феррозондовый преобразователь может быть как полимером так и градиентометром
Феррозондовый метод. Феррозондовые преобразователи. Различие по схемам
Феррозондовый контроль основан на обнаружении феррозондовым преобразователем (ФЗП) магнитного поля рассеяния в намагниченной детали. ФЗК включает в себя намагничивание ОК, сканирование его поверхности и обнаружение дефектов. Намагничивание проводят специализированными стационарными электромагнитными или приставными устройствами с постоянными магнитами. В связи с малыми в ФЗК по сравнению с МПК уровнями напряженности намагничивающих полей размагничивание деталей не производят. Зоны контроля деталей сканируют по заданным траекториям феррозондовыми преобразователями вручную или с помощью сканеров. При этом ФЗП устанавливают на поверхность ОК и плавно перемещают так, чтобы его нормальная ось была перпендикулярна поверхности контроля, а продольная была направлена вдоль линии сканирования. Перемещение ФЗП осуществляют без перекосов, наклонов и отрывов от поверхности ОК с требуемым шагом сканирования и скоростью, например, 8 см/с.
Преимуществами ФЗК являются:
возможность дефектоскопировать детали с большой шероховатостью поверхности, соответствующей литым необработанным деталям с Rz = 300 – 400 мкм, и при этом выявлять подповерхностные дефекты, например, на глубине 5 – 6 мм для условного уровня чувствительности Д;
дефектоскопировать детали с загрязненными (до 2 мм) поверхностями;
реализовывать автоматический контроль;
обеспечивать достаточно высокую чувствительность.
К недостаткам ФЗК можно отнести малую помехоустойчивость: появление ложных сигналов из-за неровностей, острых кромок и краев, структурных неоднородностей и пр.
 Рис. 24. Схема соединения обмоток феррозонда-полемера |
это компонентные преобразователи активного типа, предназначенные для измерения либо напряженности магнит-ного поля, либо ее изменения в пространстве. Действие феррозондового преобразователя (феррозонда) основано на нелинейности кривых намагничивания сердечников из магнитных материалов.
Феррозонд конструктивно состоит из двух идентичных полузондов, каждый из которых содержит цилиндрический сердечник из магнитомягкого материала с размещенными на нем двумя катушками. Одна катушка – возбуждающая – подключается к источнику переменного тока, другая – измерительная. В зависимости от способа соединения обмоток друг с другом различают феррозонды-полемеры и феррозонды-градиентометры. Первые измеряют абсолютное значение напряженности поля, вторые – приращение (градиент) напряженности поля от одной точки к другой.
| а |
Схема подключения обмоток в феррозонде-полемере показана на рис. 24. здесь обмотки возбуждения соединены встречно, измерительные – согласно. Синусоидальный ток возбуждения Iв = Imsinwt, вектор его напряженности параллелен оси сердечника. временные зависимости напряженности и индукции в каждом сердечнике показаны на рис. 25. Видно, что характер изменения индукции в каждом сердечнике одинаков и значения индукция отличаются только знаком; следовательно, выходной сигнал, равный сумме ЭДС в измерительных катушках, равен нулю. При воздействии постоянного магнитного поля Н0 напряженность в первом сердечнике Н1(t) = Нвsinwt + Н0, а во втором – Н2(t) = Hвsinwt – Н0. В этом случае вследствие нелинейности кривой намагничивания значения индукции в стрежнях становятся различными, что видно из рис. 26. Там же показан и выходной сигнал несинусоидальной формы, главная особенность которого состоит в том, что его период Ти вдвое меньше периода Тв возбуждающего тока. Это означает, что постоянное внешнее подмагничивающее поле Н0 обусловливает появление второй гармоники в выходном сигнале феррозонда-полемера. Эта вторая гармоника и является информативной, по ней судят о напряженности постоянного магнитного поля. характеристика этого преобразователя показана на рис. 27. При Н0 = 0 выходной сигнал феррозонда равен нулю. Рабочим является близкий линейному начальный участок, где действующее значение второй гармоники U2 пропорционально напряженности Н0. при значительном увеличении Н0 (больше Н0max) происходит насыщение материала сердечника.
