Chương VI: Mặt phẳng biểu diễn trở kháng thường hóa và các yếu tố ảnh hưởng

VI.1. Ôn tập- điện trở kháng của cuộn dây riêng biệt.
Chúng ta đã biết ở chương 2 rằng cuộn dây dạng phẳng hoặc ống dây có thể được coi như các điện trở thuần Ro và độ tự cảm Lo được mắc nối tiếp với nhau.
Sơ đồ điện như sau:

Chúng ta cũng biết rằng trở kháng của mạch điện như vậy được biểu diễn (dạng số phức) bằng công thức sau:
Zo = Ro + j.Xo
Zo = Ro + j.Lo.
và có thể biểu diễn trên sơ đồ ( được gọi là mặt phẳng trở kháng) như sau:

Trong đó độ lớn của Zo bằng:
Zo =  (Ro2 + Lo2.2)
và pha  dược tính bởi:
tg = Lo./Ro
Zo tương ứng với trở kháng của cuộn dây riêng biệt tức là cuộn dây ở vị trí xa bất cứ vật dẫn nào.

Bạn đang đọc: Chương VI: Mặt phẳng biểu diễn trở kháng thường hóa và các yếu tố ảnh hưởng

Chúng ta gọi đó là trở kháng không tải hoặc ở trong không khí.
Trên thực tế và trong phần lớn các trường hợp, ta nhận thấy điện trở thuần của cuộn dây rất nhỏ so với điện kháng cảm ứng Xo và có thể bỏ qua trong tính toán.

Ta suy ra rằng trong thực tế:
Zo = Xo = Lo.
và
 = /2

Từ đó trở kháng được trình diễn trên mặt phẳng như sau :

VI.2. Trở kháng của cuộn dây khi tiếp xúc với vật dẫn
Khi cuộn dây như trên được đặt gần hoặc trên một vật dẫn, dòng điện xoáy được tạo ra trong vật dẫn bởi sự cảm ứng điện từ.

Mọi thứ sẽ vận động và di chuyển nếu như trở kháng của cuộn dây đổi khác khi tất cả chúng ta di dời nó tới gần vật dẫn. Giá trị Zo ( chính sách không tải ) sẽ biến hóa thành Z .
Trên trong thực tiễn, ta nhận thấy phần điện trở thuần và phần cảm ứng của cuộn dây đổi khác đông thời .

Ta có thể nói một cách đơn giản là:
– Sự thay đổi phần điện trở thuần của cuộn dây liên quan đến sự chuyển động của dòng điện xoáy vào trong vật dẫn và đặc biệt liên quan đến sự suy giảm năng lượng bời hiệu ứng Joule (tỉ lệ thuận với điện trở của vật và với bình phương cường độ dòng điện xoáy). Kết quả của sự thay đổi đó là phần điện trở thuần tăng lên. Giá trị thay đổi từ 0 lên R
– Sự thay đổi phần điện kháng cảm ứng của cuộn dây liên quan đến sự xuất hiện cảm ứng tương hỗ (xem chương 4) giữa cuộn dây và vật dẫn.
Từ trường Hc tạo bởi tạo bởi dòng điện xoáy ngược với từ trường sinh ra nó He. Nó làm cho phần điện kháng cảm ứng giảm từ giá trị Xo tới X.
Sự thay đổi của trở kháng của cuộn dây được biểu diễn trên sơ đồ sau:

Ghi chú:
Đối với trường hợp vật liệu sắt từ, sự thay đổi trở kháng hoàn toàn khác.
Khi vật liệu đó chưa bão hòa, ta nhận thấy:
– Sự tăng phần điện trở thuần do hiệu ứng nhiệt liên quan dòng điện xoáy (hiệu ứng Joule), nhưng cũng liên quan tới sự quay các vùng từ (domains) dưới tác động của từ trường xoay chiều tạo bởi cuộn dây.
– Sự thay đổi phần điện trở thuần khi vật dẫn là sắt từ nói chung là nhỏ hơn so với vật liệu không từ tính.
– Sự tăng mạnh của phần điện kháng cảm ứng liên quan đến sự tăng mạnh độ tự cảm của cuộn dây do độ từ thẩm cao của vật liệu sắt từ. Độ tự cảm của cuộn dây xấp xỉ tăng r lần:
L = . N2.S/l = r.o.N2.S/l = r.Lo

VI.3. Trở kháng thường hóa hay rút gọn:
Chúng ta gọi điểm hoạt động là điểm đầu mút của vectơ trở kháng Z trên sơ đồ trở kháng.

Trên sơ đồ biểu diễn trở kháng trước đây ta thấy điểm hoạt động ở chế độ không tải (trong không khí) phụ thuộc vào trở kháng của đầu dò Zo (cụ thể là độ tự cảm Lo) và tần số kiểm tra (cụ thể là ).

Bất cứ biến hóa của trở kháng tương quan đến sự Open vật dẫn tới gần làm cho điểm hoạt động giải trí trên sơ đồ trở kháng sẽ di dời nhờ vào vào Zo .

Cho nên để đơn giản sự biểu diễn trên sơ đồ trở kháng và đặc biệt là không phụ thuộc vào các điều kiện kiểm tra, có thể định nghĩa trở kháng Zn là trở kháng thường hóa hay còn gọi là trở kháng rút gọn.
Zn = Z/Zo
trong đó Zo = Lo.
nên Zn = R/Lo. + j.L. /Lo.

VI.4. Sơ đồ trở kháng thường hóa (rút gọn)
Từ giá trị Zn tính được ta có thể biểu diễn trở kháng trên sơ đồ như sau:

Sự biếu diễn này không phụ thuộc vào các điều kiện kiểm tra.

Ta đã biết trong trường hợp cuộn dây riêng biệt, trở kháng được tính theo công thức sau:
Zno = j.Xno

Điểm hoạt động giải trí nằm trên trục thẳng đứng ( tương ứng phần điện kháng cảm ứng ) tại điểm Xno = 1 ( Ta nhớ rằng giá trị j của số phức bằng 1 ) .

VI.5. Xây dựng sơ đồ trở kháng và các yếu tố ảnh hưởng
Có thể nghiên cứu sự dịch chuyển của điểm hoạt động trên sơ đồ trở kháng rút gọn để xem xét hiểu rõ sự ảnh hưởng của các yếu tố tới trở kháng của đầu dò..

Các yếu tố mà ta nghiên cứu và điều tra hoàn toàn có thể tương ứng với sự biến hóa đặc thù của vật tư ( đổi khác độ dẫn điện, đổi khác độ từ thẩm ), với sự đổi khác điều kiện kèm theo kiểm tra ( biến hóa tần số, khoảng cách giữa đầu dò và chi tiết cụ thể ), với sự biến hóa chiều dày chi tiết cụ thể, trong sự hiện hữu của lớp phủ trên mặt phẳng chi tiết cụ thể, hoặc nếu có vài khuyết tật Open trong cụ thể ( những vết nứt ví dụ điển hình ) .
Từ sự nghiên cứu và phân tích đó, sau đó hoàn toàn có thể kiến thiết xây dựng sơ đồ trở kháng được thường hóa để bộc lộ vị trí và sự di dời của điểm hoạt động giải trí .
Xây dựng sơ đồ trở kháng được thường hóa theo triết lý và tính đến sự biến hóa của những yếu tố tương quan thì rất phức tạp. Chính vì thế tất cả chúng ta chỉ đề cập đến hiệu quả chung và đặc thù định tính, nhưng cũng đủ để hiểu được nguyên tắc những hiện tượng kỳ lạ .
Sơ đồ dưới đây trình diễn chung những vị trí của những điểm hoạt động giải trí đối với vật tư không từ tính .

Để nắm được hình dạng chung của sơ đồ trở kháng, ta có thể xem xét vài điểm đặc biệt:
a) Điểm tọa độ (0,1)
Chúng ta đã biết rằng điểm tọa độ (R/Xo = 0, X/Xo = 1) tương ứng với trường hợp đầu dò để trong không khí.

Trong thực tế điểm đó cũng có thể tương ứng với trạng thái khác mỗi khi dòng điện xoáy ngừng chạy. Đó là các trường hơp:
– Chi tiết là vật liệu không dẫn điện, độ dẫn điện bằng không ( = 0)
– Dòng điện chạy qua đầu dò là dòng điện một chiều (tần số F = 0)

b) Điểm tọa độ (0,0)
Điểm này tương ứng với trạng thái đầu dò hoàn toàn không có trở kháng, khi đặt trên vật liệu, có nghĩa là không có phần điện trở thuần cũng như phần điện kháng cảm ứng. Điều này chỉ có thể xảy ra khi vật liệu là loại siêu dẫn, độ dẫn điện bằng vô cùng. Trong trường hợp đó, không có bất cứ sự suy giảm nào bởi hiệu ứng Joule liên quan đến dòng điện xoáy (phần điện trở thuần bằng không), và từ trường Hc tạo bởi dòng điện xoáy ngược với từ trường He sinh ra nó (phần điện kháng cảm ứng triệt tiêu).

