ĐO và KIỂM TRA KHÔNG PHÁ hủy sử DỤNG PHƯƠNG PHÁP DÒNG điện XOÁY (EDDY CURRENT TESTING) BKHN

Phương pháp này được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành khác nhau như cơ khí, vật liệu, hóa dầu, … vì nó rất hiệu quả trong việc kiểm tra các khuyết tật của vật liệu, khuyết tật của mối

MỤC LỤ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN

BÁO CÁO MÔN HỌC

ĐO LƯỜNG KHÔNG PHÁ HỦY

ĐO VÀ KIỂM TRA KHÔNG PHÁ HỦY SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP DÒNG ĐIỆN XOÁY (EDDY CURRENT

Giảng viên hướng dẫn: TS Cung Thành Long

Bộ môn: Đo lường và Tin học công nghiệp

DANH MỤC HÌNH VẼ 4

LỜI NÓI ĐẦU 7

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP 8

1.1 Khái niệm chung 8

1.2 Lịch sử của phương pháp kiểm tra dòng điện xoáy 9

1.3 Nguyên lý cơ bản của kiểm tra bằng dòng điện xoáy 10

CHƯƠNG 2 ĐẦU DÒ DÒNG XOÁY 13

2.1 Phân loại đầu dò 13

2.1.1 Phân loại đầu dò theo phương thức hoạt động 13

2.1.2 Phân loại theo ứng dụng 16

2.2 Bảo vệ đầu dò 27

CHƯƠNG 3 XỬ LÝ TÍN HIỆU ĐO VÀ HIỂN THỊ 30

3.1 Bộ tạo dao động 30

3.2 Đầu dò 30

3.3 Mạch đo 30

3.4 Khuếch đại và bộ lọc 32

3.5 Giải mã 34

3.6 Hiển thị 34

3.6.1 Hiển thị hình elip 34

3.6.2 Hiển thị tuyến tính trên miền thời gian 35

3.6.3 Hiển thị mặt phẳng trở kháng (Phương pháp sử dụng điểm vecto) 35 3.7 Thay đổi pha 38

3.8 Bộ lọc đầu ra 38

3.9 Các thành phần phụ trợ trong thiết bị 38

3.9.1 Các thiết bị hiển thị tín hiệu 38

3.9.2 Các thiết bị giảm nhiễu 39

3.9.3 Thiết bị lưu trữ tín hiệu 40

CHƯƠNG 4 MỘT SỐ YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐO KIỂM TRA KHÔNG PHÁ HỦY SỬ DỤNG DÒNG XOÁY 42

4.1 Ảnh hưởng bởi vị trí sai hỏng 42

4.1.1 Với vết nứt trên bề mặt 42

4.1.2 Với vết nứt dưới bề mặt 43

4.2.1 Hướng sai hỏng với dòng điện xoáy theo mặt cắt ngang 45

4.2.2 Hướng sai hỏng với dòng điện xoáy theo mặt cắt thẳng đứng 46

4.3 Ảnh hưởng bởi kết cấu vật liệu đo 46

4.4 Ảnh hưởng bởi nhiệt độ của vật liệu đo 47

4.4.1 Vật liệu nóng lên 47

4.4.2 Sai số 47

4.5 Ảnh hưởng khi thao tác với đầu dò 47

4.5.1 Rung lắc (đầu dò lắc lư) 47

4.5.2 Lift-off 48

4.6 Ảnh hưởng của sự tương quan tốc độ giữa bộ phận đo và thu tín hiệu 48

4.6.1 Tần số dụng cụ theo tốc độ 48

4.6.2 Đáp ứng tần số của thiết bị theo tốc độ thử nghiệm 49

4.7 Tiêu chuẩn tham chiếu được sử dụng trong thử nghiệm dòng điện xoáy 49

4.7.1 Đặc điểm của mẫu tham chiếu 49

4.7.2 Lựa chọn mẫu tham khảo 50

4.7.3 Chế tạo và tái tạo các loại mẫu đối chứng khác nhau 51

CHƯƠNG 5 ỨNG DỤNG ĐO LƯỜNG KHÔNG PHÁ HỦY SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP DÒNG ĐIỆN XOÁY 52

5.1 Vết nứt vỡ bề mặt 52

5.2 Kiểm tra ống 53

5.3 Phép đo độ dẫn điện 54

5.4 Phép đo độ dày của vật liệu mỏng 56

5.4.1 Đo độ dày của tấm dẫn điện mỏng, dải và lá mỏng 57

5.4.2 Đo kích thước mặt cắt ngang của ống và thanh hình trụ 58

5.4.3 Đo độ dày của các lớp dẫn điện mỏng 58

5.4.4 Phép đo độ dày của lớp phủ không dẫn điện trên vật liệu dẫn điện 59 CHƯƠNG 6 MỘT SỐ KỸ THUẬT ĐO ĐẶC BIỆT 60

6.1 Các kỹ thuật quét 62

6.1.1 A-scan 62

6.1.2 B-Scan 63

6.1.3 C-Scan 63

6.2 Dòng điện xoáy từ tính (Magnetic Eddy Current) 67

6.3 Dòng điện xoáy xung (Pulsed Eddy Current) 69

6.3.2 Nguyên lý 70

6.3.3 Hệ thống PEC 71

6.3.4 Tín hiệu kích thích 72

6.3.5 Đầu dò mảng trong PEC 72

CHƯƠNG 7 MỘT SỐ SẢN PHẨM THỰC TẾ 75

7.1 Maxwell NDT — PECT Pulsed Eddy Current Detection 75

7.2 MEC-Floorscanner 76

CHƯƠNG 8 KẾT LUẬN 79

CHƯƠNG 9 TÀI LIỆU THAM KHẢO 80

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Thí nghiệm dòng điện xoáy 8

Hình 1.2 Ứng dụng phương pháp dòng điện xoáy trong thực tế 9

Hình 1.3 Michael Faraday (1791 – 1867) 10

Hình 1.4 Minh họa cuộn dây dẫn điện 10

Hình 1.5 Minh họa hiện tượng xuất hiện dòng điện xoáy 11

Hình 2.1 Đầu dò tuyệt đối sử dụng một cuộn dây đơn 13

Hình 2.2 Đầu dò vi sai sử dụng một cuộn dây đơn 14

Hình 2.3 Đầu dò vi sai sử dụng 2 cuộn dây 14

Hình 2.4 Đầu dò phản xạ 15

Hình 2.5 Đầu dò bề mặt 16

Hình 2.6 Đo bề mặt đường kính nhỏ 16

Hình 2.7 Một vài loại đầu dò bề mặt trên thị trường 17

Hình 2.8 Mô hình đầu dò bề mặt giảm thiểu được nhiễu lift-off 18

Hình 2.9 Đầu dò bên trong ống 18

Hình 2.10 (a) Đầu dò bobbin tuyệt đối, (b) Đầu dò bobbin vi sai 19

Hình 2.11 Nam châm vĩnh cửu trong ống 20

Hình 2.12 Minh họa khuyết tật dọc theo trục ống và chu vi ống 20

Hình 2.13 (a) Đầu dò Rotating Pancake Coil (RPC) và (b) Đầu dò Rotating Plus Point Coil 21

Hình 2.14 (a) Bố trí cuộn dây ba pha và (b) Mô hình 3D của cuộn bobbin và 3 cuộn dây kích thích bên trong ống 22

Hình 2.15 Dòng điện cảm ứng trên thành ống sinh ra bởi từ trường quay 22

Hình 2.16 Vị trí của các lỗ vuông theo chu vi trên thành ống 23

Hình 2.17 Dòng điện xoáy trong đầu dò mảng 24

Hình 2.18 Đầu dò mảng (a) C-3, (b) C-4 24

Hình 2.19 Hình ảnh thực tế đầu dò X-Probe 25

Hình 2.20 Các kênh theo trục và kênh theo chu vi của đầu dò mảng X 25

Hình 2.21 Smart array probe 26

Hình 2.22 (a) cấu tạo đầu dò (b) đầu dò trên thị trường 26

Hình 2.23 Dòng điện cảm ứng trên thành ống do cuộn dây phát nghiêng tạo ra 27

Hình 2.24 Minh họa đầu dò đo ngoài ống 27

Hình 2.25 Minh họa một đầu dò được để bảo vệ bằng lõi ferit 28

Hình 2.26 Active Shielding 28

Hình 2.27 a) Cuộn Solenoid và từ trường do nó tạo ra, b) Cuộn Helmholtz và từ trường do nó tạo ra 29

