Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Неразрушающий контроль. В 2 частях. Ч.2. Неразрушающий контроль в управлении качеством с применением мехатронных систем. Учебное пособие
.pdf
Рис. 4. Измерение
глубины трещин
Рис. 5. Электропотенциальный
толщиномер
Метод электрического сопротивления основан на регистрации ве-
личины электрического сопротивления участка ОК. Этот метод по физическим основам близок электропотенциальному.
Электрическое сопротивление проводника равно
Rρ=
, (4)
l
S
где ρ – удельное электрическое сопротивление материала проводника;
S, l – площадь поперечного сечения и длина проводника соответственно.
Из формулы (4) следует, что по измеренному значению сопротивления R можно судить об удельном электрическом сопротивлении ρ материала изделия и геометрических параметрах ОК. Это позволяет также
контролировать свойства материала изделия, используя связи ρ с химиче-
авом, структурой и другими параметрами материала ОК.
ским сос
т
Следует отметить, что в приборах, реализующих методы электрического потенциала и электрического сопротивления, редко используют
постоянный ток, так как в этом случае на результат измерения может оказывать влияние эффект поляризации.
Термоэлектрический метод основан на регистрации термоЭДС, воз-
никающей при контакте разнородных п
роводников,
один из которых ОК.
Если в качестве одного из электродов пары использовать металлический ОК, а другого – известный металл, то, зная разность температур
– tх и измеряя термоЭДС, можно определить коэффициент термоЭДС α,
t
г
следовательно, идентифицировать материал ОК. На этом основано
использование термоэлектрического эффекта для сортировки металлов и
сплавов по маркам (химическому составу).
В тех случаях, когда ОК представляет собой двухслойную среду, например металлическое покрытие на металлическом основании, электрическая цепь содержит две последовательно соединённые термоэлектриче-
: электрод – покрытие и покрытие – основание.
ские пар
ы
При этом предполагают, что в зоне холодного электрода Х температура изделия равна температуре окружающей среды (ОС). Температуры t
зависят от температуры горячего электрода Г, теплопроводности и
и t
1
2
11
массы покрытия и основания. Так как масса покрытия зависит от его толщины, то, следовательно, термоЭДС E
можно использовать при создании
t
термоэлектрических толщиномеров металлических покрытий.
При контроле ОК термоэлектрическим методом применяют две ос-
новные схемы: абсолютную и дифференциальную (рис. 6).
Горячий электрод (обычно медный) нагревается переменным током
нагревателя и размещается в термоизолированном корпусе. В этом же корпусе находится терморезистор, с помощью которого регулируется ток подогревателя так, чтобы разн
ость тем
ператур горячего и холодного электродов была постоянной. При использовании абсолютной схемы (рис. 6, а)
измеряют абсолютное значение термоЭДС E
и по нему определяют марку
t
материала ОК. Дифференциальная схема (рис. 6, б) позволяет сравнивать
ОК 1 с контрольным образцом 2, выполненным из заданного материала,
путём измерения разности ΔE
термоЭДС пар электрод – ОК и электрод –
t
контрольный образец. При совпадении химического состава материалов
изделия и контрольного образца ΔE
= 0. Составив в процессе предвари-
t
тельных экспериментов на контрольных образцах таблицу зависимости
от содержания той или иной примеси в сплаве, можно сортировать
ΔE
t
изделия по содержанию этой примеси.
2
E
t
∼ ∼ ΔЕ
t
1 1
а) б)
Рис. 6. Абсолютная (а) и дифференциальная (б) схемы
термоэлектрического контроля объектов
12
Очевидно, что термоэлектрические приборы можно применять только для контроля металлических объектов, не имеющих изоляционных покрытий (лаковых, красочных, эмалевых и др.).
Достоинствами термоэлектрических приборов являются относительная простота и невысокая стоимость, а также независимость результатов
сортировки от геометрических параметров ОК, недостатком – необходимость непосредственного электрического контакта с изделием.
Электроискровой метод осн
ован на рег
истрации электрического
пробоя на участке поверхности ОК. Его используют для обнаружения нарушений сплошности диэлектрических защитных покрытий на электропроводящих объектах, а также трещин, несплошностей в диэлектрических
объектах. В первом случае высокое переменное, импульсное или постоянное напряжение прикладывают между электропроводящим основанием
и специальным электродом на покрытии, а во второ
м – между двумя элек
тродами, расположенными с противоположных сторон диэлектрического
ОК. Если в диэлектрике, к которому приложено напряжение, имеются
газовые пузыри, поры, трещины и прочее, то в этом месте возникает искровой пробой, т.е. скачкообразное увеличение электрической проводимости. Температура газа в канале искры достигает 10
000 К, что приводит
к термической ионизации.
