Способ балансировки вихретокового преобразователя

Изобретение относится к области неразрушающего контроля и может быть использовано при изготовлении вихретоковых преобразователей для неразрушающего контроля.

В области вихретокового неразрушающего контроля широко применяются вихретоковые преобразователи (ВТП) различной конструкции, содержащие дифференциально включенные измерительные катушки индуктивности. Пороговая чувствительность таких ВТП в значительной степени определяется уровнем балансировки измерительных катушек, то есть величиной напряжения на выходе дифференциально включенных катушек. Это напряжение возникает из-за невозможности изготовления двух абсолютно одинаковых катушек индуктивности, имеющих одинаковую электромагнитную связь с возбуждающей катушкой. Обычно, напряжение разбаланса имеет порядок 10^-2 от величины напряжения на каждой из катушек, что сопоставимо с уровнем полезного сигнала при дефектоскопии. Напряжение разбаланса ΔU=U₁-U₂, где U₁, U₂ - напряжения на 1-ой и 2-ой измерительных катушках имеет случайную амплитуду и фазу. Напряжение ΔU, суммируясь с полезным сигналом, искажает его, что может привести к пропуску дефекта или возникновению ложных сигналов о наличии дефекта. Таким образом, величина разбаланса в значительной степени определяет пороговую чувствительность дифференциального ВТП к дефектам.

Известны способы балансировки ВТП, в которых изменяют электромагнитную связь между возбуждающими и встречно включенными измерительными катушками преобразователя до установления заданной, например, минимальной, разности амплитуд на выходе измерительных катушек [авторские свидетельства СССР №551553, кл. G01N 27/86, 1973 и №632947, кл. G01N 27/86, 1978].

Недостаток известных способов состоит в вариации уровня балансировки в процессе контроля. Это связано с тем, что чувствительность катушек после балансировки остается различной, что приводит к изменению уровня балансировки при взаимодействии с контролируемым объектом. Этого не удается избежать балансировкой ВТП непосредственно на поверхности контролируемого объекта, так как при сканировании имеет место вариация электромагнитных свойств металла контролируемого объекта и позиционирования относительно него ВТП, например, за счет изменения рабочего зазора.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ балансировки вихретокового преобразователя, заключающийся в том, что подключают возбуждающую катушку ВТП к генератору гармонического напряжения, а внешние выводы дифференциально включенных измерительных катушек - к измерительному прибору, например, к цифровому осциллографу. Затем изменяют число витков одной из дифференциально включенных измерительных катушек, добиваясь минимального напряжения на их внешних выводах. Такая предварительная балансировка может быть проведена с точностью до одного витка, при этом величина ΔU изменяется дискретно. После достижения минимума амплитуды ΔU, как увеличение, так и уменьшение числа витков приводят к возрастанию разностного напряжения ΔU, а его фаза скачкообразно изменяется. Затем в одну из катушек вводят ферритовую крошку, плавно перемещают ее вдоль оси соответствующей катушки и регистрируют напряжение разбаланса. Ферритовую крошку фиксируют в каркасе катушки при достижении минимума регистрируемого напряжения разбаланса [Патент России №2085931, 1997 г].

Однако и этот способ не позволяет поддерживать высокий уровень балансировки в процессе контроля, так как чувствительности катушек остаются различными. Кроме того, уровень балансировки будет изменяться при вариации рабочей частоты, так как вносимое ферромагнитной крошкой напряжение от частоты практически не зависит, а разность ΔU напряжений с изменением частоты меняется.

Технический результат настоящего изобретения заключается в повышении пороговой чувствительности вихретокового преобразователя за счет уменьшения и стабилизации уровня его балансировки.

Указанный технический результат достигается способом балансировки вихретокового преобразователя, заключающемся в том, что подключают возбуждающую катушку вихретокового преобразователя к генератору гармонического напряжения, а внешние выводы дифференциально включенных измерительных катушек - к измерительному прибору и изменяют число витков, по меньшей мере, одной из дифференциально включенных измерительных катушек, сматывая их внешние витки, до получения минимальной величины разбаланса, благодаря тому, что определяют катушку с меньшим напряжением, плавно увеличивают площадь, охватываемую, по меньшей мере, одним из внешних витков, и добиваются дальнейшего уменьшения величины разбаланса до минимально возможной величины.

Дополнительно, указанный технический результат достигается благодаря тому, что площадь, охватываемую, по меньшей мере, одним внешним витком катушки, увеличивают путем размещения под ними многослойной прокладки и изменения числа слоев и длины одного из них.

На фиг. 1 показана схема для балансировки ВТП, на фиг. 2 - поперечное сечение вихретокового преобразователя, а на фиг. 3 - поперечное сечение измерительной катушки с прокладкой под ее внешними витками.