Hiện tượng trên cũng hoàn toàn có thể thấy khi thao tác với tần số rất cao, dòng xoáy chỉ có ở trên mặt phẳng chi tiết cụ thể .

c) Điểm trung gian:
Chúng ta đã biết trước rằng sự có mặt của dòng điện xoáy thường dẫn đến sự tăng phần điện trở thuần (bởi hiệu ứng Joule) và giảm phần cảm kháng (bởi sự cảm ứng tương hỗ) khi so sánh vói điểm hoạt động ở trạng thái trong không khí (trường hợp của vật liệu không từ tính).

Chúng ta nhận thấy rằng nếu tất cả chúng ta chậm tần số kiểm tra ( hoặc độ dẫn điện của vật tư ), những điểm hoạt động giải trí diễn đạt phần thứ nhất của đường cong AB. Ở phần này, phần điện trở thuần tăng chậm và phần cảm kháng thì giảm .
Sau một tần số nhất định ( hoặc độ dẫn điện nhất định của vật tư ), có sự giảm chậm cả hai thành phần điện trở thuần và cảm kháng. Điểm hoạt động giải trí theo đường BO tới điểm tọa độ ( 0,0 ). Sự suy giảm đó tương quan đến sự tập trung chuyên sâu ( hiệu ứng mặt phẳng ) của dòng điện xoáy .

5.1. Sự tác động ảnh hưởng của độ dẫn điện :

Có thể kiểm chứng bằng thực nghiệm sự ảnh hưởng của độ dẫn điện  từ vị trí điểm hoạt động trong sơ đồ trở kháng rút gọn bằng cách đặt đầu dò lên các loại vật liệu khác nhau, có độ dẫn điện khác nhau.
Hãy tưởng tượng chúng ta thực hiện thực nghiệm đó chỉ với vật liệu phi từ tính; chúng ta nhận thấy, như đã mô tả ở phần trên, các điểm hoạt động nằm trên đường tạo thành hình cung của đường tròn.

Chúng ta ghi nhận từ hình dạng đó rằng quá trình kiểm tra với dòng xoáy hoàn toàn có thể sử dụng để phân loại vật tư .
5.2. Ảnh hưởng của tần số :
Cũng bằng giải pháp đó, nếu tất cả chúng ta triển khai những thực nghiệm với hai tần số khác nhau, tất cả chúng ta nhận thấy rằng những điểm hoạt động giải trí nằm trên đường cong, nhưng khoảng cách giữa những điểm phụ thuộc vào vào tần số .

Tần số càng cao thì khoảng cách giữa các điểm càng lớn.
Các điểm có chiều hướng chuyển dịch về điểm tọa độ (0,0).

Chúng ta thấy rõ từ những sơ đồ trên rằng nếu tất cả chúng ta muốn phân biệt hai vật tư có độ dẫn điện gần giống nhau thì thiết yếu phải kiểm tra với tần số cao .

5.3. Ảnh hưởng của độ từ thẩm:
Khi vật dẫn là vật liệu sắt từ được đưa vào cuộn dây, độ tự cảm của cuộn dây tăng r lần.
So sánh với sơ đồ mà ta thu được từ vật liệu phi từ tính, chúng ta cũng lại thu được đường cong có cùng hình dạng nhưng chịu một hệ số khuyếc đại là r

r càng lớn thì đường cong của các điểm hoạt động càng lớn.
Ngoài ra chúng ta cũng thấy sự hoạt động giống như đối với vật liệu từ tính. Nếu chúng ta đặt đầu dò lên vật liệu sắt từ có cùng độ từ thẩm nhưng có độ dẫn điện tăng cao hơn, điểm hoạt động sẽ dịch chuyển chậm về phía dưới của đường cong.

Ta cũng sẽ thấy sự di dời như vậy khi ta tăng tần số .

