| || | | || |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]