Detekcja wad przypowierzchniowych za pomocą pomiaru magnetycznego pola rozproszonego

Detekcja wad przypowierzchniowych za pomocą pomiaru magnetycznego pola rozproszonego Spis treści 1. Cel ćwiczenia 2. Opis układu pomiarowego 3. Próbki do badań 4. Zadnia do wykonania Załączniki 1. Kądzielewski fragmenty pracy dyplomowej 2. Instrukcja obsługi miernika MPR-H2 3. Elementy wiedzy o magnesowaniu 1

1. Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest poznanie techniki detekcji magnetycznego pola rozproszonego i określenie wielkości i charakteru wady w bloku stalowym. 2. Opis układu pomiarowego Elementy układu pomiarowego przestawiono na Rys. 1. Rys. 1. Schemat blokowy układu pomiarowego. P próbka, EM elektromagnes jarzmowy; Z zasilacz prądu stałego, MPR miernik pola rozproszonego, O odometr, s sonda pomiarowa, M moduł pomiarowy, PC komputer Miernik magnetycznego pola rozproszonego typ MPR-H2 opisany jest w załączonej instrukcji. Sonda miernika s zawiera dwa czujniki natężenia pola magnetycznego (hallotrony A i B odległe o 5 mm). Mierzą one składowe natężenia B prostopadłe do powierzchni sondy. Sonda wyposażona jest w układ pomiaru przemieszczenia (odometr). Odometr generuje impuls elektryczny przy obrocie koła odometru o pewien kąt Δα. Miernik MPR na swym wyjściu generuje dwa sygnały napięciowe: 1 U1 -proporcjonalny do natężenia indukcji magnetycznej, 2 U2 - proporcjonalny do 2

różnicy sygnałów z obu czujników. Ta różnica może być traktowana jako miara gradientu indukcji magnetycznej. Sygnały napięciowe z odometru oraz z miernika MPR-H2 są przetwarzane na sygnał cyfrowy w module pomiarowym M. Moduł ten jest sprzężony jest z komputerem PC. Próbka magnesowana jest za pomocą elektromagnesu jarzmowego EM. Elektromagnes wraz z położoną próbką tworzą zamknięty obwód magnetyczny. Natężenie indukcji magnetycznej B wewnątrz próbki zależy od właściwości magnetycznej rdzenia elektromagnesu i próbki oraz od pola magnetycznego H wytwarzanego w obwodzie magnetycznym przez cewkę elektromagnesu. Pole to jest proporcjonalne do natężenia prądu płynącego przez cewkę. Źródłem tego prądu jest zasilacz Z. W ćwiczeniu wykorzystywany jest także dodatkowy elektromagnes jarzmowy (EF) Służy on do rozmagnesowania próbek. Elektromagnes ten jest pokazany schematycznie na Rys. 2. Rys. 2. Elektromagnes EF Oprogramowanie zainstalowane w ćwiczeniu pozwala na rejestrację trzech sygnałów napięciowych w funkcji numeru punktu pomiarowego. Sygnały te są rysowane na ekranie a także zapisywane do pliku ( o nazwie zadanej). 3. Próbki do badań. W ćwiczeniu badane są próbki wzorcowe oraz blok stalowy z ukrytą wadą. Próbki wzorcowe mają kształt prętów stalowych o przekroju 10 10 mm 2. Na jednym boku są wydrążone elektroiskrowo szczeliny prostopadłe do powierzchni o różnej głębokości i szerokości. Szczeliny w jednym z prętów wzorcowych są skośne do powierzchni próbki. Blok stalowy zawiera jedną wadę przypowierzchniową. UWAGA: przekrój poprzeczny bloku stalowego jest większy niż przekrój poprzeczny próbek wzorcowych. Poziom indukcji magnetycznej B wewnątrz próbki magnesowanej za pomocą elektromagnesu jarzmowego EM zależy od przekroju poprzecznego próbki i tę zależność należy mieć na uwadze przy wykonywaniu badań. 3

4. Zadania do wykonania 1. Zapoznać się z instrukcją miernika oraz załącznikiem (fragmenty pracy dyplomowej) 2. Wyzerować miernik MPR-H2 3. Rozmagnesować pręty za pomocą elektromagnesu MF. Kontrolować stanu namagnesowania resztkowego mierząc natężenie pola przy ostrych krawędziach próbki. 4. Wybrać pręt z największą wadą i wyznaczyć poziom natężenia In prądu magnesującego, przy którym występuje nasycenie sygnału U2 (przesterowanie widoczne jest ma wykresach) dla tej wady. Ponownie rozmagnesować ten pręt. 5. Wykonać badania rozkładu sygnałów dla wszystkich wad wzorcowych przy natężeniu prądu na poziomie około Ia = ¼ In. Dla wad skośnych zarejestrować sygnały dla dwóch kierunków skanowania. 6. Powtórzyć badania z pkt. 5 dla natężenia prądu Ib = 2 Ia. 7. Wyznaczyć przekroje poprzeczne prętów wzorcowych (Sw) oraz bloku stalowego (Sx). 8. Wyznaczyć iloraz przekrojów k = Sx/Sw 9. Wykonać badania rozkładu sygnałów pola rozproszonego dla bloku stalowego stosując prądy o natężeniach k razy większych. 10. Wyznaczyć średnią odległość między wadami na próbkach wzorcowych 11. Wykreślić wyniki badania w postaci zależności U2(n) dla wszystkich wad wzorcowych 12. Wyznaczy amplitudy ΔU2 (różnica wartości ekstremów) 13. Sporządzić tabele zawierające zależność ΔU2 od szerokości s i głębokości h wady dla obu poziomów natężenia prądu. Wykonać wykresy 3D tych zależności. Opisać charakter tych wykresów 14. Wykonać kalibrację skoku odometru w celu uzyskania wartości odległości między kolejnymi punktami w wymiarze mm 15. Sporządzić kilka wykresów ΔU2 w funkcji x dla wad o różnej głębokości i szerokości. Zbadać, jak rozkład przestrzenny pola rozproszonego zależy od szerokości i głębokości wady. 16. Sporządzić analogiczne wykresy dla wad skośnych (cztery przykłady). Zbadać, jak rozkład przestrzenny pola rozproszonego zależy kierunku zagłębienia wady względem powierzchni próbki. 17. Wykreślić sygnały uzyskane dla bloku stalowego. 18. Przeanalizować wykresy i wyznaczyć amplitudy ΔU2 19. Skorzystać z funkcji kalibracji ΔU2(s,h) i oszacować wartość h tej wady przy założeniu, że jej szerokość jest pomijalnie mała. 20. Ocenić rodzaj wady oraz niepewność wyznaczonej głębokości. 4

