Άσκηση 9 Μη καταστροφικοί έλεγχοι υλικών Δινορεύματα Στοιχεία Θεωρίας Η αναγκαιότητα του να ελέγχονται οι κατασκευές (ή έστω ορισμένα σημαντικά τμήματα ή στοιχεία τους) ακόμα και κατά τη διάρκεια της λειτουργίας τους, ώστε να εντοπίζεται έγκαιρα η ύπαρξη ή η δημιουργία απρόβλεπτων ανωμαλιών ή περιοχών συγκεντρώσεως των τάσεων που μπορούν να προκαλέσουν την αστοχία τους, αλλά ακόμα και η αναγκαιότητα του να μπορούν να προσδιορισθούν και να ελεγχθούν οι μηχανικές ιδιότητες ορισμένων υλικών, ενώ αυτά βρίσκονται ήδη σε λειτουργία, οδήγησε στην ανάπτυξη των μη καταστροφικών μεθόδων ελέγχου των υλικών, (Nondestructive Testing (ΝDΤ) of materials). Οι μέθοδοι αυτές μπορούν λοιπόν να παράσχουν σημαντικότατες πληροφορίες τόσο σχετικά με την ύπαρξη «επικίνδυνων σημείων» στα καταπονούμενα τμήματα των κατασκευών (σημεία συγκέντρωσης των τάσεων, όπως π.χ. μικρορωγμές στο εσωτερικό ενός υλικού), όσο και σχετικά με τις μηχανικές ιδιότητες των υλικών, οι οποίες είναι δυνατόν να μεταβάλλονται σαν αποτέλεσμα των συνθηκών και του χρόνου λειτουργίας των κατασκευών. Οι πληροφορίες αυτές συνάγονται χωρίς να απαιτείται καμιά πρόσθετη καταπόνηση των υλικών. Είναι λοιπόν προφανές ότι οι μη καταστροφικές μέθοδοι ελέγχου των υλικών αποκτούν ιδιαίτερη σημασία στις περιπτώσεις κατασκευών ή μηχανών «υψηλού κινδύνου» για τον άνθρωπο, όπως είναι οι πυρηνικοί αντιδραστήρες ή τα αεροπλάνα. Οι μη καταστροφικές μέθοδοι χρησιμοποιούνται επίσης στις περιπτώσεις που το υλικό που έχουμε στη διάθεσή μας δεν επαρκεί για να κατασκευάσουμε τα τυποποιημένα δοκίμια που προβλέπονται από τις προδιαγραφές για τις γνωστές καταστροφικές ή συμβατικές δοκιμές (π.χ. μέτρηση της σκληρότητας με υπερήχους). Οι σημαντικότερες από τις μη καταστροφικές μεθόδους ελέγχου των υλικών είναι οι εξής: 1. Οι οπτικές μέθοδοι 2. Η μέθοδος της βιομηχανικής ακτινογραφίας 3. Οι μαγνητικές μέθοδοι 4. Η μέθοδος των δινορευμάτων 5. Η μέθοδος της θερμογραφίας 1
6. Η μέθοδος της ακουστικής εκπομπής 7. Η μέθοδος των διεισδυτικών υγρών 8. Η μέθοδος των υπερήχων Δινορεύματα Τα δινορεύματα είναι ρεύματα που παράγονται από μια μαγνήτιση που ποικίλει με το χρόνο, σύμφωνα με το νόμο του Faraday, των οποίων το μέγεθος είναι ανάλογο προς το dm dt. Στη συνέχεια παράγουν ένα μαγνητικό πεδίο, το οποίο αντιτίθεται σε οποιαδήποτε αλλαγή στη μαγνήτιση. Συγκρινόμενο σε μέγεθος με το εφαρμοζόμενο πεδίο προκαλεί έναν όρο απώλειας που δε μπορεί να αγνοηθεί. Η χρονική μεταβολή στη μαγνήτιση, ίσως να οφείλεται σε χρονικά μεταβαλλόμενο πεδίο, στη μετακίνηση των μαγνητικών τοιχωμάτων ή και στις θερμικές διακυμάνσεις. Στην πρώτη περίπτωση, τα δινορεύματα αντιμετωπίζονται με ένα μακροσκοπικό τρόπο από τις εξισώσεις Maxwell για ένα ομογενές μαγνητισμένο μέσο. Στη δεύτερη περίπτωση, τα δινορεύματα εξαρτώνται από την ταχύτητα διάδοσης των μαγνητικών τοιχωμάτων και πρέπει να αντιμετωπίζονται σε μια μικροσκοπική ενδιάμεση κλίμακα, ένας συνήθως απαιτητικός στόχος. Στη τρίτη περίπτωση, το πεδίο που παράγεται από τα δινορεύματα, αντιτίθεται στην ευθυγράμμιση της μαγνήτισης από το εφαρμοζόμενο πεδίο. Πρακτικού ενδιαφέροντος είναι η ποσότητα του βάθους διείσδυσης, δ: 2 Όταν ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα ταξιδεύει