Вихретоковый контроль заготовок ножей

Министерство образования и науки Российской Федерации

 

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Магнитогорский государственный технический университет

им. Г. И. Носова»

 

Институт Энергетики и Автоматики

 

Специальность 200102

«Приборы и методы контроля качества и диагностики»

 

 

Кафедра физики

 

Курсовая работа по дисциплине

«Основы проектирования приборов и систем»

Вихретоковый контроль заготовок ножей

 

Выполнил студент группы АД-08      Бултыков В.В.

                                                                                                                     

 

Проверил                                         Бахматов Ю.Ф.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Магнитогорск

2012 г.

Содержание

 

Объект контроля 3

Классификация вихретоковых преобразователей 5

Физические основы вихретокового контроля 10

Выбор первичного преобразователя 18

Определение способа выделения информации 18

Список литературы 22

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Объект контроля

 

Объектом контроля являются поверхностные и подповерхностные дефекты заготовок ножей прямоугольной и круглой формы из стали.

Прямоугольные заготовки:

длина: 400-2500 мм

ширина: 130-350 мм

толщина: 25-65 мм

Круглые заготовки диаметром 450мм, толщиной 40мм.

Рис.1. Заготовки ножей

 

Вихретоковый контроль осуществляется по методическим рекомендациям «О порядке проведения вихретокового контроля, технических устройств и сооружений, применяемых и эксплуатируемых на опасных производственных объектах Рд-13-03-2006»

 

1.9. При вихретоковом контроле могут быть выявлены:

- ковочные, штамповочные, шлифовочные трещины, надрывы волосовины, поры, неметаллические и шлаковые включения в элементах конструкций и деталях;

- трещины, возникшие в  элементах конструкций и деталях  при эксплуатации технических  устройств и сооружений.

1.10. Вихретоковым контролем не могут быть проконтролированы: элементы конструкций и детали с резкими изменениями магнитных или электрических свойств; с несплошностями, плоскости раскрытия которых параллельны контролируемой поверхности или составляют с ней угол менее 100; сварные швы.

1.11. При вихретоковом контроле могут не быть обнаружены дефекты в элементах конструкций и деталях:

- с поверхностями, на которые  нанесены электропроводящие защитные  покрытия, если дефект не выходит  на поверхность покрытия;

- с дефектами, заполненными  электропроводящими частицами;

- с поверхностями, покрытыми  коррозией.

1.12.   Вихретоковый   контроль  позволяет  выявлять  трещины,

выходящие на поверхность и имеющие ширину раскрытия более 0,01 мм,

глубину  более  0,1  мм  и  длину более 2 мм. Эта чувствительность

достигается   при   использовании   преобразователей  для  ручного

сканирования  с  диаметром измерительной катушки не более 2 - 3 мм

на поверхностях с шероховатостью не более R= 2,5 мкм.

1.13. Допускается проведение  контроля по окрашенным поверхностям, при этом возможность проведения  контроля при известной толщине  покрытия определяется техническими  характеристиками преобразователя.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Классификация вихретоковых преобразователей

В настоящее время разработано большое количество типов и разновидностей ВТП. Для более правильного их использования целесообразно знать их классификацию (рис. 2). Можно предложить несколько различных классификационных признаков. Прежде всего, по типу преобразования параметров ОК в выходной сигнал ВТП подразделяются на параметрические и трансформаторные.

Параметрический ВТП имеет лишь одну возбуждающую обмотку, параметры которой (активное и индуктивное сопротивления) зависят от параметров ОК, температуры окружающей среды и расстояния между ВТП и ОК.

Трансформаторный ВТП помимо возбуждающей обмотки имеет еще и измерительную обмотку, ЭДС которой зависит от параметров ОК.

Преимущество параметрических ВТП заключается в их простоте, а недостаток, который значительно слабее выражен в трансформаторных ВТП, - в зависимости выходного сигнала от температуры преобразователя.

Рис.2. Классификация ВТП.

