Система і магнітний метод для виявлення феромагнітних тіл у немагнітних середовищах

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ХАРКІВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ

Калашнікова Ольга Миколаївна

УДК 620.179.14

СИСТЕМА І МАГНІТНИЙ МЕТОД ДЛЯ ВИЯВЛЕННЯ ФЕРОМАГНІТНИХ ТІЛ У НЕМАГНІТНИХ СЕРЕДОВИЩАХ

Спеціальність 05.11.13 - прилади і методи контролю

та визначення складу речовин

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків - 2004



Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Східноукраїнському національному університеті імені Володимира Даля Міністерства освіти і науки України, м. Луганськ.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Яковенко Валерій Володимирович, Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля, завідувач кафедри “Електротехніка”.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Гальченко Володимир Якович, Луганський державний медичний університет завідувач кафедри “Медичної кібернетики, біофізики та медапаратури”;

доктор технічних наук, професор Гурин Анатолій Григорович, Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут”, завідувач кафедри “Електроізоляційна та кабельна техніка”.

Провідна установа: Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу, м. Івано-Франківськ кафедра“Методи та прилади контролю якості та сертифікації продукції”.

Захист відбудеться: 01.07. 2004р. о 14_год.____хв. 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 20.05.2004р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Горкунов Б.М.



ЗАГАЛЬНА характеристика рОботИ

транспортер потік феромагнітний давач

Актуальність теми. Існуючі електромагнітні прилади для виявлення феромагнітних тіл (ФТ) у немагнітних сипучих середовищах унаслідок високого порога чутливості можуть виявляти ФТ вагою завбільшки 50-100 г на відстані не більше 0,2-0,3 м. Окрім цього вони є не працездатні при виявленні ФТ у середовищах, що проводять.

Таким потребам відповідають системи, які використовують метод вимірювання інформаційних параметрів феромодуляційними магніточутливими елементами, які мають поріг чутливості порядку А/м. Створенню таких систем заважає відсутність теоретичних та експериментальних досліджень магнітних методів і систем, результати яких могли би стати підставою для їх розробки та проектування.

Враховуючи те, що потреба промисловості у системах виявлення ФТ у немагнітних, а також і у середовищах, що проводять, висока, теоретичні та експериментальні дослідження, спрямовані на удосконалення систем, є актуальною науковою задачею.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Дисертаційна робота виконана відповідно до тем держбюджетних НДР Східноукраїнського національного університету ім. В.Даля ГН-20-01 “Інформаційно-вимірювальні системи для екологічного моніторингу промислових зон Донбасу” відповідно рішенню наукової ради за фаховим напрямком “Механіка” МОН України. ( № 15/20-148 від 8.02.2001).

Мета і задачі роботи. Метою дослідження є удосконалювання приладів та систем для контролю наявності феромагнітних тіл у потоках немагнітних середовищ на основі теоретичних та експериментальних досліджень інформаційних параметрів магнітних полів, які індуковані феромагнітними тілами, і феромодуляційних магніточутливих елементів для підвищення надійності контролю.

Для досягнення поставленої мети вирішуються наступні задачі:

визначити параметри магнітного поля, індукованого ФТ, у полі Землі й у прикладеному полі зовнішніх джерел;

розрахувати магнітне поле попередньо намагніченого ФТ (поле залишкової намагніченості);

провести теоретичне дослідження доцільності застосування концентраторів магнітного поля для підвищення чутливості системи для виявлення ФТ;

- визначити функцію перетворювання феромодуляційного вимірювального перетворювача з локальним кільцевим модулятором та ефективність його використання при виявленні ФТ;

- визначити теоретичним шляхом можливість збільшення чутливості феромодуляційного давача шляхом використання параметричного підсилення у його вихідному ланцюзі;

- провести експериментальні дослідження системи виявлення ФТ у немагнітних середовищах та її основних пристроїв для перевірки коректності теоретичних розрахунків та розробити експериментальний зразок системи для виявлення ФТ у потоці вугілля на транспортері вуглезбагачувальної фабрики.

Об'єкт дослідження: процес контролю наявності ФТ у потоці немагнітного середовища шляхом вимірювання магнітомодуляційними давачами інформаційних параметрів магнітного поля, індукованого намагніченими ФТ.

Предмет дослідження: система для виявлення ФТ тіл у потоці немагнітного середовища.

