Электрические методы неразрушающего контроля. Электропотенциальный метод

­Электрический контроль - это вид неразрушающего контроля (НК), основанный на регистрации параметров электрического поля измерительным прибором, взаимодействующим с объектом контроля (ОК).

Электрические методы НК в настоящее время успешно применяются при решении задач дефектоскопии, толщинометрии, структуроскопии. В качестве областей наиболее эффективного использования электрических методов можно выделить следующие:

• обнаружение расслоев в прокатном листовом металле, дефектов в отливках;
• некачественных спаев;
• дефектных швов;
• расслоений в биметаллических пластинах;
• трещин в металлических изделиях;
• сортировка или идентификация металлических изделий.

Физические основы электропотенциального метода

Из методов электрического НК наиболее распространенным является электропотенциальный метод (ЭПМ), основанный на регистрации распределения потенциалов по поверхности объекта контроля (ОК).
Схема реализации ЭПМ представлена на рисунке 1.

От внешнего источника к исследуемому участку ОК подводится электрический ток (постоянный или переменный), плотность которого распределена по силовым линиям тока (рис. 2, 3) между двух токоподводящих (токовых) электродов, расположенных на расстоянии друг от друга. Проходя через электропроводящий ОК, ток создает падение потенциалов на каждом участке его поверхности. Значение разности потенциалов U на контролируемом участке поверхности ОК измеряется с помощью измерительных (приемных) электродов, расположенных на фиксированном расстоянии друг от друга.

По полученному значению U судят о геометрических размерах ОК, наличии и местоположении поверхностных дефектов, а также о размерных параметрах этих дефектов.

Поверхностный дефект, например трещина, создает дополнительное препятствие прохождению тока через ОК. На рис. 2 на бездефектном участке схематично показано расположение линий равных значений плотности тока - изолиний плотности тока и линий равных значений электрического потенциала - эквипотенциалей при использовании постоянного тока. Указанные линии взаимно ортогональны.

Сравнение характера расположения линий при отсутствии дефекта (рис. 2) и при наличии поверхностного дефекта типа трещины (рис. 3) показывает, что дефект сплошной электропроводящей среды, ориентированный поперек изолиний плотности тока, искажает как изолинии, так и эквипотенциали, что должно вызывать изменение значения U между фиксированными точками поверхности (между измерительными электродами). Это указывает на принципиальную возможность осуществления дефектоскопии электропроводящих материалов электропотенциальным методом.

Важно отметить, что плотность тока в измеряемой приемными электродами области зависит от: расстояния между токовыми электродами; расстояния между токовыми и приемными электродами; соотношения между глубиной трещины и расстояния между токовыми электродами; электромагнитных свойств металла (электропроводимости и магнитной проницаемости); толщины изделия.

Среди геометрических параметров ОК на значение U оказывает влияние толщина ОК. Это влияние наиболее интенсивно, когда значение толщины ОК соизмеримо с глубиной проникновения электрического поля в ОК. Это указывает на принципиальную возможность оценки с помощью электропотенциального метода толщины металлических пленок, листового материала, толщины металлических покрытий. Причем данный метод контроля реализуется при одностороннем доступе к ОК.

Однако, исходя из задач дефектоскопии, эффект влияния толщины на измеренное значение контролируемого параметра U является помехой. Одно из направлений снижения влияния этой помехи на результат контроля - переход к использованию переменного тока высокой частоты, при котором активно проявляется скин-эффект.

Скин-эффект (от английского «skin» – «шкура») состоит в том, что электрическое поле тока высокой частоты охватывает не всю высоту сечения проводника, а лишь сегментообразную приповерхностную зону между электродами.

С повышением частоты переменного тока уменьшается глубина проникновения электрического поля в ОК. Контуры тока, таким образом, концентрируются в поверхностном слое ОК на некоторой глубине, что снижает влияние толщины ОК на результаты измерения значения U.

Теоретические основы ЭПМ

При дефектоскопии электропотенциальным методом реализуется общепринятый в НК подход к отстройке от влияния на результат измерения информативного параметра неконтролируемых факторов. В данном случае такими факторами являются электрофизические параметры среды и параметры источника электрического тока, а сущность подхода заключается в переходе от измерений абсолютных к относительным.

Наряду с измерением значения разности потенциалов между приемными электродами U_д на участке с трещиной, определяют U₀ на заведомо бездефектном участке поверхности (рис. 4), а о качестве участка ОК судят по значению относительной разности потенциалов U', определяемому из выражения:
U'=(U_д-U₀)/U₀

О глубине дефекта h судят по значению отношения U_д/U₀. Таким образом производится отстройка от влияния на результат контроля значений удельной электрической проводимости материала. Следовательно, значение U_д/U₀ определяется в основном только глубиной дефекта h, взаимным расположением токовых и потенциальных электродов.

Для того, чтобы отношение U_д/U₀ = U' не зависело от электрофизических свойств контролируемого участка при измерениях на постоянном токе достаточно, чтобы удельные электрические проводимости на дефектном и бездефектном участках совпадали. Следует отметить, что градуировочные зависимости U_д=U_д(h) одинаковы для всех немагнитных однородных по удельной электрической проводимости металлов.

Особенности применения постоянного и переменного тока

Метод электропотенциального измерения с использованием постоянного тока имеет международное название Direct Current Potential Drop (DCPD), с использованием переменного тока - Alternating Current Potential Drop (ACPD)

Распределение плотности тока на участке контроля и, соответственно, измеренное значение U будут зависеть от значения подводимого тока, электрофизических свойств материала ОК (удельная электрическая проводимость), его геометрических параметров и качества поверхностного слоя (наличия и характеристик локальных дефектов). В случае использования переменного тока влияние на значение U оказывает также магнитная проницаемость материала и частота подводимого тока.

При применении переменного тока распределение плотности тока из-за скин-эффекта зависит от электрофизических свойств металла. Это приводит к необходимости пользоваться градуировочными характеристиками, полученными на образцах с электрофизическими свойствами, соответствующими свойствам контролируемого объекта. Это решение - компромиссное, так как при одинаковой величине U₀ металлы могут иметь различное соотношение электрических (удельная электрическая проводимость σ) и магнитных  свойств. Им соответствует различное распределение плотности тока, что отражается на градуировочных характеристиках. Таким образом, при использовании переменного тока процедура градуировки достаточно  неоднозначна.

Следует отметить, что даже полная идентичность металла контролируемого объекта и контрольного образца, используемого при градуировке, не позволяет исключить влияние вариации магнитных свойств. Это связано с тем, что обычно трещины возникают в результате действия механических напряжений, которые приводят к существенному изменению магнитной проницаемости в зоне дефекта. На этом, в частности, основаны методы выявления участков с повышенными механическими напряжениями по изменению их магнитного состояния при деформации металла (эффект Виллари).

Все же электропотенциальные измерения на переменном токе широко применяются на практике, т.к. за счет скин-эффекта ток концентрируется в приповерхностных слоях, обтекая трещину по ее поверхности. Благодаря этому толщина контролируемого объекта и краевые эффекты оказывают меньшее влияние на регистрируемый сигнал, чем при использовании постоянного тока, растекающегося более равномерно по всему объему металла.

За счет концентрации переменного тока, обтекающего трещину, удается уменьшить погрешность, связанную с влиянием ее длины. Введение соответствующей коррекции позволяет получить не более, чем 10% дополнительной погрешности измерения, обусловленной вариацией длины трещины во всем диапазоне ее изменения. Без коррекции погрешность измерения, связанная с вариацией длины трещины ℓ зависит от отношения ℓ/h и составляет 45% при ℓ/h = 1.

НПП «Машпроект» выпускает портативный электропотенциальный трещиномер 281М на переменном токе, датчики к нему, контрольные образцы с имитацией трещин различной глубины. Возможно изготовление контрольно-измерительных средств в соответствии с техническим заданием Заказчика.

Свяжитесь с нами - ответим на все вопросы!