ВИХРЕТОКОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПРОХОДНОГО ТИПА

Изобретение относится к неразрушающему контролю и может быть использовано для дефектоскопии электропроводящих объектов, например контроля качества двухслойной проволоки с верхним слоем, имеющим большую электрическую проводимость.

К таким проволокам, в частности, относятся стабилизированные Nb₃Sn сверхпроводники, с медной оболочкой и сердцевиной из сплава ниобий-олово. Медная оболочка необходима для сохранения требуемого минимального уровня электрической проводимости проволоки при утрате сверхпроводником свойств сверхпроводимости. Качество стабилизированных сверхпроводников определяется отношением "медь/не медь" и отсутствием дефектов в виде включений из магнитных и немагнитных металлов, пор и других несплошностей в медной оболочке. Стабилизированные сверхпроводники имеют вид проволоки диаметром менее 1 мм и применяются, в частности, в токовых обмотках мощных магнитных систем ядерного коллайдера.

Известен проходной вихретоковый преобразователь [1. Неразрушающий контроль: справ.: B 7 т. / т. 2. Кн. 2: Вихретоковый контроль / Ю.К. Федосенко, В.Г. Герасимов, А.Д. Покровский, Ю.Я. Останин / Под общ. ред. В.В. Клюева. М.: Машиностроение, 2004 с. 375, рис. 2.7-a)], содержащий коаксиальные возбуждающую и измерительную катушки индуктивности, размещенные на каркасе с осевым отверстием для размещения в нем контролируемого объекта. Возбуждающая катушка для создания однородного магнитного поля выполняется с отношением ℓ_в/D_в≥4, где ℓ_в - длина, а D_в - диаметр возбуждающей катушки, соответственно. Измерительную катушку индуктивности располагают внутри возбуждающей, а ее длину и диаметр выбирают значительно меньше, чем длина и диаметр возбуждающей катушки.

Недостаток известного вихретокового преобразователя заключается в недостаточной стабильности для измерения в производственном потоке отношения "медь/не медь" стабилизированных сверхпроводников на основе соединения ниобий-олово, имеющих внешний диаметр менее 1 мм при номинальном отношении "медь/не медь" = 0,5±0,01. Это связано с тем, что эффект от изменения в процессе контроля магнитной связи между возбуждающей и измерительной катушками за счет микросмещений витков при вариации температуры оказывается сопоставимым с сигналами от подлежащих регистрации изменений отношения "медь/не медь".

Кроме того, известный преобразователь имеет пониженную относительную чувствительность к параметрам проволок малого диаметра D, сопоставимого с минимально возможной для механической защиты витков толщиной T стенки каркаса измерительной катушки. Неоптимальность относительной чувствительности к параметрам контролируемого объекта объясняется тем, что напряжение холостого хода U₀ вихретокового преобразователя данной конструкции создается магнитным потоком возбуждающей катушки, проходящим по всей площади S_и витков измерительной катушки, а вносимое напряжение U_вн - магнитным потоком вихревых токов, занимающим часть площади катушки S_ок, заполненной контролируемым объектом. Отношение S_ок/S_и падает по мере уменьшения диаметра контролируемого объекта. Это связано с тем, что разность внутреннего диаметра измерительной катушки и диаметров осевого отверстия определяется требованиями механической прочности и износоустойчивости. Она не может уменьшаться пропорционально уменьшению диаметра осевого отверстия и остается практически одинаковой для преобразователей с разными диаметрами осевого отверстия. Еще один недостаток известного вихретокового преобразователя связан с недостаточным отношением "сигнал/помеха" для надежного выявления недопустимых включения из магнитных и немагнитных металлов, пор и другие несплошности в медной оболочке стабилизированных сверхпроводников диаметром менее 1 мм на основе соединения ниобий-олово.

Известен проходной параметрический вихретоковый преобразователь, содержащий катушку индуктивности, размещенную на каркасе с осевым отверстием для размещения в нем контролируемого объекта [2. Неразрушающий контроль материалов и изделий: справочник / П.И. Беда, Б.И. Выборнов, Ю.А. Глазков и др. / Под общ. ред. Г.С. Самойловича. М.: Машиностроение, 1976. - С. 206, рис. 5-б].

