Датчики вихревых токов

Задачи, для которых целесообразно использовать метод вихревых токов Общая характеристика среды Классификация датчиков Местоположение точек Основной показатель Общая характеристика сигналов датчика Регулирование вида и структуры изделия

Регулирование сопротивления электричеству Способы регулирования Регулирование качества Характеристика параметров датчика Расчет показателей

Выводы Литература

Задачи, для которых целесообразно использовать метод вихревых токов

При контроле методами вихревых токов (МВТ) используют зависимость амплитуды, фазы, траекторий, переходных характеристик и спектра частот токов, возбуждаемых в изделии, от его формы и размеров, физико-механических свойств и сплошности материала, расстояния до датчика, частоты и скорости перемещений, в том числе вибрации.

Соответственно этому различают четыре области применения МВТ (рис. 1).

Для контроля все изделие или его часть помещают в поле датчика (рис. 2). Вихревые токи (ВТ) возбуждают переменным магнитным потоком Фо. Информацию о свойствах изделия датчик получает через магнитный поток Фв, созданный ВТ с плотностью д. Векторы напряженности возбуждающего поля, Но и поля ВТ Нв направлены навстречу друг другу; э. д. с. в обмотке датчика пропорциональна разности потоков Ф0-ФВ.

К особенностям MB Г относятся:

1)возможность проверки большого числа параметров изделия (см. рис. 1);

2)проверке подвергаются слои материала небольшой толщины;

3)не требуется электрического и даже механического контакта датчика с изделием;

4)большая скорость и незначительная трудоемкость контроля;

5)свнительная простота реализации дистанционного контроля деталей, установленных в малодоступных местах машин;

6) возможность измерения толщины листа, стенки труб и деталей при одностороннем доступе;

7)электрическая природа сигнала, быстродействие, что позволяет легко автоматизировать контроль;

8)возможность контроля быстро движущихся изделий.

По виду зависимости сигнала датчика от времени различают четыре метода контроля ВТ: основной гармоники, высших гармоник, переходных характеристик (импульсный), многопараметровый (рис. 3).

Общая характеристика среды

Классификация датчиков Возбудителем ВТ может быть поле движущегося магнита, переменное поле тока в проводе, волна радиоизлучения. Самым распространенным в МВТ датчиком является катушка индуктивности с переменным током или комбинация нескольких катушек (рис. 4, 5).

По электрическим свойствам сигнала различают параметрические (рис. 5, а—в) и трансформаторные (рис. 5, г—к) датчики. В первых сигналом служит приращение комплексного сопротивления, во вторых—приращение комплексного напряжения (э. д. с), возникающее в одной или нескольких измерительных обмотках. В первых датчиках сигнал формируется в той же обмотке, по которой идет возбуждающий ток. Трансформаторные датчики характеризуются повышенной температурной стабильностью. Параметрические датчики более просты, частотный диапазон их работы шире.

По способу расположения изделия относительно обмоток датчики делят на накладные (рис. 5, а, г, е, ж, л, м, н), щелевые (рис. 5, д) и проходные. Последние бывают наружные (рис. 5, б, з) и внутренние (рис. 5, в, и). Один и тот же датчик можно использовать в различных вариантах (рис. 5).

Можно выделить датчики отраженного поля (рис. 5, а, б, в, г, д, е, в, и, м, н) и датчики проходящего поля или экранные (рис. 5, ж, к, л). Последние могут быть только трансформаторными.

Наружные проходные датчики применяют для контроля прутков (2), проволоки, профилей, шаров, роликов, обойм подшипников и т. п. Внутренними проходными проверяют трубы (3), отверстия. Накладными датчиками отраженного поля контролируют изделия (1) любой формы и размеров. Экранными проверяют трубы (проходными) и листы, ленты (4) (накладными). Конструкция и размеры датчика зависят от формы и размеров изделия и целей контроля.

По виду графика зависимости сигнала от свойств изделия различают классические (рис. 5, а—к) и неклассические (рис. 5, л, м, н) датчики. К неклассическим относят векторно-разностные (рис. 5, л) и дифференциальные (рис. 5, м, н) датчики, имеющие по две встречно включенные измерительные обмотки.

Классические датчики являются абсолютными. Они дают на выходе сигнал, зависящий от абсолютного значения параметров изделия и их изменения. Сигнал дифференциальных датчиков зависит только от разницы свойств двух рядом расположенных участков. Абсолютные датчики используют для контроля электропроводности и проницаемости материала и других свойств, с ними связанных (см. рис. 10), а также диаметра, толщины стенки, сплошности, а дифференциальные — для оценки неоднородности структуры, нарушений сплошности материалов. Следует отличать дифференциальные датчики от дифференциальной схемы включения абсолютных датчиков, в которой выходной сигнал зависит от разности значений параметров проверяемого изделия и контрольного образца.

На схеме, приведенной на рис. 6, сплошными линиями показана классификация параметрических датчиков, а штриховыми — трансформаторных.

Для упрощения расчетов каждую обмотку датчика принято заменять эквивалентным витком, а вихревые токи — эквивалентным контуром тока диаметром DB. вычисления обычно ведут в цилиндрической системе координат с, z, ц (рис. 7).

Местоположение точек

Вихревые токи протекают непосредственно под датчиком, в небольшом объеме изделия. Их амплитуда и фаза различны в каждой точке на поверхности изделия и в глубине (рис. 8).

