Вихретоковый дефектоскоп

)5 801 М 27/9 КОМИТЕТИ ОТКРЫТИЯМ ГОСУДАРСТВЕННПО ИЗОБРЕТЕНИПРИ ГКНТ СССР ИЕ ИЗ СВИДЕБРЕТЕНИЯ ПИ ЬСТ К АВТОРСКО ючен виаются от(71) Самарский филиал Научно-исследовательского института технологии и организации производства двигателей(56) Авторское свидетельство СССРВ 167062, кл. 6 01 К 27/90, 1964,Дякин В.В., Сандовский В.А, Теория ирасчет накладных вихретоковых преобразователей. - М.; Наука, 1981, с. 55-56,(57) Изобретение относится к области неразрушающего контроля и может применяться для выявления поверхностных иподповерхностных дефектов в электропроводящих немагнитных изделиях. Целью изобретения является повышение надежностивыявления дефектов в электропроводящихнемагнитных изделиях за счет отстройки отвлияния двух мешающих факторов: изменений удельной электрической проводимостии зазора. На вход измерительного моста, в плечо которого вкл хретоковыи преобразователь, под двух генераторов напряжения двух частот. Регулированием одного элемента моста отстраивается от влияния зазора между рабочим торцом вихретокового преобразователя и контролируемым изделием на выходное напряжение моста одной частоты. Регулированием другого элемента моста отстраивается от влияния этого же зазора на выходное напряжение моста другой частоты, Причем регулирования данных элементов не влияют взаимно друг на друга на соответствующих частотах, Выходные напряжения моста обеих частот поступают на селектор 13, в котором они разделяются. С выходов селектора напряжения поступают на входы усилителей 14, 15 напряжения, после которых детектируются амплитудными детекторами 16, 17 и подаются на входы сумматора 18, на выходе которого включен индикатор 19. При этом регулиоованием коэффициентов усиления усилителей 14, 15 напряжения отстраиваются от влияния электропровод- ности контролируемого изделия на выходное напряжение сумматора 18, 4 ил,1732255 Редактор В, Бугренк каз 1579 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при Г 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 оизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина,СоставителТехред М.Мпряжения, первый амплитудный детектор,сумматор, и индикатор, второй усилительнапряжения, входом соединенный с вторыМвыходом селектора и второй амплитудныйдетектор, вход которого соединен с выходом второго усилителя напряжения, а выходс вторым входом сумматора, а также вихретоковый преобразователь, добавлены первый и второй переменные резисторы,первая, вторая и третья катушки индуктивности и конденсатор, образующие совместно с вихретоковым преобразователемизмерительный мост, и разделительныйтрансформатор, причем вихретоковый преобразователь образует первое измерительное плечо моста, соединенные параллельноцепочки, первая из которых состоит из последовательно соединенных первого переменного резистора и первой катушки0 индуктивности, вторая состоит из последовательно соединенных второго переменного резистора и конденсатора, образуютвторое измерительное плечо моста, втораяи третья катушки индуктивности образуют5 первое и второе вспомогательные плечи моста соответственно, общая точка измерительных плеч и общая точкавспомогательных плеч образуют входныевершины моста, к которым подключен не 0 симметричный выход усилителя мощности,при этом общая точка измерительных плечпредназначена для соединения с корпусом,общая точка первого измерительного плечаи первого вспомогательного плеча и общая5 точка второго измерительного плеча и второго вспомогательного плеча образуют выход моста, который подключен к первичнойобмотке разделительного трансформатора,вторичная обмотка которого подключена кО входу селектора,На фиг, 1 приведена структурная схемадефектоскопа; на фиг, 2 - универсальнаясетка линий уравновешивания моста, поясняющая принцип отстройки от влияния из 5 менения зазора; на фиг. 3 - векторнаядиаграмма приведенных сопротивлений моста, поясняющая принцип отстройки от влияния изменений зазора и удельнойэлектрической проводимости; на фиг. 4 -0 векторная диаграмма сопротивлений моста,поясняющая принцип отстройки от влиянияизменения удельной электрической проводимости.