Вихретоковый преобразователь: принцип работы, разновидности, критерии подбора​

Вихретоковый преобразователь (ВТП) представляет собой устройство из одной или нескольких индуктивных отметок (катушек), которые возбуждают вихревые токи и преобразуют электромагнитное поле, зависящее от свойств исследуемого объекта, в сигнал для передачи на электронный блок вихретокового дефектоскопа (см. п. 3.1.2 в ГОСТ Р 55611-2013 "Контроль неразрушающий вихретоковый. Термины и определения"). ВТП применяются для вихретокового метода дефектоскопии - далеко не самого простого в неразрушающем контроле (НК). Он основан на том, чтобы возбуждать внешнее электромагнитное поле, вихревые токи которого наводятся на поверхность объекта контроля (ОК), и анализировать взаимодействие этого внешнего поля с полем самих вихревых токов. Под вихревыми токами имеются в виду замкнутые электрические токи в проводнике - ОК, которые возникают при изменении проникающих его магнитных потоков. Вихретоковый преобразователь используется в качестве источника электромагнитного поля. Ключевой элемент ВТП - индуктивная катушка с синусоидальным либо импульсным током. От характеристик катушки, а также от позиционирования датчика на поверхности ОК, геометрических и электромагнитных свойств последнего зависит распределение и плотность вихревых токов, а следовательно, и чувствительность вихретокового контроля. В современной практике вихретокового контроля применяется большое количество преобразователей самых разных конфигураций: карандашного типа, Г-образные, проходные, роторные (вращающиеся), накладные, универсальные и специализированные, для ручного сканирования и для автоматизированных систем. Вихретоковые преобразователи позволяют выявлять поверхностные, подповерхностные и сквозные дефекты в объектах из чёрных и цветных металлов (сталь, титан, алюминий, латунь, медь и другие), а также из углепластиков и композиционных материалов. В том числе - в ОК с лакокрасочным или иным защитным покрытием, изделий сложной формы, в труднодоступных местах, вблизи заклёпочных соединений, в глубоких пазах, глухих технологических отверстиях и т.д. ВТП особенно активно используются в авиации и ракетостроении, но не только. Подбор и применение вихретоковых преобразователей осуществляются в соответствии с руководящей нормативной технической документацией (НТД) и операционной технологической картой (ОТК). Для проверки работоспособности датчиков, а также для настройки уровней чувствительности, калибровки и поверки вихретоковых дефектоскопов используются специальные меры моделей дефектов и отраслевые контрольные образцы с искусственными несплошностями - трещинами, рисками и пр.

Содержание:​

Принцип работы вихретокового преобразователя
Устройство
Классификация
Помехоустойчивость
Подбор ВТП под разные задачи
Где купить хорошие датчики

Принцип работы вихретокового преобразователя​

Если коротко, то именно ВТП отвечает за наведение электромагнитного поля, под действием которого в объекте возникают вихревые токи. Это приводит к изменению сопротивления и напряжения на катушках, которые регистрируются и измеряются дефектоскопом. Расшифровка полученных значений позволяет судить о наличии дефектов, остаточных напряжениях и иных свойствах.

Преобразователь – важный атрибут, без которого невозможно проведение вихретокового контроля. Настолько, что, если поменять датчик, дефектоскоп подвергают дополнительной проверке. Этого требует, например, РД 13-03-2006 "Методические рекомендации о порядке проведения вихретокового контроля технических устройств и сооружений, применяемых и эксплуатируемых на опасных производственных объектах". В том же документе содержится пункт об обязательном ежедневном осмотре рабочей поверхности при помощи лупы с диапазоном увеличения от 2 до 6 крат. При малейших механических повреждениях датчик отбраковывается.

Работа с ВТП начинается с проверки и настройки прибора – сначала на контрольном образце (КО-1 или КО-2), затем – на бездефектном участке (его размеры должны в 5–10 раз превышать размеры датчика). Сканирование предполагает постепенное перемещение датчика по поверхности объекта. Перед контролем её размечают на зоны площадью в пределах 1–2 кв. дм. Современные цифровые приборы позволяют проводить сканирование со скоростью 10–20 мм/с. В тех местах, где имеются несплошности, при наведении вихретокового преобразователя амплитуда сигнала увеличивается, автоматически раздаётся звуковая и/или световая сигнализация (так называемая АСД), плюс – это чётко видно на экране дефектоскопа. По скачкам амплитуды выходного сигнала можно судить о глубине дефектов. Если повторное сканирование подтвердило наличие неоднородностей, бракованный участок обводят маркером, а результаты заносят в заключение и журнал. В заключении, к слову сказать, в обязательном порядке указывается тип и заводской номер датчика.

