединенных автогенератора, параллельный колебательный контур которого образован вихретоковым преобразователем и конденсатором, детектора и индикатора добавлены переменный резистор и катушка индуктивности, причем первая ветвь параллельного колебательного контура образована параллельно соединенными вихретоковым преобразователем и переменным резистором, последовательно к которым подключен конденсатор, а вторая ветвь состоит из катушки индуктивности.

Поставленная задача достигается также тем, что регулированием переменного резистора отстраиваются от влияния зазора между рабочим торцом вихретокового преобразователя и поверхностью контролируемого изделия.

Сопоставительный анализ с прототипом позволил установить, что данный дефектоскоп имеет новые элементы: переменный резистор и катушку индуктивности и их связи с остальными элементами схемы. Заявляемый способ настройки вихретокового дефектоскопа базируется на новых теоретических зависимостях.

Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями показывает, что новая совокупность признаков, введенные связи и новые теоретические зависимости позволили получить новое техническое свойство: отстроиться от влияния зазора при выявлении дефектов типа "нарушения сплошности" в электропроводящих немагнитных изделиях.

На фиг. 1 приведена структурная схема заявляемого дефектоскопа; на фиг. 2 структурная схема дефектоскопа с упрощенным параллельным колебательным контуром, поясняющая принцип отстройки от влияния зазора; на фиг. 3 - векторная диаграмма сопротивлений последовательно соединенных вихретокового преобразователя и конденсатора, поясняющая принцип отстройки от влияния зазора.

Дефектоскоп содержит последовательно соединенные автогенератор 1, амплитудный детектор 6 и индикатор 7, причем первая ветвь параллельно колебательного контура автогенератора 1 образована параллельно соединенными вихретоковым преобразователем 2 и переменным резистором 3, последовательно к которым подключен конденсатор 4, а вторая ветвь состоит из катушки индуктивности 5. Значение индуктивности катушки индуктивности 5 является минимальным, при котором автогенератор генерирует колебания, что соответствует максимальной чувствительности автогенератора к изменению комплексного сопротивления колебательного контура, значение индуктивности вихретокового преобразователя 2 при одной и той же рабочей частоте может быть выбрано в широких пределах. Например, на частоте 5 МГц индуктивность вихретокового преобразователя 2 может находиться в пределах 1-30 мкГ. В частности использование этого факта может реализовать такую электрическую схему дефектоскопа, в которой один и тот же вихретоковый преобразователь поочередно подключается к разным параллельным колебательным контурам, имеющим разные резонансные частоты, что позволяет осуществлять вихретоковый контроль с отстройкой от зазора поочередно на разных рабочих частотах, например, 1 и 5 МГц. Значение емкости конденсатора 4 соответствует необходимой резонансной частоте параллельного колебательного контура. Значение сопротивления переменного резистора 3, соответствующее отстройке от зазора, в зависимости от параметров контура и значения резонансной частоты может находиться в широких пределах. Например, при использовании одного и того же вихретокового преобразователя, индуктивность которого равна, примерно, 30 мкГ на рабочих частотах 1 и 5 МГц данные значения равны соответственно, примерно, 100 Ом и 500 Ом.

Дефектоскоп работает следующим образом.

Автогенератор 1 вырабатывает синусоидальное напряжение. Значение сопротивления переменного резистора 3 устанавливают достаточно малым, примерно немного больше того уровня, при котором начинается заметное уменьшение чувствительности вихретокового преобразователя 2.

Вихретоковый преобразователь 2 размещают рабочим торцом на бездефектном участке образца. Показания индикатора дефектоскопа при этом существенно уменьшается. Изменяя периодически зазор между рабочим торцом вихретокового преобразователя 2 и поверхностью образца, увеличивают значение сопротивления переменного резистора 3.

При достаточно большом значении сопротивления этого резистора при уменьшении зазора между рабочим торцом вихретокового преобразователя 2 и поверхностью образца показания индикатора дефектоскопа сначала уменьшаются, а потом увеличиваются. Уменьшением значения сопротивления переменного резистора 3 устанавливают такое его значение, при котором при уменьшении зазора до нуля между рабочим торцом вихретокового преобразователя 2 и поверхностью образца возрастание показаний индикатора исчезает и остается только их уменьшение. Этот режим контроля соответствует отстройке от влияния зазора. С помощью диэлектрических прокладок проверяется отстройка от зазора. После этого при сканировании вихретокового преобразователя 2 по участку образца, содержащему трещину, проверяется выявление трещины дефектоскопом.

Были проведены испытания нескольких вариантов макетов дефектоскопов. Автогенераторы всех макетов собраны на полевых транзисторах КП302В и КП103М. Конструктивные и электрические параметры колебательного контура первого варианта макета дефектоскопа имеют следующие параметры. Вихретоковый преобразователь 2 намотан на ферритовом сердечнике марки М100, диаметром 1,2 мм, проводом, диаметром 0,07 мм, обмотка имеет примерно 20 витков. Индуктивность обмотки вихретокового преобразователя 1,4 мкГ. Катушка индуктивности 5 намотана также на ферритовом сердечнике марки М100, диаметром 1,2 мм, проводом, диаметром 0,3 мм, обмотка имеет примерно 20-30 витков. Емкость конденсатора 4 равна 270 пФ. Значение резистора 3, соответствующее отстройке от влияния зазора на титановых сплавах, равно примерно 560 Ом. Резонансная частота контура 5 МГц.