Дефектоскоп содержит первый 1 и вто 5 рой 2 генераторы синусоидальных колебаний, выходы которых соединены с входамисмесителя 3, выход которого соединен с входом усилителя 4 мощности, несимметричный выход которого подключен ко входуизмерительного моста, первое измерительИзобретение относится к неразрушающему контролю и может применяться длявыявления поверхностных и подповерхностных дефектов в электропроводящих немагнитных изделиях. 5Известен вихретоковый дефектоскоп,содержащий два генератора синусоидальных колебаний, включенные дифференциально рабочий и эталонный вихретоковыепреобразователи, два фазовращателя, два 10избирательных усилителя, два фазовых детектора, вычитающий каскад, индикатор,Дефектоскоп применяется для обнаружения нарушений сплошности в неферромагнитных цилиндрических изделиях с 15отстройкой от влияния изменения диаметраизделий и удельной электрической проводимости,Наиболее близким к изобретению является устройство для вихретокового контроля, содержащее два генераторасинусоидальных колебаний, входами соединенный с ними смеситель, усилитель мощности, входом соединенный с выходомсмесителя, трансформаторный вихретоковый преобразователь, токовая катушка которого подключена к выходу усилителямощности, последовательно соединенныеселектор, первый усилитель напряжения,первый амплитудный детектор, сумматор и 3индикатор, причем к входу селектора подключена измерительная катушка вихретокового преобразователя, второй усилительнапряжения, входом соединенный с вторымвыходом селектора и второй амплитудный 3детектор, вход которого соединен с выходом второго усилителя напряжения, а выход- с вторым входом сумматора,Недостатком известного устройства является наличие отстройки от влияния только 4одного мешающего фактора.Целью изобретения является повышение надежности выявления дефектов в электропроводящих немагнитных изделиях засчет отстройки от влияния двух мешающих 4факторов: изменений удельной электрической проводимости и зазора, улучшения качества отстройки от влияния изменениязазора, увеличения диапазона отстройки отвлияния изменения удельной электрической проводимости, а также за счет упрощения дефектоскопа,Поставленная цель достигается тем, чтов устройство вихретокового контроля, содержащее два генератора синусоидальных 5колебаний, входами соединенный с нимисмеситель, усилитель мощности с несимметричным выходом, входом соединенныйс выходом смесителя, последовательно соединенные селектор, первый усилитель наное плечо которого образовано вихретоковым преобразователем 5, второе измерительное плечо образовано двумя соединенными параллельно цепочками, первая из которых состоит из последовательно соединенных первого переменного резистора 6 и первой катушки 7 индуктивности, Вторая состоит из последовательно соединенных второго переменного резистора 8 и конденсатора 9, причем величина индуктивности катушки 7 должна быть на 10 - 15 больше индуктивности вихретокового преобразователя 5 при его размещении на контролируемом иэделии при меньшей рабочей частоте.