Содержание к диссертации
Введение
1. Введение. обзор электромагнитных методов неразрушающего контроля. постановка и обоснование исследования 9
1.1. Введение. Краткое описание результатов работы 9
1.2. Общая характеристика развития и состояния электромагнитных методов неразрушающего контроля 15
1.3. Эффективность многопараметровых методов контроля 21
1.4. Теоретические разработки электромагнитных методов контроля в стационарном режиме возбуждения 29
1.5. Состояние теории нестационарного электромагнитного поля вихретоковых преобразователей 32
1.6. Актуальность развития и обобщения теории нестационарного электромагнитного поля экранированных вихретоковых преобразователей 34
1.7. Цель работы, основные направления исследований
и защищаемые положения 37
2. Теоретические основы исследования и расчета квазиста ционарного электромагнитного поля и параметров наклад ных вихретоковых преобразователей прямоугольной формы при контроле плоских объектов
2.1. Общие уравнения электромагнитного поля вихретоковых преобразователей 43
2.2. Магнитное поле накладного первичного преобразователя прямоугольной форлы над плоской проводящей многослойной средой 46
2.3. Магнитное поле возбуждающей обмотки прямоугольной формы и прямоугольного поперечного сечения над проводящей пластиной 56
2.4. Собственная и взаимная основная и вносимая индуктивность накладного экранированного прямоугольного первичного преобразователя над проводящей пластиной 58
2.5. Выводы 64
3. Теоретические основы исследования и расчета квазистационарного электромагнитного поля и параметров накладных вихретоковых преобразователей кольцевой формы при контроле плоских объектов
3.1. Дифференциальные уравнения для составляющих векторного потенциала магнитного поля 66
3.2. Магнитное поле накладного кольцевого первичного преобразователя над плоской проводящей многослойной средой 67
3.3. Магнитное поле накладного кольцевого первичного преобразователя над проводящей пластиной 77
3.4. Собственная и взаимная индуктивность накладного экранированного кольцевого первичного преобразователя над проводящей пластиной 81
3.5. Обобщегаїе результатов на случай накладного первичного преобразователя из нескольких возбуждающих соосных кольцевых обмоток 84
3.6. Магнитное поле накладного первичного преобразователя над проводящей пластиной для простейших форм возбуждающей обмотки 87
3.7. Магнитное поле накладного кольцевого первичного преобразователя с любой формой поперечного сечения возбуждающей обмотки над проводящей пластиной 89
3.8. Обобщенность полученных результатов по сравнению с известными решениями для экранированных преобразователей 91
3.9. Выражения основных переходных величин и вносимых параметров преобразователя в простейшем случае 97
3.10. Магнитное поле накладного кольцевого вихретокового преобразователя с реальным экраном над проводящей пластиной 102
3.11. Выводы 109
4. Теоретические основы исследования и расчета квазиста-щюнарного электромагнитного поля и параметров проходных вихретоковых преобразователей кольцевой формы при контроле цилшщрических объектов
4.1. Электромагнитное поле кольцевого преобразователя между многослойным цилиндром и многослойной трубой III
4.2. Магнитное поле проходного наружного кольцевого первичного преобразователя с проводящей трубой 117
4.3. Собственная и взаимная индуктивность проходного наружного кольцевого первичного преобразователя с проводящей трубой 120
4.4. Магнитное поле первичного преобразователя с возбуждающей кольцевой обмоткой, смещенной с радиальной оси 123
4.5. Магнитное поле первичного преобразователя с двумя возбуждающими соосными кольцевыми обмотками одинаковых размеров 124
4.6. Обобщение результатов на случай проходного первичного преобразователя с несколькими возбуждающими соосными кольцевыми обмотками 126
4.7. Магнитное поле проходного первичного преобразователя для простейших форм возбуждающей обмотки 128
4.8. Магнитное поле проходного кольцевого первичного преобразователя с любой формой поперечного сечения возбуждающей обмотки 130
4.9. Обобщенность полученных результатов по сравнению с известными решениями для проходных неэкранированных преобразователей 132
4.10. Магнитное поле проходного кольцевого вихретокового преобразователя с проводящей трубой и реальным экраном 135
4.11. Вывода 140
5. Теоретические основы исследования и расчета квазистационарного электромпштного поля первичных преобразователей кольцевой формы при контроле сферических объектов
5.1. Дифференциальные уравнения для составляющих векторного потенциала магнитного поля в сферической системе координат 142
5.2. Электромагнитное поле кругового первичного преобразователя над проводящей многослойной сферой 143
5.3. Магнитное поле кругового первичного преобразователя над проводящей сферой 150
5.4. Собственная и взаимная индуктивность первичного преобразователя кольцевой формы над проводящей сферой . 152
5.5. Магнитное поле кольцевого преобразователя для простейших форм возбуждающей обмотки 157
5.6. Обобщение результатов на случай нескольких возбуждающих соосных кольцевых обмоток 158
5.7. Магнитное поле кольцевого первичного преобразователя при любой форме поперечного сечения возбуждающей обмотки 160
5.8. Выводы 161
6. Приближенное численное обращение преобразования лапласа
6.1. Общая характеристика интерполяционных методов обращения преобразования Лапласа 163
6.2. Общая характерная информативность функции-изображения 165
6.3. Интерполяционный метод последовательных приближений 167
6.4. Вопросы сходимости интерполирования и обращения преобразования Лапласа методом последовательных приближений 171
6.5. Выводы 173
