Sfera-perm.ru

Сфера Пермь
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Тепловой эффект от вихревых токов

Вихретоковый контроль – поиск дефектов без контакта с объектом

1) одна или несколько катушек (вихретоковый преобразователь, сокращённо – ВТП) подаёт на объект импульсный либо синусоидальный ток;

2) вследствие этого создаётся электромагнитное поле;

3) под действием этого происходит возбуждение вихревых токов;

4) их собственное электромагнитное поле воздействует на катушки, изменяя их сопротивление, либо наводит на них электродвижущую силу (общепринятое сокращение – ЭДС);

5) дефектоскоп (или иной прибор) регистрирует сопротивление и напряжение на катушках;

6) на основании корреляционной связи между изменениями этих величин и исследуемыми параметрами оператор получает необходимую информацию об объекте.

Область применения вихретокового метода контроля – ферромагнитные и неферромагнитные стали, графиты, а также цветные сплавы, чья удельная электрическая проводимость составляет не менее 0,5–60 МСм/м. При этом – для достижения большей достоверности результатов – материалы должны обладать однородными магнитными свойствами.

Данный вид НК широко используется для контроля труб, галтелей, балок, лопастей турбин и винтов, прутков, поковок, литья, подшипников, корпусов атомных установок, деталей подвижного состава и пр. В авиационной отрасли технологию успешно применяют для диагностики многослойных композиционных материалов.

Разновидности и методы вихретокового контроля

В зависимости от подвижности/неподвижности объекта предусмотрены динамический и статический режимы. Контроль также бывает ручной (с портативным дефектоскопом или структуроскопом) и механизированным (выполняется стационарными автоматизированными установками).

Методов ВК довольно много, но наибольшее распространение получили:

  • амплитудный (измеряется амплитуда сигнала ВТП);
  • фазовый (измеряется фаза сигнала);
  • амплитудно-фазовый (измеряется проекция вектора напряжения ВТП на направлении отстройки, то есть подавления мешающего фактора).

Существуют ещё частотный, многочастотный, импульсный, переменно-частотный, модуляционный методы и пр. Но это – тема для отдельной большой статьи.

Для чего проводят вихретоковый контроль

Сильные и слабые стороны вихретокового метода контроля

Порядок выполнения вихретокового контроля сварных соединений

Оборудование для вихретокового контроля

Начнём, пожалуй, с преобразователей. Требования к ним регламентированы ГОСТ 23048-83, одно из ключевых – высокое соотношение сигнал/шум. ВТП подразделяются на несколько типов:

  • по способу получения информации – абсолютные и дифференциальные. В первом случае выходные значения сигналов считываются напрямую с измерительной катушки. Дифференциальные датчики состоят из двух катушек: одна – в зоне контроля, другая – на бездефектном участке. В процессе измерений учитывается разница между их показаниями. Благодаря этому увеличивается чувствительность и помехоустойчивость контроля;
  • по характеру взаимодействия с объектом – накладные, проходные и комбинированные. Накладные датчики располагаются на нём и используются при одностороннем доступе. Проходные – помещаются внутрь (для полых изделий – труб, сосудов, кожухов, колец) и пр.). Либо – наоборот, обхватывают объект (это так называемые наружные проходные). Комбинированные могут работать в разных пространственных положениях. Бывают ещё роторные, карандашные и многие другие;
  • по способ преобразования параметров – трансформаторные и параметрические. Последние проще и дешевле, но в большей степени зависимы от температурных условий.

Если радиус кривизны объекта меньше 5 мм, то для работы с преобразователями дополнительно используются позиционирующие насадки.

Информацию, полученную при помощи ВТП, нужно фиксировать и обрабатывать. Для этого и нужны дефектоскопы. Они могут предназначаться для ручного и/или автоматизированного вихретокового контроля. Примеры из первой категории – ВД-10А, «ЗОНД ВД-96», ВД-70, ВД-100, NORTEC 600, OmniScan MX ECA/ECT, Eddyfi Reddy и др. Некоторые приборы для ручного ВК совмещают в себе реализацию и других методов – чаще всего импедансного (акустического). К таким комбинированным дефектоскопам относятся «Вектор-50», УД3-307ВД, «ВЕКТОР-СКАН», «Томографик» УД4-ТМ, ДАМИ-С09, УД2-102ВД и пр.