Максимальная, величина сопротивления резистора б должна составлять примерно 0,25 значения сопротивления индуктивности катушки 7 при меньшей рабочей частоте, максимальное значение сопротивления резистора 8 должно быть примерно на порядок больше максимального значения сопротивления резистора б. Значение сопротивления конденсатора 9 должно быть примерно в 1,5 раза меньше значения сопротивления индуктивности катушки 7 при большей рабочей частоте. Общая точка измерительных плеч моста является первой входной вершиной моста и предназначена для соединения с корпусом, первое и второе вспомогательные плечи моста образованы второй 10 и третьей 11 катушками индуктивности, индуктивности которых примерно равны индуктивности вихретокового преобразователя 5 для получения максимальной чувствительности моста к изменению комплексного сопротивления вихретокового преобразователя. Общая точка вспомогательных плеч моста является второй входной вершиной моста. В выходную диа гонал ь изме рител ьного моста включена первичная обмотка разделительного трансформатора 12, вторичная обмотка которого соединена с входом селектора 13, выходы которого соединены с входами первого 14 и второго 15,усилителей напряжения, к выходам которых подключены входы первого 16 и второго 17 амплитудных детекторов соответственно, выходы которых соединены с входами сумматора 18, на выходе которого включен индикатор 19,Дефектоскоп работает следующим образом,Генераторы 1 и 2 вырабатывают напряжения соответственно низкой б и высокой 12 частот, причем значение частоты 12 берется примерно на порядок больше значения частоты 11, Вихретоковый преобразователь 5 размещается рабочим торцом на контро 10 50 55 15 20 25 30 35 40 45 лируемом изделии, Предлагаемый дефектоскоп особенно эффективен при выявлении подповерхностных дефектов, так как при этом электромагнитное поле высокой частоты 12 обычно не достает до дефекта и при наличии отстройки от изменения удельной электрической проводимости сигнал от дефекта не ослабляется, При наличии отстройки от зазора, чувствительность дефектоскопа к подповерхностным дефектабудет большей, чем к такому же поверхностному дефекту (если при этом глубина залегания подповерхностного дефекта не превышает некоторого значения), вследствие того, что угол между годографами зазора и подповерхностн ого дефекта увеличивается при увеличении глубины залегания подповерхностного дефекта, Напряжения частот 11 и 12 подаются на смеситель 3, усиливаются по мощности усилителем 4 и поступают на вход измерительного моста,Принцип отстройки от влияния зазора поясняется с помощью универсальной сетки линий уравновешивания данного моста (фиг.2) и с помощью векторной диаграммы приведенных сопротивлений моста (фиг,3).Отстройка от влияния зазора в данном дефектоскопе осуществляется с помощью известного принципа двухпараметрового контроля, заключающегося в том, что элементы измерительного моста регулируют так, что при влиянии зазора на комплексное сопротивление вихретокового преобразователя вектор выходного напряжения моста движется на комплексной плоскости напряжений, ен меняясь по амплитуде по окружности. Это соответствует отсутствию чувствительности моста по амплитуде напряжения к зазору.Универсальная сетка линий уравновешивания моста представляет собой траектории концов векторов относительныхОас Оас 3напряжений и на плечах моста асОаь Оаьи аб (фиг, 1) при изменении составляющих относительных комплексных сопротивлений измерительных плеч:=чаг;= сопзса аи -=чаг;-=сопи,а агде а, Р, - обобщенные параметры;а - сопротивление вспомогательного плеча;3 - составляющая комплексного сопротивления измерительного плеча, имеющая одинаковый характер с а;) йг 1-2 + Вг--2, 1йг С соответственно, после которых детектируются амплитудными детекторами 16 и 17 и подаются на входы сумматора 18, в котором происходит вычитание напряжений. При этом регулированием коэффициентов усилений 31 и Яг первого 14 и второго 15 усилителей напряжения соответственно добиваются, чтобы напряжение на выходе сумматора 18 не зависело от влияния изменения удельной электрической проводимости контролируемого изделия, после чего напряжение подается на индикатор 19.