Вихретоковый контроль заготовок ножей

Министерство образования и науки Российской Федерации

 

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Магнитогорский государственный технический университет

им. Г. И. Носова»

 

Институт Энергетики и Автоматики

 

Специальность 200102

«Приборы и методы контроля качества и диагностики»

 

 

Кафедра физики

 

Курсовая работа по дисциплине

«Основы проектирования приборов и систем»

Вихретоковый контроль заготовок ножей

 

Выполнил студент группы АД-08      Бултыков В.В.

                                                                                                                     

 

Проверил                                         Бахматов Ю.Ф.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Магнитогорск

2012 г.

Содержание

 

Объект контроля 3

Классификация вихретоковых преобразователей 5

Физические основы вихретокового контроля 10

Выбор первичного преобразователя 18

Определение способа выделения информации 18

Список литературы 22

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Объект контроля

 

Объектом контроля являются поверхностные и подповерхностные дефекты заготовок ножей прямоугольной и круглой формы из стали.

Прямоугольные заготовки:

длина: 400-2500 мм

ширина: 130-350 мм

толщина: 25-65 мм

Круглые заготовки диаметром 450мм, толщиной 40мм.

Рис.1. Заготовки ножей

 

Вихретоковый контроль осуществляется по методическим рекомендациям «О порядке проведения вихретокового контроля, технических устройств и сооружений, применяемых и эксплуатируемых на опасных производственных объектах Рд-13-03-2006»

 

1.9. При вихретоковом контроле могут быть выявлены:

- ковочные, штамповочные, шлифовочные трещины, надрывы волосовины, поры, неметаллические и шлаковые включения в элементах конструкций и деталях;

- трещины, возникшие в  элементах конструкций и деталях  при эксплуатации технических  устройств и сооружений.

1.10. Вихретоковым контролем не могут быть проконтролированы: элементы конструкций и детали с резкими изменениями магнитных или электрических свойств; с несплошностями, плоскости раскрытия которых параллельны контролируемой поверхности или составляют с ней угол менее 100; сварные швы.

1.11. При вихретоковом контроле могут не быть обнаружены дефекты в элементах конструкций и деталях:

- с поверхностями, на которые  нанесены электропроводящие защитные  покрытия, если дефект не выходит  на поверхность покрытия;

- с дефектами, заполненными  электропроводящими частицами;

- с поверхностями, покрытыми  коррозией.

1.12.   Вихретоковый   контроль  позволяет  выявлять  трещины,

выходящие на поверхность и имеющие ширину раскрытия более 0,01 мм,

глубину  более  0,1  мм  и  длину более 2 мм. Эта чувствительность

достигается   при   использовании   преобразователей  для  ручного

сканирования  с  диаметром измерительной катушки не более 2 - 3 мм

на поверхностях с шероховатостью не более R= 2,5 мкм.

1.13. Допускается проведение  контроля по окрашенным поверхностям, при этом возможность проведения  контроля при известной толщине  покрытия определяется техническими  характеристиками преобразователя.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Классификация вихретоковых преобразователей

В настоящее время разработано большое количество типов и разновидностей ВТП. Для более правильного их использования целесообразно знать их классификацию (рис. 2). Можно предложить несколько различных классификационных признаков. Прежде всего, по типу преобразования параметров ОК в выходной сигнал ВТП подразделяются на параметрические и трансформаторные.

Параметрический ВТП имеет лишь одну возбуждающую обмотку, параметры которой (активное и индуктивное сопротивления) зависят от параметров ОК, температуры окружающей среды и расстояния между ВТП и ОК.

Трансформаторный ВТП помимо возбуждающей обмотки имеет еще и измерительную обмотку, ЭДС которой зависит от параметров ОК.

Преимущество параметрических ВТП заключается в их простоте, а недостаток, который значительно слабее выражен в трансформаторных ВТП, - в зависимости выходного сигнала от температуры преобразователя.

Рис.2. Классификация ВТП.