Анализ пространственной картины ВТ необходим для понимания основ метода и его эффективного практического использования. Так, трещина лучше всего выявляется в том случае, когда ее стенки перпендикулярны к вектору плотности ВТ. При контроле свойств металлов или толщины изделий знание пространственной картины токов позволяет судить об объеме материала, по которому прибором осреднены проверяемые параметры.

В каждой точке пространства рассматривают плотность ВТ д и их фазу ш. Плоскости, в которых расположены траектории ВТ, перпендикулярны линиям напряженности возбуждающего поля (см. рис. 2). Возбуждаемые цилиндрическими датчиками ВT протекают по окружностям, соосным сдатчиком. В случае контроля однородного изотропного материала значения д и ш от координаты ц не зависят.

Распределения д и ш ВТ в пространстве при контроле немагнитных материалов накладными и проходными датчиками показаны на рис. 8. На рис. 8 датчик заменен эквивалентным витком (см. рис. 7).

Координаты с и z выражены через радиус эквивалентного контура ВТ, который равен соответственно Rq, Rn, Re. Кривые 1 и 2 даны для различных условий возбуждения: 1—для ??о=20, сравнительно большой частоты или электропроводности; 2—для ??0=6, существенно меньших значений этих величин. Плотность ВТ выражена через максимальное ее значение д01 на поверхности при ??0=20.

При контроле накладным датчиком (рис. 8, а, А, д/д01—с/Rq) на его оси д=0. С увеличением с увеличивается д, достигая максимума при с=Rq (при h=0). Удаление датчика от поверхности изделия приводит к уменьшению максимума д© в случаях а, б, в, а при использовании накладного датчика — и к увеличению радиуса эквивалентного контура ВТ (кривая 3). Фазы токов, находящихся внутри эквивалентного контура, одинаковы (рис. 8, а, А, ш—с/Rq).

При контроле короткими проходными датчиками (рис. 8, б, в, A, д/д0i—z/R) максимум д (z) расположен под эквивалентным витком. Фаза ВТ изменяется вдоль оси z в обе стороны от максимума (рис. 8, б, в, A, ш—z/R).

На эффекте изменения фазы ВТ вдоль координаты с>Rq (для накладных датчиков) или z (для коротких проходных) основаны векторно-разностные датчики. На эффекте постоянства фазы ВТ при 0 < с < Rq для накладного датчика основаны некоторые дифференциальные датчики.

По мере углубления в металл — увеличении z (рис. 8, а, Б), уменьшении с RB (рис. 8, в, Б) — наблюдается резкое уменьшение плотности и запаздывание ВТ. В случае больших значений ??0 изменение фазы ВТ по глубине носит практически линейный характер. Изменения фазы ВТ по глубине являются основой многопараметрового контроля.

Анализ зависимостей д (z, с, ??о) для датчиков всех типов показывает, что на большей частоте для больших значений электропроводности в поверхностных слоях создаются ВТ большей плотности.

Из анализа графиков д©, д (z) следует, что ВТ сосредоточиваются в том месте изделия, в котором проникающее в него поле имеет максимальное значение.

Затухание ВТ по глубине происходит по закону, близкому к экспоненциальному:

Для сравнения распределения ВТ по глубине в различных металлах при различной частоте введено понятие — условная глубина проникновения ВТ z0. Это расстояние, измеряемое от поверхности до слоя, в котором плотность ВТ в е раз меньше, чем на поверхности, что соответствует уменьшению ее до 0,37.

На/частоте 1,5 МГц для немагнитных материалов при =0,65 106 См/м zo=0,53 мм; при =10 106 См/м zо=0,14 мм; при =25 106 См/м z0=0,08 мм. На частоте 150 Гц. z0 увеличивается в 100 раз по сравнению с указанными значениями для тех же металлов.

На рис. 9 даны значения z0 для некоторых металлов при различных частотах.

Рис. 9 Зависимость глубины проникновения вихревых токов от частоты для различных значений электропроводности.

В местах дефектов сплошности материала ВТ, подтекая под дефект, могут проникать на глубину, большую, чем z0. Поэтому изменение глубины дефектов и в этом случае регистрируется прибором.

Основной показатель

Произведение является обобщенной переменной, учитывающей свойства материала изделия (, м), частоту f и размеры контура ВТ, называемой обобщенным параметром ??. Он характеризует процесс, происходящий внутри изделия. В случае контроля проходным датчиком Dэ = Dп или Dэ = DB (рис. 8). Поскольку для накладного датчика значение DЭ зависит от расстояния эквивалентного витка возбуждающей обмотки датчика до изделия h, его вычисляют приближенно по формуле:

При дальнейшем изложении приняты следующие обозначения для обобщенного параметра:

— при контроле ферромагнитного материала;

—при контроле немагнитного материала.

Обобщенный параметр имеет физический смысл: это отношение индуктивного сопротивления щLВ к активному RB эквивалентного контура ВТ в проверяемом изделии:

.

