Impulsy magnetostrykcyjne informacje podstawowe

Transkrypt

1 Impulsy magnetostrykcyjne informacje podstawowe 1. Zasada działania metody generacji i detekcji impulsów magnetostrykcyjnych W ćwiczeniu wykorzystuje się właściwości magnetosprężyste ferromagnetyków a w szczególności efekt magnetostrykcji oraz efekt Villariego dla bezkontaktowej generacji i detekcji impulsów akustycznych w ośrodkach ograniczonych w naszym przypadku w rurach. Impulsy akustyczne o niskiej częstości (rzędu khz) rozchodzą w rurze na znaczne odległości (rzędu kilknastu m) i mogą być dzięki temu wykorzystane do detekcji wad (nieciągłości) w tych rurach metodą echa, tak jak przy klasycznej defektoskopii ultradźwiękowej. Impuls akustyczny jest generowany podczas przemiennego magnesowania fragmentu rury za pomocą pola generowanego przez cewkę nadawczą. Zmiana namagnesowania skutkuje zmianą wydłużenia rury w kierunku pola magnetycznego. Taka właściwość ferromagnetyków określana jest jako efekt magnetostrykcji. Do detekcji impulsu akustycznego odbitego od wady wykorzystywany jest efekt magneto-sprężysty, zwany efektem Villariego [1]. Chodzi tu o efekt zmiany namagnesowania rury wynikający z działania naprężeń. Zmienne w czasie naprężenie (fala akustyczna) powoduje periodyczne zmiany namagnesowania rury. Te zmiany mogą być wykryte za pomocą cewki detekcyjnej obejmującej rurę. Schemat układu nadawczo-odbiorczego impulsów akustycznych w rurze pokazano na Rys. 1. Rys. 1. Ilustracja zasady generacji i detekcji impulsów akustycznych w rurze Na tym rysunku pokazano oprócz cewek (nadawczej i odbiorczej) dwa magnesy stałe, współdziałające z obiema cewkami. Te magnesy służą do namagnesowania rury i podczas nadawania impulsu akustycznego i podczas jego detekcji. Intensywność fali akustycznej a także i wielkość sygnału napięciowego indukowanego w cewce odbiorczej zależą od poziomu namagnesowania rury. Impuls fali ultradźwiękowej (zaznaczony umownie za pomocą fragmentu sinusoidy) generowany jest w obu kierunkach. Wtedy, gdy cewka nadawcza jest umieszczona na końcu rury, fala generowana jest praktycznie tylko w jednym kierunku Sygnał napięciowy indukowany w cewce odbiorczej jest wzmacniany a następnie filtrowany w celu zwiększenia jakości tego sygnału poprzez eliminacje zakłóceń. Na rysunku 2 pokazano przykład przebiegu napięciowego z cewki odbiorczej podczas badania rury ze sztucznymi wadami. Duży sygnał widoczny na początku wykresu jest napięciem indukowanym w cewce podczas generacji impulsu akustycznego. Sygnał na końcu wykresu (czas t = 5,75 ms) dotyczy echa odbitego od drugiego końca rury. Małe maksima występujące pomiędzy tymi dwoma skrajnymi sygnałami są świadectwem występowania wad wzdłuż rury. Maksima te są zaznaczone na rysunku liniami przerywanymi. 1

2 Rys. 2. Przykład sygnału napięciowego indukowanego w cewce detekcyjnej dla przypadku badania impulsami magnetostrykcyjnymi rury z defektami typu spoin i otworów. 2. Magnetostrykcja Magneteostrykcja - jest zjawiskiem polegającym na powstawaniu odkształceń ferromagnetyka podczas jego magnesowania. Magnetostrykcja występuje w niklu, żelazie, kobalcie oraz w ich stopach oraz w ferrytach. Zjawisko magnetostrykcji nie występuje w diamagnetykach oraz paramagnetykach. Ilościowo magnetostrykcję określa się mierząc względne wydłużenie magnesowanego ciała. Miarą magnetostrykcji jest wartość ilorazu: l λ =, (1) l o gdzie l jest zmianą długości (wymiaru) ciała dla pola o natężeniu H a l o jest długością (wymiarem) dla materiału rozmagnesowanego i dla zerowego natężenia pola magnetycznego (H = 0). Największe wydłużenie występuje w kierunku zgodnym z kierunkiem magnesowania. Wydłużenie to może by dodatnie (mówimy wówczas o magnetostrykcji dodatniej) lub ujemne (gdy ciało zmniejsza swe wymiary pod wpływem wzrastającego pola magnetycznego). Na rys. 3. pokazano przykładowe wykresy zależność względnego wydłużenia od natężenia pola magnetycznego dla czterech typowych ferromagnetyków, wykazujących magnetostrykcję o różnym charakterze. Podkreślić należy, ze badano materiały polikrystaliczne i dla dużego zakresu zmian pola magnetycznego. Jak widać, żelazo wydłuża się dla niskich (względnie) natężeń pola a skraca dla silnych pól magnetycznych.. Nikiel i kobalt skracają się a permlloy tylko wydłuża. Takie różne charakterystyki wynikają z różnic we właściwościach magnetostrykcyjnych monokryształów tych materiałów i zmian w strukturze domen magnetycznych następującej podczas magnesowania. W przypadku typowych stali konstrukcyjnych, magnesowanych w polu o natężeniu rzędu kilku ka/m, magnetostrykcja wzrasta monotonicznie. Przykład takiej zależności dla zmiany natężenia pola H od wartości ujemnych do dodatnich pokazano na rys. 4. Można zauważyć, że materiał wydłuża się dla obu kierunków pola magnetycznego. Największa dynamika przyrostów magnetostrykcji występuje w zakresie natężenia pola, gdzie wykres ma przegięcia. Ta właściwość ma znaczenie przy ustalaniu optymalnych warunków generowania impulsów magnetostrykcyjnych. Należy materiał podmagnesować do poziomu, przy którym występuje efekt najszybszych zmian magnetostrykcji (maksimum dla dλ/ dh), 2

