УДК 620.179.147

ВИХРЕТОКОВЫЙ ДАТЧИК С ДВУХЧАСТОТНЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ

ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ ГЛУБОКИХ ТРЕЩИН

¹Северный университет Минзу, Северный Вэньчан, 204, район Сися, 750021, Иньчуань, Нинся-Хуэйский

автон. район, Китай

E-mail: zdlsir@163.com

Поступила в редакцию 20.05.2020; после доработки 09.06.2020

Принята к публикации 09.06.2020

Скин-эффект — это обычное явление при вихретоковом контроле (ВТК), из-за которого вихревые токи концентри-

руются возле поверхности образца и не могут распространяться вглубь материала. Для улучшения способности обнару-

жения глубоких дефектов предлагается новый датчик с двухчастотным возбуждением, с помощью которого можно

уменьшать плотность вихревых токов около поверхности образца. Цель работы, заключающаяся в обнаружении глубо-

ких трещин в образце из нержавеющей стали, достигается с помощью этого датчика. В этой статье для определения

частоты, тока возбуждения и расположения катушек зонда используется программное обеспечение ANSYS. Способность

нового зонда обнаруживать глубокие трещины подтверждена экспериментами. Результаты показывают, что сигнал от

трещин глубиной 10 и 15 мм в 4 и 4,47 раза больше, чем сигнал от трещины глубиной 5 мм. Датчик более чувствителен

к глубоким трещинам.

Ключевые слова: ВТК, датчик, глубокая трещина, двухчастотное возбуждение.

DOI: 10.31857/S0130308220120076

1. ВВЕДЕНИЕ

Методика вихретокового контроля (ВТК) имеет преимущества в виде высокой чувствитель-

ности, бесконтактного контроля и широкого диапазона применения [1—4]. ВТК широко использу-

ется в промышленности и производстве, что позволяет эффективно снизить затраты на промыш-

ленное производство и обеспечить безопасную работу оборудования. Но из-за скин-эффекта

обнаружение глубоких дефектов в металлических материалах по-прежнему затруднено.

Скин-эффект, проявляющий себя при ВТК, приводит к насыщению сигнала от дефекта по мере

увеличения его глубины [5, 6]. Когда глубина дефекта больше определенного значения, вихретоко-

вый датчик не может точно обнаружить дефект и определить его глубину, поскольку глубина про-

никновения вихревых токов зависит от частоты возбуждения, магнитной проницаемости материала,

электропроводности и размера зонда [7, 8]. Следовательно, для улучшения возможностей датчиков

обычно используются снижение частоты возбуждения или оптимизация параметров конструкции.

Однако, если частота слишком низкая, отношение сигнал / шум и разрешение также уменьшатся.

При оптимизации структурных параметров может быть в определенной степени улучшена способ-

ность зонда обнаруживать глубокие трещины, но это улучшение не является значительным [9—11].

В данной работе предлагается вихретоковый датчик с двухчастотным возбуждением. Численное

моделирование используется для оптимизации конструктивных параметров датчика. Наконец, экс-

периментально проверена возможность обнаружения глубоких трещин.

2. ПРИНЦИП ДВУХЧАСТОТНОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ

2.1. Настройка двухчастотных сигналов

Многочастотное возбуждение обычно используется в обычных вихретоковых датчиках.

Согласно теории рядов Фурье, любой периодический сигнал состоит из множества синусоидаль-

ных сигналов различных амплитуд и разных частот [12, 13]. Использование общих периодических

сигналов полезно для получения информации о трещинах разной глубины. Обычно многочастот-

ное возбуждение осуществляется одной катушкой возбуждения, а затем сигналы принимаются

другой катушкой. Хотя разные глубины проникновения вихревых токов могут быть получены на

разной частоте, глубина проникновения вихревых токов все еще ограничена скин-эффектом.