Методи дослідження. У теоретичних дослідженнях використовується метод інтегральних векторних рівнянь для розрахунку магнітних статичних полів у неоднорідних середовищах, чисельні методи вирішення інтегральних рівнянь, методи аналізу нелінійних електричних кіл другого порядку, методи спектрального аналізу сигналів, методи магнітних вимірювань.

Наукова новизна одержаних результатів:

Запропоновано магнітний метод та його технічна реалізація для виявлення ФТ у потоці немагнітного середовища на транспортері за допомогою феромодуляційних вимірювальних перетворювачів із низьким порогом чутливості (до 0,01 А/м), що дає можливість виявляти ФТ вагою до 5 г на відстані 0,2 м.

Визначено параметри магнітного поля, індукованого ФТ, у магнітному полі Землі й у прикладеному полі від зовнішнього джерела, а також поле розсіяння попередньо намагніченого ФТ, що дає можливість отримати вихідні дані для проектування магнітометричної апаратури для виявлення ФТ у немагнітному середовищі.

Встановлено, що функція перетворювання феромодуляційного давача з концентраторами магнітного поля й локальним модулятором має на два порядки більше значення, ніж функція перетворювання ферозондів у тому самому діапазоні вимірювання полів, що доводить доцільність їх застосування у системах виявлення ФТ у немагнітних середовищах.

4. Розроблено систему для виявлення ФТ у потоці вугілля на транспортері, яка використовує принцип вимірювання магнітного поля й яка відрізняється від існуючих нижчим порогом чутливості, що дає можливість її застосування в автоматизованих системах управління роботою залізовідділювачів на вуглезбагачувальних фабриках.

Практичне значення одержаних результатів.

- розроблена методика розрахунку основних елементів системи для виявлення ФТ у потоці вугілля, а також створені пристрої обробки сигналів магнітних давачів для системи контролю наявності ФТ у потоках вугілля, що використовується на державному підприємстві “Діпромашвуглезбагачення” (м. Луганськ).

розроблені методи розрахунку конструкції приладів, які використовуються у навчальному процесі з дисципліни “Основи теорії приладів” та “Магнітні методи контролю” на кафедрі “Прилади” СНУ ім. В. Даля.

розроблені методики розрахунку магнітних полів можуть бути використані при проектуванні й конструюванні автоматизованих систем для виявлення ФТ.

Результати роботи впроваджені і використовуються на державному підприємстві “Діпромашвуглезбагачення” (м. Луганськ) у вигляді магнітної системи для виявлення ФТ у потоці вугілля, а також у навчальному процесі кафедри “Прилади” Східноукраїнського національного університету ім. В.Даля у вигляді програм для розрахунку поля розсіяння ФТ у просторі.

Особистий внесок здобувача. Нові наукові результати дисертації були одержані здобувачем особисто. Автором розроблено структуру магнітної системи феромодуляційного вимірювального перетворювача та досліджений процес формування в ній інформаційного сигналу при резонансному режимі роботи вихідного ланцюга; визначено теоретичним шляхом можливість збільшення чутливості феромодуляційного давача завдяки використанню параметричного підсилення у його вихідному ланцюзі, розраховано магнітне поле ФТ при їх намагнічуванні зовнішніми джерелами магнітного поля; зроблено аналіз магнітного поля намагніченого ФТ, довільно орієнтованого у просторі; проведено теоретичне дослідження доцільності застосування концентраторів магнітного поля для підвищення чутливості системи для виявлення ФТ; розроблено методику експерименту і підібрана необхідна апаратура експериментальної установки.

Апробація роботи. Основні положення дисертації доповідалися й обговорювалися на:

Міжнародній науково - практичній конференції “Межрегиональные проблемы экологической безопасности”, Суми, 2002;

IХ Науково-технічній конференції “Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах”, Хмельницький, 2002;

- III Міжнародній науково-технічній конференції “Метрологія та вимірювальна техніка”, Харків, 2002;

- VII Міжнародній науково-практичній конференції “Університет і регіон”, Луганськ, 2002.

Публікації: Основні положення дисертації опубліковані в 11 друкованих працях, у тому числі: 7 статей у фахових наукових виданнях (із них 1 - одноособова) і 4 матеріали науково-технічних і науково-практичних конференцій.

Обсяг та структура роботи. Дисертація складається зі вступу, 4 розділів, висновків та 2 додатків. Повний обсяг дисертації складає 159 сторінок, 58 ілюстрацій на 31 сторінці, 13 таблиць по тексту, 4 таблиці на 3 сторінках, 2 додатка на 2 сторінках, 103 найменування використаних літературних джерел на 10 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі проведено аналіз сучасного становища контролю наявності ФТ у немагнітних сипучих середовищах. Показано, що електромагнітний метод не повністю відповідає вимогам контролю, і що магнітний метод контролю може суттєво знизити поріг чутливості системи контролю.