7. Основные результаты расчетов характеристик вихретоковых преобразователей
7.1. Особенности распределения составляющих напряженности магнитного поля у поверхности объекта контроля 175
7.2. Локальность контроля и способы ее повышения 185
7.3. Собственная и взаимная вносимые операторные индуктивности вихретоковых преобразователей 188
7.4. Чувствительность первичных преобразователей к основным первичным параметрам контроля 204
7.5. О точности расчетов и влиянии экрана и соотношений между основными размерами преобразователя 209
7.6. Параметры вихретоковых преобразователей при установившемся синусоидальном режиме 213
7.7. Влияние размеров и свойств реальных экранов на вносимые параметры вихретоковых преобразователей 216
7.8. Выводы 231
8. Выделение информции вихретокового преобразователя на элементах первичной измерительной цепи
8.1. Обоснование формы напряжения питания цепи преобразователя и тока в возбуждающей обмотке 235
8.2. Первичная измерительная цепь для выделения полезной информации и оценка характера коммутации 237
8.3. Основные величины первичной измерительной цепи 240
8.4. Анализ чувствительности выходной информации при коммутации первичной измерительной цепи с источником постоянного напряжения 243
8.5. Рекомендации по отбору выходной информации для взаимной развязки основных первичных параметров контроля 252
8.6. Общие и характерные отличительные особенности предложенных и известных расчетных моделей, методов и конечных результатов 254
8.7. Выводы 258
9. Средства неразруиіающего контроля нефтепромысловых труб и некоторые вопросы реализации импульсного электромаг нитного контроля
9.1. Общая характеристика средств неразрушающего контроля качества труб нефтяного сортамента 262
9.2. Анализ методической погрешности при контроле толщины разностеиных труб 271
9.3. Обоснование и сущность способа импульсного мно-гопараметрового электромагнитного контроля 281
9.4. Устройство импульсного многопараметрового электромагнитного контроля 283
9.5. Принципиальная схема устройства для контроля групп прочности стальных труб нефтяного сортамента 287
9.6. Результаты испытаний и их обработка методами математической статистики 292
9.7. Выводы 302
10. Заключение и выводы 304
Литература
- Теоретические разработки электромагнитных методов контроля в стационарном режиме возбуждения
- Магнитное поле накладного первичного преобразователя прямоугольной форлы над плоской проводящей многослойной средой
- Магнитное поле накладного кольцевого первичного преобразователя над плоской проводящей многослойной средой
- Собственная и взаимная индуктивность проходного наружного кольцевого первичного преобразователя с проводящей трубой
Введение к работе
Повышение технического уровня, экономичности и качества продукции всех видов является одной из важнейших народнохозяйственных задач. Успешное решение этой задачи зависит от развития новой техники, а также от разработки, внедрения и освоения прогрессивных технологических процессов и методов контроля. "Основные направления экономического и социального развития СССР на 1981 -1985 годы и на период до 1990 года", принятые ХХУІ съездом КПСС, предусматривают на основании использования достижений науки и техники "ускорить внедрение автоматизированных методов и средств контроля качества и испытания продукции как составной части технологических процессов".
В проблеме повышения качества и надежности изделий важная роль принадлежит неразрушающему контролю - толщинометрии и дефектоскопии, т. е. науке о принципах, методах и средствах обнаружения и измерения дефектов, под которыми понимают любые отклонения от заданных физических или других свойств изделия в целом или каких-либо его частей на всех стадиях изготовления и эксплуатации изделия.
За последние годы физика и техника неразрушающего контроля сделали огромный скачек Еперед и являются одним из наиболее быстро развивающихся направлений в прикладной науке, для которого характерно использование новейших достижений теори и экспериментальной техники, заимствованной во многих смежных областях. В настоящее время важное значение имеет внедрение неразрушающих методов контроля, позволяющих оценивать качество 100% продукции.
Основные преимущества этих методов контроля выявляются при применении их в серийном производстве.
Об удельном весе контрольных операций свидетельствуют, например, такие цифры /487. На металлургических предприятиях, выпускающих трубы, на контроле занято 18-20$ рабочих (тем больше, чем выше требования к качеству изделий), при этом разрушению подвергаются 10-18$ труб от партии. На машиностроительных заводах количество разрушенных деталей может достигать 20-25$ от партии, поскольку из деталей изготовляют образцы для механических и металлографических испытаний после литья и термической обработки, после механической и окончательной термической обработки и т. д.
В настоящее время повсеместно для контроля механических свойств материалов применяют громоздкое и дорогостоящее механическое оборудование для испытаний на растяжение, сжатие, изгиб, кручение, удар, твердость, вибрацию, длительную прочность, ползучесть, релаксацию напряжений и т. д. При этом определяют пределы прочности, текучести, упругости, относительное удлинение, ударную вязкость, твердость и ряд других параметров. Эти испытания могут быть только выборочными, а сами механические характеристики не являются детерминированными величинами даже для одной и той же марки материала, плавки и т. д. Такие испытания стальных изделий по механическим свойствам, требующие больших затрат сил и средств, во многих случаях могут быть заменены магнитным контролем без изготовления образцов и разрушения изделий.