Hình 3.1 Sơ đồ khối thiết bị đo ứng dụng dòng điện xoáy 30

Hình 3.2 Mạch cầu so sánh 31

Hình 3.3 Điều kiện cân bằng của mạch cầu 32

Hình 3.4 (a) Mạch cầu cho phương pháp tuyệt đối, (b) Mạch cầu cho phương pháp vi sai 32

Hình 3.5 Tín hiệu khi được xử lý 33

Hình 3.6 Tín hiệu trước và sau khi lọc 33

Hình 3.7 Hiển thị hình Elip 34

Hình 3.8 Hiển thị mặt phẳng trở kháng 35

Hình 3.9 Tín hiệu sau khi được lọc 35

Hình 3.10 Mô phỏng hiển thị bằng mặt phẳng trở kháng 36

Hình 3.12 Ảnh hưởng của tần số lấy mẫu 37

Hình 3.13 Máy ghi biểu đồ dải 40

Hình 3.14 Máy ghi băng từ hóa 40

Hình 3.15 Digital Trace Acquisition and Storage 41

Hình 4.1 Vết nứt bề mặt 42

Hình 4.2 Tần số và độ sâu vết nứt ảnh hưởng đến kết quả đo vết nứt bề mặt 42

Hình 4.3 Mật độ dòng xoáy và độ trễ pha so với bề mặt (1,2,3 lần độ sâu tiêu chuẩn) 43

Hình 4.4 Ảnh hưởng của tần số và tính chất vật liệu đến độ sâu thâm nhập 44

Hình 4.5 Mật độ dòng xoáy và độ trễ pha so với bề mặt (1,2,3 lần độ sâu tiêu chuẩn) 45

Hình 4.6 Vết sai hỏng theo mặt cắt ngang 45

Hình 4.7 Chọn đường kính đầu dò phù hợp với độ lớn vết nứt 45

Hình 4.8 Vết sai hỏng theo mặt cắt thẳng đứng 46

Hình 4.9 Dòng điện xoáy khi sử dụng đầu dò hình móng ngựa 46

Hình 4.10 Khoảng cách giữa đầu dò và bề mặt vật liệu ảnh hưởng đến trở kháng cuộn dây 48

Hình 4.11 Ví dụ thiết bị bù tín hiệu lift-off tự động 48

Hình 4.12 Khối tham chiếu tần số cao 50

Hình 4.13 Tín hiệu dòng điện xoáy với (a) tuyệt đối và (b) đầu dò bề mặt vi sai 50

Hình 5.1 Mô tả cường độ dòng điện xoáy ở bên (a) Không có vết nứt , (b) Có vết nứt ở vị trí dòng điện xoáy yếu hơn 52

Hình 5.2 (a) Hình mô tả vị trí đặt đầu dò khi đi qua các vị trí vết nứt, (b) Dạng hiên thị trên máy các tín hiệu từ thấp đến cao tương ứng với vết nứt từ nông đến sâu 53

Hình 5.3 Chụp dạng ống cần kiểm tra 54

Hình 5.4 Thể hiện các tín hiệu thu được khi di chuyển đầu dò trong ống (a) Đầu dò tuyệt đối, (b) Đầu dò vi sai 54

Hình 5.5 Phép đo độ dẫn điện bằng cách để xa rồi tiến gần lại 55

Hình 5.6 Mặt phẳng trở kháng thay đổi với vật liệu thép(từ tính) và aluminum( không từ tính) 56

Hình 5.7 Mô tả đầu dò đo độ dày vật liệu tại các điểm A, B, C, D 57

Hình 5.8 (a) Mặt phẳng trở kháng khi để đầu dò không di chuyển lên, (b) Mặt phẳng trở kháng khi để đầu dò nhấp nhả tại các điểm A, B, C, D 57

Hình 6.1 Minh họa một xung vuông bằng tổng hợp của nhiều sóng sin 60

Hình 6.2 Cấu trúc chung của hệ thống quét 61

Hình 6.3 Bàn quét 61

Hình 6.4 Đáp ứng A-scan 62

Hình 6.5 Đáp ứng B-scan 62

Hình 6.6 Hình ảnh của B-Scan 63

Hình 6.7 Hình ảnh của C-Scan 64

Hình 6.8 Vị trí của đầu dò trong quá trình quét 64

Hình 6.9 Hình minh họa cho trận quét C 65

Hình 6.10 Một số thang màu phổ biến 65

Hình 6.11 Cách chuyển từ ma trận dữ liệu quét C sang ma trận màu sắc 66

Hình 6.12 Ma trận màu sắc tương ứng với ma trận dữ liệu quét C 66

Hình 6.13 Một số hình ảnh thực tế của C-scan 67

Hình 6.14 Nguyên lý MEC 68

Hình 6.15 Sự thay đổi trong từ trường 68

Hình 6.16 Sự thay đổi trở kháng giữa hai mặt 69

Hình 6.17 Đo dòng xoáy với các tần số khác nhau 70

Hình 6.18 Ví dụ về các xung khác nhau 71

Hình 6.19 Hệ thống PEC 71

Hình 6.20 Dòng kích thích với các độ rộng xung khác nhau 72

Hình 6.21 Đầu dò mảng 72

Hình 6.22 Cuộn dây vuông 73

Hình 6.23 Phân tích theo hướng từ thông 73

Hình 6.24 Phân tích theo hướng dòng kích thích 74

Hình 7.1 Maxwell NDT 75

Hình 7.2 Maxwell NDT 76

LỜI NÓI ĐẦU

Đo lường không phá hủy – NDT (Non-Destructive Testing) là phương pháp

dò tìm khuyết tật trong hoặc trên bề mặt vật liệu, mối hàn, … mà không làm tổn hại đến mẫu kiểm tra Phương pháp này được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành khác nhau như cơ khí, vật liệu, hóa dầu, … vì nó rất hiệu quả trong việc kiểm tra các khuyết tật của vật liệu, khuyết tật của mối hàn như xác định các vết nứt, rỗ khí, ngậm xỉ, tách lớp, không ngấu, không thấu trong các mối hàn, kiểm tra ăn mòn kim loại, kiểm tra tách lớp của vật liệu, đo chiều dày vật liệu, đo độ cứng của vật liệu, kiểm tra độ ẩm, …

Phương pháp dòng điện xoáy là một trong những phương pháp phổ biến trong Đo lường không phá hủy, thường được sử dụng trong các ứng dụng phát hiện khuyết tật trên và dưới bề mặt của vật liệu dẫn điện Nguyên lý của phương pháp này là ứng dụng các hiện tượng tự nhiên của dòng điện xoáy, cảm ứng điện từ, qua

đó phân tích các thành phần liên quan, hiển thị và đọc kết quả

Với kiến thức được học trên lớp kết hợp nghiên cứu tìm hiểu thêm ở các tài liệu cũng như ứng dụng thực tế, bọn em xin trình bày báo cáo chi tiết về phương pháp dòng điện xoáy trong Đo lường không phá hủy Bài báo cáo sẽ gồm các phần chính: Giới thiệu tổng quan về phương pháp, trong đó bọn em sẽ phân tích về dòng điện xoáy và nguyên lý của dòng điện xoáy, cảm biến dòng điện xoáy; Cấu tạo và hoạt động của đầu dò dòng điện xoáy; Xử lý tín hiệu đo và các cơ cấu hiển thị; Các yếu tố quan trọng trong quá trình đo; Một số kỹ thuật đo đặc biệt ứng dụng dòng điện xoáy, và một số thiết bị thương mại đã được ứng dụng trong thực tế

Do vốn kiến thức còn hạn chế nên đồ án không thể tránh khỏi sai sót, bọn emmong sẽ nhận được những nhận xét và góp ý từ thầy để đồ án được hoàn thiện hơn Xin chân thành cảm ơn giảng viên – TS Cung Thành Long đã tận tình giúp đỡ nhóm

em hoàn thành bài tập lớn này!

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP 1.1 Khái niệm chung

Kiểm tra không phá hủy (NDT) có nghĩa là kiểm tra vật liệu mà không phá hủy chúng Nói cách khác, chúng ta có thể tìm kiếm các khuyết tật trong nhiều loại vật liệu kim loại bằng cách sử dụng dòng điện xoáy và không phá hỏng vật liệu mà chúng ta cần kiểm tra Điều này rất quan trọng bởi vì nếu chúng ta phá hủy vật liệu

mà chúng ta đang kiểm tra, thì việc kiểm tra nó ngay từ đầu sẽ không tốt NDT rất quan trọng vì thường không nhìn thấy được các khuyết tật mà chúng ta đang tìm kiếm vì sơn hoặc một số lớp phủ khác có thể che lấp chúng Cũng có thể có các khuyết tật nhỏ đến mức chúng ta không thể nhìn thấy bằng mắt thường hoặc bất kỳ phương pháp kiểm tra trực quan nào khác Do đó, các phương pháp kiểm tra như kiểm tra dòng điện xoáy đã được phát triển để phát hiện các khuyết tật

Thí nghiệm dòng điện xoáy

Trong thí nghiệm dưới đây, sẽ sử dụng kiểm tra dòng điện xoáy để phát hiện các vết nứt trên một ống kim loại Chúng ta sẽ sử dụng một cuộn dây quấn quanh một miếng sắt để tạo ra từ trường gây ra dòng điện xoáy trong kim loại Trong NDT,cuộn dây được gọi là đầu dò kiểm tra Từ trường được tạo ra bởi dòng điện xoáy có thể được phát hiện bằng cách sử dụng chính đầu dò này Chúng ta có thể theo dõi từtrường được tạo ra bởi các dòng điện xoáy này bằng một dụng cụ gọi là kính xoáy (eddyscope) Nếu có sự thay đổi trong từ trường từ các dòng điện xoáy, chúng ta có thể nói rằng chúng ta đã tìm thấy một loại khuyết tật nào đó trong vật liệu mà chúng

ta đang thử nghiệm Khi thiết bị nhận thấy sự thay đổi trong từ trường do dòng điện xoáy tạo ra, nó sẽ hiển thị sự thay đổi trong tín hiệu trên màn hình

Hình 1.1 Thí nghiệm dòng điện xoáy

Nếu vật liệu được thử nghiệm đồng đều về mọi mặt và không có khuyết tật thì các dòng điện xoáy sẽ đồng đều Nếu có một số khiếm khuyết trong vật liệu như vết nứt, vết ăn mòn, …các dòng điện xoáy sẽ bị xáo trộn khỏi hình dạng tròn bình thường của chúng Kỹ thuật viên NDT sử dụng nhiều loại thiết bị kiểm tra dòng điện xoáy khác nhau Một số là những cuộn dây đơn giản được giữ trên một miếng kim loại Những người khác sử dụng các đầu dò đặc biệt, giống như đầu dò được hiển thị ở trên, được đẩy vào bên trong ống của các bộ trao đổi nhiệt.

Các kỹ thuật viên như ảnh dưới đang thực hiện kiểm tra dòng điện xoáy trên ống của thiết bị trao đổi nhiệt Bộ trao đổi nhiệt được sử dụng ở những nơi như nhà máy điện hạt nhân Nước phóng xạ từ lò phản ứng được chảy qua các ống và nước làm mát sẽ được quay trở lại sông hoặc hồ được tuần hoàn bên ngoài các ống Điều cần quan tâm ở đây là nước phóng xạ và nước làm mát không được trộn lẫn Do đó, các kỹ thuật viên thực hiện kiểm tra dòng điện xoáy trên các ống để tìm và các khuyết tật trước khi chúng bị rò rỉ

Hình 1.2 Ứng dụng phương pháp dòng điện xoáy trong thực tế

1.2 Lịch sử của phương pháp kiểm tra dòng điện xoáy

Kiểm tra dòng điện xoáy có nguồn gốc từ việc phát hiện ra hiện tượng cảm ứng điện từ của Michael Faraday vào năm 1831 Faraday là một nhà hóa học ở Anh vào đầu những năm 1800 và được ghi nhận là người đã khám phá ra hiện tượng cảmứng điện từ, quay điện từ, hiệu ứng quang từ, từ tính và các hiện tượng khác Vào năm 1879, một nhà khoa học khác tên là Hughes đã ghi lại những thay đổi trong đặctính của cuộn dây khi đặt nó tiếp xúc với các kim loại có độ dẫn điện và độ từ thẩm khác nhau Tuy nhiên, phải đến Chiến tranh thế giới thứ hai, những hiệu ứng này

mới được đưa vào ứng dụng thực tế để làm vật liệu thử nghiệm Nhiều công trình đãđược thực hiện trong những năm 1950 và 60, đặc biệt là trong các ngành công nghiệp máy bay và hạt nhân Kiểm tra dòng điện xoáy bây giờ là một kỹ thuật kiểm tra được sử dụng rộng rãi và được hiểu rõ.

Hình 1.3 Michael Faraday (1791 – 1867)

1.3 Nguyên lý cơ bản của kiểm tra bằng dòng điện xoáy.

Kiểm tra dòng điện xoáy là một trong một số phương pháp NDT sử dụng các nguyên lý điện từ làm cơ sở để tiến hành kiểm tra Một số phương pháp khác như kiểm tra trường từ xa (RFT), Rò rỉ thông lượng và Barkhausense Noise cũng sử dụng nguyên tắc này Dòng điện xoáy được tạo ra thông qua một quá trình gọi là cảm ứng điện từ Khi dòng điện xoay chiều được đặt vào vật dẫn, chẳng hạn như dây đồng, một từ trường sẽ xuất hiện bên trong và xung quanh vật dẫn Từ trường này mở rộng khi dòng điện xoay chiều tăng lên cực đại và giảm xuống khi dòng điện giảm xuống bằng không Nếu một dây dẫn điện khác được đưa vào gần với từ trường thay đổi này, thì dòng điện sẽ xuất hiện trong dây dẫn thứ hai này đó chính làdòng điện cảm ứng hay “dòng điện xoáy”

Hình 1.4 Minh họa cuộn dây dẫn điện

Để tạo ra dòng điện xoáy để kiểm tra, một "đầu dò" được sử dụng Bên trong

Dòng điện xoay chiều được phép chạy trong cuộn dây ở tần số do kỹ thuật viên chọn cho loại thử nghiệm liên quan Một từ trường biến thiên được tạo thành bên trong và xung quanh cuộn dây khi dòng điện xoay chiều chạy qua cuộn dây Khi một vật liệu dẫn điện được đặt trong từ trường biến thiên của cuộn dây, hiện tượng cảm ứng điện từ sẽ xảy ra và trong vật liệu sẽ xuất hiện dòng điện xoáy Dòng điện xoáy chạy trong vật liệu sẽ tạo ra từ trường "thứ cấp" của chính chúng, từ trường này sẽ chống lại từ trường "sơ cấp" của cuộn dây Toàn bộ quá trình cảm ứng điện

từ này để tạo ra dòng điện xoáy có thể xảy ra từ vài trăm đến vài triệu lần mỗi giây tùy thuộc vào tần suất kiểm tra

Hình 1.5 Minh họa hiện tượng xuất hiện dòng điện xoáy

 Một trong những ưu điểm chính của dòng điện xoáy như một công cụ NDT

là có thể thực hiện nhiều loại kiểm tra và đo lường Trong những trường hợp thích hợp, dòng điện xoáy có thể được sử dụng để:

• Phát hiện vết nứt

• Các phép đo độ dày của vật liệu

• Đo độ dày lớp phủ

• Phân loại vật liệu

• Phát hiện hư hỏng do nhiệt

 Một số ưu điểm của việc kiểm tra dòng điện xoáy bao gồm:

• Nhạy cảm với các vết nứt nhỏ và các khuyết tật khác

• Phát hiện các khuyết tật bề mặt và gần bề mặt

• Kiểm tra cho kết quả ngay lập tức

• Thiết bị di động

• Đơn giản khi đo

• Đầu dò kiểm tra không cần tiếp xúc với vật liệu

• Kiểm tra hình dạng và kích thước phức tạp của vật liệu dẫn điện

 Chỉ các vật liệu dẫn điện mới có thể được kiểm tra

• Bề mặt phải tiếp cận được với đầu dò

• Cần kỹ thuật viên có trình độ

• Bề mặt độ nhám có thể gây khó khăn trong quá trình đo

• Cần có các tiêu chuẩn tham chiếu cần thiết để thiết lập phép đo

• Độ sâu thâm nhập bị hạn chế

• Không thể phát hiện được các lỗi như phân tách nằm song song với cuộn dây của cuộn dây thu và hướng quét của đầu dò

CHƯƠNG 2 ĐẦU DÒ DÒNG XOÁY

Đầu dò dòng điện xoáy là bộ phận sử dụng nguyên lý hình thành dòng điện xoáy để kích thích tạo ra dòng điện xoáy trên vật liệu đo và cảm nhận những thay đổi của vật liệu kiểm tra

Các bộ phận chính của một đầu dò dòng xoáy gồm:

 Cuộn dây (coil): gồm một hoặc nhiều cuộn dây được cuốn và sắp xếp tùy theo phương thức hoạt động, mục đích sử dụng của đầu dò

 Lò xo (spring): giúp giảm ảnh hưởng của lift off lên đầu dò

 Lõi (core): thường là lõi ferit, dùng làm khung cuốn của cuộn dây và để tập trung từ trường tại đầu dò

 Bảo vệ đầu dò (shield): bảo vệ đầu dò khỏi điện từ trường của môi trường kiểm tra

 Vỏ bao bên ngoài đầu dò: thép không gỉ, nhựa,…

Đầu dò dòng xoáy được phân loại như sau:

2.1 Phân loại đầu dò

2.1.1 Phân loại đầu dò theo phương thức hoạt động

2.1.1.1 Đầu dò tuyệt đối

Hình 2.6 Đầu dò tuyệt đối sử dụng một cuộn dây đơn

Đầu dò tuyệt đối sử dụng 1 cuộn dây đơn tạo ra dòng điện xoáy trong vật kiểm tra Các dòng điện xoáy lại tạo ra một từ trường thứ cấp chống lại từ trường của cuộn dây sơ cấp và điều này làm thay đổi điện kháng cảm ứng của cuộn dây Bằng cách đo sự thay đổi trở kháng tuyệt đối của cuộn dây, có thể thu được nhiều thông tin về vật liệu kiểm tra

2.1.1.2 Đầu dò vi sai

Đầu dò dòng điện xoáy vi sai bao gồm một cặp cuộn dây được kết nối đối lập nhau/quấn ngược nhau sao cho trở kháng hoặc điện áp cảm ứng đo được bị loại bỏ khi cả hai cuộn dây gặp điều kiện giống hệt nhau Các cuộn dây chỉ có thể cảm nhậnđược những thay đổi trong vật liệu được thử nghiệm, do đó, các đầu dò dòng điện

xoáy vi sai được sử dụng để phản ứng với những thay đổi trong vật liệu thử nghiệm đồng thời loại bỏ nhiễu và bất kỳ tín hiệu không mong muốn nào ảnh hưởng đến cả hai cuộn dây

Hình 2.2(a) cho thấy sự sắp xếp của đầu dò vi sai sử dụng 1 cuộn dây đơn quấn ngược nhau, tự so sánh và đo tại 2 vị trí khác nhau Hình 2.2(b) cho thấy sự sắp xếp của đầu dò vi sai sử dụng 1 cuộn dây quấn ngược nhau, so sánh và đo tại vật liệu kiểm tra với vật mẫu tham chiếu bên ngoài

Hình 2.7 Đầu dò vi sai sử dụng một cuộn dây đơn

Hình 2.3(a) cho thấy sự sắp xếp của đầu dò vi sai tự so sánh sử dụng 2 cuộn dây, 1 cuộn dây để tạo ra dòng điện xoáy còn cuộn còn lại để đo, 2 cuộn đều được đặt tại vật liệu kiểm tra và vật mẫu bên ngoài Ở hình 2.3(b) một cuộn dây để tạo ra dòng điện xoáy còn cuộn còn lại để đo, 2 cuộn đều được đặt tại 2 vị trí khác nhau trên vật liệu kiểm tra

Hình 2.8 Đầu dò vi sai sử dụng 2 cuộn dây

2.1.1.3 Đầu dò phản xạ

Đầu dò phản xạ gồm hai cuộn dây kết nối độc lập nhau, một cuộn dây được sửdụng để kích thích và cuộn dây còn lại được sử dụng để cảm nhận những thay đổi trong vật liệu kiểm tra

Các đầu dò sắp xếp như này còn được gọi là pickup probe, driven probe, pitch-catch probe Ưu điểm của đầu dò phản xạ là cuộn dây phát và thu có thể được tối ưu hóa riêng biệt cho mục đích của chúng Cuộn dây phát có thể được chế tạo để tạo ra từ trường mạnh và đồng đều trong vùng lân cận của cuộn thu,trong khi cuộn thu có thể được làm rất nhỏ để nó nhạy cảm với các khuyết tật rất nhỏ

driver-Một ví dụ về đầu dò phản xạ ở hình 2.4

Hình 2.9 Đầu dò phản xạ

2.1.1.4 Đầu dò lai (Hybrid Probes)

Đầu dò lai là loại đầu dò kết hợp giữa các loại đầu dò khác nhau hoặc kết hợp thêm cảm biến,… để cải thiện chất lượng đo cũng như đáp ứng cho một số ứng dụng kiểm tra cụ thể

Một ví dụ về đầu dò lai là đầu dò hình D phân tách Đầu dò này có một cuộn dây phát bao quanh hai cuộn dây thu hình chữ D Nó hoạt động ở chế độ phản xạ nhưng ngoài ra các cuộn dây thu của nó hoạt động ở chế độ vi sai Loại đầu dò này rất nhạy cảm với các vết nứt trên bề mặt

Một ví dụ khác về đầu dò lai là một đầu dò sử dụng một cuộn dây thông thường để tạo ra dòng điện xoáy trong vật liệu nhưng sau đó sử dụng một loại cảm biến khác để phát hiện những thay đổi trên bề mặt và bên trong vật liệu thử nghiệm

Ví dụ về đầu dò lai là một đầu dò sử dụng cảm biến Hall để phát hiện những thay đổi trong từ thông trên bề mặt vật liệu thử nghiệm

2.1.2 Phân loại theo ứng dụng

2.1.2.1 Đầu dò đo bề mặt (surface probe)

Hình 2.10 Đầu dò bề mặt

Đầu dò bề mặt là một trong những đầu dò dòng xoáy được sử dụng rộng rãi nhất để kiểm tra các bề mặt bằng phẳng hoặc đường viền để tìm các khuyết tật hoặc tính chất vật liệu Hình 2.5 minh họa cấu tạo cơ bản của loại đầu dò bề mặt đo các

bề mặt bằng phẳng và sản phẩm thực tế

Đầu dò bề mặt có thể được cầm tay hoặc gắn trong thiết bị quét tự động Cuộndây được gắn ở cuối đầu dò được phủ một lớp sơn epoxy để bảo vệ bề mặt khỏi bị mài mòn

Các biến thể khác của đầu dò bề mặt trên thị trường:

 Đầu dò bề mặt đo các khe, đường viền

Để đo tại các đường viền người ta tạo ra các loại đầu dò bề mặt có đường kínhnhỏ, cuộn dây được bảo vệ và được đặt ở đầu kết hợp với tay cầm được đặt ở một góc nhất định cho phép tiếp cận tốt tới các khe, đường viền

Hình 2.11 Đo bề mặt đường kính nhỏ

Hình sau minh họa một vài loại đầu dò bề mặt trên thị trường:

Các đầu dò này có đặc điểm chung đều là là đầu dò bằng thép không gỉ đa năng có thể tháo rời, các đầu này có các cuộn dây nhỏ và vỏ có đường kính nhỏ được chế tạo cho các tần số cao Chúng thường được sử dụng để phát hiện vết nứt

vỡ bề mặt hoặc gần bề mặt Chúng có sẵn với nhiều kích cỡ khác nhau và với nhiều cấu hình cuộn dây, tùy chọn đầu nối khác nhau

Riêng Pencil Surface Probe: đầu dò bề mặt bút chì được trang bị một vòng có thể điều chỉnh giúp đạt được góc tối ưu để kiểm tra và đảm bảo độ ổn định cao