Ghi nhận ở đầu cuối rằng cụ thể bằng sắt từ nhiều lúc biểu lộ điểm yếu kém là có độ từ thẩm thay đổi ( không là hằng số ). Đó là yếu tố chính cho kiểm tra vì điểm hoạt động giải trí di dời rất lớn theo điểm mà ta chăm sóc trên vật .
5.4. Ảnh hưởng của khe hở giữa đầu dò và cụ thể :
Chúng ta gọi khe hở là khoảng cách giữa đầu dò và chi tiết cụ thể

Khe hở đó còn được gọi là: LIFT-OFF.

Xem thêm: Ukraine cảnh báo đánh chìm các tàu chiến Nga

Trong trường hợp cụ thể hình tròn trụ ( thanh tròn hoặc ống tuýp ) bằng ống dây, khe hở thường được đặc trưng bởi FILLING FACTOR ( thông số điền đầy ) .

Hệ số điền đầy được tính bằng công thức:
 = (a/c)2

trong đó: a là bán kính chi tiết
c là bán kính cuộn dây

từ đó suy ra 0    1
Chúng ta cũng nhận thấy rằng nếu đường kính của chi tiết cụ thể bằng 50% đường kính của đầu dò ( a / c = 0.5 ), filling factor  = 0.25 .
Trong trường hợp khe hở tăng ( hoặc thông số điền đầy giảm ), thì hiện tượng kỳ lạ cảm ứng điện từ sẽ giảm .
Độ nhạy của phép kiểm tra cũng giảm. Trong thực tiễn tất cả chúng ta nhìn thấy sự suy giảm đó rất nhanh nên thiết yếu phải giữ khe hở nhỏ nhất hoàn toàn có thể .

Nói cách khác, trong trường hợp kiểm tra chi tiết hình trụ bằng cuộn dây, filling factor phải lớn nhất có thể, gần giá trị 1 nhất.
Chúng ta có thể nhận biết trực giác khi sự tiếp xúc điện từ không đạt cực đại, nó không bao giờ có thể loại trừ cảm kháng của cuộn dây, kể cả khi kiểm tra chi tiết có độ dẫn điện lớn vô cùng.

Thực tế trong trường hợp đầu dò đặt xa chi tiết, một phần của từ trường He tạo bởi đầu dò không được sử dụng để tạo dòng điện xoáy. Những dòng điện xoáy đó không bao giờ có thể tạo ra từ trường Hc hoàn toàn đối kháng với He.
Chúng ta thấy đường cong đại diện cho các điểm hoạt động đó không đạt tới điểm tọa độ (0,0).

Đối với vật tư cho trước ( ký hiệu B trên sơ đồ ), điểm hoạt động giải trí được miêu tả bởi đường cong B1B2B3, theo sự tăng khe hở, ở đầu cuối gặp điểm ( 0,1 ) khi đầu dò đã tương đối xa chi tiết cụ thể .
Bây giờ hãy tưởng tượng tất cả chúng ta thực thi phép kiểm tra với khe hở định trước. Nếu tất cả chúng ta tăng tần số lên, điểm hoạt động giải trí sẽ hoạt động rất nhanh xuống phía dưới của đường cong tương ứng với khe hở đó .

Ghi chú:
Trong trường hợp kiểm tra chi tiết hình trụ, chúng ta cũng thu được mạng lưới các đường cong như vậy.
Khe hở được thể hiện bằng hệ số điền đầy .
Chúng ta thấy điểm hoạt động cũng dịch chuyển khi thay đổi tần số.
Trong trường hợp đó, sự thay đổi tần số được biểu diễn bằng tỷ số F/Fg.

5.5. Ảnh hưởng của chiều dày chi tiết:
Chúng ta biết rằng dòng điện xoáy được đặc trưng bởi chiều sâu thẩm thấu quy ước .

Khi chiều dày chi tiết cụ thể lớn hơn nhiều chiều sâu thẩm thấu quy ước  ( trong trong thực tiễn nhiều hơn 3  ), tác dụng thu được không phụ thuộc vào vào chiều dày chi tiết cụ thể .
Khi chiều dày của cụ thể gần bằng hoặc nhỏ hơn chiều sâu thẩm thấu quy ước , ta thấy sự dich chuyển điểm hoạt động giải trí trên sơ đồ trở kháng .
Hiện tượng đó hoàn toàn có thể diễn giải như là do khi ta ngừng cho dòng xoáy chạy trong chi tiết cụ thể .
Trong trường hợp kiểm tra chi tiết cụ thể phẳng với cuộn dây phẳng, sự di dời của điểm hoạt động giải trí theo chiều giảm liên tục của chiều dày cụ thể được màn biểu diễn như sau :

Trong trường hợp kiểm tra chi tiết cụ thể hình tròn trụ, hiệu quả tựa như cũng thu được đối với cụ thể hình ống mỏng mảnh vô cùng ( di / de = 1 ), đường cong thu được cho thông số điền đầy  = 1 là 50% hình tròn trụ .

