Диференціальний вихорострумовий перетворювач для контролю параметрів немагнітних виробів
НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
"ХАРКІВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ"
Сомхієва Ольга Сергіївна
УДК 620.179.14
ДИФЕРЕНЦІАЛЬНИЙ ВИХОРОСТРУМОВИЙ ПЕРЕТВОРЮВАЧ ДЛЯ КОНТРОЛЮ ПАРАМЕТРІВ НЕМАГНІТНИХ ВИРОБІВ
Спеціальність 05.11.13 – прилади і методи контролю та визначення складу речовин
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Харків - 2001
Д исертація є рукопис
Робота виконана в Національному технічному університеті "Харківський політехнічний інститут" Міністерства освіти і науки України.
Науковий керівник: доктор технічних наук, професор
Себко Вадим Пантелійович,
Національний технічний університет "ХПІ",
завідувач кафедри приладів та методів
неруйнівного контролю.
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор
Гурин Анатолій Григорович,
Національний технічний університет "ХПІ",
завідувач електроізоляційної і кабельної техніки.
кандидат технічних наук, доцент
Мельник Сергій Іванович,
Харківський державний технічний університет
радіоелектроніки, доцент кафедри фізики.
Провідна установа: АТ "Науково-дослідний інститут радіотехнічних
вимірювань Національного космічного агентства
України, м. Харків.
Захист відбудеться " 4 " 10 2001 р. о 1430 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.050.09 у Національному технічному університеті "Харківський політехнічний інститут" за адресою: 61002, м. Харків, вул. Фрунзе, 21.
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету "Харківський політехнічний інститут".
Автореферат розісланий " 31 " 07 2001 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради Горкунов Б.М.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. В даний час підвищений інтерес представляє створення нових і удосконалювання відомих многопараметрових методів і пристроїв для неруйнівного контролю матеріалів, виробів і конструкцій. У цьому плані особливий інтерес представляють електромагнітні (вихорострумові) методи і перетворювачі, у вихідних сигналах яких містяться відомості про магнітні, електричні і геометричні параметри виробу.
У тих випадках, коли необхідно контролювати об'єкти з близькими значеннями параметрів різних виробів, доцільно застосовувати диференціальні методи і перетворювачі, що дозволяють істотно підвищити точність вимірів і роздріблювальну здібність, тобто чутливість перетворювача до параметрів виробу. Однак, використання диференціальних методів і пристроїв дотепер здійснювалося в основному в однопараметровому варіанті. Оскільки абсолютні електромагнітні методи дозволяють контролювати відразу кілька параметрів виробу в одній і тій же зоні контролю тим самим перетворювачем, то становить підвищений інтерес розробити диференціальний багатопараметровий вихорострумовий перетворювач.
Слід зазначити, що до цього часу ще не були розроблені багатопараметрові диференціальні електромагнітні перетворювачі різних типів і з різною орієнтацією зондуючого магнітного поля, не отримані співвідношення, що описують роботу таких перетворювачів, не оцінені методичні та апаратурні похибки визначення відразу декількох параметрів виробу, не створені установки з диференціальними датчиками. Це свідчить про те, що задача розробки і дослідження диференціальних багатопараметрових перетворювачів є актуальної і своєчасною як у теоретичному, так і в практичному плані.
Дисертаційна робота присвячена вирішенню задачі створення диференціальних електромагнітних методів і пристроїв для спільного визначення радіусу і питомої електричної провідності циліндричних немагнітних виробів трансформаторним, параметричним і комбінованим вихорострумовими перетворювачами з різною орієнтацією зондуючого магнітного поля.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася відповідно до проектів, що пройшли конкурс Міністерства освіти і науки України: держбюджетні теми М5203, наказ Міністерства №37 від 13.02.97 р. (координаційний план 48/16). В даний час робота проводиться відповідно до двох держбюджетних тем М5204 і М5205, наказ ХДПУ №3-II від 4.01.2000 р.
Мета і задачі дослідження – це створення диференціальних методів і реалізуючих їх пристроїв для спільного контролю радіуса та електропровідності циліндричних немагнітних виробів на основі використання електромагнітних перетворювачів різних типів з повздовжнім і поперечним полем.
Для порівняння у мету даної роботи входить також розгляд абсолютних електромагнітних методів і пристроїв для спільного абсолютного контролю зазначених параметрів. В такому випадку абсолютні і диференціальні пристрої дали би можливість охопити контролем різноманітний асортимент за радіусами і електропровідностями матеріалів і виробів.
Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити наступні задачі:
розглянути двохпараметровий вихорострумовий метод і його модифікації для одночасного визначення радіусу а та електропровідності циліндричного немагнітного провідного виробу в абсолютному і диференціальному варіантах трансформаторним електромагнітним перетворювачем (ТЕМП) з повздовжнім полем;
розглянути модифікації двохпараметрового диференціального методу і роботу ТЕМП із відбудуванням одного параметра від іншого і без такого відбудування;
описати окремі випадки використання диференціального ТЕМП для роздільного контролю електропровідності або радіусу виробу;
одержати універсальні функції перетворення і співвідношення, що описують роботу параметричного електромагнітного перетворювача (ПЕМП);
розглянути теорію роботи ПЕМП для абсолютного і диференціального контролю радіусу та електропровідності циліндричних немагнітних виробів;
одержати співвідношення, що описують роботу комбінованого електромагнітного перетворювача КЕМП з поперечним магнітним полем;
реалізувати абсолютний і диференційний контроль радіусу та електропровідності виробу за допомогою КЕМП в поперечному полі;
розробити схеми установок на основі використання ТЕМП, ПЕМП і КЕМП в абсолютному і диференціальному варіантах; одержати результати експериментів по визначенню двох параметрів циліндричних немагнітних виробів;
оцінити обумовлені нелінійністю функцій перетворення методичні похибки визначення двох параметрів (радіусу та електропровідності) зразків при контролі їх за допомогою диференціальних ТЕМП і ПЕМП із повздовжнім магнітним полем і КЕМП з поперечним полем;
навести приклади практичного використання розроблених датчиків.
Об’єкт дослідження – це процес проникнення зондуючих магнітних полів різних напрямків у досліджуваний і зразковий циліндричні вироби і порівняння реакцій цих виробів на сигнали перетворювачів, причому це порівняння породжує проблемну ситуацію одночасного контролю двох параметрів досліджуваного виробу в диференціальному варіанті.
Предмет дослідження є створення диференціальних і абсолютних електромагнітних методів спільного неруйнівного контролю радіусу та електропровідності немагнітних циліндричних виробів за допомогою ТЕМП, ПЕМП і КЕМП, що мають різну орієнтацію магнітного поля, зондуючого виріб.
Методи дослідження базуються на використанні рівнянь Максвелла, Бесселя, закона Ома, електродинаміки суцільних середовищ, теорії електромагнітного поля, функцій комплексних чисел, інтегрального числення й апарату спеціальних функцій, що використовувалися для розробки теоретичних основ прохідних ТЕМП, ПЕМП і КЕМП для абсолютного і диференціального контролю радіуса та електропровідності циліндричних виробів у магнітних полях різної орієнтації; теорія рядів Тейлора і диференціального числення, які реалізовувалися при визначенні співвідношень, що описують роботу диференціальних ТЕМП, ПЕМП і КЕМП, а також для оцінки апаратурних і методичних похибок, викликаних точністними характеристиками вимірювальних приладів і нелінійністю функцій перетворення; теорія електричних ланцюгів використовувалася при створенні схем включення електромагнітних перетворювачів. Достовірність одержаних результатів та висновків, зроблених у роботі, підтверджується результатами експериментів, проведених на конкретних зразках виробів.
Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що:
на основі введених універсальних функцій перетворення розглянуті диференціальний та абсолютний електромагнітні методи, а також їх модифікації для одночасного контролю радіуса та електропровідності циліндричного виробу при використанні ТЕМП, ПЕМП і КЕМП із повздовжнім і поперечним магнітним полем, зондуючим виріб;
отримані співвідношення, що описують роботу двохпараметрових ТЕМП, ПЕМП і КЕМП у диференціальному та абсолютному варіантах;
розроблені схеми включення перетворювачів для спільного диференціального і абсолютного контролю радіуса та електропровідності циліндричних немагнітних виробів у магнітних полях різних орієнтацій;
оцінені апаратурні і методичні похибки визначення в абсолютному і диференціальному варіантах двох параметрів немагнітного виробу, які викликані точністними характеристиками вимірювальних приладів і нелінійністю універсальних функцій перетворення;
визначено межі застосування диференціальних і абсолютних електромагнітних методів і реалізуючих їх перетворювачів для контролю геометричних і електричних параметрів циліндричних немагнітних виробів.
Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що розраховані універсальні функції перетворення, отримані співвідношення, що описують роботу перетворювачів, методи спільного визначення радіуса а та електропровідності циліндричного виробу, алгоритми визначення двох параметрів при абсолютному і диференційному контролі – усе це повною мірою дозволяє проектувати установки на основі застосування ТЕМП, ПЕМП і КЕМП для спільного контролю а і циліндричних виробів, виконаних з немагнітних матеріалів, оцінити метрологічні характеристики цих установок, що працюють у диференціальному і абсолютному варіантах, розширити межі застосування їх при контролі виробів різноманітного асортименту, вибрати раціональні за апаратурними і методичними похибками режими роботи перетворювачів.
Розроблені абсолютні і диференціальні методи і реалізуючі їх електромагнітні перетворювачі, методика оцінки апаратурних і методичних похибок, схеми включення ТЕМП, ПЕМП і КЕМП для спільного визначення радіуса а та електропровідності , а також залежних від цих параметрів інших фізичних величин, були впроваджені на ВО "Запорізька АЕС".
Результати даної дисертації були використані у навчальному процесі за спеціальністю 7.090903 – прилади і системи неруйнівного контролю, зокрема в курсах "Електричні і магнітні методи неруйнівного контролю", "Електромагнітні види неруйнівного контролю".
Особистий внесок здобувача полягає в наступному:
розраховані універсальні функції перетворення, що використовуються для диференціального і абсолютного електромагнітного контролю радіуса та електропровідності циліндричних виробів;
на основі отриманих функцій створені методики одночасного диференціального контролю параметрів немагнітних виробів різних типів;
розроблені схеми включення двохпараметрових ТЕМП, ПЕМП і КЕМП, що працюють в диференціальному варіанті;
отримані співвідношення, що описують роботу диференціальних ТЕМП, ПЕМП і КЕМП;
оцінено апаратурні і методичні похибки, викликані точністними характеристиками вимірювальних приладів і лінійними наближеннями співвідношень, що описують роботу диференціальних перетворювачів;
отримані результати експериментів на конкретних немагнітних зразках за допомогою ТЕМП, ПЕМП і КЕМП.