Массовые и высокопроизводительные ультразвуковые, электромагнитные, магнитные и другие методы пока еще не позволяют точно определять основные размеры дефекта - его ширину раскрытия, глубину залегания, ориентацию, форму и т. д., так как слишком приближенны расчеты физических полей, отраженных от реально суще ствующих дефектов, проходящих через них и рассеянных. Кроме того, имеется неоднозначность взаимосвязи полей и дефектов, когда различным вариантам формы и расположения дефектов соответствуют практически одинаковые вторичные рассеянные или проходящие поля.
Очень важным остается выбор оптимального по корреляциям физического метода контроля материалов и изделий. Должны сблизиться разрушающие и неразрутающие методы испытаний, разрабатываться комплексы испытательной техники, содержащие средства не-разрушающего и разрушающего контроля одновременно (имеется в виду, что массовые измерения однотипных изделий будут производиться только приборами неразрушающего контроля).
По данным Европейской организации по контролю качества (ЕСНК) 10$ национального продукта любой страны теряется из-за низкого качества изделий и материалов /757. Поэтому широкое внедрение неразрушающих методов контроля позволит избежать столь больших материальных потерь и затрат времени, а также обеспечить полную или частичную автоматизацию операций контроля при одновременном значительном повышении качества и надежности продукции. Важность развития дефектоскопии обусловлена также теми новыми сложными задачами, которые ставит перед ней стремительный прогресс науки и техники. Этим объясняется то огромное внимание, которое уделяется дефектоскопии в нашей стране и за рубежом. Ни один прогрессивный технологический процесс получения ответственной продукции не рекомендуется для внедрения в промышленность без соответствующей системы неразрушающего контроля. Затраты на количественную оценку качества и диагностику неразрутающими методами контроля быстро окупаются.
В США ожидается дальнейший рост затрат на производство массовых средств неразрушающего контроля с 90 млн. долларов в 1975 г. до 260 млн. долларов в 1980 г. и 830 млн. долларов в 1990 г., причем практически одинаково будет увеличиваться производство автоматизированных и неавтоматизированных средств не-разрушающего контроля /75/. Почти 40% объема производства средств неразрушающего контроля составляют рентгеновские, 25% -акустические, 24% - магнитные и электромагнитные. К 1990 г. на первое место как в промышленности, так и в медицине выйдут безопасные акустические средства неразрушающего контроля, на второе - магнитные и электромагнитные методы и на третье - радиационные .
Номенклатуру серийно выпускаемых средств неразрушающего контроля в нашей стране составляют более 100 типов приборов (40% акустических, 35% магнитных и электромагнитных, 25% радиационных и др.), из которых 60% - дефектоскопы, 20% - измерители физико-механических свойств, остальные - измерители размеров и ряда других параметров.
Приборы неразрушающего контроля позволяют контролировать широкий ассортимент материалов, полуфабрикатов и готовых изделий на предприятиях металлургической, машиностроительной, химической промышленности, электроэнергетики, железнодорожного транспорта, радиоэлектронной промышленности, а также в ремонтных и эксплуа-тирующихорганизациях многих отраслей народного хозяйства. Они предназначены для осуществления трех основных видов контроля:
1) обнаружения дефектов типа нарушений сплошности (трещин, раковин, волосовин, включений, расслоений, непроклеев и непропа-ев и др.);
2) измерения геометрических размеров или размерных дефектов изделий (толщины стенок, листов, покрытий, диаметра проволоки, прутков, зазоров и др.);
3) контроля физических (электрических, магнитных, механических) свойств материалов: электропроводимости, диэлектрической и магнитной проницаемости, коэрцитивной силы, типа структуры, качества упрочненных слоев, содержания и распределения феррит-ной фазы в сталях, пластичности, твердости и т. п., а также некоторых их химических свойств. Особую группу в неразрушающем контроле составляют средства технической диагностики, которые обеспечивают наблюдение за полем или излучением объекта при его изготовлении и эксплуатации для предсказания будущей работоспособности или предупреждения о возникновении предаварийного состояния.
К современным средствам неразрушающего контроля качества промышленной продукции предъявляются следующие общие требования /76/:
1) осуществление контроля не на одной, а на многих стадиях изготовления изделия, а также при эксплуатации и ремонте;
2) контроль всей продукции агрегата, цеха или предприятия;
3) согласованность скорости контроля с производительностью технологических агрегатов;
4) достоверность контроля, или, иными словами, высокое его качество;
5) максимальная автоматизация контроля и приспособление его для управления технологическими процессами;
6) высокая надежность, возможность использования в сложных эксплуатационных условиях.
Удовлетворить растущую потребность народного хозяйства в средствах неразрушающего контроля и обеспечить их высокий качественный уровень при минимальных трудовых и материальных затратах можно только при условии перехода к системному принципу разработки и производства этих средств - созданию агрегатного комплекса средств неразрушающего контроля, цели и принципы построения которого излагаются и обосновываются в работе /76/.
В последнее Еремя появилось довольно много литературных трудов, в которых излагается сущность того или иного метода дефектоскопии. Следует, в частности, отметить фундаментальные работы и монографии В.Г. Герасимова, А.К. Денеля, А.Л. Дорофеева, И.Н. Ермолова, Н.Н. Зацепина, СВ. Румянцева, Д.С. Шрайбера, Н.В. Химченко и В.А. Боброва, а также справочники по неразруша-ющему контролю металлов, материалов и изделий под редакцией В.В. Клюева и Г.С. Самойловича, в которых широко освещены теория и практика электромагнитного, ультразвукового, радиационного и других методов неразрушающего контроля.