Вообще, объяснить в двух словах физические основы функционирования ВТП – задача очень непростая. По крайней мере, исчерпать вопрос в одной статье точно нереально. Если вы откроете учебники Власова К.В., Боброва А.Л., Троицкого В.А., Герасимова В.Г., Покровского А.Д., Останина Ю.Я., то обязательно увидите множество формул, схем, а также нагромождение терминов, таких как «потокосцепление», «магнитный поверхностный эффект», «реактивное сопротивление» и пр. Не претендуем на исчерпывающее описание принципа работы датчиков – а просто советуем ознакомиться с трудами вышеуказанных авторов и двигаемся дальше.

Как устроены вихретоковые преобразователи​

Конструкция вихретоковых преобразователей зависит от их типа (о разновидностях – чуть позже). К основным элементам, которые встречаются в различных ВТП, относятся:

• измерительная и возбуждающая обмотки. Именно в катушках по мере прохождения синусоидального переменного электрического тока возникает магнитное поле. Они также фиксируют воздействие вихревых токов, генерируя выходной сигнал ВТП, который передаётся на электронный блок и оповещает оператора о дефекте;
• ферромагнитный наконечник. Позволяет создавать электромагнитное поле строго заданной топологии и локализовать его, тем самым уменьшая зону контроля и увеличивая его чувствительность. Благодаря этому вихретоковый преобразователь способен реагировать даже на очень маленькие несплошности;
• концентратор. Представляет собой медную пластинку для концентрирования вихревых токов, под действием которых вихревые токи вытесняются в зону контроля;
• магнитопровод. Обеспечивает корректное прохождение магнитного потока, который возбуждается под действием электрического тока в катушках;
• корпус. У некоторых ВТП предусматривается пружинный механизм, установочное кольцо, разъём для подсоединения кабеля и пр. Дополнительно может быть предусмотрен светодиод для световой сигнализации при обнаружении дефектов.

Говоря об устройстве датчиков, нельзя не сказать и про кабели для подключения к блоку дефектоскопа. К их качеству и помехозащищённости предъявляются особые требования, поскольку от этого зависит точность передачи выходных сигналов.

Какие типы вихретоковых преобразователей существуют​

Классификации ВТП посвящён ГОСТ 23048-83 "Контроль неразрушающий. Преобразователи вихретоковые. Общие технические условия". Очень хорошо об этом написано в томе №2 (книга №2) легендарного справочника «Неразрушающий контроль». Есть даже очень наглядная схема, на которой отражена типология датчиков.
Как видим, разновидностей очень много, по разным классификационным признакам. Давайте по порядку. Для начала – в зависимости от того, как параметры исследуемого объекта преобразуются в выходные сигналы, вихретоковые преобразователи принято делить на две большие категории:

• трансформаторные. Имеют лишь одну обмотку – возбуждающую. Такие датчики хороши своей простотой, однако на характеристики их сигналов слишком сильно влияет температура объекта и окружающей среды;
• параметрические. Оснащаются двумя обмотками – возбуждающей и измерительной. В плане устойчивости сигнала к температурным воздействиям такие ВТП предпочтительнее трансформаторных.

По способу соединения катушек вихретоковые преобразователи подразделяются на абсолютные (выходной сигнал определяется абсолютными значениями параметров объекта контроля) и дифференциальные. Во втором случае речь идёт о сочетании двух абсолютных вихретоковых преобразователях, обмотки возбуждения у которых соединены последовательно согласно, а измерительные – встречно. У дифференциальных датчиков выходной сигнал зависит от разности значений параметров объекта в исследуемой зоне.

Ещё один важный критерий классификации – пространственное расположение ВТП относительно объекта. По данному признаку выделяют следующие типы датчиков:

• проходные. Магнитопровод выполнен таким образом, чтобы катушка могла обхватывать объект. Либо адаптирован для ввода внутрь труб или в какую-либо рабочую среду. Соответственно, проходные вихретоковые преобразователи бывают наружные, внутренние, погружные и экранные. Первые три типа могут быть как параметрическими, так и трансформаторными. Другое дело – экранные. Все они относятся к параметрическим, их общая особенность в том, что возбуждающая и измерительная катушки находятся по разные стороны объекта. Отдельно выделяют щелевые датчики, которые используются, например, для проволоки;
• накладные. Располагаются в непосредственной близости от исследуемой поверхности. Обмотки у таких ВТП бывают прямоугольные, круглые, прямоугольные крестообразные, могут иметь взаимно-перпендикулярные оси. Считается, что накладные датчики удобнее проходных с точки зрения контроля геометрических и электромагнитных параметров объектов, имеющих сложную форму. Среди них тоже встречаются экранные, главное достоинство которых в том, чтобы позволяют исключать влияние смещений объекта относительно катушек;
• комбинированные. Имеют проходные возбуждающие и накладные измерительные катушки. Это, с одной стороны, позволяет применять датчики для широкой номенклатуры объектов, но с другой – оси катушек могут сместиться, повлияв тем самым на результаты контроля.

