13.2. Магнитоферрозондовое дефектоскопирование

13.2.1. Основы магнитоферрозондового метода контроля

Феррозондами называют магнитные элементы, служащие для из­мерения напряженности внешних магнитных полей. Феррозондовые устройства применяют для разведки полезных ископаемых, в навига­ционных системах, для изучения магнитного поля земли, а с 1952 г. эти устройства применяются на железнодорожном транспорте для контроля рельсов, уложенных в путь. По существу феррозонды яв­ляются магнитными модуляторами, у которых напряженность уп­равления создается не обмоткой с током, а измеряемым магнитным полем (рис. 123).

Наиболее распространен феррозонд, представляющий собой ана­лог магнитного модулятора с выходом удвоенной частоты 2f.

35

Рис. 123. Схема феррозонда

Он состоит из двух тонких пермаллоевых стержней-сердечников, уло­женных в каркасы параллельно друг другу. Поверх каркасов намо­таны обмотки, питающиеся переменным током и включенные последовательно. аналогично рабочим обмоткам модулятора. Их назы­вают обмотками возбуждения. Оба стержня-сердечника охваче­ны выходной (вторичной) обмот­кой, в которой и создается выход­ное напряжение. ЭДС в выход­ной обмотке пропорциональна измеряемому магнитному полю Н₀ и представляет собой ЭДС уд­военной частоты по отношению к току обмоток возбуждения. При изменении направления поля Н₀ выходная ЭДС меняет фазу на 180°. Значит, феррозонд является реверсивным устрой­ством. Более того, выходная ЭДС пропорциональна не полному значению напряженности изме­ряемого поля, а только его составляющей: Н₀ = Н соs α, парал­лельной осям сердечников. Это позволяет использовать феррозонды для измерения направлений век­тора напряженности магнитного поля.

При измерениях чаще всего применяют компенсационный метод, при котором измеряемое поле компенсируется равным по величине и противоположным по направлению полем, создаваемым постоян­ным током I_к в обмотке W_к, охватывающей оба сердечника. Изме­няя величину I_к добиваются отсутствия ЭДС частотой 2f на зажи­мах выходной обмотки, что свидетельствует о достигнутой компен­сации.

36

При этом ток компенсации I_к пропорционален напряженности измеряемого поля Н₀.

Действие феррозондовых преобразователей основано на ис­пользовании нелинейного характера процесса намагничивания сер­дечника при взаимодействии в нем двух магнитных полей — внеш­него измеряемого и некоторого вспомогательного — переменного. Существует несколько видов феррозондовых преобразователей, предназначенных для измерения напряженности магнитного поля или его градиента.

Рис. 124. Схема феррозондового преобразователя-полимера

Наибольшее применение в дефектоско­пии нашли феррозондовые преобразователи двух типов: полимеры (рис. 124) — для из­мерения напряженности маг­нитного поля и градиентомет­ры (рис. 125) — для измерения градиента магнитного поля.

Рис. 125. Схема включения однообмоточного феррозондового градиентометра

37

Для измерения напряженнос­ти магнитного поля измери­тельные обмотки катушек включаются параллельно, а для измерения градиента — встречно. Конструктивно феррозонды выполняют из одной катушки (полузонда) с одной или двумя обмотками или из двух катушек, намо­танных на тонкий магнито­мягкий сердечник из пермал­лоя. В двухобмоточном зон­де имеются первичная и вторичная обмотки. Первич­ная обмотка служит для воз­буждения переменного маг­нитного поля, которое перемагничивает сердечник, а вторичная — выходная (индикаторная). Амплитуда переменного тока, которым питаются первичные обмотки, выбирается такой, чтобы довести сердечник до полного насыщения.

Обмотки феррозондового градиентометра включены таким об­разом, что магнитные потоки в сердечниках имеют одинаковое на­правление, а индикаторные обмотки включаются встречно. Вслед­ствие этого на индикаторной обмотке возникает переменная ЭДС, пропорциональная разности магнитных потоков, изменяющаяся с удвоенной частотой. Амплитуда ЭДС феррозонда-градиентомет­ра оказывается пропорциональной разности напряженностей магнитных полей в точках распо­ложения сердечников Ф1 и Ф2 (см. рис. 125). Блочная схема феррозондового дефектоскопа представле­на на рис. 126.

Рис. 126. Блочная схема феррозондового дефектоскопа:

1 – феррозондовый преобразователь; 2 – полосовой фильтр; 3 – усилитель; 4 – детектор;

5 – генератор; 6 – удвоитель частоты; 7 – индикатор

Генератор пита­ет возбуждающие обмотки полузондов стабилизированным напряжением частотой f. Из сигнала, поступающего с феррозондового преобразователя 1, выделяется вторая гармони­ка 2f с помощью полосового фильтра. Для усиления ампли­туды второй гармоники, несущей информацию о параметрах маг­нитного поля, служит усилитель 3, и она затем детектируется синх­ронным детектором 4, на который поступает опорное напряжение с удвоителя частоты 6. Затем сигнал поступает на индикаторное уст­ройство 7. Как правило, в качестве индикатора используются стре­лочные приборы и сигнальные лампы, а в приборах, совмещающих функции дефектоскопа и измерительного прибора, — цифровые ин­дикаторы и жидкокристаллические дисплеи.

38

В феррозондовых дефектоскопах для выявления полей рассеяния дефектов обычно применяют преобразователи-градиентометры. Это связано с тем, что они реагируют только на изменение напряженно­сти, т.е. фиксируют приращение напряженности магнитного поля ДН. Однако перед началом контроля необходимо убедиться в нали­чии необходимого уровня намагниченности детали, для чего ис­пользуют измерители напряженности магнитного поля. В более со­вершенных дефектоскопах предусмотрена возможность подключения преобразователя-полемера, т.е. совмещены функции градиентометра и измерителя напряженности магнитного поля.

Феррозондовые дефектоскопы должны обладать высокой чув­ствительностью, так как минимальная величина напряженности маг­нитного поля рассеяния над трещиной Н при контроле, например, колец роликовых подшипников, составляет 1,0 А/см, тогда как на­пряженность земного магнитного поля равна 0,6 А/см, т.е. эти вели­чины соизмеримы и это необходимо учитывать при проведении кон­троля. Значительно большие величины внешних полей создаются от массивных деталей, которые могут находиться вблизи места конт­роля. В этом случае большими преимуществами пользуется гради­ентометрическая схема включения феррозондов.