Однако и этот преобразователь не обладает требуемой стабильностью, что связано с сильным влиянием на выходной сигнал изменений температуры, приводящих к вариации активного сопротивления катушки. Кроме того, данный вихретоковый преобразователь также не обеспечивает выявления характерных дефектов в медной оболочке стабилизированных сверхпроводников диаметром менее 1 мм на основе соединения ниобий-олово из-за низкого отношения "сигнал/помеха".

Наиболее близок к предложенному по технической сущности принятый за прототип проходной вихретоковый преобразователь для контроля проволоки, содержащий полый цилиндрический каркас из кварцевого стекла с размещенной на нем соленоидальной возбуждающей катушкой, второй полый цилиндрический каркас с двумя идентичными измерительными катушками индуктивности, расположенными с осевым зазором и соединенными последовательно-встречно, первый каркас размещен внутри второго каркаса симметрично с ним [3. Федосенко Ю.К., Шкатов П.Н., Ефимов А.Г. Вихретоковый контроль / Под общ. ред. В.В. Клюева. - М.: издательский дом «Спектр», 2011. - С. 130-131].

Толщину стенки каркаса в виде трубки из кварцевого стекла для получения большей чувствительности вихретокового преобразователя выбирают минимально возможной. Минимальная толщина стенки ограничена требованиями к механической прочности и износоустойчивости каркаса под действием перемещаемой в процессе контроля проволоки.

С помощью данного преобразователя, в принципе, можно получить информацию и о наличии дефектов в медной оболочке сверхпроводящей проволоки и об отношении "медь/не медь" в ней. Информацию о наличии дефектов получают, измеряя напряжение между внешними выходами измерительных обмоток (дифференциальный сигнал), а об отношении "медь/не медь" - напряжение между выводами одной из измерительных обмоток (абсолютный сигнал).

Однако и этот преобразователь не обладает требуемой стабильностью выходного напряжения измерительных катушек для измерения отношения "медь/не медь" стабилизированных сверхпроводников на основе соединения ниобий-олово диаметром менее 1 мм. Это также связано с тем, что эффект от изменения в процессе контроля магнитной связи между возбуждающей и измерительной катушками за счет микросмещений витков при вариации температуры оказывается сопоставимым с сигналами от подлежащих регистрации изменений отношения "медь/не медь". Кроме того, подключение электрической цепи к одной из согласно - встречно включенных измерительных катушек приводит к их разбалансировке, сопоставимой с сигналами от подлежащих выявлению дефектов медной оболочки сверхпроводящей проволоки.

Задача - повышение достоверности контроля качества стабилизированных сверхпроводников.

Технический результат - повышение информативности и пороговой чувствительности контроля стабилизированных сверхпроводников диаметром менее 1 мм на основе соединения Nb₃Sn.

Технический результат достигается в заявляемом вихретоковом преобразователе проходного типа, содержащем первый полый цилиндрический каркас с размещенной на нем соленоидальной возбуждающей катушкой, второй полый цилиндрический каркас с первой и второй идентичными измерительными катушками индуктивности, расположенными с осевым зазором и соединенными последовательно - встречно, первый каркас размещен внутри второго каркаса симметрично с ним, причем он снабжен третьей измерительной катушкой, размещенной на первом каркасе и намотанной бифилярно с возбуждающей катушкой индуктивности, при этом вихретоковый преобразователь снабжен потенциометром, третьим, идентичным первому, цилиндрическим каркасом с размещенными на нем и намотанными бифилярно четвертой и пятой катушками индуктивности, подобным возбуждающей катушке индуктивности и третьей измерительной катушке индуктивности, соответственно, но с большим числом витков W₄=W₅=(1,1…1,3)W_в, где W₄, W₅ и W_в - число витков четвертой, пятой и возбуждающей катушек индуктивности, соответственно, четвертая катушка индуктивности соединена последовательно с возбуждающей катушкой индуктивности, а пятая катушка индуктивности соединена параллельно с потенциометром, подключенным своим средним выводом к выводу третьей измерительной катушки индуктивности.

