VŠB – Technická univerzita Ostrava Fakulta strojní
Institut dopravy
Příloha k bakalářské práci
Student: Michal Baranec
Vedoucí diplomové práce: Ing. Vojtěch Graf, Ph. D
Ostrava 2020
2
Obsah
1. Příloha č. 3.1 – Základní teorie kapilárních metod ... 3
1.1 Základní teorie kapilárních metod... 3
1.1.1 Povrchové napětí ... 3
1.1.2 Smáčivost ... 4
1.1.3 Kapilární tlak a kapilární elevace ... 4
1.1.4 Viskozita ... 4
2 Příloha č. 3.2 – Základy elektromagnetických polí ... 6
2.1 Základní fyzikální pojmy elektromagnetických polí ... 6
2.1.1 Elektrický proud ... 6
2.1.2 Elektrická vodivost ... 7
2.1.3 Základy magnetismu ... 7
2.1.4 Cívka ... 7
2.1.5 Elektromagnetická indukce ... 8
3 Příloha č. 3.3 – Základy ultrazvuku ... 9
3.1 Šíření vlny ... 10
3.1.1 Odraz vlnění ... 10
3.1.2 Lom vlnění ... 10
3.1.3 Ohyb vlnění... 11
3.1.4 Útlum vlnění ... 11
3.2 Interference vln ... 11
4 Příloha č. 3. 4 – Základy magnetismu ... 12
4.1 Feromagnetické látky ... 12
5 Příloha č. 3.5 – Infračervené záření ... 13
5.1 Emisivita ... 13
5.2 Odrazivost ... 13
5.3 Tepelné vlastnosti materiálu ... 14
6 Příloha č. 3.6 – Základy elektromagnetického záření ... 15
7 Seznam použitých obrázků ... 16
3
1. Příloha č. 3.1 – Základní teorie kapilárních metod
1.1 Základní teorie kapilárních metod
Kapilární defektoskopie pracuje z vlastnosti některých kapalin (penetrantů). Citlivost zkoušky tedy závisí nejvíce na vlastnostech kapalin. Mezi tyto vlastnosti patří:
povrchové napětí,
smáčivost,
kapilární elevace a kapilární tlak,
viskozita.
1.1.1 Povrchové napětí
Povrchové napětí je efekt, kdy se povrch kapaliny chová jako elastická fólie, která se snaží dosáhnout stavu s co nejmenší plochou. Tento efekt je způsoben tím, že molekuly uvnitř kapaliny jsou velmi blízko sebe a navzájem na sebe působí přitažlivými silami (molekulární síly). Síly působící uvnitř kapaliny jsou ve všech směrech stejné, takže výslednice sil je rovna nule. Oblast působení molekulárních sil je cca 1 mm (Obr. 1.1). U hladiny z plynné strany nepůsobí na molekuly přitažlivé síly, proto jsou molekuly na povrchu vtahovaný určitou silou dovnitř kapaliny. Kapalina se snaží zaujmout stav, s co nejmenším počtem povrchových molekul. Povrchové napětí závisí na aktuální teplotě a chemickém sloužení dané kapaliny.
Obr. P. 1.1 Působení povrchového napětí [8]
4 1.1.2 Smáčivost
Smáčivost je chování kapaliny v nádobě. Je to místo styku tří fází (kapalina, plyn, pevná látka). Jejich vektorový součet mezifázového napětí1, zvedne nebo sníží vodní hladinu v kapiláře proti gravitačním nebo hydrostatickým silám. Úhel, který svírá kapalina a pevná látka se nazývá krajový úhel. Důležitým pojem, který souvisí se smáčivostí povrchu, je adhezní konstanta. Adhezní konstanta je rozdíl povrchových napětí mezi kapalinou, plynem a pevnou látkou. Je-li konstanta kladná, kapalina se u stěny pevného tělesa zvedá (smáčí) a naopak pokud je záporná, kapalina se u stěny snižuje (nesmáčí). Kapaliny díky tomuto jevu lze rozdělit na smáčivé a nesmáčivé. [9]
Na smáčivost má velký vliv také drsnost povrchu. Povrch materiálu se zvýšenou drsností má dobré smáčivostní podmínky. Zvýšenou drsnost mají stěny trhlin. Tohoto poznatku je nutné využít při kapilární defektoskopii. Pokud by trhlina neměla vyšší drsnost, nedošlo by k zachycení kapaliny (penetrantu) v trhlině, a to by vedlo k nezaznamenání vady.
