РОЗДІЛ 2
ФІЗИЧНІ ОСНОВИ ТА МЕТОДИКА РОЗРОБКИ ОСНОВНИХ
ЕЛЕМЕНТІВ АВТОМАТИЗОВАНОЇ СИСТЕМИ НЕРУЙНІВНОГО
КОНТРОЛЮ ПОРУШЕНЬ СУЦІЛЬНОСТІ МЕТАЛУ
Для побудови автоматизованої системи неруйнівного контролю порушень суцільності
металу необхідні наступні теоретичні обгрунтування:
- обрати та обгрунтувати найбільш придатний для контрольованих деталей тип
вихорострумового перетворювача;
- розробити математичну модель взаємодії вихорострумового перетворювача з
контрольованою поверхнею;
- визначити основні перешкоджаючі фактори, що впливають на вихідний сигнал
первинного перетворювача;
- запропонувати методи компенсації основних перешкоджаючих контролю факторів.
2.1. Фізичні основи вихорострумового неруйнівного контролю
Вихорострумовий контроль базується на аналізі взаємодії зовнішнього
електромагнітного поля з електромагнітним полем вихорових струмів, які
наводяться в ОК цим полем. Розподілення і густина вихорових струмів
визначаються джерелом електромагнітного поля, геометричними та
електромагнітними параметрами ОК. У якості джерела електромагнітного поля
частіше всього використовується котушка індуктивності, котра живиться
синусоїдальним струмом, яка зветься вихорострумовим перетворювачем (ВСП). При
наявності поблизу ОК такої котушки в результаті дії вихорових струмів в ОК,
змінюються активний R та індуктивний wL опори, а отже, і комплексний опір
котушки індуктивності.
Для контролю весь виріб, або його частину розміщують в полі ВСП (рис.2.1).
Вихорові струми збуджують змінним магнітним потоком Ф0. Інформацію про
властивості виробу ВСП отримує через магнітний потік Фв, який створений
вихоровими струмами з щільністю iв. Вектори напруженості збуджуючого поля H0 і
поля вихорових струмів Hв направлені зустрічно. Електрорушійна сила (ЕРС) в
обмотці ВСП пропорційна різниці потоків Ф0-Фв.
Рис.2.1. Котушка індуктивності над контрольованим об’єктом
Взаємодію котушки індуктивності з ОК можна представити у вигляді повітряного
трансформатора (рис.2.2), параметри ланцюга вторинної обмотки якого
визначаються еквівалентним контуром вихорових струмів в ОК.
Рис.2.2. Повітряний трансформатор
Як відомо, повітряний трансформатор можна представити схемою заміщення
(рис.2.3), де Rвн – внесений в котушку індуктивності активний опір, який
обумовлений втратами енергії за рахунок нагріву ОК вихоровими струмами; Lвн –
внесена індуктивність, яка обумовлена зміною потокозчеплення індуктивної
котушки за рахунок дії вихорових струмів.
Рис.2.3. Схема заміщення повітряного трансформатору
Так як потокозчеплення y через дію вихорових струмів iв змінюється,
індуктивність котушки при наявності поблизу неї електропровідного ОК також
зміниться, внаслідок того, що . Параметри Rвн та Lвн залежать від щільності і
розподілення вихорових струмів у ОК. Таким чином, визначаючи зміну активного та
індуктивного опорів такого ВСП, можна судити про геометричні і електромагнітні
параметри дефектів ОК.
Характер взаємодії реальної циліндричної котушки з провідним середовищем
визначити дуже важко, тому задачі розподілу вихорових струмів в контрольованому
об’єкті вирішують для одиночного витка, а потім знаходять рішення для усієї
котушки на підставі рівнянь Максвела в комплексній формі [47, 51] та рівняння
Гельмгольця відносно векторного потенціалу [4]:
де та – комплексні електричний та магнітний вектори напруженості;
j – уявна одиниця;
е, м, у – діелектрична та магнітна проникності і електропровідність
простору, в якому визначається поле;
iст – густина стороннього струму;
D – оператор Лапласа, .
Систему котушка-метал зручно розглядати на основі теорії зв’язаних контурів.
Встановлення котушки на немагнітний метал призводить до двох явищ. Частина
енергії виділяється у вигляді теплових втрат. Інша частина енергії відбивається
від поверхні металу, зменшуючи індуктивний опір котушки, а також і її
індуктивність. При встановленні котушки на магнітний метал, до цих явищ
додаються ще два: деяке збільшення індуктивності котушки за рахунок магнітної
проникності ОК, а також значне зростання активних втрат з ростом частоти
живильного струму. Сумарна дія цих факторів при контролі магнітних матеріалів
призводе до різкого зростання активних втрат і деякій, звичайно незначній,
зміні індуктивності. За аналогією з теорією трансформаторів ці зміни
характеризуються величиною внесених опорів. При порівняно низькій частоті
струму збудження схема взаємодії котушки з металом зображується у вигляді двох
послідовно увімкнених активних R0+Rвн та індуктивних wL0+wLвн опорів. По мірі
збільшення частоти живильного струму еквівалентна схема ускладнюється внаслідок
увімкнення додаткових ємностей та індуктивностей, які враховують міжвиткову
ємність та ефект близькості між проводами котушки, а також між котушкою та
металом. З теорії трансформаторів відомо, що на порівняно низьких частотах
вносимі опори мають вигляд [48, 51]:
; ,
де М – коефіціент взаімоіндукції: ();
R2, X2 – власні (зовнішні) опори еквівалентного вторинного ланцюга;
Rн, Xн – активний та індуктивний опори навантаження.
Точний розрахунок впливу контрольованого металу за цими формулами провести не
можливо з-за складнощів визначення Re, Xe. Однак, якщо використовуються високі
робочі частоти , то можна знехтувати Re:
Таким чином в цьому випадку для розрахунку реактивного внесеного опору
достатньо знати коефіцієнт зв’язку.
Як відомо, котушки індуктивності характеризуються індуктивністю L0, активним R0
та індуктивним wL0 опорами. Активний опір котушки для змінного струму внаслідок
скін-ефекту та ефекту близькості залежи
- Київ+380960830922