Вихретоковые преобразователи

Принцип действия. Высокочастотный синусоидальный ток, протекающий в обмотке возбуждающей катушки, создает электромагнитное поле, которое возбуждает вихревые токи в электропроводящем объекте. Плотность вихревых токов в объекте зависит от геометрических и электромагнитных параметров объекта, а также от взаимного положения вихретокового преобразователя (ВТП) и объекта. Электромагнитное поле вихревых токов воздействует на катушку преобразователя, изменяя ее полное электрическое сопротивление. Регистрируя напряжение на зажимах катушки или ее сопротивление, получают информацию о свойствах объекта и о положении преобразователя относительно него.

Принцип построения ВТП показан на рис. 2.28. Это лишь один из возможных вариантов конструкции. Металлический корпус может доходить до конца преобразователя, но тогда необходим незамкнутый магнитопровод, например, броневой конструкции (показать).

Для анализа сигнала необходим электронный блок, который может располагаться в этом же корпусе или соединяться с катушкой коаксиальным кабелем (рис. 2.29). В последнем случае чувствительный элемент (вихревой пробник) может иметь малые габариты (для измерений в труднодоступных местах), а электронный блок может располагаться в месте более благоприятном с точки зрения внешних воздействий. Кроме того, возможно использование универсального электронного блока с различными пробниками для различных целей.

Результирующее магнитное поле зависит от удельной проводимости, магнитной проницаемости материала объекта, воздушного зазора между объектом и обмоткой, толщины объекта, наличия трещин и дефектов. Поэтому ВТП применяют в основном для дефектоскопии и для измерения геометрических параметров изделий. С помощью ВТП можно выявлять качество сварных швов, обнаруживать трещины или иные дефекты металла, сплавов, графита, полупроводников. Можно контролировать качество термической обработки деталей, состояние поверхностных слоев после механической обработки (шлифование, наклеп), обнаруживать остаточные механические напряжения, выявлять усталостные трещины в металлах на ранних стадиях их развития.

ВТП позволяют измерять диаметр проволоки, прутков и труб, толщину металлических листов и стенок труб при одностороннем доступе к объекту, толщину электропроводящих (например, гальванических) и диэлектрических (например, лакокрасочных) покрытий на электропроводящих основаниях. Измеряемые толщины могут изменяться в пределах от микрометров до десятков миллиметров. Минимальная площадь зоны контроля может быть доведена до 1 мм², что позволяет измерить толщину покрытия на малых объектах сложной конфигурации. С помощью ВТП измеряют зазоры, перемещения и вибрации в машинах и механизмах.

Структурное состояние металлов и сплавов влияет на их электрические и магнитные характеристики. Благодаря этому оказывается возможным контролировать однородность химического состава, сортировать металлические материалы и графиты по маркам (по химическому составу).

Особенность вихретокового контроля в том, что его можно проводить без контакта преобразователя и объекта. Их взаимодействие происходит обычно на расстояниях, достаточных для свободного движения преобразователя относительно объекта: от долей миллиметра до нескольких миллиметров.

Одна из особенностей ВТП состоит в том, что на сигнал практически не влияют влажность, давление и загрязненность газовой среды, радиоактивные излучения, загрязнение поверхности объекта контроля непроводящими веществами.

Простота конструкции преобразователя — еще одно преимущество ВТП. В большинстве случаев катушки помещают в предохранительный корпус и заливают компаундами. Благодаря этому они устойчивы к механическим и атмосферным воздействиям, могут работать в агрессивных средах в широком интервале температур и давлений.

При высокой частоте тока обеспечивается высокое быстродействие. Поэтому можно проводить измерения даже при высоких скоростях движения объектов.

По рабочему положению относительно объекта контроля преобразователи делят на проходные, накладные и комбинированные. Накладные ВТП обычно представляют собой одну или несколько катушек, к торцам которых подводится поверхность объекта. Проходные ВТП делят на наружные, внутренние и погружные. Они отличаются тем, что в процессе контроля проходят либо снаружи объекта, охватывая его, либо внутри объекта, либо погружаются в жидкий объект.

По виду преобразования параметров объекта в выходной сигнал преобразователя ВТП делят на трансформаторные и параметрические. В трансформаторных ВТП, имеющих как минимум две обмотки (возбуждающую и измерительную), параметры объекта контроля преобразуются в напряжение измерительной обмотки, а в параметрических ВТП, имеющих, как правило, одну обмотку – в комплексное сопротивление. Преимущество параметрических ВТП заключается в их простоте, а недостаток, который в трансформаторных ВТП выражен значительно слабее – в зависимости выходного сигнала от температуры преобразователя.

ВТП применяются также как датчики металла, т.е. в конечных выключателях и в датчиках частоты вращения. В этом случае электронная часть датчика упрощается, так как отсутствует требование высокой точности измерения. Наиболее простое решение – это LC-генератор, в котором катушка индуктивности колебательного контура и есть возбуждающая катушка. При отсутствии металла в магнитном поле колебательный контур имеет высокую добротность, генератор находится в автоколебательном режиме. При появлении в магнитном поле металлического предмета магнитное поле катушки вызывает появление в толще металла вихревых токов, потери возрастают, нарушаются условия генерации и происходит срыв. После удаления металла из зоны поля генерация возобновляется. Выделив огибающую (выпрямитель + фильтр), получаем периодический сигнал с частотой, пропорциональной частоте вращения, как и в любом индукционном преобразователе. Здесь также нет ограничений по частоте вращения, возможна реакция на неподвижный металлический предмет.