Ввиду превосходства многочастотного возбуждения, в этой статье для возбуждения использу-

ются два синусоидальных сигнала разной частоты. Катушки возбуждения работают синхронно, и

вихревые токи, генерируемые в испытательном образце, являются суперпозицией токов, индуци-

Чуанлун Ван, Мэйсянь Ву, Дунли Чжан

i₁

i₂

A''

i_a

-1

-2

t_A

0,5

1,5

×10^-4

Время, с

Рис. 1. Два синусоидальных сигнала возбуждения с разными частотами.

рованных двумя катушками возбуждения соответственно. Плотность вихревых токов возле

поверхности образца равна нулю, что увеличивает глубину проникновения вихревого тока [14].

Для усиления эффекта многочастотного возбуждения используются два синусоидальных сигнала

разной амплитуды и разных частот.

На рис. 1 показаны формы синусоидальных сигналов возбуждения 5 и 20 кГц с различной

амплитудой в одном цикле. Aʹ и Aʹʹ на рисунке — это две точки на кривых i₁ (20 кГц) и i₂ (5 кГц) в

определенный момент времени, i_a — результат суперпозиции i₁и i₂. Регулируя амплитуду сигнала

возбуждения в точках Aʹ и Aʹʹ, суперпозиция плотностей вихревых токов около поверхности образ-

ца становится равной нулю. Если поместить приемную катушку в точку, легко получить сигналы

от глубоких дефектов.

2.2. Суперпозиция плотностей вихревых токов

На рис. 2а показаны две кривые плотности вихревого тока, распределенные по глубине объ-

екта контроля. Они наводятся токами возбуждения на двух разных частотах в двух катушках соот-

ветственно. Вследствие различия частот также отличаются и вихревые токи, распределенные по

глубине. Регулируя величину и фазу токов возбуждения, чтобы вихревые токи возле поверхности

испытательного образца имели одинаковую величину, противоположную по направлению, можно

достичь того, что скин-эффект будет подавлен. На рис. 2а (для демонстрации общей закономер-

ности на оси координат на графике не отмечены конкретные значения) показаны кривые плотно-

сти вихревого тока J(f₁) и J(f₂), индуцированные двумя возбуждающими катушками C₁ и C₂по

отдельности перед регулировкой токов возбуждения. На рис. 2б показаны кривые после регули-

ровки тока возбуждения и результат их наложения (J(f₁) - J(f₂)). Можно заметить, что распределе-

J₁(f₁)

J₂(f₂)

J₃= J₁(f₁) - J₂(f₂)

Направление вглубь пластины до

Направление вглубь пластины после

настройки тока возбуждения

Рис. 2. Суперпозиция вихревых токов.

Дефектоскопия

№ 12

2020

Вихретоковый датчик с двухчастотным возбуждением...

ние плотности вихревых токов изменилось. Вихревой ток больше не концентрируется около

поверхности образца, а концентрируется внутри материала. Это облегчает получение информации

о дефектах.

3. РАЗРАБОТКА НОВОГО ДАТЧИКА

3.1. Численная модель

Рис. 3 представляет собой структурный вид нового зонда. Новый зонд состоит из двух кату-

шек возбуждения и одной измерительной катушки. R₀ — внешний диаметр катушки возбужде-

ния; R_i — внутренний диаметр; H_c — высота; N — количество витков; D — глубина прорези;

a — расстояние между осями катушек возбуждения C₁ и C₂. Измерительная катушка C₃ располо-

жена прямо над средней точкой линии, соединяющей две катушки возбуждения.

R₀

R_i

C₁

C₂

C₃

A₁

Образец

Рис. 3. Численная модель.

Для определения соотношения токов возбуждения новый датчик помещали на образец разме-

ром 200×200×50 мм³, изготовленный из аустенитной нержавеющей стали SUS304.

