 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
|
|
|
|
|
|
|
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 .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 = Imsin (ωt),
где I – мгновенное значение тока (в каждый конкретный момент времени), Im – 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 .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 XL – реактивное индуктивное;
Сопротивление конденсатора XC – 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 = Imsinωt+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 (00)
Рисунок 1.10 – понятие фазы колебаний
Приняв за начало отсчета момент начала колебаний одной из синусоидальных величин, изменяющихся с одной частотой (например напряжения) можно определить время (угол) отставания или опережения по фазе другой или других величин (например тока).
Рисунок 1.11 – Сдвиг фазы колебаний двух величин (а) – величины имеют одинаковую фазу (находятся в фазе), (б) – одна величина (ток) отстает по фазе на 900 (сдвиг по фазе), сдвиг по фазе составляет 1800 (величины находятся в противофазе)
1.11 Векторные диаграммы
Оперировать гармоническими величинами, представленными в виде синусоидальных функций, оценивая их взаимодействия, практически неудобно. Поэтому для анализа переменных электрических величин используют векторные диаграммы.
Гармонические функции при этом изображают векторами, вращающимися относительно начала прямоугольной системы координат, против часовой стрелки с угловой скоростью ω. При этом всегда можно осуществить переход от синусоиды к вектору и наоборот (рис. 1.12).
Рисунок 1.12 – Переход от синусоидальной формы представления гармонических величин к векторной.
Чтобы не изображать множественные положения вектора в различные моменты времени при построении векторных диаграмм изображается положение векторов соответствующее нулевому моменту времени.
Длина вектора – это амплитудное значение гармонически изменяющейся величины (например напряжения Um), а проекция вектора на вертикальную ось – мгновенное значение. Скорость вращения вектора определяется круговой частотой, за один период колебаний синусоиды вектор делает один полный оборот.
1.12 Операции над векторными величинами
Сложение двух векторов выполнить гораздо проще, чем сложение двух синусоид. Рассмотрим сложение э.д.с. двух последовательно включенных катушек. При сложении векторов используем правило параллелограмма. Результирующая э.д.с. представлена диагональю образованной фигуры. Длина полученного вектора соответствует величине суммарной э.д.с., суммарная э.д.с. имеет свой сдвиг по фазе.
а б
Рисунок 1.13 – Векторное сложение э.д.с. двух катушек (а) – схема соединения катушек, (б) – векторная диаграмма
Таким образом, любой вектор задается двумя величинами: длиной и углом поворота. Для удобства вычислений под длиной вектора понимают не амплитуду синусоидальной функции, а действующее значение (напряжения или тока). Угол показывает сдвиг фазы относительно начала координат.
Магнитные поля и их взаимодействие с электрическим током
2.1 Магнитное поле
Вокруг любого движущегося электрического заряда (в том числе вокруг проводника с током) возникает магнитное поле. Причина возникновения магнитного поля – движущийся электрический заряд!
Магнитное поле принято условно обозначать силовыми линиями. Силовая линия это – линия, соединяющая точки, в которых вектор напряженности магнитного поля направлен по касательной. Силовые линии всегда замкнуты, никогда не пересекаются и могут распространяться в любой среде. Силовые линии магнитного поля стремятся замыкаться в плоскости перпендикулярной направлению тока.
Магнитное поле всегда представлено биполем (имеет два полюса). Полюсами называются точки, из которых выходят (северный полюс N) и в которые приходят (южный полюс S) силовые линии.
Рисунок 2.1 – источники магнитного поля
2.2 Параметры магнитного поля
Напряженность магнитного поля физическая величина, характеризующая его способность оказывать силовое действие на помещенную в данную точку поля единицу магнетизма. (Напряженность магнитного поля величина векторная, характеризуется не только численным значением, но и направлением).
Величину напряженности магнитного поля в конкретной точке определяет закон Био – Савара – Лапласа. Для линейного проводника с током, когда силовые линии будут представлять собой окружности, напряженность в точке удаленной на расстояние R (радиус окружности) от проводника определяется как:
 ,
при этом, направление силовых линий определяется правилом буравчика (правоходового винта). При вращении винта по часовой стрелке (по направлению силовых линий поля) направление его линейного перемещения совпадает с направлением тока в проводнике.
В системе СИ единицей напряженности магнитного поля является Ампер деленное на метр [А/м].
|