Załącznik 1 Fragmenty pracy dyplomowej 5

Politechnika Gdańska Wydział Fizyki Technicznej i Matematyki Stosowanej PRACA MAGISTERSKA z kierunku dyplomowania Fizyka Techniczna Marcin Kądzielewski Detekcja wad powierzchniowych instalacjach przemysłowych za pomocą pomiaru magnetycznego pola rozproszonego w Promotor: dr Bolesław Augustyniak Gdańsk 2002 1

2.4. ROZKŁAD LINII INDUKCJI POLA MAGNETYCZNEGO W UKŁADZIE MAGNES STAŁY PRĘT FERROMAGNETCZNY Rys. 2.4.1 przedstawia rozkład linii pola magnetycznego wyliczony dla sytuacji, gdy magnes stały znajduje się w pewnej odległości od ferromagnetyka. Rys.2.4.1. Linie indukcji magnetycznej w ferromagnetyku Na Rys.2.4.1 schematycznie przedstawiony jest rozkład wektora indukcji B pola rozproszonego na składowe normalną B n i styczną B s między biegunami magnesu. Rozkład składowej normalnej B n i jej gradientu pomiędzy biegunami magnesu przedstawia rysunek 2.4.2. 1 0 B n jednostki względne -1 0-20 -10 0 10 20 gradb n -1-20 -10 0 10 20 Rys.2.4.2. Rozkład składowej normalnej B n pola rozproszonego i jej gradientu gradb n pomiędzy biegunami magnesu z Rys.2.4.1. x [mm] 2

Widać, że w środku odcinka łączącego bieguny magnesu wartość składowej normalnej B n oraz jej gradientu jest równa zero. Natomiast, jeżeli na powierzchni ferromagnetyka pojawi się szczelina, to rozkład pola rozproszonego ulega zmianie, jak pokazują rysunki 2.4.3 i 2.4.4. Rys.2.4.3. Linie indukcji magnetycznej w ferromagnetyku z wadą przypowierzchniową 1 0 B n jednostki względne -1 1 0-20 -10 0 10 20 gradb n -20-10 0 10 20 x [mm] Rys.2.4.4. Rozkład składowej B n pola rozproszonego i jej gradientu pomiędzy biegunami magnesu z Rys.2.4.3. 3

Rysunek 2.4.4 pokazuje wyraźne zaburzenie składowej B n oraz jej gradientu w porównaniu z sytuacją bez wady pokazaną na rysunku 2.4.1 i 2.4.2. Nałożone na tło pola rozproszonego od biegunów magnesu. 3. PRÓBKI POMIAROWE W celu wyznaczenia zależności składowej normalnej B n wektora indukcji magnetycznej pola rozproszonego w funkcji rozmiarów szczeliny została wykonana seria wzorcowych wad przypowierzchniowych w prętach i rurach. Wymiary pręta podano na rysunku 3.1. Rys.3.1. Próbka wzorcowa z nacięciem prostopadłym do powierzchni. Nacięć w prętach dokonano dla szeregu głębokości h i szerokości s. h[mm]: 0,5; 1; 2; 3; 5 ; 7,5; 10 s[mm]: 0,15; 0,2; 0,3; 0,5 Do badań wykorzystano również pręt o szerokości s nacięcia 0,13 mm i głębokości h równym 3 mm. Aby zaobserwować zachowanie się B n w zależności od kąta nacięcia zostały wykonane także nacięcia skośne o różnych parametrach. Rys.3.2. Próbka wzorcowa z nacięciem skośnym do powierzchni. 4

Wartości kątów α, głębokości h i długości nacięć l przedstawia tabela 3.1. Tab.3.1. Kąty, głębokości i długości sztucznych wad o szerokość s=0,3 mm. Lp. α [ ] h [mm] l [mm] 1 0 1 1 2 30 1,8 2 3 45 2,2 3,1 4 60 2,1 4,2 Wszystkie powyższe pręty wykonane są ze stali niskowęglowej. 4.2.2. WYNIKI BADAŃ DLA WAD WZORCOWYCH Pomiary pola rozproszonego na szczelinach prostopadłych do powierzchni pręta zostały wykonane dla dwóch przypadków. Rys. 4.2.6. Sposoby pomiaru pola rozproszonego: a) wada powierzchniowa, b) wada podpowierzchniowa. Pierwszym przypadkiem było badanie pola rozproszonego na szczelinach przypowierzchniowych (rysunek 4.2.6.a), natomiast drugim pola rozproszonego na wadach podpowierzchniowych (rysunek 4.2.6.b). Pomiar pola rozproszonego na szczelinach powierzchniowych został wykonany dla wszystkich nacięć prostopadłych do powierzchni w próbkach opisanych w rozdziale 3. 0,12 h = 0,5 mm 0,11 G m [T/m] 0,10 punkty pomiarowe przybliżenie 0,09 0,2 0,3 0,4 0,5 s [mm] 5

Rys. 4.2.7. Gradient pola rozproszonego w zależności położenia nad prętem. Stała szerokość szczeliny s=0,5mm i siedem różnych głębokości h. Rysunek 4.2.7 przedstawia zmianę gradientu B n składowej normalnej pola rozproszonego nad szczeliną. W celu zachowania przejrzystości wykresu został pokazany co piąty punkt pomiarowy. Parametr G m oznacza maksymalną wartość gradientu pola B n dla danej głębokości szczeliny. Widać, że po zwiększaniu głębokości szczeliny znacznie wzrasta wartość G m. 0,08 s = 0,5 mm 0,06 punkty pomiarowe przybliżenie G m [T/m] 0,04 0,02 0,00 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 P g/s Rys. 4.2.8. Zależność maksymalnych wartości gradientu pola rozproszonego G m w zależności od parametru P g/s, czyli stosunku głębokości szczeliny do grubości pręta, na którym się znajduje. Na rysunku 4.2.8 znajduje się zależność maksymalnej wartości gradientu składowej normalnej pola rozproszonego G m (uwidoczniona na rysunku 4.2.7) od stosunku h P g / s =, gzie h jest głębokością szczeliny, a b grubością pręta. Jako grubość pręta b 6

należy rozumieć długość krawędzi a przekroju poprzecznego (rysunek 3.1). Widać, że wraz ze zbliżaniem się tego stosunku do jedności znacznie wzrasta natężenie pola rozproszonego. Nie jest to zależność liniowa, co świadczy o tym, że na natężenie pola rozproszonego ma wpływ nie tylko głębokość szczeliny, ale również stosunek jej głębokości do grubości materiału. Zmniejszanie grubości materiału pod szczeliną zwiększa opór magnetyczny, a tym samym zwiększa się wyciek pola magnetycznego. 0,12 0,09 h = 0,5 mm s=0,5 mm s=0,3 mm s=0,2 mm s=0,15mm gradb n [T/m] 0,06 0,03 0,00-0,03-9 -6-3 0 3 6 9 X [mm] Rys. 4.2.9. Gradient pola rozproszonego dla szczelin przypowierzchniowych dla stałej głębokości szczeliny h=0,5mm i czterech różnych szerokości s. Na rysunku 4.2.9 przedstawiono zależność gradientu składowej normalnej pola rozproszonego w funkcji szerokości szczeliny s przy stałej głębokości h. Natomiast rysunek 4.2.10 przedstawia zależność wartości maksymalnych gradientu pola G m w funkcji szerokości s szczeliny. 7