3.2. Результаты расчетов

Моделирование проводилось с использованием программного обеспечения ANSYS. Параметры

катушки возбуждения приведены в табл. 1. Межосевое расстояние a между двумя катушками воз-

буждения составляет 20 мм. Частоты возбуждения составляют 5 и 20 кГц соответственно. На две

катушки возбуждения подается переменный ток 5 А с нулевой фазой. Чтобы гарантировать, что

плотность вихревого тока на поверхности образца как можно ближе к нулю, мы наблюдаем изме-

нение плотности вихревого тока в точке, непрерывно изменяя соотношение токов возбуждения в

двух катушках. В результате обнаружено, когда отношение равно 0,67, то может быть достигнута

цель наложения в точке A₁.

Таблица

Параметры катушки возбуждения

Наименование

R_i, мм

R₀, мм

Зазор, мм

Катушка возбуждения

140

На рис. 4 показаны кривые распределения вихревых токов вглубь, а также результат их норми-

рования на максимальное значение, когда две круглые катушки возбуждаются по отдельности. Из

рис. 4б могут быть получены соответствующие стандартные глубины проникновения на двух

частотах возбуждения (глубины, соответствующие вертикальной оси 0,37), которые составляют

4,53 и 8,20 мм.

На рис. 5а показано распределение плотности вихревых токов и результат их нормирования на

максимальное значение. Это результат векторного вычитания кривых распределения, индуциро-

ванных в средней точке линии, когда две катушки возбуждения возбуждаются отдельно. Видно,

Дефектоскопия

№ 12

2020

Чуанлун Ван, Мэйсянь Ву, Дунли Чжан

×10⁵

J₁(f₁)

0,8

J₂(f₂)

0,6

X: 8,2

0,4

Y:0,37

X: 4,53

0,2

Y:0,37

Направление вглубь пластины, мм,

абсолютное значение

нормированное значение

Рис. 4. Распределения плотностей вихревых токов для катушек, возбуждаемых по отдельности.

×10⁵

J₁(f₁)—J₂(f₂)

0,8

1,5

0,6

X: 10,33

0,4

Y:0,37

0,5

0,2

Направление вглубь пластины, мм,

абсолютное значение

нормированное значение

Рис. 5. Распределение плотности вихревых токов с использованием нового датчика.

что плотность вихревых токов стремится к нулю на поверхности образца. Вихревые токи в основ-

ном сосредоточены ниже поверхности пластины на 9 мм. Согласно определению стандартной

глубины проникновения с использованием максимальной плотности вихревого тока в качестве

эталона, теоретическая глубина проникновения при использовании нового датчика составляет

10,33 мм (рис. 5б). Это в 2,28 и 1,26 раза больше, чем при использовании обычного. Видно, что

двухчастотное возбуждение может эффективно улучшить способность зонда обнаруживать глубо-

кие трещины.

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА ЭФФЕКТИВНОСТИ НОВОГО ДАТЧИКА

4.1. Экспериментальная установка

Для проверки эффективности нового датчика был разработан и произведен образец из нержа-

веющей стали SUS304, как показано на рис. 6. Он имеет размер 1350×350×20 мм³, проводимость

σ = 1,43 × 10⁶ См/м, относительная проницаемость µ_r = 1. В образце были пропилены три одно-

типные канавки шириной 1 мм и глубиной 5, 10 и 15 мм соответственно.

Новая система возбуждения устроена как показано на рис. 7а. Две катушки возбуждения

подключены к двум источникам питания. Измерительная катушка подключена к осциллографу

для отображения сигналов выходного напряжения. Осциллограф модели Le Croy HDO6054

использовался для отображения измеряемых сигналов. Два биполярных источника питания

BP4610 и BPZ40-10 были задействованы в качестве источников питания для обеспечения сигна-

Дефектоскопия

№ 12

2020

Вихретоковый датчик с двухчастотным возбуждением...

Фронтальный вид

Вид сверху

Рис. 6. Объект контроля:

а — чертеж; б — образец.

Источник

питания 1

Осциллограф

питания 2

C₁

C₃

C₂

Трещина

Образец

Катушка

Осциллограф

Катушка

возбуждения

Измерительная

катушка

Держатель

Источник питания 1

Источник питания 2

Трещина

Образец

Рис. 7. Экспериментальная установка:

а — схема соединения; б — новая система возбуждения; в — схема расположения катушек в датчике.