Đường cong tương ứng cho thanh đặc hoặc ống dày nằm trong nửa đường tròn đó.
Đối với ống có chiều dày trung bình, đường cong nằm giữa hai đường trên (phần gạch).
Nó tương ứng xấp xỉ một phần của đường tròn khi cắt đường cong tương ứng với thanh đặc.

5.6. Ảnh hưởng của lớp phủ :
5.6.1. Lớp phủ không dẫn điện :
Trường hợp này tương ứng với cụ thể được sơn phủ .
Hiện tượng nhìn thấy giống như khi khe hở giữa đầu dò và chi tiết cụ thể biến hóa. Chúng ta thu được sự màn biểu diễn sau đây khi chiều dày lớp phủ tăng lên .

5.6.2. Lớp phủ phi từ tính :
Ta tưởng tượng có một lớp phủ dẫn điện phi từ tính A được phủ lên vật tư phi từ tính B .

Chúng ta có thể chỉ ra rằng nếu:
• A  B thì điểm hoạt động sẽ dịch chuyển từ B sang A khi chiều dày lớp phủ tăng lên. Điểm hoạt động sẽ nằm ngoài đường cong cho vật liệu phi từ tính (đường r = 1)

•  A    B thì điểm hoạt động giải trí cũng sẽ di dời từ B sang A khi chiều dày lớp phủ tăng lên, nhưng nằm phía trong của đường cong  r = 1 .

Điểm hoạt động giải trí sẽ gặp điểm A khi chiều dày lớp phủ dày hơn rất nhiều chiều sâu thẩm thấu quy ước của dòng điện xoáy trong vật tư đó .

Ta tưởng tượng có một lớp phủ dẫn điện phi từ tính A được phủ lên vật liệu từ tính B.
Ta thu được sơ đồ sau (theo chiều tăng của chiều dày lớp phủ).

5.7. Ảnh hưởng của khuyết tật :
5.7.1. Khuyết tật mở :
Hãy tưởng tượng cụ thể bằng vật tư phi từ tính với khuyết tật tự tạo là những vết nứt vuông góc mở trên mặt phẳng có độ sâu tăng dần Cd .

Ta giả thiết đầu dò tiếp xúc với chi tiết thật hoàn hảo (khe hở bằng không hoặc  = 1)
Ở vị trí không có vết nứt, điểm hoạt động nằm trên đường cong r = 1.
Ở các vị trí vết nứt, điểm hoạt động dịch chuyển theo các đườn Cd1, Cd2, Cd3. Vị trí Cd4 tương ứng vị trí đầu dò đặt trên cạnh của chi tiết giống như khi đó là vết nứt sâu.

Ta thấy rằng chiều dài và hướng di dời tương ứng với chiều sâu vết nứt .

5.7.2. Khuyết tật nằm trong :
Hãy tưởng tượng cụ thể bằng vật tư phi từ tính với khuyết tật tự tạo là những vết nứt ở trong cụ thể vuông góc với mặt phẳng có chiều dài cố định và thắt chặt L và có độ sâu tăng dần Ci .
Chỉ có vết nứt 1 là mở và chiều dài L xê dịch chiều sâu thẩm thấu quy ước .
Ở những vị trí vết nứt, điểm hoạt động giải trí di dời theo những đườn Ci1, Ci2, Ci3. Vị trí Ci4 tương ứng vị trí đầu dò đặt trên vết nứt nằm sâu hơn nhiều chiều sâu thẩm thấu quy ước .

Xem thêm: Vật Lý 12 Bài 13: Lý Thuyết Các Mạch Điện Xoay Chiều Và Bài Tập

5.8. Tóm tắt :

Nói một cách ngắn gọn là sự dịch chuyển của điểm hoạt động tương ứng với tính chất yếu tố quan tâm.
Từ đó ta có thể lập một sơ đồ tổng quát như sau:

Source: https://vh2.com.vn
Category : Điện Tử