2. Класифікація і види вихрострумових перетворювачів (всп) область їх застосування.

По робочому положенню відносно об’єкта контролю ВСП поділяються на накладні, прохідні, комбіновані.

Накладні ВСП зазвичай мають форму одної або декількох котушок, до торців яких підводиться поверхня об’єкту контролю (рис. 12.3). Котушки таких перетворювачів можуть бути круглими коаксіальними (рис. 12.3, а), прямокутними (рис. 12.3, б), прямокутними хрестоподібними (рис. 12.3, в) або із взаємноперпендикулярними осями (рис. 12.3, г).

Рисунок 12.3 - Види накладних перетворювачів

Накладні ВСП можуть бути з феромагнітним осердям і без нього. При наявності осердя зростає чутливість, але зменшується зона контролю за рахунок локалізації магнітного потоку.

Прохідні ВСП класифікують на зовнішні, внутрішні і занурювальні. Відмінна особливість прохідних ВСП полягає в тому, що під час процесу контролю вони проходять або ззовні об’єкту, охоплюючи його (рис. 12.4, а-в), або всередині нього (рис. 12.4, г-д), або занурюються у рідкий об’єкт (рис. 12.4, е-ж).

Комбіновані ВСП є за своєю суттю комбінацією накладних і прохідних ВСП (рис. 12.5).

1 – об’єкт контролю; 2 – збуджувальна обмотка; 3 – вимірювальна обмотка

Рисунок 12.4 - Види прохідних ВСП

1 – об’єкт контролю; 2 – збуджувальна обмотка; 3 – вимірювальна обмотка

а – з прохідною збуджувальною і накладною вимірювальною обмотками; б – лінійні.

Рисунок 12.5 – Види комбінованих ВСП

По виду перетворення параметрів об’єкта у вихідний сигнал перетворювача ВСП поділяються на трансформаторні (містять не менше двох обмоток) і параметричні (однообмоткові ).

Параметричні ВСП хоча і простіші, однак в них більш суттєва залежність вихідного сигналу від температури у порівнянні з трансформаторними.

В залежності від з’єднання обмоток розрізняють абсолютні і диференціальні ВСП. Останні забезпечують більш суттєве підвищення відношення корисного сигналу до завади, так як в них вихідний сигнал визначається приростом контрольованого параметра.

В абсолютних ВСП вихідний сигнал визначається абсолютним значенням параметрів контролю.

Накладними ВСП контролюють об’єкти з плоскими поверхнями і об’єкти складної форми. Ці перетворювачі використовують також, коли потрібно забезпечити локальну і високу чутливість контролю. Накладними і прохідними ВСП контролюють лінійно-протяжні об’єкти. Їх використовують при масовому контролі дрібних виробів. За допомогою внутрішніх прохідних ВСП контролюють внутрішню поверхню труб, а також стінки отворів у різних деталях. Прохідні ВСП дають інтегральну оцінку контрольованого параметра вздовж периметра об’єкта, тому вони мають меншу чутливість до локальних варіацій їх властивостей.

3 Схема контролю стикових з‘єднань та їх особливості

Стикові з‘єднання контролюються за наступними схемами:

1. Нахиленим перетворювачем і прямим променем:

Недоліком даного методу є те, що поверхня біля зварного шва не підготовлена до контролю, при контролі велика амплітуда шумів.

2. Дзеркальний метод з однократним відбиттям:

Недоліком є те, що донна поверхня виробу повинна бути плоскою, в іншому випадку буде велике розсіяння сигналу і це не дозволить в повному об‘ємі проводити контроль.

3. Луно-імпульсний метод з багатократним відбиттям.

Контроль застосовують у виробах з малим затуханням сигналу або коли товщина даного виробу є малою. Тому при попередніх методах отримувались би великі нулі.

Перевагою цього методу є те, що можемо контролювати не лише зварний шов, а й тіло труби.

Недолік: складна конструкція, затухання УЗХ.

