5.2.2. Вихретоковые локационные системы

Внастоящее время весьма распространены ЭЛС, использующиевихретоковые первичные пре­обра­зо­ватели. Первое упоминание о датчике на основе вихревых токов (ВТ), по-видимому, датируется 1879 г., когда англичанин Д. Хьюз построил прибор для сравнения параметров металлических объектов. Системы этого типа работают в условиях активного воздействия внешней среды (при значительных перепадах температур и влажности, в агрессивных средах и т.д.), на транспорте, в прокатном и сварочном производстве. ВТ ЛС нашли применение в задачах измерения геометрических параметров быстропротекающих процессов движения.

Собственно ВТ метод основан на взаимодействии внешнего магнитного поля с электромагнит­ным полем ВТ, наводимых возбуждающей ка­тушкой в любом электропроводящем объекте. Принцип фор­мирования ВТ, открытый в 1825 г. Д. Араго и развитый впоследствии его учеником Л. Фуко пред­ставлен на рис. 5.19. Си­нусоидальный или импульсный ток, действующий в катушке возбуждения датчика, создает электромагнитное поле, которое вызывает ВТ в объекте. Электромагнитное поле этих токов, в свою очередь, воздействует на катушки преобразователя, наводя в них ЭДС или изменяя их полное электрическое сопротивление. (В датчике может использоваться одна катушка или две - как на рисунке). Сила ВТ, возбужденных в изделии I зависит от частоты переменного тока, электрической проводимости 1/, абсолютной магнитной проницаемости _а =  ₀ материала изделия, а также величины зазора. ВТ подчиняются второму уравнению Максвелла: rot I = - 1/ (dB/dt). Плотность ВТ зависит от геометрических и элек­тромагнитных параметров объекта, а также от взаимного расположения ВТ датчика и объекта. Она максимальна на поверхности объекта в контуре, ди­аметр которого близок к диаметру возбуж­да­ющей катушки. В отличие от индуктивных ЭЛС, системы на базе ВТ пригодны для работы с немагнитными материалами.

Внастоящее время выпускается большое количество различных ВТ датчиков, отличающихся как назначением, так и конструктивными решениями. Так, толь­ко фирма «Institut F. Forster», Германия предлагает бо­лее 800 вариантов ВТ датчиков, размером от долей мм до 0,5 м в диаметре и массой от граммов до сотен килограмм. Принятым классификационным признаком является рабочее положение обмоток датчика относительно объекта контроля [ ]. В соответствии с ним преобразователи делятся на три группы: проходные, накладные и комбинированные.

Наиболее распространены накладные ВТ датчики, подводимые к поверхности контролируемого объ­екта. Большинство ВТ ЛС строятся на базе датчиков накладного типа с двумя катушками - возбуждающей и сигнальной. При расположении катушек преобразователя возникает та же проблема, что и в других индукционных системах: с одной стороны ЭДС, наводимая в сигнальной катушке должна быть максимальной, а с другой - взаимовлияние катушек необходимо свести к минимуму. Некоторые популярные схемы расположения катушек представлены на рис. 5.20. При коаксиальном расположении выходной сигнал в сигнальной катушке образуется совместным действием потока возбуждения и ВТ объекта контроля, что требует компенсации постоянной составляющей, обусловленной кату­ш­­кой возбуждения. При ортогональном поло­жении катушек ток в сигнальной наводится только ВТ, однако, и уровень выходного сигнала в этом случае ниже, чем в первом.

Расчет ВТ достаточно сложен и в большинстве случаев пользуются эмпирическими зависимостями, полученными для разных частных случаев. Так, например, для ВТ ЛС с накладным преобразователем глубина проникновения ВТ  определяется приближенным выражением:

Здесь  = 2f - круговая частота тока возбуждения. Размерности  и _а =  ₀ - составляют соответственно (Ом/м) и (Гн/м). Данное выражение дает завышенную оценку глубины проникновения ВТ, и для более точных измерений в расчет вводится обобщенный параметр , учитывающий размеры (ра­ди­ус R) ка­тушки возбуждения ВТ [ ]:

.

Следовательно, . Значение тем ближе к реальному, чем больше величина параметра  и, в первую очередь, размер катушки возбуждения. При работе в диапазоне частот возбуждения 0, 1 … 10 кГц, значения  для большинства металлов не превышает  0,5 ... 5 мм и уменьшается с частотой.

В дефектоскопии с помощью ВТ удается обнаружить трещины наружного и внутреннего залегания длиной 1 ... 2 мм и глубиной 0,1 ... 0,3 мм, полости, ра­ковины залеганием до 6 мм, неметаллические включения и т.д. Вихретоковые ЭЛС позволяют измеря­ть толщину покрытий в пределах 0,001 ... 1,0 мм. Для увеличения глубины проникновения ВТ при­меняют специа­ль­ные меры. Например, уменьшение _а ма­тери­ала, путем соз­да­ния в нем магни­тного насыщения, уве­личивает  до 10 мм.

Существенной осо­бенностью ВТ ЛС яв­ля­ется ихмногопа­раметричность, т.к. ЭДС преобразователя зависит от многих характеристик объ­екта контроля и окружающей среды, неявно влияющих на выходной сигнал. Это обстоятельство определяет как до­стоинства, так и не­достатки ВТ измерений. Для компенсации интегрального влияния внешних факторов в состав ВТ ЛС включают компенсационный контур (рис. 5.21) на который действуют те же факторы, что и на рабочий, кроме непосре­дственно измеряемого параметра.