Однако в известной отечественной и зарубежной литературе до настоящего времени весьма слабо освещены вопросы теории и многопараметрового электромагнитного контроля в нестационарном режиме работы экранированных вихретоковых преобразователей. Применение таких преобразователей определяется тяжелыми метрологическими условиями работы, т. е. необходимостью их защиты от мешающего ЕЛИЯНИЯ внешних электромагнитных полей и механических повреждений при вибрациях объекта контроля, а также концентрацией магнитного поля в зоне контроля.
В представленной диссертационной работе изложены теоретические основы исследования и расчета квазистационарного электромагнитного поля и параметров экранированных накладных и проходных вихретоковых преобразователей прямоугольной и кольцевой формы вблизи плоской, цилиндрической и сферической проводящей многослойной среды при любой форме поперечного сечения и тока в обмотке возбуждения, что обобщает известные классические решения, метод Рота и метод зеркальных изображений.
Определена собственная и взаимная основная и вносимая индуктивности вихретокового преобразователя, которые позволяют объединить совместное решение полевых задач по расчету электро магнитного поля первичных преобразователей с объектами контроля и анализ переходных процессов в первичных измерительных цепях для получения информативных переходных величин.
Исследована чувствительность параметров преобразователя и переходных величин первичной измерительной цепи к основным первичным параметрам контроля в течение переходного процесса и на этой базе обоснован и изложен способ и устройство многопарамет-рового контроля в нестационарном режиме работы вихретокового преобразователя.
На основании практических расчетов и экспериментальных исследований группой авторов под руководством и непосредственном участии соискателя разработаны и внедрены средства непрерывного бесконтактного неразрушающего контроля качества труб нефтяного сортамента в производственных условиях трубопрокатных заводов и буровых предприятий без нарушения основных технологических процессов.
1.2. Общая характеристика развития и состояния электромагнитных методов неразрушающего контроля
Электромагнитный метод неразрушающего контроля основан на регистрации изменений электромагнитного поля вихревых токов, наводимых в электропроводящем объекте контроля основным электромагнитным полем, возбужденным переменным током в преобразователе. В качестве преобразователя используют обычно индуктивные катушки (одну или несколько). Электромагнитное поле вихревых токов воздействует на катушки преобразователя, наводя в них электродвижущие силы или изменяя их полное сопротивление. Регистрируя напряжение на зажимах катушки или ее сопротивление, получают информацию о свойствах объекта и о положении преобразователя относительно него.
Электродвижущая сила (или сопротивление) преобразователя зависит от многих параметров объекта контроля, т. е. информация преобразователя многопараметровая. Это определяет преимущество и трудности реализации метода вихревых токов. С одной стороны, электромагнитный метод позволяет осуществить мяогопараметровый контроль; с другой стороны, требуются специальные приемы для разделения информации об отдельных параметрах объекта. При контроле одного из параметров влияние остальных параметров на сигнал преобразователя становится мешающим, и это влияние необходимо уменьшать.
Другая особенность электромагнитного контроля состоит в том, что его можно проводить без контакта преобразователя с объектом. Их взаимодействие происходит обычно на небольших расстояниях, но достаточных для свободного движения преобразователя относительно объекта. Поэтому этим методом можно получать хорошие результаты при высоких скоростях движения объектов контроля.
Электромагнитный метод применяется в основном для контроля качества электропроводящих объектов: металлов, сплавов, графита, полупроводниковых структур. Ему свойственна малая глубина зоны контроля, определяемая глубиной проникновения электромагнитного поля в контролируемую среду.
В дефектоскопии с помощью метода вихревых токов обнаруживают дефекты типа нарушения сплошности, выходящие на поверхность или залегающие на небольшой глубине под поверхностью (в электропроводящих листах, прутках, трубах, проволоке, мелких деталях, железнодорожных рельсах и т. д.), выявляют разнообразные трещины, расслоения, закаты, плены, раковины, неметаллические включения и т. д.
Электромагнитный метод позволяет успешно решать задачи контроля размеров изделий. Этим методом измеряют диаметр проволоки, прутков и труб, толщину металлических листов и стенок труб при одностороннем доступе к изделию, толщину электропроводящих и диэлектрических покрытий на электропроводящих основаниях, толщины слоев многослойных структур, содержащих электропроводящие слои. Измеряемые толщины могут изменяться в пределах от единиц микрометров до десятков миллиметров. С помощью этого метода контролируют зазоры и вибрации деталей изделий /1227.
Структурное состояние металлов и сплавов влияет на их электрические и магнитные характеристики. Благодаря этому оказывается возможным контролировать не только вариации химического состава, но и структуру металлов и сплавов, а также определять механические напряжения в них. Широко применяют вихретоковые измерители удельной электрической проводимости и другие приборы для сортировки металлических материалов и графитов по маркам (по химическому составу). С помощью электромагнитных приборов контролируют качество термической и химико-термической обработки деталей, состояние поверхностных слоев после механической обработки (шлифование, наклеп), обнаруживают остаточные механические напряжения, ВЫЯЕЛЯЮТ усталостные трещины в металлах на ранних стадиях их развития, обнаруживают наличие d -фазы и т.д.
