| || | | || |3
Transkrypt
| || | | || |3
XV International PhD Workshop OWD 2013, 19–22 October 2013 ZASTOSOWANIE MOSTKA SPRZĘŻONEGO INDUKCYJNIE W BADANIACH NIENISZCZĄCYCH FERROMAGNETYKÓW APPLICATION BRIDGE INDUCTIVELY COUPLED IN RESEARCH NDT FERROMAGNETIC Piotr Ziń, Politechnika Lubelska Opiekun naukowy: Andrzej Wac-Włodarczyk, Tomasz Giżewski, Politechnika Lubelska, Instytut Podstaw Elektrotechniki i Elektrotechnologii Abstract The NDT ferromagnetic alternating current bridge can be used to detect changes in inductance allows the object relative to the pattern. By appropriate selection of components and the bridge structure modifications affect the measurement sensitivity. This paper presents a proposal for inductively coupled bridge and its potential utility in testing ferromagnetic materials. As a result of laboratory measurements it can be concluded that The proposed system creates the possibility of finding the insertion of changes in the material by recording parameters associated with the inductance of the system. konstrukcyjnych[1] pomiarowych. specjalistycznych mostków 2. Podstawowe wiadomości o mostkach pomiarowych Pomiary z wykorzystaniem mostów należą do metod zerowych przez co umożliwiają uzyskanie dużej dokładności pomiarów. Na rysunku 1. przedstawiony jest schemat układu mostka pomiarowego w klasycznej postaci. Streszczenie W badaniach nieniszczących ferromagnetyków można zastosować mostek zmiennoprądowy pozwalający wykrywać zmiany indukcyjności obiektu względem wzorca. Poprzez odpowiedni dobór elementów i modyfikację konstrukcji mostka wpływa się na czułość pomiaru. W referacie przedstawiono propozycję mostka sprzężonego indukcyjnie oraz jego potencjalną przydatność w badaniach nieniszczących ferromagnetyków. 1. Wstęp Mostki pomiarowe należą do najbardziej dokładnych urządzeń pomiarowych a historia ich rozwoju jest bogata. Pierwsze konstrukcje tego typu służyły do pomiaru rezystancji prądem stałym i opracował je w 1843 roku Wheatstone, jako połączenie „mostem” ze wskaźnikiem zera dwu dzielników napięcia. Mostek pomiarowy może służyć również do pomiarów impedancji z wykorzystaniem prądu zmiennego, co zauważył w 1891 roku Wien. Obecnie istnieją dziesiątki rozwiązań Rys.1. Klasyczny układ mostka pomiarowego. Fig.1. Classic measuring bridge. Używane oznaczenia parametrów mostka dotyczą wartości zespolonych. W stanie równowagi mostka prawdziwe są zależności: - amplitudy |Z1 | ⋅ |Z 4 | = |Z 2 | ⋅ |Z 3 | (1) ϕ 1+ ϕ 2= ϕ 3+ ϕ 4 - fazy (2) W gałęzi pierwszej zazwyczaj jest umieszczony element poddawany pomiarom. Przez dobór pozostałych parametrów doprowadza się do wyzerowania wskaźnika Uw. Do wyznaczenia czułości pomiaru, ze względu na zmianę parametrów w gałęzi pomiarowej, należy wyznaczyć pochodną 258 prądu wskaźnika względem wartości mierzonej. Wyrażenie na prąd wskaźnika równowagi[1] przedstawia wyrażenie: EzZ1(Z1Z4 −Z2Z3) Iw = [Zw(Z1+Z2)+Z2(Z1+Z3)][Z1(Z3 +Z4)+Zz (Z1+Z3)]+(Z1Z4 −Z2Z3)[Z1Z3 +ZzZw+Zz(Z1+Z3)] Czułość wskazań wskaźnika równowagi: dI ∆ Iw Ez Z 4 S= w ≈ ≈ dZ 1 ∆Z 1 f (Z 1, Z 2, Z 3, Z 4 ) (4) Zależność (4) oznacza że, dla uzyskania lepszej dokładności pomiarów należy zwiększać wartość napięcia zasilającego mostek. (3) przeciwsobne, znoszące się w stanie równowagi mostka. Poprzez doprowadzenie do stanu równowagi mostka uzyskuje się jednakowe, przeciwnie skierowane strumienie magnetyczne. Zmieniając napięcia zasilania mostka można zmieniać prąd magnesujący i przez to pole magnetyczne w cewkach. 3.1 Analiza zależności w proponowanym mostku 3. Propozycja mostka do badania ferromagnetyków Podstawowym mostkiem do pomiaru indukcyjności cewek jest mostek Maxwell’a i na jego konstrukcji opiera się propozycja zmian, które powinny umożliwić wykrywanie zmian w ferromagnetykach. Indukcyjność cewki z rdzeniem zależy między innymi od współczynnika przenikalności magnetycznej względnej materiału rdzenia. Przenikalność względna zależy od stanu namagnesowania ferromagnetyka i osiąga ekstremum w pobliżu jego nasycenia. Zwiększenie wartości indukcji magnetycznej w pobliżu nasycenia ferromagnetyka powinny powodować efekt zwiększonej czułości na zmiany przenikalności magnetycznej względnej badanego materiału, co będzie sprawdzane eksperymentalnie. W proponowanym układzie do badania ferromagnetyka wyróżnić można dwa magnetowody pierwszy w gałęzi pierwszej mostka oraz drugi w gałęzi trzeciej. Dla tego układu prawdziwe są zależności: Φ1 = B1 ⋅ S = µ1 ⋅ µ o ⋅ H ⋅ S (5) Φ 2 = B2 ⋅ S = µ 2 ⋅ µ o ⋅ H ⋅ S (6) W przypadku jednakowych gabarytów magnetowodu pierwszego i drugiego. oraz równowagi mostka, jednakowe pole magnetycze H w obu, strumienie się znoszą, czyli: Φ1 = Φ2 (7) a wtedy napięcie Ur indukowane na cewce obejmującej oba magnetowody wynosi zero. Jeżeli pojawi się napięcie Ur>0 oznacza to, że strumienie się mają różne wartości czyli: µ1 ⋅ µ o ⋅ H ⋅ S ≠ µ 2 ⋅ µ o ⋅ H ⋅ S (8) co zachodzi wtedy gdy: µ1 ≠ µ2 (9) a to oznacza zmiany wtrąceniowe w materiale. Rozważania powyższe dotyczą przypadku idealnego, w realnych pomiarach należy się liczyć z wieloma zakłóceniami. 4. Wstępne wyniki pomiarów Rys.2. Schemat modyfikacji mostka do badania ferromagnetyków. Fig.2. Schema modifications the bridge to study ferromagnetic Na rysunku 2 przedstawiono propozycję modyfikacji mostka sprzężonego magnetycznie z rozdzielonymi magnetowodami, z których jeden podlega badaniu a drugi jest wzorcowy. Odpowiednie połączenie cewek daje strumienie Pomiary zostały wykonane na defektoskopie indukcyjnym[2,3] w Instytucie Podstaw Elektrotechniki i Elektrotechnologii Politechniki Lubelskiej. Zostały dobrane cewki L1 i L2 oraz rezystory wykorzystane przy mierzeniu prądów magnesujących. Pomiary były wykonane przy pomocy zestawu laboratoryjnego LabView[4]. W zarejestrowanych pomiarach mostek był zasilany płynnie ustawianym napięciem Uz o częstotliwości 500Hz, prąd magnesujący gałąź pierwszą był mierzony na rezystorze R2 o wartość 5Ω. Akwizycja danych odbywała się z częstotliwością 200000próbek/s, porcja 800 próbek (Sample) 259 Rys.3. Prąd magnesujący przepływający przez rezystor R2 oraz odpowiadające mu indukowane napięcie Ur przed nasyceniem ferromagnetyka Fig.3. The magnetizing current flowing through the resistor R2 and the corresponding induced voltage Ur before saturation of the ferromagnetic Rys.4. Prąd magnesujący przepływający przez rezystor R2 oraz odpowiadające mu indukowane napięcie Ur na początku nasycania ferromagnetyka Fig.4. The magnetizing current flowing through the resistor R2 and the corresponding induced voltage Ur at the start of saturation of ferromagnetic Rys.5. Prąd magnesujący przepływający przez rezystor R2 oraz odpowiadające mu indukowane napięcie Ur po nasyceniu ferromagnetyka Fig.5. The magnetizing current flowing through the resistor R2 and the corresponding induced voltage Ur the saturation of the ferromagnetic zapisywana była w buforze. Z bufora dane zostały pobrane do sporządzenia zamieszczonych wykresów. Proste rachunki pozwalają wyznaczyć że, zawartość bufora zawiera próbki z 4ms. Rysunki 3,4 oraz 5 przedstawiają przebiegi prądu magnesującego (napięcie UR2) oraz przebiegi napięcia Ur indukowanego przez strumień wypadkowy z obu magnetowodów dla 800 próbek pomiarowych. Jeżeli indukcja magnetyczna w ferromagnetyku jest znacznie mniejsza od stanu nasycenia to przebiegi prądu magnesującego i napięcia indukowane go są harmoniczne, pomijając duże zaszumienie. 260 Przy wartościach prądu magnesującego zbliżonych do nasycenia magnetowodu pojawiają się w przebiegu prądu sporadyczne duże wzrosty, (rys.4.) świadczące że chwilowe nasyceniu magnetowodu powoduje zmniejszenie reaktancji cewki. Praca układu przy nasyconym magnetowodzie w gałęzi pierwszej pokazana jest na rysunku 5, Wyraźnie widać regularne impulsy prądu związane z okresowym nasyceniem rdzenia. Można zauważyć, że impulsy prądu wpływają również na strumień magnetyczny, co przedstawia napięcia indukowanego Ur. Miejscowe zmiany materiałowe ferromagnetyka powodują lokalne zmiany parametrów magnetycznych materiału, co może powodować inną częstotliwość takich gwałtownych zmian prądu magnesującego w jednym z magnetowodów, co objawi się w zmianach napięcia Ur, które można rejestrować. Adres służbowy Autora: 5. Podsumowanie Proponowany układ stwarza możliwości znalezienia zmian wtrąceniowych w badanym materiale poprzez rejestrację parametrów związanych z indukcyjnością układu. W proponowanym układzie, przy odpowiedniej akwizycji i analizie danych pomiarowych, można badać pętlę histerezy. Odpowiednio zrealizowane pomiary oraz algorytm do przetwarzania danych dają szansę na automatyzację badań. Układ sprawia kłopoty z powtarzalnością pomiarów, powodem mogą być liczne szczeliny powietrzne w magnetowodach. 6. Literatura 1. Szulce A.: Mostki elektryczne pomiarowe, WNT, Warszawa 1977 2. Wac-Włodarczyk A., Goleman R., Czerwiński D., Giżewski T.: Symulacja pracy mostkowego układu porównawczego materiałów ferromagnetycznych, Przegląd Elektrotechniczny 12/2000 3. Wac-Włodarczyk A., Goleman R., Giżewski T., Eksperymentalna identyfikacja różnicowej powierzchni Preisacha w układzie mostka zmiennoprądowego, Przegląd Elektrotechniczny 12/2010 4. Wells L. K., Travies J.: LabVIEW for Everyone Graphical Programming Made Even Easier, PrenticeHall PTR, New Jersey 1997 261 mgr inż. Piotr Ziń Politechnika Lubelska ul. Nadbystrzycka 38 20-100 Lublin tel. (081) 538-44-75 email: [email protected]