1.1.3 Kapilární tlak a kapilární elevace
Povrch kapaliny se vlivem smáčivosti snaží zakřivit, ale povrchové napětí se toto zakřivení snaží narovnat. Při tomto jevu vzniká v kapalině kapilární tlak. Kapilární tlak roste směrem od povrchu kapaliny. Součet kohezního (soudržné sily molekul kapaliny) a kapilárního tlaku určí výsledný tlak v kapalině, který je důležitý při kapilární elevaci.
Kapilární elevace vzniká ponořením kapiláry kolmo do nádoby s vodou. Při tomto jevu nastává vzestup molekul kapaliny po stěnách trubice kapiláry. Vlivem kapilárního tlaku je kapalina v trubici vtahovaná do určité výšky.
Z hlediska principu kapilárních metod je kapilární elevace velmi důležitým jevem, neboť hledané vady se chovají jako kapiláry. To znamená, že čím menší je šířka vady, tím větší je zakřivení vnitřní hladiny penetrantu ve vadě. Z toho vyplývá, že velikost kapilárního tlaku je nepřímo úměrná šířce trhliny. [1]
1.1.4 Viskozita
Viskozita je fyzikální veličina, která charakterizuje vnitřní tření kapaliny. Tření bude tak velké, jak velké budou přitažlivé síly mezi částicemi kapaliny. Přitažlivé síly určují, rychlost vnikání a vystupovaní penetrantu v trhlině. Příliš viskózní penetrant vniká do trhliny
1 Mezifázové napětí - je to povrchová energie, která se hromadí na rozhraní dvou nemísitelných fází.
5
pomalu, naopak nízká viskozita vytvoří na zkoušeném materiálu slabou vrstvu penetrantu.
Na viskozitu penetrantu má vliv teplota. Při zvýšení teploty cca o 1 °C, klesá viskozita zhruba o 2 %.
6
2 Příloha č. 3.2 – Základy elektromagnetických polí
2.1 Základní fyzikální pojmy elektromagnetických polí
V této kapitole budou popsány základní fyzikální pojmy. Tyto pojmy jsou velice důležité pro pochopení fungování vířivých proudů. Jedná se o tyto fyzikální pojmy:
elektrický proud,
elektrická vodivost,
základy magnetismu,
cívka,
elektromagnetická indukce.
2.1.1 Elektrický proud
Elektrický proud je uspořádaný pohyb elektronu procházející vodičem. Elektrický proud může procházet pevnými látkami, kapalinami, ale také plyny. Nositelem elektřiny je elektrický náboj. Ke vzniku elektrického proudu je potřeba elektrické napětí, které je dáno nahromaděním elektronů na svorkách proudového zdroje. Svorka s menším počtem elektronů má kladná náboj, svorka s přebytkem elektronů má záporný náboj. Aby se tento stav vyrovnal, začnou proudit elektrony od kladného proudu k zápornému. Elektrony se stejným nábojem se navzájem odpuzují. Kolem každého náboje vzniká elektrické pole.
Proud, který prochází vodičem, musí překonat určitý elektrický odpor vodiče, který je dán jeho geometrickými rozměry (s rostoucí délkou a zmenšujícím se průměrem vodiče jeho odpor roste). [10]
Z časového hlediska je elektrický proud rozdělen na proud:
stejnosměrný,
střídavý.
Stejnosměrný proud je proud, který v čase nemění směr svého toku. Naopak u střídavého proudu se tok mění. Velikost proudu se může měnit v závislosti na elektrickém odporu a na elektrickém napětí. Metoda vířivých proudů využívá proud střídavý.
