بخشی از مقاله
چکیده
در سالهاي اخیر حسگرهاي برپایه اثر امپدانس مغناطیسی بزرگ در صنعت به ویژه تست غیر مخرب نمونه هاي فلزي مورد توجه بسیاري قرار گرفتهاند. در این مقاله به منظور تست نشت شار مغناطیسی بر پایه اثر امپدانس مغناطیسی، با استفاده از سیم کبالت پایه به عنوان هسته حسگر، توزیع چگالی شار نشتی در فضاي اطراف ترك ایجاد شده بر روي یک صفحه فلزي بدست آمده است. حضور ترك با کاهش چشمگیر سیگنال خروجی در محل ترك آشکارسازي میشود. نتایج ما نشان داده است که با افزایش فاصله از سطح صفحه فلزي چگالی شار نشتی کاهش و در نتیجه سیگنال خروجی حسگر کاهش مییابد.
مقدمه
حسگرهاي بر پایه اثر امپدانس مغناطیسی بزرگ - GMI - 1 با توجه به مزایایی چون حساسیت بالا، پاسخ سریع و قیمت ارزانتري که نسبت به حسگرهاي مغناطیسی دیگر دارا هستند، در سالهاي اخیر کاربردهاي وسیعی را در صنعت به خصوص تست نمونههاي فلزي، به خود اختصاص دادهاند
در بین روشهاي تست، روشهاي غیرمخرب به دلیل جلوگیري از برهم زدن شرایط موجود ماده از اهمیت ویژهاي برخوردارند. در میان روشتستهاي غیرمخرب، تست نشت شار مغناطیسی یکی از پرکاربردترین روشهاي بازرسی نقوص نمونههاي فلزي فرومغناطیس همانند لولههاي نفت و گاز و مخازن ذخیره نفت و گاز میباشد
در این روش نمونه فرومغناطیس تا نزدیکی ناحیه اشباع مغناطیده میشود. میدان مغناطیسی لازم بوسیله یک آهنرباي دائمی و یا یک سیمپیچ و یا عبور جریان از ماده فراهم میهرگونهشود. وجود ناپیوستگی مانند ترك در ماده، موجب تغییر ناگهانی نفوذپذیري مغناطیسی ماده و در نتیجه تغییر توزیع شار مغناطیسی نشتی در فضاي اطراف ترك میشود. شار مغناطیسی نشتی با اسکن سطح نمونه حاوي نقص توسط یک حسگر مغناطیسی، قابل اندازهگیري و ذخیره خواهد بود. توزیع چگالی شار نشتی اندازهگیري شده، اطلاعات مفیدي در مورد ابعاد و موقعیت ترك به همراه خواهد داشت .بدیهی است نوع حسگر مغناطیسی مورد استفاده، دقت و سرعت اندازهگیري تغییرات چگالی شار نشتی و متعاقبا دقت در شبیهسازي ترك را تعیین خواهد کرد.
در این مقاله با استفاده از سیم مغناطیسی آمورف کبالت پایه به عنوان هسته حسگر GMI، توزیع چگالی شار مغناطیسی نشتی در نزدیکی ترك ایجاد شده بر روي یک صفحه فلزي، اندازهگیري شده و مورد بررسی قرار گرفته است.
شرح آزمایش:
سیم آمورف مغناطیسی به طول 1/64cm و قطر125µm به عنوان حسگر GMI در این آزمایش مورد استفاده قرار گرفته است. به منظور دستیابی به منحنی مشخصه خروجی حسگر، این سیم مغناطیسیتحتطبق شکل - - 1، اعمال میدان مغناطیسی ثابتی که توسط سیملوله و منبع جریان مستقیم قابل کنترل توسط رایانه١ تولید می شود، قرار داده شده است. با اندازهگیري ولتاژ متناوب - - ac دو سر سیم حاملمغناطیسی جریان متناوب با شدت و فرکانس ثابت توسط دستگاه قفل کننده در فرکانس ثابت٢، تغییرات امپدانس بدست میآید.
شکل:1 چیدمان اندازهگیري امپدانس
ماده چگال
تغییرات امپدانس مغناطیسی سیم با تغییرات میدان مغناطیسی خارجی اعمالی در راستاي طول سیم تا Hmax= ±117oe بدست آمده است. با استفاده از حسگر مغناطیسی فوق، تغییرات چگالی شار نشتی در اطراف ترك مستطیلی شکلی به طول 16mm، پهناي 1mm و عمق 0/3mm که همانند شکل - - 2 بر روي یک صفحه آهنی ایجاد شده است، اندازهگیري شده است.
شکل:2 شمایی از صفحه آهنی و شیاري که در مرکز آن ایجاد شده است
صفحه آهنی با استفاده از هسته U شکلی که دو پیچه با جریان عبوري 1A به دور آن قرار دارند، مغناطیده میشود. با حرکت حسگر در بالاي سطح فلز توسط یک اسکنر، مؤلفه مماسی چگالی شار نشتی در همسایگی ترك اندازهگیري و ذخیره شده و قابل پردازش خواهد بود.
نتایج و نمودارها:
شکل - - 3 منحنی تغییرات GMI با تغییرات میدان مغناطیسی خارجی طولی در حالیکه جریان 15mArms با فرکانس 250kHz از داخل سیم مغناطیسی آمورف Co68.15Fe4.35Si12.5B15 عبور میکند را نمایش می دهد. از آنجایی که سیم کبالت پایه داراي مغناطوتنگش٣ منفی و نزدیک به صفر است، پاسخ GMI آن زیاد و تک بیشینه میباشد به نحوي که با افزایش میدان مغناطیسی اعمالی، امپدانس سیم از یک مقدار بیشینه شروع به کاهش مینماید. در نتیجه با افزایش میدان مغناطیسیخروجی،سیگنال حسگر کاهش چشمگیري مییابد.
ویژگیهاي ذکر شده، بیانگر حساسیت بالاي حسگر در اندازهگیري تغییرات میدان مغناطیسی میباشند. با توجه به اینکه حسگر دارايخطیمحدوده پاسخدهی قابل ملاحظهاي است، سیگنال خروجی آن به راحتی قابل تبدیل به چگالی شار مغناطیسی میباشد. همچنین همانطور که در شکل - 3 - به وضوح دیده می شود، متقارن بودن پاسخ حسگر،عدم وابستگی به جهت میدان را به همراه خواهد داشت که مزیت مهمی در کالیبراسیون و شبیهسازي ترك به شمار میرود.
شکل - 5 - خروجی حسگر را در عبور از روي ترك نشان میدهد. دیده می شود که در محل حضور ترك شاهد افت سیگنال خروجی حسگر هستیم.
شکل: 3 منحنی درصد GMI و پاسخ خروجی حسگر به صورت تابعی از میدان مغناطیسی خارجی
توزیع مؤلفه مماسی چگالی شار نشتی با قرار دادن حسگر در راستاي میدان اعمالی به نمونه و یا راستاي شار عبوري از حسگر بدست آمده است. خروجی حسگر GMI بر حسب موقعیت مکانی آن در حالتی که هیچگونه ترکی بر روي سطح وجود ندارد، در شکل - 4 - نشان داده شده است.
شکل : 5 منحنی تغییرات سیگنال خروجی حسگر بر حسب موقعیت مکانی در عبور از ترك
خروجی حسگر در عبور از روي ترك با حذف میدان زمینه در شکل - 6 - نشان داده شده است.
شکل : 4 منحنی تغییرات سیگنال خروجی حسگر بر حسب موقعیت مکانی در حالت بدون ترك
شکل : 6 منحنی تغییرات سیگنال خروجی حسگر بر حسب موقعیت مکانی با حذف میدان زمینه
با نظر به اینکه شار نشتی در محل ترك افزایش مییابد، مؤلفه مماسی چگالی شار از لبههاي ترك شروع به افزایش نموده و در وسط ترك به بیشینه مقدار خود میرسد. با عنایت به منحنی مشخصه حسگر در شکل - - 3 و کاهش خروجی حسگر با افزایش میدان مغناطیسی اعمالی، همانطور که در شکل - 6 - دیده میشود، سیگنال خروجی حسگر در نزدیکی ترك شروع به کاهش نموده است.