В задачах многопараметрического контроля, когда приходится управлять сразу несколькими переменными, удобно использовать многокомпонентные ВТ датчики, получившие название матричных ВТ преобразователей. ЭЛС, построенные на ба­зе матричных преобразователей, широко используются для контроля ге­о­мет­рических па­раметров дви­жу­щи­хся уз­ко­про­фильных по­­ве­рх­но­стей с разрывами и уступами. В частности, в ряде стран (в том числе - России) разработаны ВТ ЛС для технической диагнос­тики рельсового пу­ти и контактного провода на железнодорожном транспорте [ ]. В этом случае, матричные ВТ датчики содержат не одну, а несколько (матрицу) си­гнальных ка­ту­шек. Обычно в задачах диагностики ре­льсов при­меняют шесть, а для кон­троля состояния провода две катушки. На рис. 5.22 показан пример такого ше­стикомпонентного ВТ датчика и схе­ма его установки. Матричный ВТ датчик накладного типа представляет собой две идентичные кату­шки «во­сьмеркообразной» намотки, име­ю­щие об­щую ось вертикальной симметрии Z. В горизонтальной плоскости XY катушки ортогональны друг другу. Каждая из катушек, в свою очередь, выполнена в виде двух секций (на рис. 5.22 они обозначены 1-2 и 3-4), так, что, в итоге получается 4 секционные сигнальные катушки. Датчик, работающий в диапазоне частот 0,1 … 1,0 МГц, располагают непосредственно под вагоном на фиксированном расстоянии над контролируемым рельсом. На рис. 5.22 обозначены контролируемые параметры пути:x и h - смещение оси рельса в боковом и вертикальном направлениях, r - боковой износ рельса, z и y - превышение рельсов и зазор в стыке, Н - рельсовая база. (Катушки 1 и 2 наиболее чувствительны к изменению параметров x и h, а также r, 3-4 - к параметрам z и y и r).

Рассмотренная система установлена в передвижной лаборатории комплексной диагностики пути, способной производить контроль со скорость передвижения вагона по железнодорожной магистрали - 80 км/час.

Другим примером использования ВТ ЛС является задача слежения за сварочным швом (рис. 5.23). Четырехкомпонентный матричный ВТ датчик включается в состав системы управления сварочного робота. Каждый из информационных каналов предназначен для измерения сво­его влияющего фактора - в данном случае, параметров взаимного положения свариваемых деталей и сварочной головки. Например, каналы, связанные с катушками 1 и 4 предназначены для измерения высоты расположения датчика над объектами сварки h₁, h₂, h, а катушки 2 и 3 входят в канал измерения ширины шва x и контроля базы r (расстояния от центра датчика до линии шва). Указанные параметры, в конечном счете, позволяют контролировать поперечное смещение электрода относите­льно линии шва, длину дуги и уп­рав­лять скоростью подачи проволоки.

Существенным недостатком всех матричных ВТ датчиков является высокий коэффициент влияния информационных каналов ⁱ_j, составляющий  12 … 20%.

Весьма важной областью применения ВТ ЛС, является область неразрушающего контроля изделий металлургической промышлен­ности. Поскольку структурное состояние металлов влияет на их электрические и магнитные свойства, оказывается возможным контролировать не только спло­шность материала, но и его химический состав, а также качество термической обработки и состояние повер­хнос­тного слоя после механической обработки. Схема такой системы для автоматизации процесса контроля сплошности отливок, представлена на рис. 5.24. Система включает несколько разнотипных ВТ датчиков, что позволяет детерминировать различные дефекты и их параметры: наружные царапины и их глубинуH, длину l и глубину залегания  трещин и раковин. Выходным сигналом ВТ датчика является изменяющаяся частота генерации, которая с помощью частотного дискри­минатора преобразуется в аналоговый амплитудный сигнал, пропорциональный измеряемому параметру. Усилитель и нормализатор несколько выравнивают функцию преобразования, хотя она все равно остается нелинейной.

В табл. 5.1 представлены некоторые характеристики ВТ систем.

Таблица 5.1. Примеры промышленных ВТ ЛС

Модель	Диапазон измерения параметров		, %	f, МГц	Р, Вт	Размеры, мм	m, кг
ДСМ-0,1/1	трещины	2 мм	5	1	10	150230270	2,7
ВМ-10Н	шероховатость	0,3 мм	3	0,1	0,1		2,2
	вибрации	0,02 ... 20 Гц	2	регулируется
ВТ-11НЦ	дальность	0,001 ... 2мм	5	0,1	0,4	140220340	1,9
МТП-01*	толщина покрытия	0,2 ... 10	5			220130150	0,5

Примечания.

1. Массо-габаритные показатели включают блок электроники. Масса катушки ДСМ-0,1/1  50 г, ее размеры   20х28

2. На точность датчика в режиме измерения малых расстояний (зазоров) влияет шероховатость поверхности.

3. Система МТП-01 представляет собой маг­нитный толщиномер.

ВТ метод в настоящее время является одним из основных методов неразрушающего контроля металлических объектов разных габаритов и формы. Его достоинства: простота конструкций, высокая разрешающая способность, малогабаритность и надежность позволяют производить контроль качества объектов сложной формы, таких, например, как лопатки турбин. В то же время недостатки ВТ ЛС, связанные с малой глубиной зоны контроля, существенной нелинейностью и невысокой точностью (  3…5 %) требуют применения в диагностических комплексах и других локационных методов.