У першому розділі проведено аналіз існуючих і найбільш розповсюджених на теперішній час систем виявлення ФТ у немагнітних середовищах. З аналізу виходить, що переважна кількість систем використовує електромагнітний метод, який передбачає застосування тільки давачів прохідного типу. Основною причиною, що заважає зниженню порогу чутливості електромагнітних систем, є завади, створені електростатичними зарядами, які виникають через тертя часток, вібраціями технологічного обладнання, високо - і низькочастотними наведеннями в обмотках, а також великою площею обмоток перетворювача. При використанні електромагнітних металошукачів накладного типу великий проміжок між ФТ та обмоткою стрімко підвищує поріг чутливості вимірювальної системи. Так у вугільній промисловості використовуються тільки електромагнітні металошукачі типу МП-1ТМ із рамочними обмотками, які можуть виявляти ФТ вагою більше ніж 0,5 кг.

Існують та використовуються магнітні виявники ФТ, які мають вельми різноманітні технічні рішення. Найбільш розповсюдженими серед них є ферозондові металошукачі. Це обумовлено такими перевагами ферозондів, як низький поріг чутливості, часова й температурна стабільність параметрів, висока механічна міцність, низька вартість і висока чутливість. Ферозондові магнітометри використовуються для виявлення досить дрібних ФТ. В атомній промисловості вони застосовуються для виявлення окремих ФТ в оболонці тепловиділяючого елемента. Застосовуються вони також для контролю циліндричних оболонок тепловиділяючих елементів, виготовлених із магній-берілієвого сплаву. Розміри часток, які виявляються, є приблизно 0,3 мм з відстані 5,5 мм. Відомі певні системи виявлення ФТ у стружці кольорових металів. Під час контролю стружка кольорового металу рухається на транспортері, над яким розташовуються ферозонди другої гармоніки. Стружка та ФТ, які містяться у ній, підмагнічуються, завдяки чому збільшується достовірність контролю. Аналіз літературних джерел, присвячених приладам та системам контролю немагнітних середовищ на наявність у них ФТ, дозволяє зробити наступні висновки:

з трьох методів контролю -- вихрострумного, ультразвукового й магнітного (ферозондового) - найнижчий поріг чутливості має магнітний;

контроль ФТ здійснюється головним чином при переміщенні немагнітного середовища на транспортері;

недоліком ферозондового контролю ФТ є низька стійкість до завад внаслідок низького енергетичного рівня сигналів на виході давачів ;

низький поріг чутливості магнітних металошукачів дозволяє виявляти ФТ на відстані у 80-120 разів більших, ніж лінійні розміри ФТ;

відсутні теоретичні та експериментальні дослідження магнітних систем контролю немагнітних середовищ на наявність ФТ, результати яких можна використовувати для їх удосконалення.

У розділі визначені задачі й методи теоретичних досліджень щодо розрахунку інформаційних параметрів магнітних полів намагнічених ФТ у вільному просторі.

Установлено, що для захисту від електромагнітних і магнітних завад можливе застосування фільтрів, оскільки ФТ пересуваються на транспортері зі швидкістю 1,5 - 2 м/с.

У другому розділі наведені результати теоретичних досліджень магнітних полів розсіяння намагнічених ФТ. Магнітним матеріалом ФТ переважно є конструкційні сталі, магнітні параметри яких знаходяться у межах: .

Розрахунок поля проводився методом розв'язання наступної системи рівнянь:

(1)

де - напруженість магнітного поля в феромагнітному матеріалі;

- напруженість зовнішнього поля, що намагнічує;

- напруженість поля наведених магнітних зарядів ФТ (поле, що розмагнічує);

V -об'єм, що займає ФТ;

S - площина ФТ;

- відстань між точкою джерела Р і точкою спостерігання Q;

- вектор намагніченості ФТ;

- магнітна індукція у ФТ.

- залежність намагніченості матеріалу ФТ від напруженості магнітного поля.

Об'єм ФТ розбивався на елементарні об'єми, які мають форму паралелепіпедів. Вважається, що всередині їх и , внаслідок чого (1) зводиться до системи алгебраїчних рівнянь :

(2)

де N - кількість елементарних об'ємів.