Искровому разряду предшествует коронный (от лат. corona – венец),
который возникает при значительной неоднородности электрического
поля в разрядном промежутке. С учётом специфической формы электродов, выполняемых в виде металлических щёток, ионизация возникает
лишь в тонком слое вблизи концов электродов с малым радиусом кривизны. При повышении напр
яжения на корон
ирующем электроде корона может перейти в дуговой или искровой разряд. Поскольку мощность источника напряжения в электроискровых дефектоскопах мала, дуговой разряд
не возникает.
Напряжение искрового пробоя U
Uпр = Е
равно
пр
d, (5)
пр
где Епр – электрическая прочность диэлектрика, т.е. напряжённость электрического поля, при которой происходит пробой; d – расстояние между
электродами (длина разрядного промежутка).
Значение Е
для воздуха при нормальных условиях равно 3000 кВ/м.
пр
Электроискровой дефектоскоп (рис. 7) генерирует напряжение до
30 кВ с погрешностью ±0,2 кВ и измеряет толщину в диапазоне 0…7,5 мм.
Электроискровой дефектоскоп содержит источник регулируемого
высокого напряжения, электронный блок, набор электродов и вспомогательных устройств (рис. 8). Электронный блок служит для регулировки
и индикации испытательного напряжения, счёта числа п
робоев, св
етовой
и звуковой сигнализации о них.
13
-
Рис. 7. Электроискровой
дефектоскоп
Рис. 8. Контроль сплошности
изоляционных покрытий
на металлических трубопроводах
Он содержит электронные устройства блокировки испытательного
напряжения при коротких замыканиях электродов на основание ОК или
в случае касания электродов оператором, что обеспечивает безопасность
работы. Возникновение искрового пробоя регистрируют электронные
устройства дефектоскопа по изменению электрического режима цепи,
в которой происходит пробой (изменение тока и напряжения).
Напряжение между электродами зависит от толщины диэлектриче-
5…35,0 кВ, а в отдельных случаях
ского слоя и колеблется в пределах 0
достигает 70 кВ.
Дефектоскопы включают в сеть, а также они могут иметь автономное
питание. Электроискровые дефектоскопы широко используют для контроля качества диэлектрических покрытий толщиной до 10 мм из полимерных материалов, эпоксидных смол, стекла, эмали, битума, лаков и
красок, позволяя обнаруживать п
фекты, когда иные методы и средства практически не применимы.
Трибоэлектрический (от греч. τριβοσ − трение и …электрический)
метод основан на регистрации электрических зарядов, возникающих в ОК
при трении двух тел из разнородных материалов. Оба трущихся тела электризуются под действием контактной разности потенциалов, причём при-
ретаемые им
об
и заряды равны по абсолютной величине и противоположны по знаку. При трении двух диэлектриков положительно зарядится тот,
у которого больше ДП. При трении о металл диэлектрик приобретает положительный заряд. Измеряя заряд, полученный ОК при трении об одно и
то же тело, можно сортировать объекты.
Другое приложение трибоэлектрического эффекта от
скопии. Если предварительно наэлектризованный диэлектрический
фекто
порошок нанести на поверхность диэлектрического ОК, то последний
приобретает электрический заряд противоположного знака. Электростатическое поле на поверхности изделия искажается при наличии неоднородностей, например трещин, на краях которых создаются электростатические поля рассеяния. В результате порошок оседает на краях трещин,
14
,
оры, трещины, цар
апины и другие де-
носится к де-
делая их хорошо различимыми. Порошок обычно электризуют трением,
продувая его через наконечник пульверизатора, который образует трибоэлектрическую пару с порошком. Возможна электризация порошка
в электрическом поле между электродами, к которым приложена разность
потенциалов. Описанный способ индикации дефектов называют электростатическим порошковым и применяют для обнаружения трещин
в изделиях из фарфора (тур. farfur, fagfur, от пер
с. фегфур), фа
янса
(фр. faience, от названия итал. города Фаэнца (Faenza), одного из центров
керамического производства), керамики, а также в эмалевых (фр. email,
от франкского smeltan – плавить) и стеклянных покрытиях на металлах.
На рисунке 9 показана схема дефектоскопа для контроля диэлектри-
ческой плёнки с помощью трёхэлектродного датчика, имеющего полосо-
нциального
вые измерительные электроды, включённые на входы диффер
е
усилителя, и заземлённый экранирующий электрод.