Теоретической и практической разработкой различных сторон электромагнитного метода неразрушающего контроля материалов и изделий занимались многие исследователи в СССР, ФРГ, Англии, Венгрии, США, Японии. В нашей стране большая заслуга в теоретическом обосновании и практическом внедрении этого метода принадлежит В.К. Аркадьеву, В.Г. Герасимову, Б.В. Гончарову, Т.Я. Го-раздовскому, Ю.К. Григулису, А.Л. Дорофееву, Н.Н. Зацепину, В.В. Клюеву, В.Г. Михайловскому, А.И. Никитину, Н.М. Родигину, А.Б. Сапожникову, B.C. Соболеву, В.В. Сухорукову, В.Е. Шатерни-кову, Ю.М. Шкарлету и др. Среди зарубежных исследователей в этой области в первую очередь следует отметить Д. Вайделиха, С. Додда, Б. Карниоля, Ф. Ферстера, Р. Хохшильда.
Электромагнитный метод контроля качества основан на косвенном измерении физических констант: магнитной проницаемости и удельной электрической проводимости объекта контроля. Поэтому проблема заключается в установлении корреляционных связей между этими физическими константами и механическими характеристиками материалов, физическими и химическими процессами образования и перестройки структуры и фазового состава металла. При изменении условий испытаний становится трудно или почти невозможно определить отдельные контролируемые параметры по сигналу, получаемому при одночастотном методе.
При контроле объектов из линейных материалов на одной рабочей частоте сигнал вихретокового преобразователя имеет два параметра: амплитуду и фазу комплексного напряжения, действительную и мнимую составляющие комплексного напряжения или сопротивления, модуль и аргумент комплексного сопротивления. Это позволяет реализовать двухпараметровый контроль, если влияние параметров объекта контроля на параметры сигнала различно. Тогда в качестве носителей информации используют оба параметра сигнала.
Для повышения достоверности и разрешающей способности контроля применяются различные способы подавления влияния мешающих факторов: стабилизация положения преобразователя относительно объекта контроля, стабилизация и вариация режимов контроля, стабилизация параметров объекта контроля, регистрация экстремальных значений сигналов преобразователя, амплитудно-частотный способ, модуляционный анализ, включение преобразователя в резонансный контур, подбор режимов входной цепи и др.
Для стабилизации положения вихретокового преобразователя относительно объекта контроля используют механизмы с пружинами, возвращающими объект или преобразователь (для накладных преобразователей) в исходное положение при их отклонении, или направляющие ролики, ограничители (для проходных преобразователей).
Структурные схемы приборов, в которых используется способ стабилизации режима контроля, разнообразны, однако во всех приборах имеется обратная связь между блоком обработки информации и блоком генераторов или между блоком обработки информации и блоком измерительных преобразователей /122/.
Способ вариации условий контроля основан на том, что мешающий фактор (например, зазор) принудительно изменяется в широких пределах, перекрывающих возможный диапазон изменений в процессе контроля. При достижений номинальных условий контроля (номинальный зазор) производится отсчет контролируемых параметров.
Стабилизация параметров объекта контроля основана на различных физических воздействиях на него и практически применяется при контроле ферромагнитных материалов и в некоторых других случаях. Для стабилизации магнитных свойств ферромагнитных материалов используют подмагничивание сильным постоянным магнитным полем. При этом уменьшаются полезные сигналы и помехи, но отношение сигнал/помехи обычно возрастает.
Способ вихретокового контроля, основанный на регистрации экстремальных значений сигналов преобразователей, проанализирован в литературе /ЇОо/. Использование экстремальных значений функции мешающего фактора позволяет довольно простым путем исключить погрешность от этого фактора. Предложена методика выбора оптимального варианта некоторых типов измерительных схем, когда обеспечивается максимальная чувствительность к измеряемо му параметру при условии отстройки от мешающего фактора.
Частоту колебаний тока или напряжения можно использовать в качестве носителя полезной информации при включении вихретокового преобразователя в цепь автогенератора. При выделении полезной информации амплитудно-частотным способом используется зависимость амплитуды и частоты автогенератора (с преобразователем в качестве элемента контура) от параметров преобразователя. Используя различную зависимость амплитуды и частоты от контролируемого и подавляемого параметров, можно подобрать условия работы автогенератора, при которых подавляемый фактор слабо влияет на выходной сигнал.
В вихретоковой дефектоскопии нашел применение метод подавления мешающих параметров, основанный на селекции сигналов по их длительности (модуляционный анализ). При этом предполагается, что длительность сигналов от мешающих параметров значительно превышает длительность сигналов от дефекта /198/, если преобразователь и объект контроля взаимно перемещаются.
Вместе с тем на практике встречаются такие мешающие параметры, сигналы от которых по длительности мало отличаются от сигналов, вызванных дефектами. Для подавления указанного вида помех применяют специальные режимы входных цепей дефектоскопа, используя, в частности, различие в модулях и фазах вносимых сопротивлений дефекта и мешающего параметра /122/ (амплитудно-фазовый анализ).
В ряде случаев для подавления влияния мешающего фактора применяют включение преобразователя в схему колебательного (резонансного) контура. Подбирая емкость конденсатора и сопротивление резистора, подключаемых последовательно или параллельно обмотке вихретокового преобразователя, можно добиться ослабления влияния мешающего фактора. В работах /57,92/ приведены экс периментальные данные, подтверждающие возможность получения такого режима в отмеченной схеме, при котором наблюдается подавление сигналов, вызванных изменением зазора. В /29,151/ рассчитаны на ЭВМ и построены на комплексной плоскости так называемые преобразованные годографы для преобразователя, включенного в резонансный контур.