Общая характеристика сигналов датчика представляет собой комплексную величину, состоящую в случае параметрического датчика из вносимого активного и индуктивного сопротивлений, а в случае трансформаторного датчика — активной и реактивной составляющих вносимого напряжения. Схема формирования сигнала датчика показана на рис. 10. Поскольку параметры ВТ (амплитуда и фаза в каждой точке, траектории) зависят от электропроводности, проницаемости, сплошности материала изделия, его конструкции и положения относительно датчика, от этих же величин зависит и его сигнал. Зависимости составляющих сигнала от 0 приведены на рис. 11. Они аналогичны зависимостям магнитного потока ВТ ФВ и потерь мощности на ВТ Фв в изделии от 0.

Чаще принято рассматривать изменение сигнала датчика не по составляющим частям, как показано на рис. 11, а совместно на комплексной плоскости сопротивлений или напряжений. Зависимость сигнала от обобщенного параметра, положения датчика относительно изделия, его формы, размеров, сплошности материала представляет собой сложную комплексную функцию. Влияние каждого переменного на сигнал изображается графиком на комплексной плоскости RBH, jщLBH или Uа. вн, jUp.вн. Значения одного из контролируемых параметров (Д, Р, П, а также м и, выраженные через, рис. 10) указывают непосредственно на линии графика, которую называют годографом.

С целью получения обобщенных зависимостей сигнала от параметров изделия (свойства, размеры, форма и др.) при расчетах все размеры изделия и датчика выражают через диаметр, эквивалентного контура Dэ.

Для накладного датчика, например, применяют следующие обозначения:

—относительное удвоенное расстояние между эквивалентным витком параметрического датчика изделием;

—сумма относительных расстояний от эквивалентных витков возбуждающей и измерительной обмоток трансформаторного датчика до изделия;

— относительная толщина листа, стенки трубы.

Зазор между изделиями и эквивалентными витками проходных датчиков учитывает коэффициент заполнения .

В подавляющем большинстве случаев основой при анализе этих зависимостей является годограф сигнала F (0) витка, плотно прижатого к немагнитному изделию (рис. 12). Сигнал для каждого значения 0 является максимальным; с увеличением зазора между витком и изделием сигнал уменьшается. Этот годограф отражает влияние на датчик электропроводности материала и частоты возбуждения. Причем влияние этих величин на сигнал одинаково, что следует из выражения обобщенного параметра. Как видно на рис. 12, при увеличении частоты или электропроводности до бесконечности. Изменение составляющих вносимых сопротивлений на рис. 12 подобно их изменению на рис. 11.

Анализируя годографы, выбирают оптимальную рабочую частоту, конструкцию датчика, измерительную схему и приемы контроля, обеспечивающие достаточную чувствительность прибора к проверяемому параметру и полное или частичное снятие влияния изменений неконтролируемых свойств изделия.

Основное влияние на вид годографов оказывает та часть ВТ, которая протекает в слоях, ближе всего расположенных к измерительной обмотке 2 датчика (рис. 13). Фазы ВТ вблизи обмотки 2 в случаях, а и б при контроле одного и того же изделия на одной и той же частоте могут отличаться более чем на 180°. Поэтому годографы для двух групп классических датчиков —.отраженного поля и проходящего поля (экранных) различаются существенно. В пределах каждой группы для всех типов датчиков годографы F () близки по форме. То же наблюдается для других годографов: F (м), F (Т) и т. д. Некоторая количественная разница между годографами для накладных, щелевых, наружных и внутренних проходных датчиков (рис. 14) объясняется тем, что та часть поля, в которую изделие помещается для контроля, у этих датчиков не одинакова.

Регулирование вида и структуры изделия

Физико-механические свойства металлов (статическая и усталостная прочность, вязкость, пластичность, твердость, теплоемкость и т. д.) зависят от химического состава, структуры, состояния, а некоторые — и от условий применения. Все эти показатели функционально связаны с электропроводностью, которая является важной обобщенной характеристикой немагнитного материала, непосредственно влияющей на ВТ, сигнал датчика, показания прибора (см. рис. 10). Это позволяет путем измерения электропроводности определять химический состав, структуру, режимы термообработки, напряженное состояние, твердость, прочность и т. д. Поэтому закономерности влияния электропроводности на сигнал различных типов датчиков являются основными при контроле МВТ немагнитных материалов. Электропроводность входит в формулу обобщенного параметра:

Регулирование сопротивления электричеству

На рис. 14 приведены зависимости (сплошные годографы) сигнала накладных и проходных датчиков от электропроводности для детали с плоской поверхностью и большими относительно диаметра датчика размерами, которую можно заменить полупространством (а, б), цилиндрического прута (в), шара (г), толстостенной трубы (д). Кроме того, показаны зависимости (штриховые годографы) сигнала от расстояния между средними витками обмотки цилиндрического датчика (а, в, г, д) или осью зазора подковообразного датчика (б) и поверхностью изделия. В случае контроля прутка, шара, трубы проходным датчиком штриховые годографы показывают влияние на сигнал диаметра изделия Dn, Dш, DB или коэффициента заполнения. При контроле накладным датчиком они отображают зависимость сигнала от толщины неметаллического покрытия изделия или зазора между датчиком и изделием.

Рассматриваемые годографыjF (о)e-3о иjF (о) соответствуют следующим условиям контроля:

накладные датчики размещены вдали от краев плоской детали (над полупространством);

длина прутка, трубы и диаметр шара много больше длины проходных датчиков; при этих условиях края изделий не влияют на распространение ВТ и сигнал датчика;

3)толщина и диаметр изделий в несколько раз превышают условную глубину проникновения ВТ.