Плёнка, например полиамидная, контактируя с перемоточными
барабанами, электризуется в результате трения о них. Электрические
заряды концентрируются вблизи неоднородностей плёнки (пузырей,
локальных изменений толщины, проколов). Проходя над датчиком, они
индуцируют заряды на электродах. Выходное напряжение дифференциального усилителя-преобразователя «заряд-напряжение» пропорциональ-
ё
но разности зарядов пл
нки в зонах измерительных электродов.
В результате удаётся обнаруживать дефекты плёнки в виде непроводящих
включений и наплывов пены диаметром 0,3 мм при скорости движения
плёнки 0,5 м/с, зазоре между плёнкой и измерительными электродами
0,3 мм и ширине электродов 40 мкм.
1 2 3 V
4
Рис. 9. Схема электростатического дефектоскопа
диэлектрических плёнок:
1 – контролируемая плёнка; 2 – измерительные электроды;
3 – экранирующий электрод; 4 – дифференциальный
усилитель-преобразователь «заряд-напряжение»
15
Рис. 10. Электростатический дефектоскоп труб
а) б)
Рис. 11. Трибоэлектрическая охранная система:
а – трибоэлектрический кабель; б – система обнаружения
На рисунке 10 показана электростатическая система для дефекто-
скопии сплошности внутреннего, гладкостного и антикоррозионного
покрытия труб.
Следует отметить, что трибоэлектрические приборы имеют ограниченное применение.
На рисунке 11 показана трибоэлектрическая охранная система. При
деформации кабеля (рис. 11, а) в нём за счёт трения экрана и внешней
оболочки возникает электрический заряд порядка 10
французский физик, 1736 – 1806).
16
–12
Кл (S. Coulomb –
В электрографическом методе обнаружения пор и трещин в металлических покрытиях на плоском металлическом основании используют
электрохимический процесс.
Действие приборов, реализующих этот метод, состоит в том, что к испытуемой поверхности плоским электродом прижимают реактивную бумагу, пропитанную электролитом, и пропускают постоянный ток между электродом (анодом) и поверхностью ОК. В резу
льтате электрохи
мического
процесса переноса ионов металла основы к аноду в тех местах, где сплошность покрытия нарушена, бумага меняет цвет и на ней образуется рисунок
дефектов покрытия. Такие приборы используют для обнаружения дефектов
в покрытиях из золота, платины, родия, палладия, нанесённых на медь, никель, серебро, а также в покрытиях из ни
келя, ци
нка, кадмия, олова на ста-
ли, в покрытиях из серебра на латуни или олове, из хрома на никеле.
17
Глава 2. ВИХРЕТОКОВЫЕ МЕТОДЫ
И СРЕДСТВА КОНТРОЛЯ
Вихретоковый контроль основан на анализе взаимодействия внешнего электромагнитного поля с электромагнитным полем вихревых токов,
наводимых в ОК этим полем. Распределение и плотность вихревых токов
определяются источником электромагнитного поля, геометрическими и
электромагнитными параметрами изделия, а также взаимным расположением источника поля и ОК.
Вихревые токи (токи Фуко, J. Foucault – французский физик, 1819 –
1868) – это замкнутые электр
ические то
при изменении пронизывающего его магнитного потока. Согласно правилу Ленца (Э. Х. Ленц – русский физик и электротехник, 1804 – 1865), магнитное поле вихревых токов направлено так, чтобы противодействовать
изменению магнитного потока, индуцирующего эти вихревые токи.
Распределение вихревых токов по глубине в материале подчиняется
физическим законам. При увеличении глубины плотность токов значительно уменьшается. При ВЧ-возбуждении это уменьшение представляет
собой экспоненциальную функцию глубины.
Стандартная глубина проникновения δ – глубина, на которой напряжённость электромагнитного поля или плотность индуцированных
вихревых токов уменьшается на 37% от их значения на поверхности. Для
простого случая проводящего полупространства, возбуждаемого электромагнитной волной с плоским фронтом, её вычисляют по формуле
где μ – магнитная проницаемость; χ – УЭП; f – частота возбуждения.
При увеличении глубины плотность токов значительно уменьшается.
При ВЧ-возбуждении это уменьшение представляет собой экспоненциальную функцию глубины. Стандартная глубина проникновения δ – глубина, на которой напряжённость электромагнитного поля или плотность
индуцированных вихревых токов уменьшается на 37% от их значения на
поверхности.
К свойствам контролируемого изделия, оказывающим влияние на
измеряемую величину, относятся следующие:
– проводимость материала;
– магнитная проницаемость материала;
– размер и геометрия контролируемого изделия;
– взаимное расположение поверхностей датчика вихревых токов и
контролируемого изделия.
