4.6. Индукционная дефектоскопия

Пассивные и активные преобразователи. По закону Фарадеяво всяком замкнутом проводящем контуре при изменении потока магнитной индукциичерез площадь, ограниченную этим контуром, возникает э. д. с., равная

, (2.78)

где - число витков контура; знак " - " указывает на то, чтоувеличивается при уменьшении и уменьшается при возрастании(правило Ленца).

Рис. 2.23. Катушка (1) с сердечником (2) в магнитном поле

В общем случае контур может иметь магнитный сердечник с некоторой проницаемостью , а полеможет быть направлено под некоторым угломк нормали контура (оси x на рис. 2.23). Тогда магнитный поток равен

. (2.79)

Существует 4 варианта возникновения э. д. с. в контуре:

, (2.80)

, (2.81)

, (2.82)

. (2.83)

Во всех четырёх случаях контур является преобразователем магнитного поля в электрический сигнал, но только в трёх последних могут быть измерены как переменные, так и постоянные поля, а в первом - только переменные.

В случае (2.81) необходимо менять площадь катушки - это возможно за счёт приклеивания катушки к подложке, обладающей пьезо- или электрострикционными свойствами; в случае (2.82) катушка вращается в магнитном поле, такие преобразователи называют индукторами; наконец, в случае (2.83) необходимо менять проницаемость сердечника в катушке (феррозондовые преобразователи). В трех рассмотренных случаях к катушке надо подводить дополнительную энергию, поэтому такие преобразователи называются активными.

В случае (2.80) э. д. с. возникает только за счёт энергии измеряемого поля, поэтому такой преобразователь называется пассивным. В дефектоскопии часто приходится иметь дело с переменными полями (во времени или пространстве), поэтому пассивные преобразователи широко используются, имея важные преимущества в простоте изготовления и эксплуатации.

При намагничивании изделия переменным полем могут быть измерены тангенциальная и нормальнаякомпоненты поля дефекта или с помощью комбинации двух катушек - его градиент. Для контроля значительной площади изделия необходимо ручное или автоматическое сканирование. Важным моментом является также и площадь поперечного сечения катушки: приследует. Однако при большом по сравнению с размерами дефектов увеличениипадает чувствительность к полям этих дефектов вследствие их малой локализации.

При намагничивании постоянным полем необходимо движение катушки относительно объекта контроля. Наиболее удобными объектами контроля являются три типа изделий: плоские длинные изделия с поперечными дефектами, когда достаточно осуществить только продольное перемещение катушки (или системы катушек); цилиндрические изделия с продольными дефектами, когда осуществляется вращение преобразователей по окружности изделия, и плоские изделия с продольными дефектами - в этом случае осуществляется вращение катушки в плоскости объекта (рис. 2.24).

Рис. 2.24. Схемы индукционного контроля:

1 - объект контроля; 2 – дефект (движение катушки по стрелке).

Есть несколько особенностей, которые следует учитывать при организации такого контроля. Пусть для определённости катушка движется вдоль оси x. Как следует из (2.80), при и

, (2.84)

где скорость . Видно, что индукционная катушка реагирует только на изменение поля, а не на его абсолютную величину. Для дефектоскопии этот факт является скорее положительным, так как поле дефекта является локальным и по (2.84) может быть выявлено на фоне большого намагничивающего поля. Кроме того, как следует из (2.84), для того, чтобы иметь однозначную связь между градиентом измеряемого поля (то есть поля дефекта) и выходным сигналом, необходимо иметь.

Одним из наиболее удачных примеров применения указанного метода является контроль уложенных рельсов с помощью вагонов-дефектоскопов. Поскольку скорость вагона-дефектоскопа невозможно поддерживать постоянной на всех участках пути, то возникают трудности, показанные на рис. 2.25: сигналы от одного и того же дефекта могут сильно различаться в зависимости от .

Рис. 2.25. Скорость движения катушки >

На рис. 2.26 показан другой вывод, следующий из (2.84): два поля равной амплитуды, но разной протяжённости вдоль при дадут совершенно разный вклад в величину. Мы уже отмечали этот факт как положительный: можно считать поле на рис. 2.26а полем трещины, а на рис. 2.26б - полем лунки (если и дефекта, то не опасного).

а б

Рис. 2.26. Зависимость сигнала от локальности поля

Рис. 2.27. Сигналы рельсового дефектоскопа:

1 - от подкладок; 2 – от стыкового соединения рельсов; 3 – от дефекта.

В рельсах, уложенных в пути, развиваются усталостные трещины (преимущественно в головке рельса), имеющие большую площадь в поперечном сечении рельса и очень малые размеры в направлении длины рельса. Для выявления таких дефектов целесообразно намагничивать рельс вдоль его длины и считывать поле рассеяния движущейся индукционной катушкой. Вагоны-дефектоскопы снабжены мощными электромагнитами, создающими постоянное магнитное поле, направленное вдоль рельса. Между полюсами электромагнитов располагается индукционная катушка. Если записать сигнал с катушки (например, на фотоплёнку), то запись схематически будет выглядеть, как показано на рис. 2.27.