     По способу соединения катушек (обмоток) ВТП делят на абсолютные и дифференциальные. Абсолютным называется ВТП, выходной сигнал которого определяется абсолютными значениями параметров ОК в зоне контроля (рис. 3, а). Дифференциальным ВТП принято называть, по существу, совокупность двух абсолютных ВТП (рис. 3, б). В дифференциальном ВТП обмотки возбуждения 2 включены последовательно согласно, а измерительные 3 - встречно. Выходной сигнал такого ВТП определяется разностью значений параметров объекта, измеряемых в зоне расположения измерительных обмоток.

В зависимости от расположения ВТП по отношению к объекту контроля их делят на проходные, накладные и комбинированные.

 

 

Рис.3. Абсолютный (а) и дифференциальный (б) трансформаторные ВТП:

1 – ОК; 2,3 – возбуждающие и  измерительные обмотки соответственно

Проходные ВТП обычно разделяют на наружные, внутренние, погружные и экранные. Основной особенностью проходных ВТП является то, что катушки ВТП охватывают ОК.

Катушки внутренних проходных ВТП вводят внутрь ОК, чаще всего они служат для контроля труб. Погружные ВТП используют для контроля жидких электропроводящих сред, их катушки помещают в контролируемую среду.

В экранных проходных ВТП возбуждающие и измерительные катушки располагают по разные стороны ОК. Наружными, внутренними и погружными могут быть как параметрические, так и трансформаторные ВТП, а экранными - только трансформаторные. На рис.4 приведены примеры проходных ВТП.

Рис.4. Проходной внутренний ВТП и погружной:

1 – ОК; 2,3 – возбуждающие и измерительные  обмотки соответственно.

 

Накладные ВТП (рис. 5) размещают вблизи поверхности ОК. Они имеют одну или несколько обмоток. Их оси обычно располагают нормально поверхности ОК, т.е. прикладывают торцом к ОК. Однако возможно продольное расположение накладных ВТП, когда оси катушек направлены вдоль поверхности ОК. Накладные ВТП обладают значительно большими возможностями для контроля, чем проходные. Они позволяют контролировать геометрические и электромагнитные параметры ОК сложной формы. Катушки накладных ВТП могут быть круглыми коаксиальными, прямоугольными, прямоугольными крестообразными, с взаимно-перпендикулярными осями и др. Накладные ВТП так же, как и проходные, могут быть экранными, когда возбуждающие и измерительные катушки располагаются по разные стороны ОК.

Рис.5. Накладные вихретоковые преобразователи с круглыми коаксиальными (а) и   прямоугольными (б) осями.

Комбинированные ВТП, охватывающие OK 1 (рис. 6), представляют собой комбинацию проходных возбуждающих катушек 2 и накладных измерительных катушек 3. Их недостаток заключается в сильном влиянии перекосов осей проходных и накладных катушек ВТП относительно поверхности ОК.

Рис.6.  Комбинированные ВТП с  проходной возбуждающей и накладной измерительной обмотками:

1 – ОК; 2,3 – проходные и накладные измерительные катушки соответственно

 

Рис.7. Основные варианты конструкций накладных ВТП:

а,б,в – с одной, двумя, тремя обмотками соответственно; г- в виде катушки индуктивности; д- в виде воздушного трансформатора; е- в виде трансформатора с ферромагнитным сердечником

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Физические основы вихретокового контроля

 

  В основе вихретоковых методов лежит зависимость интенсивности и распределения вихревых токов в объекте контроля от взаимного расположения ВТП и объекта.

Переменный ток, действующий в катушках ВТП, создает электромагнитное поле, которое возбуждает вихревые токи в электропроводящем объекте. На рис.8 представлена обобщенная функциональная схема вихретокового контроля с накладным преобразователем.

 

Рис.8. Обобщенная схема вихретокового контроля с помощью накладного ВТП

 

Плотность вихревых токов максимальна на поверхности объекта в контуре, диаметр которого близок к диаметру возбуждающей обмотки, и убывает до нуля на оси ВТП и при r . Плотность вихревых токов убывает также и по глубине объекта контроля. Для приближенной оценки глубины проникновения электромагнитного поля накладного ВТП в объект контроля можно воспользоваться формулой глубины проникновения (м) плоской волны:

                 (1)

где  - круговая частота тока возбуждения ВТП; -абсолютная магнитная проницаемость, Гн/м; - удельная электрическая проводимость материала объекта контроля, См/м.