Для исследования режимов входной цепи дефектоскопа может быть применен также метод изолиний, известный из теории планирования эксперимента /18,19,129/. В работах /17,126/ теоретически показано существование таких режимов входной цепи дефектоскопа, когда сигнал входной цепи отсутствует, несмотря на наличие приращений вносимых сопротивлений преобразователя, а в /16/ теоретически рассматриваются возможности подавления влияния зазора и изменений обобщенного параметра накладного преобразователя при включении последнего в резонансный контур.
Обширный анализ современного состояния теоретических и экспериментальных исследований по взаимодействию электромагнитных полей преобразователей со слоистыми средами криволинейной формы изложен в /112/. Показана роль этих исследований в создании средств неразрушающего контроля промышленной продукции и приведены сведения об основных приборах для измерения размеров многослойных криволинейных изделий.
Теоретические разработки электромагнитных методов контроля в стационарном режиме возбуждения
Электромагнитные процессы, являющиеся результатом взаимодействия синусоидального поля витка с проводящей средой, изучены весьма детально /23,73,1351/. Монография /І35/ посвящена вопросам теории и практического применения накладных и экранных преобразователей, используемых при неразрушающем контроле качества материалов и изделий электромагнитным методом, а в монографии /35/ рассмотрены основные вопросы теории и практического применения электромагнитного метода для контроля цилиндрических проводящих изделий с помощью внешних, внутренних, экранных проходных и некоторых специальных типов преобразователей.
В книге /107/ приведены решения важных теоретических задач, показана связь сигналов преобразователей с параметрами объектов контроля в зависимости от его режимов, описаны методы выделения полезной информации на фоне помех, рассмотрены основные ТРШЫ электромагнитных приборов с проходными и накладными преобразователями, вопросы конструирования приборов, схемы включения преобразователей и изложены методы анализа чувствительности преобразователей к дефектам.
Теоретические основы измерения сферических изделий электромагнитным методом изложены в /ИЗ/, а в /їбб/ рассмотрены методы расчета электромагнитного поля вихретоковых преобразователей при контроле сфероидальных электропроводящих изделий, а также изделий с поверхностью прерывистой формы.
В литературе /Ї72/ введено и обосновано понятие "гармонической" модели электромагнитного преобразователя. Поставлены задачи расчета гармонических моделей накладных линейных, накладных и проходных (погружных) цилиндрических преобразователей при контроле движущихся многослойных изделий бегущим полем. Показано, что решения задач в такой постановке не будут содержать несобственные интегралы, через которые обычно выражаются решения для витка или нити с током. Проанализированы в общем виде пондермоторные силы электромагнитного поля. Изложено полное решение задач для гармонических моделей цилиндрического и линейных накладных преобразователей. Модели расположены над полупространством с покрытием, которое перемещается относительно модели цилиндрического преобразователя с постоянной скоростью вдоль его оси, а относительно модели линейного преобразователя - в направлении, перпендикулярном слою возбуждающих токов. Дан краткий анализ результатов.
Показано, что закон распределения полей и вихревых токов по амплитуде и фазе в направлении распространения каждого слоя для любой гармоники плотности тока возбуждения не зависит от свойств среды, что позволяет полностью исключить влияние перемещений преобразователя на результаты испытаний. Однако это важное для практики неразрушающих испытаний свойство в реальных моделях вихретоковых преобразователей не может быть использовано в связи с наличием высших гармоник, амплитуды которых зависят в разной мере от свойств среды и величины зазора между преобразователем и объектом контроля.
Полученные решения /1727 имеют основополагающее значение для теории и практики электромагнитных и электромагнито-акусти-ческих методов неразрушающего контроля и виброметрии электромагнитными преобразователями в статическом и динамическом состояниях стационарно распределенными и бегущими полями. Основные положения характеризуемой работы составляют теоретический фундамент гармонических моделей и послужили толчком к развитию гармонических методов анализа электромагнитных полей и параметров вихретоковых преобразователей.
В работе /Ї57 предложен метод приближенного расчета многослойных вихретоковых преобразователей (накладных линейных, прямоугольных и цилиндрических, а также проходных цилиндрических) , основанный на разложении функции стороннего тока в ряд по пространственным гармоникам. Получены формулы вносимой э.д.с. для всех рассмотренных типов преобразователей в форме рядов Фурье и Фурье-Бесселя. Проведена проверка точности приближенного расчета и показано, что основной вклад в сумму ряда дает ее первый член. Это весьма перспективное направление развития теории электромагнитного контроля разработано в научно-исследовательском институте интроскопии (Москва).
Теории электромагнитного метода посвящены также исследования, проводимые в Куйбышевском авиационном институте, где, в частности, решена сложная задача о взаимодействии круговых витков, расположенных над металлическим полупространством. В Московском энергетическом институте получены расчетные соотношения для накладных преобразователей с произвольной формой витков, расположенных параллельно многослойной среде /Ї05/.
Аналитическое решение задачи электромагнитного контроля квадратными накладными и накладными - экранными вихретоковыми преобразователями движущейся металлической полосы в переменном поле рассмотрено в работах /77,77 и движущихся токопроводящих изделий в постоянном поле - в работе /797. Накладной электромагнитный преобразователь над объектом контроля с изменяющимися по глубине электрическими и магнитными свойствами материала рассмотрен в работе /7Q7.