Для оценки неоднородности постоянного во времени магнитного поля используется феррозонд-градиентометр, который по устройству аналогичен феррозонду-полемеру и отличается от него соединением обмоток (рис. 28). Обмотки возбуждения соединены последовательно-согласно. Тогда при 
напряженность, а следовательно, и индукция в каждом сердечнике одинаковы в любой момент времени. Измерительные катушки 
и 
включены последователь-но-встречно, поэтому выходное напряжение ка-тушки этого феррозонда, равное разности ЭДС е1 и е2 в измерительных ка-тушках, равно нулю. Если же напряженность поля изменяется в направлении, ортогональном направлению вектора Н0 (см. рис. 28), то напряженность магнитного поля 
не равна 
. Это приводит к тому, что индукция в каждом сердечнике не будет одинаковой и появится выходной сигнал Uвых = е1(t) – е2(t) (рис. 29). Выходное напряжение, как и в предыдущем случае, несинусоидально, но главной его особенностью также является наличие второй гармоники. Амплитуда выходного сигнала пропорциональна степени неоднородности внешнего поля, т. е. величине 
.
Во всех случаях применения феррозондов необходимо выделять вторую гармонику выходного сигнала, так как именно она несет информацию о напряженности измеряемого поля. При этом первая гармоника должна подавляться.
Принцип работы феррозондовых преобразователей
Принцип работы феррозондового преобразователя в классическом представлении показан на рис. 1.1, где каждый полузонд снабжен двумя обмотками: рабочей и измерительной. схема преобразователя с одной обмоткой на каждом полузонде представлена на рис. 2.1. при этом принцип работы преобразователя не изменяется, так как наложение магнитных полей (возбуждающего и измеряемого) происходит в сердечнике преобразователя, в частности феррозонда-градиентометра, а соответствующее формирование его выходного сигнала производится за счет дифференциального включения обмоток полузондов и дальнейшей обработки его в электронной части прибора.
положение преобразователя на плоской поверхности контролируемого объекта показано на рис. 2.2. Основание ФП лежит на поверхности ОК. система координат (x, y, z) «привязана» к детали и ОК (см. рис. 2.2).
Феррозонды-полемеры предназначены для измерения составляющих напряженности магнитного поля: ФП МДФ 9405.30-02 и МПФ 205 – для измерения тангенциальной составляющей напряженности, а МДФ 9405 130-01 и МПД 206 – нормальной (схема соединения катушек приведена в подразд. 1.1). направление составляющей поля (см. подразд. 2.2) определяет расположение пермаллоевых стержней в преобразователе (при измерении тангенциальной составляющей магнитного поля Hτ сердечники расположены параллельно основанию ФП, нормальной Hn – перпендикулярно). В рассматриваемом случае Hn реализуется координатной составляющей Hz, которая часто также называется нормальной и измеряется при постановке соответствующего преобразователя перпендикулярно объекту контроля. Для измерения тангенциальной составляющей напряженности создаваемого магнитного поля Hτ необходимо повернуть ФП вокруг его оси до получения максимального показания (тангенциальная составляющая является геометрической суммой координатных составляющих напряженности магнитного поля Hx и Hy).
При использовании преобразователей-градиентометров (МДФ 9405.30, МДФ 9405.130, МПФ 207) начало координат располагается в центре основания ФП. точки, в которых измеряются составляющие Hz для подсчета градиента по формуле [4]
, (2.1)
где Δx – конечное приращение координаты x – базы преобразователя, имеют следующие координаты (совпадают с серединой стержней ФП):
первая: x = Δx/2 = 2 мм, y = 0, z = h + l/2 = 4,3 мм;
вторая: x – Δx = –Δx/2 = –2 мм, y = 0, z = h + l/2 = 4,3 мм,
здесь h – расстояние между стержнями и основанием ФП, h = 0,8 мм;
На корпус преобразователя наносится метка, которая указывает на то, что при положительных показаниях градиентометра значение Hz увеличивается в сторону метки.