Апробація дисертації.
Основні результати роботи доповідалися на:
- Международной научно-технической конференции "Современные приборы, материалы и технологии для технической диагностики и неразрушающего контроля промышленного оборудования", Харьков, 1998 г.
- ІІ Міжнародній науково-технічній конференції “Метрологія та вимірювальна техніка”, Харків, 1999 р.
Публікації: основні результати дисертації опубліковані в 8 наукових працях, у тому числі 4 статті в наукових журналах, 2 статті в збірнику наукових праць та 2 матеріала міжнародних науково-технічних конференцій.
Структура дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, заключення, списку використаних джерел та додатків. Повний обсяг дисертації складає 227 сторінок: 38 ілюстрацій на 38 стор., 9 таблиць на 7 стор., додаток на 32 стор., список літератури містить 124 найменування на 12 стор.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступній частині зазначена актуальність теми дослідження, відмічено зв’язок роботи з науковими темами, вказана мета дисертаційної роботи та сформульовані основні задачі дисертації, показана наукова новизна та її практичне значення, розглянуто особистий внесок автора у друкованих працях із співавторами, наведена апробація роботи та структура дисертації.
У першому розділі проаналізовано відомі методи та пристрої для одночасного визначення електромагнітних і геометричних параметрів немагнітних виробів у магнітних полях різної орієнтації. Наведена порівняльна характеристика існуючих видів неруйнівного контролю і зроблений висновок про найбільшу придатність для цієї мети має вихорострумовий контроль. Розглянуто методи і засоби електромагнітного (вихорострумового) контролю фізичних величин (міцності, твердості, механічних напружень). Відмічена перевага багатопараметрового контролю виробів, бо він надає можливість одержати більш повну інформацію про об'єкт контролю та підвищити точність отриманих результатів. Встановлено, що на даний час поряд з абсолютними методами ще недостатньо використовуються диференціальні методи. Цей фактор надав поштовх для подальшої розробки таких методів і засобів, які саме і розглянуті у дисертації.
У другому розділі розглянуто електромагнітний метод і реалізуючі його установки з прохідним трансформаторним електромагнітним перетворювачем ТЕМП для безконтактного контролю радіусу а та питомої електричної провідності циліндричних немагнітних виробів і зразків. Цей перетворювач використовується тоді, коли виріб має доступ до своїх кінців.
На рис. 1 показаний
прохідний трансформаторний перетворювач
з провідним циліндричним виробом.
Всередині перетворювача існують змінні
магнітні потоки Ф>1>,
Ф>2>
і Ф>вн>,
тобто потік у повітряному зазорі, у
виробі і внесений магнітний потік. На
основі рішення рівнянь Максвелла у
випадку
проникнення електромагнітного поля у
провідне середовище з урахуванням
граничних умов були отримані вирази
для розрахунків потоків Ф>0>,
Ф>2>
і Ф>вн>.
Після цього був введений комплексний
параметр N,
який характеризує питому нормовану
внесену ЕРС
ТЕМП, амплітуда і фаза якого має вигляд:
;
(1)
(2)
де
,
Е>вн>
і Е>0>
– внесена ЕРС і ЕРС без виробу всередині
ТЕМП;
- коефіціент заповнення
,
(3)
а>п>
– радіус вимірювальної обмотки ТЕМП;
і
- дійсна та уявна частини параметра
,
який характеризує нормований магнітний
поток у виробі.
;
(4)
,
(5)
ber>0>-, bei>0>-, ber>1>- и bei>1> – функції Кельвіна нульового та першого порядків від узагальненого параметра х.
Як бачимо з (1) – (5),
амплітуда і фаза параметра
залежать тільки від величини х,
причому для немагнітного виробу
,
(6)
>0> – магнітна константа, f – частота змінного магнітного поля. Залежність N і >вн> від х наведена в таблиці, при 1x3 (достатня крутизна функцій N і >вн>).