При выборе конкретного прибора нужно учитывать порог чувствительности, доступные методы (амплитудный, фазовый и другие, о которых говорилось выше), конфигурацию объекта и пр.

Читайте так же:
Количество теплоты выделяемое постоянным током

Ещё одна категория оборудования для вихретокового контроля – это толщиномеры и толщиномеры покрытий. Примеры – МВП-2М, Sedge-42. При рассмотрении той или иной модели исходить нужно из ключевых характеристик – диапазона измерений и погрешности показаний.

Наконец, нельзя не сказать пару слов и о вихретоковых структуроскопах. Пример – «ВИХРЬ 2К». Приборы этого типа позволяют оценивать физико-механические качества материалов – предел прочности, твёрдости, проницаемость, глубину закалки и т.д. На основании эмпирической корреляционной зависимости исследуемых параметров с магнитными и электрическими характеристиками можно судить о состоянии материалов, производить отбраковку, сортировку и т.п.

Что ещё требуется для вихретокового контроля? РД 13-03-2006 гласит, что в арсенале лаборатории должны быть следующие технические средства:

  • контрольные образцы искусственных дефектов и зазоров (КОИДЗ-ВД). Изготавливаются из тех же материалов, что и объект контроля, в виде плоских либо изогнутых пластин, цилиндров и пр. К образцам обязательно прилагаются паспорта;
  • осветительные приборы. Дополнительно к местном освещению (от 500 до 1000 лк) понадобятся переносные светильники с рабочим напряжением 12, 24 или 36В. Такие устройства в обязательном порядке комплектуются крепёжными приспособлениями для фиксации в заданном положении;
  • ветошь и другие принадлежности для очистки поверхности;
  • заземляющие шины и подводки напряжений 12 и 36В, а также 1-фазной сети переменного тока (220В).

Все средства измерения, которые задействуются для проведения ВК, подлежат регистрации в Госреестре и должны проходить периодическую поверку и калибровку. Лаборатория обязана хранить документацию, подтверждающую факт своевременного метрологического обслуживания.

Требования к персоналу для проведения вихретокового контроля

Специалисты должны пройти аттестацию на I, II или III квалификационный уровень в соответствии с СДАНК-02-2021 или СНК ОПО РОНКТД-02-2021 (в зависимости от того, в какой Системе НК нужно подтвердить компетенцию, чтобы зайти на объект заказчика). Сотрудникам необходимо иметь на руках квалификационное удостоверение с не истекшим сроком действия.

Руководителем работ по проведению ВК может быть специалист не ниже II уровня. Такое же требование распространяется и на того, кто ставит свою подпись в заключении.

На форуме «Дефектоскопист.ру» представлено большое количество полезной информации и материалов по вихретоковому методу контроля, а именно:

  • более 90 тем-обсуждений по практике выполнения ВК;
  • собрание нормативно-технической документации по данному методу в нашей библиотеке «Архиус»;
  • примеры технологических карт;
  • пополняемый список литературы (учебники, пособия, справочники) и т.д.

Чтобы вы хотите в полной мере освоить вихретоковый контроль сварных соединений и ВК в целом, зарегистрируйтесь на «Дефектоскопист.ру» и получите доступ ко всем материалам уже сегодня!

Тепловой эффект от вихревых токов

До сих пор мы рассматривали индукционные токи в линейных проводниках. Но индукционные токи будут возникать и в толще сплошных проводников при изменении в них потока вектора магнитной индукции . Они будут циркулировать в веществе проводника (напомним, что линии – замкнуты). Так как электрическое поле вихревое, то и токи называются вихревыми токами, или токами Фуко.

Если медную пластину отклонить от положения равновесия и отпустить так, чтобы она вошла со скоростью υ в пространство между полосами магнита, то пластина практически остановится в момент ее вхождения в магнитное поле (рис. 3.8).

Замедление движения связано с возбуждением в пластине вихревых токов, препятствующих изменению потока вектора магнитной индукции. Поскольку пластина обладает конечным сопротивлением, токи индукции постепенно затухают и пластина медленно двигается в магнитном поле. Если электромагнит отключить, то медная пластина будет совершать обычные колебания, характерные для маятника.

Сила и расположение вихревых токов очень чувствительны к форме пластины. Если заменить сплошную медную пластину «гребенкой» – медной пластиной с пропилами, то вихревые токи в каждой части пластины возбуждаются меньшими потоками. Индукционные токи уменьшаются, уменьшается и торможение (рис. 3.9). Маятник в виде гребенки колеблется в магнитном поле почти без сопротивления. Этим опытом объясняется, почему сердечники электромагнитов, трансформаторов делают не из сплошного куска железа, а набранными из тонких пластин, изолированных друг от друга. В результате уменьшаются токи Фуко и выделяемое ими тепло.

Читайте так же:
Магнитное реле с тепловым выключателем

Если взять медный диск диаметром » 5 см и толщиной » 5 мм и уронить его между полюсами электромагнита, то при выключенном магните диск падает с обычным ускорением. При включении магнитного поля » 1 Тл падение диска резко замедляется и его движение напоминает падение тела в очень вязкой среде.

Тормозящее действие тока Фуко используется для создания магнитных успокоителей – демпферов. Если под качающейся в горизонтальной плоскости магнитной стрелкой расположить массивную медную пластину, то возбуждаемые в медной пластине токи Фуко будут тормозить колебание стрелки. Магнитные успокоители такого рода используются в сейсмографах, гальванометрах и других приборах.

Токи Фуко применяются в электрометаллургии для плавки металлов. Металл помещают в переменное магнитное поле, создаваемое током частотой 500 – 2000 Гц. В результате индуктивного разогрева металл плавится, а тигль, в котором он находится, при этом остается холодным. Например, при подведенной мощности 600 кВт тонна металла плавится за 40–50 минут.

Тепловой эффект от вихревых токов

Возьмем катушку с выступающим сердечником из мягкого ферромагнетика и положим на его конец металлический предмет. Если катушку включить в. сеть переменного тока, то предмет быстро и сильно нагревается.

Заменим предмет алюминиевым кольцом К., надетым на сердечник (рис. 23.9), и снова включим катушку в сеть. Если кольцо держать, то оно сильно нагревается, а если не держать, то при включении катушки в сеть оно соскакивает с сердечника. Описанные явления объясняются тем, что изменяющееся магнитное поле вокруг сердечника создает электрическое поле, поэтому в теле и в кольце возникают сильные индукционные токи, так как сопротивление тела и кольца очень маленькое. Эти токи и нагревают их. Соскакивает кольцо потому, что индукционный ток в кольце направлен противоположно току в катушке, а такие токи отталкиваются друг от друга.

Индукционные токи, которые возникают в сплошных металлических телах, находящихся в переменном магнитном поле, и замыкаются внутри этих тел, называют вихревыми токами или токами Фуко (в честь французского ученого Ж. Фуко, который их исследовал).

Якорь электродвигателя и сердечник трансформатора по условиям своей работы находятся в переменном магнитном поле, поэтому в них должны циркулировать вихревые токи.

Энергия, затраченная на создание вихревых токов, превращается во внутреннюю энергию якоря и сердечника, т. е. идет на их нагревание (кроме потерь энергии, на нагревание вихревыми токами, в них возникают еще и потери, обусловленные гистерезисом). Для ослабления вредного действия вихревых токов тела, которые должны находиться в переменном магнитном поле, делают из отдельных листов, изолированных друг от друга (рис. 23.10).

Заметим, что ферриты имеют очень большое удельное сопротивление, поэтому вихревые токи в них практически не возникают, и это значительно уменьшает потери энергии в них. Поскольку потери энергии, вызванные гистерезисом, в ферритах тоже очень

малы, их применение заметно повышает к. п. д. приборов, например трансформаторов.

Если вихревой ток вызывается движением тела в магнитном поле, то согласно закону Ленца этот ток должен тормозить движение тела. Тормозящее действие вихревых токов можно проиллюстрировать с помощью следующего опыта.

Если медную пластинку Р (рис. 23.11) заставить колебаться при выключенном токе в электромагните М, а затем при включенном токе в нем, то будет видно, что во втором случае колебания прекращаются почти мгновенно. Внешне кажется, что в этом случае пластинка как бы вязнет в густой жидкости. Тормозящее действие вихревых токов используется в измерительных приборах для успокоения колебаний стрелки измерительного механизма.

Читайте так же:
Автоматический выключатель с тепловым расцепителем iek

В современной технике нагревание вихревыми токами используется для закалки деталей и для изготовления сплавов в индукционных печах.

Вихревые токи

Рассмотрение вихревых замкнутых электрических токов в массивном проводнике. Воздействие переменного электромагнитного поля на силу индукции. Применение вихревых токов в электрометаллургии при индукционной плавке металлов и поверхностной закалке.

РубрикаФизика и энергетика
Видреферат
Языкрусский
Дата добавления03.03.2015
Размер файла246,3 K
  • посмотреть текст работы
  • скачать работу можно здесь
  • полная информация о работе
  • весь список подобных работ

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Токи Фуко (в честь Фуко, Жан Бернар Леон) — это вихревые замкнутые электрические токи в массивном проводнике, которые возникают при изменении пронизывающего его магнитного потока. Вихревые токи являются индукционными токами и образуются в проводящем теле либо вследствие изменения во времени магнитного поля, в котором находится тело, либо вследствие движения тела в магнитном поле, приводящего к изменению магнитного потока через тело или какую-либо его часть. Величина токов Фуко тем больше, чем быстрее меняется магнитный поток.

Впервые вихревые токи были обнаружены французским учёным Д.Ф Араго (1786—1853) в 1824 г. в медном диске, расположенном на оси под вращающейся магнитной стрелкой. За счёт вихревых токов диск приходил во вращение. Это явление, названное явлением Араго, было объяснено несколько лет спустя M. Фарадеем с позиций открытого им закона электромагнитной индукции: вращаемое магнитное поле наводит в медном диске токи (вихревые), которые взаимодействуют с магнитной стрелкой. Вихревые токи были подробно исследованы французским физиком Фуко (1819—1868) и названы его именем. Он открыл явление нагревания металлических тел, вращаемых в магнитном поле, вихревыми токами.

В отличие от электрического тока в проводах, текущего по точно определённым путям, вихревые токи замыкаются непосредственно в проводящей массе, образуя вихреобразные контуры. Эти контуры тока взаимодействуют с породившим их магнитным потоком. Согласно правилу Ленца, магнитное поле вихревых токов направлено так, чтобы противодействовать изменению магнитного потока, индуцирующего эти вихревые токи. вихревый ток проводник индукция

Токи Фуко возникают под воздействием переменного электромагнитного поля и по физической природе ничем не отличаются от индукционных токов, возникающих в линейных проводах. Они вихревые, то есть, замкнуты в кольца. Электрическое сопротивление массивного проводника мало, поэтому токи Фуко достигают очень большой силы. В соответствии с правилом Ленца они выбирают внутри проводника такое направление и путь, чтобы противиться причине, вызывающей их. Поэтому движущиеся в сильном магнитном поле хорошие проводники испытывают сильное торможение, обусловленное взаимодействием токов Фуко с магнитным полем. Это свойство используется для подвижных частей гальванометров, сейсмографов и др. Тепловое действие токов Фуко используется в индукционных печах — в катушку, питаемую высокочастотным генератором большой мощности, помещают проводящее тело, в нем возникают вихревые токи, разогревающие его до плавления. С помощью токов Фуко осуществляется прогрев металлических частей вакуумных установок для их дегазации.

Во многих случаях токи Фуко бывают нежелательными, поэтому приходится принимать специальные меры для их уменьшения. В частности, эти токи вызывают нагревание ферромагнитных сердечников трансформаторов и металлических частей электрических машин. Для снижения потерь электрической энергии из-за возникновения вихревых токов сердечники трансформаторов изготавливают не из сплошного куска ферромагнетика, а из отдельных металлических пластин, изолированных друг от друга диэлектрической прослойкой.

Читайте так же:
Единица измерения количества теплоты выделяемого проводником с током

Проведем следующий эксперимент:

Берем постоянный магнит (1) в руки и быстро водим (3) его вдоль поверхности листа меди/алюминия (2), ориентируя к последнему один из полюсов магнита, так как показано на Рис.1.

Можно отчетливо ощутить возникающее сопротивление такому быстрому движению. Теперь пустим магнит в свободное скольжение по поверхности наклоненного толстого листа меди/алюминия. Можно заметить, что скольжение магнита сильно тормозится, и даже возникает впечатление, что магнит сильнее прижимается к листу проводника. Аналогичный эксперимент — постоянный магнит бросают в вертикальную трубу из меди или алюминия. Стандартное объяснение — движение магнита тормозят вихревые токи Фуко. Но умалчивается что суммарная масса электронов вовлеченных в вихревое движение во много раз меньше массы постоянного магнита. И потом, что мешает смещаться электронному вихрю вслед за скользящим магнитом? Логично предположить что «свободные» электроны, в электрическом проводнике, фактически не являются свободными. Существует некая сетка электропроводных мостиков меж атомами проводника, по которым движутся электроны. Эта-та сетка и привязывает множество вихрей токов Фуко к кристаллической решетке. Но, эксперимент с заменой сплошного листа проводника на опилки, показывает, что торможение движения постоянного магнита становится незаметным. Т.е. электропроводные «мостики» меж атомами проводника это не локальное явление. «Мостики» проявляют себя в макро-масштабах.

Но продолжим эксперимент с тем, что имеется у нас в руках — быстро водим (3) магнитом (1) вдоль поверхности листа меди/алюминия (2), ориентируя к последнему уже его оба полюса, так как показано на Рис.2.

При этом ощущается тоже сопротивление быстрому движению, что и в первом эксперименте.

Но вот если повернем магнит (1) и будем его быстро двигать (3), перпендикулярно прямой меж полюсами магнита (как показано на Рис.3), то мы уже не обнаружим сопротивление его быстрому движению.

Куда же делись токи Фуко? Никуда они не делись, просто их плоскость стала пересекать плоскость нашего листа меди/алюминия, что вызвало появление на поверхности листа электрического заряда как в банальном униполярном генераторе электрического тока. В нашем же случае электрическая цепь оказалась не замкнута, «вихревой» контур разомкнут… в макро-масштабах. Что опять наводит на мысль существования электропроводных «мостиков» меж атомами проводника в макро-масштабах.

Схематическое изображение возникающих вихревых токов в проводнике при изменении пронизывающего его потока вектора магнитной индукции . I — изменяющийся ток обмотки сердечника, вызывающий переменное во времени магнитное поле.

Таким образом, токи Фуко являются индукционными токами, они образуются либо вследствие изменения во времени магнитного поля, в котором находится проводник, либо в результате движения проводящего тела в магнитном поле, приводящего к изменению магнитного потока через тело или какую-либо его часть. Токи Фуко замыкаются непосредственно в проводящей массе, образуя вихреобразные контуры. Направления вихревых токов определяются правилом Ленца. Согласно правилу Ленца, магнитное поле вихревого тока направленно так, чтобы противодействовать изменению магнитного потока, индуцирующему эти вихревые токи.