18
ки в проводнике, возникающие
=δ
, (6)
χμπ1f
Характеристическая частота f – общепринятая величина, выраженная
в единицах частоты. Характеристическая частота – производная от математической модели функции Бесселя (F. Bessel – немецкий астроном,
1784 – 1846), описывающая вихревые токи, распределённые в цилиндре.
Её значение зависит от характеристик изделия, которые влияют на это
распределение, например электрической проводимости, магнитной проницаемости и диаметра. Характеристическая частота равна
f = , (7)
πχμ21r
2
где r – радиус цилиндра.
Различают следующие методы (ГОСТ 24289–80) вихретокового НК:
– амплитудный, основанный на измерении амплитуды сигнала преобразователя;
– фазовый, при этом измеряют фазу сигнала преобразователя;
– амплитудно-фазовый, основанный на измерении проекции (от
лат. projectio – букв. бросание вперёд) вектора напряжения преобразователя на направлении отстройки;
– частотный, основанный на измерении частоты сигнала пар
ческого вихревого преобразователя, включённого в колебательный кон-
ри
амет-
тур генератора;
– многочастотный, при котором анализируют и(или) синтезируют
(от греч. σψντηεσισ – соединение, сочетание) сигналы вихретокового
преобразователя (ВТП), обусловленные взаимодействием электромагнитного поля различной частоты с ОК;
– переменно-частотный, основанный на анализе и(или) синтезе амплитуды и частоты сигнала ВТП за счёт изменения частоты в заданно
значении
обобщённого параметра;
м
– импульсный, основанный на измерении амплитуды и(или) длительности сигнала ВТП импульсной формы, обусловленного взаимодействием нестационарного электромагнитного поля с ОК;
– абсолютный, при котором измеряют сигнал ВТП, на который воздействует абсолютное значение контролируемого параметра;
– модуляционный (от лат. modulatio – мерн
ость, ра
змеренность),
основанный на измерении сигнала ВТП, модулируемого в результате
измерения в пространстве параметров объекта, при относительном перемещении преобразователя и ОК;
– дифференциальный, основанный на измерении сигнала ВТП, обу-
словленного приращением контролируемого параметра;
– спектральный, основанный на измерении спектрального состава
сигнала ВТП.
19
Различают следующие виды измерений, применяемые в вихретоко-
вом методе НК:
– абсолютное, когда измеряют отклонение измеряемой величины от
фиксированной опорной точки. Её определяют в процессе калибровки.
Опорная точка может быть сгенерирована опорным напряжением или
катушкой. Метод используют для сортировки изделий на классы по физическим свойствам (таким, как твёрдость), размерам или химическому составу, а также для идентификации непрерывных или постепенно меняющихся сосредоточенных неоднородностей;
– сравнительное, при котором вычисляют разность двух измерений,
одно из которых считают опорным. Этот метод обычно используют для
сортировки изделий на классы;
– дифференциальное, когда вычисляют разность двух измерений,
выполненных при постоянном расстоянии между местами измерения и на
одном и том же пути измерения. При использовании этого метода уменьшается уровень шума вследствие низких вибраций контролируемого изделия;
– двойное дифференциальное, при этом вычисляют разность двух
дифференциальных измерений. Этот метод измерений обеспечивает ВЧфильтрацию дифференциального измерения независимо от относительной
скорости между датчиком и ОК;
– псевдодифференциальное, вычисляют разность двух измерений,
выполненных при постоянном расстоянии между местами измерения.
Вихретоковый метод позволяет проводить следующие операции:
– идентификацию неоднородностей в изделии, которые могут негативно влиять на его соответствие назначению;
– измерение толщины покрытий или слоёв;
– измерение других геометрических характеристик;
– измерение металлургических или механических свойств ОК;
– измерение проводимости или проницаемости изделия;
– сортировку изделий по любым из перечисленных свойств.
В качестве источника электромагнитного поля чаще всего используют индуктивную катушку с синусоидальным током, называемую ВТП.
При наличии вблизи ОК такой катушки (рис. 12, а) в результате действия
вихревых токов в изделии изменяются активное R
а следовательно, и комплексное сопротивление Z
и индуктивное Хк,
к
индуктивной катушки.
к
Взаимодействие индуктивной катушки с ОК можно представить
схемой воздушного трансформатора (рис. 12, б), параметры цепи вторичной обмотки Z
которого определяются эквивалентным контуром вихре-
вт
вых токов в изделии. Как известно, воздушный трансформатор можно
представить схемой замещения (рис. 12, в), на которой R
в индуктивную катушку активное сопротивление, обусловленное потерями
20
– вносимое
вн
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]