|
x |
N |
N>x> |
|>вн>|, град |
|
1 |
2 |
3 |
4 |
|
1.00 |
0.123196 |
0.123196 |
-80.5473 |
|
1.10 |
0.148086 |
0.179184 |
-78.6152 |
|
1.20 |
0.174737 |
0.251621 |
-76.5322 |
|
1.30 |
0.202881 |
0.342869 |
-74.3135 |
|
1.40 |
0.232207 |
0.455126 |
-71.9767 |
|
1.50 |
0.262366 |
0.590323 |
-69.5423 |
|
1.60 |
0.292980 |
0.750029 |
-67.0331 |
|
1.70 |
0.323663 |
0.935387 |
-64.4733 |
|
1.80 |
0.354035 |
1.147075 |
-61.8878 |
|
1.90 |
0.383741 |
1.385307 |
-59.3017 |
|
1 |
2 |
3 |
4 |
|
2.00 |
0.412468 |
1.649872 |
-56.7384 |
|
2.10 |
0.439954 |
1.940199 |
-54.2199 |
|
2.20 |
0.466001 |
2.255445 |
-51.7652 |
|
2.30 |
0.490471 |
2.594594 |
-49.3904 |
|
2.40 |
0.513289 |
2.956546 |
-47.1084 |
|
2.50 |
0.534432 |
3.340200 |
-44.9286 |
|
2.60 |
0.553923 |
3.744521 |
-42.8575 |
|
2.70 |
0.571822 |
4.168582 |
-40.8987 |
|
2.80 |
0.588214 |
4.611597 |
-39.0532 |
|
2.90 |
0.603202 |
5.072928 |
-37.3203 |
|
3.00 |
0.616899 |
5.552088 |
-35.6974 |
Оскільки визначення співвідношень, які описують диференційні вихорострумові методи пов'язано з виразами, котрі характеризують абсолютні електромагнітні методи, тому спочатку наведемо алгоритм і формули для знаходження а і абсолютним методом. За виміряним значенням фазового кута >вн> знаходять, використовуючи >вн>=f(х), узагальнений параметр х, за яким визначають параметр N за функцієй N=f(x). Виміряв значення Е>вн> і знаючи ЕРС Е>0>, визначають а і виробу за формулами:
(7)
(8)
За допомогою методики розрахунку похибок непрямих вимірювань і використавши формули (6) – (8) і результати таблиці були знайдені вирази для оцінки відносних похибок >а> і >>, за якими побудовані залежності >а> і >> від х (див. рис. 2). Аналіз цих характеристик показує, що ці похибки визначаються положенням робочої точки (тобто значенням х>0>) и похибками вимірювальних пристроїв. Тому вони є універсальними і можуть використовуватися для визначення апаратурних похибок вимірювання двох параметрів виробів. Змінюючи частоту магнітного поля, можно задавати раціональні режими роботи перетворювача для досягнення малих >а> і >>. На рис. 2 видно, що такі режими забезпечуються при х3.
Модифікація абсолютного метода з відбудовою одного параметра від іншого відрізняється тим, що для окремого визначення вводиться інший комплексний параметр N>x>, причому
,
(9)
звідки можна визначити за формулою:
(10)
Розрахунок відносних похибок вимірювання , одержаних за формулами, які мають відношення до першої і другої модифікацій, показує, що їх значення співпадають при однакових значеннях узагальненого параметра х.
Після цього був розглянутий диференційний метод визначення двох параметрів виробів та дві його модифікації – без відбудови одного параметра від іншого та з відбудовою.
Для того, щоб отримати основні розрахункові співвідношення для визначення відносних приростів а і були використаний комплексний параметр N у вигляді (1) – (2). Його відносний приріст:
(11)
де х>0>, N>0> – параметри, зв’язані зі стандартним зразком, N/x – похідна параметру N за х; х/х>0> – відносний приріст х.
На основі формул для розрахунку N і (див. (7) і (8)), а також використавши функції N=f(x) і >вн>=f(x), знайдемо вирази для відносних приростів параметрів а і у вигляді:
(12)
(13)
де Е>вн>, >вн> – збільшення параметрів Е>вн> і >вн> з урахуванням їх знаків.
За виміряними відносними приростами а і визначимо абсолютні значення цих параметрів, тобто:
а=а>0>(n+1); (14) =>0>(m+1), (15)
де n=a/a>0>=(a-a>0>)/a>0>; m=/>0>=(->0>)/>0>.
У цьому розділі розроблена схема диференційних вимірювань а і трансформаторним перетворювачем (рис. 3). У схемі використовуються два ідентичних прохідних трансформаторних перетворювачі (робочій РП і компенсаційний КП), а також дві компенсаційні котушки взаємоіндуктивності робочого перетворювача КВР і компенсаційного КВК. Намагнічувальні обмотки РП, КП і первинні обмотки КВР і КВК включені згідно і запитуються від генератора синусоїдального струму, що контролюється амперметром А. Вторинні обмотки РП і КВР, а також КП і КВК з'єднані зустрічно. У РП розміщений досліджуваний зразок ДЗ, у КП - стандартний зразок СЗ.
Внесені ЭДС робочого і компенсаційного
перетворювачів випрямляються двома
випрямними містками ВМ>1> і ВМ>2>,
включеними за диференціальною схемою.
Різницевий сигнал, пропорційний
,
виміряється мікроамперметром кА.
Опір r>в> служить для балансування
схеми; ключ К - для відключення
мікроамперметра; r - опір, що обмежує
струм у ланцюзі мікроамперметра;
вольтметр В реєструє ЭДС Е>вн>>0>.
КП зі стандартним зразком. Фазовий кут
визначається вимірником фазових зсувів
Ф. Мікроамперметр і вимірник фази
дозволяють вимірити значення
і , які підставляються
у формули (12) і (13), а вже за ними обчислюються
збільшення a/a>0>
і />0>.
У цьому розділі також були отримані співвідношення для розрахунку методичних похибок контролю двох параметрів виробів у вигляді:
(16)
де
- друга похідна N за >вн>
у робочій точці х>0>,
;
(17)
;
(18)
- друга похідна х за >вн>.