В соответствии с законом Джоуля-Ленца, токи Фуко нагревают проводники, в которых они возникли, что приводит к потерям энергии. Для их уменьшения и снижения эффекта «вытеснения» магнитного поля магнитопроводы изготавливают не из сплошного куска, а из изолированных друг от друга отдельных пластин, заменяют ферромагнитные материалы магнитодиэлектриками и др. Явление нагревания проводников токами Фуко используется для плавки и поверхностной закалки металлов, для обезгаживания элементов арматуры вакуумных приборов и т.д.

Вихревые токи возникают и в самом проводнике, по которому течет переменный ток, что приводит к неравномерному распределению тока по сечению проводника. В моменты увеличения тока в проводнике индукционные вихревые токи направлены у поверхности проводника по первичному току, а у оси проводника — навстречу току. В результате внутри проводника ток уменьшается, а на поверхности увеличивается (ток «вытесняется» на поверхность проводника). Это явление называется электрическим скин-эффектом. Взаимодействие вихревых токов с основным магнитным потоком приводит проводящее тело в движение. Это явление используется в измерительной технике, в машинах переменного тока и т.д.

Читайте так же:
Порвал провод теплого пола

Индукционные токи могут возникать также в сплошных массивных проводниках. При этом замкнутая цепь индукционного тока образуется в толще самого проводника при его движении в магнитном поле или под влиянием переменного магнитного поля. Эти токи названы по имени французского физика Ж.Б.Л. Фуко, который в 1855 г. обнаружил нагревание ферромагнитных сердечников электрических машин и других металлических тел в переменном магнитном поле и объяснил этот эффект возбуждением индукционных токов. Эти токи в настоящее время называются вихревыми токами или токами Фуко.

Если железный сердечник находится в переменном магнитном поле, то в нем под действием индукционного электрического поля наводятся внутренние вихревые токи — токи Фуко, ведущие к его нагреванию. Так как электродвижущая сила индукции всегда пропорциональна частоте колебаний магнитного поля, а сопротивление массивных проводников мало, то при высокой частоте в проводниках будет выделяться, согласно закону Джоуля-Ленца, большое количество тепла.

Вихревые токи широко используются для плавки металлов в так называемых индукционных печах, для нагревания и плавления металлических заготовок, получения особо чистых сплавов и соединений металлов. Для этого металлическую заготовку помещают в индукционную печь (соленоид, по которому пропускают переменный ток). Тогда, согласно закону электромагнитной индукции, внутри металла возникают индукционные токи, которые разогревают металл и могут его расплавить. Создавая в печи вакуум и применяя нагрев (в этом случае силы электромагнитного поля не только разогревают металл, но и удерживают его в подвешенном состоянии вне контакта с поверхностью камеры), получают особо чистые металлы и сплавы.

Полезное применение вихревые токи нашли в устройстве магнитного тормоза диска электрического счетчика. Вращаясь, диск пересекает магнитные силовые линии постоянного магнита. В плоскости диска возникают вихревые токи, которые, в свою очередь, создают свои магнитные потоки в виде трубочек вокруг вихревого тока. Взаимодействуя с основным полем магнита, эти потоки тормозят диск. В ряде случаев, применяя вихревые токи, можно использовать технологические операции, которые невозможно применить без токов высокой частоты. Например, при изготовления вакуумных приборов и устройств из баллона необходимо тщательно откачать воздух и иные газы. Однако в металлической арматуре, находящейся внутри баллона, имеются остатки газа, которые можно удалить только после заваривания баллона. Для полного обезгаживания арматуры вакуумный прибор помещают в поле высокочастотного генератора, в результате действия вихревых токов арматура нагревается до сотен градусов, остатки газа при этом нейтрализуются.

Вихревые токи находят полезное применение в электрометаллургии при индукционной плавке металлов и поверхностной закалке токами высокой частоты. Металл помещают в переменное магнитное поле, создаваемое током частотой 500 — 2000 Гц. В результате индуктивного разогрева металл плавится, а тигель, в котором он находится, при этом остается холодным. Например, при подведенной мощности 600 кВт тонна металла плавится за 40-50 минут.

1. Сивухин Д. В.: Общий курс физики, том 3.

2. Савельев И. В.: Курс общей физики, том 2

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector