Προσομοίωση του μαγνητικού πεδίου γύρω από μαγνητισμένη σιδηροτροχιά παρουσία ατελειών

Abstract

Μεγάλος αριθμός τεχνικών έχει αναπτυχθεί για την ανίχνευση ρωγμών σε μεταλλικά αντικείμενα. Σαν πιο διαδεδομένες μπορούμε να αναφέρουμε τις μεθόδους με υπερήχους, τις μεθόδους με ακτίνες γ και τις μεθόδους με δινορεύματα. Όταν τα μεταλλικά αντικείμενα είναι σιδηρομαγνητικά τότε μπορούν να χρησιμοποιηθούν μέθοδοι οι οποίες ανιχνεύουν τη μεταβολή της μαγνητικής επαγωγής στη γειτονιά μίας ασυνέχειας (ρωγμής). Η φυσική αιτία πίσω από αυτή την τεχνική είναι πάρα πολύ απλή. Όταν σε ένα μαγνητισμένο σιδηρομαγνητικό υλικό δημιουργηθεί μία ασυνέχεια η οποία ξεκινά από την επιφάνεια του αντικειμένου τότε στις δύο πλευρές της ασυνέχειας δημιουργούνται βόρειος και νότιος μαγνητικός πόλος. Η παρουσία των μαγνητικών πόλων «τροποποιεί» σημαντικά τη μαγνητική επαγωγή στη γειτονιά της ασυνέχειας σε σχέση με το υπόλοιπο υλικό. Συνεπώς αν με κάποιο αισθητήρα μετρήσουμε τη μαγνητική επαγωγή στην επιφάνεια του αντικειμένου μπορούμε να εντοπίσουμε πιθανές ασυνέχειες στο σιδηρομαγνητικό υλικό. Πιο απλή εκδοχή αυτής της μεθοδολογίας είναι η διασπορά μαγνητικών σωματιδίων στην επιφάνεια του αντικειμένου, οπότε στη γειτονιά της ασυνέχειας θα έχουμε μεγαλύτερη συγκέντρωση σωματιδίων σε σχέση με την υπόλοιπη επιφάνεια του αντικειμένου. Μία εναλλακτική μέθοδος για την ανίχνευση τοπικών μαγνητικών «ανωμαλιών» είναι η χρήση αισθητήρων μέτρησης της μαγνητικής επαγωγής, όπως αισθητήρες Hall ή αισθητήρες γιγαντιαίας μαγνητοαντίστασης (GMR). Ο σκοπός της διπλωματικής εργασίας ήταν να υπολογιστεί το διαφεύγον μαγνητικό πεδίο στην επιφάνεια μαγνητισμένου μαλακού μαγνητικού υλικού παρουσία ασυνεχειών. Έμφαση δόθηκε στην επιφάνεια της κεφαλής της μαγνητισμένης σιδηροτροχιάς. Υπολογίσαμε τη μαγνητική επαγωγή επιλύοντας το κατάλληλο μαγνητοστατικό πρόβλημα χρησιμοποιώντας λογισμικό πεπερασμένων στοιχείων (Finite Element Method). Η συγκεκριμένη διπλωματική ήταν μέρος ερευνητικού προγράμματος για την ανάπτυξη διάταξης για την ανίχνευση ασυνεχειών σε σιδηροτροχιές με τη βοήθεια αισθητήρων GMR.

A large number of crack detection techniques, which are applied on metallic items have been developed. We can refer to the most widespread of them which are ultrasonic methods, the gamma ray methods and eddy current methods. When the metallic items are ferromagnetic then we can use methods that detect the magnetic induction change in the vicinity of a defect (crack). The physics behind of such methods is very simple. When a crack is created on the surface of a magnetized ferromagnetic material then magnetic poles are developed on the crack’s edges. The existence of magnetic poles changes the magnetic induction in the vicinity of the defect at a great amount. So, if we measure the magnetic induction on the surface of the item with a sensor, we can localize possible defects on the ferromagnetic material. The simplest version of this methodology is the spread of magnetic particles on the surface of the item which leads to a larger concentration of particles in the crack’s vicinity than elsewhere on the surface of the item. An alternative method of detecting local magnetic disturbances is the use of sensors which measure the magnetic induction directly, such as Hall or GMR sensors. The purpose of this thesis was the calculation of the stray magnetic field on the surface of a magnetized soft magnetic material in the presence of defects. Particularly, we gave emphasis on the surface of the magnetized railway’s head. We calculated the magnetic induction by solving the appropriate magnetostatic problem, using the finite element method software, FEMM. This thesis was part of a research program which is about the development of equipment that detects defects on railways by using GMR sensors.