Анализ электромагнитного вихретокового датчика дефектоскопа с Ш-образным сердечником

Представлены результаты исследования электромагнитного вихретокового датчика дефектоскопа с Ш-образным сердечником, выявлены процессы, возникающие в сердечнике и контролируемом материале. Рассмотрены варианты без трещины в контролируемом материале, с трещиной и с несколькими трещинами, выведены форм...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2017
Автори:	Мягкохлеб, К.Б., Полищук, О.Ф.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інстиут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України 2017
Назва видання:	Проблемы машиностроения
Теми:	Динамика и прочность машин
Онлайн доступ:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/141883
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Анализ электромагнитного вихретокового датчика дефектоскопа с Ш-образным сердечником / К.Б. Мягкохлеб, О.Ф. Полищук // Проблемы машиностроения. — 2017. — Т. 20, № 4. — С. 53-57. — Бібліогр.: 9 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-141883
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1418832025-02-23T20:16:51Z Анализ электромагнитного вихретокового датчика дефектоскопа с Ш-образным сердечником Analysis of an electromagnetic eddy current sensor of a flaw detector with an Ш-shaped core Мягкохлеб, К.Б. Полищук, О.Ф. Динамика и прочность машин Представлены результаты исследования электромагнитного вихретокового датчика дефектоскопа с Ш-образным сердечником, выявлены процессы, возникающие в сердечнике и контролируемом материале. Рассмотрены варианты без трещины в контролируемом материале, с трещиной и с несколькими трещинами, выведены формулы для определения параметров датчиков. Подано результати дослідження електромагнітного вихрострумового датчика дефектоскопа з Ш-подібним осердям. Виявлено процеси, які виникають в осерді та матеріалі, що контролюється. Розглянуто варіанти без тріщини в контрольованому матеріалі, з тріщиною та з декількома тріщинами й виведено формули для визначення параметрів датчиків. The physics of the processes of an eddy current electromagnetic sensor of a flaw detector in cooperation with the controlled sample in the Ш-shaped core is revealed and described. The cases of absence of a defect (a crack or a void) and the presence of one or several defects are considered. The formulas for determining the parameters of the flaw detector are derived. In particular, the dependence of the pulling force, in the case of the ferromagnetic material under investigation, on the frequency of the generated signals. This tractive force occurs between the sensor core of the flaw detector and the controlled sample and makes it difficult for the sensor to advance along the material when searching for cracks. It is shown that the higher the frequency, the less the tractive effort. In addition, from the formula of the electromotive force of induction for both output signals of the measuring windings and for eddy currents, an increase in frequency provides an increase in these electromotive forces, thereby increasing the sensitivity of the sensor. 2017 Article Анализ электромагнитного вихретокового датчика дефектоскопа с Ш-образным сердечником / К.Б. Мягкохлеб, О.Ф. Полищук // Проблемы машиностроения. — 2017. — Т. 20, № 4. — С. 53-57. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. 0131-2928 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/141883 621.3(075) ru Проблемы машиностроения application/pdf Інстиут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Динамика и прочность машин Динамика и прочность машин
spellingShingle	Динамика и прочность машин Динамика и прочность машин Мягкохлеб, К.Б. Полищук, О.Ф. Анализ электромагнитного вихретокового датчика дефектоскопа с Ш-образным сердечником Проблемы машиностроения
description	Представлены результаты исследования электромагнитного вихретокового датчика дефектоскопа с Ш-образным сердечником, выявлены процессы, возникающие в сердечнике и контролируемом материале. Рассмотрены варианты без трещины в контролируемом материале, с трещиной и с несколькими трещинами, выведены формулы для определения параметров датчиков.
format	Article
author	Мягкохлеб, К.Б. Полищук, О.Ф.
author_facet	Мягкохлеб, К.Б. Полищук, О.Ф.
author_sort	Мягкохлеб, К.Б.