0,12 h = 0,5 mm 0,11 G m [T/m] 0,10 punkty pomiarowe przybliżenie 0,09 0,2 0,3 0,4 0,5 s [mm] Rys. 4.2.10. Zależność maksymalnych wartości gradientu pola rozproszonego w zależności od szerokości szczeliny. Rysunek 4.2.10 przedstawia zależność maksymalnych wartości gradientu G m pola rozproszonego w zależności od szerokości s szczeliny. Jak widać, wartość G m wraz ze wzrostem szerokości szczeliny s zbliża się do pewnej wartości granicznej. Można przypuszczać na podstawie wyników Förstera iż wartość G m powinna maleć wraz z dalszym wzrostem szerokości szczeliny, gdyż linie indukcji magnetycznej omijając defekt nie będą wypływać na zewnątrz materiału, lecz zaczną opływać go przy dnie (Ważny jest tu wynik przedstawiony przez Förstera, rysunek 2.3.4.). 8

0,5 h=10 mm a) 0,4 0,4 h=7,5 mm b) 0,3 0,2 szerokość szczeliny = 0,5 mm 0,5 0,3 0,2 szerokość szczeliny = 0,3 mm h=5 mm h=3 mm h=2 mm h=1 mm h=0,5 mm 0,1 0,1 gradb n [T/m] 0,0-0,1 0,5 0,4-8 -4 0 4 8 szerokość szczeliny = 0,2 mm 0,0-0,1 0,5 0,4-8 -4 0 4 8 szerokość szczeliny = 0,15 mm 0,3 0,3 0,2 0,2 0,1 0,1 0,0 0,0-0,1-8 -4 0 4 8-8 -4 0 4 8 c) x [mm] d) -0,1 9

Rys. 4.2.11. Wyniki pomiarów gradientu składowej normalnej B n pola rozproszonego dla badanych wad przypowierzchniowych. 10

Na rysunku 4.2.11 jest zestawienie wyników pomiarów pola rozproszonego dla wszystkich rozmiarów badanych szczelin. Da się zauważyć, że im mniejsza jest szerokość szczeliny, tym jej zmiana bardziej znacząco wpływa na wielkość pola rozproszonego (rys. 4.2.11 c i d). Pomiarów pola rozproszonego dokonano również dla wad skośnych. Wyniki pokazano na rysunku 4.2.12. 0,03 0,02 s = 0,3 mm 2 1 h=1 mm; l=1 mm; α =0 o 2 h=1,7mm; l=2 mm; α =30 o 3 h=2,2mm; l=3,1mm; α =45 o 4 h=2,1mm; l=4,2mm; α =60 o gradb n [T/m] 0,01 0,00 1-0,01 3 4 2 4 6 8 10 12 x [mm] Rys.4.2.12. Gradient składowej normalnej gradb n pola rozproszonego dla szczelin o różnym kącie nacięcia (Rys.3.2). Widać, że dla szczelin 1 i 2 wartość gradientu zwiększa się głównie dlatego, że zwiększyła się głębokość h, a właściwie długość szczeliny. Szczeliny 3 i 4 mają podobną głębokość, a zatem i wartość gradientu. Zwiększenie kąta powoduje oddalenie się minimum gradientu po stronie załamania szczeliny. Oznacza to, żę można z kształtu wykresu gradb n określić geometrię pęknięcia, a w szczególności kąt nacięcia oraz głębokość. Długość pęknięcia również ma wpływ na odległość pomiędzy minimami i może być z tego parametru także wyznaczona. Kolejne serie pomiarów pola rozproszonego zostały wykonane dla przypadku z rysunku 4.2.6.b tj. dotyczą one wad podpowierzchniowych. 8

0,5 0,4 s = 0,5 mm 0,5 0,4 s = 0,3 mm h=10 mm h=7,5mm h=5 mm 0,3 0,3 0,2 0,2 0,1 0,1 0,0 0,0 gradb n [T/m] -0,1-10 -5 0 5 10 0,5 0,4 s = 0,2 mm -0,1-10 -5 0 5 10 0,5 0,4 s = 0,15 mm 0,3 0,3 0,2 0,2 0,1 0,1 0,0 0,0-0,1-0,1-10 -5 0 5 10-10 -5 0 5 10 x [mm] Rys. 4.2.13. Zestawienia pomiarów gradientu gradb n składowej normalnej B n pola rozproszonego dla szczelin podpowierzchniowych o długości nacięcia h i szerokości s. 9

Rysunek 4.2.13 przedstawia wyniki pomiarów gradientu gradb n składowej normalnej pola rozproszonego dla szczeliny podpowierzchniowej w funkcji położenia x względem wady. Im głębsze nacięcie, tym wartość maksymalna gradientu jest większa. Efekt ten zwiększa się w miarę wzrostu szerokości szczeliny. Sygnał pola rozproszonego dało się zauważyć jedynie dla głębokości nacięć h=5, h=7,5 oraz h=10mm. Znaczy to, że możliwa jest dla danego namagnesowania detekcja wad podpowierzchniowych stanowiących więcej niż 50% przekroju poprzecznego pręta. Wykres na rysunku 4.2.14 przedstawia zależność maksymalnej wartości gradientu G m składowej normalnej B n pola rozproszonego w funkcji szerokości s i głębokości szczeliny h. 1 G m [T /m ] 0,1 0,01 0,15 0,200,25 0,30 0,35 0,40 0,45 s [m m ] 0,50 0 2 4 6 h [m m ] 8 10 10

Rys. 4.2.14. Zależność G m od szerokości s i głębokości h dla wad podpowierzchniowych. Jak widać, bardzo znacząca jest zmiana G n w funkcji głębokości, o 2 rzędy. Zależność G n od szerokości nie jest monotoniczna i dla dużych h występuje maksimum dla szerokości około s 0,5 mm. Na rysunku 4.2.15 przedstawiono zależność stanu namagnesowania M materiału pręta w funkcji odległości d biegunów magnesu od powierzchni materiału. Stan namagnesowania wyznaczono za pomocą czujnika stykowego. 0,06 0,04 M [T] 0,02 0,00 0 1 2 3 4 5 6 d [mm] Rys. 4.2.15. Zależność namagnesowania M od odległości biegunów magnesu od powierzchni materiału. 0,020 Wyraźnie widać, że zwiększając odległość biegunów magnesu od powierzchni 0,018 znacznie zmniejsza się namagnesowanie materiału. 0,016 G m [T/m] 0,014 0,012 0,010 0,008 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 d [mm] 11

Rys. 4.2.16. Zależność G m od odległości d biegunów magnesu od powierzchni. Dla szczeliny s=0,13mm i h=3mm. Na rysunku 4.2.16 przedstawiono zależność wartości gradientu pola rozproszonego w funkcji odległości d magnesu od powierzchni. Analizując wykresy 4.2.15 i 4.2.16 widać, że wartość pola rozproszonego silnie zależy od stanu namagnesowania materiału i zależność ta jest nieliniowa i przyrost G m są coraz mniejsze dla dużych wartości M. 5. DYSKUSJA WYNIKÓW I MODELOWANIE POLA ROZPROSZONEGO 12

W celu weryfikacji poprawności wyników badań zostały wykonane obliczenia pola rozproszonego przy powierzchni ferromagnetyka dla podobnych szczelin jakie zostały zbadane doświadczalnie. Obliczenia wykonano przy pomocy programu komputerowego FEEM 3.1 (Finite Element Method Magnetics) korzystającego z metody elementów skończonych [12,13]. Program umożliwia policzenie pola rozproszonego dla przypadku dwuwymiarowego jak na rysunku 5.1. H a Rys. 5.1. Model pręta ze szczeliną s=0,15mm i h=8mm utworzony w programie komputerowy FEEM Na rysunku przedstawiony jest fragment obrazu ekranu komputera pokazujący pręt ferromagnetyczny ze szczeliną o szerokości s=0,15 mm i głębokości h=8 mm. Parametrami programu koniecznymi do wykonania obliczeń są między innymi przyłożone zewnętrzne pole magnetyczne H a, względna przenikalność magnetyczna µ r oraz dokładność z jaką program ma wyliczać natężenie pola w danym obszarze, czyli rozmiar tzw. komórek. Do obliczeń przyjęto Ha=1000 A/m i własności magnetyczne dla stali miękkiej. Na podstawie rysunku 4.2.8 wiadomo, że natężenie pola rozproszonego zależy wykładniczo od parametru P g/s, czyli stosunku głębokości szczeliny do szerokości pręta. Wykres na rysunku 5.2 przedstawia policzoną zależność wartości gradientu G m składowej normalne pola rozproszonego w funkcji parametru P g/s. 13

1,0 0,8 G m [względne] 0,6 0,4 0,2 0,0 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 P g/s Rys. 5.2. Zależność maksymalnych wartości gradientu pola rozproszonego G m w zależności od parametru P g/s,. Charakterystyka policzona dla s=0,25 mm. Charakterystyka została wyznaczona dla szczeliny o szerokości s=0,25 mm. Porównując rysunek 5.2 z rysunkiem 4.2.8 widać jednakowy kształt zależności obu charakterystyk. Zwiększając głębokość szczeliny widać dla parametru P g/s >0,4, że natężenie pola rozproszonego znacznie wzrasta wraz z dalszym zwiększaniem głębokości szczeliny. Na rysunku 4.2.12 zamieszczone są wyniki badań szczelin o stosunkowo małej szerokości, natomiast wyniki badań szczelin o dużej szerokości, uzyskane przez Förstera, przedstawia rysunek 2.3.4. Z obu tych charakterystyk można wywnioskować, że w zależności wartości gradientu G m składowej normalnej pola rozproszonego od szerokości szczeliny s będzie istniało pewne maksimum. Charakterystyka na rysunku 5.3 przedstawia policzoną zależność wartości gradientu G m od szerokości szczeliny s. 14

0,68 0,66 0,64 G m [względne] 0,62 0,60 0,58 0,56 0,54 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 s [mm] Rys. 5.3. Zależność maksymalnych wartości gradientu pola rozproszonego w zależności od szerokości s szczeliny, głębokość h=8,5 mm. Wyraźnie widoczne jest maksimum w punkcie s=0,32 mm. Świadczy ono o tym, iż zwiększając szerokość od s=0 zaczyna pojawiać się wyciek pola magnetycznego na zewnątrz materiału, którego wartość wzrasta do pewnej wartości maksymalnej osiąganej dla około s=0,32 mm przy h=8,5 mm. Zwiększając nadal szerokość s wyciek pola magnetycznego zaczyna maleć. Na podstawie charakterystyk 5.2 i 5.3 widać pewną zależność wartości gradientu G m pola rozproszonego od szerokości s i głębokości h szczeliny. Przedstawia ją rysunek 5.4. 1 G m [w zg lę dne ] 0,1 0,01 0,2 0,3 s [m m ] 0,4 0,5 0 2 4 6 h [m m ] 8 10 Rys. 5.4. Zależność G m od szerokości s i głębokości h. Widać, że dla wad o stosunkowo dużej szerokości s do głębokości h wartość pola rozproszonego G m jest bardzo mała. Na podstawie wyników doświadczalnych przedstawionych na rysunku 2.4.14 15

i wartości policzonych z rysunku 5.4 można wywnioskować, że wartość pola rozproszonego w dużym stopniu zależy od jego głębokości, a raczej parametru P g/s. Ważnym czynnikiem jest stan namagnesowania materiału. Na rysunku 5.5 przedstawiona jest policzona zależność wartości gradientu G m pola rozproszonego w funkcji namagnesowania. 0,2 G m [T/m] 0,1 0,0 0,0 0,4 0,8 1,2 B i [T] Rys.5.6. Zależność G m od indukcji B i wewnątrz ferromagnetyka. Widać, że dla stosunkowo dużego stanu namagnesowania ferromagnetyka wartość gradientu pola rozproszonego mocno narasta. Wydaje się, że zastosowanie silnego pola magnetycznego powinno poprawić skuteczność tej metody w detekcji wad. 16

Załącznik 2 Instrukcja obsługi miernika MPR-H2 17

Magnetyczne Techniki Diagnostyczne Zakład Opracowań i Produkcji Aparatury Pomiarowej "Mag-Lab" s.c. INSTRUKCJA OBSŁUGI MPR-H2c Miernik pola rozproszonego 80-335 Gdańsk, ul. Sztormowa 1A/6, tel./fax (58) 57 82 44

1. Przedstawienie ogólne przyrządu Miernik MPR-H2c jest przyrządem służącym do pomiaru natężenia magnetycznego pola rozproszonego konstrukcji wykonanych ze stali ferrytycznych. Przyrząd przeznaczony jest głównie do detekcji i oceny wielkości wad powierzchniowych i podpowierzchniowych. Za pomocą tego przyrządu można zmierzyć jednocześnie dwie wielkości: B - natężenie indukcji magnetycznej oraz B - różnicę natężenia indukcji magnetycznej w dwóch blisko siebie położonych punktach. Przyrząd zawiera układy służące do pomiaru sygnału B i sygnału B oraz do wizualnej i dźwiękowej ich sygnalizacji. Zastosowano dwa wskaźniki poziomu tych sygnałów: cyfrowy dla sygnałów B i B oraz świetlny (linijka świetlna LS) dla sygnału B. Poziom sygnału B jest także sygnalizowany za pomocą sygnału dźwiękowego przy czym jest to albo dźwięk o częstotliwości modulowanej sygnałem B (stan 1) albo dźwięk o stałej częstotliwości występujący dopiero po przekroczeniu określonego poziomu przez sygnał B (stan 2). 2. Dane techniczne przyrządu Pomiar natężenia indukcji B Zakres 1. : 1 µt - 2 mt Zakres 2.: 10 µt - 20 mt Pomiar różnicy natężenia indukcji B Zakres 1. ± 0.4 mt Zakres 2. : ± 0.2 mt Zakres regulacji linijki świetlnej LS Liczba pól świetlnych: 24 (w tym 8 pól w kolorze czerwonym ) Dynamika wskazań : płynna regulacja zakresu od ± 0.4 V do ± 2.6 V. Zmiana sygnału dźwiękowego Wybierane są dwa stany sygnalizacji poziomu sygnału B: Stan 1.: płynna zmiana częstotliwości dźwięku względem częstotliwości bazowej f o = 2 khz w zależności wartości parametru DB w zakresie od 0.5 khz do 4 khz. Stan 2.: Sygnał dźwiękowy o stałej częstotliwości (f 1 khz) występuje po przekroczeniu przez różnicę DB progu poziomu równemu 80% zakresu wskazań linijki świetlnej 19

Zakres temperatury otoczenia Dla układu pomiarowego : od +5 o C do +40 o C Dla sondy (bez ekranu): od -20 o C do + 40 o C. Wpływ zmian temperatury na wskazania przyrządu: pomiar parametru B : 2 % pełnego zakresu na 1 o C, pomiar parametru DB : 0.5 % pełnego zakresu na 1 o C. Napięcie zasilające Zasilanie z sieci o napięciu 220 V lub zasilanie z akumulatora niklowo-kadmowego. Pojemność akumulatora: 850 mah, napięcie znamionowe 14.4 V. Ładowanie za pomocą wbudowanego prostownika zasilanego przez zewnętrzny transformator. Pobór mocy maksymalnie 1.5 W. Czas pracy Czas pracy przy zasilaniu bateryjnym - około 5 h Wymiary Miernik: wysokość - 70 mm, szerokość - 145 mm, głębokość - 190 mm. waga: 1100 G. Głowica : wymiary sondy: podstawa 11 mm na 11.5 mm i o długość 62 mm, długość kabla - 180 cm; 3. Zasada pracy przyrządu Przyrząd MPR-H2c został skonstruowany w celu optymalizacji procesu lokalizacji wady struktury materiału poprzez pomiar natężenia indukcji pola rozproszonego z wykorzystaniem podwójnego czujnika pola magnetycznego.. Przyrząd zaopatrzony jest w głowicę oraz w miernik. Głowica zawiera dwa niezależne czujniki natężenia pola magnetycznego. Dzięki temu możliwy jest pomiar natężenia indukcji magnetycznej w dwóch sąsiednich punktach. Miernik składa się z szeregu podzespołów służących do pomiaru oraz wizualizacji i sygnalizacji dźwiękowej wyników pomiaru. 20

Schemat blokowy przyrządu przedstawia rys. 1. MPRH2c a b W2 B Z b a W1 G 2 T S B s1 B U Z 1 W4 a b L C D G 1 s2 a b B P1 W3 a b G D W5 L S R1 G Z U Z 2 G 3 P2 G W 1 G W 2 Rys. 1. Schemat blokowy MPR-H2c. SB - sonda, B - układ pomiaru indukcji, UZ1 - układ zerowania układu B, B - układ pomiaru sygnału B, UZ2 - układ - układ zerowania układu B, BZ - blok zasilania, LCD - woltomierz i wyświetlacz cyfrowy, LS - woltomierz z linijką świetlną, GD - generator dźwięku, GW1, GW2 - przetworniki dźwięku, T - zasilacz zewnętrzny, GZ - słuchawka. Elementy podstawowe przyrządu to: - SB - sonda, - B i B - podzespoły wzmacniaczy wraz z układami zerowania UZ1 i UZ2, - LCD - woltomierz cyfrowy z wyświetlaczem ciekłokrystalicznym, - LS - woltomierz cyfrowy z wyświetlaczem z diod luminescencyjnych (linijka świetlna), - GD - generator sygnałów dźwiękowych wraz z przetwornikami dźwiękowymi GW1 i GW2 - BZ - blok zasilania. W skład przyrządu wchodzą także zasilacz zewnętrzny T oraz słuchawka GZ. Sygnały napięciowe z sondy są analizowane za pomocą dwóch podzespołów analogowych. Podzespół B dostarcza napięcia proporcjonalnego do natężenia indukcji magnetycznej natomiast podzespół B dostarcza napięcia proporcjonalnego do różnicy dwóch natężeń indukcji magnetycznej. Układy zerowania UZ1 oraz UZ2 służą do automatycznego zerowania napięciowego sygnału wyjściowego podzespołów B i B. Zerowanie następuje po naciśnięciu 21

odpowiednio przełączników P1 i P2. Przełączniki W2 i W3 są wykorzystywane do zmiany wzmocnienia napięciowego tych podzespołów. Podzespół woltomierza z wyświetlaczem ciekłokrystalicznym (LCD) jest przełączany za pomocą przełącznika W4 na wyjścia podzespołów B (położenie 'b') i B (położenie 'a'). Podzespół woltomierza i linijki świetlnej LS jest połączony na stałe do wyjścia podzespołu B. Zakres czułości podzespołu LS (położenia świecącej diody w zależności od napięcia wejściowego) można regulować za pomocą potencjometru R1. Skrajne cztery diody elektro-luminescencyjne z linijki świetlnej emitują kolor czerwony. Zmiany poziomu sygnału B są także sygnalizowane na dwa sposoby za pomocą dźwięku. Generator dźwięku GD, sterowany napięciem sygnału z B, dostarcza albo sygnału dźwiękowego o częstotliwości modulowanej tym napięciem, albo sygnału dźwiękowego ciągłego, które jest generowane po przekroczeniu przez sygnał B wybranego progu napięcia. Sposób sygnalizacji wybierany jest za pomocą przełącznika W5. W położeniu 'a' generowany jest dźwięk o modulowanej częstotliwości natomiast w położeniu 'b' dźwięk (o stałej częstotliwości) generowany jest tylko wtedy, gdy sygnał B przekroczy pewien poziom (ustalony na około 80% pełnego zakresu wskazań podzespołu LS). Blok zasilania BZ dostarcza odpowiednich napięć a także służy do ładowania akumulatorów. Blok ten jest załączany za pomocą przełącznika W1. 22

4. Obsługa przyrządu. 4.1. Rozmieszczenie elementów regulacyjnych Schemat rozmieszczenia tych elementów na płycie czołowej pokazuje rys. 2. LS B B, B R1 P1 P2 0 B 0 B 1999 LCD ON OFF I I B I W1 W2 W3 W4 W5 a b MPR-H2 c II B II B B LCD II SM Mag-Lab s.c. Rys. 2. Płyta czołowa MPR-H2c. - linijka świetlna, LCD - wyświetlacz, R1 - regulacja czułości LS, P1 - zerowanie B, P2 - zerowanie B, W1 - wyłącznik zasilania, W2 - zmiana wzmocnienia B, W3 - zmiana wzmocnienia B, W4 - przełączenie LCD, W5 - zmiana sygnalizacji dźwiękowej. Na tym rysunku zaznaczono występujące na płycie napisy oraz czcionką pochyloną zaznaczono nazwy tych elementów, jaki zostały użyte na schemacie blokowym (rys. 1). Wyszczególnione na rys. 2 elementy to: LS - linijka świetlna (opisana na płycie symbolem B), LCD - wyświetlacz ciekłokrystaliczny woltomierza LCD (opisany na płycie symbolem B, B); P1 i P2 - przyciski układów zerowania UZ1 (P1 oznaczony na płycie jako 0B) i UZ2 (P2 oznaczony jako 0 B); R1 - potencjometr regulacji czułości linijki świetlnej LS (oznaczony na płycie jako Θ B) ; W1 - przełącznik zasilania (oznaczony jako ON/OFF ) w położeniu 'a' - miernik jest załączony, w położeniu 'b' - wyłączony; W2 - przełącznik zakresu (czułości) podzespołu pomiaru natężenia indukcji magnetycznej B (oznaczony jako B), w położeniu 'a' (oznaczony jako I) - zakres o mniejszej czułości, w położeniu 'b' (oznaczony jako II) - zakres wskazań o większej czułości; 23

W3 - przełącznik zakresu (czułości) podzespołu pomiaru sygnału B (oznaczony jako B), w położeniu 'a' (oznaczony jako I) - zakres wskazań o mniejszej czułości a w położeniu 'b' (oznaczony jako II) - zakres o większej czułości); W4 - przełącznik wskazań wyświetlacza LCD (oznaczony na płycie jako LCD), w położeniu 'a' - (oznaczonym jako B) - wskazywane są wartości sygnału B a w położeniu 'b' - wartości sygnału B (położenie oznaczone na płycie jako B); W5 - przełącznik zmiany sposobu sygnalizacji dźwiękowej natężenia sygnału B, w położeniu 'a' - (oznaczony jako I) - generowany jest dźwięk modulowany a w położeniu 'b' (oznaczony jako II)n - dźwięk ciągły. Na rys. 3 pokazano rozmieszczenie gniazd na tylnej stronie miernika. Są to: G1 - gniazdo sondy SB, G2 - gniazdo zasilania dla zasilacza T, G3 - gniazdo słuchawek. G3 G2 G1 Rys. 3. Rozmieszczenie gniazd na płycie tylnej MPR-H2c: G1 - gniazdo sondy, G2 -gniazdo zasilania, G3 - gniazdo słuchawek 24

4.2. Metodyka pracy 4.2.1. Przygotowanie przyrządu do pracy i kontrola jego wskazań. Miernik jest gotowy do pracy po jego włączeniu przełącznikiem W1 (w położenie górne 'a', rys. 1). Stabilne wskazania miernika uzyskuje się po czasie około kilkunastu sekund, w którym ustala się temperatura czujników natężenia pola magnetycznego. W przypadku stwierdzenia zaniku wskazań wyświetlacza LCD należy naładować akumulator za pomocą zasilacza T. Zerowanie wskazań miernika Po włączeniu zasilania należy wstępnie wyzerować wskazania miernika. Zerowanie układów pomiaru indukcji B oraz sygnału B wykonuje się automatycznie po wciśnięciu przycisków P1 i P2. Taki sposób zerowania pozwala na pomiary sygnału B i B względem danego poziomu indukcji B i poziomu lokalnych przyrostów B. Układ zerowania po wciśnięciu przycisku zapamiętuje aktualną wartość napięcia wyjściowego. Wartość ta jest następnie odejmowana od sygnału wyjściowego. Układ elektroniczny kompensuje wartość napięcia wyjściowego obu układów analogowych z dokładnością ± 5 ostatniej cyfry wyświetlacza LCD. Aby wyzerować wskazania miernika indukcji B dla B = 0, należy przełączyć wskaźnik LCD na pomiar B (przełącznik W4 w położenie dolne 'B'), umieścić sondę poza polem magnetycznym i nacisnąć przycisk P1 ('0B'). Takie zerowanie wskazań miernika indukcji należy wykonywać po zmianie czułości miernika. UWAGA 1 Podczas zerowania wskazań miernika indukcji B w warunkach polowych należy uwzględnić pole magnetyczne Ziemi. Jego składowa pionowa wynosi około ± 40 µt a składowa pozioma przyjmuje wartość maksymalną około ± 18 µt (zależnie od kierunku pomiaru względem powierzchni Ziemi i kierunku północnego bieguna). W budynkach o konstrukcji stalowej pole to może być w znacznym stopniu osłabione. Aby wyzerować wskazania miernika sygnału B należy użyć przycisku P2 ('0 B'). Po takim wyzerowaniu zaświetlane są dwie środkowe diody linijki świetlnej LS. W przypadku zerowania poziomu sygnału B, czynność tę można wykonać dla dowolnej wartości indukcji magnetycznej. 25