7 2.1.2 Elektrická vodivost
Elektrická vodivost též známá jako konduktivita je fyzikální veličina, která popisuje schopnost materiálu vést dobře elektrický proud. Pokud látka vede dobře elektrický proud, má velkou konduktivitu a naopak, při špatném vedení má nízkou konduktivitu. Elektrická vodivost závisí na teplotě materiálu, ale hlavně na chemickém složení.
2.1.3 Základy magnetismu
Některé materiály mohou působit na okolní tělesa bez přímého kontaktu. Působí na ně magnetickými silami. Magnetické síly působí v určitém prostoru, tento prostor se nazývá magnetické pole. Magnetické pole je charakterizováno pomocí pomyslných křivek, které se nazývají magnetické siločáry. Siločáry mají uzavřený tvar, proto není možné určit, kde začínají a kde končí. Mají přesné svůj daný směr (pohybují se od severního pólu k jižnímu).
Pro zjištění proudění siločar se vyžívá tzv. Amperovo pravidlo pravé ruky. Podle tohoto pravidla je nutné vodič uchopit tak, aby palce pravé ruky ukazoval směr proudu a ohnuté prsty ukazovaly směr siločar. Jednotlivé siločáry se nekříží, pouze se mění koncentrace.
[10]
Magnetické pole je charakterizováno těmito veličinami:
intenzita magnetického pole – charakterizuje magnetické síly v konkrétním bodě,
magnetický tok – je dán počtem siločar v magnetickém poli. Jednotkou magnetického toku je Weber,
magnetická indukce – udává, kolik siločar prochází danou plochou a plocha musí být kolmá na siločáry,
magnetická permeabilita – je to veličina, která udává, kolik práce musíme vykonat, abychom danou látku zmagnetovat a velikost zmagnetování se udává graficky pomocí hysterézní křivky.
2.1.4 Cívka
Je to elektronická součástka, která se používá v obvodech. Svinutý vodič je cívka.
Vinutí slouží k zvýšení intenzity elektromagnetického pole. Vinutí může být jednovrstvé nebo vícevrstvé. K zvětšení magnetického pole se dovnitř do cívky vkládá jádro z magnetické měkké oceli (magnet). Aby nedocházelo k velkým tepelným ztrátám je nutné,
8
aby měl vodič co nejmenší rezistivitu2. Cívka je nejčastěji vyrobena z mědi (nejnižší rezistivita). Cívka se také používá jako nositel indukčnosti. Cívky lze rozdělit podle frekvence na nízkofrekvenční a vysokofrekvenční.
2.1.5 Elektromagnetická indukce
Elektromagnetická indukce vzniká při jakémkoliv přiblížení vodivého materiál k elektromagnetickému poli. Při elektromagnetické indukci vzniká indukované napětí na cívce. Indukované napětí zmizí po odebrání magnetu z cívky nebo po uvedení cívky do klidové polohy. Velikost indukovaného napětí závisí na intenzitě magnetického pole (na síle magnetu), rychlost pohybu magnetu a na vlastnostech cívky (počet závitů). Schopnost cívky vytvořit indukované napětí, se nazývá indukčnost cívky. [10]
Elektromagnetická indukce také vzniká u materiálu, které vedou dobře elektrický proud.
Pokud tento vodivý materiál vede elektrický proud, vzniká okolo něho magnetické pole.
2 Rezistivita - odpor materiálu, který vede elektrický proud.
9
3 Příloha č. 3.3 – Základy ultrazvuku
Základní parametr, který ultrazvuk charakterizuje je vlněním. Vlnění se skládá z vln, které využívají pro své šíření zákony geometrické optiky. Za vlnění se označují vzruchy šířící se prostorem. Je popisováno těmito parametry – kmit (půlka periody), periodou (doba jednoho opakování), frekvencí (periodické opakování děje), amplitudou (maximální nebo minimální hodnota periodicky se měnících veličin), úhlovou frekvencí 3, vlnovou délkou4 a impulsem (Obr. 3.2).