В частном варианте диаметр d_и провода третьей и пятой измерительных катушек выбирается из условия d_и<0,8d_в, где d_в - диаметр провода возбуждающей катушки индуктивности.

В частном варианте первый и второй каркасы выполнены с возможностью взаимного осевого перемещения и вращения.

В частном варианте ширина b, наружный диаметр D_н, внутренний диаметр D_в первой и второй измерительных катушек и осевой зазор Ζ между их центрами удовлетворяют соотношениям 0,3<b/D_в<0,4; 1,3<D_н/D_в<1,4; 0,75<Z/D_в<0,85.

На фиг. 1 представлена схема заявляемого вихретокового преобразователя проходного типа, на фиг. 2 - электрическая схема заявляемого вихретокового преобразователя на фиг. 3 - поперечное сечение контролируемого объекта, на фиг. 4 - распределение значений Cu/non Cu по длине сверхпроводника, полученных на заявляемой экспериментальной установке.

Вихретоковый преобразователь проходного типа содержит полый цилиндрический каркас 1 с размещенными на нем бифилярно намотанными соленоидальной возбуждающей катушкой индуктивности 2 и третьей измерительной катушкой индуктивности 3, полый цилиндрический каркас 4 с идентичными измерительными первой и второй катушками индуктивности 5 и 6 соответственно, расположенными с осевым зазором и соединенными последовательно - встречно. Каркас 1 размещен внутри каркаса 4 симметрично с ним.

Вихретоковый преобразователь содержит также потенциометр 7, идентичный первому каркасу 1 каркас 8, с размещенными на нем и намотанными бифилярно четвертой и пятой катушками 9 и 10 индуктивности соответственно, подобным возбуждающей катушке 2 и третьей измерительной катушке 3 индуктивности, соответственно, но с большим числом витков W₄=W₅=(1,1…1,3)W_в, где W₄, W₅ и W_в - число витков четвертой катушки 9, пятой катушки 10 и возбуждающей катушки 2 индуктивности, соответственно. Катушка 9 индуктивности соединена последовательно с возбуждающей катушкой 2 индуктивности, а катушка 10 индуктивности соединена параллельно с потенциометром 7, подключенным своим средним выводом к выводу третьей измерительной катушки индуктивности.

Контролируемая проволока 11, состоит из медной оболочки 12 и сверхпроводящей сердцевины 13 на основе соединения ниобий-олово. Из-за особенности технологии внешний диаметр проволоки фиксирован, а отношение "медь/не медь" может изменяться только за счет вариации размеров сердцевины 13. Внешний диаметр проводника остается неизменным и составляет, в зависимости от модификации, величину порядка 0,82 мм. В связи с этим повышение объемной доли стабилизирующей меди приводит к уменьшению размера сверхпроводящей сердцевины. С другой стороны, уменьшение доли стабилизирующей меди приводит к недопустимому перегреву при защитном выводе тока через медную оболочку. Следовательно, имеется оптимум отношения объемных долей медной и не медной составляющих сверхпроводящего провода. В соответствии с существующими требованиями величина отношения k_m="медь/не медь" должна лежать в пределах 1,0±0,1.

Вихретоковый преобразователь работает следующим образом.