На практике не оперируют двумя точками, а ориентировочно считают, что градиент напряженности магнитного поля измеряется в одной точке (в начале координат, см. рис. 2.2).
Выбор оптимальной базы феррозонда-градиентометра
Чем ближе стержни ФП к поверхности объекта контроля, тем выше чувствительность преобразователя, но разместить стержни сколь угодно близко к поверхности объекта невозможно, так как между ними находится защитный колпачок, который предохраняет стержни от повреждения и имеет конечную толщину. Кроме того, между стержнями и защитным колпачком вводится дополнительный зазор, который подбирается при настройке ФП на заводе-изготовителе. В результате расстояние h между стержнями и основанием ФП невозможно установить меньше чем 0,8 мм.
На практике дефекты с большим раскрытием (более 0,2 мм) выявляются при визуальном осмотре, поэтому в задачу феррозондового контроля входит обнаружение дефектов с раскрытием менее 0,2 мм, которое значительно меньше l и h. В работе [4] показано, что максимальное отношение «сигнал/шум» обеспечивается при базе преобразователя, равной 4 мм, и не зависит от раскрытия и глубины дефектов. Однако для деталей сложной формы, имеющих углубления и переходы с малым радиусом закругления, применяют преобразователи с базой 3 мм, что несколько ухудшает характеристики преобразователей.
Порядок выполнения работы
1) выбрать по заданию преподавателя измеритель напряженности магнитного поля или дефектоскоп.
2) подобрать к выбранному прибору комплект преобразователей (обязательное согласование по заводскому номеру прибора).
3) расшифровать надписи на преобразователях.
4) произвести возможные измерения с имеющимся комплектом преобразователей (см. подразд. 2.3).
Содержание отчета
В отчете должны быть приведены основные характеристики выбранного прибора со стандартным комплектом (поставляемым заводом-изготовителем) феррозондовых преобразователей, расшифровка надписей на этикетках ФП, результаты измерений.
2.7. Контрольные вопросы
1) Чем определяется расположение стержней феррозондового преобразователя?
2) Чем определяется база преобразователя?
3) Что такое база преобразователя?
4) Что включает в себя надпись на преобразователе?
5) Как определить направление вектора тангенциальной составляющей напряженности магнитного поля Hτ?
Лабораторная работа 3
Анализ магнитного поля над искусственным дефектом стандартного образца предприятия
Цель работы: определение топографии магнитного поля вдоль стандартного образца предприятия с искусственным дефектом.
Аппаратура и образцы, используемые в работе: СОП-НО-022 (или другой стандартный образец, применяемый для настройки феррозондовых приборов), измерители напряженности магнитного поля МФ-107А с феррозондовыми преобразователями МДФ 9405.30-02, МДФ 9405.130-01 и МФ-109 – МПФ 205, МПФ 206, линейка.
Общие сведения
Если в однородное магнитное поле поместить ферромагнитный образец с поверхностной трещиной, ориентированной перпендикулярно направлению внешнего магнитного поля, то в пределах профиля трещины произойдет перераспределение магнитного потока [4, с. 31 – 37]. В части сечения образца, прерванного трещиной, из-за более высокого магнитного сопротивления в ее воздушной полости плотность линий индукции магнитного поля существенно снизится. Часть линий индукции, расположенных ниже основания трещины, уплотнится, значительно меньшая часть линий пройдет через воздушный зазор, а оставшаяся часть неизбежно преодолеет трещину снаружи по воздуху. В результате над поверхностью в зоне трещины сформируется суммарное поле рассеяния – магнитное поле рассеяния дефекта.
Неоднородность магнитного поля над дефектом вызывает искажение его как в тангенциальном (вдоль линий намагничивающего поля), так и в нормальном (перпендикулярно к ним) направлениях.
тангенциальная составляющая напряженности поля Hх имеет максимум в центральном сечении дефекта, а нормальная составляющая Hz проходит через ноль в этом сечении и имеет максимальные положительное и отрицательное значения в точках, расстояние между которыми несколько превышает ширину (раскрытие) трещины. Таким образом, изменение двух параметров – Нх и Нz – в направлении намагничивания в зоне дефекта дает полную характеристику неоднородности магнитного поля дефекта.