Обеспечение отстройки от влияния изменения удельной электрической проводимости.Если мост выведен из состояния равновесия только изменениями сопротивлений вихретокового преобразователя 21 и 21, то приведенные выходные напряжения моста на частотах 1 и 12 определяют формуламиО 1 Ь 21, О-.г дг 1- =К - , - =Кг - -, Овх 1 211 Овх 2 211 где К 1 - коэффициент, показывающий отношение сопротивлений ветви моста абЬ на частоте 11; хй 11-2 и В 1+Д 21 = ( В 2 + ) й 1 1-2 ) - ( В 1 +1 З)х 1, в предположении, что мост вывсостояния равновесия изменениемтивления 21), соответствующая вектона фиг. 3;211 - сопротивление ветви асЬ н те 11, 211= 21+ й 1 .3: Кг - коэффициент, показывающишение сопротивлений ветви мостачастоте 12:(Вг +) 22)(В 2 ) й С ) 5 В 2 + 21-2+Вг ) СФ,1 и В 1+)х 1 ьг 1- (Вг" +) йг М)(Вг -) )й 2 Сг, 1 10 В 2 + ) йг 1-2 + В 2й 2 Сз( х -- В 1 +) х 1, 11е ( l (или приращение сопротивления 21= В 1+)х 1 в предположении, что мост выведен из состояния равновесия изменением сопротивления 21 ) соответствующая вектору бгсг на фиг. 3;211 - сопротивление ветви асб на частоте 12: 20 21 =г 1+) й 21 з,Модули приведенных выходных напряжений моста на частотах 11 и 12 определяются формулами: 1 Овых1 К 1 1 1 Ь;21 1 Овх 1 1 211 1 Овыхг 1 Д 21 1) = ) Кг ) -) - -. (2)При этом, если модули комплексных сопротивлений вихретокового преобразователя 21 и 21 получат дополнительные приращения от влияния изменения удельной электрической проводимости, то уравнения (1) и (2) принимают вид: 1 О 1 дг 1 1211 п Овх 1 1 211 1 + 1 Ь 211 1 и Овь х 2 1 д 21+ 1 211 сг О 2 Кг 1211211 ст где + 21 1 ст- приращение модуля 1 Ь 211 40 от влияния изменения удельной электрической проводимости, соответствующее вектору а 1 п 1 на фиг, 4 а: +Ь 21 10= 1 дг 1 дгр 1 1 - 1 дг 1 1, где + Д 231 - приращение комплексного 45 сопротивления вихретокового преобразователя от влияния изменения удельной электрической проводимости, соответствующее вектору с 1 п 1 на фиг. 4 а;1 Д 21110 - приращение модуля сопротивления 211 от влияния изменения удельной электрической проводимости, соответствующее вектору 1 п 1 на фиг. 4 а: - ,1 Д 211 1 о=121+Дгр 1+ + ) й 11 з 1-121+) й 1 Ы +21 1 о- приращение модуля 1 Ь 211 от влияния изменения удельной электрической проводимости, соответствующее вектору п 1 гпг на фиг. 4 б;з данного уравнени а 1 Ь" 105 1 211 1женные равенст11 ЬЕг(бьг,61 " - ) ьсобл я приблигде+ Ь 2 ф 2- приращение комплексного сопротивления вихретокового преобразователя от влияния изменения удельной электрической проводимости соответствующее вектору с 2 п 2 на фиг. 4 б;- 1 Ьгц о - приращение модуля сопротивления 2 ц от влияния изменения удельной электрической проводимости, соответствующее вектору 2 п 2 на фиг. 4 б:Ы Ь 2 цо=21 -Ьгф 2+ +га .з-г 1 +сагызНапряжение Ос на выходе сумматора 18 равно разности модулей выходных напряжений мостов умноженных на коэффициенты усиления 31 и Я 2 усилителей 14 и 15 напряжения, т,е. Ос = Я 1 1 Овых 1 1 82 1 Овых 2 1 =1 Ь 21 1 . 