Eddy current probe operation optimization for weld seal control in pipeline systems

Full Text

Методы, основанные на использовании вихревых токов, широко используются для контроля листовых металлов и труб: выявления дефектов, неоднородностей структуры и отклонений от химического состава [1]. Физико-математический анализ работы различных конструктивных схем вихретоковых преобразователей (ВТП) показывает, что для дефектоскопии сварных соединений магнитных металлов наиболее перспективны преобразователи с П-образным магнитопроводом. Применение подобных ВТП позволяет реализовать различные алгоритмы сканирования сварного шва при выявлении продольных и поперечных трещин, отстроиться от мешающего воздействия геометрических параметров шва. Кроме того, указанный тип ВТП является наиболее универсальным устройством, позволяющим контролировать кольцевые сварные швы труб, сосудов, емкостей различного диаметра и плоских сварных конструкций. Подобная универсальность обеспечивается возможностью создания требуемой структуры электромагнитного поля в зоне контроля за счет изменения геометрии магнитной системы ВТП: размеров сечения полюсов, межполюсного расстояния и применения набора сменных полюсных наконечников, адаптированных под кривизну конкретной контролируемой детали. ВТП с П-образным магнитопроводом может быть реализован как параметрический преобразователь с выходным сигналом в виде тока обмотки возбуждения (ОВ), а при наличии измерительной обмотки на одном из полюсов - как преобразователь трансформаторного типа. Эффективность работы трансформаторного ВТП с П-образным магнитопроводом существенно зависит от питания токовой обмотки. При анализе влияния режима питания на эффективность дефектоскопии сварного шва будем полагать, что измерительная обмотка работает в режиме, близком к режиму холостого хода, то есть входное сопротивление измерительной цепи достаточно велико (2-3 Мом) и не влияет на магнитное сопротивление системы «ВТП - объект контроля». Определим в этих условиях связь между выходным напряжением преобразователя и магнитным сопротивлением контролируемого участка сварного шва, величина которого зависит от наличия или отсутствия дефектов: трещин, пор, непровара и т. п. Уравнение обмотки возбуждения ВТП в комплексной форме имеет вид , (1) где - действующее комплексное напряжение питания ОВ; - частота; - число витков ОВ; - комплексное действующее значение тока; - реактивное сопротивление рассеяния ОВ; - действующее комплексное значение основного магнитного потока; - сопротивление проводов ОВ; - добавочное активное сопротивление, обеспечивающее требуемый режим работы ВТП; - напряжение, компенсирующее ЭДС самоиндукции ОВ. В случае параметрического ВТП, содержащего только ОВ, величина представляет собой сопротивление датчика тока, формирующего выходной сигнал преобразователя. Для трансформаторного ВТП, содержащего ОВ и измерительную обмотку, величина должна обеспечивать работу источника питания ОВ в режиме источника тока. При установке ВТП на объект контроля (ОК), выполненный из ферромагнитного материала, потоки рассеяния малы и выполняются условия: При этом уравнение (1) имеет вид . (2) В случае параметрического ВТП величина - сопротивление датчика тока, оно велико, поэтому и уравнение ОВ запишется так: . (3) Величину основного магнитного потока определим по закону Ома для магнитной цепи ВТП [2]: , (4) где - комплексное магнитное сопротивление цепи ВТП, включающее магнитное сопротивление магнитопровода ВТП, контролируемого участка сварного шва и воздушного зазора между ВТП и ОК. Определим ток ОВ - выходной сигнал параметрического ВТП с учетом всех составляющих электрического сопротивления этой обмотки: сопротивления проводов, добавочного резистора и величины сопротивления, обусловленного рабочим магнитным потоком в системе «ВТП - объект контроля». Последняя составляющая комплексного сопротивления ОВ -определяется в соответствии с теорией магнитных цепей следующим образом [2]. Определяем потокосцепление ОВ: (5) где - комплексная индуктивность ОВ с соответствующей магнитной цепью: . (6) Комплексное сопротивление, обусловленное этой индуктивностью: (7) Таким образом, ток через обмотку возбуждения: . (8) Уравнение (8) определяет выходной сигнал параметрического ВТП. Используя при этом резистор как измерительный, можно реализовать не только амплитудную, но и амплитудно-фазовую обработку выходного сигнала параметрического ВТП. Кроме того, из соотношения (3) следует, что при малых магнитных потоках рассеяния основной магнитный поток определяется величиной питающего напряжения и не зависит от вариаций. Из уравнения (4) видно, что изменения, обусловленные наличием дефектов в ОК, компенсируются соответствующим изменением тока обмотки возбуждения. Экспериментальные данные подтверждают этот теоретический вывод, то есть при входном напряжении и малых значениях, и значение магнитного потока с достаточной точностью можно считать неизменным. При экспериментах на магнитопроводе параметрического ВТП размещалась измерительная обмотка, ЭДС которой измерялась электронным вольтметром с входным сопротивлением порядка 5 Мом. При стабилизированном напряжении питания ВТП в его магнитной цепи увеличивался воздушный зазор, что приводило к увеличению тока, но величина ЭДС, а следовательно, и магнитного потока оставалась неизменной при малых зазорах. Так, при изменении зазора от 0,5 мм до 1,0 мм ток увеличился в 2,3 раза, полное электрическое сопротивление преобразователя уменьшилось с 138,76 до 60,33 Ом, а магнитное сопротивление цепи увеличилось в 2,3 