Годографы, приведенные на рис. 14, а, б, следует использовать при разработке приборов и методик контроля цилиндрическим и подковообразным накладными датчиками деталей с относительно небольшой кривизной поверхности, размеры которых в несколько раз больше диаметра датчика.

Годографы, приведенные на рис. 14, в, показывают изменение сигнала при контроле длинных изделий, сечение которых незначительно отличается от круга или кольца. Годографы для шара (рис. 14, г) могут быть использованы при анализе влияния на сигнал датчика относительно коротких деталей — болтов, гаек, роликов и др.

Годографы для толстостенной трубы с внутренним проходным датчиком (рис. 14, д) можно использовать для контроля отверстий.

Все годографы, показывающие влияние электропроводности на сигнал различных типов датчиков (рис. 14), подобны годографу для одного витка (рис.12).

Как видно на рис. 14, максимальная вносимая нормированная индуктивность подковообразного датчика составляет около 5% от его индуктивности Lo в свободном пространстве. Однако по сравнению с цилиндрическим датчиком подковообразный датчик того же объема отличается большей локальностью контроля, а абсолютные значения LBH у подковообразного датчика могут быть больше, чем у цилиндрического.

При контроле длинных цилиндрических изделий наружным проходным датчиком и контроле изделий накладным датчиком максимальное значение Rвн. н наблюдается при 0=5−6 (о=0); если контролируют шар проходным датчиком, максимум достигается при больших 0, а если контролируют трубу внутренним проходным датчиком,—то при меньших 0.

Значения о, соответствующие Rвн. н мах, зависят от о или. Так, для накладного датчика в случае о=0.4Rвн.н достигает максимума при 04, а для проходного датчика с цилиндром— при 09.

Годографы F (о) являются линиями равных значений о или, а годографы F (), F (о) —линиями равных значений 0. Последние называют линиями отвода датчика.

Приведенные для шара графики относятся к очень коротким датчикам (l

Значения F (о) находят по крайнему правому годографу, приведенному на рис. 14, г.

При проектировании приборов или разработке методик контроля физико-механических свойств материала важно подобрать такие параметры прибора, при которых, с одной стороны, обеспечивалась бы достаточно высокая чувствительность к электропроводности, а с другой — создавалась бы возможность уменьшения влияния изменений зазора, диаметра, перекоса датчика, краев изделия.

Рис. 15 Кривые изменения сигнала проходного датчика при изменении на 1% электропроводности прутка и его диаметра при =1.

На рис. 15 приведены графики чувствительности проходного датчика при контроле прутка к изменению на 1% электропроводности и диаметра в случае, когда коэффициент заполнения равен единице. Для датчиков других типов эти зависимости, качественно аналогичны.

Максимум чувствительности к изменению электропроводности наблюдается при таких значениях 0, при которых максимально значение Dвн на годографе. F (о) (рис. 14). Чувствительность к зазору наибольшая при 0>?. Исходя из этих значений о, следует выбирать частоту ВТ и диаметр датчика. В результате различия в характере зависимостей сигнала от свойств материала и размеров изделий можно уменьшить (частично или полностью) влияние изменений зазора и диаметра, а также раздельно измерять одним датчиком электропроводность, диаметр или зазор. Эта возможность основывается на следующем.

Годографы F (h), F (Dn), F (Dш), F (Dв), особенно при больших значениях о, близки к прямым. Это означает, что с увеличением зазора между датчиком и изделием меняется амплитуда сигнала, а его фаза остается практически неизменной. Фаза сигнала значительно меняется при изменении электропроводности изделия. Если измерять фазу, то можно исключить влияние изменений зазоров на результаты контроля электропроводности. Измеряя амплитуду и фазу, можно одновременно контролировать электропроводность и размеры изделия.

Чем больше угол между направляющими векторами годографов F (0) и F (h) или F (Dn), F (Dш), F (DB), тем с большей эффективностью можно уменьшать влияние одной из переменных на результаты контроля другой или измерять их одновременно.

Когда о имеют малые значения, угол между направляющими векторами годографов F (о) и F (h), F (Dп), F (Dm), F (DB) незначителен, поэтому трудно разделить эти величины. Лучшие результаты можно получить при работе на средней и нижней частях годографа F (о). Однако в нижней части годографа (при больших о) чувствительность к изменению свойств материала крайне низкая.

В фазочувствительных приборах значение выходного сигнала (рис. 16, а) пропорционально проекции ОА приращения сигнала датчика ДZ' на перпендикуляр СЕ к линии зазора h или D, проходящей через точку О, соответствующую исходному состоянию материала изделия. При этом ОА=ДZ'cos' или ОА=ДZ''cos'', где ДZ'', ДZ' — модули приращения сигналов, обусловленных изменением электропроводности или наличием трещины; ', '' —углы между вектором ДZ' или ДZ'' и перпендикуляром к линии зазора h, соответственно.

Если ДZ' —приращение, обусловленное изменением на ±1%, то величину ДZ'1%cos' называют различимостью. Зависимость ДZ'1%cos' от о (рис. 16, б, кривая 2) имеет максимум, который смещен относительно максимума амплитуды сигнала ДZ'1% вправо. Это значит, что прибор с фазочувствительной схемой и, например, с проходным датчиком, имеет максимальную чувствительность к изменению не при о=4−6 (рис. 15, рис. 16, б, кривая 1), а при 0 =5−8.

При рассмотрении годографов F, описывающих влияние несплошностей, величина ОА = ДZ''cos'' названа нормальной составляющей сигнала ДZф.

На рис. 14 видно, что годографы F (о) при различных значениях о или приблизительно подобны. Это дает основание сформулировать правило подобия для однотипных датчиков. При разных размерах геометрически подобных контролируемых изделий, при различных свойствах материала и частоте возбуждения значения вносимых относительных сопротивлений (или напряжений) характеризуются одной и той же точкой на комплексной плоскости, если 0, о, и другие параметры контроля одинаковы.

Правило подобия позволяет распространить результаты, полученные при анализе работы датчика определенных размеров, на множество применяемых на практике датчиков того же типа.

Способы регулирования

Зависимость ВТ от электропроводности, проявлением которой являются рассмотренные выше закономерности изменения сигнала датчика от обобщенного параметра, позволяет с высокой точностью по показаниям приборов определять значения электропроводности и ее изменения вплоть до 10−5 от абсолютного значения.

Для количественного измерения электропроводности или определения свойств материала, однозначно связанных с нею, применяют испытатели электропроводности типа ИЭ. Все приборы типа ИЭ имеют поворачиваемую шкалу, на которой указаны значения электропроводности в м/Ом мм2 (1 м/Ом мм2 = 106 См/м), и стрелочный индикатор с нулем в центре.

При контроле накладной датчик прибора устанавливают на контролируемую деталь. В результате этого отклоняется стрелка индикатора. Ручку управления вращают до тех пор, пока стрелка не подойдет к нулю. Абсолютное значение электропроводности отсчитывают по шкале.

Перед началом работы проверяют точность прибора путем измерения электропроводности двух-трех контрольных образцов, на которых указано ее значение. При недостаточной точности дополнительно градуируют шкалу ручками настройки.

Если на изделии имеется площадка диаметром более 20 мм при шероховатости поверхности не более 5 и толщине неметаллических покрытий до 200 мкм, то этими приборами можно получить абсолютные значения. Одно измерение продолжается 10—20с.

Большие погрешности измерения могут быть вызваны наличием зазора между датчиком и поверхностью изделия, обусловленного неплотным прилеганием к металлу, и его нестабильностью, а также наличием окислов, покрытий, смазки и т. д. Например, при контроле меди с пленкой на металле толщиной 4 мкм прибор покажет значение на 106 См/м меньше истинного. Конструкция испытателей электропроводности позволяет значительно уменьшить погрешность при изменениях зазора в пределах от 0 до 200 мкм путем специальной настройки схемы. Ошибка может быть вызвана также кривизной поверхности изделия, близостью датчика к его краям, изменениями толщины изделия (если она соизмерима с глубиной, проникновения ВТ), наличием отверстий, выступов и т. д.

Электропроводность материала в значительной степени зависит от его температуры. Например, при изменении температуры меди на 1 °C ее электропроводность меняется на 0,22*106 См/м. Поэтому измерения следует проводить при постоянной температуре или при оценке результатов учитывать ее изменения. Температурную погрешность можно уменьшить, если градуировку шкалы приборов проверять и уточнять по контрольным образцам, имеющим с изделиями одинаковую температуру и одинаковые поправочные температурные коэффициенты.

Если из-за большой кривизны поверхности невозможно измерить абсолютные значения, то по описанной методике электропроводность можно определить относительно контрольного образца.

При этом учитываются мешающие факторы, так как настройку прибора ведут по контрольному образцу — детали, выбранной из проверяемой партии однотипных изделий. Свойства контрольного образца определяют путем механических, химических, спектральных, металлографических и других необходимых испытаний и исследований. Точность измерений повышается при постоянных толщине изделий, кривизне их поверхности в зоне контроля, расстоянии отдатчика до выступов, впадин и краев изделий проверяемой партии.

При измерениях электропроводности цилиндрических изделий на датчик прибора надевают центрирующее приспособление с пружиной или к прибору подключают проходные датчики, дополнительно изготовляемые предприятием, применяющим прибор.

На входной контроль полуфабрикаты поступают партиями — плавками. Разброс у внутри каждой плавки может быть незначительным. Поэтому для массового контроля прибором типа ИЭ наиболее удобен «нулевой метод», позволяющий сортировать материалы одной марки, но разных плавок. Индикатор прибора настраивают на нуль при размещении датчика на контрольном образце, используемом только при контроле материала этой плавки (марка его определена другим методом). Па нему периодически проверяют настройку прибора.

Если стрелка индикатора отклоняется вправо либо влево, то это соответствует увеличению либо уменьшению электропроводности относительно среднего значения (электропроводности контрольного образца). Регулировкой чувствительности можно выбрать любое отклонение стрелки, соответствующее, например, изменению у на 0,1*106 См/м. Сортировку можно проводить с большой скоростью (до 3000 деталей в час), так как при этом наблюдают только за отклонением стрелки индикатора при установке датчика на деталь, на что требуется всего 1—2 с.

При низкой чувствительности шкала индикатора включает значения электропроводности в широком диапазоне и сортировку можно вести по числу делений шкалы индикатора. Это целесообразно использовать при сортировке металлолома по классам сплавов.