Варианты остальных макетов дефектоскопов содержали один и тот же вихретоковый преобразователь 2, индуктивность обмотки которого составляла, примерно, 20-30 мкГ, а электрические параметры остальных элементов колебательных контуров макетов дефектоскопов были отрегулированы таким образом, что резонансные частоты колебательных контуров этих макетов, охватывали диапазон 0,5-15 МГц.

Результаты испытаний следующие.

Диапазон отстройки от влияния зазора уменьшается с увеличением частоты. Значения диапазонов отстройки от зазора на исследуемых частотах приведены в табл. 1.

Проверялась чувствительность дефектоскопа к изменению электропроводности и отстройка от зазора на стандартных образцах удельной электрической проводимости на рабочей частоте 5 МГц.

Результаты испытаний приведены в табл. 2.

На титановых образцах с трещинами дефектоскоп выявил с отстройкой от зазора все трещины глубиной от 20 мкм и больше.

Установлено также, что диапазон по электропроводности контролируемых дефектоскопом металлов и их сплавов включает в себя титановые и алюминиевые сплавы. При контроле алюминиевых сплавов отстройка от влияния зазора осуществляется при больших значениях сопротивления переменного резистора 3, чем при контроле титановых сплавов.

Принцип отстройки от влияния зазора заявляемым дефектоскопом заключается в следующем. Обозначим: комплексное сопротивление вихретокового преобразователя 2-Z₁, равное R₁+jL₁, емкость конденсатора 4 с, индуктивность катушки индуктивности 5 L₂, сопротивление переменного резистора 3 R₂. Для наглядности проанализируем сначала схему дефектоскопа с упрощенным параллельным колебательным контуром, приведенную на фиг. 2.

Комплексное сопротивление колебательного контура будет определяться формулами



При резонансе будет соблюдаться равенство



При этом комплексное сопротивление контура является эквивалентным и будет иметь вид



Модуль эквивалентного сопротивления будет определяться формулой



Напряжение U на выходе автогенератора определяется формулой

U=Z_эI,

где I ток, протекающий через колебательный контур.

При этом U и I являются сложными функциями.

Однако на нагрузочных характеристиках автогенератора в режиме, не очень близком к срыву колебаний, ток почти не зависит, а напряжение почти линейно зависит от Z_э [3]

При этом, если при влиянии зазора на комплексное сопротивление вихретокового преобразователя дробь из формулы (2) меняться не будет, то модуль эквивалентного сопротивления контура Z_э соответственно формуле (1) также меняться не будет, что равнозначно отстройке от влияния зазора.

При увеличении зазора соответственно годографу вносимых сопротивлений вихретокового преобразователя, расположенного над электропроводящим немагнитным полупространством [4] активная составляющая R₁ комплексного сопротивления вихретокового преобразователя уменьшается, а индуктивная составляющая L₁ увеличивается. По условию . Следовательно, при увеличении зазора числитель и знаменатель дроби по абсолютной величине будут одновременно уменьшаться. Найдем условие отстройки от зазора. Пусть при увеличении зазора индуктивность L_i увеличится на приращение L₁, а сопротивление R₁ уменьшится на приращение R₁. Формула (2) при этом примет вид



Выразим данную формулу через относительные приращения числителя и знаменателя дроби



Равенство при влиянии зазора будет соблюдаться при выполнении условия



или



Из годографа вносимого или комплексного сопротивления вихретокового преобразователя следует, что приращение L₁ можно выразить через приращение R₁:L₁=tg(-R₁),, где угол между касательной, проведенной к годографу комплексного сопротивления вихретокового преобразователя при влиянии зазора в рабочей точке и положительным направлением оси активной составляющей комплексного сопротивления вихретокового преобразователя (фиг. 3).

При этом tg < 0..

В соответствии с этим уравнение (3) примет вид



или



Это уравнение является условием отстройки от влияния зазора.

При этом при влиянии зазора tg < 0,, следовательно, .

Отстройке от зазора соответствует определенное значение отношения (т.к. величины L₁ и R₁ прямо пропорциональны изменению частоты ). При этом при резонансе имеют место следующие зависимости:



Из данного уравнения следует, что режим отстройки от зазора устанавливается не регулированием емкости с, а регулированием индуктивности L₂.

Принцип отстройки поясняется векторной диаграммой сопротивлений последовательно соединенных вихретокового преобразователя 2 и конденсатора 4, приведенной на фиг. 3.

На диаграмме изображен годограф комплексного сопротивления вихретокового преобразователя, расположенного над проводящим полупространством при влиянии обобщенного параметра контроля и зазора h.

