Вихретоковый контроль

6.1. Взаимодействие металла с электромагнитным полем.

При воздействии на металлы внешнего электромагнитного поля в них возникают вихревые токи (токи Фуко), как показано на рис 6.1. Эти токи, в свою очередь создают собственное поле, направленное навстречу внешнему В результате взаимодействия поля вихревых токов Нв с полем источника электромагнитного излучения Ни появляется возможность получить полезную информацию о состоянии контролируемого металла.

Рис 6.1 Взаимодействие катушки с током и металлической пластины

Результирующее поле и, соответственно, полезный сигнал, снимаемый с катушки, зависит от наличия и положения несплошностей в металле, увеличивающих траекторию вихревых токов, от удельной электрической проводимости (электропроводности), магнитных характеристик металла, а так же - от частоты питающего катушку тока.

Источниками и преобразователями электромагнитного поля являются катушки индуктивности - индукторы, поэтому этот метод часто называют индукционным. Катушки - приемники и преобразователи электромагнитного поля -являются важнейшими конструктивными элементами токовихревой аппаратуры По конструкции датчики подразделяются на накладные (рис. 6.2 а,б) и проходные (рис. 6.2 в,г).

Рис 6.2 Схематическое изображение катушек – преобразователей:

а,б - накладные (1 –ферритовый стержень, 2 –обмотка, 3- контролируемая поверхность)

в,г – проходные (1 –объект контроля,2- возбуждающая катушка, 3- измерительная катушка)

Накладные представляют из себя катушки прямоугольного сечения, намотанные на сердечник из феррита. Применяют их для ручного контроля плоских поверхностей. Проходные датчики с короткими измерительными катушками, расположенными посередине возбуждающей катушки, применяют для выявления трещин в телах цилиндрической формы: проволоке, прутках, трубах.

Металл детали, вносимой в поле возбуждающей катушки, можно представить как вторичную катушку трансформатора, нагруженного на некоторое сопротивление (активное и индуктивное). Вихревые токи текут в поверхностных слоях этого металла, создавая магнитное поле, направленное навстречу полю возбуждения (Нв на рис 6.1). Глубина проникновения вихревых токов в металл зависит, в основном, от частоты тока и электропроводности металла (немагнитного). Низкочастотные вихревые токи проникают в металл более глубоко, высокочастотные ограничиваются тонким поверхностным слоем металла. При увеличении электропроводности металлов глубина проникновения электромагнитного поля в них уменьшается (в сверхпроводники поле вообще не проникает) и, соответственно увеличивается отражение. Таким образом, с увеличением электропроводности металла возрастает интенсивность взаимодействия его с полем возбуждающей катушки (индуктора), что дает возможность бесконтактно измерять электропроводность металла, а через электропроводность получать важные сведения о структуре металла. При наличии трещин и других несплошностей вихревые токи их огибают, в результате изменяется симметрия, амплитуда и фаза вторичного электромагнитного поля, что дает возможность получать информацию о характере дефекта.

Интенсивность взаимодействия индуктора и объекта контроля зависит так же от расстояния между ними. Это дает возможность в ряде случаев измерять размеры объектов контроля, чаще всего толщину

В соответствии с изложенным, можно выделить три основные области применения индукционных методов при контроле металлов:

-дефектоскопия – выявление дефектов, прежде всего, трещин

-структуроскопия - определение структурных особенностей металлов и превращений при термической обработке

- толщинометрия – определение толщин покрытий металлов на диэлектриках или наоборот, диэлектриков на металлах

6.2 Факторы, влияющие на взаимодействие катушки с объектом контроля

Катушка, по которой проходит переменный ток с частотой w обладает комплексным сопротивлением:

где Ro - активное сопротивление катушки,

L o - индуктивное.сопротивление катушки

Если вблизи катушки с током поместить металл (немагнитный), то будут наблюдаться два явления: часть энергии как бы 'отсасывается' металлом и превращается в тепло; другая часть отражается от поверхности металла уменьшая индуктивность катушки. Суммарное действие этих двух факторов приводит к возрастанию активных потерь в цепи питающего катушку тока и некоторому изменению индуктивности катушки. Эти изменения характеризуются величиной вносимых сопротивлений - активного R вн и индуктивного wL вн. При вихретоковом контроле важен характер изменения вносимых сопротивлений под действием таких факторов, как изменение электропроводности контролируемого металла и частоты питающего тока. На рис.6.3 показано, как влияет изменение проводимости объекта контроля на величину относительных вносимых сопротивлений катушки определенного размера при испытаниях накладным датчиком плоской поверхности (кривая 1), боковой поверхности цилиндра (кривая 2) и проходным датчиком – цилиндра (кривая 3). На этом рисунке по вертикальной оси отложено относительное изменение индуктивности катушки, а по горизонтальной оси изменение активного (омического) сопротивления катушки. Кривые 1 – 3 называются годографами. Каждая из них является геометрическим местом концов векторов, представляющих собой комплексное сопротивление катушки

Рис 6.3 Изменение активных и индуктивных составляющих вносимого сопротивления для катушки с внешним диаметром 18,5 мм при изменении электропроводности образца с плоской поверхностью (1), цилиндрической поверхностью (2) и цилиндра (3) – проходной вариант

. Для ферромагнитных материалов эти зависимости носят более сложный характер. Важным понятием является глубина проникновения d вихревых токов в металл. Под этим понимают такое расстояние от поверхности контролируемого металла, на котором амплитуда вихревых токов уменьшается в e раз. Величина d может быть определена из формулы: