RU2590940C1 - Through-type eddy current converter - Google Patents

Abstract

FIELD: control equipment.

SUBSTANCE: invention relates to nondestructive control and can be used for quality control of double-layer wire with diameter less than 1 mm with top layer, having high electric conductivity, for example, stabilised Nb₃Sn superconductors with copper shell and core from alloy of niobium-tin. Eddy current converter of through type for quality control of wire comprises hollow cylindrical frame 1 with an solenoid and bifilar wound exciting coil 2 and measuring coil 3, hollow cylindrical frame 4 with identical measuring coils 5 and 6, arranged with axial gap and connected in series-anti-parallel. Frame 1 is arranged inside frame 4 symmetrically to it. Eddy current converter also includes potentiometer 7, frame 8, identical to frame 1, arranged on it and wound bifilar inductance coils 9 and 10 similar to exciting coil 2 and measuring inductance coil 3, respectively, but with a large number of turns W₄=W₅=(1.1…1.3)W_v, where W₄, W₅ and W_v - number of turns of fourth coil 9, fifth coil 10 and exciting inductance coil 2, respectively. Inductance coil 9 is connected in series with excitation inductance coil 2, inductance coil 10 is connected in parallel with potentiometer 7, connected by its middle lead to output of third measuring inductance coil. Converter allows a controlled ratio "copper/non-copper" in stabilised Nb₃Sn superconductors and detection of defects of type of pores and inclusions from different metals.

EFFECT: technical result is improved information value and threshold sensitivity control of stabilised superconductors, with diameter of less than 1 mm.

4 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к неразрушающему контролю и может быть использовано для дефектоскопии электропроводящих объектов, например контроля качества двухслойной проволоки с верхним слоем, имеющим большую электрическую проводимость.The invention relates to non-destructive testing and can be used for flaw detection of electrically conductive objects, for example, quality control of a two-layer wire with an upper layer having high electrical conductivity.

К таким проволокам, в частности, относятся стабилизированные Nb₃Sn сверхпроводники, с медной оболочкой и сердцевиной из сплава ниобий-олово. Медная оболочка необходима для сохранения требуемого минимального уровня электрической проводимости проволоки при утрате сверхпроводником свойств сверхпроводимости. Качество стабилизированных сверхпроводников определяется отношением "медь/не медь" и отсутствием дефектов в виде включений из магнитных и немагнитных металлов, пор и других несплошностей в медной оболочке. Стабилизированные сверхпроводники имеют вид проволоки диаметром менее 1 мм и применяются, в частности, в токовых обмотках мощных магнитных систем ядерного коллайдера.Such wires, in particular, include stabilized Nb ₃ Sn superconductors, with a copper cladding and a niobium-tin alloy core. A copper sheath is necessary to maintain the required minimum level of electrical conductivity of the wire when the superconductor loses its superconductivity properties. The quality of stabilized superconductors is determined by the copper / non-copper ratio and the absence of defects in the form of inclusions of magnetic and non-magnetic metals, pores and other discontinuities in the copper shell. Stabilized superconductors have the form of a wire with a diameter of less than 1 mm and are used, in particular, in the current windings of powerful magnetic systems of the nuclear collider.

Известен проходной вихретоковый преобразователь [1. Неразрушающий контроль: справ.: B 7 т. / т. 2. Кн. 2: Вихретоковый контроль / Ю.К. Федосенко, В.Г. Герасимов, А.Д. Покровский, Ю.Я. Останин / Под общ. ред. В.В. Клюева. М.: Машиностроение, 2004 с. 375, рис. 2.7-a)], содержащий коаксиальные возбуждающую и измерительную катушки индуктивности, размещенные на каркасе с осевым отверстием для размещения в нем контролируемого объекта. Возбуждающая катушка для создания однородного магнитного поля выполняется с отношением ℓ_в/D_в≥4, где ℓ_в - длина, а D_в - диаметр возбуждающей катушки, соответственно. Измерительную катушку индуктивности располагают внутри возбуждающей, а ее длину и диаметр выбирают значительно меньше, чем длина и диаметр возбуждающей катушки.Known pass-through eddy current transducer [1. Non-destructive testing: Ref .: B 7 t / t 2. Book. 2: Eddy current control / Yu.K. Fedosenko, V.G. Gerasimov, A.D. Pokrovsky, Yu.Ya. Ostanin / Under the general. ed. V.V. Klyueva. M .: Engineering, 2004 p. 375, fig. 2.7-a)], containing coaxial exciting and measuring inductors placed on a frame with an axial hole for placement of a controlled object in it. The exciting coil to create a uniform magnetic field is performed with the ratio ℓ _in / D _in ≥4, where ℓ _in is the length and D _in is the diameter of the exciting coil, respectively. The measuring inductance coil is located inside the exciting coil, and its length and diameter are chosen much less than the length and diameter of the exciting coil.

Недостаток известного вихретокового преобразователя заключается в недостаточной стабильности для измерения в производственном потоке отношения "медь/не медь" стабилизированных сверхпроводников на основе соединения ниобий-олово, имеющих внешний диаметр менее 1 мм при номинальном отношении "медь/не медь" = 0,5±0,01. Это связано с тем, что эффект от изменения в процессе контроля магнитной связи между возбуждающей и измерительной катушками за счет микросмещений витков при вариации температуры оказывается сопоставимым с сигналами от подлежащих регистрации изменений отношения "медь/не медь".A disadvantage of the known eddy current transducer is the lack of stability for measuring stabilized superconductors based on a niobium-tin compound with an external diameter less than 1 mm at a nominal ratio copper / non-copper = 0.5 ± 0 in the production flow of the copper / non-copper ratio , 01. This is due to the fact that the effect of changes in the process of monitoring the magnetic coupling between the exciting and measuring coils due to the micro displacements of the turns during temperature variation turns out to be comparable with the signals from the changes in the copper / non-copper ratio to be recorded.

Кроме того, известный преобразователь имеет пониженную относительную чувствительность к параметрам проволок малого диаметра D, сопоставимого с минимально возможной для механической защиты витков толщиной T стенки каркаса измерительной катушки. Неоптимальность относительной чувствительности к параметрам контролируемого объекта объясняется тем, что напряжение холостого хода U₀ вихретокового преобразователя данной конструкции создается магнитным потоком возбуждающей катушки, проходящим по всей площади S_и витков измерительной катушки, а вносимое напряжение U_вн - магнитным потоком вихревых токов, занимающим часть площади катушки S_ок, заполненной контролируемым объектом. Отношение S_ок/S_и падает по мере уменьшения диаметра контролируемого объекта. Это связано с тем, что разность внутреннего диаметра измерительной катушки и диаметров осевого отверстия определяется требованиями механической прочности и износоустойчивости. Она не может уменьшаться пропорционально уменьшению диаметра осевого отверстия и остается практически одинаковой для преобразователей с разными диаметрами осевого отверстия. Еще один недостаток известного вихретокового преобразователя связан с недостаточным отношением "сигнал/помеха" для надежного выявления недопустимых включения из магнитных и немагнитных металлов, пор и другие несплошности в медной оболочке стабилизированных сверхпроводников диаметром менее 1 мм на основе соединения ниобий-олово.In addition, the known Converter has a reduced relative sensitivity to the parameters of the wires of small diameter D, comparable with the minimum possible for mechanical protection of the coils with a thickness T of the frame wall of the measuring coil. The non-optimality of the relative sensitivity to the parameters of the controlled object is explained by the fact that the open circuit voltage U _{0 of the} eddy current transducer of this design is created by the magnetic flux of the exciting coil passing through the entire area S _and turns of the measuring coil, and the introduced voltage U _vn by the magnetic flux of eddy currents, which occupies part of the area coils S _ok filled with a controlled object. The ratio S _ok / S _and decreases with decreasing diameter of the controlled object. This is due to the fact that the difference between the internal diameter of the measuring coil and the diameters of the axial hole is determined by the requirements of mechanical strength and wear resistance. It cannot decrease in proportion to the decrease in the diameter of the axial hole and remains almost the same for transducers with different diameters of the axial hole. Another disadvantage of the known eddy current transducer is associated with an insufficient signal-to-noise ratio for reliable detection of unacceptable inclusions from magnetic and non-magnetic metals, pores and other discontinuities in the copper shell of stabilized superconductors with a diameter of less than 1 mm based on a niobium-tin compound.

Известен проходной параметрический вихретоковый преобразователь, содержащий катушку индуктивности, размещенную на каркасе с осевым отверстием для размещения в нем контролируемого объекта [2. Неразрушающий контроль материалов и изделий: справочник / П.И. Беда, Б.И. Выборнов, Ю.А. Глазков и др. / Под общ. ред. Г.С. Самойловича. М.: Машиностроение, 1976. - С. 206, рис. 5-б].Known pass-through parametric eddy current transducer containing an inductor placed on the frame with an axial hole for placement of a controlled object in it [2. Nondestructive testing of materials and products: reference book / P.I. The trouble, B.I. Vybornov, Yu.A. Glazkov et al. / Under the general. ed. G.S. Samoilovich. M.: Mechanical Engineering, 1976. - S. 206, Fig. 5 B].

Однако и этот преобразователь не обладает требуемой стабильностью, что связано с сильным влиянием на выходной сигнал изменений температуры, приводящих к вариации активного сопротивления катушки. Кроме того, данный вихретоковый преобразователь также не обеспечивает выявления характерных дефектов в медной оболочке стабилизированных сверхпроводников диаметром менее 1 мм на основе соединения ниобий-олово из-за низкого отношения "сигнал/помеха".However, this converter also does not have the required stability, which is associated with a strong influence of temperature changes on the output signal, leading to variations in the active resistance of the coil. In addition, this eddy current transducer also does not provide the identification of characteristic defects in the copper shell of stabilized superconductors with a diameter of less than 1 mm based on the niobium-tin compound due to the low signal-to-noise ratio.

Наиболее близок к предложенному по технической сущности принятый за прототип проходной вихретоковый преобразователь для контроля проволоки, содержащий полый цилиндрический каркас из кварцевого стекла с размещенной на нем соленоидальной возбуждающей катушкой, второй полый цилиндрический каркас с двумя идентичными измерительными катушками индуктивности, расположенными с осевым зазором и соединенными последовательно-встречно, первый каркас размещен внутри второго каркаса симметрично с ним [3. Федосенко Ю.К., Шкатов П.Н., Ефимов А.Г. Вихретоковый контроль / Под общ. ред. В.В. Клюева. - М.: издательский дом «Спектр», 2011. - С. 130-131].Closest to the proposed technical essence, the eddy-current transducer for wire control adopted as a prototype is a prototype of a wire containing a hollow cylindrical quartz glass frame with a solenoidal exciting coil placed on it, a second hollow cylindrical frame with two identical measuring inductors located with an axial clearance and connected in series -conversely, the first frame is placed inside the second frame symmetrically with it [3. Fedosenko Yu.K., Shkatov P.N., Efimov A.G. Eddy current control / Under the general. ed. V.V. Klyueva. - M .: publishing house "Spectrum", 2011. - S. 130-131].

Толщину стенки каркаса в виде трубки из кварцевого стекла для получения большей чувствительности вихретокового преобразователя выбирают минимально возможной. Минимальная толщина стенки ограничена требованиями к механической прочности и износоустойчивости каркаса под действием перемещаемой в процессе контроля проволоки.The thickness of the wall of the frame in the form of a tube made of quartz glass to obtain greater sensitivity of the eddy current transducer choose the minimum possible. The minimum wall thickness is limited by the requirements for mechanical strength and wear resistance of the frame under the influence of the wire moved during the control process.

С помощью данного преобразователя, в принципе, можно получить информацию и о наличии дефектов в медной оболочке сверхпроводящей проволоки и об отношении "медь/не медь" в ней. Информацию о наличии дефектов получают, измеряя напряжение между внешними выходами измерительных обмоток (дифференциальный сигнал), а об отношении "медь/не медь" - напряжение между выводами одной из измерительных обмоток (абсолютный сигнал).Using this converter, in principle, it is possible to obtain information on the presence of defects in the copper sheath of the superconducting wire and on the copper / non-copper ratio in it. Information on the presence of defects is obtained by measuring the voltage between the external outputs of the measuring windings (differential signal), and on the ratio of copper / non-copper, the voltage between the terminals of one of the measuring windings (absolute signal).

Однако и этот преобразователь не обладает требуемой стабильностью выходного напряжения измерительных катушек для измерения отношения "медь/не медь" стабилизированных сверхпроводников на основе соединения ниобий-олово диаметром менее 1 мм. Это также связано с тем, что эффект от изменения в процессе контроля магнитной связи между возбуждающей и измерительной катушками за счет микросмещений витков при вариации температуры оказывается сопоставимым с сигналами от подлежащих регистрации изменений отношения "медь/не медь". Кроме того, подключение электрической цепи к одной из согласно - встречно включенных измерительных катушек приводит к их разбалансировке, сопоставимой с сигналами от подлежащих выявлению дефектов медной оболочки сверхпроводящей проволоки.However, this converter also does not have the required output voltage stability of the measuring coils for measuring the copper / non-copper ratio of stabilized superconductors based on a niobium-tin compound with a diameter of less than 1 mm. This is also due to the fact that the effect of changes in the process of monitoring the magnetic coupling between the exciting and measuring coils due to the micro displacements of the turns during temperature variation turns out to be comparable with the signals from changes in the copper / non-copper ratio to be recorded. In addition, the connection of an electric circuit to one of the counter-connected measuring coils leads to their unbalance, comparable with the signals from the defects of the copper shell of the superconducting wire to be detected.

Задача - повышение достоверности контроля качества стабилизированных сверхпроводников.The task is to increase the reliability of the quality control of stabilized superconductors.

Технический результат - повышение информативности и пороговой чувствительности контроля стабилизированных сверхпроводников диаметром менее 1 мм на основе соединения Nb₃Sn.EFFECT: increased information content and threshold sensitivity of control of stabilized superconductors with a diameter of less than 1 mm based on the Nb ₃ Sn compound.

Технический результат достигается в заявляемом вихретоковом преобразователе проходного типа, содержащем первый полый цилиндрический каркас с размещенной на нем соленоидальной возбуждающей катушкой, второй полый цилиндрический каркас с первой и второй идентичными измерительными катушками индуктивности, расположенными с осевым зазором и соединенными последовательно - встречно, первый каркас размещен внутри второго каркаса симметрично с ним, причем он снабжен третьей измерительной катушкой, размещенной на первом каркасе и намотанной бифилярно с возбуждающей катушкой индуктивности, при этом вихретоковый преобразователь снабжен потенциометром, третьим, идентичным первому, цилиндрическим каркасом с размещенными на нем и намотанными бифилярно четвертой и пятой катушками индуктивности, подобным возбуждающей катушке индуктивности и третьей измерительной катушке индуктивности, соответственно, но с большим числом витков W₄=W₅=(1,1…1,3)W_в, где W₄, W₅ и W_в - число витков четвертой, пятой и возбуждающей катушек индуктивности, соответственно, четвертая катушка индуктивности соединена последовательно с возбуждающей катушкой индуктивности, а пятая катушка индуктивности соединена параллельно с потенциометром, подключенным своим средним выводом к выводу третьей измерительной катушки индуктивности.The technical result is achieved in the inventive eddy current transducer type, containing the first hollow cylindrical frame with a solenoidal exciting coil placed on it, the second hollow cylindrical frame with the first and second identical measuring inductors located in axial clearance and connected in series - in the opposite direction, the first frame is placed inside the second frame symmetrically with it, and it is equipped with a third measuring coil placed on the first frame and wound bifilarly with an exciting inductor, while the eddy current transducer is equipped with a potentiometer that is third, identical to the first, cylindrical frame with bifilar fourth and fifth coils placed on it and similar to the exciting inductor and the third measuring inductor, with a large number of turns, respectively, but W ₄ = W ₅ = (1.1 ... 1.3) W _in , where W ₄ , W ₅ and W _in - the number of turns of the fourth, fifth and exciting inductors, respectively, the fourth inductor with connected in series with the exciting inductor, and the fifth inductor is connected in parallel with a potentiometer connected by its middle output to the output of the third measuring inductor.

В частном варианте диаметр d_и провода третьей и пятой измерительных катушек выбирается из условия d_и<0,8d_в, где d_в - диаметр провода возбуждающей катушки индуктивности.In a particular embodiment, the diameter d _and wires of the third and fifth measuring coils are selected from the condition d _and <0.8d _in , where d _in is the diameter of the wire of the exciting inductor.

В частном варианте первый и второй каркасы выполнены с возможностью взаимного осевого перемещения и вращения.In a particular embodiment, the first and second frames are made with the possibility of mutual axial movement and rotation.

В частном варианте ширина b, наружный диаметр D_н, внутренний диаметр D_в первой и второй измерительных катушек и осевой зазор Ζ между их центрами удовлетворяют соотношениям 0,3<b/D_в<0,4; 1,3<D_н/D_в<1,4; 0,75<Z/D_в<0,85.In a particular embodiment, the width b, the outer diameter D _n , the inner diameter D _{in the} first and second measuring coils and the axial clearance Ζ between their centers satisfy the ratios 0.3 <b / D _at <0.4; 1.3 <D _n / D _at <1.4; 0.75 <Z / D _at <0.85.

На фиг. 1 представлена схема заявляемого вихретокового преобразователя проходного типа, на фиг. 2 - электрическая схема заявляемого вихретокового преобразователя на фиг. 3 - поперечное сечение контролируемого объекта, на фиг. 4 - распределение значений Cu/non Cu по длине сверхпроводника, полученных на заявляемой экспериментальной установке.In FIG. 1 shows a diagram of the inventive eddy current transducer of a feed-through type, in FIG. 2 is an electrical diagram of the inventive eddy current transducer in FIG. 3 is a cross section of a controlled object, in FIG. 4 - distribution of the values of Cu / non Cu along the length of the superconductor obtained on the inventive experimental setup.

Вихретоковый преобразователь проходного типа содержит полый цилиндрический каркас 1 с размещенными на нем бифилярно намотанными соленоидальной возбуждающей катушкой индуктивности 2 и третьей измерительной катушкой индуктивности 3, полый цилиндрический каркас 4 с идентичными измерительными первой и второй катушками индуктивности 5 и 6 соответственно, расположенными с осевым зазором и соединенными последовательно - встречно. Каркас 1 размещен внутри каркаса 4 симметрично с ним.The eddy current transducer of a through type contains a hollow cylindrical frame 1 with a solenoidal induction coil 2 and a third measuring inductor 3 placed on it bifilarly wound on it, a hollow cylindrical frame 4 with identical measuring first and second inductors 5 and 6, respectively, located with an axial clearance and connected sequentially - counter. The frame 1 is placed inside the frame 4 symmetrically with it.

Вихретоковый преобразователь содержит также потенциометр 7, идентичный первому каркасу 1 каркас 8, с размещенными на нем и намотанными бифилярно четвертой и пятой катушками 9 и 10 индуктивности соответственно, подобным возбуждающей катушке 2 и третьей измерительной катушке 3 индуктивности, соответственно, но с большим числом витков W₄=W₅=(1,1…1,3)W_в, где W₄, W₅ и W_в - число витков четвертой катушки 9, пятой катушки 10 и возбуждающей катушки 2 индуктивности, соответственно. Катушка 9 индуктивности соединена последовательно с возбуждающей катушкой 2 индуктивности, а катушка 10 индуктивности соединена параллельно с потенциометром 7, подключенным своим средним выводом к выводу третьей измерительной катушки индуктивности.The eddy current transducer also contains a potentiometer 7, identical to the first frame 1 of the frame 8, with the fourth and fifth inductors 9 and 10 placed on it and wound bifilarly, respectively, similar to the exciting coil 2 and the third measuring inductor 3, respectively, but with a large number of turns W ₄ = W ₅ = (1.1 ... 1.3) W _in , where W ₄ , W ₅ and W _in are the number of turns of the fourth coil 9, the fifth coil 10 and the exciting inductor 2, respectively. The inductor 9 is connected in series with the exciting inductor 2, and the inductor 10 is connected in parallel with a potentiometer 7 connected by its middle terminal to the output of the third measuring inductor.

Контролируемая проволока 11, состоит из медной оболочки 12 и сверхпроводящей сердцевины 13 на основе соединения ниобий-олово. Из-за особенности технологии внешний диаметр проволоки фиксирован, а отношение "медь/не медь" может изменяться только за счет вариации размеров сердцевины 13. Внешний диаметр проводника остается неизменным и составляет, в зависимости от модификации, величину порядка 0,82 мм. В связи с этим повышение объемной доли стабилизирующей меди приводит к уменьшению размера сверхпроводящей сердцевины. С другой стороны, уменьшение доли стабилизирующей меди приводит к недопустимому перегреву при защитном выводе тока через медную оболочку. Следовательно, имеется оптимум отношения объемных долей медной и не медной составляющих сверхпроводящего провода. В соответствии с существующими требованиями величина отношения k_m="медь/не медь" должна лежать в пределах 1,0±0,1.The controlled wire 11 consists of a copper sheath 12 and a superconducting core 13 based on a niobium-tin compound. Due to the particularity of the technology, the outer diameter of the wire is fixed, and the copper / non-copper ratio can only change due to variation in the size of the core 13. The outer diameter of the conductor remains unchanged and, depending on the modification, is of the order of 0.82 mm. In this regard, an increase in the volume fraction of stabilizing copper leads to a decrease in the size of the superconducting core. On the other hand, a decrease in the fraction of stabilizing copper leads to unacceptable overheating during the protective output of the current through the copper sheath. Therefore, there is an optimum ratio of the volume fractions of the copper and non-copper components of the superconducting wire. In accordance with existing requirements, the value of the ratio k _m = "copper / non-copper" should be within 1.0 ± 0.1.

Вихретоковый преобразователь работает следующим образом.Eddy current transducer operates as follows.

Возбуждающая катушка 2, подключенная к генератору синусоидального напряжения (не показан), создает переменное магнитное поле, индуцирующее в проволоке 11 вихревые токи. Проволока 11 перемещается через внутреннюю полость каркаса 1. Удельная электрическая проводимость σ_но сверхпроводника стремится к бесконечности при температуре ниже 4°K. Однако при обычных значениях температуры удельная электрическая проводимость σ_м материала медной оболочки 12, по меньшей мере, в 10 раз превышает удельную электрическую проводимость σ_но сверхпроводника ниобий-олово. Благодаря этому вторичное электромагнитное поле, создаваемое, вихревыми токами в сверхпроводящей сердцевине 13 весьма мало по сравнению со вторичным электромагнитным полем вихревых токов в медной оболочке 12. Для получения информации об отношении "медь/не медь", связанную с толщиной медной оболочки 12, регистрируют вторичное напряжение, вносимое в измерительную катушку 3. Для получения максимально возможного электромагнитного взаимодействия между контролируемой оболочкой и вихретоковым преобразователем измерительную катушку 3 и возбуждающую катушку 2 выполняют идентичными, а их обмотки наматывают бифилярно на каркасе 1. Как известно [1, с. 413, рис. 4.3], наибольшая степень электромагнитного взаимодействия достигается в параметрическом преобразователе, когда информация о вносимых параметрах определяется по изменению комплексного сопротивления самой возбуждающей катушки. Однако данное решение неприемлемо в данном случае из-за низкой стабильности измерений с использованием параметрического преобразователя. В предложенном вихретоковом преобразователе коэффициент магнитной связи с контролируемым объектом близок к коэффициенту магнитной связи с контролируемым объектом параметрического преобразователя. При этом предложенный преобразователь, будучи трансформаторным, не имеет присущих параметрическому преобразователю недостатков, связанных с низкой температурной стабильностью. Одновременно, за счет бифилярной намотки катушек 2 и 3 достигается высокая стабильность магнитной связи между ними. Для повышения этой стабильности диаметр d_и провода измерительной катушки 3 рекомендуется выбирать из условия d_и<0,8d_в, где d_в - диаметр провода возбуждающей катушки 2. При этом достигается больший коэффициент плотности бифилярной обмотки катушек 2 и 3, в результате сечение катушек после пропитки компаундом становится менее подверженным микро изменениям при температурных и механических воздействиях, прежде всего за счет неизбежного трения о поверхность каркаса 1 перемещаемой проволоки.The excitation coil 2 connected to a sinusoidal voltage generator (not shown) creates an alternating magnetic field that induces eddy currents in the wire 11. The wire 11 moves through the inner cavity of the frame 1. The electrical conductivity σ _{but the} superconductor tends to infinity at a temperature below 4 ° K. However, at ordinary temperatures specific electric conductivity σ _m copper sheath material 12 at least 10 times the electrical conductivity σ of the superconductor _but niobium-tin. Due to this, the secondary electromagnetic field generated by the eddy currents in the superconducting core 13 is very small compared to the secondary electromagnetic field of the eddy currents in the copper shell 12. To obtain information about the ratio of copper / non-copper, associated with the thickness of the copper shell 12, register a secondary the voltage introduced into the measuring coil 3. To obtain the maximum possible electromagnetic interaction between the controlled shell and the eddy current transducer, the measuring coil 3 and the excitation ayuschuyu coil 2 perform identical, and their bifilar winding wound on the frame 1. As is known [1, p. 413, fig. 4.3], the greatest degree of electromagnetic interaction is achieved in the parametric converter, when the information on the introduced parameters is determined by the change in the complex resistance of the exciting coil itself. However, this solution is unacceptable in this case due to the low stability of measurements using a parametric transducer. In the proposed eddy current transducer, the magnetic coupling coefficient with the controlled object is close to the magnetic coupling coefficient with the controlled object of the parametric converter. Moreover, the proposed converter, being transformer, does not have the inherent disadvantages of the parametric converter associated with low temperature stability. At the same time, due to the bifilar winding of coils 2 and 3, a high stability of the magnetic coupling between them is achieved. To increase this stability, the diameter d _{and the} wires of the measuring coil 3 is recommended to be selected from the conditions d _and <0.8d _in , where d _in is the diameter of the wire of the exciting coil 2. At the same time, a greater bifilar winding density coefficient of coils 2 and 3 is achieved, resulting in a cross-section of coils after impregnation with the compound, it becomes less susceptible to micro changes during thermal and mechanical stresses, primarily due to the inevitable friction against the surface of the frame 1 of the movable wire.

Важность стабильности магнитной связи между катушками индуктивности 2 и 3 определяется двумя факторами. Во-первых, невозможностью изменения настроек прибора в процессе контроля, длительность которого при непрерывном перемещении через полость вихретокового преобразователя бухты провода длиной до 30 км составляет десятки часов. Во-вторых, малым уровнем сигналов, связанных с вариацией отношения "медь/не медь" в заданном поле допуска. Так, например, для провода с внешним диаметром 0,82 мм и с номинальным отношением "медь/не медь" = 0,5 (толщина медной оболочки -t = 0,12 мм) уменьшение отношения на 0,01 (изменение t от 0,1126 мм до 0,127 мм) приводит к изменению вносимого в катушку 3 напряжения на величину порядка 10^-5×U₀, где U₀ - напряжение холостого хода, наводимое в катушку 3 магнитным потоком возбуждающей катушки 2. Изменения получены при оптимальной для измерения отношения "медь/не медь" для заданных параметров рабочей частоты.The importance of the stability of the magnetic coupling between inductors 2 and 3 is determined by two factors. Firstly, the impossibility of changing the settings of the device during the monitoring process, the duration of which, when continuously moving through the cavity of the eddy current transducer of a wire coil up to 30 km long, is tens of hours. Secondly, the low level of signals associated with the variation of the copper / non-copper ratio in a given tolerance field. So, for example, for a wire with an external diameter of 0.82 mm and with a nominal ratio of copper / non-copper = 0.5 (thickness of the copper sheath -t = 0.12 mm), the ratio decreases by 0.01 (change t from 0 , 1126 mm to 0.127 mm) leads to a change in the voltage introduced into the coil 3 by an amount of the order of 10 ^-5 × U ₀ , where U ₀ is the open-circuit voltage induced in the coil 3 by the magnetic flux of the exciting coil 2. Changes were obtained with the ratio optimal for measuring copper / non-copper for the given operating frequency parameters.

Из приведенного примера видно, что для обеспечения надежной регистрации сигналов, несущих информацию о качестве сверхпроводящей проволоки, необходимо обеспечить стабильность измерений на уровне 10^-6×U₀. Для исключения неинформативной составляющей из синусоидального напряжения $${\underset{\_}{U}}_2$$

, наводимого в катушке 3, необходимо на соответствующем уровне провести его компенсацию (установить 0 перед контролем). Для этого используют часть напряжения, наводимого в катушке 10 магнитным потоком катушки 9. Напряжение $${\underset{\_}{U}}_{10}$$

на внешних зажимах катушки 10 поддерживается на уровне, соответствующем уровню стабильности напряжения $${\underset{\_}{U}}_2$$

, так как ее магнитная связь с катушкой 9 поддерживается на том же уровне, а по катушкам 2 и 9 протекает один и тот же ток. При подключении катушки 2 к среднему выводу потенциометра 7 происходит векторное суммирование двух синусоидальных напряжений. Меняя местами подключаемые концы катушки 2, выбирают соединение, при котором суммируемые напряжения оказываются в противофазе. Минимального отклонения от нуля напряжения U_A между соответствующими внешними выводами катушек 2 и 10 добиваются при отсутствии контролируемой проволоки путем регулировки потенциометра 7. За счет большего числа витков у четвертой и пятой катушек индуктивности 9 и 10 соответственно, чем у возбуждающей катушки 2 и третьей катушки индуктивности 3 напряжение $${\underset{\_}{U}}_{10}$$

превышает по амплитуде $${\underset{\_}{U}}_2$$

, что необходимо для выполнения регулировки.From the above example, it can be seen that in order to ensure reliable registration of signals carrying information about the quality of the superconducting wire, it is necessary to ensure stability of measurements at the level of 10 ^-6 × U ₀ . To exclude uninformative component from sinusoidal voltage $${\underset{\_}{U}}_2$$

induced in coil 3, it is necessary to carry out its compensation at the appropriate level (set 0 before monitoring). To do this, use part of the voltage induced in the coil 10 by the magnetic flux of the coil 9. Voltage $${\underset{\_}{U}}_{10}$$

at the external terminals of the coil 10 is maintained at a level corresponding to the level of voltage stability $${\underset{\_}{U}}_2$$

, since its magnetic coupling with coil 9 is maintained at the same level, and the same current flows through coils 2 and 9. When connecting the coil 2 to the middle output of the potentiometer 7 is a vector summation of two sinusoidal voltages. By interchanging the connected ends of the coil 2, choose a connection in which the summed voltage are in antiphase. The minimum deviation from zero of the voltage U _A between the respective external terminals of the coils 2 and 10 is achieved in the absence of a controlled wire by adjusting the potentiometer 7. Due to the larger number of turns of the fourth and fifth inductors 9 and 10, respectively, than in the exciting coil 2 and the third inductor 3 voltage $${\underset{\_}{U}}_{10}$$

exceeds in amplitude $${\underset{\_}{U}}_2$$

that is necessary to perform the adjustment.

Для регистрации характерных дефектов в медной оболочке 12 в виде пор и включений из различных металлов (трещины из-за высокой пластичности меди в оболочке не возникают) используются дифференциально включенные измерительные катушки 5 и 6. Стабильность выходного напряжения дифференциально включенных идентичных катушек 5 и 6 достаточно высока, так как при различных воздействиях изменения параметров катушек происходят одновременно и на одинаковую величину. Сигналы, создаваемые под влиянием пор существенно меньше сигналов, вызываемых трещинами, что требует специальных технических решений для обеспечения необходимой чувствительности.To detect characteristic defects in the copper shell 12 in the form of pores and inclusions from various metals (cracks do not occur due to the high ductility of copper in the shell), differentially-connected measuring coils 5 and 6 are used. The output voltage stability of differentially-connected identical coils 5 and 6 is quite high , since under various influences, changes in the parameters of the coils occur simultaneously and by the same amount. Signals generated under the influence of pores are significantly smaller than signals caused by cracks, which requires special technical solutions to provide the necessary sensitivity.

Пороговая чувствительность к подобным дефектам определяется уровнем балансировки катушек 5, 6 их геометрическими параметрами и взаимным положением.The threshold sensitivity to such defects is determined by the level of balancing of the coils 5, 6 by their geometric parameters and relative position.

Для обеспечения требуемого уровня балансировки каркасы 1 и 4 рекомендуется выполнять с возможностью их взаимного осевого перемещения и вращения. Это позволяет минимизировать разбаланс катушек путем смещений центра каркаса 4 относительно каркаса 1 и его вращения. При этом очень плавно изменяется различие в магнитных связях (M) между каждой из катушек 5, 6 и возбуждающей катушкой 2.To ensure the required level of balancing, the frames 1 and 4 are recommended to be executed with the possibility of their mutual axial movement and rotation. This allows you to minimize the imbalance of the coils by displacing the center of the frame 4 relative to the frame 1 and its rotation. In this case, the difference in magnetic bonds (M) between each of the coils 5, 6 and the exciting coil 2 changes very smoothly.

Установлено, что оптимальная чувствительность к дефектам типа пор и включений в медной оболочке 12 достигается при выполнении следующих соотношений для ширины b, наружного диаметра D_н, внутреннего диаметра D_в измерительных катушек 5, 6 и осевого зазора Ζ между их центрамиIt was found that the optimal sensitivity to defects such as pores and inclusions in the copper shell 12 is achieved by fulfilling the following relations for the width b, the outer diameter D _n , the inner diameter D _{in the} measuring coils 5, 6 and the axial clearance центра between their centers

$$\mathrm{0,3}<b/D_{в}<\mathrm{0,4}\left(1\right)$$

$$0.3<b/D_{\mathrm{at}}<0.4\left(\mathrm{one}\right)$$

$$\mathrm{1,3}<D_{н}/D_{в}<\mathrm{1,4}\left(2\right)$$

$$1.3<D_n/D_{\mathrm{at}}<1.4\left(2\right)$$

$$\mathrm{0,75}<Z/D_{в}<\mathrm{0,85}\left(3\right)$$

$$0.75<Z/D_{\mathrm{at}}<0.85\left(3\right)$$

Чем больше витков в катушке индуктивности, тем больше ее диаметр, и как следствие, больше абсолютная чувствительность к дефекту, но меньше локальность контроля. В то же время, если витков мало, сигналы слабые и их невозможно зарегистрировать.The more turns in the inductor, the larger its diameter, and as a result, the greater the absolute sensitivity to the defect, but less locality of control. At the same time, if there are few turns, the signals are weak and cannot be detected.

Неравенства (1) и (2) - компромисс между локальностью контроля и абсолютной чувствительностью, а неравенство (3) - между степенью подавления вариации свойств сплошного металла и абсолютной чувствительностью к дефекту.Inequalities (1) and (2) are a compromise between the locality of control and absolute sensitivity, and inequality (3) is between the degree of suppression of variation in the properties of a solid metal and absolute sensitivity to a defect.

Напряжение $${\underset{\_}{U}}_{Д}$$

между внешними выводами катушек 5 и 6 при наличии дефектов в проволоке, перемещаемой через полость каркаса 1 вихретокового преобразователя, несет информацию о наличии в нем дефектов. Взаимного влияния дефектоскопического канала, образованного катушками 5, 6 и абсолютного канала, образованного катушками 3, 10 не происходит при условии, что магнитная связь между катушками 2, 3, 5 и 6 с катушками 9 и 10 пренебрежимо мала. Это достигается соответствующим размещением и ориентацией каркасов 1 и 8.Voltage $${\underset{\_}{U}}_D$$

between the external terminals of the coils 5 and 6 in the presence of defects in the wire moved through the cavity of the frame 1 of the eddy current transducer, carries information about the presence of defects in it. The mutual influence of the defect channel formed by coils 5, 6 and the absolute channel formed by coils 3, 10 does not occur, provided that the magnetic coupling between coils 2, 3, 5, and 6 with coils 9 and 10 is negligible. This is achieved by the appropriate placement and orientation of the frames 1 and 8.

Обработка сигналов $${\underset{\_}{U}}_{А}$$

и $${\underset{\_}{U}}_{Д}$$

, получаемых при перемещении проволоки 12 через полость каркаса 1 вихретокового преобразователя, выполняется известным образом, например, амплитудно-фазовым способом [1. Неразрушающий контроль: справ.: В 7 т. / т. 2. Кн. 2: Вихретоковый контроль / Ю.К. Федосенко, В.Г. Герасимов, А.Д. Покровский, Ю.Я. Останин / Под. общ. ред. В.В. Клюева. М.: Машиностроение, 2004 с. 473-474, рис. 8.5-8.6).Signal processing $${\underset{\_}{U}}_{\mathrm{BUT}}$$

and $${\underset{\_}{U}}_D$$

obtained by moving the wire 12 through the cavity of the frame 1 of the eddy current transducer, is performed in a known manner, for example, by the amplitude-phase method [1. Non-Destructive Testing: Ref.: 7 t / t 2. Book. 2: Eddy current control / Yu.K. Fedosenko, V.G. Gerasimov, A.D. Pokrovsky, Yu.Ya. Ostanin / Under. total ed. V.V. Klyueva. M .: Engineering, 2004 p. 473-474, fig. 8.5-8.6).

Заявляемый вихретоковый преобразователь, в отличие от известных, позволяет в процессе длительных измерений регистрировать изменения отношения "медь/не медь" в проволоке диаметром менее 1 мм типа стабилизированных Nb₃Sn сверхпроводников, с медной оболочкой и сердцевиной из сплава ниобий-олово. Заявляемый вихретоковый преобразователь позволяет одновременно выявлять дефекты типа пор и включений из различных металлов. Кроме того, он позволяет определять значение параметра Cu/nonCu в каждой точке длинномерного провода, что подтверждается зависимостью, представленной на фигуре 4.The claimed eddy current transducer, in contrast to the known ones, allows one to record changes in the copper / non-copper ratio in a wire with a diameter of less than 1 mm such as stabilized Nb ₃ Sn superconductors with a copper shell and a core made of niobium-tin alloy during long-term measurements. The inventive eddy current transducer allows you to simultaneously detect defects such as pores and inclusions of various metals. In addition, it allows you to determine the value of the parameter Cu / nonCu at each point of the long wire, which is confirmed by the dependence shown in figure 4.

Полученные результаты вихретокового контроля проверялись путем металлографических исследований. Установлено, что погрешность измерения процентного отношения "медь/не медь составляет не более 3%, при этом надежно выявляются дефекты типа включений с эквивалентным объемом порядка 0,03 мм³ в сверхпроводящей проволоке на основе соединения Nb₃Sn с внешним диаметром 0,82 мм. Таким образом, повышается информативность и пороговая чувствительность контроля стабилизированных сверхпроводников диаметром менее 1 мм на основе соединения Nb₃Sn.The results of eddy current control were verified by metallographic studies. It was found that the error in measuring the percentage of copper / non-copper is not more than 3%, while defects of the type of inclusions with an equivalent volume of the order of 0.03 mm ³ in a superconducting wire based on the Nb ₃ Sn compound with an external diameter of 0.82 mm are reliably detected Thus, the information content and threshold sensitivity of the control of stabilized superconductors with a diameter of less than 1 mm based on the Nb ₃ Sn compound are increased.

Claims (4)

1. Вихретоковый преобразователь проходного типа, содержащий первый полый цилиндрический каркас с размещенной на нем соленоидальной возбуждающей катушкой, второй полый цилиндрический каркас с первой и второй идентичными измерительными катушками индуктивности, расположенными с осевым зазором и соединенными последовательно - встречно, первый каркас размещен внутри второго каркаса симметрично с ним, отличающийся тем, что он снабжен третьей измерительной катушкой, размещенной на первом каркасе и намотанной бифилярно с возбуждающей катушкой индуктивности, при этом вихретоковый преобразователь снабжен потенциометром, третьим, идентичным первому, цилиндрическим каркасом с размещенными на нем и намотанными бифилярно четвертой и пятой катушками индуктивности, подобным возбуждающей катушке индуктивности и третьей измерительной катушке индуктивности, соответственно, но с большим числом витков W₄=W₅=(1,1…1,3)W_в, где W₄, W₅ и W_в - число витков четвертой, пятой и возбуждающей катушек индуктивности, соответственно, четвертая катушка индуктивности соединена последовательно с возбуждающей катушкой индуктивности, а пятая катушка индуктивности соединена параллельно с потенциометром, подключенным своим средним выводом к выводу третьей измерительной катушки индуктивности.1. An eddy current transducer of a bushing type, comprising a first hollow cylindrical frame with a solenoidal exciting coil placed on it, a second hollow cylindrical frame with first and second identical measuring inductors located in axial clearance and connected in series, in the opposite direction, the first frame is placed symmetrically inside the second frame with it, characterized in that it is equipped with a third measuring coil located on the first frame and wound bifilarly with the exciting coil inductance, while the eddy current transducer is equipped with a potentiometer, a third, identical to the first, cylindrical frame with bifilar fourth and fifth inductors placed on it and wound bifilarly, similar to the exciting inductor and the third measuring inductor, respectively, but with a large number of turns W ₄ = W ₅ = (1.1 ... 1.3) W _in , where W ₄ , W ₅ and W _in are the number of turns of the fourth, fifth and exciting inductors, respectively, the fourth inductor is connected in series with the choke inductor, and the fifth inductor is connected in parallel with a potentiometer connected by its middle output to the output of the third measuring inductance coil. 2. Вихретоковый преобразователь проходного типа по п. 1, отличающийся тем, что диаметр d_и провода третьей и пятой измерительных катушек выбирается из условия d_и<0,8d_в, где d_в - диаметр провода возбуждающей катушки индуктивности.2. The eddy current transducer of passage type according to claim 1, characterized in that the diameter d _and wires of the third and fifth measuring coils are selected from the conditions d _and <0.8d _in , where d _in is the diameter of the wire of the exciting inductor. 3. Вихретоковый преобразователь проходного типа по п. 1, отличающийся тем, что первый и второй каркасы выполнены с возможностью взаимного осевого перемещения и вращения.3. Eddy current transducer of a bushing type according to claim 1, characterized in that the first and second frames are made with the possibility of mutual axial movement and rotation. 4. Вихретоковый преобразователь проходного типа по п. 1, отличающийся тем, что ширина b, наружный диаметр D_н, внутренний диаметр D_в первой и второй измерительных катушек и осевой зазор Z между их центрами удовлетворяют соотношениям 0,3<b/D_в<0,4; 1,3<D_н/D_в<1,4; 0,75<Z/D_в<0,85. 4. The eddy current transducer of the bushing type according to claim 1, characterized in that the width b, the outer diameter D _n , the inner diameter D _{in the} first and second measuring coils and the axial clearance Z between their centers satisfy the ratios 0.3 <b / D _in <0.4; 1.3 <D _n / D _at <1.4; 0.75 <Z / D _at <0.85.

Images