Obr. P. 3.2 Graf vlnění
Ultrazvukové vlnění se šíří elastickým prostředím o frekvenci nad 20 kHz. Pro defektoskopické účely se využívá frekvence v rozsahu od 100 kHz do 50 MHz. Částice vlny jsou mezi sebou vázány pružnými silami a konají kmitavý pohyb kolem svých rovnovážných poloh. Jakýkoliv zásah do tohoto pohybu, způsobí změnu pohybu u všech částic vlivem pružných sil. Rychlost šíření vlnění v prostoru (materiálu) závisí na fyzikálních vlastnostech prostředí (materiálu), typu vlny, ale také na akustickém tlaku5 a akustickém odporu. Částice mohou kmitat třemi způsoby – podélně, příčně nebo povrchově. [12]
3 Úhlová frekvence - je to skalární fyzikální veličina, která popisuje harmonické děje.
4 Vlnová délka - je nejmenší vzdálenost dvou bodů například dvou maxim nebo dvou minim.
5 Akustický tlak - je to zvuková energie, která je vyzařovaná zdrojem a vyjadřuje se v decibelech.
10 3.1 Šíření vlny
Vlnění ultrazvuku se šíří kapalnými, plynnými i pevnými látkami. Pokud se šíří vlnění pouze jedním prostředím, mění se pouze jeho rychlost šíření (záleží na hustotě prostředí) a vlnová délka (s rostoucí frekvencí, se vlnová délka zkracuje), ale směr vlnění zůstává neměnný. Vlnění však může procházet z jednoho prostředí do druhého. Při tomto průchodu se mění všechny tři parametry – směr, rychlost a vlnová délka. Každá změna těchto tří parametrů je charakterizována určitým fyzikálním zákonem. Mezi tyto fyzikální zákony patří:
odraz vlnění,
lom vlnění,
ohyb vlnění,
útlum vlnění.
3.1.1 Odraz vlnění
Zákon odrazu je platný pro všechny druhý vlnění a nastává tehdy, když rovinná vlna dopadá na rozhraní dvou prostředí. Při dopadu se vlnění částečně odrazí zpět do prostředí, ze kterého vlnění přichází a částečně přejde do druhého prostředí. Na množství odraženého vlnění má vliv hlavně akustická impedance obou prostředí, a také drsnost povrchu. Odraz vlnění se řídí zákonem odrazu, který zní – úhel odrazu je roven úhlu dopadu, přičemž úhel odrazu je stejný jako úhel dopadu.
3.1.2 Lom vlnění
Lom vychází z Huygensova zákona. Tento zákon pojednává o tom, že každý bod vlnoplochy, se stává potencionálním zdrojem nového vlnění. Vlnění se od každého zdroje šíří ve vlnoplochách. Rychlost šíření vlnění se od každého následujícího zdroje zpožďuje.
Následkem toho se vlnění přenáší do druhého prostředí se zpožděním, ale tvar vlnoplochy6 zůstává stejný. Při průchodu do druhého prostředí dochází ke změně směru šíření vlny – k lomu. Pro zjištění, pod jakým úhlem se vlnění láme, musíme použít Snelluv zákon. Ze Snellova zákona vyplývá, že při zvětšujícím se úhlu dopadu, roste i úhel lomu. [1]
6 Vlnoplocha - je to množina bodu v prostoru, které při vlnění kmitají se stejnou fází.
11 3.1.3 Ohyb vlnění
Ohyb je fyzikální jev, který nastane tehdy, dopadne-li vlnění na překážku malých rozměru nebo pokud vlnění dopadne na velkou překážku, ve kterém se nachází otvor.
Trhlina v materiálu je vlastně překážka, takže ohyb se zde také uplatňuje. Vlnění se v těchto případech šíří za překážku a nastává ohyb vlnění. Za překážkou dochází k interferenci, která bude v této kapitole také popsána. Velikost ohybu závisí na rozměrech překážky a na vlnové délce. Čím je větší vlnová délka, tím je ohyb výraznější. [13]
3.1.4 Útlum vlnění
Útlum vlnění nastává tehdy, když se akustický tlak snižuje (směrem od zdroje vlnění).