Величина соответствует затуханию напряженности магнитного поля в е раз по сравнению со значением напряженности магнитного поля на поверхности объекта. Формула (1) дает завышенное значение глубины проникновения, которое тем ближе к реальному, чем больше обобщенный параметр:

где R - радиус возбуждающей обмотки ВТП.

Так, при = 1,5 реальное значение меньше найденного по формуле (1) в 2,2 раза, а при = 5 - в 1,5 раза.

Для определения при известном значении можно применить формулу:

                (2)

На рис.9 приведены номограммы для определения (рис.9, а) и (рис.9, б) по известным значениям частоты и удельной электрической проводимости .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.9 Номограммы для определения:

а – глубины проникновения плоской волны в электропроводящее пространство; б – обобщенного параметра контроля

 

Взаимодействие преобразователя с объектом определяется уравнениями Максвелла:

                                                                         (3)

                                                 ,                  (4)

где и - векторы напряженности соответственно магнитного и электрического полей; - вектор магнитной индукции; — вектор плотности полного тока, равный сумме векторов плотности токов: проводимости (вихревых токов) , смещения , переноса и сторонних ; t - время.

В проводящей среде значения токов смещения незначительны по сравнению с другими составляющими полного тока, поэтому можем записать

= + +

где = ; = ; - удельная электрическая проводимость; — вектор скорости переноса.

В неподвижном относительно электромагнитного поля объекте = 0, так как . Учитывая, что ; где - - абсолютная магнитная проницаемость; - магнитная постоянная, формулу (4) можно преобразовать:

                                                            (5)

где - дифференциальная магнитная проницаемость.

Для случая зависимости (3) и (5) можно свести в одно уравнение:

                                             .            (6)

При контроле изотропных ферромагнитных объектов , а уравнение (6) - нелинейное параболическое. В линейной изотропной среде , и уравнение (6) переходит в уравнение Фурье:

                                             .            (7)

В объекте контроля сторонние токи отсутствуют( ), поэтому уравнения (6) и (7) будут однородными.

Если изменяется во времени по синусоидальному закону с круговой частотой ω (монохроматическое поле), то зависимость (7) переходит в уравнение Гельмгольца:

                                             ,                  (8)

где: , - комплексные значения величин;  ;

Уравнения (3), (4) можно свести к уравнению векторного потенциала, определяемого выражением:

;

В монохроматическом поле:

,

где: , - комплексные значения величин;

а мгновенное значение ЭДС измерительной обмотки с числом витков :

,

где - магнитный поток, сцепленный с этой обмоткой.

( – элемент площади контура измерительной обмотки).

Комплексное сопротивление параметрического ВТП определяется выражением:

где: - комплексное значение тока возбуждения в обмотке ВТП.

Уравнения с (1) по (8) описывают физический смысл процессов, которые протекают при  измерении ВТП.

 

Вносимое напряжение накладных вихретоковых преобразователей

Чаще всего для проведения инженерно-технических расчетов и анализа сигналов накладных ВТП можно использовать нитевидную модель обмоток с бесконечно тонким поперечным сечением. Для такой модели двухобмоточного накладного трансформаторного ВТП комплексное вносимое напряжение рассчитывается из выражения:

 

где - мнимая единица; WB, WИ -количество витков возбуждающей и измерительной обмоток  соответственно; - эквивалентный радиус ВТП; RB, RИ - средние радиусы возбуждающей и измерительной обмоток соответственно; - обобщенный параметр, характеризующий расстояние между центрами обмоток ВТП и поверхностью ОК; - расстояние от центра соответствующей обмотки ВТП до внешней поверхности ОК; функции Бесселя первого рода первого порядка; - функция влияния ОК, т.е. комплексная функция, зависящая от граничных условий и характеризующая влияние ОК с плоскопараллельными слоями и определяемая удельными электрическими проводимостями магнитными проницаемостями и толщинами слоев .

