Файл: Методические указания по выполнению лабораторной работы по дисциплине "Электромагнитный контроль и диагностика".docx
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 05.12.2023
Просмотров: 47
Скачиваний: 1
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет»
Инженерная школа неразрушающего контроля и безопасности
УТВЕРЖДАЮ:
Директор ИШНКБ
______________ Д.А. Седнев
“_____”______________ 2021 г.
ИССЛЕДОВАНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ЗАВИСИМОСТЕЙ ВНОСИМОГО НАПРЯЖЕНИЯ НАКЛАДНОГО ВИХРЕТОКОВОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ОТ СВОЙСТВ ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩЕГО ОБЪЕКТА
Методические указания по выполнению лабораторной работы
по дисциплине “Электромагнитный контроль и диагностика”
ТОМСК 2021
Лабораторная работа
Исследование функциональных зависимостей вносимого напряжения накладного вихретокового преобразователя от свойств электропроводящего объекта
-
Краткие сведения из теории.
Методы вихретокового контроля основаны на возбуждении в электропроводящих объектах переменным магнитным полем вихревых токов и зависимости параметров этих токов от свойств объекта.
Параметры вихревых токов – амплитуда, фаза, пространственное распределение зависят от геометрических размеров, формы и структурных особенностей электропроводящего объекта, электромагнитных характеристик материала, взаиморасположения объекта и источника возбуждающего магнитного поля, частоты и амплитуды тока возбуждения.
В качестве источника переменного магнитного поля в большинстве случаев используется обмотка с переменным электрическим током (обмотка возбуждения, ток возбуждения).
Измерительная информация о параметрах вихревых токов может быть получена путем измерения характеристик их магнитного поля с помощью дополнительной измерительной обмотки (
трансформаторное измерительное преобразование), либо с помощью той же обмотки, что используется для возбуждения магнитного поля (параметрическое измерительное преобразование).
В случае трансформаторного преобразования (рис. 1а) выходным электрическим сигналом, отражающим свойства электропроводящего объекта, является комплексное электрическое напряжение
измерительной обмотки. В случае параметрического преобразования (рис. 1б) электрическим сигналом, отражающим свойства электропроводящего объекта, является комплексное электрическое сопротивление 
обмотки индуктивности. В дальнейшем будем рассматривать только трансформаторный вариант вихретокового измерительного преобразователя (ВТП), используемый в данной работе.Устройство, состоящее из одной или нескольких обмоток, предназначенных для возбуждения в объекте контроля вихревых токов и преобразования зависящего от параметров объекта электромагнитного поля в сигнал преобразователя, называется вихретоковым преобразователем (ВТП).
По рабочему положению относительно объекта измерения (контроля) ВТП делят на проходные, накладные и комбинированные.
Составные элементы накладных преобразователей располагаются с одной стороны объекта измерения.
Проходные преобразователи в процессе измерения либо охватывают объект снаружи (наружные проходные), либо помещаются внутри объекта (внутренние проходные), либо погружаются в жидкий объект (погружные).
Комбинированные преобразователи представляют собой конструкцию из накладных и проходных преобразователей.
Особую разновидность представляют собой экранные преобразователи, отличающиеся тем, что их составные элементы, создающие и воспринимающие физическое поле, разделены контролируемым объектом.
По характеру зависимости выходного сигнала первичного измерительного преобразователя от преобразуемого параметра объекта измерения различают абсолютный и дифференциальный измерительные преобразователи.
Выходной сигнал абсолютного измерительного преобразователя определяется абсолютным значением преобразуемого параметра объекта измерения (термин абсолютный здесь используется в значении безотносительный, безусловный).
Термин
дифференциальный происходит от английского different различный, разностный. Условно можно считать, что дифференциальный измерительный преобразователь состоит из двух однотипных абсолютных преобразователей, на которые преобразуемая величина воздействует по-разному, а результирующий выходной сигнал определяется разностью выходных сигналов отдельных преобразователей. Дифференциальные измерительные преобразователи, а также дифференциальное включение отдельных абсолютных измерительных преобразователей используют для корректировки функции преобразования (в том числе с целью обеспечения нулевого значения выходного сигнала при нулевом значении преобразуемого параметра, повышения линейности функции преобразования), а также компенсации влияния на результат преобразования какого либо мешающего фактора.
При трансформаторном преобразовании напряжение измерительной обмотки
(рис. 1а) обусловлено не только магнитным полем вихревых токов, но и непосредственно возбуждающим магнитным полем обмотки возбуждения. Составляющая напряжения измерительной обмотки, обусловленная непосредственным действием возбуждающего магнитного поля, называется начальным напряжением ВТП 
. Составляющая напряжения измерительной обмотки, обусловленная действием магнитного поля вихревых токов, называется вносимым напряжением ВТП 
. Таким образом:
. (1)Отсчет сдвига фаз комплексных напряжений осуществляется от фазы тока возбуждения. Таким образом, вектор тока возбуждения на комплексной плоскости совпадает по направлению с действительной осью. Направление вектора начального напряжения
на комплексной плоскости для идеального трансформаторного ВТП и большинства реальных преобразователей совпадает с направлением мнимой оси.Для исключения влияния на результат трансформаторного преобразования амплитуды тока возбуждения
нормируют по начальному напряжению:
(2)
где
относительное вносимое напряжение.Реакцию трансформаторного вихретокового преобразователя на возбуждаемые в электропроводящем объекте вихревые токи изображают на комплексной плоскости
точкой, координаты которой соответствуют координатам конца вектора , а проекции на оси координат – действительной 
и мнимой 
составляющим относительного вносимого напряжения.В случае необходимости комплексные составляющие относительного вносимого напряжения могут быть преобразованы в его амплитуду
и фазу :
(3)Зависимость комплексных составляющих относительного вносимого напряжения от геометрических и электромагнитных параметров проводящего объекта наиболее удобно представить с помощью годографов.
Годограф относительного вносимого напряжения линия на комплексной плоскости, вычерчиваемая концом вектора относительного вносимого напряжения при изменении какого-либо геометрического или электромагнитного параметра проводящего объекта, либо частоты тока возбуждения.
На рис. 2 показаны годографы относительного вносимого напряжения вихретокового преобразователя, расположенного над электропроводящим немагнитным полупространством (листом либо пластиной, толщина которой значительно превосходит глубину проникновения электромагнитного поля) от изменения удельной электрической проводимости материала , частоты тока возбуждения , зазора h между обмотками и поверхностью объекта. При этом принималось, что обмотка возбуждения и измерительная обмотка имеют одинаковый радиус R, малое поперечное сечение и расположены настолько близко друг к другу, что можно считать расстояние от них до поверхности объекта одинаковым.
Поскольку ряд влияющих параметров оказывает одинаковое влияние на величину
, то это дает возможность объединить их в один обобщенный параметр 
.Все годографы рис. 2 находятся только в четвертом квадранте комплексной плоскости, что характерно для всех случаев взаимодействия возбуждающего магнитного поля с немагнитными электропроводящими объектами.
Годографы от изменения для разных значений зазора h показаны на рисунке сплошными линиями. С увеличением (эквивалентно увеличению R, , ) и фиксированном значении h вектор вносимого напряжения описывает своим концом некоторую гладкую кривую, начинающуюся в начале координат и заканчивающуюся на мнимой оси. Таким образом, при возрастании происходит монотонное увеличение как амплитуды, так и фазы (сдвига фаз между напряжением и током) относительного вносимого напряжения. С увеличением зазора наблюдается монотонное уменьшение амплитуды относительного вносимого напряжения по закону близкому экспоненциальному. При этом фаза относительного вносимого напряжения изменяется незначительно. Соответственно годографы от изменения зазора представляют собой линии, близкие прямым (показаны на рисунке штрихпунктирными линиями).
Таким образом, анализ приведенных на рис. 2 зависимостей показывают, что вихретоковое измерительное преобразование может быть использовано для бесконтактного измерения удельной электрической проводимости материала и непроводящего зазора между электропроводящим листом и вихретоковым преобразователем (например, для измерения толщины непроводящих покрытий на электропроводящих основаниях).
На рис. 3 показаны годографы относительного вносимого напряжения вихретокового преобразователя, имеющего такие же, как и в предыдущем случае обмотки и расположенного над электропроводящей немагнитной пластиной (листом) от изменения толщины пластины t. Зазор h между обмотками и поверхностью объекта в данном случае принимался равным нулю. Сплошной линией показан годограф от изменения обобщенного параметра для предельного случая t , а штрихпунктирной – для случая t 0.
Годографы от изменения t в интервале 0…, показанные на рисунке пунктирными линиями, лежат в области комплексной плоскости, ограниченной вышеназванными линиями. Анализ этих годографов показывает, что при увеличении толщины пластины наблюдается возрастание амплитуды и сдвига фаз относительного вносимого напряжения
. Зависимости от толщины пластины амплитуды и фазы относительного вносимого напряжения