Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Сибирский государственный университет путей сообщения»

ОСНОВЫ вихретокового

НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ

Учебное пособие

Власов К.В., Бобров А.Л.


Новосибирск 2015

Содержание

1. Электрический ток и его параметры	3
2. Магнитные поля и их взаимодействие с электрическим током	10
3. Вихревые токи в электропроводящих материалах	16
4. Вихретоковые преобразователи	23
5. Вихретоковые дефектоскопы	29
6. Технологические операции вихретокового контроля	32
7.	46

1. 
   Электрический ток и его параметры
   

Электрическим током называется явление упорядоченного (направленного) движения элементарных частиц, обладающих электрическим зарядом.



а) б)

Рисунок 1.1 – движение электрически-заряженных частиц: (а) – хаотическое, (б) – упорядоченное
1.1. Плотность тока

Электрический ток в неограниченной токопроводящей среде, характеризуется плотностью – количеством электричества (зарядом) проходящим через единицу площади за единицу времени.



где j – плотность тока, q – электрический заряд, s – площадь через которую проходит заряд, t – время.

Плотность тока может быть одинаковой в сечении изделия, что характерно для постоянного така, а может быть неравномерной – что можно наблюдать у переменного тока.



а б

Рисунок 1.2 – Плотность тока: (а) – меньшая, (б) – большая

---

1.2 Сила тока

В ограниченной токопроводящей среде (проводе) направленное движение частиц характеризуется силой тока. Сила тока определяется общим зарядом, проходящим через поперечное сечение проводника (вне зависимости от его площади) за единицу времени.



где I – сила тока, q – электрический заряд, t – время.

Носителями зарядов, обуславливающими возможность протекания тока, являются свободные электроны – отрицательно заряженные частицы. Единицей измерения силы тока в системе СИ является ампер [A].


Рисунок 1.3 – электрический ток в проводнике
1.3 Постоянный и переменный ток

Электрический ток, который с течением времени не изменяется по величине и направлению называется постоянным.



Рисунок 1.4 – зависимость силы тока от времени для постоянного тока
Электрический ток, который изменяется с течением времени по величине и (или) направлению называется переменным.

В электротехнических устройствах переменный ток, как правило, подчиняется гармоническому синусоидальному закону:

I = I_msin (ωt),

где I – мгновенное значение тока (в каждый конкретный момент времени), I_m – максимальное (амплитудное) значение тока, ω = 2πf – круговая частота, f – частота колебаний (полных циклов) тока или, другими словами, количество колебаний за единицу времени.

Частота – величина обратная периоду колебаний:

f = ,

где Т – период или время одного полного колебания (цикла).



Рисунок 2.5 – Зависимость силы переменного тока от времени
Прибор, измеряющий силу тока в электрической цепи, называется амперметром.

Амперметр включается последовательно с элементом, через который протекает измеряемый ток.



Рисунок 1.6 – Схема включения амперметра

---

1.4 Электрическое напряжение

Электрическое напряжение – физическая величина, значение которой равно отношению работы электрического поля, которая совершается при переносе пробного электрического заряда из одной точки в другую.



где .

В электрической цепи напряжение – это разница электрических потенциалов.

В системе СИ единицей напряжения является Вольт [В].

Под действием напряжения (например аккумуляторной батареи с разницей потенциалов на ее зажимах φ₊ φ_-) в замкнутой электрической цепи будет протекать электрический ток.



Рисунок 1.7 – напряжение на зажимах аккумуляторной батареи
С другой стороны, при протекании тока через пассивный элемент электрической цепи (например лампа накаливания) на его зажимах возникает разница электрических потенциалов – напряжение.



Рисунок 1.8 – падение напряжения на зажимах элемента при протекании через него тока

Прибор, измеряющий напряжение в электрической цепи называется вольтметром. Вольтметр подключается параллельно к элементу цепи, напряжение на котором требуется измерить.



Рисунок 1.9 – схема включения вольтметра
1.5 Сопротивление и проводимость

Сопротивление и проводимость характеризуют способность веществ и элементов электрической цепи оказывать влияние на протекающий через них ток.

Сопротивление – способность элемента электрической цепи препятствовать протеканию электрического тока. Самым распространенным является активное сопротивление, которое препятствует току любого вида (постоянному, переменному и т.п.) зависит от геометрических размеров элемента и от электропроводных свойств материала, из которого изготовлен элемент. Так активное сопротивление электрического провода определяется:

R =

---

,

где ρ – удельное сопротивление материала провода, l – длина провода, s – площадь поперечного сечения.

Единицей измерения сопротивления является Ом [Ом].

Преодолевая сопротивление провода ток совершает работу по преобразованию электрической энергии в тепловую. Провод нагревается.

Удельное сопротивление материала характеризует способность данного вещества препятствовать протеканию электрического тока. Единицей измерения удельного сопротивления является Ом умноженное на метр [Ом·м].

Проводимость – величина обратная сопротивлению, характеризует способность элемента электрической цепи пропускать электрический ток.

g = ,

Единицей измерения проводимости является Сименс [См].

Удельная проводимость σ – величина обратная удельному сопротивлению, характеризует способность данного вещества пропускать электрический ток. Единицей измерения удельной проводимости является Сименс деленное на метр [См/м].
1.6 Классификация веществ по электропроводным свойствам

Все вещества по электропроводным свойствам можно разделить на три класса в зависимости от величины удельного сопротивления.

Проводники – удельное сопротивление ρ < 10^-5 Ом·м

Диэлектрики – ρ >10⁸ Ом·м

Полупроводники– 10^-5 < ρ >10⁸ Ом·м (удельное сопротивление изменяется в широких пределах в зависимости от внешних условий).

1.7 Полное сопротивление

В цепях переменного тока помимо активного сопротивления R (сопротивление – на котором происходит процесс преобразования электрической энергии в другой вид, например, чаще всего в тепло) могут действовать реактивные сопротивления:

Сопротивление катушки индуктивности X_L – реактивное индуктивное;

Сопротивление конденсатора X_C – реактивное емкостное.

На реактивных элементах происходит преобразование электрической энергии в энергию магнитного поля вокруг проводника (индуктивное сопротивление) или перераспределение параметров электрической энергии во времени (емкостное сопротивление). Таким образом реактивные элементы просто обмениваются энергией с источником.

Полное сопротивление электрической цепи определяется как векторная сумма всех сопротивлений:

---

Z =

Единицей измерения любого сопротивления вне зависимости от его характера является Ом.
1.8 Емкостное сопротивление

Емкостное сопротивление связано с обменом электрической энергией между токопроводящими элементами, находящимися на близком расстоянии. Например витки катушки влияют друг на друга и перераспределение этой энергии влечет за собой дополнительное сопротивление току. Другое дело, что такое сопротивление очень мало по сравнению с активным и индуктивным, поэтому на упрощенном уровне емкостным сопротивлением в вихретоковом контроле пренебрегают. Хотя при расчете вихретковых преоразователей и параметров электрических цепей вихретоковых приборов емкостную составляющую обязательно следует учитывать.
1.9 Закон Ома

Соотношение между током напряжением и сопротивлением в электрической цепи устанавливает закон Ома:

I = .

В цепях постоянного тока присутствует только активное сопротивление R, поэтому в формуле закона Ома для постоянного тока можно использовать его.
1.10 Амплитуда и фаза.

Переменные электрические величины, изменяющиеся по гармоническим законам, характеризуются частотой, амплитудой и фазой (рис. 1.10) колебаний.

Амплитуда – это наибольшее значение переменной величины, которого она достигает за период колебаний. Амплитуда измеряется в единицах переменной величины, например тока или напряжения.

Фаза – это время (доля периода и тогда ее можно выражать в угловых единицах, как на рис. 1.12) прошедшее с момента начала колебания, так как круговая частота ω при гармонических колебаниях величина постоянная.

I = I_msinωt+ψ,

где ψ – фаза колебаний относительно нуля начала колебаний. Обычно для переменного тока понятие начала колебаний абстрактно и фаза является мерой смещения колебаний например тока относительно напряжения или напряжений двух взаимодействующих катушек.

Период колебаний T – время за которое колеблющаяся величина возвращается в исходное положение. Период связан с круговой частотой и частотой колебаний соотношением:





Ψ₁ = T/8 = π/4 = 45⁰;

Ψ₂ = T= 2π= 360⁰

---

Смотрите также файлы

• практическая работа.docx

• Издание официальн.docx

• 1269 жылы Талас зеніні бойында лкен рылтай тіп, ондаы Жошы, гедей, Шаатайды рпатары лы Моол империясынан блініп, енші алып, наты шекараларын белгілеген болатын.docx

• Тесты к экзамену по анатомии человека белгород 2010 2 Тверской А. В., Должиков А. А., Крикун Е. Н.pdf

• Коллизионная норма используется юрисдикционными органами для решения вопроса о том, право какого государства подлежит применению. Государственные суды применяют отечественные коллизионные нормы.docx