 

Сигналы накладных ВТП от дефектов, как и сигналы проходных ВТП, зависят от геометрических параметров дефекта и его ориентации относительно ВТП, значения обобщенного параметра контроля , параметров ВТП, тока возбуждения (для ферромагнитных материалов). Кроме того, на сигналы накладных ВТП от дефектов влияют форма и кривизна поверхности объекта в зоне контроля, а также в сильной степени расстояние (зазор) между ВТП и ОК.

Годографы приращений напряжения накладного ВТП, расположенного над неферромагнитным полупространством, от глубины h* узких длинных дефектов, а также от глубины залегания дефектов при и относительном зазоре приведены на рис.10. Для накладного ВТП зазор, глубина дефекта и глубина его залегания нормированы по эквивалентному диаметру преобразователя DЭK.

Рис.10. Годографы

накладного ВТП

от глубины узких длинных дефектов

в проводящем полупространстве.

 

На рис.11 показаны графики зависимости и , из которых видно, что максимальные приращения напряжения от поверхностных дефектов получаются при .

Рис.11. Графики зависимости сигналов накладного ВТП, обусловленных дефектами:

а- от обобщенного параметра

; б- от глубины залегания дефектов

.

При использовании в дефектоскопах накладных ВТП для уменьшения влияния зазора очень часто применяют амплитудно-фазовый способ выделения информации. В связи с этим представляет интерес зависимость проекции приращения напряжения на направление вектора опорного напряжения, перпендикулярное линии влияния зазора. На рис.12 представлены графики зависимости и . Графики на рис.12б показывают, что у дефектоскопов с амплитудно-фазовым способом подавления влияния изменения зазора чувствительность к подповерхностным дефектам убывает медленно при увеличении глубины залегания и может быть даже выше чувствительности к поверхностным дефектам. Так, при кривая имеет резко выраженный максимум, а при чувствительность накладного ВТП к дефектам существенно не изменяется при изменении от 0 до 0,3.

Рис.12. Графики зависимости проекции векторов напряжений, обусловленных поверхностными (а) и подповерхностными (б) дефектами, на направление, перпендикулярное линии влияния изменения зазора

 

По зависимости приращения напряжения накладного ВТП от длины дефекта (рис. 13) видно, что сигналы от дефекта возрастают при увеличении длины дефекта .

Рис.13. Зависимость

накладного ВТП от длины дефекта

 

Зависимости, приведенные на рис.10-13, показывают, что чувствительность накладного ВТП к дефектам определяется размерами дефектов, отнесенными к эквивалентному диаметру преобразователя. Отсюда следует вывод, что для обнаружения мелких дефектов необходимо уменьшать диаметр ВТП. В этом состоит одно из важнейших преимуществ накладного ВТП по сравнению с проходным.

При контроле, например, круглых латунных ( = 18 МСм/м) прутков диаметром D=20 мм с помощью проходного ВТП с диаметром измерительной катушки DИ = 25 мм, т.е. при коэффициенте заполнения         = 0,64 следует прежде всего определить тип подлежащих обнаружению наиболее характерных дефектов. Пусть в качестве примера это будут узкие поверхностные дефекты, например, глубиной h = 2 мм и длиной l = 7,5 мм. Тогда оптимальным значением обобщенного параметра контроля будет        х2 = 10, чему соответствует частота тока возбуждения ВТП Гц.

Для начального напряжения U = 1 В, для h* = h/D = 0,1 и х2 = 10 найдем относительное приращение напряжения измерительной обмотки . Абсолютное значение этого приращения составит

мВ.

Учитывая ограниченную длину дефекта ( ),найдем поправку . Тогда

мВ.

