КРАТКАЯ ТЕОРИЯ ВИХРЕТОКОВОГО КОНТРОЛЯ

1.3. Вихревые электрические токи, возбуждаемые вихревым электрическим полем

Плотность электрического тока определяется согласно закону Ома (в дифференциальной форме)

где – удельная электропроводность среды.

Таким образом, при наличии электропроводящего тела вблизи возбуждающей катушки в нём возникнут вихревые токи, которые в свою очередь тоже создают переменное магнитное поле и, следовательно, влияют друг на друга. Это приводит к изменению фазы вихревых токов (относительно фазы напряжённости ) и их амплитуды до тех пор, пока система не придёт к самосогласованному состоянию. Самосогласование вихревых токов происходит достаточно быстро в течение нескольких периодов, и в дальнейшем будем рассматривать установившуюся картину распределения вихревых токов и их магнитного поля. С учётом сказанного плотность вихревых токов будет связана с напряжённостью следующим соотношением

1.4.Регистрация отклика вихревых токов и его отображение

Вкатушке возбуждения (для параметрических датчиков) или в несвязанной с ней другой катушке (для трансформаторных датчиков) результирующим магнитным полем будет наводиться ЭДС индукции, зависящая от исполнения ВТП, размеров, формы и свойств ОК. На регистрации

ианализе наводимой ЭДС основан вихретоковый метод контроля.

Итак, уточним в целом физическую цепочку основных процессов с помощью блок-схемы (Рис. 10):

Рис. 10 Блок-схема физических процессов

13

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ ВИХРЕТОКОВОГО КОНТРОЛЯ

В качестве информативных параметров, представляемых оператору, используют амплитуду и фазу сигнала наведённого совокупным магнитным полем. Составляющая сигнала (вносимая ЭДС вихретокового преобразователя), обусловленная вихревыми токами имеет величину, как правило, не более 10 % от «холостого» сигнала (начальной ЭДС вихретокового преобразователя нач). Поэтому в большинстве вихретоковых приборов используют процедуру «обнуления», которая реализуется с помощью вычитания нач из общего сигнала. Это может быть сделано либо с помощью специально генерируемого дополнительного сигнала, противоположного «холостому», либо программно при наличии вторичного прибора с высоким разрешением.

Выбор параметра для оценки свойств ОК обусловлен его исследуемым свойством (проводимость, магнитная проницаемость, наличие неоднородностей материала). Это в свою очередь обусловливает выбор типа прибора (амплитудный или фазовый). В последующих лабораторных работах будет применён вихретоковый прибор универсального типа с возможностью отображения амплитуды и фазы сигнала, как по отдельности, так и совместно.

Совмещённое отображение амплитуды и фазы сигнала ВТП реализуется в так называемой комплексной плоскости (Рис. 11).

Рис. 11. Комплексная плоскость:

а– общее отображение параметров в комплексной плоскости;

б– вектора вносимого напряжения при различных условиях.

Исходный возбуждающий ток является опорной величиной, относительно которой определяют изменение фазы остальных величин. Поэтому на Рис. 11а вектор силы тока I и напряжённости H лежат на действительной оси Re. Вектор напряжённости вихревого электрического поля E, возбуждаемого током I, направлен в отрицательном направлении мнимой оси Im. Это непосредственно

14

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ ВИХРЕТОКОВОГО КОНТРОЛЯ

следует из уравнения (9). В силу самосогласования вихревых токов, которое было учтено в уравнении (13), вектор плотности вихревых токов jвт смещён по фазе на угол относительно вектора E. Вихревые токи, аналогично возбуждающему току, наводят в измерительной катушке ЭДС индукции внвт со

смещением по фазе на угол 2 . Регистрируемое прибором вносимое

напряжение вихревых токов uвнвт противоположно внвт, то есть uвнвт=- внвт. В результате измеряемый сигнал расположен в четвёртой четверти комплексной плоскости и смещён по фазе относительно тока возбуждения на величину . При наличии у объекта контроля магнитных свойств вектор вносимого напряжения может находиться как в первой, так и в четвёртой четверти. Это обусловлено возникновением в измерительной обмотке дополнительной ЭДСвнм, связанной с намагниченностью ОК.

Необходимо отметить, что амплитуда напряжённости вихревого электрического поля, амплитуда плотности вихревых токов и их фаза различны для разных точек пространства. В приведённом выше описании речь идёт о некоторых усреднённых (эффективных) значениях амплитуд и фазы.

На Рис. 11б представлены вариации вносимого напряжения при изменении свойств ОК или условий, например электрической проводимости или частоты возбуждения. Множество точек, на которые указывают вектора вносимого напряжения при вариации каким либо из параметров называется годографом.

Различные вариации параметров ВТП дают множество различных решений вносимого напряжения, однако существует способ их обобщения. Если использовать в качестве информативного параметра относительное вносимое

например, если изменить ток возбуждения или число витков возбуждающей катушки, вносимое напряжение изменится аналогично начальной ЭДС. Установлено также, что влияние частоты возбуждения, электропроводности ОК и его эквивалентного радиуса (см. [3,4]) на относительное вносимое напряжение имеет одинаковый характер. То есть, вариация одного из этих параметров (при прочих равных условиях) даёт одинаковый характер годографа отнвн . Их влияние принято отражать обобщённым параметром

Магнитная проницаемость ОК, относительный зазор накладного ВТП или коэффициент заполнения проходного ВТП (см. [3,4]) имеют другой характер воздействия. Таким образом, можно построить семейство обобщённых годографов (Рис. 12) для каждого типа датчиков, что позволяет упростить выбор ВТП и поиск оптимальных режимов работы вихретокового прибора.

15

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ ВИХРЕТОКОВОГО КОНТРОЛЯ

Рис. 12. Годографы относительного вносимого напряжения накладного преобразователя:

а– расположенного над проводящей ферромагнитной средой;

б– расположенного над проводящей немагнитной средой.

16