1 Ь 21 1 а 311 Овх 11 1 К 11 2 г 1 Ьг 1 1 1 Ьг 1 1 аЯ 20 вх 2 1 1 К 2 1 1 21,211оОтстройка от влияния изменения удельчой электрической проводимости заключается в том, что при условии1 ропорциональности приращений модулейвыходных напряжений мостов1 Ьовых 1 1 Ои 1 Ьовых 2 1 аот влиЯниЯ изменения удельной электрической проводимости подбирают такие постоянныезначения коэффициентов усилений Я 1 и 32усилителей 14 и 15 напряжения при которыхэыходное напряжение сумматора не зави:ит от влияния изменения удельной электэической проводимости,т.е,О, =З 110 в.х 11 Ь 1 ЬОвых 11 О - Я 2 1 Овых 2 1 1 З 2 1 Ьовых 2 1 а == 51 1 ОВых 1 1 Я 2 1 ОВых 2 1 = СОПЗтггде 1 ОВЫХ 1 1и 1 ОВЫХ 2 1- модули выходных напряжений мостов при произвольномпостоянном значении удельной электрической проводимости, о= сопвт:1 Овых 1 1 = 1 Овых 1 1 1- 1 Ь Овых 1 1 а1 Овых 2 1 1 Овых 2 1+ 1 Ьовых 2 1 а,Докажем, что приращения модулей выходных напряжений мостовЬовых 1 1 ои 1 Ьовых 2 1 а в реальных условиях вихретокового контроля являютсяпропорциональными между собой.Из треугольников.а 1 п 11 и а 2 п 22, приведенных на фиг. 4 следует, что приращения1 Ь 2 ца и 1 Ь 2 ц 1 апропорциональныприращениям 1 Ь 21 1 а и Ь 21 1 о соответственно, т.е.1 Ь 2111 о=п 1 Ьг 11 о,1 Ь 211 1 о= а1 Ь 21 1 о,где и и а - коэффициенты пропорциональри этом уравнение (3) примет вид: Ь 21Ь 21 о ОС = З 1ВХ 1К 1Ь 21-Ь 21а 5 Х 2К 2ггОгц.-вг 1 оПреобразуем данное уравнение: ос = я 1 1 о 1 1 к(1 Ьг 1 " 1 Ьг 1 а) х1, 1 гц 1"гг; Ггг,= 51 1 Овх 1 1 1 К 1 1 ( 1 Ь 21 1 + 1п 1 Ь 21 11 12 ц 1 п 1 Ьг выполнении условий гцДля частей уравнения (Ь 2 д)12111 1 Ь 21 1 (1 + ) аналогичные т 1 Ь 21 о211 приближенные равенства соблюдаются вследствие того, чтоЬг 1Ьг 1диЬг 1Ьг 1оВследствие этого уравнение (5) принимает вид10с 4/Оьта//ка/;: /Ь 2/5,/Оь)(,//к /7 )(,( н 1 )а 1- - 15 (а,%а,., ( -Ьа(ца,кя, (ае,Г "ои/ 2 175(и( - , )алло (й ). + 2 Ь)(р20При этом можно подобрать значения ко- ЭффИЦИЕНтОВ УСИЛЕНИЯ о)1 И )2 УСИЛИтЕЛЕй 14 и 15 таким образом, что напряжение на выходе сумматора не зависит от влияния изменения удельной электрической проводимости, т,е. соблюдается равенство: о:аа,ИК(;Ы,)-5 огат О )аг,)-.сопОа,30Для реализации данной двухчастотной отстройки от влияния удельной электрической проводимости необходимо, чтобы приращения модулей комплексных сопротивлений вихретокового преобразо вателя ЬЕ,о,и, ЬЕ(5. а следовательно, 1 Ь 211 ои 1 ЬЪст(фиг, 4 а, б) при влиянии электропроводности были пропорциональны между собой. Практика показывает, что для малых значений отношений 401 Ь 2(,1 1 Ь 2 ъ.1 в в (ив - и в -ф - такая пропорциональность соблюдается,Так как одним из основополагающих факторов реализации отстройки от электрапроводности является малость отношений и 1 Ь 211 о п 1 1 Ь 21 1 о12 1 " 12 ляют, какой диапазон изменения удельной электрической проводностии 1 Ь 211.о о соответствует значениям12111а 1 Ь 21 1 о и, равным +01. 21155На основании векторной диаграммы сопротивлений моста (фиг, 4 а, б) принимают и = гп - 1. Принимают также 12111 - 2 1211, 12111 - " 2 1211,При этом имеют 1 Ь 21 1 о, Ь 21-0,1, --- ( =0,1 (о)или1 Ь 21 и= + 02 1211;1 Ь 211 а = + 0 2211По векторной диаграмме приведенных сопротивлений моста (фиг. 3) определяют . длины векторов1 Ь 21 1 о1 Ь 211 ои, соответствуюкк 1 1-о яак 2ощих модулям приведенных приращений1 Ь 21и 1 Ь 211 иисоответственнош 1 о " Ю 2 оравенствам (6),Длина вектора ОС 1 , соответ 121И 1 1-оствующая модулю приведенного сопротивления , составляет 135 мм. Длина121 1И 1 1-о1211вектора ОС 2 , соответствующаяяии 2омодулю приведенного сопротивления(.(я 2 1 отивлений 21 и 21 соответствуют размещению вихретокового преобразователя наметалле),При этом1 Ь 21 1 У1 21 1- 02- + 27 мм;О ., М 1 1,1 Ь 21о121 102+ 23 ммИ 2 1-о Йя 2оТакие значения длин векторов приведенных приращений1 Ь 21 1 сг 1 Ь 211 сги практическио(я 1 1-о ц)2 ообеспечивают диапазон отстройки от влияния изменения удельной электрическойпроводимости 0 о).