Для контролю стикових з‘єднань застосовують перетворювачі з різними кутами падіння УЗ коливань. Дефекти в цих швах найчастіше орієнтовані паралельно поверхням зварних кромок виробу. Для їх виявлення перетворювачі встановлюються і сканують по поверхні зварних елементів поблизу зварки зигзагоподібно. Виявленість дефектів залежать від кута нахилу перетворювача, відстані до дефекта і його орієнтації.

4 Джерела надвисокочастотних електромагнітних коливань в радіодіапазоні. Особливості поширення високочастотних електромагнітних коливань, їхня взаємодія з речовиною та використання їх для неруйнуючого контролю.

Радіохвильовий неруйнівний контроль (РНК) оснований на реєстрації зміни параметрів надвисокочастотних (НВЧ) електромагнітних хвиль (ЕМХ) радіодіапазону, які взаємодіють з об’єктом контролю (ОК).

Найчастіше для РНК використовують 3-см діапазон ( f ≈ 10ГГц) і 8-мм діапазон ( f ≈ 35 ГГц) найбільш освоєні і забезпечені вимірювальною апаратурою та гарним набором елементів.

НВЧ коливання – поляризовані когерентні гармонічні коливання, що обумовлює можливість одержання високої чутливості та достовірності контролю.

При застосуванні НВЧ ЕМХ розміри елементів пристроїв НК і розміри ОК співмірні з довжиною хвилі. РНК характерний великою інформативністю за кількістю параметрів випромінювання, які можна використати для НК, і за кількістю факторів, які впливають, але з другого боку, проведення НК та аналіз сигналів дуже затруднюється, що ускладнює побудову апаратури і заставляє застосовувати приблизні методи аналізу сигналів.

Фізичними величинами, які несуть інформацію про параметри контрольованого об’єкта, є: амплітуда, фаза, зсув коливань в часі, спектральний склад, розподіл енергії в просторі, геометричні фактори, поворот площини поляризації, поява амплітудної та частотної модуляції при русі об’єкта чи зміна умов контролю. У відповідності з цим за первинним інформативним параметром розрізняють наступні методи: амплітудний, фазовий, амплітудно-фазовий, геометричний, часовий, спектральний, поляризаційний, голографічний.

У залежності від взаємного розміщення випромінюючого та приймального пристроїв НК може проводитись по пройшовшому випромінюванню, по відбитому і по розсіюваному випромінюванню (коли приймач розміщують там, де при номінальних параметрах ОК інтенсивність випромінювання повинна бути близька нулю).

Радіохвильовим методом можна проводити всесторонній контроль ОК з діелектричних матеріалів, магнітодіелектричних, напівпровідникові структури і доступні розміри металічних виробів.

Аналіз компонент ЕМП в радіохвильовому тракті “джерело – ОК – приймач” дуже важкий із-за відсутності даних, які дозволяють визначити складові складного неоднорідного (неплоского, нециліндричного і несферичного) ЕМП, якщо розміри елементів генератора, приймача і ОК співмірні з довжиною хвилі.

Найчастіше величину сигналів знаходять експериментальним шляхом, а їх відносні зміни оцінюють, використовуючи приблизні співвідношення для плоскої хвилі, які витікають з законів геометричної оптики чи з теорії довгих ліній (імпедансний метод) ,що дозволяє визначати основні співвідношення між сигналами від різних впливаючих факторів і проводити приблизний розрахунок апаратури.

У каналах радіохвильової апаратури звичайно стараються одержати режим біжучої хвилі, поки амплітуда напруг і струмів по довжині тракту постійна і відбувається найбільш повна передача НВЧ-енергії.

1 – стояча хвиля, 2 - біжуча хвиля, 3 – загальний випадок, 4 – лінія з втратами.

Рисунок 3.1-Поширення НВЧ коливань у різних режимах.