В ГОСТ 23048-83 также упоминаются одночастотные, многочастотные и импульсные вихретоковые преобразователи – в зависимости от того, каким электромагнитным полем возбуждаются вихревые токи.

Помимо традиционных типов, многие производители выпускают специализированные ВТП – точечные, карандашные (оптимальный вариант для контроля галтелей), кольцевые, скользящие, вращающиеся (ротационные), под конкретные задачи. Например, для контроля сварных соединений, болтовых отверстий, металла вокруг отверстий под крепёж, измерения электропроводности, характеристик вибрации и т.д.

Что может помешать нормальной работе вихретоковых преобразователей​

Хоть вихретоковый метод и не предполагает контакта датчика с поверхностью, при проведении контроля могут возникать помехи, если:

• нарушается рекомендуемый угол наклона ВТП (либо если его резко отрывают от объекта);
• имеют место прижоги, наклепы и локальная намагниченность;
• толщина непроводящего покрытия превышает допустимые значения (у разных ВТП она может отличаться – лучше лишний раз свериться с паспортом датчика);
• у поверхности слишком большая шероховатость (Ra более 2,5 мкм);
• объект очень грязный либо покрыт коррозией;
• датчик находится очень близко к краю изделия (возникает нежелательный эффект, который так и называют – краевым).

Ещё одна возможна причина – неоднородные магнитные свойства материала, из которого выполнен объект. Как известно, вихретоковый метод контроля работает с чёрными и цветными металлами и сплавами, электрическая проводимость которых составляет 0,5–60 МСм/м. У некоторых объектов эти свойства проявляются в разных местах по-разному. Особенно у объектов сложной конфигурации, с неравномерно нанесёнными покрытиями. Дабы не перепутать ложные срабатывания с фактическими результатами контроля, в инструкциях часто встречается пункт о повторном сканировании сомнительного участка. Более того: если сканирование выполнялось датчиком большого диаметра, то согласно РД 13-03-2006 для дополнительной проверки границ выявленных трещин следует перейти на другой датчик, меньшего диаметра.

Как не ошибиться с выбором вихретокового преобразователя​

Среди российских специалистов НК востребованы вихретоковые преобразователи российских и зарубежных производителей: НПЦ «Кропус», НПК «ЛУЧ», «Константа», «Алтек», Olympus, Eddyfi, GE и др. Как не ошибиться с выбором? Рекомендация по подбору датчиков, например, содержится в ГОСТ Р ИСО 15549-2009 "Контроль неразрушающий. Контроль вихретоковый. Основные положения", где она была изложена весьма лаконично: выбор зависит от цели контроля. Одно дело – поиск трещин, поверхностных и приповерхностных несплошностей, другое – измерение толщины покрытия, электропроводности и т.п. Решающие факторы в дефектоскопии – тип предполагаемых неоднородностей, их пространственное положение, глубина залегания и, протяжённость и ориентация.

Если вы уже читали нашу памятку о выборе оборудования НК, то знаете: «плясать» нужно от НТД и ОТК. Вихретоковый преобразователь – не исключение. Определённо стоит заглянуть в технологические карты на контроль. Во многих из них прописаны указания по скорости, траектории перемещения ВТП, расстояния до края детали. Так, если приблизиться к кромке меньше, чем на 1–1,5 мм от края, то могут возникнуть помехи и сбиться настройки. Одним словом, нюансов много – у каждого объекта свои.

Если отвлечься от этой специфики, то при рассмотрении тех или иных вихретоковых преобразователей стоит оценивать следующие технические характеристики.

