Systemy elektromagnetyczne pola dalekiego


Technologie badań nieniszczących wykorzystujących zjawiska elektromagnetyczne obejmują głównie badania prądami wirowymi oraz magnetyczno-proszkowe. Należy pamiętać, że ta grupa badań nieniszczących może być przeprowadzana jedynie na obiektach zbudowanych z materiałów przewodzących prąd elektryczny.
 
PRĄDY WIROWE



Indukowanie prądów wirowych


Prąd przemienny płynący przez cewkę wytwarza zmienne pole elektromagnetyczne wewnątrz i wokół niej. Jeśli w ten sposób wzbudzona cewka zostanie przybliżona do przedmiotu zbudowanego z przewodnika, przemienne pole cewki spowoduje pojawienie się indukcyjnych prądów wirowych w detalu (jak na rysunku powyżej), których natężenie jest odwrotnie proporcjonalne do głębokości penetracji. Indukowane prądy wirowe wytwarzają wtórne pole elektromagnetyczne. Pole to ma zwrot przeciwny do pierwotnego, przez co osłabia jego działanie. Te osłabienia są łatwo rejestrowane przez układ sterujący cewką – każde zwiększenie natężenia prądów wirowych powoduje zmniejszenie impedancji cewki.
 
USZKODZENIE
Wykrywanie pęknięć w przewodnikach odbywa się według następującej kolejności zjawisk: defekt materiału wydłuża ścieżkę, którą biegnie prąd wirowy, przez co zmniejsza się wtórne pole elektromagnetyczne, co z kolei można zaobserwować, rejestrując wzrost impedancji cewki. Jeśli cewka jest przesuwana w stałej odległości od powierzchni przedmiotu ze stałą prędkością, nagła zmiana prądu cewki świadczy o znajdującym się bezpośrednio pod cewką uszkodzeniu badanego obiektu (jak na schemacie poniżej).



wpływ zewnętrznych i wewnętrznych uszkodzeń na strumień magnetyczny
 
Badania wiroprądowe są badaniami powierzchniowymi i mogą być stosowane zarówno dla obiektów płaskich, jak i struktur „jednowymiarowych” takich jak rury czy profilowanych prętów (tzw. kształtowników). W pierwszym przypadku sonda ma zwartą budowę i badania można przeprowadzać ręcznie lub za pomocą automatu, który będzie przemieszczał sondę z zachowaniem stałej odległości od powierzchni materiału. Jednak częściej niż badania powierzchni płaskich stosuje się badania z wykorzystaniem cewki „nawiniętej” na badany obiekt. W badaniach okrążających często stosuje się dwie cewki – jedna z nich indukuje prądy wirowe w materiale, a druga służy do wykrywania zmian w przewodności i przenikalności magnetycznej materiału, wynikających z jego niejednorodności.
 
CZYNNIKI MAJĄCE WPŁYW NA STRUMIEŃ POLA MAGNETYCZNEGO
Powyższa ilustracja przedstawia zachowanie czujnika natężenia strumienia magnetycznego przesuwanego nad górną powierzchnią badanego obiektu na uszkodzenia tego samego rozmiaru, ale znajdującego się po różnych stronach obiektu względem czujnika. Sygnał w przypadku obydwu uszkodzeń ma podobny charakter, ale różni się amplitudą i szerokością. Im bardziej badana struktura zostanie namagnesowana, tym większy wypływ strumienia magnetycznego zostanie wyemitowany przez uszkodzenie. Należy jednak pamiętać, że na zmierzone natężenie mają wpływ różne czynniki:
  • kształt defektu – szerokie i płytkie uszkodzenie nie wygeneruje wycieku strumienia z dużą prostopadłą składową (co przenosi się na amplitudę sygnału z czujnika), który byłby widoczny dla wąskiego, ale głębokiego pęknięcia materiału,
  • orientacja uszkodzenia – defekty prostopadłe do powierzchni materiału i linii strumienia magnetycznego generują wąski i mocny (łatwo wykrywalny) wyciek strumienia,
  • miejsce wady – głębokość penetracji materiału zależy od natężenia i częstotliwości prądu w cewce, w związku z czym najłatwiej wykrywalne uszkodzenia znajdują się blisko powierzchni badanego materiału,
  • częstotliwość pracy cewki – im większa częstotliwość, tym mniejsza głębokość penetracji materiału:



gdzie:
         p – głębokość penetracji materiału
         fs – częstotliwość pracy cewki
         σ – przewodność właściwa materiału
         μ – przenikalność magnetyczna materiału
  • prędkość poruszania się czujnika/cewki nad powierzchnią badanego obiektu i szybkość reakcji układu pomiarowego – rozdzielczość badań (najmniejsze wykrywalne defekty) zależy od częstotliwości pracy i prędkość poruszania się czujnika:



BADANIA ELEKTROMAGNETYCZNE POLA DALEKIEGO
Badania wiroprądowe wymagają odnalezienia kompromisu pomiędzy rozdzielczością pomiarów (im wyższa częstotliwość prądu wzbudzenia, tym mniejsze uszkodzenia mogą być wykryte) a głębokością penetracji materiału, która spada wraz ze wzrostem częstotliwości prądu. Problemem, który się pojawia, jest wykrywanie tą metodą małych uszkodzeń na większych głębokościach w materiale. Rozwiązaniem jest zastosowanie sprzętu przeznaczonego do badań elektromagnetycznych pola dalekiego.
Badania elektromagnetyczne pola dalekiego wykorzystują zjawisko znoszenia pola pierwotnego przez pole wtórne, dzięki któremu pole wytwarzane przez prądy wirowe (pole wtórne) ma większy „zasięg”. Pozwala to na penetrowanie materiałów na większych głębokościach prądami o dużej częstotliwości i uzyskanie nominalnej rozdzielczości pomiarów dla tego typu badań nieniszczących.
Kluczem badań pola dalekiego jest zachowanie odpowiedniej i stałej odległości między sondą pomiarową a wzbudzającą – pozwala to na ominięcie strefy zazębiania się pola pierwotnego z wtórnym.
Badania elektromagnetyczne pola dalekiego można z powodzeniem stosować do przewodników, jednak w przypadku materiałów nie-ferromagnetycznych uzyskuje się mniejszą czułość niż za pomocą konwencjonalnych badań wiroprądowych.



badanie wiroprądowe pola dalekiego

EC Electronics - elektronika, automatyka, badania nieniszczące i SHM
e-mail: ndt@ecel.pl
www.ec-ndt.pl