VII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
БЕСКОНТАКТНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДИАМЕТРА И НЕКОТОРЫХ ДРУГИХ ПАРАМЕТРОВ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПРОВОДОВ НА ОСНОВЕ ВИХРЕВЫХ ТОКОВ
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Аннотация
Впервые вихревые токи были обнаружены более 190 лет назад. И до сегодняшнего дня человечество находит применение этому явлению во многих отраслях промышленности и в быту. Данное исследование является попыткой расширения применения этого явления на примере изготовленного прибора – бесконтактного определителя диаметра и других параметров металлических проводов (прутков).
Принцип действия предлагаемого устройства основан на уменьшении добротности (увеличении потерь) колебательной системы при введении металлических прутков в электромагнитное поле катушки.
Устройство с изготовленным датчиком (его можно изменить как в большую, так и в меньшую сторону) производит измерение диаметра прутков от 0,5 мм до 6 мм с погрешностью не более 2,5%.
Измерение производится бесконтактным способом.
Исследуемый провод (пруток) вводится в катушку, и на жидкокристаллическом индикаторе выводится следующая информация:
тип металла (медь или железо);
диаметр;
площадь сечения;
максимальный разрешённый ток (для медного провода);
вес провода в 1 см длины
Устройство выполнено из дешёвых, доступных материалов, имеет малые габариты, минимальное количество элементов управления, выполнено на современной элементной базе, имеет автономное питание и современный дизайн.
Бесконтактное определение диаметра и некоторых других параметров металлических проводов на основе вихревых токов
Каравашкина Юлия Николаевна
Российская Федерация, Липецкая область, г.Липецк
МБОУ гимназия №12, 9 класс
ЦТТ «Новолипецкий» г. Липецк
Научный руководитель: Самохин Юрий Петрович,
педагог дополнительного образования; руководитель лаборатории радиотехнического конструирования,ЦТТ «Новолипецкий» г. Липецк
План исследования
Проблема:отсутствие разработок этого направления.
Гипотеза:возможно расширение сфер применения токов Фуко для изготовления измерительных приборов.
План:
1) анализ и изучение схем устройств, работающих на токах Фуко;
2) разработка схемы генератора для получения переменного магнитного поля в датчике;
3) разработка и изготовление схемы баланса напряжений для установки нулевого потенциала с датчика;
4) разработка и изготовление схемы определения типа металла проводов (прутков) и измерения их параметров;
5) написание программы управления и вычисления;
6) разработка и изготовление печатных плат;
7) испытания и доводка прибора в реальных условиях.
Библиография:
Савельев И.В.: Курс общей физики, том 2. Электричество, 2007
Неразрушающий контроль: справочник: Под общей редакцией В.В. Клюева. Т.2 – М.: Машиностроение, 2003. – 688 с.: ил.
Журнал «Радио», №№ 2000-2018гг.
Журнал «Радиоконструктор», №№ 2002-2018гг
Цель работы: сконструировать и изготовить малогабаритный, недорогой, удобный прибор для измерения диаметра и некоторых других параметров металлическихпроводов (прутков).
Задачи:
Проанализировать и изучить схемы устройств, работающих на токах Фуко.
Разработать схемы узлов прибора.
Написать программы управления и вычисления.
Разработать и изготовить печатные платы.
Провести сборку прибора.
Испытать и провести доводку прибора в реальных условиях.
Бесконтактное определение диаметра и некоторых других параметров металлических проводов на основе вихревых токов
Каравашкина Юлия Николаевна
Российская Федерация, Липецкая область, г. Липецк
МБОУ гимназия №12, 9 класс
ЦТТ «Новолипецкий» г. Липецк
Научный руководитель: Самохин Юрий Петрович,
педагог дополнительного образования; руководитель лаборатории радиотехнического конструирования, ЦТТ «Новолипецкий» г. Липецк
Введение
Впервые вихревые токи были обнаружены более 190 лет назад. И до сегодняшнего дня человечество находит применение этому явлению во многих отраслях промышленности и в быту. Данное исследование является попыткой расширения применения этого явления на примере изготовленного прибора – бесконтактного определителя диаметра и других параметров металлических прутков.
Принцип действия предлагаемого устройства основан на уменьшении добротности (увеличении потерь) колебательной системы при введении металлических прутков в электромагнитное поле катушки.
Устройство с изготовленным датчиком (его можно изменить как в большую, так и в меньшую сторону) производит измерение диаметра прутков от 0,5 мм до 6 мм с погрешностью не более 2,5%.
Измерение производится бесконтактным способом.
Исследуемый провод (пруток) вводится в катушку, и на жидкокристаллическом индикаторе выводится следующая информация:
тип металла (медь или железо);
диаметр;
площадь сечения;
максимальный разрешённый ток (для медного провода);
масса провода в 1 см длины
Устройство выполнено из дешёвых, доступных материалов, имеет малые габариты, минимальное количество элементов управления, выполнено на современной элементной базе, имеет автономное питание и современный дизайн
Цель работы: сконструировать и изготовить малогабаритный, недорогой, удобный прибор для измерения диаметра и некоторых других параметров металлических прутков (проводов).
Задачи:
Проанализировать и изучить схемы устройств работающих на токах Фуко.
Разработать схемы узлов прибора.
Написать программы управления и вычисления.
Разработать и изготовить печатные платы.
Провести сборку прибора.
Испытать и провести доводку прибора в реальных условиях.
Научная статья.