раза соответственно на частоте . Величина ЭДС при этом практически не изменилась. При увеличении зазора от 1,0 до 4,0 мм ток увеличился в 2,7 раза, а величина ЭДС при этом уменьшилась лишь на 2,7 %. Выходное напряжение трансформаторного ВТП определим по известным формулам, пользуясь теорией магнитных цепей [2]: , (9) где Ф - комплексное действующее значение магнитного потока; - частота питающего напряжения: и - числа витков измерительной и токовой обмоток; - комплексный ток обмотки возбуждения; - эквивалентное комплексное магнитное сопротивление цепи, включающее магнитные сопротивления: магнитопровода преобразователя, контролируемого участка сварного шва и воздушного зазора между ВТП и объектом контроля. В реальных условиях обмотка возбуждения ВТП запитывается от стабилизированного источника напряжения , а последовательно с этой обмоткой включается измерительный резистор для реализации амплитудно-фазовых измерений выходных сигналов преобразователя. Поэтому ток обмотки возбуждения определим с учетом всех составляющих электрического возбуждения этой обмотки, измерительного резистора и величины сопротивления, обусловленного рабочим магнитным потоком в системе «ВТП - объект контроля». Пренебрегая первой составляющей сопротивления по сравнению со второй и третьей и определяя третью составляющую электрического сопротивления через комплексное магнитное сопротивление [2], получим ток обмотки возбуждения: (10) С учетом полученных соотношений выходное напряжение ВТП запишется так: (11) где U - напряжение стабилизированного источника питания обмотки возбуждения. Из формулы (11) следует, что при , то есть в случае, когда токовая обмотка ВТП запитывается от стабилизированного источника напряжения напрямую, (12) при этом выходной сигнал ВТП не несет информации об объекте контроля, а формула (12) определяет неизвестную связь напряжений первичной и вторичной обмоток ненагруженного трансформатора. В другом предельном случаевыражение (11) имеет вид (13) При этом выходной сигнал ВТП определяется магнитным сопротивлением объекта контроля, то есть несет информацию о параметрах сварного шва. Генератор в этом случае работает в режиме источника тока. Однако при больших резко уменьшается ток обмотки возбуждения, возрастает влияние шумов и помех. Поэтому режим питания обмотки ВТП необходимо выбрать исходя из минимально допустимой величины тока и достаточной чувствительности преобразователя к изменениям магнитного сопротивления при заданном соотношении сигнал/шум. Величина магнитного сопротивления системы «ВТП - объект контроля» определяется тремя составляющими: (14) где - комплексное магнитное сопротивление объекта; - магнитное сопротивление воздушного зазора δ между ВТП и объектом; - магнитное сопротивление магнитопровода ВТП; S - площадь поперечного сечения магнитопровода ВТП. Как правило, магнитопровод ВТП выполняется из материала с высоким значением магнитной проницаемости (пермаллой, электротехническая сталь). Поэтому , и соотношение (14) примет вид: (15) где и - вещественная и мнимая составляющие магнитного сопротивления контролируемой среды. Активное магнитное сопротивление определяет реактивную мощность, а реактивное магнитное сопротивление - активную мощность - потери в среде [3]. В случае достаточно низких частот [4] уравнение (15) примет вид (16) С учетом последнего соотношения действующее значение выходного напряжения ВТП запишем в виде (17) Чувствительность ВТП к изменениям магнитного сопротивления - дефектам сварного шва (18) Из уравнений (17) и (18) следует, что функция - монотонно убывающая. Однако существует оптимальный режим питания ВТП, при котором чувствительность к изменениям (дефектам) максимальна по модулю. Для определения этого режима рассмотрим функцию Исследуя эту функцию на экстремум, определим условие оптимального режима работы ВТП: (19) Из соотношения (19) оптимальное значение : (20) Однако с учетом приближенного характера полученного соотношения (17), а следовательно, и уравнений (19) и (20) проведенную теоретическую оптимизацию режима работы трансформаторного ВТП можно считать лишь первым приближением - основой для дальнейшей экспериментальной настройки преобразователя. Алгоритм такой настройки реализуется на реальном ВТП с ферромагнитным образцом из металла, идентичного ОК. Изменения магнитного сопротивления имитируются вариацией воздушного зазора между ВТП и контрольным образцом. Цель настройки - обеспечить питание ОВ преобразователя в режиме источника тока, причем ток такого источника должен быть максимально возможным при требуемой чувствительности ВТП к вариациям магнитного сопротивления материала ОК. Рабочая частота преобразователя определяется по заданной толщине сварного шва в результате анализа распределения электромагнитного поля преобразователя в зоне контроля, а также частотных характеристик магнитного сопротивления среды.

About the authors

Yuri I Steblev

Samara State Technical University

(Dr. Sci. (Techn.)), Professor 244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100, Russian Federation

Nina A Sizova

Samara State Technical University

Assistant 244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100, Russian Federation

Sergey V Susarev

Samara State Technical University

(Ph.D. (Techn.)), Associate Professor 244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100, Russian Federation

Rinat K Dusmukhambetov

Samara State Technical University

Postgraduate Student 244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100, Russian Federation

References

Supplementary files