МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЕГАЗОВЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Технологический институт
Кафедра физики, методов контроля и диагностики
|
|
|
|
|
|
|
ИЙ |
|
|
|
|
|
|
ЕСК |
|
|
|
|
|
|
ИЧ |
|
|
|
|
|
|
ОГ |
|
|
|
|
|
|
Л |
|
|
|
|
|
|
О |
|
|
|
|
|
|
Н |
|
|
|
|
|
|
Х |
|
|
|
|
|
|
|
Е |
|
|
|
|
|
|
|
Т |
|
|
|
|
|
|
|
КАФЕДРА
Т |
ГН |
|
ГУ |
|
|
|
И |
|
|
НС |
|
|
ТИ |
|
|
|
Т |
|
|
У |
|
|
Т |
ФМД |
|
|
ВИХРЕТОКОВЫЙ КОНТРОЛЬ
Методические указания для лабораторных занятий по дисциплине «Электромагнитные и токовихревые методы контроля и диагностики» для студентов, обучающихся по направлению 200100.62 «Приборостроение»
Составитель К.Р. Муратов к.т.н. доцент кафедры ФМД
Тюмень
ТюмГНГУ
2013
УДК 620.1
Вихретоковый контроль: метод. указ. для студентов, обучающихся по напр. 200100.62 «Приборостроение» / сост. К.Р. Муратов; Тюменский государственный нефтегазовый университет.– Тюмень: Издательский центр БИК ТюмГНГУ 2013.– 40 с.
Методические указания рассмотрены и рекомендованы к изданию методическим семинаром кафедры физики, методов контроля и диагностики
«____» ____________ 2013 года, протокол № ____.
Зав. кафедрой ФМД, профессор, доктор физ.-мат. наук _________________ В. Ф. Новиков
Методические указания к лабораторным занятиям по дисциплине «Электромагнитные и токовихревые методы контроля и диагностики» предназначены для студентов, обучающихся по направлению 200100.62 «Приборостроение», профиль специальных дисциплин «Приборы и методы контроля качества и диагностики». Дисциплина изучается в одном семестре.
Приведены основные понятия и определения, ключевых тем дисциплины. Представлена краткая теория. Даны методические указания к выполнению лабораторных работ.
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
ВВЕДЕНИЕ........................................................................................................... |
4 |
1. КРАТКАЯ ТЕОРИЯ ВИХРЕТОКОВОГО КОНТРОЛЯ ........................... |
6 |
1.1. Магнитное поле обмотки вихретокового преобразователя ................... |
6 |
1.2. Вихревое электрическое поле в окрестности преобразователя ............. |
9 |
1.3. Вихревые электрические токи, возбуждаемые |
|
вихревым электрическим полем ....................................................................... |
13 |
1.4. Регистрация отклика вихревых токов и его отображение .................. |
13 |
1.5. Влияние дефектов сплошности на вносимое напряжение..................... |
17 |
2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВИХРЕТОКОВОГО |
|
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ....................................................................................... |
19 |
Лабораторная работа М-1............................................................................... |
23 |
Лабораторная работа М-2............................................................................... |
24 |
Лабораторная работа М-3............................................................................... |
24 |
Контрольные вопросы к лабораторным работам М-1, М-2, М-3. .............. |
25 |
3. ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВИХРЕТОКОВОГО |
|
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ....................................................................................... |
26 |
Лабораторная работа Ф-1............................................................................... |
26 |
Лабораторная работа Ф-2............................................................................... |
28 |
Лабораторная работа Ф-3............................................................................... |
29 |
Контрольные вопросы к лабораторным работам Ф-1, Ф-2, Ф-3................ |
29 |
4. ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ ВИХРЕТОКОВОГО ПРИБОРА ......................... |
30 |
Лабораторная работа П-1 ............................................................................... |
31 |
Лабораторная работа П-2 ............................................................................... |
33 |
Лабораторная работа П-3 ............................................................................... |
34 |
Контрольные вопросы к лабораторным работам П-1, П-2, П-3................. |
35 |
ПРИЛОЖЕНИЯ.................................................................................................. |
36 |
Приложение 1. Термины и определения........................................................... |
36 |
Приложение 2. Технологическая карта контроля ......................................... |
37 |
Приложение 3. Форма заключения................................................................... |
38 |
ПРЕДМЕТНО-ИМЕННОЙ УКАЗАТЕЛЬ ....................................................... |
39 |
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.................................................................................. |
40 |
3 |
|
ВВЕДЕНИЕ
Дисциплина «Электромагнитные и токовихревые методы контроля и диагностики» относится к специальному циклу дисциплин направления «Приборостроение» по профилю «Приборы и методы контроля качества и диагностики». Выполнение лабораторного практикума по указанной дисциплине составляет неотъемлемую часть её полноценного изучения и освоения.
Целью настоящего учебного издания является приобретение навыков работы с вихретоковыми приборами и понимания процессов сопровождающих вихретоковый контроль.
Дисциплина «Электромагнитные и токовихревые методы контроля и диагностики» преподаётся в шестом семестре. Это предполагает наличие системных физических знаний, опыта и умений самостоятельного формирования и представления результатов измерений, их анализа и формулировки выводов. Поэтому в лабораторных заданиях не приводится детальный порядок выполнения, а излагаются лишь цель работы, краткие рекомендации к выполнению и ожидаемые результаты. Составление таблиц результатов, необходимые вычисления и графики, а также самостоятельная формулировка задач для решения поставленной цели, являются творческой составляющей работы, что направлено на формирование компетенций:
Способность использовать основные законы естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности, применять методы математического анализа и моделирования, теоретического и экспериментального исследования (ПК-1);
Способность проводить исследования, обрабатывать и представлять экспериментальные данные (ПК-4);
Готовность проводить экспериментальные исследования по анализу и оптимизации характеристик материалов, используемых в приборостроении
(ПК-16);
Способность анализировать поставленные исследовательские задачи в области приборостроения на основе подбора и изучения литературных, патентных и других источников информации (ПК-22);
Способность выполнять математическое моделирование процессов и объектов на базе стандартных пакетов автоматизированного проектирования и исследований (ПК-23);
Готовность составлять описания проводимых исследований и разрабатываемых проектов, собирать данные для составления отчетов, обзоров и другой технической документации (ПК-26);
Способность выполнять наладку, настройку и опытную проверку отдельных видов приборов и систем в лабораторных условиях и на объектах приборостроительного профиля (ПК-27).
4
ВВЕДЕНИЕ
В первой главе представлена краткая теория вихретокового контроля, где последовательно описаны основные процессы, законы и явления, сопровождающие вихретоковый контроль.
Во второй главе представлены лабораторные работы по математическому моделированию электромагнитного поля вихретокового преобразователя. В её начале изложены основные этапы формирования модели в среде математического моделирования ELCUT. Работы, предлагаемые во второй главе, представляют последовательную логическую цепочку и направлены на формирование теоретических представлений о происходящих процессах.
Третья глава является продолжением работ по математическому моделированию. В ней представлены работы по изучению электромагнитного поля вихретокового преобразователя на действующих лабораторных установках для проверки результатов математического моделирования.
Работы, представленные в четвёртой главе, направлены на приобретение навыков работы с вихретоковым прибором и оформлению результатов контроля.
5
1. КРАТКАЯ ТЕОРИЯ ВИХРЕТОКОВОГО КОНТРОЛЯ
ГОСТ 24289 (Контроль неразрушающий вихретоковый. Термины и определения) устанавливает следующее определение: вихретоковый контроль (ВК) основан на анализе взаимодействия внешнего электромагнитного поля с электромагнитным полем вихревых токов, наводимых в объекте контроля этим полем. Это означает, что внешнее для объекта контроля электромагнитное поле возбуждает в нём вихревые электрические токи. Они в свою очередь создают своё электромагнитное поле. Анализируя взаимодействие этих полей можно делать выводы о свойствах и состоянии объекта контроля.
В настоящей главе будет последовательно изложена цепочка физических процессов и явлений [1], обусловливающих вихретоковый контроль.
1.1.Магнитное поле обмотки вихретокового преобразователя
Обмотка вихретокового преобразователя представляет собой, как правило, цилиндрическую катушку, которая размещается вблизи, вокруг или внутри объекта контроля (Рис. 1). Электрический ток, пропускаемый через катушку, возбуждает вокруг неё магнитное поле.
Рис. 1. Обмотка ВТП:
а – вблизи ОК; б – снаружи ОК; в – внутри ОК
6
КРАТКАЯ ТЕОРИЯ ВИХРЕТОКОВОГО КОНТРОЛЯ
Согласно закону Био-Савара-Лапласа напряжённость магнитного поля |
|
, |
||||||||
создаваемая элементом проводника обмотки |
|
с током |
|
|
в точке с |
координатой |
||||
|
|
|
|
|
|
|||||
относительно этого элемента, определяется |
уравнением: |
|
|
|
|
|
||||
|
= |
1 |
∙ |
|
× |
∙ , |
(1) |
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
|||
Рассмотрим поле кольца с током как элемента катушки (Рис. 3). В силу симметрии кольца относительно оси задание координаты точки О становится избыточным, то есть достаточно задать удалённость этой точки от оси кольца.
Рис. 2. Иллюстрация к закону |
|
|
|
|
|
|
||||||
Био-Савара-Лапласа |
|
Рис. 3. Одиночный виток катушки |
||||||||||
Радиус |
, |
|
|
указывает |
положение точки |
О относительно элемента |
||||||
вектор |
|
|||||||||||
проводника |
|
напряжённость которой необходимо определить. |
||||||||||
= ∙ ( − )+ ∙ (− )+ ∙ |
|
=> = = ∙ |
+ ∙ |
|||||||||
|
|
|
|
= |
∙ |
=> |
|
= − |
∙ |
∙ |
(2) |
|
|
|
|
|
= |
∙ |
= |
∙ |
∙ |
|
|||
= |
( − ) + + |
= |
( + + )− 2 |
∙ |
||||||||
Комбинируя выражения (1) и (2) получим |
|
|
|
|||||||||
7
КРАТКАЯ ТЕОРИЯ ВИХРЕТОКОВОГО КОНТРОЛЯ
|
|
4 |
∙ |
|
|
∙ |
∙ |
∙ |
|
|
( |
+ |
+ )− 2 |
∙ |
/ |
||||
|
|
|
|
|
|
∙ |
∙ |
∙ |
|
|
|
|
∙ |
|
|
|
|||
|
= |
4 |
( |
+ |
+ )− 2 |
∙ |
/ |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
( |
− |
∙ |
) |
|
|
|
|
∙ |
( |
/ |
||||
|
|
||||||||
Величина |
4 |
|
+ |
+ |
)− 2 |
∙ |
|
||
|
напряжённости |
будет |
являться суммой |
|
|||||
элементарных составляющих:
(3)
(интегралом) её
|
= |
|
∙ |
|
|
∙ |
∙ |
∙ |
|
|
4 |
( + |
+ )− 2 |
∙ |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∙ |
∙ |
∙ |
|
= |
= |
4 |
∙ |
( |
+ |
||||
|
|
|
|
+ |
)− 2 |
∙ |
|||
|
= |
|
∙ |
|
( |
− |
∙ |
) |
|
|
|
|
|||||||
4 |
( |
||||||||
|
|
|
+ |
+ |
)− 2 |
∙ |
|||
/
(4)
/
/
Можно показать, |
что составляющая |
, то есть вектор напряжённости |
|
|
|
|
силу симметрии объекта (кольца с |
лежит в плоскости XOZ. Действительно, в = 0 |
|||
током) составляющая |
|
означала бы нарушение этой симметрии. Таким |
|
|
также должно быть симметричным относительно оси |
||
образом, магнитное поле ≠ 0 |
|
|
|
кольца (Рис. 4).
Рис. 4. Магнитное поле кругового витка с током
8