μέσω ενός μέσου με απώλειες με ειδική αντίσταση ρ και διαπερατότητα μ, το εναλλασσόμενο πεδίο περιστρέφεται γύρω από z μια συχνότητα ω, μειώνεται όπως ο e, όπου z είναι η απόσταση που διανύεται και δ είναι η ποσότητα που δίνεται από την παραπάνω εξίσωση. Εάν το υλικό είναι πιο λεπτό από το δ, η πλήρης διείσδυση της μαγνητικής ροής είναι εγγυημένη και το επιδερμικό φαινόμενο αποφεύγεται. Ένα τέτοιο παράδειγμα είναι τα λεπτά, τοποθετημένα σε στρώματα, φύλλα των μετασχηματιστών. 2
Πολλές ηλεκτρικές συσκευές, περιέχουν κομμάτια μετάλλων που είτε κινούνται σε μαγνητικά πεδία ή βρίσκονται μέσα σε μεταβαλλόμενα μαγνητικά πεδία. Σε τέτοιες περιπτώσεις επάγονται ρεύματα που κυκλοφορούν μέσα στον όγκο του υλικού. Επειδή οι εικόνες ροής τους μοιάζουν με δίνες που δημιουργούνται σε ποτάμι, ονομάζονται δινορεύματα. Ένα παράδειγμα μπορεί να θεωρηθεί ένας μεταλλικός δίσκος που περιστρέφεται σε μαγνητικό πεδίο το οποίο είναι περιορισμένο σε μια μικρή περιοχή της επιφάνειας του δίσκου και είναι κάθετο σε αυτήν, όπως δείχνει το σχήμα 1a. Ο τομέας Ob περνά μέσα από το πεδίο, με αποτέλεσμα να επάγεται σε αυτόν ΗΕΔ. Οι τομείς Οα και Oc δεν βρίσκονται μέσα στο πεδίο, παρέχουν όμως αγώγιμους δρόμους για φορτία που κινήθηκαν από το Ο στο b, ώστε να επιστρέψουν από το b στο 0. Αποτέλεσμα αυτής της διαδικασίας είναι η κυκλοφορία δινορευμάτων στον δίσκο, όπως δείχνει το σχήμα 1b. Στο ρεύμα που έχει φορά προς τα κάτω στην περιοχή του τομέα Ob ασκείται μαγνητική δύναμη προς τα δεξιά που αντιτίθεται στην περιστρoφή του δίσκου, σύμφωνα με την πρόβλεψη του νόμου του Lenz. Τα ρεύματα επιστροφής βρίσκονται έξω από το πεδίο, με αποτέλεσμα να μην ασκούνται σε αυτά τέτοιες δυνάμεις. Η αλληλεπίδραση των δινορευμάτων με το πεδίο προκαλεί φρενάρισμα του δίσκου. Εκμεταλλευόμαστε τέτοια φαινόμενα για να Σχήμα 1 σταματήσουμε γρήγορα την περιστροφή ενός δίσκου πριονιού όταν σβήνουμε τη μηχανή του. Ορισμένοι ευαίσθητοι ζυγοί αποσβήνουν ταλαντώσεις με τη βοήθεια αυτού του φαινομένου. Το φρενάρισμα με δινορεύματα χρησιμοποιείται επίσης σε ορισμένα γρήγορα ηλεκτρικά τρένα. Ηλεκτρομαγνήτες τοποθετημένοι στα βαγόνια επάγουν δινορεύματα στις ράγες, με αποτέλεσμα τα μαγνητικά πεδία που δημιουργούνται να προκαλούν δυνάμεις πέδησης στους ηλεκτρομαγνήτες και κατά συνέπεια στα βαγόνια. Ως δεύτερο παράδειγμα μπορεί να θεωρηθεί ο σιδηροπυρήνας ενός μετασχηματιστή εναλλασσομένου ρεύματος, που δείχνει το σχήμα 2a. Το εναλλασσόμενο ρεύμα στο 3
πρωτεύον πηνίο Ρ δημιουργεί εναλλασσόμενη ροή μέσα στον σιδηροπυρήνα. Αυτή η συνεχώς μεταβαλλόμενη ροή προκαλεί μια επαγόμενη ΗΕΔ στο δευτερεύον πηνίο S. Σχήμα 2 Ο σιδηροπυρήνας, όμως, είναι αγωγός και μπορούμε να απεικονίσουμε οποιαδήποτε διατομή του, όπως η ΑΑ, με κυκλώματα το ένα μέσα στο άλλο (σχήμα 2b ). Η ροή που διαπερνά κάθε ένα από αυτά τα κυκλώματα μεταβάλλεται συνεχώς, με αποτέλεσμα τα δινορεύματα να κυκλοφορούν σε όλο τον όγκο του σιδηροπυρήνα. Οι δρόμοι που ακολουθούν τα δινορεύματα σχηματίζουν επίπεδα κάθετα στη μαγνητική ροή. Αυτά τα δινορεύματα είναι ανεπιθύμητα, επειδή σπαταλούν ενέργεια με τη 2 θέρμανση I R και επειδή προκαλούν αυτά τα ίδια αντιτιθέμενη ροή. Τα δινορεύματα που δημιουργούνται σε πραγματικούς μετασχηματιστές περιορίζονται σημαντικά με τη χρήση φυλλωτού πυρήνα, δηλαδή ενός σιδηροπυρήνα που αποτελείται από λεπτά ψύλλα. Η μεγάλη ηλεκτρική επιφανειακή αντίσταση του κάθε ψύλλου, που οφείλεται είτε σε φυσική επίστρωση οξειδίου, ή σε μονωτικό βερνίκι, ουσιαστικά περιορίζει τα δινορεύματα σε κάθε ψύλλο (σχήμα 2c). Οι δρόμοι που είναι διαθέσιμοι για τα δινορεύματα είναι στενότεροι, η ΗΕΔ που επάγεται σε κάθε δρόμο είναι μικρότερη, και τα δινορεύματα περιορίζονται δραστικά. Σε μικρούς μετασχηματιστές, όπου έχει μεγάλη σημασία να κρατηθούν οι απώλειες λόγω δινορευμάτων στο ελάχιστο, οι σιδηροπυρήνες κατασκευάζονται μερικές φορές από φερρίτες, που είναι σύνθετα οξείδια σιδήρου και άλλων μετάλλων. Αυτά τα υλικά είναι σιδηρομαγνητικά, αλλά έχουν πολύ μεγαλύτερη ειδική αντίcrtαση από τον καθαρό σίδηρο. Τα δινορεύματα έχουν πολλές πρακτικές χρήσεις. Αναφέραμε την πέδηση λόγω δινορευμάτων σε ζυγούς, σε περιστρεφόμενες μηχανές και στα γρήγορα τρένα. Δινορεύματα προκαλούν την περιστροφή του μεταλλικού δίσκου στους μετρητές 4
κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας (της ΔΕΗ) που υπάρχουν στα σπίτια. Τα ρεύματα αυτά επάγονται στον δίσκο από τα μαγνητικά πεδία που προκαλούν τα ημιτονοειδώς μεταβαλλόμενα ρεύματα σε ένα πηνίο. Στους φούρνους επαγωγής, τα δινορεύματα χρησιμοποιούνται για να θερμάνουν υλικά σε πλήρως σφραγισμένα δοχεία για χρήσεις στις οποίες είναι απαραίτητο να αποφευχθεί έστω και η ελάχιστη μόλυνση των υλικών. Τέλος, οι γνώριμοι μεταλλικοί ανιχνευτές που βλέπουμε στα σημεία ελέγχου σε αεροδρόμια (σχήμα 3a) λειτουργούν ανιχνεύοντας δινορεύματα που επάγονται σε μεταλλικά αντικείμενα. Παρόμοιες συσκευές (σχήμα 3b) χρησιμοποιούνται για τον εντοπισμό θαμμένων θησαυρών, που συνήθως καταλήγουν να είναι καπάκια από μπουκάλια και χαμένες δεκάρες. Σχήμα 3 Η μέθοδος των δινορευμάτων ή επαγωγικών ρευμάτων (eddy currents) Υπάρχουν διάφορες μαγνητικές μέθοδοι ελέγχου των υλικών. Μία από αυτές είναι και η μέθοδος των δινορευμάτων ή επαγωγικών ρευμάτων (eddy currents). Η μέθοδος αυτή είναι μέθοδος ανίχνευσης και εντοπισμού, όπως και κατά προσέγγιση προσδιορισμού κοντά στην επιφάνεια ευρισκομένων ρωγμών, οι οποίες δεν είναι ορατές με το μάτι σε μεταλλικά και γενικά μαγνητιζόμενα υλικά. Με τη βοήθεια ενός πηνίου παράγεται ένα εναλλασσόμενο μαγνητικό πεδίο το οποίο διοχεύεται στο υλικό με το οποίο έρχεται σε επαφή, όπως στο σχήμα 4. Τα δινορεύματα αυτά επηρεάζονται από την ύπαρξη των επιφανειακών ατελειών και από 5
τη μεταβολή αυτή, με κατάλληλη ανάλυση προκύπτει η ύπαρξη των ατελειών στο υλικό. Σχήμα 4 Με τη μέθοδο των δινορευμάτων εκτός από τον προσδιορισμό των περιεχομένων στα υλικά ατελειών, προσδιορίζονται και οι ιδιότητες και διαστάσεις των υλικών, όπως επίσης μπορεί να ανιχνευθεί και ένας μεγάλος αριθμός φυσικών και χημικών αλλαγών που συμβαίνουν σε αυτά. Με αυτή τη μέθοδο ανιχνεύονται ατέλειες σε σιδηρομαγνητικά υλικά σε βάθος μέχρι 2 3 mm και υπολογίζεται το πάχος επικαλύψεων των υλικών. Η ίδια θεωρία μπορεί να εφαρμοσθεί στην ανεύρεση στασίμων υπογείων υδάτων με έλεγχο της συχνότητας (παράδειγμα θα αναλυθεί στην άσκηση). Πειραματικό Μέρος Να γίνουν οι γραφικές παραστάσεις των μεταβολών της τάσης συναρτήσει του μεγέθους της ρωγμής 6