Тут >аН> і >>>Н> – методичні похибки, обумовлені нелінійністю функцій x=f(>вн>) і N=f(>вн>), тобто відхиленням цих функцій у точці х>0> і >0> від дотичних, проведених у робочі точці х>0>; N>0>; >0>. Графічні залежності >аН> і >>>Н> від середнього збільшення х>ср> наведені на рис. 4 і побудовані для робочої точки х>0>.
Результати розрахунків залежностей N і >вн> від х (див. таблицю) показують, що похибки нелінійності можуть бути суттєво знижені у робочій точці перегибу, тобто при х>0>=1,8 і >вн>=620. В цій точці другі похідні функцій N=f(>вн>) і x=f(>вн>) порівнюються з нулем. В цьому випадку замість формули для розрахунків >хН> (див. (18)) треба використовувати вираз
,
(19)
де
- третя похідна х за >вн>.
У третьому розділі розглянуто електромагнітний метод безконтактного контролю радіусу а та питомої електричної провідності циліндричних немагнітних виробів і зразків за допомогою прохідного параметричного електромагнітного перетворювача ПЕМП у повздовжньому магнітному полі в абсолютному та диференційному варіантах. Виріб в ПЕМП також має доступ до своїх кінців. Спочатку для немагнітного виробу вводиться комплексний параметр М у вигляді:
(20)
(21)
де - фазовий кут зсуву параметра K відносно Е>0>.
Вираз для пошуку радіусу зразка отримано у вигляді:
(22)
де z>вн> – повний вносимий опір, - кругова частота (=2f), R>вн> – вносимий опір, L>вн> – вносима індуктивність. А величина питомої електричної провідності знаходиться з формули (8).
Далі у цьому розділі наведена схема для спільних абсолютних вимірів радіуса і питомої електричної провідності циліндричних немагнітних виробів параметричним перетворювачем (рис. 5). У схемі використані два прохідних перетворювачі: робочій РП і компенсаційний КП, включених у два суміжних плечі моста. У робочому перетворювачі розміщений досліджуваний зразок ДЗ, а компенсаційний перетворювач на час виміру залишається без зразка. У перетворювачі з досліджуваним зразком передбачене регулювання індуктивності L* обмотки (шляхом зміни кількості витків). У плече цього перетворювача включений опір R*, що також може змінюватися. У вимірювальній діагоналі передбачене використання нуль-індикатора НИ і ключа К, що розмикає і замикає ланцюг нуль-індикатора. Опори R>1> і R>2> включені у відповідні плечі моста. R>Р> – регулювальний опір. Міст запитується від генератора синусоїдального струму Г. Контроль струму в ланцюзі перетворювача з досліджуваним зразком здійснюється амперметром А.
Оскільки метод сумісного вимірювання а і є косвеним методом, то для того, щоб отримати вирази для розрахунку апаратурних похибок, була використана методика обробки результатів непрямих вимірів. Виходячи з виразу (22) і залежностей M та х від tg>вн>, знайдемо відносні апаратурні похибки а/а і / при довірчій імовірності 0,95 (ГОСТ 8.207-76) у вигляді:
;
(23)
,
(24)
де
;
>>;
>l>;
і
- відносні похибки вимірів R>вн>;
; довжини l
ПЕМП, внесеної індуктивності L>вн>
і чисел витків w>н>
намагнічувальної обмотки ТЕМП,
;
;
С>>;
і С – коефіціенти впливу, які залежать
від положення робочої точки і похідних
M/(tg>вн>)
і х/(tg>вн>).
Прийнято характерні відносні похибки
>>0,1%
та
>l>0,2%
і за формулами (23) і (24) були розраховані
апаратурні похибки >а>
і >>.
В роботі показано, що залежності похибок вимірювання параметрів а і від х параметричним перетворювачем ПЕМП практично не відрізняються від аналогічних залежностей, пов'язаних з вимірюванням а і трансформаторним перетворювачем ТЕМП (див. рис. 2).
В разі використання диференціального методу для отримання розрахункових співвідношень розкладемо залежності x=f(tg>вн>) та M=f(x) поблизу фіксованої робочої точки в ряди Тейлора. При цьому отримаємо систему у лілійному наближенні:
(25)
де tg>вн>>0>, М>0>, х>0> є параметрами, зв'язаними зі стандартним зразком, що визначає робочу точку (х=х>0>); х, tg>вн>, М – збільшення відповідних параметрів, викликані відмінністю геометричних і електричних характеристик досліджуваного виробу від характеристик стандартного зразка. Вирішуючи цю систему, отримаємо вирази для відносних збільшень параметрів а і у вигляді:
(26)
(27)
де А, В, С і D – постійні коефіціенти,
(28)
(33)
(29)
(31)
Далі у цьому розділі були отримані вирази для оцінки похибок нелінійності при вимірюванні а і параметричним диференціальним перетворювачем.
Величину похибки нелінійності
при вимірах радіуса виробів можна досить
просто оцінити при заданому значенні
tg>вн>,
якщо віднести квадратичний член
розкладання залежностей M=f(tg>вн>)
у ряд Тейлора поблизу робочої точки до
лінійних членів ряду. При цьому
(32)
де
- друга похідна параметру М
за >вн>.
Похибки визначення питомої електричної провідності, викликані нелінійністю залежностей M=f(tg>вн>), можуть бути обчислені зі співвідношень
(33)
де
(34)
де
- друга похідна параметру х
за >вн>.