     По способу соединения катушек (обмоток) ВТП делят на абсолютные и дифференциальные. Абсолютным называется ВТП, выходной сигнал которого определяется абсолютными значениями параметров ОК в зоне контроля (рис. 3, а). Дифференциальным ВТП принято называть, по существу, совокупность двух абсолютных ВТП (рис. 3, б). В дифференциальном ВТП обмотки возбуждения 2 включены последовательно согласно, а измерительные 3 - встречно. Выходной сигнал такого ВТП определяется разностью значений параметров объекта, измеряемых в зоне расположения измерительных обмоток.

В зависимости от расположения ВТП по отношению к объекту контроля их делят на проходные, накладные и комбинированные.

 

 

Рис.3. Абсолютный (а) и дифференциальный (б) трансформаторные ВТП:

1 – ОК; 2,3 – возбуждающие и  измерительные обмотки соответственно

Проходные ВТП обычно разделяют на наружные, внутренние, погружные и экранные. Основной особенностью проходных ВТП является то, что катушки ВТП охватывают ОК.

Катушки внутренних проходных ВТП вводят внутрь ОК, чаще всего они служат для контроля труб. Погружные ВТП используют для контроля жидких электропроводящих сред, их катушки помещают в контролируемую среду.

В экранных проходных ВТП возбуждающие и измерительные катушки располагают по разные стороны ОК. Наружными, внутренними и погружными могут быть как параметрические, так и трансформаторные ВТП, а экранными - только трансформаторные. На рис.4 приведены примеры проходных ВТП.

Рис.4. Проходной внутренний ВТП и погружной:

1 – ОК; 2,3 – возбуждающие и измерительные  обмотки соответственно.

 

Накладные ВТП (рис. 5) размещают вблизи поверхности ОК. Они имеют одну или несколько обмоток. Их оси обычно располагают нормально поверхности ОК, т.е. прикладывают торцом к ОК. Однако возможно продольное расположение накладных ВТП, когда оси катушек направлены вдоль поверхности ОК. Накладные ВТП обладают значительно большими возможностями для контроля, чем проходные. Они позволяют контролировать геометрические и электромагнитные параметры ОК сложной формы. Катушки накладных ВТП могут быть круглыми коаксиальными, прямоугольными, прямоугольными крестообразными, с взаимно-перпендикулярными осями и др. Накладные ВТП так же, как и проходные, могут быть экранными, когда возбуждающие и измерительные катушки располагаются по разные стороны ОК.

Рис.5. Накладные вихретоковые преобразователи с круглыми коаксиальными (а) и   прямоугольными (б) осями.

Комбинированные ВТП, охватывающие OK 1 (рис. 6), представляют собой комбинацию проходных возбуждающих катушек 2 и накладных измерительных катушек 3. Их недостаток заключается в сильном влиянии перекосов осей проходных и накладных катушек ВТП относительно поверхности ОК.

Рис.6.  Комбинированные ВТП с  проходной возбуждающей и накладной измерительной обмотками:

1 – ОК; 2,3 – проходные и накладные измерительные катушки соответственно

 

Рис.7. Основные варианты конструкций накладных ВТП:

а,б,в – с одной, двумя, тремя обмотками соответственно; г- в виде катушки индуктивности; д- в виде воздушного трансформатора; е- в виде трансформатора с ферромагнитным сердечником

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Физические основы вихретокового контроля

 

  В основе вихретоковых методов лежит зависимость интенсивности и распределения вихревых токов в объекте контроля от взаимного расположения ВТП и объекта.

Переменный ток, действующий в катушках ВТП, создает электромагнитное поле, которое возбуждает вихревые токи в электропроводящем объекте. На рис.8 представлена обобщенная функциональная схема вихретокового контроля с накладным преобразователем.

 

Рис.8. Обобщенная схема вихретокового контроля с помощью накладного ВТП

 

Плотность вихревых токов максимальна на поверхности объекта в контуре, диаметр которого близок к диаметру возбуждающей обмотки, и убывает до нуля на оси ВТП и при r . Плотность вихревых токов убывает также и по глубине объекта контроля. Для приближенной оценки глубины проникновения электромагнитного поля накладного ВТП в объект контроля можно воспользоваться формулой глубины проникновения (м) плоской волны:

                 (1)

где  - круговая частота тока возбуждения ВТП; -абсолютная магнитная проницаемость, Гн/м; - удельная электрическая проводимость материала объекта контроля, См/м.