3 Rys. 3. Magnetostrykcja dla wybranych polikrystalicznych ferromagnetyków: permalloy, żelazo, kobalt i nikiel [ 2 ] Rys. 4. Wpływ magnetycznego pola stałego na magnetostrykcję stali 3. Bezkontaktowa detekcja impulsów dźwiękowych W opisywanej metodzie badań do detekcji drgań ścianki rury wykorzystuje się, jak wspomniano wyżej efekt Villariego. Rura jest namagnesowana wstępnie do pewnego poziomu (indukcja B o ) za pomocą stałego pola H o. Naprężenia rozciągające zwiększają to namagnesowanie a naprężenia ściskające zmniejszają. Dla przemiennych naprężeń o amplitudzie σ powstaną zmiany namagnesowania o amplitudzie B. Oscylacje indukcji magnetycznej można wykryć stosując cewkę detekcyjną nawiniętą na rurze. Napiecie, jakie się w niej indukuje jest, zgodnie z prawem Faraday a, proporcjonalne do szybkości zmian strumienia indukcji poprzez przekrój cewki. Praktycznie strumień ten koncentruje się wewnątrz ścianki rury. Wynika stąd relacja oszacowująca związek pomiędzy amplitudą U m napięcia a B: 3

4 Φ U m = = N S B 2π f, (3) t m gdzie N liczba zwojów cewki, S przekrój ścianki rury, f częstość zmian fali ultradźwiękowej 3. Właściwości propagacji fal akustycznych w rurach Fale dźwiękowe przemieszczające się w rurach przemieszczają się poprzez różne mody drgań (odkształceń). Mogą występować drgania podłużne (typu L), drgania typu zginania (F) a także drgania skrętne (T). Dla fal typu L i F charakterystyczne jest występowanie efektu dyspersji, to znaczy zależności prędkości danego typu fali od częstotliwości drań. Na rys. 5 pokazano wykresy zależności prędkości fal od częstotliwości drgań dla rury stalowej o średnicy Φ = 50 mm i grubości ścianki h = 4,5 mm. Rys. 5. Wykres dyspersyjny dla prędkości grupowych fal prowadzonych dla stalowej rury o średnicy 50 mm i grubości ścianki 4,5 mm (wynik obliczeń z pracy [3]. Mody fal przydatnych w pomiarach: L fale podłużne, T fale skrętne, F fale zginania. Widać, ze dla modu L(0.1) prędkość początkowo maleje, przechodzi przez minimum a następnie wzrasta. Położenie tego minimum a także charakter zmian zależy od geometrii rury. Mod T(0,1) nie wykazuje efektu dyspersji. Zmienna prędkości fal o różnych częstościach ma niekorzystny wpływ na propagację impulsów falowych. Impuls złożony z kilku oscylacji o częstotliwości f o charakteryzuje się pewnym widmem częstotliwości w przedziale ± f względem f o. Poszczególne składniki mające różne częstości poruszają się z różnym prędkościami a to skutkuje poszerzeniem paczki falowej (rozmyciem przestrzennym) wraz ze zwiększeniem przebytej drogi przez impuls. To pogarsza rozdzielczość metody przy lokalizacji wad szerokimi paczkami. 4

5 Literatura [ 1] Morrish A. H. Fizyczne podstawy magnetyzmu,, PWN, Warszawa 1970 [2] Bozorth R. M. Ferromagnetism, Van Nostrand Company Inc.. Princeton, 1961 [3] 5