• Обобщённый параметр вихретокового контроля. Как указано в ГОСТ Р 55611-2013 "Контроль неразрушающий вихретоковый. Термины и определения", это безразмерная величина, выражаемая в виде формулы, где в качестве переменных значений приводятся круговая частота тока возбуждения, магнитная проницаемость среды, магнитная постоянная и радиус эквивалентного витка обмотки ВТП (радиус цилиндрического объекта контроля).
• ЭДС – электродвижущая сила. Различают начальную ЭДС (на выводах разомкнутой обмотки без объекта) и вносимую (приращение на выводах при внесении объекта в электромагнитное поле датчика). Говоря об ЭДС, стоит упомянуть также комплексную плоскость датчика и годограф. Первым термином обозначают плоскость с двумя ортогональными координатными осями. По одной откладывают действительные составляющие ЭДС, напряжения и сопротивления, а по другой – мнимые значения. Под годографом понимается место на графике, где находятся концы вектора ЭДС (напряжения на комплексной плоскости), которое получается по мере изменения важных факторов. К таковым, например, относится частота, удельная электрическая проводимость, магнитная проницаемость, размеры объекта и другие. Так, для контроля лопаток турбин, имеющих сложную форму, нужно подбирать датчики, наименее восприимчивые к изменению магнитных свойств металла в разных точках пера. Чем выше помехоустойчивость вихретокового преобразователя, тем меньше ложных срабатываний.
• Сопротивление и индуктивность на обмотках.
• Значение и частота тока возбуждения, напряжение на обмотках.
• Отношение сигнал-шум – отношение пикового значения сигнала к среднеквадратичной амплитуде шумов, которые возникают под действием мешающих факторов. Отстройка указывает на помехозащищённость датчика, его возможность демонстрировать воспроизводимость результатов контроля, несмотря на температуру объекта, магнитные свойства материала, влияние покрытий и пр.
• Рабочий зазор – расстояние между торцевой частью вихретокового преобразователя и исследуемой поверхностью. Может достигать 7,0 мм – в зависимости от типа датчика.
• Диаметр зоны эффективного контроля. Чем она больше, тем выше производительность, но ниже чувствительность. Тут важен баланс.
• Форма, размеры, магнитные свойства объекта контроля. Как мы знаем, вихретоковый метод контроля применим к самым разных изделиям – электропроводящим пруткам, трубам, листам, проволоке, пластинам, железнодорожным рельсам, роликам подшипников, корпусам ёмкостного и технологического оборудования и т.д. Датчик, который подходит для одного объекта, может оказаться очень неудобным для другого. На изогнутых поверхностях, например, зачастую не обойтись без специальных фиксирующих насадок. Для сканирования в труднодоступных местах могут пригодиться ВТП, у которых чувствительный элемент закреплён на тонкой длинной трубке, адаптированной к многократным изгибаниям - для более удобной работы, например, внутри силовых установок и прочих механизмов с ограниченным свободным пространством. Аналогично, для выявления утонений, разрывов волокон, посторонних включений и прочих дефектов в углерод-углеродных композиционных материалах, например, также понадобятся специализированные вихретоковые преобразователи. Наконец, важным параметром может оказаться шероховатость поверхности ОК - для изделий с грубой поверхностью на рынке представлены специализированные вихретоковые датчики, которые отлично подходят для ВК отливок, а также изделий, поражённых коррозией и прошедших грубую токарную, фрезерную обработку и пр.
• Количество обмоток у катушки. Многообмоточные ВТП типа ПВДТ-1000-1 производства НПЦ "Кропус" гораздо эффективнее однообмоточных параметрических датчиков подходят для выявления мелких дефектов в ОК из цветных металлов.
• Размер и экранирование сердечника. Для объектов сложной формы, особенно под покрытием, экранирование чувствительности части вихретокового датчика повышает его помехозащищённость и помогает дефектоскописту расшифровывать сигналы, уменьшая количество ложных срабатываний сигнализации. Особенно при наличии зоне сканирования болтовых соединений, заклёпок и пр.
• Совместимость с вихретоковым дефектоскопом и сканером.

Наконец, ещё один важный критерий – отзывы дефектоскопистов, которые имеют реальный опыт работы с датчиками разных типов и изготовителей. На форуме «Дефектоскопист.ру» зарегистрированы сотни специалистов вихретокового контроля. Вы можете задать любой вопрос по выбору и эксплуатации ВТП, а заодно получить массу других полезных рекомендаций. Чтобы узнать больше о вихретоковых преобразователях, создайте новое обсуждение или ознакомьтесь с архивом форума.

Где покупать вихретоковые преобразователи​

Чтобы быть уверенным в результатах вихретокового контроля, покупайте качественные преобразователи, отвечающие всем требованиям ГОСТ 23048-83. Из партнёров форума «Дефектоскопист.ру» разработкой и продажей ВТП занимаются следующие производители.