Диссер

Вслучае ОК из алюминия магнитный поток, проходящий через сердечник

иОК, намагничивает керн сердечника близко к насыщению, а в случае стального ОК керн сердечника находится в насыщении. Поэтому увеличение индукции на поверхности ОК за счет увеличения намагниченности сердечника практически не возможно. Увеличение значения индукции возможно только за счет увеличения тока в подмагничивающем индукторе.

Из рассчитанных распределений магнитной индукции получены распределения нормальной и касательной составляющих магнитной индукции на поверхности ОК из алюминия и стали для различных зазоров, они приведены на рис.15 и 16.

Из графиков видно, нормальная составляющая на поверхности стального ОК по сравнению с алюминием распределена более равномерно, потому что магнитные линии входят в ОК преимущественно вертикально (рис.14). Для алюминия вблизи края керна нормальная составляющая магнитной индукции достигает большего значения, чем в центре, что положительно должно сказаться на остроте диаграммы направленности ЭМА преобразователя.

Рис.15. Распределение нормальной (обозначены синим цветом) и касательной (обозначены зеленым цветом) состаляющей магнитной индукции на поверхности ОК из алюминия с тремя зазорами 0,4 мм, 0,9 мм и 1,4 мм. 0 мм по оси абсцисс это центр керна, 3,5 мм – край керна.

41

Рис.16. Распределение нормальной (обозначены синим цветом) и касательной (обозначены зеленым цветом) состаляющей магнитной индукции на поверхности ОК из стали 10 с тремя зазорами 0,4 мм, 0,9 мм и 1,4 мм. 0 мм по оси абсцисс это центр керна.

2.3 Определение конфигурации сигнального индуктора.

По мере приближению к краю керна увеличивается значение касательной составляющей магнитной индукции. Поскольку для толщинометрии выбраны поперечные УЗ волны, то продольные волны, создаваемые касательной составляющей, будут являться паразитными. Для ферромагнитного материала ОК это не является критическим, поскольку эффективность возбуждения продольной волны в ферромагнетиках низкая [45]. А для немагнитных проводящих металлов и сплавов присутствие сигналов от продольных волн может создать возможность ложных показаний прибора, поскольку скорость продольных волн выше поперечных. Поэтому для выбора геометрии сигнальных катушек необходимо количественная оценка соотношения касательной и нормальной составляющих силы Лоренца для поперечных и продольных смещений соответственно.

Для этого разработанная модель подмагничивающей системы дополнена сигнальным индуктором, выполненным проводом с диаметром 0,12 мм.

Исследования были проведены для 3-х диаметров индуктора: 5 мм, 6 мм и

42

7 мм. Витки располагались на поверхности керна от центра к краю керна. Ток в сигнальном индукторе представляет собой импульс, у которого форма – половина синусоиды с длительностью соответствующей половине периода частоты 3 МГц и амплитудой равной 70 А. Поскольку сердечник подмагничивающей системы является ферромагнетиком, у которого нелинейная зависимость индукции от внешнего поля, то уравнения Максвелла становятся нелинейными и как следствие нарушается принцип суперпозиции.

Поэтому необходимо оценить достаточно ли линейного приближения

(использование принципа суперпозиции) или расчет силы Лоренца необходимо выполнять с учетом взаимного влияния подмагничивающего поля и вихревых токов от сигнального индуктора.

На рис.17 приведены плотности вихревых токов на поверхности алюминиевого ОК при зазоре 0,4 мм в присутствии подмагничивающего поля и без.

Рис.17. Распределение плотности вихревых токов от индуктора диаметром 5 мм в поверхности ОК из алюминия в присутствии подмагничивающего поля и без него при зазоре между керном и поверхностью ОК равном 0,4 мм.

Как следует из рисунка распределения вихревых токов в присутствии магнитного поля подмагничивания и без него значительно отличаются друг от

43

друга. Поэтому далее расчет сил Лоренца проводился с учетом взаимного влияния подмагничивающего поля и вихревых токов.