 Đầu dò bề mặt giảm thiểu được nhiễu lift-off

Dòng điện xoáy thay đổi theo độ nâng của đầu dò khỏi vật liệu thử nghiệm (lift-off), khi lift off lớn làm thay đổi pha tín hiệu từ đầu dò nên pha tín hiệu khó có thể được sử dụng để đánh giá các sai sót Do đó, các đầu dò bề mặt dòng điện xoáy thông thường thường chỉ sử dụng biên độ của tín hiệu để đánh giá Tuy nhiên, biên

độ tín hiệu thay đổi không chỉ theo độ sâu của khuyết tật mà còn thay đổi theo chiềudài và chiều rộng của khuyết tật Vì vậy mà kiểm tra dòng điện xoáy bằng các đầu

dò bề mặt thông thường hầu như không được coi là một phương pháp tốt để đánh giá độ sâu của các lỗ hổng trên bề mặt

Một trong những phương pháp để loại bỏ nhiễu từ lift off trong thử nghiệm dòng điện xoáy là phát triển bộ phận thu dòng điện xoáy sinh ra bởi các khuyết tật

mà không thu trực tiếp dòng điện xoáy sinh ra bởi cuộn dây kích thích tạo ra

Đầu dò mới bao gồm một cuộn dây phát hình tròn và một cuộn dây thu tiếp tuyến hình chữ nhật được bố trí ở tâm của cuộn dây phát

Hình 2.13 Mô hình đầu dò bề mặt giảm thiểu được nhiễu lift-off

Cuộn dây kích thích tạo ra dòng điện xoáy đối xứng trong vật liệu thử nghiệm

và cuộn dây thu chỉ tạo ra tín hiệu khi một số dòng điện xoáy chạy song song với chính nó Đầu dò không tạo ra tín hiệu miễn là dòng điện xoáy cảm ứng được giữ

2.1.2.2 Đầu dò đo trong thành ống (Internal probe/ bobbin probe)

Đầu dò bên trong ống bao gồm các cuộn dây quấn xung quanh đầu dò được sửdụng để kiểm tra bên trong của ống hoặc các lỗ tròn Hình 2.9 minh họa một loại cuộn dây được đưa vào trong ống để kiểm tra các khuyết tật trên chu vi bên trong của ống Đầu dò bên trong ống tạo ra dòng điện bao quanh toàn bộ chu vi của ống

để kiểm tra toàn bộ phần xung quanh cuộn dây

Internal coil nhạy cảm hơn với các khuyết tật nằm trên hoặc gần bề mặt bên trong của ống

Hình 2.14 Đầu dò bên trong ống

Các loại đầu dò đo trong ống

Bobbin Probe

Đầu dò bobbin đáng tin cậy và có khả năng phát hiện các khuyết tật trong ống như ăn mòn, xói mòn, nứt và các thay đổi khác trong đường ống Đầu dò bobbin là loại đầu dò biến đổi trở kháng

Đầu dò này sẽ tạo ra dòng điện xoáy theo hướng chu vi của ống, nếu có

khuyết tật trong ống dòng điện xoáy sẽ bị gián đoạn và tập trung xung quanh khuyếttật, gây ra sự thay đổi trở kháng trong cuộn dây

Có 2 loại đầu dò bobbin thường được sử dụng trong kiểm tra ống: Đầu dò bobbin tuyệt đối và đầu dò bobbin vi sai

 Đầu dò bobbin tuyệt đối gồm một cuộn bobbin và một cuộn bobbin tham chiếu giống hệt nhau, được sử dụng để cân bằng điện tử và được bảo vệ điện

từ (electronic balancing and electromagnetically shielded) khỏi ống được kiểm tra

Hình 2.15 (a) Đầu dò bobbin tuyệt đối, (b) Đầu dò bobbin vi sai

 Đầu dò bobbin vi sai có hai cuộn dây được đặt ngược nhau Đường kính ngoài của đầu dò điển hình dao động từ 12 ~ 30 mm, độ dày từ 0,7 ~ 3 mm

và độ nâng từ 0,8 ~ 1,5 mm Đầu dò hoạt động với dòng điện trong một cuộndây lệch pha 180o so với cuộn dây kia Tín hiệu thu được là tổng trở của hai cuộn dây

Đầu dò bobbin ít bị ảnh hưởng bởi lift off, dao động đầu dò, thay đổi nhiệt độ

và thay đổi điện dẫn xuất của ống

Đầu dò dòng xoáy bão hòa (Full Saturation Probe)

Không thể sử dụng đầu dò bobbin thông thường để kiểm tra các ống thép không gỉ ferrous hoặc thép không gỉ có độ từ tính cao vì rất khó để trường điện từ thâm nhập vào các vật liệu sắt từ do độ từ thẩm cao của vật liệu ngăn cản sự xâm nhập sâu của dòng điện xoáy Vì vậy mà cần “bão hòa từ tính” để giảm độ từ thẩm đảm bảo độ sâu thâm nhập của dòng điện xoáy phù hợp để đầu dò bên trong phát hiện các khuyết tật bắt đầu từ bề mặt đường kính bên ngoài của ống

Bão hòa từ tính gồm bão hòa từ tính toàn bộ và bão hòa từ tính một phần (full and partial magnetic saturation)

 Để bão hòa hoàn toàn vật liệu, cần phải có nam châm vĩnh cửu mạnh hoặc cuộn dây có dòng điện một chiều cao, nhưng điều này rất khó thựchiện trong các ứng dụng thực tế

 Để bão hòa một phần vật liệu ống cần sử dụng một nam châm vĩnh cửu

và một cuộn dây bobbin được sử dụng để tạo ra dòng điện xoáy trong ống Nam châm vĩnh cửu sẽ được đặt bên trong lõi của bobbin coil

Hình 2.16 Nam châm vĩnh cửu trong ống

Đầu dò quay (Rotating Probe)

Vì đầu dò bobbin không nhạy cảm với các vết nứt và khuyết tật chu vi trong ống do đó đầu dò quay được sinh ra để khắc phục nhược điểm đó

Đầu dò quay (rotating probe) thuộc loại đầu dò biến đổi trở kháng

Hình 2.17 Minh họa khuyết tật dọc theo trục ống và chu vi ống

Có 2 loại đầu dò quay: Rotating Pancake Coil (RPC) và Plus Point (+ Point) làcác đầu dò được sử dụng để phát hiện các vết nứt dọc theo trục và theo chu vi của ống, cung cấp thông tin về hình dạng khuyết tật

Cuộn pancake và cuộn Plus Point được kết nối với động cơ và được ép vào bề mặt ống bằng lò xo, được động cơ quay theo chu vi bên trong ống (hình xoắn ốc) và

di chuyển dọc theo trục ống như trong Hình 2.13

Hình 2.18 (a) Đầu dò Rotating Pancake Coil (RPC) và (b) Đầu dò Rotating Plus Point

Coil

Đầu dò Rotating Pancake Coil thường chứa 3 cuộn pancake đặt trên bề mặt và được đặt xung quanh chu vi Đầu dò Rotating Plus Point Coil có cuộn dây Plus Point là hai cuộn dây được kết nối vuông góc với nhau

Đầu dò quay nhạy cảm với các khuyết tật của tất cả các hướng, có độ phân giải cao và độ nhạy được cải thiện để xác định đặc điểm và kích thước của các khuyết tật Tuy nhiên, nó nhạy cảm với việc nâng đầu dò (lift off) Để giảm thiểu ảnh hưởng của lift off, các cuộn pancake/Plus Point được kết nối với lò xo để giúp chúng tiếp xúc với bề mặt bên trong của thành ống

Sự quay cơ học của các cuộn dây gây ra sự mài mòn do đó đầu dò dễ bị hỏng Trong một số trường hợp thậm chí còn có cặn bên trong trên thành ống làm giảm đáng kể tuổi thọ của đầu dò do bị mài mòn Hơn nữa, các cặn từ tính này cũng có thể che khuất các tín hiệu từ các khuyết tật Vì đầu dò có kiểu quét xoắn ốc nên tốc

độ quét chậm, chậm hơn tới 200 lần so với đầu dò bobbin và đầu dò mảng, Do đó,thời gian và chi phí kiểm tra tăng lên đáng kể

Đầu dò dòng điện xoáy từ trường quay (Rotating Magnetic Field Eddy Current Probe)

Là đầu dò mới khắc phục nhược điểm của đầu dò xoay (sự quay cơ học của đầu dò, tốc độ quét chậm và dễ bị mài mòn cơ học) Đầu dò dòng điện xoáy từ trường quay hoạt động ở chế độ gửi - nhận với các cuộn dây kích từ và cuộn dây thuđộc lập

Cấu tạo của đầu dò: Cuộn dây kích từ bao gồm 3 cuộn dây hình chữ nhật giống hệt nhau nằm trên các trục cách nhau 120o và được điều khiển bởi nguồn điệnhình sin 3 pha có biên độ, pha và tần số có thể điều chỉnh được

Hình 2.19 (a) Bố trí cuộn dây ba pha và (b) Mô hình 3D của cuộn bobbin và 3 cuộn dây

kích thích bên trong ống.

Quan sát hình 2.14a, các thành phần mật độ từ thông Ba, Bb và Bc vuông góc với mặt phẳng của mỗi cuộn dây tương ứng AX, BY và CZ Vectơ mật độ từ thông tổng hợp B với biên độ không đổi, quay cùng tần số với nguồn kích thích Từ trường quay trong mặt cắt ngang của ống chủ yếu theo hướng xuyên tâm, tạo ra dòng điện xoáy trong thành ống, dòng điện này chảy vòng quanh trục hướng tâm, làm cho đầu dò nhạy cảm với các vết nứt ở mọi hướng như thể hiện trong Hình 2.15

Hình 2.20 Dòng điện cảm ứng trên thành ống sinh ra bởi từ trường quay

Tín hiệu phản hồi về các khuyết tật được thu bằng cuộn bobbin ở trung tâm, như thể hiện trong hình 2.14(b) Bất kỳ khuyết tật nào trong thành ống, dọc theo trục hay theo chu vi của ống làm xáo trộn dòng điện xoáy cảm ứng và tạo ra một thành phần dọc trục của từ trường điều đó sẽ tạo ra điện áp trong cuộn dây bobbin Điện áp cảm ứng trong cuộn bobbin sẽ gần bằng 0 nếu không có khuyết tật nào trên thành ống

Mặc dù biên độ của điện áp cảm ứng trong cuộn bobbin thay đổi tỷ lệ thuận theo độ sâu của khuyết tật nhưng pha của điện áp cảm ứng hầu như không đổi Pha của điện áp cảm ứng trong cuộn bobbin có thể được sử dụng để ước tính vị trí của khuyết tật theo chu vi trong thành ống Hình dưới thẻ hiện vị trí tương ứng ở các góc 0o, 45o, 90o, 135o, 180o, 225o, 270o và 315o xung quanh chu vi của thành ống

Hình 2.21 Vị trí của các lỗ vuông theo chu vi trên thành ống

Biên độ của điện áp cảm ứng trong cuộn bobbin do các vết nứt chu vi tạo ra nhỏ hơn một bậc so với biên độ do các vết nứt dọc trục tạo ra

Đầu dò mảng (Array Probe)

Các đầu dò mảng trên thị trường bao gồm: C-probe, X-probe, smart probe và intelligent probe

Một đầu dò mảng điển hình bao gồm một loạt các cuộn dây pancake Các cuộnpancake này tạo thành các kênh riêng biệt theo trục và theo chu vi của ống (axial and circumference channels separately) tại các khoảng thời gian khác nhau Hình 2.17(a) và 2.17(b) cho thấy các kênh kênh theo trục và theo chu vi ống của một đầu

dò mảng

Các khuyết tật dọc trục làm nhiễu loạn dòng điện xoáy gây ra bởi cuộn dây phát của kênh dọc trục và được phát hiện bởi 2 cuộn dây thu của kênh này Các khuyết tật theo chu vi ống cắt dòng điện xoáy gây ra bởi cuộn dây phát của kênh chu vi và cũng được phát hiện bởi 2 cuộn dây thu tương ứng

Các cuộn dây phát được kích hoạt bởi nguồn xoay chiều có dải tần khác nhau Các cuộn dây thu xuất hiện một hiệu điện thế cảm ứng do sự thay đổi của từ thông qua cuộn dây Đáp ứng của đầu dò mảng đối với các khuyết tật định hướng khác nhau có tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) cao hơn và nhanh hơn 10 lần so với đầu dò xoay

Hình 2.22 Dòng điện xoáy trong đầu dò mảng

 C-Probe

C-Probe C-3 là đầu dò mảng đầu tiên được Cecco chế tạo vào năm 1990, và sau đó là các đầu dò C-4, C-5 Hai mảng chu vi của cuộn dây phát và thu được bố trí với độ dịch chuyển nhỏ dọc theo chu vi để cải thiện độ phân giải dọc theo hướng chu vi, như thể hiện trong Hình

Hình 2.23 Đầu dò mảng (a) C-3, (b) C-4

 X-Probe

X-Probe được chế tạo vào năm 1990 Có số lượng cuộn dây trong mỗi hàng từ

8 đến 19 (tùy thuộc vào đường kính ống)

Các đầu dò mảng thường là sự kết hợp của X-Probe và đầu dò bobbin trên cùng một đầu dò, do đó thời gian kiểm tra giảm phần lớn và loại bỏ việc kiểm tra lạiống với các đầu dò khác nhau, như thể hiện trong hình dưới.

Hình 2.24 Hình ảnh thực tế đầu dò X-Probe

Một dãy các cuộn pancake bao phủ 360o của chu vi bề mặt ống bên trong, như trong Hình 2.20 Có ba hàng cuộn pancake với 16 cuộn trong mỗi hàng Thay vì quay một đầu dò pancake đơn lẻ theo chu vi bằng động cơ như được thực hiện trongRPC (rotating pancake coil), kỹ thuật multiplexing được sử dụng để chuyển đổi giữa các kênh theo trục và các kênh theo chu vi ống tại các khoảng thời gian khác nhau xung quanh chu vi ống

Hình 2.25 Các kênh theo trục và kênh theo chu vi của đầu dò mảng X

Hai kênh trục đầu tiên thu được bằng cách truyền từ C1 đến A1 và A2 Hai kênh chu vi đầu tiên thu được bằng cách truyền từ B1 đến B3 và B15 và từ C1 đến C3 Các cuộn dây phát và thu được kích hoạt tại các thời điểm khác nhau, cho phép mỗi cuộn dây thu nhận tín hiệu từ một cuộn dây phát tại một thời điểm Các kênh khác được tạo theo cách tương tự sau khi tăng các số lên một, tạo ra tổng cộng 32 kênh theo trục và 3 bộ 16 kênh theo chu vi

Dữ liệu được thu thập khi đầu dò được kéo dọc theo trục của ống, cung cấp thông tin khuyết tật theo chu vi và theo trục tại mỗi vị trí tương ứng Do đó, dữ liệu thu thập được ở dạng hình ảnh 2D

Đầu dò mảng có tốc độ kiểm tra nhanh hơn 10 lần so với RPC (rotating

pancake coil) Nhiều cuộn pancake giống hệt nhau được đặt cách đều nhau đảm bảo

độ nhạy bằng nhau trên toàn bộ chu vi ống

 Smart array probe

Đầu dò mảng thông minh là phiên bản cải tiến của đầu dò X với các đặc điểm khác với đầu dò X như sau:

 1 cuộn phát, 4 cuộn thu

 Mỗi cuộn dây hoạt động trên chế độ truyền hoặc nhận

 Chế độ đo theo chu vi ống với độ phân giải cao hơn

 Không cần chỉnh sửa vị trí trục

 Khe ít hơn

Hình 2.26 Smart array probe

Thiết kế mới này giúp đơn giản hóa rất nhiều mạch điều khiển, đồng thời giảmmột nửa các khoảng thời gian chuyển đổi giữa đo dọc theo trục hay đo theo chu vi của ống

 Intelligent probe

Đầu dò thông minh được chế tạo bởi Mitsubishi Heavy Industries năm 1997 Như thể hiện trong Hình 2.22, các cuộn dây phát được thiết kế đặc biệt là cuộn dây nghiêng, có hiệu quả đối với cả các khuyết tật theo trục và theo chu vi như được giải thích trong Hình 2.23 Cuộn dây thu là cuộn film mỏng được kết nối với mạch tích hợp tiền khuếch đại điện tử (build-in electronic preamplifier circuit) Đầu dò cũng kết hợp đầu dò bobbin với đầu dò mảng với nhau, nó có thể phát hiện tất cả các lỗi theo mọị hướng trong một lần kiểm tra

Hình 2.27 (a) cấu tạo đầu dò (b) đầu dò trên thị trường

Hình 2.28 Dòng điện cảm ứng trên thành ống do cuộn dây phát nghiêng tạo ra

Tóm lại, các đầu dò mảng có độ phân giải cao và tốc độ quét tương đối nhanh

so với đầu dò xoay, tuy nhiên chúng đắt tiền và có mạch điều khiển, xử lý tín hiệu phức tạp

2.1.2.3 Đầu dò đo ngoài ống (Encircling probe)

Đầu dò đo ngoài ống gồm 1 cuộn dây lõi không khí mà vật liệu thử nghiệm có thể đưa vào bên trong cuộn dây Chúng chủ yếu được sử dụng để kiểm tra bề mặt bên ngoài của vật liệu như ống và thanh Hình 2.24 hiển thị một cuộn dây bao quanh một thanh và một đầu dò thực tế kiểm tra ống Từ trường của đầu dò tạo ra dòng điện xoáy quanh toàn bộ chu vi của ống hoặc thanh

Hình 2.29 Minh họa đầu dò đo ngoài ống

Đường kính của cuộn dây mà rộng thì từ trường tạo ra sẽ bao phủ được khu vực rộng lớn, ngược lại đường kính của cuộn dây hẹp thì từ trường bao phủ khu vựcnhỏ và do đó phản ứng nhanh hơn với những thay đổi nhỏ

2.2 Bảo vệ đầu dò

Bảo vệ/ che chắn cho đầu dò cho phép sử dụng đầu dò gần các vị trí thay đổi hình học, chẳng hạn như các cạnh, hạn chế các chỉ báo sai; cho phép đầu dò chạm vào đầu đinh tán kim loại mà không bị nhiễu; cho phép phát hiện các khuyết tật nhỏ

ở khu vực có từ trường mạnh; ngăn từ trường tạo ra bởi đầu dò tương tác với các đối tượng khác trong vùng lân cận của đầu dò

Việc bảo vệ đầu dò có thể được thực hiện bằng cách sử dụng:

Magnetic shielding: sử dụng một ống bọc làm bằng vật liệu có độ từ thẩm

cao, điện dẫn xuất thấp như ferit (Mumetal và thép nhẹ, ferit) Những vật liệu này không chặn từ trường mà là hút từ trường vào chính chúng, tạo ra một đường dẫn cho các đường sức từ làm giảm việc từ trường bức xạ ra ngoài

Hình 2.30 Minh họa một đầu dò được để bảo vệ bằng lõi ferit

Lưu ý kim loại Mu là hợp kim sắt từ mềm niken-sắt có độ từ thẩm rất cao, được sử dụng để che chắn thiết bị điện tử nhạy cảm khỏi từ trường tĩnh hoặc từ trường tần số thấp, ưu điểm mu-metal là nó dẻo hơn, dễ uốn hơn và có thể gia công

được Ferit là vật liệu che chắn tốt nhất vì giúp từ trường truyền hiệu quả nhưng dẫnđiện kém, gây rất ít tổn thất dòng điện xoáy trong tấm chắn

Active shielding: sử dụng một cuộn dây hoặc hệ thống các cuộn dây để hủy

bỏ một phần từ trường trong một khu vực cụ thể

Hình 2.31 Active Shielding

Để hủy bỏ từ trường xung quanh cần sử dụng một từ trường được tạo ra bởi nam châm điện Cuộn Solenoid và cuộn Helmholtz là những loại cuộn có thể được

sử dụng cho mục đích này Cuộn Solenoid được tạo ra bởi một vòng dây dẫn điện quấn theo dạng hình trụ, khi cho dòng điện chạy qua dây thì sẽ xuất hiện từ trường khá đều trong lòng ống là hai vòng dây dẫn điện có mục đích tạo ra từ trường đều ởgiữa hai vòng dây, khi cho dòng điện chạy qua các vòng dây Cuộn Helmholtz có hai vòng tròn dẫn điện giống nhau đặt đối xứng quanh một trục chung cách nhau một khoảng cách đúng bằng bán kính của các vòng tròn, mỗi vòng tròn mang dòng điện giống nhau chạy theo cùng chiều, vùng có hình trụ nằm tại tâm đối xứng có kích thước khoảng 1/5 đường kính của các vòng tròn sẽ có từ trường khá đều

Hình 2.32 a) Cuộn Solenoid và từ trường do nó tạo ra, b) Cuộn Helmholtz và từ trường

Eddy current shielding: sử dụng vật liệu có độ dẫn điện cao nhưng không từ

tính, thường là đồng, để bao quanh cuộn dây Phần từ trường của cuộn dây cắt ngang qua tấm chắn sẽ tạo ra dòng điện xoáy trong vật liệu che chắn và không thoát

ra bên ngoài vùng được che chắn

Các đầu dò không được che chắn cho phép thâm nhập sâu hơn một chút do từ trường lớn hơn Chúng cũng có thể ít chịu ảnh hưởng của lift-off hơn Các đầu dò không được che chắn thường dùng để kiểm tra các vết nứt trên bề mặt vật liệu kim loại

CHƯƠNG 3 XỬ LÝ TÍN HIỆU ĐO VÀ HIỂN THỊ

Thông thường, thiết bị đo dòng xoáy bao gồm bộ tạo dao động, bộ khuếch đại,

bộ cân bằng, bộ lọc và bộ chỉnh pha, một máy đo DC hoặc máy giám sát X-Y Một thiết bị dòng xoáy cơ bản bao gồm các khối như hình, tuy nhiên có thể sẽ có điều chỉnh ở các trường hợp riêng biệt để có kết quả tốt nhất

Hình 3.33 Sơ đồ khối thiết bị đo ứng dụng dòng điện xoáy

3.1 Bộ tạo dao động

Tạo sóng sin ở một tần số cố định mà đi qua cuộn dây kiểm tra, có thể là sóng sin tần số đơn hoặc sóng sin kép và bộ khuếch đại, hoặc là bộ tạo xung đúng theo mong muốn Nó có thể tự kích thích phụ thuộc vào sự khống chế của trở kháng của cuộn dây

Bộ tạo dao động cần có khả năng tạo các sóng sin có tần số từ <1kHz đến 6MHz

3.2 Đầu dò

Đầu dò cuộn dây được sử dụng như thiết bị kích hoạt, là đường dây đồng đượccách ly bằng 1 khuôn phù hợp Nó tạo sự ghép nối cần thiết giữa thiết bị đo và đối tượng cần kiểm tra Dòng kích thích vào cuộn dây được cấp bởi máy tạo dao động,

mà sẽ trở thành trở kháng cơ bản của dòng xoáy vào trong vật mẫu

Nhiều loại đầu đo được sử dụng cho các chức năng cụ thể Phần lớn thiết bị đodòng xoáy sử dụng mạch cầu AC để xác định sư thay đổi của trở kháng của các cuộn dây thử hoặc giữa cuộn dây thử và trở kháng mẫu Phần lớn giá trị trở kháng

3.3 Mạch đo

Trở kháng (hoặc điện áp) của đầu đo thay đổi nhỏ khi đầu đo đi qua điểm lỗi, thông thường nhỏ hơn 1% Sự thay đổi này khó có thể được nhận biết được bằng cách đo giá trị nhất thời của trở kháng hoặc điện áp Công cụ đặc biết đã được phát triển với sự kết hợp chặt chẽ của nhiều phương pháp dò và khuếch đại các thay đổi nhỏ này

Trong khi mạch cầu AC cân bằng, sự có mặt của điểm lỗi gây ra mất cân bằng cầu tạo ra điện áp chênh lệch ở cầu Vì tín hiệu điện áp hình sin không cân bằng khó phân tích, nên được chuyển thành tín hiệu DC với biên độ và pha giống của tín hiệu AC Điều này có thể đạt được bằng cách phân tích tín hiệu AC thành các pha vuông góc và khuếch đại chúng trong khi giữ nguyên chiều của chúng

Các tín hiệu này thường được hiển thị trên thiết bị giám sát X-Y 1 vài thiết

bị dò nứt chỉ hiện thị sự thay đổi về biên độ của điện áp

Trở kháng của cuộn dây ban đầu được cân bằng với mạch cầu AC Các nhánh của mạch cầu được thể hiện dưới dạng trở kháng của một phần không xác định Đo chênh lệch điên áp bằng vôn kế Sự cân bằng được đảm bảo bằng cách điều chỉnh 1 hoặc nhiều nhánh, hiển thị 0 trên vôn kế Dòng điện sẽ chảy qua vôn

kế nếu điểm B và C có điện áp chênh lệch

Hình 3.35 Điều kiện cân bằng của mạch cầu

Các loại mạch cầu cân bằng trong phương pháp đo bằng dòng xoáy: mạch cầu cho phương pháp tuyệt đối và mạch cầu cho phương pháp vi sai

Hình 3.36 (a) Mạch cầu cho phương pháp tuyệt đối, (b) Mạch cầu cho phương pháp vi sai

3.4 Khuếch đại và bộ lọc

Các bộ khuếch đại tín hiệu được thiết kế tuỳ ứng dụng, phụ thuộc vào vị trí của chúng trong quá trình xử lý tín hiệu Chúng phải điều chỉnh được tần số trong dải tần MHz đến tín hiệu bất thường có thể xuống DC Tín hiệu được khuếch đại có thể từ uV đền hàng chục V để hiển thị

Bộ khuếch đại được phát triển theo mạch cầu nên cần phải sử dụng bộ trừ để tạo tín hiệu ra phụ thuộc vào sự chênh lệch điện áp của 2 đầu vào Nó cũng có thể

có phần tử cách ly như bộ biến đổi để chuyển độ chênh lệch tín hiệu về 1 tín hiệu với gốc là đất và sau đó có thể sử dụng bộ khuếch đại “single-end” Đầu ra của bộ

khuếch đại trừ có thể coi là “single-end”, các bước khuếch đại sau đó thường là

“single-end”

Trong các công cụ cho nhiều mục đích, biên độ của tín hiệu đầu ra mạch cầu được điều khiển bởi độ lợi điều chỉnh (độ nhạy) Kỹ thuật “xử lý trước khuếch đại” (pre-amplification) thường được sử dụng để tăng độ nhạy bằng cách tăng điện áp đầu đo

Hình 3.37 Tín hiệu khi được xử lý

Bộ lọc chính xác có thể cải thiện khả năng hiển thị của tín hiệu khuyết tật, nhưng có thể làm sai lệch tín hiệu tín hiệu thậm chí loại bỏ hoàn toàn tín hiệu khuyết tật Hai bộ lọc được sử dụng trong hầu hết các thiết bị là "Bộ lọc thông cao" (HPF) và "Bộ lọc thông thấp" (LPF) Một số thiết bị cũng có ‘Bộ lọc thông dải’ (BPF), là một bộ lọc thông cao và thông thấp kết hợp

Chức năng chính của LPF là loại bỏ tạp âm nhiễu tần số cao Tiếng ồn này cóthể đến từ nhiều nguồn khác nhau bao gồm cả thiết bị đo và / hoặc chính đầu dò HPF được sử dụng để loại bỏ các tần số thấp được tạo ra bởi những thay đổi chậm, chẳng hạn như sự dịch chuyển độ dẫn điện trong vật liệu

Hình 3.38 Tín hiệu trước và sau khi lọc

3.5 Giải mã

Sau khi bộ biến đổi tín hiệu đã khuếch đại đến mức độ phù hợp, tín hiệu cần được trích ra quá trình điều chế cưỡng bức trên nó bằng các điểm gián đoạn của đối tượng kiểm tra

Loại đơn giản nhất là máy đo biên độ (biến điệu đường bao bao gồm 1 diode,

bộ lọc thông thấp và thỉnh thoảng có 1 bộ đo đỉnh) Máy đo này cho đầu ra là biên

độ tín hiệu nhưng tách biệt với pha của chúng Máy dò độ nhạy pha được sử dụng

để tái tạo dữ liệu được lưu trữ ở trong góc pha của tín hiệu

Thiết kế của máy dò và sự lựa chọn khuếch đại trước và sau việc do bị ảnh hưởng bởi một vài sự xem xét về thiết kế (tính tuyến tính, phản hồi nhất thời hay quá độ, mức độ nhiễu, và tín hiệu đầu ra lái)

3.6 Hiển thị

Khi 1 thiết bị kiểm tra có bảng chỉ dẫn nhỏ, hiển thị nhiều hơn 1 thông số là cần thiết Một màn hình X-Y cho phép phản hồi của các kiểm tra chi tiết để có thể phát hiện các sự hiển thị ảo

Một màn hình cho phép nhận phản hồi của các tín hiệu gây ra do đặc điểm cần đo Màn hình có nhiều kiểu để lựa chọn loại tín hiệu phụ thuộc vào bản chất và mục đích của bài kiểm tra Loại hiển thị: Hiển thị hình elip; Hiển thị tuyến tính trên miền thời gian; Hiển thị mặt phẳng trở kháng (phương pháp sử dụng điểm vecto)

3.6.1 Hiển thị hình elip

Đầu ra của các bộ khuếch đại AC từ cuộn dây kiểm tra được áp dụng trực tiếp vào hiển thị mà không cần máy dò Tín hiệu theo hướng ngang không phải tín

Hình 3.39 Hiển thị hình Elip

Đặc điểm của các đối tượng kiểm tra như kích thước, tính dẫn điện, tính thấm

từ, các vết nứt bề mặt có thể được xác định bằng các hình trên màn hình hiển thị

3.6.2 Hiển thị tuyến tính trên miền thời gian

Sử dụng việc “quét tuyến tính miền ngang” với thời gian bằng 1 chu kỳ của sóng sử dụng Tín hiệu được điều chế không được hiển thị mà hiển thị trực tiếp sóng mang được khuếch đại Sự khác nhau với hiển thị elip là nó hiển thị sóng hình răng cưa thay vì sóng hình sin như hiển thị elip

3.6.3 Hiển thị mặt phẳng trở kháng (Phương pháp sử dụng điểm vecto)

Hiển thị X-Y là hoàn thiện và dễ dàng nhất để biểu thị điện áp với các dạng hiển thị như: “impedence plane”, “vector point”, “phase display” (hiển thị pha)

Với loại hiển thị này, vị trí của phần biểu diễn trên màn hình hiển thị được làm để thể hiển trở kháng của đầu đo mạch cầu thành trục thực và ảo

Hình 3.40 Hiển thị mặt phẳng trở kháng

Máy tạo dao động cấp cho đầu đo mạch cầu và đầu ra mạch cầu được kết hợp với tín hiệu giới hạn sóng mang, cho phép người điều hành kiểm tra có thể thay đổi trường nhìn trên màn hình đến bất kỳ điểm nào trên mặt phẳng trở kháng 1 người cho phép chuyển động theo trục ảo, 1 người cho trục thực Kết quả là tương đương

với sự di chuyển của trường nhìn bằng cách vận hành giai đoạn điều chỉnh cơ học

mà đặt đối tượng để kiểm tra

Hình 3.41 Tín hiệu sau khi được lọc

Việc điều chỉnh sóng mang để lấy được tín hiệu lái từ các mạng lưới chuyển pha kết nối với sóng mang của bộ tạo dao động Bộ khuếch đại sóng mang làm tăng

sự cân bằng của tín hiệu điện áp từ bộ biến đổi

Ở độ khuếch đại rất lớn, một phần nhỏ của mặt phẳng trở kháng được hiện trên màn hình Tín hiệu đầu ra từ bộ khuếch đại được áp vào trong một cặp máy dò pha và chuyển qua bộ khuếch đại theo trục dọc hoặc ngang để điều chỉnh màn hình Đầu ra của máy dò pha phản ứng với phần tử đo đo tín hiệu bằng dòng xoáy nằm theo 1 hướng nhất định trên mặt phẳng trở kháng Máy dò pha sẽ nhận được tín hiệumẫu của chúng từ bộ dịch pha mà có nhiều góc pha (từ 0 – 360), nhưng luôn cách nhau 90 độ

Hình 3.42 Mô phỏng hiển thị bằng mặt phẳng trở kháng

Kênh dọc bao gồm các phần tử tín hiệu nằm theo hướng vuông góc (trên mặt phẳng trở kháng) so với hướng được chọn ở kênh ngang Bộ ADC được sử dụng và tần số lấy mẫu sẽ gây ảnh hưởng đến dạng hiển thị mặt phẳng trở kháng thu được

Hình 3.43 Ảnh hưởng của ADC