Snižování akustického tlaku je způsobené tím, že se energie vlnění rozděluje do čím dál většího prostoru, ale také je tlak tlumený materiálem. Materiál může tlumit vlnění dvěma způsoby:
rozptylem – energie vlnění se odkloňuje od přímé dráhy,
absorpcí – dochází k pohlcování energie vnitřním třením částic materiálu a následnou přeměnou této pohlcené energie na energii tepelnou.
3.2 Interference vln
V prostoru, kde se šíří několik vlnění, může nastat jev, kdy se střetnou dvě vlny, které se šíří každá jiným směrem. Tomuto jevu se říká interference. V místě střetnutí dochází ke skládání vln a to způsobuje jejich zesílení nebo zeslabení. Avšak směr a rychlost šíření obou vln se nemění. Interference nastává pouze v místě střetu, za tímto místem pokračuje každá vlna se svými původními vlastnostmi (vlastnosti před interferencí).
12
4 Příloha č. 3. 4 – Základy magnetismu
Magnetická prášková metoda pracuje s vlastnostmi magnetických polí. Kvantitativně hodnotíme magnetické pole pomocí veličin – magnetická indukce a intenzity magnetického pole. Velikost intenzity magnetického pole závisí na velikosti proudu a na velikosti magnetické indukce. Závislost těchto dvou veličin lze znázornit graficky. Grafické znázornění se děje pomocí hysterezní křivky. Z grafu můžeme zjistit, jaký vliv má působení vnějšího magnetického pole na magnetické schopnosti materiálu, který se v tomto poli nachází. Z hysterezní křivky lze určit také druh feromagnetické látky.
Velice důležitou vlastností, se kterou pracuje magnetická prášková metoda, je zakřivení magnetického indukčního toku. Magnetický indukční tok je charakterizován jako množství siločar procházející jednotkou plochy. Čím větší je elektrický proud, tím větší je magnetický indukční tok.
O tom zda rozptylový magnetický tok vystoupí v místě defektu nad povrch, nebo vystoupí pouze slabě, rozhoduje velikost permeability. Velikost permeability závisí na velikosti zmagnetování dané látky. Ideální velikost permeability je 1. S klesající permeabilitou se hustota rozptylového magnetického toku nad vadou snižuje. Se zvětšující se vzdáleností vady od povrchu hustota magnetického toku také klesá.
4.1 Feromagnetické látky
Feromagnetické látky pracují s feromagnetickým jevem. Je to jev, pomocí něhož materiál vykazuje samovolnou magnetizaci. Tyto látky mají mnohem větší permeabilitu než 1, a proto zesilují výrazně magnetické pole. Feromagnetismus je jednou z nejsilnějších forem magnetismu. Mezi feromagnetické látky patří nikl, železo, ale také různé slitiny například ocel. U těchto látek zůstává magnetické pole i po zániku vnějšího magnetického pole. Materiál, který využívá feromagnetické látky, se nazývá ferit. Feritové magnety jsou nejpoužívanější magnety v dnešní době.
Některé materiály magnetismus zesiluji nebo zeslabují. Takové materiály jsou označovány jako paramagnetické a diamagnetické. Paramagnetické látky mají permeabilitu o málo větší než 1 a mírně zesilují magnetické pole a mezi tyto látky patří například platina.
Diamagnetické látky mají permeabilitu menší než 1 a mírně zeslabují magnetické pole a patří mezi ně například uhlík, zlato, měď.
13
5 Příloha č. 3.5 – Infračervené záření
Infračervené záření znamená v předkladu záření “pod červenou“, protože záření má vlnovou délku o frekvenci, menší než červená barva. Elektromagnetické spektrum je rozděleno do několika skupin vlnových délek, a právě infračervené záření, je jednou z části tohoto spektra (Obr. 5.3). Záření je definováno vlnovými délkami, u kterých se vyskytují specifické vlastnosti. U infračerveného vlnění jsou sledovány dvě nejdůležitější vlastnosti emisivitu a odrazivost. Dalšími jeho vlastnosti jsou propustnost a absorpce.