Начало координат комплексной плоскости сопротивлений, на который расположен годограф, с увеличением индуктивности L₂ смещается по оси индуктивных сопротивлений вверх. При этом вектор, соединяющий начало координат с рабочей точкой, т. е. вектор комплексного сопротивления последовательно соединенных вихретокового преобразователя 2 и конденсатора 4, равный соответственно условию (4) является годографом селективного подавления, по которому отсутствует чувствительность колебательного контура по эквивалентному сопротивлению к изменению комплексного сопротивления вихретокового преобразователя 2. Совмещение этого годографа с годографом влияния зазора соответствует отстройке от влияния зазора.

На степень отстройки от влияния зазора оказывает влияние изменения резонансной частоты при изменении индуктивности L₁ вихретокового преобразователя 2.

Оценим влияние изменения резонансной частоты на отстройку от зазора. Резонансная частота контура соответственно уравнению 1 определяется формулой



При этом предполагается, что в уравнении (4) L₁ и R₁ являются постоянными величинами, а изменяется только .

Поэтому при изменении частоты от влияния зазора уравнение (4) примет вид



Дальнейшую оценку проведем на конкретном примере.

Пусть L₁=0,1 L₁ и L₁=L₂.

Тогда имеем



Если же L₁=0, а L₁=L₂, то имеем



Составляем пропорцию

Откуда



Т. е. можно сказать, что изменение частоты при увеличении на 10% от влияния зазора и равенстве L₁=L₂ увеличивает абсолютное значение tg, соответствующее нулевой чувствительности колебательного контура на 7% При этом годограф комплексного сопротивления вихретокового преобразователя при влиянии зазора представляет собой не прямую линию, а кривую, близкую к прямой, причем такую, что с увеличением зазора абсолютное значение tg тоже увеличивается. Т. е. изменение частоты от влияния зазора улучшает отстройку от зазора. Вычислим на сколько увеличивается значение tg годографа сопротивления вихретокового преобразователя от влияния зазора при увеличении параметра зазора a_п,, равного 2h/R, от 0,1 до 0,2 при значении обобщенного параметра контроля , равном 30, [4, с.19-20]



Составляем пропорцию

tg104^o 4,01

tg102^o 4,7.

Откуда tg102^o=tg104^o1,17.

Т. е. значение tg при увеличении параметра зазора _п от 0,1 до 0,2 увеличивается на 17%

Увеличение параметра зазора _п от 0,1 до 0,2 соответствует, примерно, увеличению индуктивности вихретокового преобразователя на 10% т.е. на столько на сколько и в предыдущем примере: L₁=0,1L₁.

Т. е. можно сделать вывод, что изменение резонансной частоты от влияния зазора в два раза улучшает качество и диапазон отстройки от влияния зазора.

Перейдем теперь к исследованию параллельного колебательного контура заявляемого дефектоскопа, структурная схема которого приведена на фиг. 1.

Комплексное сопротивление колебательного контура заявляемого дефектоскопа будет определяться уравнениями



При резонансе будет соблюдаться равенство:



Формула эквивалентного сопротивления при этот будет иметь вид



Модуль эквивалентного сопротивления будет определяться формулой



Условие отстройки от влияния зазора, а также формула резонансной частоты, получаемая из уравнения (5), являются громоздкими и не наглядными, поэтому их не приводим.

Основными доказательствами отстройки от влияния зазора заявляемым дефектоскопом являются сопоставление полученных формул контура заявляемого дефектоскопа с формулами упрощенного контура, обосновывающими возможность отстройки от влияния зазора дефектоскопом, содержащим автогенератор с данным контуром, а также проведенные испытания макетов заявляемого дефектоскопа.

Кроме вышеприведенных заявляемый дефектоскоп имеет следующие свойства. Отстройка от влияния зазора может осуществляться как регулированием конденсатора 4, если в качестве этого конденсатора применить переменный конденсатор. При этом при уменьшении значения сопротивления переменного резистора 3 от достаточно большого значения отстройка от влияния зазора осуществляется соответственно при увеличении значения емкости конденсатора 4.

При этом отмечено, что чувствительность автогенератора по напряжению к изменению комплексного сопротивления колебательного контура и диапазон отстройки от влияния зазора увеличиваются и при достаточно малом значении сопротивления переменного резистора 3 и достаточно большом значении емкости конденсатора 4 имеют максимальное значение.

Использовать варикапы в качестве переменного конденсатора 4 для отстройки от зазора нельзя, потому что при этом полностью нарушается отстройка от влияния зазора и уменьшается чувствительность, возможно вследствие небольшой добротности варикапов. Использование воздушного конденсатора переменной емкости нерационально вследствие больших габаритов конденсатора. Поэтому наиболее оптимальным для отстройки от влияния зазора является использование переменного резистора 3.

При уменьшении значения этого резистора точка пересечения годографа селективного подавления с осью реактивных сопротивлений вихретокового преобразователя, расположенного над проводящим немагнитным полупространством, смещается вниз, а при увеличении вверх.

Вихретоковый дефектоскоп и способ его настройки не сложны, позволяют отстроиться в широких пределах от зазора при выявлении дефектов типа "нарушения сплошности" в электропроводящих немагнитных изделиях, в качестве регулирующего элемента отстройки от зазора имеют малогабаритный переменный резистор и тем самым повышают надежность и достоверность вихретокового контроля.