Возбуждающая катушка 2, подключенная к генератору синусоидального напряжения (не показан), создает переменное магнитное поле, индуцирующее в проволоке 11 вихревые токи. Проволока 11 перемещается через внутреннюю полость каркаса 1. Удельная электрическая проводимость σ_но сверхпроводника стремится к бесконечности при температуре ниже 4°K. Однако при обычных значениях температуры удельная электрическая проводимость σ_м материала медной оболочки 12, по меньшей мере, в 10 раз превышает удельную электрическую проводимость σ_но сверхпроводника ниобий-олово. Благодаря этому вторичное электромагнитное поле, создаваемое, вихревыми токами в сверхпроводящей сердцевине 13 весьма мало по сравнению со вторичным электромагнитным полем вихревых токов в медной оболочке 12. Для получения информации об отношении "медь/не медь", связанную с толщиной медной оболочки 12, регистрируют вторичное напряжение, вносимое в измерительную катушку 3. Для получения максимально возможного электромагнитного взаимодействия между контролируемой оболочкой и вихретоковым преобразователем измерительную катушку 3 и возбуждающую катушку 2 выполняют идентичными, а их обмотки наматывают бифилярно на каркасе 1. Как известно [1, с. 413, рис. 4.3], наибольшая степень электромагнитного взаимодействия достигается в параметрическом преобразователе, когда информация о вносимых параметрах определяется по изменению комплексного сопротивления самой возбуждающей катушки. Однако данное решение неприемлемо в данном случае из-за низкой стабильности измерений с использованием параметрического преобразователя. В предложенном вихретоковом преобразователе коэффициент магнитной связи с контролируемым объектом близок к коэффициенту магнитной связи с контролируемым объектом параметрического преобразователя. При этом предложенный преобразователь, будучи трансформаторным, не имеет присущих параметрическому преобразователю недостатков, связанных с низкой температурной стабильностью. Одновременно, за счет бифилярной намотки катушек 2 и 3 достигается высокая стабильность магнитной связи между ними. Для повышения этой стабильности диаметр d_и провода измерительной катушки 3 рекомендуется выбирать из условия d_и<0,8d_в, где d_в - диаметр провода возбуждающей катушки 2. При этом достигается больший коэффициент плотности бифилярной обмотки катушек 2 и 3, в результате сечение катушек после пропитки компаундом становится менее подверженным микро изменениям при температурных и механических воздействиях, прежде всего за счет неизбежного трения о поверхность каркаса 1 перемещаемой проволоки.

Важность стабильности магнитной связи между катушками индуктивности 2 и 3 определяется двумя факторами. Во-первых, невозможностью изменения настроек прибора в процессе контроля, длительность которого при непрерывном перемещении через полость вихретокового преобразователя бухты провода длиной до 30 км составляет десятки часов. Во-вторых, малым уровнем сигналов, связанных с вариацией отношения "медь/не медь" в заданном поле допуска. Так, например, для провода с внешним диаметром 0,82 мм и с номинальным отношением "медь/не медь" = 0,5 (толщина медной оболочки -t = 0,12 мм) уменьшение отношения на 0,01 (изменение t от 0,1126 мм до 0,127 мм) приводит к изменению вносимого в катушку 3 напряжения на величину порядка 10^-5×U₀, где U₀ - напряжение холостого хода, наводимое в катушку 3 магнитным потоком возбуждающей катушки 2. Изменения получены при оптимальной для измерения отношения "медь/не медь" для заданных параметров рабочей частоты.

Из приведенного примера видно, что для обеспечения надежной регистрации сигналов, несущих информацию о качестве сверхпроводящей проволоки, необходимо обеспечить стабильность измерений на уровне 10^-6×U₀. Для исключения неинформативной составляющей из синусоидального напряжения , наводимого в катушке 3, необходимо на соответствующем уровне провести его компенсацию (установить 0 перед контролем). Для этого используют часть напряжения, наводимого в катушке 10 магнитным потоком катушки 9. Напряжение на внешних зажимах катушки 10 поддерживается на уровне, соответствующем уровню стабильности напряжения , так как ее магнитная связь с катушкой 9 поддерживается на том же уровне, а по катушкам 2 и 9 протекает один и тот же ток. При подключении катушки 2 к среднему выводу потенциометра 7 происходит векторное суммирование двух синусоидальных напряжений. Меняя местами подключаемые концы катушки 2, выбирают соединение, при котором суммируемые напряжения оказываются в противофазе. Минимального отклонения от нуля напряжения U_A между соответствующими внешними выводами катушек 2 и 10 добиваются при отсутствии контролируемой проволоки путем регулировки потенциометра 7. За счет большего числа витков у четвертой и пятой катушек индуктивности 9 и 10 соответственно, чем у возбуждающей катушки 2 и третьей катушки индуктивности 3 напряжение превышает по амплитуде , что необходимо для выполнения регулировки.