Obr. P. 5.3 Elektromagnetické spektrum infračerveného záření [19]
5.1 Emisivita
Je to schopnost materiálu vyzařovat tepelné záření. Závislé především na jakosti povrchu. Velikost emisivity se porovnává s emisivitou černého tělesa. Černé těleso je takové těleso, které má emisivitu rovnu jedné tzn., materiál stejné teploty, jako je teplota černého tělesa, nebude nikdy vyzařovat více tepelného záření než černé těleso.
5.2 Odrazivost
Množství záření, které se odrazí zpět k objektivu termokamery, závisí na drsnosti povrchu. Odrazivost lze rozdělit do dvou kategorií – zrcadlový odraz a difusní odraz (Obr.
5.4). Zrcadlový odraz je charakteristický pro hladký povrch a difuzní odraz pro hrubé povrchy.
14
Obr. P. 5.4 Zrcadlový odraz (vlevo) a difusní odraz (vpravo) [20]
5.3 Tepelné vlastnosti materiálu
Pří využívání termografické metody záleží na teplu, které materiál vyzařuje do prostoru.
Teplo je vnitřní energie materiálu, která závisí na pohybu jeho částic. Základní jednotka tepla je Kelvin. Každý materiál má své specifické tepelné vlastnosti, které závisí na tepelné vodivosti a měrné tepelné kapacitě. Velikost těchto dvou veličin závisí na skupenství látky.
Tepelnou vodivost – je to schopnost materiálu vést teplo. Teplo vždy přechází z chladného do teplého místa. Teplo může přecházet vedením, proudění nebo záření a po přechodu dochází k vyrovnávání teplot v celém předmětu. Nejlepší tepelnou vodivost mají kovy, a lze je rozdělit na tepelné vodiče nebo tepelné izolanty.
Měrná tepelná kapacita – je definováno, jako množství tepla, které je nutné dodat materiálu o hmotnosti 1 kg, aby se zvětšila jeho teplo o jeden Kelvin. Látky s vysokou měrnou tepelnou kapacitou mají obvykle nízkou teplotní vodivost tzn., látky uchovávají velké množství tepla, které velice pomalu předávají do prostoru.
15
6 Příloha č. 3.6 – Základy elektromagnetického záření
Elektromagnetické záření (elektromagnetické vlnění) lze definovat jako šíření energie prostorem. Elektromagnetických záření může být několik typů, každé je charakterizováno odlišnou vlnovou délkou. Přechody mezi jednotlivými zářeními jsou plynulé a často se překrývají. Soubor všech elektromagnetických záření tvoří elektromagnetické spektrum.
Každé záření má dvě složky – elektrickou složku (charakterizována elektrickým polem) a magnetickou složkou (charakterizována magnetickou indukcí). Mezi elektromagnetické záření patří rádiové, infračervené, světelné, ultrafialové, rentgenové a gama záření. Poslední dvě zmíněné záření se používají v technické defektoskopii. Jen světelné záření lze lidským okem spatřit.
Nositelem elektromagnetické energie jsou částice. Částice se dělí podle náboje na - proton (kladný náboj), neutron (neutrální náboj), elektron (záporný náboj). Tyto tři částice tvoří atom. Atom je nejmenší část běžné hmoty a je složen z jádra, kde se nachází neutron a proton a z elektronového obalu, kde se elektron pohybuje po drahách. Mezi jednotlivými drahami může “cestovat“.
Zvláštním druhem částice je foton, který je z hlediska defektoskopie velice důležitý, protože je nositelem informace o vadách, které se vyskytují v kontrolovaném předmětu. Lze si ho představit jako kvanta elektromagnetické energie. Vzniká v důsledku přechodu elektronu z jedné dráhy na jinou (energeticky méně náročnou). Foton se šíří prostředím rychlostí světla. [1]
16
7 Seznam použitých obrázků
Obrázek P. 1.1 Působení povrchového napětí, s. 3 Obrázek P. 3.2 Graf vlnění, s. 9
Obrázek P. 5.3 Elektromagnetické spektrum infračerveného záření, s. 13 Obrázek P. 5.4 Zrcadlový odraz a difusní odraz, s. 14