Контроль по стрелочному индикатору можно применять также при разделении партии изделий по структуре, твердости и другим характеристикам сплавов.

Регулирование качества

В ряде случаев МВТ позволяет исключить металлографический анализ и механические испытания при определении вида и качества термообработки, а также механических характеристик материалов.

С этой целью необходимо предварительно исследовать образцы, подвергнув их термообработке по различным режимам и проведя контроль .

Рис 17 Зависимость кажущейся электропроводности сплава Д16 от температуры нагрева под закалку при толщине листов: а -0,8 мм; б-1,2 мм; в — 1,8 мм; г — 2,5 мм.

Наиболее хорошо изучен МВТ для контроля качества термообработки алюминиевых сплавов.

Однако и для них нет полных сведений по влиянию различных режимов обработки на сплавов всех типов и по зависимости от механических свойств металлов. Поэтому возможности МВТ показаны на отдельных примерах.

Термообработка алюминиевых сплавов сводится к закалке и последующему старению. Механические свойства зависят от температуры и времени выдержки при закалке и старении, режима охлаждения при закалке (времени переноса деталей в закалочную ванну, теплоемкости и других свойств закалочной среды, режима старения и т. д.).

Закаленные и отожженные алюминиевые сплавы значительно различаются по электропроводности, что позволяет определять МВТ их структурное состояние. При естественном старении сплавов значение уменьшается, а при искусственном увеличивается.

Распространенным дефектом является пережог (перегрев при закалке). Сплав Д16 имеет узкий температурный интервал закалки (485—503° С). Изделия, закаленные по оптимальному режиму, через 5—10 мин имеют электропроводность 17,8 *106 — 19,5*106 См/м, а после естественного старения (через 8 суток) 17*106 — 18*106 См/м. Если значение больше верхнего предела, то материал нагрет до температуры ниже оптимальной температуры закалки, а если значение меньше нижнего предела — то материал пережжен при закалке.

МВТ обнаруживают так называемые мягкие пятна — зоны меньшей твердости, возникающие при закалке крупногабаритных деталей из алюминиевых сплавов. Эти дефекты являются следствием недостаточного прогрева или неинтенсивного охлаждения детали при погружении в ванну. Мягкие пятна встречаются на концах длинных деталей, закаливаемых направленной струей. Электропроводность мягких пятен несколько больше, чем остальной части детали.

Рис. 18 Зависимость электропроводности

Рис. 19 Влияние вида старения на величину сплавов АК16 от времени сплава Д16 четырех плавок закалки

Для контроля изделий из плакированного листового материала вырезают большое число образцов разной толщины, часть которых предварительно подвергают термообработке при различных температурах. Затем, не удаляя плакированный слой, измеряют электропроводность образцов и строят графики = f (T°) для материала в свежезакаленном состоянии (рис. 17). Зная пределы температуры закалки, определяют соответствующий диапазон показаний прибора ИЭ-1. Так, например, для листа толщиной. 0,8 мм из сплава Д16 после термообработки = (18,5 — 19,5) 106 См/м. Эти графики используют для оценки качества термообработки изделий той же толщины, причем контролю подвергают не изделие, а образцы-свидетели, которые прикрепляют к изделиям, помещенным в разных зонах печи.

Влияние закалочной среды на электропроводность видно из следующего примера. Если образцы из сплава АК6 закаливать в воде при 20 °C, то =20*106 См/м, а после закалки в среде жидкого азота, температура которого — 196° С, =21,5 106 См/м. С понижением температуры воды при закалке изделий из сплава АК4−1 электропроводность увеличивается.

Существенное влияние на механические свойства и коррозионную стойкость оказывает скорость охлаждения нагретых деталей при переносе их из печи в закалочную среду. Она влияет и на электропроводность материала (рис. 18).

Измеряя электропроводность, можно следить за процессом старения сплава и различать материалы после искусственного и естественного старения (рис. 19).

Связь между электропроводностью и механическими свойствами установлена также для сплавов АК4. Поршни двигателей в результате термического (до 350° С) и механического воздействия при длительной эксплуатации разупрочняются. Разупрочнение, характеризующееся резким к схватыванию поверхностей деталей цилиндропоршневой группы. При ремонте этих двигателей, используя зависимость между твердостью и электропроводностью (рис. 22), удается отобрать с помощью прибора ИЭ-1 все разупрочненные поршни и восстановить их механические свойства повторной термообработкой.

МВТ используют для определения механических свойств, которыми будут обладать детали после длительного естественного старения (рис.19).

Рис. 20 Зависимость электропроводности сплава В93 от предела прочности при различных режимах старения

Приведенные на рис. 20 графики подтверждают наличие однозначной зависимости между электропроводностью и пределом прочности для алюминиевых сплавов. Оценка механических свойств МВТ особенно важна для сплава В93, так как из этого сплава изготовляют крупногабаритные детали сложной формы, термическая обработка которых затруднена. Установлено, что при прочности сплава В93 48—52 кгс/мм2 =(20- 22,5) 106 См/м.