Магнитное поле накладного первичного преобразователя прямоугольной форлы над плоской проводящей многослойной средой
Исследуем сначала магнитное поле первичного преобразователя с возбуждающей обмоткой прямоугольной формы и прямоугольного поперечного сечения над проводящей многослойной средой, когда преобразователь вместе с неподвижным объектом контроля охвачены экраном в форме прямоугольного параллелепипеда. Расчетная модель такой системы пред ставлена на рис. 2.1, где приведены все необходимые геометрические размеры (2Х , 2Y nZ - размеры экрана) и приняты следующие обозначения: lot и Soi -ток и вектор плотности тока в возбуждающей обмотке; и [Лт - удельная электрическая проводимость и абсолютная магнитная проницаемость т -го слоя, причем Й = О И jLlY = \Х0 - магнитная постоянная; II , 12 и 13 - области (зоны) первого слоя; Щ - число витков возбуждающей обмотки; 2 f и 2у - соответственно внутренний и наружный размеры обмотки в направлении оси Оа , причем уг - \лі = Сі .
В декартовой системе координат (і,и,ї) уравнение (2.5) разлагается на три уравнения для составляющих преобразованного векторного потенциала магнитного поля:
Для решения последней системы уравнений применим метод разделения переменных (метод Фурье-Бернулли):
Обычно электрическая проводимость материала экрана значительно выше, чем объекта контроля. Это позволяет принять экран сверхпроводящим и тем самым значительно упростить решение задачи. Электромагнитное поле полностью отражается от сверхпроводящего экрана. Поэтому нормальная составляющая магнитной индукции на поверхности экрана равна нулю, т. е. при X = ±Х &Az _ дАу _ ду dz В = -= 12- = 0 , откуда следует, что Х2(±Х) = Х3(±Х) =0 ; при =±У d/U д А , что равносильно условию VJ (±Y) = V (-Y) = 0 ; при X = 0 , 2. В Эх ty откуда следует, что Z4(0) = Z2(0) = Z,(Z) = Z2(Z) = 0 . Кроме того, на поверхности экрана должно быть также выдержано условие ,. дАх дЛи dAz w х , х dLX (x) (2.9) Из (2.8) и (2.9) получим краевые условия на поверхности экрана: dX,(x)l -]їгіу = Y, Г±У) = Y3 f±Y) = 0; (зло) dZ3fe)l roLZ3№)7 Для рассматриваемой задачи Soz » пэтому Az= 0 и для составляющих векторного потенциала магнитного поля в любом слое или области ( т= 11,12,13,2,3,..., П) на основании (2.6) получим: 9 Лтд: и Лтх д Атх г г (2.II) - 49 іч уі ЧПЦ- у- Л С" m-v- -- «:M Xm&PxhO; При этом упрощаются граничные условия (2.10) -Zm{(o,Z) Zm2(0, ) 0; XAm (x) dx Jx=±x
При симметричном расположении возбуждающей обмотки преобразователя и экрана относительно координатных осей (рис. 2.1) последние граничные условия (2.12) удовлетворяются только в том случае , когда при разложении в двойные ряды Фурье по координатам х и у. преобразованные составляющие плотности возбуждающего тока и искомого решения векторного потенциала магнитного поля в любом слое или области представить в виде:
Магнитное поле накладного кольцевого первичного преобразователя над плоской проводящей многослойной средой
Исследуем сначала магнитное поле первичного преобразователя с возбуждающей обмоткой прямоугольной формы и прямоугольного поперечного сечения над проводящей многослойной средой, когда преобразователь вместе с неподвижным объектом контроля охвачены экраном в форме прямоугольного параллелепипеда. Расчетная модель такой системы пред ставлена на рис. 2.1, где приведены все необходимые геометрические размеры (2Х , 2Y nZ - размеры экрана) и приняты следующие обозначения: lot и Soi -ток и вектор плотности тока в возбуждающей обмотке; и [Лт - удельная электрическая проводимость и абсолютная магнитная проницаемость т -го слоя, причем Й = О И jLlY = \Х0 - магнитная постоянная; II , 12 и 13 - области (зоны) первого слоя; Щ - число витков возбуждающей обмотки; 2 f и 2у - соответственно внутренний и наружный размеры обмотки в направлении оси Оа , причем уг - \лі = Сі .
Б декартовой системе координат (і,и,ї) уравнение (2.5) разлагается на три уравнения для составляющих преобразованного векторного потенциала магнитного поля:
Для решения последней системы уравнений применим метод разделения переменных (метод Фурье-Бернулли):
Обычно электрическая проводимость материала экрана значительно выше, чем объекта контроля. Это позволяет принять экран сверхпроводящим и тем самым значительно упростить решение задачи. Электромагнитное поле полностью отражается от сверхпроводящего экрана. Поэтому нормальная составляющая магнитной индукции на поверхности экрана равна нулю, т. е. при X = ±Х &Az _ дАу _ ду dz В = -= 12- = 0 , откуда следует, что Х2(±Х) = Х3(±Х) =0 ; при =±У d/U д А , что равносильно условию VJ (±Y) = V (-Y) = 0 ; при X = 0 , 2. В Эх ty откуда следует, что Z4(0) = Z2(0) = Z,(Z) = Z2(Z) = 0 . Кроме того, на поверхности экрана должно быть также выдержано условие ,. дАх дЛи dAz w х , х dLX (x) (2.9) Из (2.8) и (2.9) получим краевые условия на поверхности экрана: dX,(x)l -]їгіу = Y, Г±У) = Y3 f±Y) = 0; (зло) dZ3fe)l roLZ3№)7
Для рассматриваемой задачи Soz » пэтому Az= 0 и для составляющих векторного потенциала магнитного поля в любом слое или области ( т= 11,12,13,2,3,..., П) на основании (2.6) получим: 9 Лтд: и Лтх д Атх г г (2.II) - 49 іч уі ЧПЦ- у- Л С" m-v- -- «:M Xm&PxhO; При этом упрощаются граничные условия (2.10) -Zm{(o,Z) Zm2(0, ) 0; XAm (x) dx Jx=±x
При симметричном расположении возбуждающей обмотки преобразователя и экрана относительно координатных осей (рис. 2.1) последние граничные условия (2.12) удовлетворяются только в том случае , когда при разложении в двойные ряды Фурье по координатам х и у. преобразованные составляющие плотности возбуждающего тока и искомого решения векторного потенциала магнитного поля в любом слое или области представить в виде: со со i=0 к=і (2.13) CO CO = biKiSini 3tX4xOOSKeiY ilj ) i-i K-0 CO oo i=0 КЧ OO CO (2.14) i=\ к=0 Коэффициенты a Ki рядов Фурье (2.13) определяются выражени ями: при і = О
Эти соотношения однозначно определяют произвольные постоянные коэффициенты С и D с различными индексами в общих решениях (2.14) дифференциальных уравнений (2.II) для обеих составляющих векторных потенциалов магнитного поля во всех областях и слоях.