Такой расчет был выполнен и на рис.18 приведена зависимость отношения касательной и нормальной составляющих силы Лоренца от значения максимального радиуса сигнального индуктора в алюминиевом ОК.

Рис.18. Отношение касательной и нормальной компонент силы Лоренца в зависимости от максимального радиуса сигнального индуктора при зазоре между керном и поверхностью ОК равном 0,4 мм.

Как видно из рисунка, наименьший уровень паразитной продольной волны будет генерировать индуктор с радиусом 2,5 мм, отношение составляет 16 дБ.

При этом диаметре еще сохраняется хорошая направленность преобразователя

(акустическая апертура больше чем 5 , где -длина волны).

Далее проведен расчет зависимости отношения касательной и нормальной составляющих силы Лоренца от зазора для сигнального индуктора с радиусом

2,5 мм, результаты представлены на рис.19.

44

Рис.19. Отношение касательной и нормальной компонент силы Лоренца в зависимости от зазора для сигнального индуктора радиусом 2,5 мм.

Как следует из графика, при увеличении зазора ухудшается соотношение касательной и нормальной составляющих силы Лоренца и для зазора 1,4 мм это соотношение составляет 7,5 дБ. Если считать, что для обратного ЭМА преобразования это соотношение имеет то же значение, то общее значение для двойного ЭМА преобразования составит 15дБ, что является достаточным запасом.

С другой стороны, импульсную магнитную систему можно использовать для создания ЭМА преобразователя продольных волн для неферромагнитных проводящих материалов. Для этого, как следует из графика на рис.15,

сигнальный индуктор необходимо располагать в области, где максимальна касательная составляющая - 2,5-5,5 мм от оси керна.

Для ОК из ферромагнитных материалов диаметр сигнального индуктора следует брать равным диаметру керна, чтобы максимально использовать создаваемое подмагничивающей системой магнитное поле.

На основании полученных данных можно сделать следующие выводы:

Магнитный поток, проходящий через сердечник и ОК, намагничивает сердечник близко к насыщению в районе керна, поэтому увеличение

45

индукции на поверхности ОК возможно только за счет увеличения тока

в подмагничивающем индукторе.

Нормальная компонента магнитной индукции на поверхности ОК из стали более чем в два раза больше чем для ОК из алюминия за счет намагниченности самого ОК.

Сигнальный индуктор для ферромагнитных и неферромагнитных ОК для выбранной конфигурации импульсного электромагнита имеют различные размеры, для ферромагнетиков внешний диаметр должен совпадать с диаметром керна, для неферромагнетиков сигнальный индуктор не должен доходить до края керна на 1 мм.

На основе предложенной конструкции подмагничивающей системы для неферромагнитных материалов возможно создание ЭМА преобразователя продольных волн.

Мгновенная мощность необходимая для формирования подмагничивающего поля в выбранной конфигурации подмагничивающей системы составляет около 1,0 кВт.

2.4Исследование динамики формирования магнитного поля в ОК

Для определения времени переходного процесса, необходимо определить количество витков в индукторе. Как известно из электротехники, время переходного процесса для такой цепи определяется постоянной времени,

которая равна отношению индуктивности к активному сопротивлению индуктора (3).

= (3)

акт

Для выбранной конфигурации сердечника подмагничивающей системы окно намотки подмагничивающего индуктора имеет уже предопределенные размеры – квадрат со стороной 2,2 мм. В этих габаритах, возможно, намотать индуктор от одного до сотни витков, чем больше витков, тем меньше ток и тем выше требуется напряжение для создания этого тока. Рассмотрим влияние количества витков в фиксированном сечении на значение постоянной времени

46

, при условии заполнением проводом всего объема. Согласно эмпирической формуле Вилера, по которой точность расчета индуктивности для квадратного

сечения составляет 1 %, индуктивность без сердечника равна:

= 0,02 (4)

где – индуктивность в мкГн, – средний радиус намотки мм, - число витков, – высота намотки мм, с– толщина катушки мм.