В качестве примера удобно рассмотреть поле над искусственно созданным дефектом с известными параметрами дефекта ферромагнитного образца. такими устройствами являются стандартные образцы, применяемые для настройки феррозондовых приборов при контроле различных изделий. Для этих СОП нормированным является градиент напряженности поля над ИД (Руководящий документ РД 32.149-2000. Феррозондовый метод неразрушающего контроля деталей вагонов / ВНИИЖТ. М., 2000. 120 с.), который рассчитывается по выражению:
. (3.1)
Феррозондовые приборы-полемеры с комплектом преобразователей для измерения нормальной и тангенциальной составляющих напряженности магнитного поля над дефектом позволяют сформировать топографию поля и оценить нормированные параметры СОП.
Один из стандартных образцов, применяемый для настройки феррозондовых приборов, например при контроле тягового хомута, приведен на рис. 3.1.
Пластина СОП имеет размеры 300 × 40 × 10 мм и изготовлена из стали марки Сталь 3 или Сталь 20 ГФЛ.
На пластине имеется один (или несколько) нормированный искусственный дефект (см. п. 1.2.4), анализ магнитного поля над которым и представляет интерес.
Рис. 3.1. Стандартный образец предприятия,
применяемый при настройке феррозондовых приборов
Порядок выполнения работы
1) выбрать стандартный образец предприятия, используемый, например, при контроле тягового хомута (выдает преподаватель).
2) установить линейку вдоль СОП.
3) Выполнить разметку СОП с определенным шагом (в этих точках будет измеряться напряженность поля), в зоне дефекта шаг уменьшить (чтобы картина поля была более достоверной).
4) Измерить с помощью измерителя напряженности постоянного магнитного поля МФ-107А составляющие напряженности магнитного поля: тангенциальную (Hx) – при подключении преобразователя МДФ 9405.30-02; нормальную (Hz) – МДФ 9405.130-01 (возможно использование МФ-109 соответственно с преобразователями МПФ 205 и МПФ 206).
5) провести измерения три раза и вычислить среднее значение.
6) результаты измерений записать в табл. 3.1.
7) рассчитать и записать в табл. 3.1 значения напряженности магнитного поля в каждой точке, использовать их для построения зависимостей (топограмм) Нх(х), Нz(х), Н(х).
8) рассчитать значение градиента напряженности магнитного поля в зоне дефекта и сравнить его с нормированным значением для исследуемого СОП.
Результаты измерений напряженности магнитного поля СОП
| Номер точки измерения | напряженность магнитного поля, А/м | |||||||
| номер измерения | среднее значение | расчетное значение | ||||||
| Hx | Hz | Hx | Hz | Hx | Hz | Hx | Hz | Н |
| Стандартный образец 1 (СОП-НО-022) | ||||||||
| … | ||||||||
| m | ||||||||
| Стандартный образец 2 (по выбору) | ||||||||
| … | ||||||||
| m |
9) выбрать идентичный стандартный образец предприятия, но с другими параметрами искусственного дефекта (для настройки феррозондового дефектоскопа при контроле другой детали, подвергаемой феррозондовому контролю).
10) измерить в соответствии с п. 2 – 7 составляющие напряженности магнитного поля в зоне дефекта, сравнить зависимости Нх(х), Нz(х), Н(х) с полученными ранее топограммами.
Содержание отчета
В отчете должны быть приведены таблицы с экспериментальными данными, топограммы напряженности и составляющих напряженности магнитного поля для разных СОП, результаты анализа магнитного поля в зоне расположения искусственного дефекта (дефектов, если их несколько) и анализа магнитного поля в зоне магнитных пятен, сравнительная характеристика магнитных полей над ИД различных стандартных образцов, рассчитанные по формуле (3.1) значения градиентов напряженности магнитного поля в зоне дефекта, выводы об их соответствии нормированным (по РД 32.149-2000) значениям.
3.4. Контрольные вопросы
1) С помощью каких приборов измеряется напряженность постоянного магнитного поля?
2) Как формируется магнитное поле над дефектом?
3) Как расшифровываются надписи на этикетке преобразователей, применяемых для измерения составляющих напряженности магнитного поля?
4) Как ширина раскрытия ИД влияет на формируемое над дефектом магнитного поле?
5) Как магнитные полюсы влияют на формируемое над СОП магнит- ное поле?
6) Как по измеренным характеристикам определить градиент напряженности магнитного поля над дефектом, значение которого нормируется?
1. ГОСТ 18353-79. Контроль неразрушающий. Классификация видов и методов. М.: Изд-во стандартов, 1979. 18 с.
2. ГОСТ 21104-75. Контроль неразрушающий. Феррозондовый метод. М.: Изд-во стандартов, 1975. 12 с.
3. Ахмеджанов Р. А. Контроль технического состояния деталей вагонов / Р. А. Ахмеджанов / Омская гос. акад. путей сообщения. Омск, 1996. 139 с.
4. Ахмеджанов Р. А. Физические основы магнитного неразрушающего контроля / Р. А. Ахмеджанов / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2004. 69 с.
5. Криворудченко В. Ф. Современные методы технической диаг-ностики и неразрушающего контроля деталей и узлов подвижного состава железнодорожного транспорта / В. Ф. Криворудченко, Р. А. Ахмеджанов. М.: Маршрут, 2005. 436 с.
6. щербинин В. Е. Магнитный контроль качества металлов / В. Е. Щербинин, Э. С. Горкунов / УрО РАН. Екатеринбург, 1996. 263 с.
Образцы форм учета результатов контроля деталей
Феррозондовый преобразователь может быть как полимером так и градиентометром
Non-destructive testing. Ferrosonde method
Дата введения 1976-07-01
Постановлением Государственного комитета стандартов Совета Министров СССР от 21 августа 1975 г. N 2212 дата введения установлена 01.07.76
ИЗДАНИЕ с Изменениями N 1, 2, утвержденными в июле 1981 г., феврале 1986 г. (ИУС 9-81, 5-86)
Стандарт устанавливает способы контроля, виды и способы намагничивания, уровни чувствительности, технологию контроля и требования к аппаратуре.
(Измененная редакция, Изм. N 1).
1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
(Измененная редакция, Изм. N 1).
1.2. Метод служит для выявления поверхностных и подповерхностных (лежащих в толще материала) дефектов типа нарушений сплошности: волосовин, трещин, раковин, закатов, плен, ужимов и т.п.
1.3. Метод позволяет контролировать изделия любых размеров и форм, если отношение их длины к наибольшему размеру в поперечном направлении и их магнитные свойства дают возможность намагничивания до степени, достаточной для создания магнитного поля рассеяния дефекта, обнаруживаемого с помощью преобразователя.
1.4. Метод разрешается применять также для выявления дефектов типа нарушения сплошности сварных швов, для контроля качества структуры и геометрических размеров изделий.
1.5. Чувствительность метода определяется магнитными характеристиками материала контролируемого изделия, его формой и размерами, способом контроля и видом намагничивания, чувствительностью применяемого преобразователя и электронной аппаратуры, а также магнитным полем рассеяния дефекта.
1.6. Чувствительность метода проверяют на стандартных образцах, имеющих естественные или искусственные дефекты.
1.7. В зависимости от размеров выявляемых поверхностных и подповерхностных дефектов, а также глубины их залегания устанавливаются пять условных уровней чувствительности метода, указанных в табл.1.
Условные уровни чувствительности метода
Минимальный размер выявляемых дефектов
Изучение феррозондовых преобразователей
Содержание
Условные обозначения феррозондовых преобразователей
Феррозондовые преобразователи позволяют сформировать сигнал о состоянии поверхности объекта контроля, являются неотъемлемой частью феррозондового прибора, используются для контроля ОК (ФП-градиентометры) и измерения параметров магнитного поля (ФП-полимеры). Перечень применяемых феррозондовых преобразователей приведен в табл. 1.
П р и м е ч а н и е. Пример расшифровки условного обозначения преобразователя: Р2/3Нг, где Р2 – преобразователь, 3 – значение базы преобразователя, Н – составляющая (нормальная или тангенциальная) напряженности поля, г – назначение преобразователя (градиентометр или полимер).
Конструкция феррозондовых преобразователей
Феррозондовый преобразователь содержит два параллельных стержня из магнитомягкого сплава (пермаллоя), на которые намотаны катушки. Расстояние ∆x между стержнями называется базой ФП (рис. 2). Диаметр стержней значительно меньше их длины l (диаметр равен 0,1 – 0,15 мм, длина – 7 мм), вследствие этого стержни намагничиваются продольным магнитным полем (вектор напряженности направлен вдоль стержней) и не намагничиваются ортогональным (вектор напряженности направлен перпендикулярно стержням) магнитным полем. Конструкция феррозондов-полимеров и феррозондов-градиентометров одинакова.
Принцип работы феррозондовых преобразователей
Принцип работы феррозондового преобразователя в классическом представлении показан на рис. 1, где каждый полузонд снабжен двумя обмотками:
1 – пермаллоевые стержни; 2 – метка на корпусе рабочей и измерительной.
Схема преобразователя с одной обмоткой на каждом полузонде представлена на рис. 1.
При этом принцип работы преобразователя не изменяется, так как наложение магнитных полей (возбуждающего и измеряемого) происходит в сердечнике преобразователя, в частности феррозондаградиентометра, а соответствующее формирование его выходного сигнала производится за счет дифференциального включения обмоток полузондов и дальнейшей обработки его в электронной части прибора. Положение преобразователя на плоской поверхности контролируемого объекта показано на рис. 2. Основание ФП лежит на поверхности ОК. Система координат (x, y, z) «привязана» к детали и ОК (см. рис. 2).
Н– вектор, параметры которого измеряются; Hx, Hy, Hz – проекции вектора Н на координатные оси; Hτ – проекция вектора Н на плоскость x0y (тангенциальная составляющая Н).
Феррозонды-полемеры предназначены для измерения составляющих напряженности магнитного поля: ФП МДФ 9405.30-02 и МПФ 205 – для измерения тангенциальной составляющей напряженности, а МДФ 9405 130-01 и МПД 206 – нормальной.
Направление составляющей поля определяет расположение пермаллоевых стержней в преобразователе (при измерении тангенциальной).
В рассматриваемом случае Hn реализуется координатной составляющей Hz, которая часто также называется нормальной и измеряется при постановке соответствующего преобразователя перпендикулярно объекту контроля. Для измерения тангенциальной составляющей напряженности создаваемого магнитного поля Hτ необходимо повернуть ФП вокруг его оси до получения максимального показания (тангенциальная составляющая является геометрической суммой координатных составляющих напряженности магнитного поля Hx и Hy).
Выбор оптимальной базы феррозонда-градиентометра
Чем ближе стержни ФП к поверхности объекта контроля, тем выше чувствительность преобразователя, но разместить стержни сколь угодно близко к поверхности объекта невозможно, так как между ними находится защитный колпачок, который предохраняет стержни от повреждения и имеет конечную толщину. Кроме того, между стержнями и защитным колпачком вводится дополнительный зазор, который подбирается при настройке ФП на заводе изготовителе. В результате расстояние h между стержнями и основанием ФП невозможно установить меньше чем 0,8 мм.
На практике дефекты с большим раскрытием (более 0,2 мм) выявляются при визуальном осмотре, поэтому в задачу феррозондового контроля входит обнаружение дефектов с раскрытием менее 0,2 мм, которое значительно меньше l и h. В работе показано, что максимальное отношение «сигнал/шум» обеспечивается при базе преобразователя, равной 4 мм, и не зависит от раскрытия и глубины дефектов. Однако для деталей сложной формы, имеющих углубления и переходы с малым радиусом закругления, применяют преобразователи с базой 3 мм, что несколько ухудшает характеристики преобразователей.