Рис. 21 Зависимость показаний прибора с проходными датчиками от предела

Рис. 22 Зависимость электропроводности сплава АК4 от твердости прочности деталей из сплава Д16

Существует также зависимость между электропроводностью, пределом прочности и температурой отжига сплава В95. Электропроводность в черных зонах (в местах перегрева при старении) на (4 — 7)106 См/м больше, чем на участках, обработанных по оптимальному режиму. В черных зонах сплав становится склонным к межкристаллитной коррозии, а предел прочности его уменьшается в 2 раза. Для контроля механических свойств термообработанных деталей из плакированного сплава Д16 использовали прибор с двумя проходными датчиками, в один из которых помещали проверяемую деталь, в другой — контрольный образец. По результатам контроля более. 35 тыс. деталей построен график зависимости показаний индикатора прибора от предела прочности (рис. 21). Разброс показаний объясняется неоднородностью структуры, колебаниями содержания легирующих элементов в пределах, указанных в ТУ, и толщины плакированного слоя, неточностью измерений и т. д. Детали, при контроле которых прибор показывает более 18 мкА, являются годными и идут на дальнейшую обработку; при показаниях ниже 10 мкА (предел прочности менее 42 кгс/мм2) детали бракуют. Детали, при контроле которых наблюдаются показания прибора 10—18 мкА, подвергают механическим испытаниям.

Связь между электропроводностью и механическими свойствами установлена также для сплавов АК4. Поршни двигателей в результате термического (до 350С) и механического воздействия при длительной эксплуатации разупрочняются. Разупрочнение, характеризующееся резким снижением твердости сплава, приводят к схватыванию поверхностей деталей цилиндропоршневой группы.

МВТ используют для определения механических свойств, которыми будут обладать детали после длительного естественного старения. Графики, представленные на рис. 23, позволяют установить, будет ли после закалки и естественного старения детали достигнута прочность, указанная в ТУ. Например, если электропроводность сплава Д16 (лист толщиной 2,5 мм) в закаленном состоянии равна 22 106 См/м, то предел прочности изготовленной из такого листа детали после естественного старения будет не ниже 40 кгс/мм2.

Рис. 23 Зависимость прочности после старения от электропроводности

Рис. 24 Зависимость электропроводности сплавов Д1, АК6, Д16 от твердости

При контроле МВТ материалов на твердость также нужно иметь контрольные образцы или графики зависимости твердости от электропроводности. При их построении необходимо учитывать возможные колебания из-за разброса химического состава плавок, наличия плакированного слоя и других факторов. Для многих материалов имеются графики зависимости между электропроводностью и твердостью (рис. 24), которые дают возможность оценивать твердость без их повреждения.

Применение приборов типа ИЭ ограничено, так как для контроля требуется площадка определенных размеров (20×20 мм) и кривизны. Поэтому в ряде случаев заводы разрабатывают и изготовляют приборы с малогабаритными датчиками. Так, на одном из заводов для 100%-ного контроля термообработки мелких и крупных деталей сложной формы, изготовленных из сплавов Д16, В95, АК6, применяют приборы ФИЭТ-2, для которых необходима площадка 5X5 мм. При этом повышается надежность контроля и сокращается время, затрачиваемое на измерения в 2—3 раза для небольших деталей и более чем в 6 раз для крупных. Одним прибором ФИЭТ-2 за смену проверяют до 2000 деталей.

Необходимость определения вида и качества термообработки или механических свойств деталей возникает не только при изготовлении, но и при эксплуатации машин. С помощью прибора ИЭ-1 можно определять предел прочности обшивки из сплава В95Т, подверженной длительному воздействию горячей струи. На каждом изделии было более 500 опасных точек, которые нужно контролировать. Для оценки прочности необходимо заранее получить закономерность изменения от прочности. При контроле удается найти участки изделий, в которых прочность снижается с 54 до 40 кгс/мм2, что свидетельствует об их нагревании выше 200° С.

Этот же прибор можно использовать для выявления на машинах деталей, не прошедших термическую обработку, если даже их поверхность имеет лакокрасочные покрытия.

Приборами типа ИЭ можно контролировать свойства сплавов на основе меди, аустенитных сплавов и др.

В ряде случаев для контроля пруткового материала более эффективными являются приборы с проходными датчиками. На заводах используют дефектоскопы типа ЭМИД. Прибор настраивают по двум контрольным образцам с максимальной допускаемой твердостью, которые помещают в оба датчика. Получаемую на экране кривую выравнивают с помощью компенсаторов. После этого в один из датчиков помещают проверяемые изделия. При контроле термообработанных по оптимальному режиму изделий из сплава Д1 (твердость НВ 107—129) на экране наблюдают кривые, амплитуды которых равны 0—35 мм: нуль — максимальная допускаемая твердость, 35 мм — минимальная допускаемая. При пережоге изделия амплитуды равны 36— 80 мм. В случае недогрева кривые меняют знак.

Аналогичные результаты получены при контроле прутков из сплава Д16. При изменении диаметра прутка на 0,2 мм амплитуда меняется на 5—7 мм. Допускаемые колебания химического состава на кривой не отражаются.

Применяя приборы типа ЭМИД, время контроля можно уменьшить более чем в 10 раз, по сравнению с измерением твердости механическими методами.

Характеристика параметров датчика

Зависимости сигнала датчиков разных типов от свойств объекта контроля и частоты возбуждения ВТ, рассмотренные выше, представлены нормированными, относительными величинами — вносимыми сопротивлениями или напряжениями. Эти зависимости используют для выбора основных параметров (или условий) контроля: частоты диаметра датчика, способов уменьшения влияния неконтролируемых величин и др.