Достоинством измерительного мостаданного дефектоскопа является то, что длянизкой частоты 11 он частично независим(поскольку в схеме моста для низкой частоты нет конденсаторов), Это означает, чтонижнюю частоту не обязательно устанавливать постоянной; 11 = сопз, а можно изменять ее в необходимых пределах, что можетиметь значение, напоимер, при выявленииподповерхностнь х дефектов, расположенных с внутренней стороны электропроводящего листа, когда толщина листа меняется вшироких пределах. Меняя с изменениемтолщины листа соответственно нижнюю частоту дефектоскопа, можно добиваться максимальной чувствительности дефектоскопак подповерхностным дефектам при любойтолщине листа в заданном диапазоне толщин листа, Отстройки от влияния изменения зазора и удельной электрической1732255 40 45 50 55 проводимости на низкой частоте должны при этом соответственно корректироваться,Простое управление дефектоскопом позволяет легко его автоматизировать и применять в программно-управляемых системах автоматического контроля.Вихретоковый дефектоскоп позволяет выявлять поверхностные и подповерхностные дефекты, типа нарушения сплошности в электропроводящих немагнитных изделиях с отстройкой от влияния изменения удельной электрической проводимости контролируемого изделия, изменения зазора между вихретоковым преобразователем и поверхностью изделия, шероховатости контролируемой поверхности и тем самым повышает надежность вихретокового контроля. Формула изобретения Вихретоковый дефектоскоп, содержащий два генератора синусоидальных колебаний, входами соединенный с ними смеситель, усилитель мощности с несимметричным выходом, входом соединенный с выходом смесителя, последовательно соединенные селектор, первый усилитель напряжения, первый амплитудный детектор, сумматор и индикатор, второй усилитель напряжения, входом соединенный с вторым выходом селектора, и второй амплитудный детектор, вход которого соединен с выходом второго усилителя напряжения, а выход - с вторым входом сумматора, и вихретоковый преобразователь, о т л и ч аю щ и й с я тем, что, с целью повышения надежности выявления дефектов в электро- проводящих немагнитных изделиях, он снабжен первым и вторым переменными резисторами, первой, второй и третьей катуш ками индуктивности и конденсатором,образующие совместно с вихретоковым преобразователем измерительный мост, и разделительным трансформатором, вихре- токовый преобразователь образует первое 10 измерительное плечо моста, соединенныепараллельно цепочки, первая из которых состоит из последовательно соединенных первого переменного резистора и первой катушки индуктивности, вторая состоит из 15 последовательно соединенных второго переменного резистора и конденсатора, образуют второе измерительное плечо моста, вторая и третья катушки индуктивности образуют первое и второе вспомогательные 20 плечи моста соответственно, общая точкаизмерительных плеч и общая точка вспомогательных плеч образуют входные вершины моста, к общей точке вспомогательных плеч моста подключен несимметричный выход 25 усилителя мощности, предназначенный идля соединения с корпусом, а общая точка измерительных плеч предназначена для соединения с корпусом, общая точка первого измерительного плеча и первого вспомога тельного плеча и общая точка второго измерительного плеча и второго вспомогательного плеча образуют выход моста, который подключен к первичной обмотке разделительного трансформатора, 35 вторичная обмотка которого подключена квходу селектора.