Раскрывая соотношения (2.24) на основании (2.20) - (2.23) , получим две самостоятельные системы уравнений, каждая из которых включает 2n + 4 уравнений для определения неизвестных коэффициентов С или D .
Собственная и взаимная индуктивность проходного наружного кольцевого первичного преобразователя с проводящей трубой
Остановимся на определении собственной и взаимной основной и вносимой операторных индуктивностей проходного наружного экранированного кольцевого первичного преобразователя прямоугольного поперечного сечения, внутри которого расположена соосно с ним проводящая труба. Соответствующая расчетная модель со всеми необходимыми размерами представлена на рис. 4.2, а магнитное поле в этом случае уже рассмотрено в п. 4.2.
Тогда собственная операторная индуктивность возбуждающей обмотки преобразователя определяется выражением -6,/2 гъ и состоит из собственной индуктивности уединенной экранированной обмотки преобразователя (основной) и вносимой операторной индуктивности, вызванной наличием объекта контроля, т. е. Ь1В(9)- пРо (с01 С0Л), (4.16) 4 к=і где щ- число витков возбуждающей обмотки (I) и А0 определяется соответствующим выражением в (4.12);
Аналогично взаимная операторная индуктивность между возбуждающей и измерительной обмотками преобразователя определяется выражением h Ь и состоит из взаимной индуктивности между обмотками преобразователя при отсутствии объекта контроля (основной) н_ і (4.17) и взашлной вносимой операторной индуктивности Мв(р), вызванной наличием объекта контроля, где кт определяется также в (4.12) (гл= 0 , I); Шг- число витков измерительной обмотки 2(2 );
При различных способах взаимного расположения возбуждающей и измерительной обмоток первичного преобразователя получим: для рис. 2.3а,е
При смещении возбуждающей кольцевой обмотки с радиальной оси (рис. 4.3) в выражениях (4.9) для преобразованного векторного потенциала магнитного поля проходного первичного преобразователя, расположенного между многослойным цилиндром и многослойной трубой, меняется зависимость от координаты % с C0Spoz на sinp0x , причем всюду р0 = кзГЕП .
То же касается и выражений (4.12) для случая проходного наружного преобразователя с проводящей трубой (рис. 4.3), в ко торыхко = pTi"sin р0 zsinp (т+hi) Кроме того, существенно изменяются выражения (4.10) для преобразованного векторного потенциала магнитного поля при отсутствии объекта контроля и приобретают вид: -124 А00-г Л,УГ2т- 00 3 oJ (nii)4 (z) где при Н х 6f + Ьі
Применение двух возбуждающих обмоток со встречным направлением токов в них является эффективным способом концентрации магнитного поля в зоне между обмотками, что, как и наличие экрана, существенно повышает локальность контроля.
В этом случае (рис. 4.4) в выражениях (4.9) и (4.12) для преобразованного Еекторного потенциала магнитного поля также необходимо поменять зависимость от координаты % с cosp0% на stnp0x и принять, что
Для повышения чувствительности и взаимной развязки при одновременном измерении нескольких параметров объекта контроля, а также для отстройки от влияния мешающих факторов целесообразно использовать комплексный преобразователь с несколькими возбуждающими обмотками, питаемыми одновременно различными формами возбуждающего тока.
Применяя принцип суперпозиции, можно обобщить результаты, полученные в п. 4.4, на случай комплексного преобразователя с несколькими возбуждающими соосными кольцевыми обмотками, что представлено на рис. 4.5.
Для возбуждающей обмотки соленоидальной формы преобразованный векторный потенциал магнитного поля определяется выражениями, которые вытекают из результатов п. 4.1, 4.2 и 4.4, когда в них а, - о и гов = %он = z0 или з = ц = г0 при этом где С/0 - преобразованный по Лапласу ток в возбуждающей обмотке. В остальном результаты остаются без изменения, т. е. такими же, как и в случае возбуадающеи обмотки прямоугольного поперечного сечения.
Для возбуждающей обмотки плоской (дисковой) формы необходимо учесть, что при бу - 0 Е результатах п. 4.1 и 4.2