Вихревые токи – это токи, которые протекают в проводниках под воздействием на них переменного магнитного поля. Вихревые токи потому и называются вихревыми, что протекают они по замкнутым контурам.
Основное условие дляих возникновения – нахождение проводника в переменном магнитном поле или перемещение проводника в магнитном поле. Впервые вихревые токи были обнаружены французским учёным Араго в 1824 году в медном диске, расположенном на оси под вращающейся магнитной стрелкой. За счёт вихревых токов диск приходил во вращение.
Это явление было объяснено несколько лет спустя М. Фарадеем с точки зрения закона электромагнитной индукции: вращающееся магнитное поле наводит в медном диске вихревые токи. Вихревые токи были подробно исследованы французским физиком Фуко. Он открыл явление нагревания проводников вихревыми токами.
Тепловое действие токов Фуко используется в индукционных печах для плавки металла, в бытовых нагревательных приборах.
Во многих случаях токи Фуко могут быть нежелательными: например, с целью предотвращения потерь на нагревание сердечников трансформаторов эти сердечники набирают из тонких пластин, разделённых изолирующими прослойками.
Успешно применяются вихревые токи в измерительных и контролирующих приборах. На их основе работают электрические счётчики и измерители толщины полимерных покрытий. Вихретоковый контроль – один из методов неразрушающего контроля изделий из токопроводящих материалов.
В работе сделана попыткарасширения возможности применения этого явления.
Предложенное к рассмотрению устройство работает следующим образом (приложение 1). Генератор синусоидального напряжения, в котором элементом положительной обратной связи является катушка L1 (наш измерительный датчик), работает на частоте 170 кГц. Роль усилителя выполняет логика микросхемы Д1 типа К561ЛН2. Внутри этой микросхемы находится 6 логических элементов НЕ.
Как только в зону действия магнитного поля катушки (датчика) попадает испытуемый предмет (металлический провод или пруток) – увеличиваются потери (уменьшается добротность) с последующим уменьшением напряжения возбуждения в точке «А» (см. приложение 1). Уменьшение напряжения линейно и зависит от диаметра внесённого металлического прутка. Это явление и легло в основу изготовления действующей модели устройства.
Далее (приложение 1), чтобы не вносить дополнительных потерь, через конденсатор С3 с очень маленькойёмкостью (всего 2,7 пФ), часть напряжения с точки «А» поступает на дополнительный линейный усилитель, который выполнен на следующем логическом элементе, переведённый в линейный режим работы за счёт резистора R3.
Усиленный сигнал выпрямляется и поступает в точку «В». В эту точку через переменное сопротивление поступает выпрямленное напряжение противоположного потенциала для установки «О» в этой точке. И как только в зону действия попадает предмет в точке «В» возрастает напряжение, которое поступает на порт АО микроконтроллера АТmega328 и после программной обработки выводится на жидкокристаллический двухстрочный индикатор.
Потери, вносимые медным и железным прутками, различны. И чтобы выровнять показания, была сделана доработка.
Известно, что если вводить в катушку немагнитный материал (например, медь), то индуктивность катушки уменьшается, т.е. частота генератора увеличивается, а при внесении магнитного материала (железа) частота уменьшается.
Данные об изменении частоты с точкиС поступают на порт Z микроконтроллера, где программно обрабатываются и в виде «нуля» или «единицы» выходят с порта Y микроконтроллера и через транзистор VT1 управляют электромагнитным реле P1. Это реле своими контактами подключает элементы R2 и R5, этим самым выравнивая показания прибора.
Программа для микроконтроллера написана на графическом языке программирования. Он прост в понимании и удобен, особенно когда одновременно происходит отладка работы датчика и изменение программы.
Устройство выполнено в виде законченной конструкции (см. Фото, приложение 2), имеет небольшие габариты, современный дизайн. Небольшие финансовые затраты, простота схемного решения, позволяющая повторить эту конструкцию, сочетаются с удобством эксплуатации, достаточно высокой точностью измерений.
Всё устройство питается от источника 9В, потребляемый ток не более 30 мА.
Заключение.
В результате проведённой работы:
проанализированы и изучены схемы устройств, работающих на токах Фуко;
разработаны схемы генератора для получения переменного магнитного поля в датчике;
разработаны и изготовлены схемы баланса напряжений для установки нулевого потенциала с датчика;
разработаны и изготовлены схемы определения и типа металла проводов (медь или железо) и измерения их параметров;
написаныпрограммы управления и вычисления;
разработаны и изготовлены печатные платы;
испытан прибор и проведена его доводка в реальных условиях.
Прибор может быть использован в качестве средства контроля при закупке электрооборудования, а также в электромонтажных работах.
В дальнейшем планируется расширение возможностей прибора для определения параметров проводов, изготовленных из других металлов.
Проводя эти исследования, я получила дополнительные знания в области физики, радиоэлектроники, программирования, приобрела навыки в радиоконструировании и в дизайне радиоэлектронного оборудования, за что приношу искреннюю благодарность своему руководителю, Самохину Юрию Петровичу, а также выражаю признательность преподавателям кафедры физики и биомедицинской техники ЛГТУ за полезные консультации.
Библиография:
Савельев И.В.: Курс общей физики, том 2. Электричество, 2007
Неразрушающий контроль: справочник: Под общей редакцией В.В. Клюева. Т.2 – М.: Машиностроение, 2003. – 688 с.: ил.
Журнал «Радио», №№ 2000-2018гг.
Журнал «Радиоконструктор», №№ 2002-2018гг
Приложение 1
Приложение 2