Знаки "+" і "-" у виразах (32) і
(34) відповідають позитивним і негативним
збільшенням tg>вн>.
У цьому розділі показано, що
залежності методичних похибок
і
від збільшення х,
одержаних за допомогою ПЕМП мають такий
же характер, як і залежності
і
від х
при використанні ТЕМП (див. рис. 4).
У четвертому розділі розглянуто електромагнітний метод та реалізуючий його комбінований електромагнітний перетворювач КЕМП з поперечним магнітним полем для визначення радіуса та питомої електричної провідності циліндричних немагнітних виробів, у випадках, коли виріб не має доступу до своїх кінців.
Спершу у цьому розділі розглянуто функції перетворення КЕМП з немагнітним виробом і робиться висновок про те, що вони співпадають з відповідними функціями перетворення для ТЕМП з таким же виробом. В разі використання методу абсолютного контролю величину а визначають із формули:
;
(35)
де Х>0> – відстань від осі виробу до вимірювальної котушки.
Величину знаходять з (8).
З метою перевірки розрахункових характеристик пристрою, який реалізує запропонований метод, були проведені експерименти на циліндричних зразках з різними значеннями а і . Похибки вимірювання а і за допомогою КЕМП розраховувалися за методикою, яка була докладно розглянута у розділах 2 і 3.
У випадку диференційних вимірювань а і були знайдені збільшення а/а>0> і />0> при використанні залежностей другої модифікації функцій N=f(>вн>) і N>х>=f(>вн>). Тоді вирази для відносних збільшень а і мають вигляд:
(36)
(37)
де А>1> і В>1> – постійні коефіціенти,
(38)
(39)
Далі були наведені результати вимірювань а і мідних зразків диференціальною схемою з комбінованим перетворювачем КЕМП, яка має такий саме вигляд, як і для диференційного перетворювача (рис. 3). Отримані дані свідчать про те, що результати вимірів а і за допомогою КЕМП співпадають з аналогічними даними, отриманими на ТЕМП.
У якості прикладів застосування розроблених методів, був розглянутий спосіб розбракування зразків за марками матеріалів, з яких вони вироблені, а також за величинами а і матеріалів і зразків. Наведені інші випадки використання розглянутих диференційних перетворювачів, а саме, при контролі легкосплавних бурильних труб, а також провідників ліній електропередач.
ВИСНОВКИ
Таким чином, у даній дисертаційній роботі розглянуті диференціальні та абсолютні методи і реалізуючі їх трансформаторний, параметричний і комбінований електромагнітні перетворювачі для одночасного контролю радіусу та електропровідності циліндричних суцільних немагнітних виробів і зразків.
Коротко зупинимося на результатах роботи.
На основі розрахованих універсальних функцій перетворення розглянуті диференціальний і абсолютний електромагнітні методи для одночасного контролю радіусу та електропровідності циліндричного немагнітного виробу при використанні трансформаторного, параметричного і комбінованого електромагнітних перетворювачів з повздовжнім і поперечним магнітними полями, зондуючими виріб.
Отримано співвідношення, що описують роботу зазначених двохпараметрових перетворювачів.
Розроблено алгоритми вимірювальних і розрахункових процедур для спільного контролю радіусу і питомої електричної провідності немагнітних виробів в абсолютному і диференціальному варіантах.
Створено схеми установок, що працюють на основі трансформаторного , параметричного і комбінованого електромагнітних перетворювачів для диференціального і абсолютного контролю радіусу та електропровідності циліндричних виробів, зондуємих повздовжнім і поперечним магнітними полями.
Оцінено апаратурні похибки спільних вимірів радіусу та електропровідності циліндричних виробів за допомогою трансформаторного, параметричного і комбінованого перетворювачів. Показано, що у всіх випадках використання таких перетворювачів з погляду досягнення малих значень результуючих апаратурних похибок існує оптимальний діапазон зміни узагальненого параметра х, що містить у собі радіус, електропровідність і частоту магнітного поля. При цьому результуючі похибки виміру радіусу та електропровідності не перевищують 0,5% і 2% в оптимальному діапазоні змінення узагальненого параметра х3.
Отримано співвідношення для визначення методичних похибок контролю радіусу та питомої електричної провідності виробів, обумовлені нелінійністю універсальних функцій перетворення, тобто лінійними наближеннями виразів, що описують роботу двохпараметрових перетворювачів різних типів.
На основі цих виразів знайдені оптимальні за методичними похибками діапазони зміни приростів х узагальненого параметра, обумовлені відмінністю параметрів досліджуваного і стандартного зразків. Показано, що, наприклад, якщо задатися відносною методичною похибкою контролю радіуса, рівною 0,5%, максимальний середній приріст х>ср> буде складати 0,24, а при відносній методичній похибці виміру електропровідності 2% найбільше значення х>ср> буде дорівнювати 0,21 (див. мал. 4).
Визначено межі застосовності абсолютного і диференціального електромагнітних методів і реалізуючих їх перетворювачів з точки зору контролю виробів різноманітного асортименту. Показано, що абсолютний контроль доцільно використовувати при визначенні геометричних і електричних параметрів виробів, відносний розкид яких перевищує 20% - 30%. Ці цифри мають відношення до контролю виробів, виконаних, як правило, з різних марок матеріалів. При неруйнівному контролі виробів з параметрами, близькими між собою, тобто у випадку, якщо розкид цих параметрів менше 20-30%, має сенс застосовувати диференціальні двохпараметрові методи і реалізуючі їх перетворювачі з різною орієнтацією магнітного поля.
Наведено приклади практичного використання розроблених абсолютних і диференціальних методів і реалізуючих їх перетворювачів при контролі радіусів та електропровідностей проводів ліній електропередач і транспортного електропостачання, при розбраковуванні немагнітних виробів по їх радіусах і марках матеріалів та в інших випадках.
Список опублікованих праць за темою дисертації:
Себко В.П., Сомхиева О.С. Совместное определение радиуса и удельной электрической проводимости изделий дифференциальным электромагнитным методом // Сборник научных трудов Международной научно-технической конференции "Современные приборы, материалы и технологии для технической диагностики и неразрушающего контроля промышленного оборудования". – Харьков: ХТУРЭ. – 1998. – С. 134 – 137.
Автором розраховані універсальні функції перетворення, які використовуються для диференціального контролю двох параметрів циліндричних виробів за допомогою трансформаторного і комбінованого електромагнітних перетворювачів.
Сомхиева О.С. К измерению радіуса и электропроводности изделий электромагнитным методом // Вестник Харьковского государственного политехнического университета. – Харьков: ХГПУ.- 1998. – Вып. 17. – С. 123 – 125.
Себко В.П., Сомхиева О.С. Определение ожидаемых значений сигналов дифференциального двухпараметрового преобразователя // Український метрологічний журнал. - 2000. - Вип.1. - С. 50-53.
Автором запропонована методика розрахунків очікуваних значень сигналів диференціального ТЕМП із метою створення двохпараметрової установки.
Себко В.П., Сомхиева О.С. Дифференциальные двухпараметровые преобразователи для контроля параметров цилиндрических немагнитных изделий // Технічна електродинаміка: Тематичний випуск. – Ч.2. - 1999. – С. 47 – 52.
Особисто отримані співвідношення для оцінки методичних похибок визначення у диференціальному варіанті двох параметрів немагнітного виробу при використанні трансформаторного і параметричного електромагнітних перетворювачів.
Себко В.П., Горкунов Б.М., Сомхиева О.С. Электромагнитный дифференциальный преобразователь для контроля электропроводности изделий // Информационные технологии: наука, техника, технология, образование, здоровье: Сб. научных трудов ХГПУ. – Харьков: ХГПУ. - Вып. 6. - Ч. 2. – 1998. - С. 307-310.
Автором запропонована схема включення двохпараметрового ТЕМП, що працює в диференціальному варіанті і розроблено алгоритм визначення а і .
Себко В.П., Сомхиева О.С. Дифференциальный двухпараметровый электромагнитный преобразователь для контроля радиуса и электропроводности цилиндрических изделий // Вестник Харьковского государственного политехнического университета. – Харьков: ХГПУ.– 1999. – Вып. 24. –С. 121 – 127.
Особисто отримані результати вимірів а і немагнітних (мідних) зразків диференціальною схемою з трансформаторним перетворювачем.
Сомхиева О.С. Параметрический дифференциальный двухпараметровый преобразователь // Вестник Харьковского государственного политехнического университета. – Харьков: ХГПУ.– 1999. – Вып. 37. –С. 31 – 34.
Себко В.П., Ермоловская Л.П., Сомхиева О.С. Двухпараметровый электромагнитный комбинированный преобразователь с поперечным магнитным полем // Информационные технологии: наука, техника, технология, образование, здоровье: Сб. научных трудов ХГПУ. – Харьков: ХГПУ. - Вып. 6. - Ч. 2. –1998. - С. 311-313.
Автором запропонована методика одночасного визначення а і циліндричних немагнітних виробів за допомогою КЕМП у паралельному циклі, тобто незалежно друг від друга.
АНОТАЦІЇ
Сомхієва О.С. Диференціальний вихорострумовий перетворювач для контролю параметрів немагнітних виробів. – Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.13 – прилади і методи контролю та визначення складу речовин. Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", Харків, 2001.
Дисертація присвячена питанням розробки і дослідження двохпараметрових електромагнітних методів і реалізуючих їх пристроїв для безконтактного одночасного контролю електричних і геометричних параметрів суцільних немагнітних виробів у зондуючих магнітних полях різної орієнтації. Розроблено алгоритм і модифікації вихорострумового методу одночасного контролю радіуса та електропровідності немагнітних виробів на основі використання трансформаторного (ТЕМП), параметричного (ПЕМП) і комбінованого (КЕМП) перетворювачів в абсолютному і диференціальному варіантах. Розглянуто модифікації двохпараметрового диференціального методу з відбудуванням одного параметра від іншого і без такого відбудування. Розроблено схеми включення двохпараметрових ТЕМП, ПЕМП і КЕМП, що працюють у диференціальному варіанті та отримані експериментальні результати спільного визначення двох параметрів немагнітних виробів на конкретних зразках. Отримано співвідношення для розрахунку методичних похибок спільних вимірів радіуса і питомої електричної провідності циліндричних виробів диференціальними вихорострумовими перетворювачами різних типів.
Ключові слова: вихорострумовий перетворювач, двохпараметровий контроль, магнітне поле, радіус, електропровідність, методична похибка.
Сомхиева О.С. Дифференциальный вихретоковый преобразователь для контроля параметров немагнитных изделий. – Рукопись.
Диссертация посвящена вопросам разработки и исследования двухпараметровых электромагнитных методов и реализующих устройств для бесконтактного одновременного контроля электрических и геометрических параметров сплошных немагнитных изделий в зондирующих магнитных полях различной ориентации. Разработан алгоритм и модификации вихретокового метода одновременного контроля радиуса и электропроводности немагнитных изделий на основе использования трансформаторного, параметрического и комбинированного преобразователей в абсолютном и дифференциальном вариантах. Рассмотрены модификации двухпараметрового дифференциального метода с отстройкой одного параметра от другого и без такой отстройки. Разработаны схемы включения двухпараметровых ТЭМП, ПЭМП и КЭМП, работающих в дифференциальном варианте и получены экспериментальные результаты совместного определения двух параметров немагнитных изделий на конкретных образцах. Получены соотношения для расчёта методических погрешностей совместных измерений радиуса и удельной электрической проводимости цилиндрических изделий дифференциальными вихретоковыми преобразователями различных типов.
В работе решены важные задачи создания электромагнитных бесконтактных методов и реализующих их устройств для совместного неразрушающего контроля магнитных, электрических и геометрических параметров сплошных цилиндрических изделий в зондирующих магнитных полях различной ориентации.
На основе полученных в работе точных и приближённых соотношений, связывающих параметры изделия с электрическими сигналами преобразователя введены специальные нормированные комплексные параметры и установлены универсальные функции преобразования, которые позволяют исследовать образцы и изделия в широком диапазоне изменения их параметров.
Разработан ряд алгоритмов, позволяющих совместно определять радиус а и удельную электрическую проводимость цилиндрических изделий.
Рассмотрен двухпараметровый вихретоковый метод и его модификации для одновременного определения радиуса и электропроводности цилиндрического немагнитного проводящего изделия в абсолютном варианте с помощью трансформаторного, параметрического и комбинированного преобразователей.
Путём использования универсальных функций преобразования и разработанных алгоритмов созданы дифференциальные вихретоковые методы совместного контроля а и немагнитных образцов с использованием двух модификаций (с отстройкой одного параметра от другого и без такой отстройки). Разработаны алгоритмы измерительных и расчётных процедур для реализации этих методов.
Описаны электрические схемы установок для двухпараметрового контроля цилиндрических образцов, основанные на использовании ТЭМП, ПЭМП и КЭМП; на этих установках получены результаты экспериментов по определению двух параметров (радиуса и электропроводности) образцов при контроле их с помощью дифференциальных ТЭМП и ПЭМП с продольным магнитным полем и КЭМП с поперечным полем. Результаты измерений разработанными и контрольными методами хорошо согласуются между собой.
Оценены аппаратурные и методические погрешности определения в абсолютном и дифференциальном вариантах двух параметров немагнитного изделия, вызванные точностными характеристиками измерительных приборов и нелинейностью универсальных функций преобразования. Показано, что во всех случаях использования таких преобразователей с точки зрения достижения малых значений результирующих аппаратурных погрешностей существует оптимальный диапазон изменения обобщенного параметра х, который включает в себя радиус, электропроводность и частоту магнитного поля. При этом результирующие погрешности измерения радиуса и электропроводности не превышают 0,5% и 2% в оптимальном диапазоне х2,5.
Определены пределы применимости дифференциальных и абсолютных электромагнитных методов и реализующих их преобразователей для контроля геометрических и магнитных параметров цилиндрических немагнитных изделий.
Описаны частные случаи использования дифференциального ТЭМП для раздельного контроля электропроводности или радиуса изделия;
Даны примеры практического использования разработанных методов и средств для контроля параметров бурильных и обсадных труб в нефтегазодобывающей промышленности, а также для определения параметров труб на атомных станциях и других предприятиях, где были внедрены результаты данной работы (см. документы в приложении, подтверждающие внедрение).
Ключевые слова: вихретоковый преобразователь, двухпараметровый контроль, магнитное поле, радиус, электропроводность, методическая погрешность.
Somkhieva O.S. Differential vortex-current transformer for the control of parameters of non-magnetic wares. - Manuscript.
The dissertation is devoted to questions of development and research two-parameter electromagnetic methods and realizing devices for the non-contact simultaneous control of electric and geometrical parameters of continuous non-magnetic products in probing magnetic fields of various orientation. The algorithm and updating vortex-current a method of the simultaneous control of radius and electric conductivity not magnetic products is developed on the basis of use of the transformer (TEMC), parametrical (PEMC) and combined (CEMC) converters in absolute and differential variants. Updating two-parameter a differential method with offset one parameter from another and without such offset are considered. The schemes of actuation of two parameters TEMC, PEMC and CEMC are designed, working in differential version and the experimental outcomes of joint definition of two parameters of non-magnetic wares on concrete samples are obtained. Parities for calculation of methodical errors of joint measurements of radius and specific electric conductivity of cylindrical products differential vortex-current are received by converters of various types.
Keywords: vortex-current transformer, two-parameter control, magnetic field, radius, electrical conductivity, methodical error.