Измерение магнитного поля импульсного тока и вибраций, созданных им в проводниках за счет пинч-эффекта

Троицкий Олег Александрович; Сташенко Владимир Иванович; Скворцов Олег Борисович; Правоторова Елена Алексеевна

УДК 621

DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21-3-1361-1364

ИЗМЕРЕНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ИМПУЛЬСНОГО ТОКА И ВИБРАЦИЙ, СОЗДАННЫХ ИМ В ПРОВОДНИКАХ ЗА СЧЕТ ПИНЧ-ЭФФЕКТА

Институт машиноведения РАН им. А.А. Благонравова, г. Москва, Российская Федерация,

e-mail: oatroitsky@rambler.ru

Исследовано действия импульсного тока на различные проводники с помощью пьезоэлектрических трехкомпо-нентных акселерометров и линейного датчика магнитного поля. Ключевые слова: импульсный ток; магнитное поле; вибрация.

В работе измерялось одновременно магнитное поле и вибрации в различных частях металлического образца при пропускании импульсов ток. Измерения выполнялись несколькими трехкомпонентными датчиками вибрации и линейным датчиком магнитного поля на основе эффекта Холла (рис. 1). Выходное напряжение датчика находилось в линейной зависимости с величиной магнитного поля. Датчик обладал высокой нагрузочной способностью, линейной характеристикой преобразования в рабочем диапазоне магнитных полей, широким диапазоном рабочих температур и питающих напряжений. Датчик магнитного поля устанавливался на расстоянии 3 мм от проводника. Датчик выполнен в виде печатной платы и микросхемы МLX90242. Он применялся для контроля величины магнитной индукции, обеспечивая измерения в диапазоне + 0,25Т. Значения магнитной индукции проводника были использованы для оценки тока и плотности тока через образец. Для контроля рассчитываемые значения сравнивались с замерами тока (по напряжению на эталонном сопротивлении) и при необходимости вносилась корректировка в коэффициент преобразования.

Первый и второй пьезоэлектрические трехкомпо-нентные акселерометры АП20 закреплены циакрино-вым клеем через ситаловые подложки соответственно на краю образца и в центре (рис. 1). Выходы датчика и акселерометров подключены к входам модуля сбора данных NIUSB 4431, реализующего совместно с компьютером и программным пакетом LabV[EW виртуальную измерительную систему [1]. Система обеспечивает контроль (рис. 1) составляющих вибрации: радиальных У1г; У2г и осевых У1а; У2а.

При пропускании импульсов тока в образце возникают деформации [2-3] и радиальные и осевые вибрационные колебания за счет пинч-эффекта. Помехи, созданные системой формирования мощных импульсов тока, оказывали значительное влияние на каналы контроля вибрации. Для снижения влияния помех при обработке сигналов вибрации выполнялась дополнительная фильтрация с применением цифровых режек-торных фильтров на частотах соответствующих помехам.

На каждом измерительном канале проводилась оценка амплитуды (пикового значения) контролируемого параметра. Такая оценка выполнялась для каждого действующего импульса тока в образце. С целью повышения точности такие оценки усреднялись для каждого значения импульса тока, с погрешностью результата менее 5 %.

Для контроля стационарности в каждой серии испытаний выполнялся контроль среднего значения, дисперсии, СКО (среднее квадратичное отклонение) и отношения СКО к среднему значению.

На рис. 2 приведена зависимость вибрационного отклика и производной от величины магнитного поля. Видно, что максимальные изменения магнитного потока соответствуют пиковым значениям величины ускорения во время активного действия импульса тока.

Процессы в образце при пропускании импульса тока можно разделить на два этапа. Первый связан с активным воздействием импульса. На этом этапе происходит нарастание и тока и затем его перераспределение по окончанию влияния скин-эффекта. Во время действия импульса тока механическое воздействие проявляется как пинч-эффект. По завершении импульса и затухания магнитного поля тока снова появляется скин-эффект.

MA

Рис. 1. Схема установки датчиков

гяию жо

17ТОО 1JOOW 1ЯООО 10C030

тяте ш гяис

-гях» -icox r%a •low»

ISO« 17500C

■.w

JHttK

l.v«

вибрация

Я >79 II«:»,)« Ii*» Я ИЗ 12 4» ЛШ

время

Рис.4. Временная диаграмма радиальных и осевых перемещений

Рис. 2. Зависимость вибрационного отклика и производной от величины магнитного поля

12J0C2MM

Рис. 5. Временная диаграмма радиальных и осевых перемещений

Магиитнвя индукция мГ

Рис. 3. Зависимость амплитуды тока от величины магнитной индукции

Второй этап связан с появлением затухающих механических колебаний в образце, как следствие деформаций, возникающих на первом этапе.

Длительность второго этапа может существенно превышать время действия импульса тока и в значительной степени определяется свойствами образца, материалом, геометрическими размерами, наличием дефектов и особенностями его крепления.

На рис. 3 представлена зависимость амплитуды тока от величины магнитной индукции.

Анализ вибрационных характеристик на втором этапе с учетом особенностей первого целесообразно использовать при оценке неразрушающего контроля в ток несущих элементах конструкций.

Частоты колебаний на втором этапе могут быть довольно высокими, т. к. определяются процессами на первом. Представляет интерес подробнее рассмотреть взаимосвязи вибрационных составляющих на первом этапе. При анализе результатов экспериментов с использованием двух датчиков вибрации было замечено, что механические колебания на первом этапе характеризуются большими коэффициентами корреляции для процессов для Vi r и V2a, а также для Via и V2r. Это иллюстрируется временными диаграммами на рис. 4 и 5.

м

j

И1 1 1 о 1*10* Mil' .»■I«1

Ток. пиковое мичскис (А)

Рис. 6. Зависимость пиковых значений вибрации в осевом направлении

Коэффициенты корреляции для таких сигналов достигают 0,75-0,9. Коэффициенты корреляции других пар составляющих менее 0,4. Такие высокие корреляции могут быть связаны как с проявлением коэффициента Пуассона, но могут также косвенно свидетельствовать о турбулентности магнитогидродинамических процессов.

Рассматриваемые процессы характеризуются затухающими корреляционными функциями, что можно

золото /

0=3 мм

серебро.

.........* иодь

рассматривать в качестве подтверждения эргодичности таких процессов.

Результаты зависимости пиковых значений вибрации в осевом направлении в центре образцов диаметром 3 мм от величины тока для различных металлов приведены на рис. 6.

Более высокие уровни вибрационного отклика типичны и для образцов из металлов с более высокой плотностью, для рассматриваемой группы металлов с близкими магнитными свойствами.

ВЫВОДЫ

1. Во время активного действия импульса тока пиковые значения амплитуды ускорения вибрационного отклика близки к моментам максимального значения производной значения магнитного поля.

2. При постоянной амплитуде импульсов тока пиковое значение вибрационного отклика больше для образцов с меньшим диаметром и для материалов с более высокой удельной плотностью.

3. При постоянной амплитуде плотности тока пиковое значение ускорения вибрационного отклика больше для образцов с меньшим диаметром поперечного сечения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Полученные результаты указывают на сложный характер механизма возбуждения механических колебаний в металлических проводниках при пропускании импульсов тока высокой плотности, и это необходимо учитывать в исследованиях по циклической прочности элементов мощного электрооборудования [4-5].

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Федосов В.П. Цифровая обработка звуковых и вибросигналов в LabView. Справочник функций системы NI SoundandVibrationLabVIEW. М.: ДМК-Пресс, 2010. 129б с.

2. Троицкий O.A. и др. Физические основы и технологии обработки современных материалов: теория, технологии, структура и свойства. Москва; Ижевск: Изд-во АНО ИКИ, 2004. Т. 1. 5б3 с.

3. Троицкий O.A. Пластическая деформация металла, вызванная пинч-эффектом // Известия АН СССР. 1977. № б. С. 118-122.

4. Sofronas A. Case histories in vibration analysis and metal fatigue for the practicing Engineer. N. Y.: John Wiley & Sons, Inc., 2012. 295 p.