ЕМ хвиля представляє собою сукупність швидкозмінних електричного Е і магнітного Н поля, які поширюються у певному напрямі Z. У вільному просторі ЕМХ поперечна. При РНК діелектричних матеріалів треба знати діелектричну сталу ε і тангенс кута діелектричних втрат tgδ (для діелектриків μ=1). Для напівпровідникових і магнітних матеріалів треба врахувати ε і μ Для металів в основному має значення величина провідності .

Розподіл у просторі векторів у стоячій ЕМХ.

У вільній хвилі E і H співфазні, вектори Е і Н завжди утворюють правий гвинт. Потік енергії S співпадає з напрямом поширення хвилі Z. Потік енергії S коливається з подвоєною частотою в порівнянні з Е і Н. Густина потоку енергії пропорційна квадрату амплітуди E. Це загальне і важливе положення, на якому фактично основана можливість реєстрації поширюваних ЕМХ різними приймачами, так як із-за інерційності приймачі енергії НВЧ реєструють середні значення квадрата амплітуди

При наявності межі розподілу появляється відбита хвиля, яка взаємодіє з падаючою і утворює стоячу хвилю, для якої як в часі, так і в просторі є зсув фаз Δφ=π/2 між векторами Е і Н. Вузли (і відповідно пучності) цих векторів рознесені просторово на λ/4. В будь-якому вузлі вектор S=|Е•Н|=0, тобто енергія поширюється вздовж Z. Вимірюючи віддаль між вузлами (чи пучностями) електричної напруженості, знаходять λ.

Довжина хвилі в необмеженому середовищі:

λ= ∙ (3.1)

Для вакууму: ε=1,μ=1,λ=с/f.

Рисунок 3.2- Розподіл в просторі векторів та в стоячій ЕМХ.

Рисунок 3.3 - Орієнтація векторів Е і Н електромагнітної хвилі.

Основний показник, який характеризує довгу лінію чи середовище, є хвильовий опір(імпеданс):

Z= . (3.2)

Для довгої лінії хвильовий опір також може бути розрахований:

Zл= , (3.3)

де L_л і C_л - індуктивність і ємність на одиницю довжини лінії

Якщо НВЧ коливання поширюються в середовищі, то хвильовий опір може записатись:

Z= , (3.4)

де – комплексне значення абсолютної діелектричної проникності середовища; - комплексне значення абсолютної магнітної проникливості середовища.

, (3.5)

де σ-питома провідність середовища( ); ω-кругова частота( ); ; .

При аналізі процесів в діелектриках часто використовують величину - тангенс кута діелектричних втрат:

tgδ= . (3.6)

Хвильовий опір середовища можна записати:

, (3.7)

де Z₀ – хвильовий опір вакууму Z₀= (Ом)=377 Ом .

Для неферомагнітного діелектрика – Z<Z₀ , феромагнітний діелектрик - Z може бути більшим Z_{0 ,} метал – Z<<Z₀, ( ), напівпровідник , недосконалий діелектрик – 0<Z<Z₀.

Розподіл напруженості Е вздовж довгої лінії (рис.3.1) залежить від співвідношення між падаючою і відбитою хвилею, які ідуть від джерела і навантаження Режим біжучої хвилі (узгоджений режим) досягається при узгодженні (рівності) опору лінії Z_л, і хвильового опору Z_н навантаження, тоді модуль напруженості Е і Н вздовж лінії постійний.

Якщо лінія і навантаження не мають втрат (Z_л=0, Z_н= ), то виникає режим стоячої хвилі. Цей режим характеризується коефіцієнтом відбивання:

Г= , (3.8)

або частіше коефіцієнтом стоячої хвилі (КСХ):

. (3.9)

Рисунок 3.4 – Розподіл напруженості в стоячій хвилі.

У хвилепроводах величина КСХ записується через напруженості:

. (3.10)

Зв’язок Г та :

. (3.11)

Поняття КСХ широко використовується в техніці НВЧ. Величиною КСХ користуються для оцінки якості апаратури, для оцінки ефективності роботи установок, для вираження ряду параметрів електровакуумних приладів НВЧ.

Іноді використовують коефіцієнт біжучої хвилі:

. (3.12)