Для регистрации характерных дефектов в медной оболочке 12 в виде пор и включений из различных металлов (трещины из-за высокой пластичности меди в оболочке не возникают) используются дифференциально включенные измерительные катушки 5 и 6. Стабильность выходного напряжения дифференциально включенных идентичных катушек 5 и 6 достаточно высока, так как при различных воздействиях изменения параметров катушек происходят одновременно и на одинаковую величину. Сигналы, создаваемые под влиянием пор существенно меньше сигналов, вызываемых трещинами, что требует специальных технических решений для обеспечения необходимой чувствительности.

Пороговая чувствительность к подобным дефектам определяется уровнем балансировки катушек 5, 6 их геометрическими параметрами и взаимным положением.

Для обеспечения требуемого уровня балансировки каркасы 1 и 4 рекомендуется выполнять с возможностью их взаимного осевого перемещения и вращения. Это позволяет минимизировать разбаланс катушек путем смещений центра каркаса 4 относительно каркаса 1 и его вращения. При этом очень плавно изменяется различие в магнитных связях (M) между каждой из катушек 5, 6 и возбуждающей катушкой 2.

Установлено, что оптимальная чувствительность к дефектам типа пор и включений в медной оболочке 12 достигается при выполнении следующих соотношений для ширины b, наружного диаметра D_н, внутреннего диаметра D_в измерительных катушек 5, 6 и осевого зазора Ζ между их центрами

Чем больше витков в катушке индуктивности, тем больше ее диаметр, и как следствие, больше абсолютная чувствительность к дефекту, но меньше локальность контроля. В то же время, если витков мало, сигналы слабые и их невозможно зарегистрировать.

Неравенства (1) и (2) - компромисс между локальностью контроля и абсолютной чувствительностью, а неравенство (3) - между степенью подавления вариации свойств сплошного металла и абсолютной чувствительностью к дефекту.

Напряжение между внешними выводами катушек 5 и 6 при наличии дефектов в проволоке, перемещаемой через полость каркаса 1 вихретокового преобразователя, несет информацию о наличии в нем дефектов. Взаимного влияния дефектоскопического канала, образованного катушками 5, 6 и абсолютного канала, образованного катушками 3, 10 не происходит при условии, что магнитная связь между катушками 2, 3, 5 и 6 с катушками 9 и 10 пренебрежимо мала. Это достигается соответствующим размещением и ориентацией каркасов 1 и 8.

Обработка сигналов и , получаемых при перемещении проволоки 12 через полость каркаса 1 вихретокового преобразователя, выполняется известным образом, например, амплитудно-фазовым способом [1. Неразрушающий контроль: справ.: В 7 т. / т. 2. Кн. 2: Вихретоковый контроль / Ю.К. Федосенко, В.Г. Герасимов, А.Д. Покровский, Ю.Я. Останин / Под. общ. ред. В.В. Клюева. М.: Машиностроение, 2004 с. 473-474, рис. 8.5-8.6).

Заявляемый вихретоковый преобразователь, в отличие от известных, позволяет в процессе длительных измерений регистрировать изменения отношения "медь/не медь" в проволоке диаметром менее 1 мм типа стабилизированных Nb₃Sn сверхпроводников, с медной оболочкой и сердцевиной из сплава ниобий-олово. Заявляемый вихретоковый преобразователь позволяет одновременно выявлять дефекты типа пор и включений из различных металлов. Кроме того, он позволяет определять значение параметра Cu/nonCu в каждой точке длинномерного провода, что подтверждается зависимостью, представленной на фигуре 4.

Полученные результаты вихретокового контроля проверялись путем металлографических исследований. Установлено, что погрешность измерения процентного отношения "медь/не медь составляет не более 3%, при этом надежно выявляются дефекты типа включений с эквивалентным объемом порядка 0,03 мм³ в сверхпроводящей проволоке на основе соединения Nb₃Sn с внешним диаметром 0,82 мм. Таким образом, повышается информативность и пороговая чувствительность контроля стабилизированных сверхпроводников диаметром менее 1 мм на основе соединения Nb₃Sn.