На практике возникают задачи, для решения которых необходимо знать абсолютные значения сигналов датчиков и выражения, их определяющие. К таким задачам относятся:

расчет усилителей проектируемых «токовихревых приборов или определение возможности использования имеющегося прибора для получения заданного сигнала на его выходе при работе с дополнительно подбираемым датчиком;

расчет размеров датчика, числа витков, силы тока в возбуждающей обмотке по заданным (требуемым) значениям сигнала и т. д.

Абсолютные значения сигнала датчика и других величин можно вычислить по следующим формулам с использованием соответствующих годографов.

Накладные датчики. Сопротивление параметрического датчика, Ом

Напряжение на измерительной обмотке трансформаторного датчика отраженного поля, В

Напряжение на измерительной обмотке экранного датчика, В

где, если D_qq₂, если D_q>D_q2

Dq — средний диаметр параметрического датчика и возбуждающей обмотки трансформаторного датчика, м; Dg2— средний диаметр измерительной обмоткитрансформаторного датчика отраженного поля и экранного датчика, м; Dэ — диаметр эквивалентного контура ВТ, м; Dэ =Dq + 1,5 h; h — расстояние от эквивалентного (среднего) витка, заменяющего параметрический датчик, и от эквивалентного витка, заменяющего возбуждающую обмотку трансформаторного датчика, до изделия, м; h2 — расстояние от эквивалентного витка, заменяющего измерительную обмотку трансформаторного датчика отраженного поля, до изделия, м; с — расстояние между эквивалентными витками, заменяющими обмотки трансформаторного датчика (экранного или отраженного поля), м; щ — число витков параметрического датчика; w1, w2 — число витков обмоток трансформаторного (отраженного поля или экранного) датчика; / — сила тока в обмотке датчика, А.

Наружные проходные датчики. Формулы пригодны для расчета датчиков с приблизительно равномерным магнитным полем в проходном сечении датчика без изделия.

Сопротивление параметрического датчика, Ом

Напряжение на измерительной обмотке трансформаторного датчика отраженного поля, В

где D — наружный диаметр изделия, м; D=DП или D=DТ; Dk — средний диаметр измерительной обмотки датчика, м; l — длина датчика, м.

Для накладного и проходного датчиков значения Ua.BH.H=RBH.H, Up.BH.H=LBH.H получают (после вычисления обобщенных параметров в0, г, мr и др.) из годографов при значениях о = 0 или з = 1 с учетом знака.

В формулах для расчета ZBH параметрических датчиков R0 (Ом) и L0 (Ом· с) — активное сопротивление и индуктивность датчика в свободном пространстве (вдали от изделия).

При построении годографа по данным эксперимента значения вносимых сопротивлений делят на измеренное индуктивное сопротивление щL0 датчика.

Вносимые сопротивления измеряют на мостах переменного тока, куметрах, а вносимые напряжения — с помощью фазовых вольтметров.

Расчет показателей

Рассчитаем U трансформаторного датчика отраженного поля с эквивалентными размерами, указанными на рис. 75, расположенного над немагнитным полупространством: f=50 Гц; I = 0,25А T = 0,8 мм. Обмотка меньшего диаметра — возбуждающая.

Вычисляем D_э и обобщенные параметры:

Из формул для U₂ определяем

Значения U_а.вн.н и Uр.вн. н находим на рис. 12, а при о= 0, в₀ = 6,017. Однако на этом рисунке имеется годограф для о = 0,2. Поэтому непосредственно определяем значения относительных сопротивлений при о = 0,2 в точке пересечения линии отвода, идущей от точки в₀ =6,017 на годографе о = 0, с годографом о = 0,2:

Вычисляем напряжение

Абсолютные значения вносимых напряжений

Начальное напряжение

Напряжение на измерительной обмотке

Выводы

1. В результате расчета были получены значения различных параметров намагничивающей системы и трансформаторного датчика отраженного поля с эквивалентными размерами, расположенного над немагнитным полупространством.

2. Для заданного материала — латунь Л62 — и толщины контролируемого листа — 0,8 мм — было рассчитано начальное напряжение, а затем и напряжение на измерительной обмотке. Но предварительно, при помощи годографов были найдены значения относительных сопротивлений, а затем рассчитаны абсолютные значения вносимых напряжений.

3. Годограф сигнала датчика зависит от обобщенного параметра в0 и зазора между датчиком и изделием. При изучении зависимостей между параметром в0, частотой f и напряжением U можно сделать вывод, что при увеличении толщины контролируемого листа напряжения на измерительной обмотке уменьшаются. Следовательно, можно выбрать оптимальную рабочую частоту, конструкцию датчика, измерительную схему и приемы контроля для обеспечения достаточной чувствительности датчика к проверяемому параметру.

1. Неразрушающий контроль материалов и изделий. Справочник, под редакцией Г. С. Самойловича, М.: Машиностроение, 1976.

2. Электромагнитный контроль. Практическое пособие. М., Высшая школа, 1992.

3. 3. Машиностроение: энциклопедия в 40 томах. Т. III-7. Измерения, контроль, испытания и диагностика. (Под ред. и сост. чл. корр. РАН В. В. Клюева), М. Машиностроение, 1996 г.