Разобьем квадратное сечение со стороной на квадраты со стороной , где

- количество квадратов по стороне. Возьмем отношение индуктивностей для одного витка и для N витков, при условии, что отношение площади сечения провода к площади квадрата одинаковое и для одного витка и для N витков.

Тогда отношение индуктивностей пропорционально квадрату количества

А отношение активных сопротивлений катушек так же пропорционально

47

Таким образом, постоянная времени катушки в фиксированном окне намотки не зависит от количества витков. Количество витков следует выбирать исходя из удобства проектирования источника питания и кабельной части системы подмагничивания.

Из практических соображений значение напряжения питания для моделирования выбрано равным 13,2 В. Для создания необходимого магнитного поля при этом напряжении питания рассчитано количество витков, которое равно 20. При этом учтено влияние дополнительных сопротивлений: внутреннего сопротивления аккумулятора, сопротивление открытого транзисторного ключа и активного сопротивления проводов и контактов. Суммарное сопротивление, за исключением активного сопротивления индуктора подмагничивания равно 60 мОм. Более детально выбор источника питания и расчет суммарного сопротивления приведен в 4

главе. Расчетный максимальный ток в установившемся режиме для выбранной конфигурации индуктора составил 103 А. Далее, используя модель с введенными дополнительными сопротивлениями, был проведен временной анализ динамики формирования магнитного поля. Получены распределения значений нормальной составляющей индукции магнитного поля под керном и индуктором электромагнита в разные моменты времени после подачи напряжения на индуктор без ОК (в воздухе) и для ОК из неферромагнитного

(алюминий) и ферромагнитного (сталь 10) материалов.

На рис.20, рис.21 и рис.22 приведены кривые зависимости нормальной составляющей магнитной индукции от времени после подачи напряжения на индуктор в воздухе (рис.20), на поверхности ОК из алюминия (рис.21), на поверхности ОК из стали 10 (рис.22). ОК находится на расстоянии 0,4 мм от керна сердечника для 4-х точек: на оси керна, на расстоянии 1,15 мм от оси, на

2,3 мм от оси и 3,4 мм от оси.

48

Рис.20. Зависимость нормальной составляющей магнитной индукции от времени после подачи напряжения на индуктор подмагничивания в воздухе на расстоянии

0.4 мм от керна для 4-х точек: на оси керна, на расстоянии 1,15 мм от оси, 2,3 мм от оси и 3,4 мм от оси.

Рис.21. Зависимость нормальной составляющей магнитной индукции от времени после подачи напряжения на индуктор подмагничивания на поверхности ОК из алюминия, находящегося на расстоянии 0,4 мм от керна для 4-х точек: на оси керна,

на расстоянии 1,15 мм от оси, 2,3 мм от оси и 3,4 мм от оси.

49

Из сопоставления рис.20 и рис.21 видно, что в присутствии ОК из алюминия нарастание значения нормальной составляющей магнитного поля происходит медленнее. Это объясняется тем, что при нарастании тока в индукторе, происходит изменение магнитного поля. В ответ на это изменение в ОК наводятся вихревые токи. Они направлены так, чтобы противодействовать изменению магнитного поля. Но с течением времени вихревые токи ослабевают и действие их на формирование магнитного поля становится минимальным. После 600 мкс магнитная индукция изменяется слабо (не более 10%) и поэтому после этого значения возможно проведения цикла генерации и приема УЗ сигналов из ОК.

Рис.22 Зависимость нормальной составляющей магнитной индукции от времени после подачи напряжения на индуктор подмагничивания на поверхности ОК из стали

10, находящегося на расстоянии 0,4 мм от керна для 4-х точек: на оси керна, на расстоянии 1,15 мм от оси, 2,3 мм от оси и 3,4 мм от оси.

Как видно из сравнения зависимостей, приведенных на рис.20, рис.21 и

рис.22 наибольшая скорость нарастания нормальной составляющей магнитной индукции наблюдается на поверхности ОК из стали 10. Это объясняется тем,

что происходит увеличение индукции магнитного поля не только за счет роста тока индуктора и намагничивания сердечника, а так же за счет

50