渦電流探傷試験: EMS における異なる励起周波数と亀裂サイズのプローブの三次元解析。

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渦電流探傷試験

渦電流探傷試験 (ECT) は、電磁誘導に基づく非破壊検査 (NDT) 方法です。その主な用途は表面検査であり、その目的は、試料の表面および表面下の欠陥を検出することです。

単一素子の ECT プローブには、AC 電源から励起される導線のコイルがあります。このコイルは、周囲の空間に交流磁場を生成します。コイルの磁場は、近くの導電性材料に渦電流を誘導します。渦電流の方向は、その磁場がコイルによって生成された磁束と反対になるようなものです。材料の欠陥により、導電率と透磁率が変化し、渦電流とコイルから見たインピーダンスが変化します。

図 1 -渦電流試験の原理

問題の説明

この例は、コイルによってスキャンされる導体プレートで構成されています。プレートの亀裂は、コイルのインピーダンスの変化によって検出されます。さまざまな亀裂サイズと励起周波数は、いくつかのシナリオの下でコイルの挙動を研究するのに役立ちます。EMS の結果は、実験的テストによって検証されます。

以下は、解析されたプローブの 3D モデルです。この例を解決するために、パラメトリック AC磁場解析が使用されます。コイルのインピーダンスは、2 mm のステップでさまざまなコイル位置について測定されます。

図 2 -シミュレートされた NDT の例の CAD モデル

図 3 は、モデルの構造パラメーターを示しています。亀裂の幅と深さはそれぞれ 2mm と 1.3mm です。 12 mm と 8 mm の 2 つの異なる亀裂長が解析されています。

図 3 -モデルの構造パラメータ

スタディ

EMSのAC磁場モジュールは、磁束密度、渦電流密度、正弦波励磁の損失密度などの結果を計算するために使用されます。 EMS によって得られるその他の結果は、総渦電流損失、ジュール損失、インピーダンス行列などです。この例では、パラメトリック解析により、コイルの各位置のインピーダンスが得られます。

1. 新しいAC磁場スタディを作成する
2. パーツに適切な材料を適用する
3. 適切なコイル (電圧駆動または電流駆動) を適切な励起で適用します。
4. メッシュを作成して解析を実行する

材料

コイルもプレートも銅製です。以下は、銅とプレートとコイルを取り巻く空気の特性です。

表 1 -銅の特性

コイル

ここでのセンサーはコイルです。表 2 にコイルの特性を示します。

表 2 -コイルの特性

メッシュ

メッシュは、すべてのFEM解析にとって重要です。結果の精度と解決時間は、メッシュサイズに大きく依存します。 FEA理論によると、メッシュが細かい (要素サイズが小さい) モデルは非常に正確な結果を生成しますが、計算時間が長くなります。一方、メッシュが粗い (要素サイズが大きい) モデルでは、結果の精度は低下しますが、計算時間は短縮されます。モデルの全体的なサイズを推定した後、EMS によってメッシュを自動的に生成できます。また、EMS では、メッシュ調節のオプションによって固体と面のメッシュサイズを制御できるため、メッシュ作成の柔軟性が向上します。この例では、コイルを囲む小さな空気にメッシュ コントロールが適用されます。亀裂内の空気も細かくメッシュ化されており、最大要素寸法は 0.1 mm です。図 4 は、最終的なメッシュを示しています。

図 4 -メッシュ モデル

EMS結果

亀裂の長さ 12 mm、コイル リフトオフ 0.13 mm、励起周波数 50 kHz でパラメーター化された解析を実行すると、結果が得られます。 EMSのパラメトリック解析により、ユーザーは構造パラメーターまたは解析パラメーター (電流、巻数、周波数、メッシュ サイズなど) の間でスイープできます。すべてのシナリオの結果は1つの調査で提供されます。

図 5 に亀裂のないモデルの電流密度分布を示します。渦電流は表皮深さ内に集中します。図6は、コイルがき裂の中心の真上にあるときの電流密度分布を示しています。

図 5 -亀裂のないプレートの場合の電流密度分布

図 6 -亀裂のあるプレートの場合の電流密度分布

コイル（プローブ）は、亀裂の長さの方向にプレートをスキャンします。問題のサイズを制限するために対称性が使用されるため、コイル位置の半分のみがシミュレートされます。コイルのインピーダンスは、各ステップで測定されます。図 7 は、インピーダンスが亀裂の中心で最大値であることを示しています。図 8 では、EMS と実験結果を比較しています [1]。解析結果は測定値に非常に近いものです。

図 7 -コイル センサーのインピーダンス変動


図 8 -インピーダンス変動に関する EMS と実験結果の比較 (50kHz および 12 mm の亀裂長)

図 9 は、EMS と実験結果のインピーダンスの絶対変化を表しています。次の式で示すように計算できます。

図 9 -絶対インピーダンス変動に関する EMS と実験結果の比較 (50kHz および 12 mm の亀裂長)

亀裂サイズと受信信号の関係

亀裂のサイズは、センサー スキャン中のインピーダンスの動作に影響します。図 10 は、2 つの異なる亀裂の長さに対するインピーダンスの変化の比較を示しています。亀裂の長さが長い場合のインピーダンスの変化はより重要であり、より簡単に検出できます。

図 10 -さまざまな亀裂の長さに対するインピーダンスの変化

図 11 に示すように、EMS 解析結果は実験結果と非常によく一致しています。

図 11 -亀裂長 8 mm の絶対インピーダンス変動

励起周波数と受信信号の関係

コイルは異なる周波数で励起できます。 EMS と図 12 の実験結果は、周波数が高いほど亀裂の検出が容易であることを示しています。実際、この推定は、周波数と表皮深さの関係によって説明できます。以下の式は、表皮深度に依存するパラメータを示しています。

ここで、f は励起信号周波数です。 は材料の導電率、 素材の透磁率です。

表皮深さは周波数に反比例します。したがって、周波数が高いほど表皮深さが浅くなります。その結果、生成された渦電流はプレート表面およびセンサーに近くなります。この渦電流によってより高い磁束が生成され、より多くのプローブに影響を与えます。ここでも、EMS 計算と測定データは非常によく一致しています。

図 12 -異なる周波数での絶対インピーダンス変動の EMS および実験結果

リフトオフ距離と受信信号の関係

コイル センサーと試料表面の間の距離は、正確な亀裂検出にとって重要です。図 13 に示すように、絶対インピーダンスの変化はリフトオフが小さいほど顕著です。

図 13 -異なるリフトオフ距離に対する絶対インピーダンス変動の EMS 結果

結論

EMS は、さまざまな電磁 NDE システムの性能を正常に解析できます。提示された例は、特に、表面検査に使用される渦電流検出器の特性評価に対する EMS の機能を示しています。センサーと試料のすべての重要な機能を簡単に考慮に入れます。 EMS の結果は、実験データとの比較によって確認されます。

参考文献

[1]:Hamel Meziane.2012. Etude et réalisation d ‘un dispositive de détection de défaut par méthodes électromagnétiques.