5. Navy F., Bokuvka O., Kunz L., Nicoletto G. Ultra long fatigue life of structural materials. URL: http://das.tuwien.ac.at/fileadmin/mediapool-das/Diverse/Publications/BoA_Siofok/files/p031.pdf (дата обращения: 09.03.201б).

Поступила в редакцию 10 апреля 201б г.

UDC 621

DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21-3-1361-1364

MEASUREMENT OF THE MAGNETIC FIELD OF THE PULSE CURRENT AND VIBRATION CREATED IN THE CONDUCTORS DUE TO THE PINCH EFFECT

Institute for Machine Science named after A.A. Blagonravov RAS, Moscow, Russian Federation,

e-mail: oatroitsky@rambler.ru

The action of pulsed current on the various conductors using a piezoelectric three-component linear accele-

rometers and magnetic field sensor is studied.

Key words: pulsed current; magnetic field; vibration.

REFERENCES

1. Fedosov V.P. Cifrovaja obrabotka zvukovyh i vibrosignalov v LabView. Spravochnik funkcij sistemy NI SoundandVibrationLabVIEW. Moscow, DMK-Press Publ., 2010. 1296 p.

2. Troickij O.A. et al. Fizicheskie osnovy i tehnologii obrabotki sovremennyh materialov: teorija, tehnologii, struktura i svojstva. Moscow, Izhevsk, ANO IKI Publ., 2004, vol. 1. 563 p.

3. Troickij O.A. Plasticheskaja deformacija metalla, vyzvannaja pinch-jeffektom. Izvestija Akademii nauk SSSR - Bulletin of the Academy of Sciences of the USSR, 1977, no. 6, pp. 118-122.

4. Sofronas A. Case histories in vibration analysis and metal fatigue for the practicing Engineer. New York, John Wiley & Sons, Inc., 2012. 295 p.

5. Novy F., Bokuvka O., Kunz L., Nicoletto G. Ultra long fatigue life of structural materials. Available at: http://das.tuwien.ac.at/file-admin/mediapool-das/Diverse/Publications/BoA_Siofok/files/p031 .pdf (accessed 09.03.2016).

Received 10 April 2016

Троицкий Олег Александрович, Институт машиноведения им. А.А. Благонравова РАН, г. Москва, Российская Федерация, доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник, e-mail: oatroitsky@rambler.ru

Troitskiy Oleg Aleksandrovich, Institute for Machine Science named after A.A. Blagonravov RAS, Moscow, Russian Federation, Doctor of Technics, Professor, Main research Worker, e-mail: oatroitsky@rambler.ru

Сташенко Владимир Иванович, Институт машиноведения им. А.А. Благонравова РАН, г. Москва, Российская Федерация, кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник, e-mail: vis20-11@rambler.ru

Stashenko Vladimir Ivanovich, Institute for Machine Science named after A.A. Blagonravov RAS, Moscow, Russian Federation, Candidate of Physics and Mathematics, Senior Research Worker, Leading Research Worker, e-mail: vis20-11 @rambler.ru

Скворцов Олег Борисович, Институт машиноведения им. А.А. Благонравова РАН, г. Москва, Российская Федерация, кандидат технических наук, e-mail: svk@diamech.ru

Skvortsov Oleg Borisovich, Institute for Machine Science named after A.A. Blagonravov RAS, Moscow, Russian Federation, Candidate of Technics, e-mail: skv@diamech.ru

Правоторова Елена Алексеевна, Институт машиноведения им. А.А. Благонравова РАН, г. Москва, Российская Федерация, кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник, e-mail: pravotorova@bk.ru

Pravotorova Elena Alekseevna, Institute for Machine Science named after A.A. Blagonravov RAS, Moscow, Russian Federation, Candidate of Technics, Leading Research Worker, e-mail: pravotorova@bk.ru

MEASUREMENT OF THE MAGNETIC FIELD OF THE PULSE CURRENT AND VIBRATION CREATED IN THE CONDUCTORS DUE TO THE PINCH EFFECT

Текст научной работы на тему «Измерение магнитного поля импульсного тока и вибраций, созданных им в проводниках за счет пинч-эффекта»