Величина соответствует затуханию напряженности магнитного поля в е раз по сравнению со значением напряженности магнитного поля на поверхности объекта. Формула (1) дает завышенное значение глубины проникновения, которое тем ближе к реальному, чем больше обобщенный параметр:

где R - радиус возбуждающей обмотки ВТП.

Так, при = 1,5 реальное значение меньше найденного по формуле (1) в 2,2 раза, а при = 5 - в 1,5 раза.

Для определения при известном значении можно применить формулу:

                (2)

На рис.9 приведены номограммы для определения (рис.9, а) и (рис.9, б) по известным значениям частоты и удельной электрической проводимости .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.9 Номограммы для определения:

а – глубины проникновения плоской волны в электропроводящее пространство; б – обобщенного параметра контроля

 

Взаимодействие преобразователя с объектом определяется уравнениями Максвелла:

                                                                         (3)

                                                 ,                  (4)

где и - векторы напряженности соответственно магнитного и электрического полей; - вектор магнитной индукции; — вектор плотности полного тока, равный сумме векторов плотности токов: проводимости (вихревых токов) , смещения , переноса и сторонних ; t - время.

В проводящей среде значения токов смещения незначительны по сравнению с другими составляющими полного тока, поэтому можем записать

= + +

где = ; = ; - удельная электрическая проводимость; — вектор скорости переноса.

В неподвижном относительно электромагнитного поля объекте = 0, так как . Учитывая, что ; где - - абсолютная магнитная проницаемость; - магнитная постоянная, формулу (4) можно преобразовать:

                                                            (5)

где - дифференциальная магнитная проницаемость.

Для случая зависимости (3) и (5) можно свести в одно уравнение:

                                             .            (6)

При контроле изотропных ферромагнитных объектов , а уравнение (6) - нелинейное параболическое. В линейной изотропной среде , и уравнение (6) переходит в уравнение Фурье:

                                             .            (7)

В объекте контроля сторонние токи отсутствуют( ), поэтому уравнения (6) и (7) будут однородными.

Если изменяется во времени по синусоидальному закону с круговой частотой ω (монохроматическое поле), то зависимость (7) переходит в уравнение Гельмгольца:

                                             ,                  (8)

где: , - комплексные значения величин;  ;

Уравнения (3), (4) можно свести к уравнению векторного потенциала, определяемого выражением:

;

В монохроматическом поле:

,

где: , - комплексные значения величин;

а мгновенное значение ЭДС измерительной обмотки с числом витков :

,

где - магнитный поток, сцепленный с этой обмоткой.

( – элемент площади контура измерительной обмотки).

Комплексное сопротивление параметрического ВТП определяется выражением:

где: - комплексное значение тока возбуждения в обмотке ВТП.

Уравнения с (1) по (8) описывают физический смысл процессов, которые протекают при  измерении ВТП.

 

Вносимое напряжение накладных вихретоковых преобразователей

Чаще всего для проведения инженерно-технических расчетов и анализа сигналов накладных ВТП можно использовать нитевидную модель обмоток с бесконечно тонким поперечным сечением. Для такой модели двухобмоточного накладного трансформаторного ВТП комплексное вносимое напряжение рассчитывается из выражения:

 

где - мнимая единица; WB, WИ -количество витков возбуждающей и измерительной обмоток  соответственно; - эквивалентный радиус ВТП; RB, RИ - средние радиусы возбуждающей и измерительной обмоток соответственно; - обобщенный параметр, характеризующий расстояние между центрами обмоток ВТП и поверхностью ОК; - расстояние от центра соответствующей обмотки ВТП до внешней поверхности ОК; функции Бесселя первого рода первого порядка; - функция влияния ОК, т.е. комплексная функция, зависящая от граничных условий и характеризующая влияние ОК с плоскопараллельными слоями и определяемая удельными электрическими проводимостями магнитными проницаемостями и толщинами слоев .