title	Анализ электромагнитного вихретокового датчика дефектоскопа с Ш-образным сердечником
title_short	Анализ электромагнитного вихретокового датчика дефектоскопа с Ш-образным сердечником
title_full	Анализ электромагнитного вихретокового датчика дефектоскопа с Ш-образным сердечником
title_fullStr	Анализ электромагнитного вихретокового датчика дефектоскопа с Ш-образным сердечником
title_full_unstemmed	Анализ электромагнитного вихретокового датчика дефектоскопа с Ш-образным сердечником
title_sort	анализ электромагнитного вихретокового датчика дефектоскопа с ш-образным сердечником
publisher	Інстиут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України
publishDate	2017
topic_facet	Динамика и прочность машин
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/141883
citation_txt	Анализ электромагнитного вихретокового датчика дефектоскопа с Ш-образным сердечником / К.Б. Мягкохлеб, О.Ф. Полищук // Проблемы машиностроения. — 2017. — Т. 20, № 4. — С. 53-57. — Бібліогр.: 9 назв. — рос.
series	Проблемы машиностроения
work_keys_str_mv	AT mâgkohlebkb analizélektromagnitnogovihretokovogodatčikadefektoskopasšobraznymserdečnikom AT poliŝukof analizélektromagnitnogovihretokovogodatčikadefektoskopasšobraznymserdečnikom AT mâgkohlebkb analysisofanelectromagneticeddycurrentsensorofaflawdetectorwithanšshapedcore AT poliŝukof analysisofanelectromagneticeddycurrentsensorofaflawdetectorwithanšshapedcore
first_indexed	2025-11-25T01:43:17Z
last_indexed	2025-11-25T01:43:17Z
_version_	1849724761711575040
fulltext	ДИНАМІКА ТА МІЦНІСТЬ МАШИН ISSN 0131–2928. Пробл. машинобудування, 2017, Т. 20, № 4 53 К. Б. Мягкохлеб, канд. техн. наук О. Ф. Полищук, канд. техн. наук Институт проблем машиностроения им. А. Н. Подгорного НАН Украины, г. Харьков, e-mail: mkb@ipmach.kharkov.ua polishchuk@ipmach.kharkov.ua Ключові слова: дефект, вихровий струм, датчик дефектоскопа. УДК 621.3(075) АНАЛИЗ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ВИХРЕТОКОВОГО ДАТЧИКА ДЕФЕКТОСКОПА С Ш-ОБРАЗНЫМ СЕРДЕЧНИКОМ Подано результати дослідження електромагнітного вихростру- мового датчика дефектоскопа з Ш-подібним осердям. Виявлено процеси, які виникають в осерді та матеріалі, що контролюєть- ся. Розглянуто варіанти без тріщини в контрольованому мате- ріалі, з тріщиною та з декількома тріщинами й виведено форму- ли для визначення параметрів датчиків. Введение Создание приборов для обнаружения дефектов в материалах различных объектов, а именно, трещин и / или раковин является важной и актуальной для многих отраслей промышленности. Реше- ние данной задачи позволяет своевременно выявить дефекты, которые могут привести к выходу из строя машин и оборудования. Определенную нишу в неразрушающем контроле занимают вихретоковые дефектоскопы [1–4], При их создании необходимо всесторонне исследовать процессы, обуславливающие их функ- ционирование, представлять сложную картину электромагнитных преобразований, происходящих при взаимодействии датчиков с контролируемым объектом. Опубликованные работы по дефектоско- пии [2–8], описывающие физическую суть процесса, недостаточно четко отражают конкретные физи- ческие преобразования, формирующие конечный результат – определение наличия или отсутствия дефекта в материале исследуемого объекта. Основная часть Дефектоскоп в целом состоит из датчика и электроизмерительной схемы. Датчик представля- ет собой электромагнитную систему (ЭМС), в неё входит Ш-образный магнитопровод с генераторной обмоткой на среднем сердечнике