лами возбуждения на частотах 5 и 20 кГц соответственно. Чтобы обеспечить равные фактиче-

ские выходы источников питания, токи возбуждения регулируются перед экспериментом.

Отношение токов возбуждения составляет 0,7 (5А и 7,14А); рис. 7б — новая система возбужде-

ния. На рис. 7в показано расположение катушек датчика. Левая и правая — катушки возбужде-

ния, средняя — измерительная катушка. Три катушки удерживаются на определенном расстоя-

нии и закреплены.

4.2. Результаты эксперимента

Как упоминалось выше, на две катушки возбуждения одновременно подается переменный

ток 5 А (20 кГц) и 7,14 А (5 кГц). Датчик используется в первую очередь для регистрации сиг-

налов с трещинами и без них. А затем, чтобы судить о размере трещины, определяют изменение

напряжения в катушке. На рис. 8 показаны исходные сигналы. Чтобы устранить шум в исходных

сигналах, к сигналам на рис. 9а применяется метод фильтрации, а рис. 9б показывает результат

фильтрации. Как упоминалось в разделе 2.1, соответственно извлекаются сигналы от трещин V₁,

Дефектоскопия

№ 12

2020

Чуанлун Ван, Мэйсянь Ву, Дунли Чжан

v₀(D₀ = 0 мм)

D₃ = 15 мм

D₂ = 10 мм

v₃(D₃ = 15 мм)

v₂(D₂ = 10 мм)

0,5

D₁ = 5 мм

v₁(D₁ = 5 мм)

D₀ = 0 мм

-0,5

-10

-9,8

-9,6

-9,4

-9,2

-9

-8,8

-8,6

-8,4

-8,2

-8

Время, с

×10^-4

Колебания сигнала после устранения шумов

Рис. 8. Исходные сигналы.

0,2

0,15

D₃ = 15 мм

v₁₃(D₃ = 15 мм)

D₃ = 15 мм

0,15

v₁₂(D₂ = 10 мм)

0,1

v₁₁(D₁ = 5 мм)

v₁₁(D₁

= 5 мм)

0,1

D₂ = 10 мм

= 10 мм

D₂

0,05

D₁ = 5 мм

-0,05

-0,1

-0,15

-0,2

-0,15

-10

-9,5

-9

-8,5

-8

-10

t_A

-9,5

-9

-8,5

-8

×10^-4

Время, с

Рис. 9. Устранение шума в исходных сигналах от трещины (новый датчик):

а — колебания сигнала до устранения шумов; б — колебания сигнала после устранения шумов.

0,2

0,15

D₃ = 15 мм

D₂ = 10 мм D₃ = 15 мм

v₂₁(D₁ = 5 мм)

0,1

D₂ = 10 мм

v₂₂(D₂

= 10 мм)

v₂₂(D₂ = 10 мм)

0,1

v₂₃(D₃ = 15 мм)

0,05

v₂₃(D₃ = 15 мм)

D₁ = 5 мм

-0,05

-0,1

–0,15

-0,2

-10

-9,5

-9

-8,5

×10^-5

Время, с

Рис. 10. Устранение шума в исходных сигналах от трещины (традиционный датчик):

а — колебания сигнала до устранения шумов; б — колебания сигнала после устранения шумов.

Дефектоскопия

№ 12

2020

Вихретоковый датчик с двухчастотным возбуждением...