4.2.2. Pomiar indukcji magnetycznej B. Dla odczytu natężenia indukcji B należy przełączyć wyświetlacz LCD za pomocą przełącznika W4 (LCD) w położenie dolne ('B', rys. 3). Zakres pomiaru można zmienić za pomocą przełącznika W3. Korekcję poziomu wskazań (zerowanie) wykonuje się za pomocą przycisku P1 ('0B', rys. 3). UWAGA 2 Dla przeliczenia wskazań miernika z indukcji magnetycznej B wyrażonej w teslach [T] na często stosowane natężenie pola magnetycznego H wyrażone w amperach na metr [A/m] należy stosować podstawową zależność: H = B/ 4π 10-7, z której wynika przybliżona relacja: H [A/m] 0.8 B [µt]. Stosując miernik MPR-H2c można zatem przy ocenie pola w jednostkach [A/m] ograniczyć się do pomnożenia jego wskazań na zakresie I (mniej czułym) w przybliżeniu przez 10 lub stosowania bezpośrednio wskazań miernika na zakresie II (bardziej czułym). 4.2.3. Pomiar przyrostów natężeń indukcji magnetycznej B. Odczyt poziomu różnicy uzyskuje się na dwa sposoby: przybliżony za pomocą linijki świetlnej (zmienia się położenie plamki względem pozycji środkowej) oraz dokładny za pomocą wyświetlacza ciekłokrystalicznego LCD (odczyt cyfrowy). Wyświetlacz LCD załącza się na pomiar sygnału B za pomocą przełącznika W4 (w położenie górne 'a') a zakres pomiaru parametru B można zmieniać za pomocą przełącznika W3. Linijka świetlna LS wskazuje zawsze zmiany poziomu sygnału B. Dla wartości dodatnich napięcia B zapalają się fotodiody w lewej strony linijki. Czułość wskazań tej linijki można zmieniać za pomocą potencjometru R1 (Θ B, rys. 2). Dla wybranego poziomu parametru B (zmierzonego równolegle za pomocą wyświetlacza LCD), potencjometrem R1 ustala się żądane położenie świecącej diody linijki LS. 4.2.4. Zmiana rodzaju sygnalizacji dźwiękowej Za pomocą przełącznika W5 (oznaczony jako SM na płycie czołowej) zmienia się stan pracy dźwiękowego sygnalizatora poziomu sygnału B. W położeniu górnym tego przełącznika 'I', generator emituje dźwięk ciągły o częstotliwości zależnej od poziomu sygnału B. Po przełączeniu w położenie dolne 'II' - sygnał dźwiękowy występuje dopiero po przekroczeniu przez sygnał B poziomu 80% pełnego 26

wskazania linijki świetlnej. Sygnał dźwiękowy modulowany jest również doprowadzony do gniazda G3 na tylnej płycie miernika. 4.2.5. Metodyka ustawiania sondy. Mierzone jest natężenie pola magnetycznego w kierunku prostopadłym do osi głowicy. Położenie czujników jest symetryczne względem osi symetrii głowicy. W przypadku pomiaru parametru B wskazania dotyczą różnicy natężenia indukcji magnetycznej w punktach odległych od siebie o około 5±0.5 mm. Odległość ta związana jest z konstrukcją sondy. 5. Metodyka użycia miernika MPR-H2c jako defektoskopu 5.1. Pole rozproszone Pomiar pola rozproszonego przy powierzchni konstrukcji stalowej pozwala na ujawnienie wad powierzchniowych i podpowierzchniowych, gdyż wady tę są źródłem specyficznych anomalii w rozkładzie przestrzennym indukcji magnetycznej przy powierzchni metalu. Natężenie pola rozproszonego zależy istotnie i od stopnia namagnesowania materiału i od geometrii samej wady. Rysunek 4 i rysunek 5 ilustrują zmiany natężenia składowej normalnej Bn a także szybkości zmian (przyrosty B) tej składowej dla materiału zawierającego wadę powierzchniową w formie wąskiej szczeliny. Zobrazowane są dwa przypadki stanu namagnesowania: - stan magnesowania za pomocą pola zewnętrznego (np. przy użyciu magnesu stałego) oraz dla stan namagnesowania resztkowego. Na rysunkach tych wykreślono cztery funkcje dotyczące natężenia składowej normalnej Bn. Są to: 1) - rozkład pola od wady, 2) - rozkład długozasięgowy składowej, 3) - suma obu składników oraz 4) - przyrosty B n. Funkcja rozkładu składowej B n (x) odpowiada rozkładowi pola pochodzącego od wąskiej szczeliny powierzchniowej. 27

200 150 1 100 75 100 3 50 B n [ j.w. ] 50 0-50 -100 2 4 25 0-25 -50 B [ j.w. ] -150-75 -200-15 -10-5 0 5 10 15 x [ mm ] -100 Rys. 4. Schemat zmian składowej normalnej Bn w okolicy wady próbki magnesowanej: 1 składowa pola od wady, 2 - składowa długozasięgowa, 3 - pole wypadkowe, 4- przyrosty B. 200 100 150 1 75 100 50 4 50 25 B n [ j.w. ] 0-50 -100 2 0-25 -50 B [ j.w. ] -150-200 -250-15 -10-5 0 5 10 15 x [ mm ] 3-75 -100-125 Rys. 5. Schemat zmian składowej normalnej Bn w okolicy wady próbki w stanie namagnesowania resztkowego: 1 składowa pola od wady, 2 - składowa długozasięgowa, 3 - pole wypadkowe, 4 - przyrosty B. 28

Kierunki zmian tej składowej są przeciwstawne dla stanu "magnesowania" i dla stanu "namagnesowania resztkowego". Składowa długozasięgowa B n (x) jest przedstawiona przez linię prostą o nachyleniu ujemnym i także o wartościach ujemnych, gdyż założono, że wada znajduje się w strefie, w której wektory indukcji skierowane są w kierunku powierzchni. Wypadkowa funkcja Bn(x) zmienia się najszybciej w okolicy wady i tę właśnie cechę zmian składowej Bn wykorzystano dla detekcji położenia wady za pomocą miernika MPR-H2c. Należy znaleźć miejsce o maksymalnej wartości różniczki z zależności Bn(x). Wyliczone rozkłady zmian wartości B (dla x stałego) pokazano na rysunkach 4 i 5 w formie wykresów (4) ze skalą po prawej stronie rysunków. Wykresy przyrostów B ujawniają ekstrema, przy czym środkowe największe ekstremum jest położone centralnie nad wadą i to niezależnie od tego, czy materiał jest magnesowany, czy też w stanie namagnesowania resztkowego. Wynika stąd wniosek, iż lokalizacja wady może być oparta na procedurze sprowadzającej się do znalezieniu położenia maksimum (lub minimum) przyrostów B składowej indukcji Bn (normalnej do powierzchni badanego elementu). Miernik MPR-H2c pozwala na pomiar natężenia składowej Bn indukcji magnetycznej B przy powierzchni metalu a w szczególności przyrostów B tej składowej. 5.2. Detekcja wady 5.2.1. Warunki magnesowania Wielkość natężenia pola rozproszonego od wady jest tym większa im większe jest namagnesowanie materiału zawierającego. W przypadku konstrukcji technicznych stan namagnesowania można w przybliżeniu ocenić mierząc poziom składowej normalnej Bn. W tym celu odczytuje się wskazania miernika MPR-H2c dla sygnału B, przykładając sondę prostopadle do badanej powierzchni. Należy w tych pomiarach uwzględnić przestrzenny rozkład poziomu tej składowej, który zależny jest od kształtu badanego obiektu. W przypadku, gdy stan namagnesowania obiektu był niewielki - to znaczy, gdy składowa Bn przyjmuje wartości na poziomie pola ziemskiego, koniecznym staje się lokalne namagnesowanie materiału. 5.2.2. Określenie położenia wady Metodyka detekcji wad za pomocą miernika MPR-H2c oparta jest bezpośrednio o przedstawioną cechę rozkładu przyrostów B składowej normalnej natężenia indukcji magnetycznej. Sprowadza się ona do poszukiwania miejsca w którym sygnał B osiąga wartość maksymalną. Oś sondy znajduje się wówczas nad osią wady. W przypadku występowania silnych długozasięgowych zmian sygnału B, należy ten poziom sygnału wyzerować za pomocą przycisku 'O B'. 29

5.2.3. Określenie wielkości wady. Wielkość sygnału B zależy od szybkości zmian składowej normalnej Bn indukcji pola rozproszonego wokół wady a tym samym od geometrii wady i od stopnia namagnesowanie materiału w okolicy wady. Przyjmując za słuszną regułę, iż praktycznie występujące wady przypowierzchniowe typu pęknięć mają bardzo niewielką szerokość w porównaniu z ich głębokością, można założyć iż wielkość sygnału B jest w tym przypadku zależna głównie od głębokości wady dla danego stopnia namagnesowania. Należy także wziąć pod uwagę relację między głębokością wady a grubością materiału. Ze względu na złożony charakter ilościowej zależności poziomu sygnału B od geometrii wady zasadne jest zatem w badaniach ilościowych wielkości wady stosować metodę porównawczą. Metoda ta polega na ustaleniu najpierw stopnia namagnesowania materiału a następnie na wykorzystaniu odpowiednich nomogramów uzyskanych w procedurze skalowania lub na porównaniu wskazań miernika MPR-H2c dla maksimum B z poziomem tego sygnału zmierzonym dla wzorca wady. 5.2.3. Detekcja wad podpowierzchniowych Powyższe uwagi na temat metodyki detekcji wad powierzchniowych i oceny ich wielkości dotyczą również badań wad podpowierzchniowych. Pole rozproszone od wad podpowierzchniowych cechuje się istotnym osłabieniem dynamiki zmian składowej normalnej Bn indukcji magnetycznej. To powoduje, iż sygnał przyrostów B mierzony miernikiem MPR-H2c jest znacznie słabszy i bardziej rozmyty przestrzennie w porównaniu z rozkładem tego sygnału obserwowanym dla wad powierzchniowych. 30

Załącznik 3 Elementy wiedzy o magnesowaniu 31

Elementy wiedzy o magnesowaniu Natężenie indukcji magnetycznej B wewnątrz ferromagnetyka wiąże się z natężeniem zewnętrznego pola magnetycznego H z poprzez zależność: B = μ o μ r H z, (1) gdzie : μ o stała magnetyczna μ o = 4π 10-7 H/m μ r - względna przenikalność magnetyczna Zależność ta jest słuszna w przypadku, gdy zminimalizowany efekt rozproszenia strumienia indukcji magnetycznej przez próbkę a pole zewnętrzne generowane jest przez długi solenoid. W pracowni badany jest przypadek magnesowania próbki za pomocą krótkiego solenoidu oraz za pomocą elektromagnesu jarzmowego (rdzeń z blach transformatorowych w kształcie litery C z cewką magnesującą). Poniższe uwagi mają pomóc w określeniu stanu namagnesowania próbki oraz natężenia pola zewnętrznego dla obu tych przypadków. 4. Magnesowanie za pomocą solenoidu Rys. 1. Schemat magnesowania za pomocą cewki; 1 próbka, 2 cewka magnesująca p, 3 cewka detekcyjna p Rys. 1 pokazuje przypadek magnesowania próbki za pomocą cewki (2) krótszej od próbki. UWAGA: próbka przy takim sposobie magnesowania ulega znaczącemu rozmagnesowaniu przez swobodne końce. Natężenie pola magnetycznego H wewnątrz cewki wyznacza się na podstawie pomiaru sondą efektu Halla (w funkcji napięcia Ui z generatora mocy zasilającego cewkę). Wartość indukcji magnetycznej B w strefie cewki detekcyjnej (3) wyznacza się z sygnału napięciowego U indukowanego w tej cewce. Napięcie U zależy od chwilowej szybkości zmian strumienia indukcji magnetycznej B : db U = Np Sp, (2) dt gdzie Np - liczba zwojów cewki detekcyjnej, Sp przekrój poprzeczny próbki. Wartość indukcji B należy wyliczyć dla jednego okresu magnesowania całkując za pomocą programu ORIGIN funkcje U(t). Całkę wylicza się od momentu, w którym Ui osiąga wartości minimalną. Należy zwrócić uwagę na wyzerowanie średniej wartości U z jednego okresu. Gwarantuje to zamykanie się pętli B(H). 32

Należy także wykonać badania dla próbki zwartej magnetycznie za pomocą blach transformatorowych Schemat tego eksperymentu pokazano na Rys. 2. Należy sprawdzić wpływ długości zwory na skuteczność zwierania strumienia indukcji magnetycznej. Rys. 1. Schemat magnesowania za pomocą cewki próbki zwartej magnetycznie; 1 próbka, 2 cewka magnesująca mp, 3 cewka detekcyjna dp, 4 zwora magnetyczna 5. Magnesowanie za pomocą elektromagnesu jarzmowego Schemat układu sposobu magnesowania za pomocą elektromagnesu jarzmowego pokazano na Rys. 3. Rys. 1. Schemat magnesowania za pomocą elektromagnesu jarzmowego; 1 próbka, 2 cewka detekcyjna dp, 3 rdzeń elektromagnesu, 4 cewka magnesująca rdzeń mr, 5 cewka kontrolna dr Na rdzeniu elektromagnesu nawinięta jest cewka magnesująca mr (4) oraz cewka kontrolna dr (5). Liczby zwojów są znane (zaznaczone). Natężenie pola magnetycznego wewnątrz cewki magnesującej mr wyznaczyć można znając najpierw ilość zwojów Nm oraz chwilową wartość natężenia prądu I płynącego przez tę cewkę. Natężenie chwilowe prądu I wyznaczyć należy na podstawie pomiaru spadku napięcia na oporniku ( R = 1 Ohm) włączonym szeregowo w obwód tej cewki. Uwaga: spadek ten wyznaczyć z różnicy spadków zmierzonych na zacisku opornika R od strony wysokiego napięcia oraz drugim zacisku tego opornika (jest to zacisk łączący się z 33

opornikiem odniesienia znajdującym się wewnątrz generatora prądu). Natężenie pola magnetycznego He w obwodzie elektromagnes próbka oszacować można na podstawie zależności: Nm I He =, (3) L gdzie L długość obwodu magnetycznego. L = Lp + Lr, (4) gdzie Lp długość próbki, Lr długości rdzenia. Obie długości liczyć wzdłuż linii środkowej obiegającej obwód magnetyczny. Wartość indukcji magnetycznej wewnątrz próbki wyznaczyć należy korzystając z napięcia indukowanego w cewce detekcyjnej dp. Należy wyznaczyć i porównać wartości strumieni przenikających przez cewki detekcyjne dp i dr. Powinny być one takie same! 34