и двумя измерительными обмотками, расположенными на крайних сердечниках. Выходные зажимы измерительных обмоток включены встречно, то есть выходное на- пряжение Uвых=U2 − U1 или U1 − U2. Напряжение Uг подается от генератора гармонического сигнала tUU a ω= sinгг , где ω − круговая частота (ω = 2π f; f − частота, f ≥ 20 кГц); t − время; Uга − амплитуда. В данной статье работу электроизмеритель- ной схемы рассматривать не будем, но подробно проанализируем функционирование датчика. Датчик представляет собой электромагнит- ную систему, изображенную на рис. 1. При подаче на генераторную обмотку на- пряжения Uг в ней возникает ток ( )2 г 2 г г 2 sin Lr tU i a ω+       π−ω = , но обычно активное сопротивление обмотки на- много меньше, чем его индуктивное сопротивление  К. Б. Мягкохлеб, О. Ф. Полищук, 2017 1 2 Ф1 Ф2 w1 Uг w2 wг U2 U1 Рис. 1. Электромагнитная система датчика: 1 − магнитопровод; 2 − исследуемый образец; Ф1, Ф2 − магнитные потоки; w1, w2, wг − число витков первой и второй измерительных обмоток и генераторной обмотки соответственно ДИНАМІКА ТА МІЦНІСТЬ МАШИН ISSN 0131–2928. Пробл. машинобудування, 2017, Т. 20, № 4 54 r << ωLг. Поэтому ( ) г г г cos L tU i a ω ω = . Рассмотрим несколько случаев. Первый случай − в материале исследуемого образца трещин и раковин нет. Измерительные обмотки w1 = w2. Зазор между сердечником и материалом δ = 0. Пло- щадь поперечного сечения среднего сердечника в 2 раза больше, чем у крайних 1 и 2. В этом случае магнитный поток поровну распределяется на первом и втором сердечниках ггггФ Gwi= , г2 г2 г1 г1 г GG GG GG GG G ′+ ′ = ′+ ′ = , где 2 2 1 1 21 µµ l S l S GG === ; 2 ср 1 ср г µµ l S l S G ==′ ; µ − магнитная проницаемость стали; l1 = l2 − средняя дли- на округленного периметра половины магнитопровода. Так как Ш-образный сердечник полностью симметричен и w1 = w2, то 2 Ф ФФ г 21 == , dt d wU dt d wU 2 22 1 11 ФФ === и 021 =−UU . При прохождении Ф1 и Ф2 через ферромагнитный материал в последнем в местах перехода магнитных потоков возникают вихревые электродвижущие силы (ЭДС) индукции ( )21 г инд ср. ФФ Ф −−=−= dt d dt d E , dt d E 1 инд 1 Ф −= , dt d E 2 инд 2 Ф −= , число витков материала wм = 1. Эти ЭДС создают вихревые токи 1 инд 1 1 м в r E i = , 2 инд 2 2 м в r E i = . Если выполняются описанные выше условия равенства, то i1в = i2в. Эти токи, в свою очередь, создают вихревые магнитные потоки 1в1в1вФ Gi= , 2в2в2вФ Gi= , где G1в, G2в − магнитные проводимости для Ф1в, Ф2в. (см. рис. 2.) Электродвижущие силы инд 1E , инд 2E направлены противоположно Ф1, Ф2. Поэтому токи iср.в, i1в, i2в и магнитные потоки Фср.в, Ф1в, Ф2в также направлены противоположно основным потокам Фср, Ф1, Ф2. Тут мы не учитываем индуктивность и электрическую емкость материала. Тогда в каждом сердечнике Ш-образного магнитопровода резуль- тирующие магнитные потоки Ф1Σ = (Ф1 − Ф1в), ФсрΣ = (Фср − Фср.в), Ф2Σ = (Ф2 − Ф2в). При отсутствии трещин, раковин и полной симметрии ЭМС выходное напряжение измери- тельных обмоток Uвых = 0. Второй случай. Магнитопровод находится в покое, в исследуемом материале, под сердечником 2 находится трещина или раковина, рис. 3. Из рис. 3 видно, что при наличии трещины или раковины магнитный поток Ф2 перераспреде- ляется на Ф′2 и Ф′′2. Магнитный поток Ф′2 − прохо- дит через площадь поперечного сечения S2 − Sтр, а Ф′′2 − через площадь Sтр, причем для Ф′2 магнитная проницаемость µ = 10 3÷10 6 , а для Ф′′2 – µ0 = 4π 10 –7 . В контролируемом металле присутствуют вихревые магнитные потоки Ф′2в и Ф′′2в, Ф′′′2в, причем Ф′2в 1 2 Ф1 Ф2 w1 Uг w2 wг U2 U1 i1в Ф1в iср.