Схема для балансировки ВТП состоит из генератора гармонического напряжения 1 и измерительного прибора 2, например, осциллографа. В качестве примера балансируемого дифференциального ВТП выбран ВТП 3, содержащий возбуждающую катушку 4 и последовательно-встречно включенные измерительные катушки 5 и 6. Возбуждающая катушка 4 охватывает измерительные катушки 5 и 6, симметрично размещенные относительно ее оси (фиг. 2).

Заявляемый способ реализуется следующим образом.

При намотке катушек 5 и 6 одна из катушек, например, катушка 5 выполняется с большим числом витков. При этом витки верхнего слоя обеих катушек не пропитываются. Рекомендуется выбирать число добавочных витков не более 5% от номинального числа витков катушки, но не менее 3-х. Затем возбуждающая катушка 4 подключается к выходу генератора 1, а внешние выводы дифференциально включенных измерительных катушек 5 и 6 - к измерительному прибору 2. Рабочую частоту генератора рекомендуется выбирать равной верхней частоте рабочего частотного диапазона ВТП, а величину напряжения генератора - достаточной для надежной регистрации 1% напряжения, наводимого на одном витке измерительной катушки 5.

После подключения всех катушек регистрируют величину U_p напряжения по показаниям измерительного прибора 2 и сматывают один добавочный виток, регистрируют величину U_p1 напряжения и определяют по разности U_p-U_p1 величину напряжения U_в, наводимого в одном витке.

Затем минимизируют напряжение разбаланса путем подбора числа витков. Для этого, продолжая измерять напряжение U_p, сматывают внешние добавочные витки катушки 5 и фиксируют момент, при котором будет выполняться условие U_p<U_в. При сматывании следующего витка с катушки 5 величина U_p может либо уменьшиться (вариант 1), либо увеличиться (вариант 2).

В варианте 1 напряжение на катушке 6 будет больше и следует увеличивать площадь, по меньшей мере, одного внешнего витка катушки 5.

В варианте 2, для получения минимально возможного разбаланса на этапе подбора числа витков, следует намотать один виток обратно. После этого большее напряжение будет на катушке 5 и следует увеличивать площадь, по меньшей мере, одного внешнего витка катушки 6. В обоих вариантах величина разбаланса U_p не будет превышать половины напряжения U_в, наводимого в одном витке.

Площадь, охватываемую, по меньшей мере, одним внешним витком соответствующей катушки, можно увеличить различными способами, например, нанесением слоев компаунда под предварительно смотанные витки внешнего слоя.

Целесообразно увеличивать площадь, охватываемую, по меньшей мере, одним внешним витком соответствующей катушки, путем размещения под этими витками многослойной прокладки и изменения числа слоев и длины одного из них. Это поясняется на фиг. 3, где показано поперечное сечение измерительной катушки 5 с прокладкой 7 между внутренними витками 8 и внешними витками 9 катушки 5.

Прокладку целесообразно выполнить из полоски тонкой бумаги, например, кальки с шириной немного меньшей ширины паза (не показан), в которой размещаются витки соответствующей катушки.

Приблизительно оценить площадь прокладки 6 можно по формуле

где S_п - площадь прокладки, S_в - площадь витка, U_p - напряжение разбаланса, U_в - напряжение на одном витке, W_вн - число внешних витков 8 над прокладкой 7.

Ориентируясь на оценку S_п, полученную по формуле (1), выбирают число W_вн внешних витков над прокладкой 7 и ее длину L, связанную с ее толщиной Т:

Затем экспериментально подбирают число слоев и длину последнего слоя, добиваясь минимальной величины разбаланса. При малой величине разбаланса прокладка может содержать однослойную прокладку с длиной менее периметра охватываемой площади.

Достигнутый уровень разбаланса будет стабильным и не изменяться при взаимодействии с однородным бездефектным контролируемым объектом. Это обеспечивается тем, что при балансировке не используются какие-либо дополнительные источники или элементы, а чувствительности обеих дифференциально включенных измерительных катушек за счет балансировки выравниваются. Достигнутый уровень балансировки не будет изменяться в процентном отношении относительно напряжения на одной из измерительных катушек и при вариации частоты возбуждающего магнитного поля, так как обе эти величины имеют одинаковую зависимость от частоты.

Наиболее эффективно использовать данный метод балансировки для дифференциальных ВТП с измерительными катушками, имеющими различные геометрические размеры, например, вложенные друг в друга измерительные катушки разного диаметра и с разным числом витков [Патент России №2085931, 1997 г]. В этом случае даже при идеальном выполнении намотки обеспечить балансировку невозможно, так как катушки имеют разные диаметры. Экспериментально установлено, что предложенным способом удается повысить уровень балансировки в 10 и более раз, обеспечивая повышение пороговой чувствительности дифференциального ВТП.

Технические преимущества предлагаемого способа балансировки дифференциального вихретокового преобразователя заключаются в существенном повышении уровня балансировки, сохраняемом в широком диапазоне частот при взаимодействии с контролируемым объектом. Это обеспечивает значительное повышение пороговой чувствительности ВТП к дефектам.