Таблица

Экспериментальные результаты

Новый датчик

Традиционный датчик

Глубина трещины

Суперпозиция вихревых токов

Максимум напряжения сигнала

ΔV_i/V

ΔV_i/ΔV₁

ΔV_i/V

ΔV_i/ΔV₁

5 мм (ΔV₁)

0,0,006

0,073

10 мм (ΔV₂)

0,056

9,33

0,127

1,74

15 мм (ΔV₃)

0,07

11,67

0,146

V₂ и V₃ в точке A. Затем определяются изменения напряжений в катушке ΔV₁= V₁ - V₀,

ΔV₂= V₂ - V₀ и ΔV₃= V₃ - V₀(табл. 2), а после также и отношение сигналов на 5-миллиметровой

трещине ΔV₂/ΔV₁, ΔV₃/ΔV₁. Результаты показывают, что сигналы от трещин глубиной 10 и 15 мм,

полученные в точке А, в 4 и 4,47 раза превышают сигнал от трещины глубиной 5 мм. Для срав-

нения: при измерении трещин используется традиционный вихретоковый датчик (с возбуждаю-

щей катушкой и измерительной катушкой), как показано на рис. 10. Также рассчитываются

ΔV₁, ΔV₂, ΔV₃ и ΔVi /ΔV₁ при максимальном значении сигналов от трещин. Результаты показаны

в табл. 2. Видно, что по сравнению с обычным датчиком относительная величина изменения

сигналов при использовании нового датчика больше. Новый вихретоковый датчик более эффек-

тивен для определения глубоких трещин.

5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основе двухчастотного возбуждения предложен и разработан новый тип вихретокового дат-

чика, который может использоваться для обнаружения глубоких трещин. Его эффективность под-

тверждена экспериментально. Используя датчик, можно уменьшить скин-эффект, а значит, можно

обнаруживать и глубокие трещины. Результаты показывают, что сигнала от трещины глубиной 10

и 15 мм, измеренные новым датчиком, в 9,33 и 11,67 раз превышают сигнал от трещины глубиной

5 мм. Новый зонд более чувствителен к глубоким трещинам в образце.

Работа частично поддержана национальным фондом естественных наук Китая (№ гранта

51667001), Ключевыми научно-исследовательскими проектами Северного университета Минзу

(№ гранта 2019KJ36) и Общими исследовательскими проектами ведущей лаборатории фонда

химического инжиниринга и технологии государственной комиссии по этническим вопросам

(№ гранта 2017HG06).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Maouche B., Alkama R, Feliachi M. Semi-analytical calculation of the impedance of a differential

sensor for eddy current non-destructive testing // Ndt & E International. 2009. V. 42 (7). P. 573—580.

2. Huang P., Wu Z., Zheng J. et al. Inversion algorithms for multi-layered thickness measurement in eddy

current testing // Chinese Journal of Scientific Instrument. 2005. No. 4. P. 428—432.

3. Xu X.,Liu M., Zhang Z. et al. A novel high sensitivity sensor for remote field eddy current non-destructive

testing based on orthogonal magnetic field // Sensors. 2014. V. 14. No.12. P. 24098—24115.

4. Marchand B., Vacher F., Gillespascaud C. et al. High Resolution Eddy Current Probes for Non

Destructive Testing. 2008. V. 975. No. 1. P. 313—320.

5. Hu S.W., Hu X., Lu J. Study on eddy current principle-based nondestructive testing method for broken

wire of PCCP // Water Resources & Hydropower Engineering. 2016. V. 47. No. 2. P. 101—114.

6. Thollon F., Lebrun B., Burais N. et al. Numerical and experimental study of eddy current probes in NDT

of structures with deep flaws // Ndt & E International. 1995. V. 28. No. 2. P. 97—102.

7. Zhang H., Tian G., He Y. et al. Defect depth effects in Pulsed Eddy Current thermography // International

Conference on Automation and Computing IEEE. 2011. P. 251—254.

8. Wang C., Wang K., Cong Z. et al. Eddy current testing on weld defect based on the dual frequency

independent component analysis // Instrumentation and Measurement Technology Conference. IEEE. 2017.

P. 1—5.

9. Fulton J.P., Hedengren K.H., Young J.D. et al. Optimizing the Design of Multilayer Eddy Current

Probes — A Theoretical and Experimental Study / Review of Progress in Quantitative Nondestructive

Evaluation. Springer US, 1997. P. 973—980.

Дефектоскопия

№ 12

2020