в Фср.в i2в Ф2в i1в iср.в i2в Ф1в Фср.в Ф2в Рис. 2. Электромагнитная схема с изображением вихревых токов и вихревых магнитных потоков ДИНАМІКА ТА МІЦНІСТЬ МАШИН ISSN 0131–2928. Пробл. машинобудування, 2017, Т. 20, № 4 55 направлен навстречу Ф′2, а Ф′′2в и Ф′′′2в направлены перпендикулярно боковым граням (считаем, что трещина имеет вид треугольника), но навстречу Ф′′2. Рассмотрим следующие случаи условного расположения трещины (рис. 4). Первый случай – треугольник трещины имеет вершину внизу. Пото- ки Ф′′2в и Ф′′′2в направлены перпендикулярно гра- ням, внутрь условной трещины (рис. 4 а). Второй случай – трещина имеет вид, изо- браженный на рис. 4 б), то есть вихревые магнит- ные потоки направлены навстречу Ф′′2 под опреде- ленными углами. Итак, если под сердечником 2 имеется трещина (раковина), то магнитная прово- димость G2 меняется по сравнению с первым слу- чаем, когда трещин нет. На поверхности без тре- щин ( ) l SS G тр 21 −µ = , а на поверхности с трещиной тр стр0 22 δ µ = S G , δтр− средняя высота трещины (пред- полагается, что трещина заполнена воздухом). Как видно из рис. 3, 4, при наличии трещины меняется направление вихревых магнитных потоков Ф′′2в. Ф′′′2в, меняется также магнитная проводимость G2, а это означает, что общий магнитный поток Ф2, со- стоящий из Ф′2. Ф′′2, не равен магнитному потоку Ф1, что, в свою очередь, определяет разность в ЭДС индукции вых 21 21 ФФ UU dt d dt d wUU =∆=      −=− , которая подается на вторичную схему, регистри- рующую наличие в материале трещины. На практике может быть такая ситуация, что рядом находятся несколько трещин. Также воз- можны варианты расположения трещин и раковин не на поверхности материала, а в глубине. Среди всех разновидностей расположения трещин и раковин только в варианте с полной идентичностью геометрии и расположения трещин под каждым магнитопроводом может быть Uвых = 0. В остальных случаях просматривается явная асимметрия магнитных потоков Ф1 и Ф2, что обуславливает наличие Uвых ≠ 0. Следует заметить, что в предлагаемом варианте датчика дефектоскопа в случае ферромагнит- ного исследуемого материала между магнитопроводом и материалом возникает тяговое усилие F, которое затрудняет продвижение датчика по материалу при поиске трещин. В связи с этим целесооб- разно определить зависимость силы F от параметров и физических величин в датчике и выбрать при- емлемые значения с целью уменьшения F. Для данного исследования представим, что в схеме, изо- браженной на рис. 1, между магнитопроводом 1 и материалом 2 имеется воздушный зазор δ. Тяговое усилие F определяется в виде суммы двух усилий F = F1+F2, где F1 и F2 − тяговые усилия левого и правого П-образного магнитопровода соответственно в общем Ш-образном магнитопроводе датчика. Формулы F1 и F2 следующие [9] : SS FF 0 2 2 0 2 1 21 ФФ µ = µ == , где Ф1 = Ф2 = Ф. S F 0 2 1 µ Ф2 = . (1) Рис. 3. Фрагмент электромагнитной схемы с изображением вихревых токов и вихревых магнитных потоков a) б) Рис. 4. Направление вихревых магнитных потоков в зависимости от условного расположения трещины ДИНАМІКА ТА МІЦНІСТЬ МАШИН ISSN 0131–2928. Пробл. машинобудування, 2017, Т. 20, № 4 56 Считаем что Ф − общий магнитный поток в среднем сердечнике, S = Sср/2, где S − площадь поперечного сечения крайних сердечников; Sср − площадь поперечного сечения среднего сердечника. В соответствии с законом полного тока Gwi ггФ = , (2) где G − общая магнитная проводимость магнитного потока 2Ф 2 2 ; 2 2 ср 2 ср 2 ср 1 ср 1 л G G G G G G G G G G пр + = + = , δ µ ===+= SG GGGGG 0ср 21прл 2 ; . Тогда δ µ = δ µ = δ µ = S G S G S G 00 пр 0 л ; 2 ; 2 . (3) Подставив (2) и (3) в (1), получим S wi F 0 2 гг µ      δ = . (4) Из уравнения (4) видно, что при δ → 0 F → ∝. Ток г г г L U i ω = , а δ µ == S wGwL 022 г . Подставим эти выражения в (4) 2 г г 0 0 2 гг 1       ωµ =µ      δ = w U S S wi F . (5) Из выражения (5) видно, что чем выше частота ω, тем меньше тяговое усилие F. Кроме того, из формулы ЭДС индукции как для выходных сигналов измерительных обмоток, так и для вихревых токов следует, что повышение частоты обеспечивает увеличение этих ЭДС, усиливая тем самым чув- ствительность датчика. Выводы Описана физика процессов, протекающих в Ш-образном сердечнике вихретокового электро- магнитного датчика дефектоскопа совместно с контролируемым образцом. Рассмотрены случаи от- сутствия дефекта (трещины или раковины) и наличия одного или нескольких дефектов. Проанализи- рованы несколько случаев условного изображения и расположения дефектов. Выведены формулы для определения зависимости тягового усилия от частоты генерируемых сигналов в случае ферро- магнитного исследуемого материала. Показано, что чем выше частота, тем меньше тяговое усилие. Кроме того, из формулы электродвижущей силы индукции как для выходных сигналов измеритель- ных обмоток, так и для вихревых токов увеличение частоты обеспечивает увеличение чувствительно- сти датчика. Литература 1. Божко А. Е. Элементы прикладной теории электромагнитных дефектоскопов / А. Е. Божко, О. Ф. Полищук// Доп. НАН України. - 2007. - № 11. - С. 34–41. 2. Коннов А. В. Анализ и интерпретация сигналов при неразрушающем контроле стальных газопроводов элек- тромагнитным сканером-дефектоскопом АСД «Вихрь» / А. В. Коннов // Нефтегазовое дело: электрон. науч. журн. - 2013. - № 5. – С. 385–401. 3. Бакунов А. С. Новые практические достижения в области вихретоковой дефектоскопии / А. С. Бакунов, А. Г. Ефимов, А. Е. Шубочкин // Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности: Тез. докл. 8-й. междунар. конф. – М., 2009 - С. 48. ДИНАМІКА ТА МІЦНІСТЬ МАШИН ISSN 0131–2928. Пробл. машинобудування, 2017, Т. 20, № 4 57 4. Неразрушающий контроль: Справочник: в 7 т. Т. 2 / Под общ. ред. В. В. Клюева. – М.: Машиностроение, 2003. – 688 с. 5. Учанин В. Н. Вихретоковые накладные преобразователи: расширенная классификация, сравнительный ана- лиз и характерные примеры реализации / В. Н. Учанин // Техн. диагностика и неразрушающий контроль. – 2010. – № 4. – С. 24–30. 6. Учанiн В. М. Розширення можливостей вихрострумових дефектоскопiв автогенераторного типу / В. М. Учанiн // Методи та прилади контролю якості. – 2008. – № 21. – С. 30–35. 7. Бакунов А. С. Вихретоковый неразрушающий контроль в дефектоскопии металлоизделий / А. С. Бакунов, А. Г. Ефимов // Контроль. Диагностика. 2009. – № 4. – C. 21–22. 8. Вихретоковые дефектоскопы нового поколения / Д. В. Шлеин, В. Ф. Мужицкий, В. А. Карабчевский, Е. Ю. Кортман // В мире неразрушающего контроля. – СПб. – 2007. – № 2. – С. 20–24. 9. Божко А. Е. Сравнительный анализ П и Ш-образных магнитопроводов электромагнитных вибровозбудите- лей / А. Е. Божко, В. И. Белых, К. Б. Мягкохлеб // Компрессор. и энерг. машиностроение. – 2006. – № 4(6). – С. –93. Поступила в редакцию 27.10.17

Анализ электромагнитного вихретокового датчика дефектоскопа с Ш-образным сердечником

Репозитарії

Схожі ресурси