В случае использования для контроля накладного ВТП с эквивалентным диаметром 3 мм относительная длина дефекта составит , а относительная глубина h* = h/Dэк= 0,66. Тогда оптимальное значение обобщенного параметра составит . Для того же начального напряжения U0 = 1 В при зазоре, равном 1 мм, т.е. , получим В. Видно, что сигнал от рассматриваемого дефекта при использовании накладного ВТП в 6 раз больше, чем при использовании проходного, т.е. с точки зрения величины сигнала от дефекта накладной преобразователь имеет несравнимые преимущества перед проходным.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выбор первичного преобразователя

 

Рис.14. Конструкции накладных ВТП: а-с жестким креплением катушек; б- с подпружиненной оправкой; 1- обмотки, 2- ферритовый сердечник, 3- керамическая втулка, 4- корпус, 5- оправка, 6- пермаллоевый экран, 7- пружина, 8- каркас катушки, 9- кабель, 10- крышка, 11- резиновая втулка.

 

Для нашего случая подходят накладные трансформаторные ВТП, т.к. они имеют более высокую чувствительность к локальным дефектам и меньшую зависимость от внешних условий (температура, влажность). Наличие ферритового сердечника позволяет уменьшить зону чувствительности ВТП, что влияет на увеличение разрешающей способности дефектоскопа. Подпружиненная оправка уменьшает влияние изменения зазора между ВТП и поверхностью ОК на результаты контроля.

 

 

Определение способа выделения информации

 

Выбираем двухпараметровый амплитудно-фазовый способ (способ проекции). Проекция вектора приращения напряжения ВТП на направление нормали NN' к линии влиянии рп в точке А (рис.15) мало зависит от изменений подавляемого мешающего фактора рп. Отношение проекций приращений напряжения, обусловленных изменением контролируемого и подавляемых факторов : Пк / Пп >> 1, так как >> . Такой способ ослабления влияния мешающего фактора называют способом проекции или амплитудно-фазовым способом двухпараметрового контроля. Его целесообразно применять в тех случаях, когда линии влияния рк и рп на комплексной плоскости UBH представляют собой почти параллельные прямые, а угол а между ними немного отличается от прямого. Обычно этот способ используют при изменениях параметров рк и рп в малых пределах. Это объясняется тем, что реальные годографы UBH(рк) и и UBH(рп) не являются прямыми, из-за чего возникает погрешность контроля, которая возрастает с увеличением и . Поэтому режим контроля при амплитудно-фазовым способе выбирают таким, чтобы участки годографов при заданных диапазонах изменения рк и рп были, по возможности, прямолинейными.

Рис. 15. Векторная диаграмма амплитудно-фазового способа выделения информации

 

При реализации этого способа начальную рабочую точку К обычно совмещают с точкой А, соответствующей номинальным значениям рк ном и   рп ном. В этом случае выходное напряжение ВТП с учетом компенсирующего напряжения близко к нулю при номинальных параметрах ОК. Этот способ находит наиболее широкое применение в вихретоковых приборах.

Обобщенные параметры контроля х (для проходного ВТП) и (для накладного ВТП) следует выбирать так, чтобы угол между линиями влияния параметров рк и рп составлял несколько десятков градусов и чтобы обеспечивалась достаточная чувствительность к контролируемому параметру рк.

Структурные схемы приборов, основанных на использовании способа проекции (амплитудно-фазового способа), различны (рис. 16). На рис. 16, а представлена структурная схема прибора, в котором применен фазочувствительный детектор. Автогенератор (АГ) синусоидального напряжения обеспечивает ток возбуждения ВТП. Блок ВТП содержит компенсатор, позволяющий совмещать точку компенсации с точкой на годографе, соответствующей номинальным значениям параметров ОК. Сигналы на выходе блока ВТП усиливаются усилителем (У) и поступают на фазочувствительный детектор (ФД). Опорное напряжение на ФД подается от автогенератора через фазорегулятор (ФР). К выходу ФД подключен индикатор (И).

Рис.16. Структурные схемы приборов, основанных на амплитудно-фазовом способе

выделения информации:

а - с фазочувствительным детектором; б - с ЭЛТ в режиме «синусоида»; в - с ЭЛТ в режиме «точка»

 

Если в качестве фазочувствительного устройства используется электроннолучевая трубка (ЭЛТ), то в зависимости от способа индикации применяют две схемы приборов. На рис. 16, б приведена структурная схема с временной разверткой на экране - способ «синусоида». На вертикальные пластины ЭЛТ подается усиленное выходное напряжение блока ВТП, а на горизонтальные - пилообразное напряжение развертки с генератора линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН), синхронизируемого напряжением автогенератора, поступающим на ЭЛТ через ФР. На экране ЭЛТ возникает периодическая кривая, фаза которой плавно изменяется с помощью ФР. Это позволяет фиксировать мгновенное значение сигнала, а при синусоидальном выходном напряжении UВЫХ ВТП - проекцию UВЫХ на принятое направление. Если при анализе кривой на экране ЭЛТ использовать линейку со щелевой прорезью, то можно фиксировать мгновенное значение напряжения соответствующее проекции вектора на определенное направление. Например, можно фиксировать величину .

На рис. 16, в приведена структурная схема прибора с ЭЛТ и двумя фазочувствительными детекторами (ФД1 и ФД2), в котором реализуется способ «точки». Опорные напряжения на детекторы ФД1 и ФД2 поступают через фазорегулятор ФР1. Фазорегулятор ФР2 сдвигает на 90° фазу опорного напряжения, поступающего на ФД2. Постоянные напряжения на выходе ФД1 и ФД2 пропорциональны проекциям напряжения на выходе блока ВТП на два взаимно-перпендикулярных направления. С помощью ФР1 можно добиться, чтобы под влиянием мешающего фактора светящаяся точка на экране ЭЛТ смещалась по одной из осей, тогда изменение контролируемого параметра может быть определено по смещению этой точки по другой оси. Таким образом, на экране ЭЛТ отображается комплексная плоскость выходных напряжений ВТП.

Настройка вихретоковых приборов, реализующих амплитудно-фазовый способ ослабления влияния меняющих факторов, заключается в том, что с помощью компенсатора устанавливается выходное напряжение при использовании образца с номинальными параметрами ОК. Затем посредством фазорегулятора по образцам с различными значениями рп и рк выбирается нужное направление проекций - нормаль к годографам . Калибровка (установка нужного коэффициента усиления усилителя) выполняется по образцам с различными значениями рк и рп.

Наиболее простая схема вихретокового прибора, реализующая амплитудно-фазовый способ, представлена на рис. 16, а. Прибор экономичен, поскольку не содержит ЭЛТ. Схема прибора рис. 16, в наиболее сложная. В приборе, выполненном по схеме рис. 16, б, контроль осуществляется по гармоникам выходного напряжения ВТП, т.е. путем анализа несинусоидального напряжения при контроле ферромагнитных объектов. С помощью прибора, представленного на рис. 16, в, получают информацию, необходимую для автоматической сортировки. Такие схемы используются в автоматических установках для контроля мелких деталей. Преимущество прибора, построенного по схеме на рис. 16, в, перед другими типами приборов, реализующих амплитудно-фазовый способ (схемы рис. 16, а, б), состоит в том, что он может работать в режиме изменяющейся частоты автогенератора, с которого в данном случае снимают два синусоидальные напряжения, сдвинутые по фазе на и подаваемые на фазовые детекторы. Приборы, выполненные по схемам а и б рис. 16, обычно работают лишь на фиксированной частоте автогенератора. Иногда вихретоковые приборы содержат блоки, необходимые для реализации всех трех схем амплитудно-фазового способа, а режим их работы выбирает оператор.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список литературы

 

1. Белокур И.П., Коваленко В.А. Дефектоскопия материалов и изделий. 1989г. – 192 стр.
2. Неразрушающий контроль металлов и изделий. Справочник. Под редакцией Г.С. Самойловича. 1976г. – 456 стр.
3. Неразрушающий контроль. Справочник в 7 томах. Под редакцией Клюева В.В. 2 том. 2003г. – 688стр.
4. Неразрушающий контроль и диагностика. Справочник. Под редакцией Клюева В.В. 2003г. – 656стр.