Запропоновано метод зменшення розмірності системи (2), який полягає у тому, що усередині ФТ, при незначному насичуванні, магнітні заряди практично відсутні. Тому на елементарні об'єми розбивається поверхневий шар феромагнітного тіла, що зменшує N на порядок. Коректність метода перевірена численними експериментами, результати яких дають підставу вважати, що похибка розрахунку не перевищує 8% і не суттєво залежить від форми феромагнітного тіла.

У таблиці 1 наведені розрахункові дані модуля напруженості магнітного поля, індукованого феромагнітним тілом на відстані см при різних значеннях зовнішнього поля , що намагнічує.

Також були проведені численні експерименти по визначенню похибки розрахунку напруженості поля, яка виникає завдяки апроксимації геометричної форми феромагнітних тіл призмами.

Похибка оцінювалась різницею середнього значення напруженості поля феромагнітного тіла й призми. Похибка для різноманітних форм феромагнітного тіла знаходилась у межах 1,5 - 9 % при відстані 0,2 м від ФТ до точки вимірювання.

У результаті численних експериментів було встановлено, що напруженість магнітного поля, індукованого ФТ, на два порядки вище ніж поріг чутливості феромодуляційних давачів.

Досліджувався також метод підвищення коефіцієнта перетворювання давача шляхом використання концентраторів магнітного поля у вигляді двох прямокутних стрижнів із повітряним зазором, в котрому розміщується ферозонд. Результати розрахунків доводять, що концентратори напруженості дозволяють збільшувати чутливість давачів ФТ у 1,8 - 3 рази.

Таблиця 1. Залежність модуля напруженості магнітного поля, індукованого ФТ, при різних значеннях поля, що намагнічує

Розміри призми	Об'єм призми	Вага призми	Середнє значення напруженості поля розсіяння , А/м
				кг	А/м	А/м
6	0,5	0,5	1,5	0,012	0,436	1,225
6	0,7	0,7	2,94	0,023	0,558	3,409
6	1,5	1,5	13,5	0,105	1,011	5,821
6	2,5	2,5	37,5	0,293	1,553	8,702
6	4	4	96	0,750	2,364	13,021
6	5	5	150	1,170	2,91	15,924

Для певного виявлення ФТ у потоці вугілля необхідно або завчасно його намагнічувати, або вимірювання проводити у прикладеному полі. Вибір варіанта здійснювався шляхом численних експериментів. Під час контролю за залишковим полем давачі ФТ і постійні магніти були рознесені у просторі, при контролі у прикладеному полі вони суміщені. Асиметрія інформаційного поля, викликана неоднорідністю постійних магнітів, не ідентичністю магнітопроводів давачів, може бути скомпенсована струмом в обмотці компенсації.

Розрахунок варіантів виявлення ФТ по залишковому й прикладеному полю робився при напруженості поля, що намагнічує, А/м. Геометричні розміри ФТ мм. Результати розрахунку магнітного поля показують, що у прикладеному полі напруженість інформаційного поля у 2,2 - 3 рази вище, ніж у залишковому.

Таким чином для контролю наявності ФТ у потоці вугілля на транспортері обирається метод прикладеного магнітного поля.

У третьому розділі викладена теорія феромодуляційних давачів (ФД) для виявлення ФТ у потоці вугілля. Застосування звичайних ферозондів із стрижневими осердями як магніточутливих елементів малоефективне через малу потужність вихідного сигналу, яка в умовах збагачувальної фабрики менше рівня електромагнітних завад, що наводяться.

Феромодуляційний давач має модулятор із замкнутим осердям, на якому розташована обмотка збудження. При протіканні синусоїдального струму збуджування у обмотці, магнітний матеріал осердя модулятора періодично насичується й модулює постійний магнітний потік в осерді ФД.

Для визначення магнітного потоку у магнітопроводі ФД, індукованого ФТ, застосовується принцип взаємності К.М. Поліванова, за формулою:

де - струм і кількість обвитків вихідної обмотки ФД, які створюють зовнішнє поле напруженістю ; - вектор намагніченості в об'ємі V ФТ

Якщо ФТ рухається у потоці вугілля зі швидкістю уздовж координати х то магнітний потік в магнітопроводі ФД буде залежати від , тобто:

де - розміри ФТ, зображеного у вигляді паралелепіпеда .

Функцією перетворювання магнітної системи ФД є величина:



де m - магнітний момент ФТ

Встановлено, що функцією перетворювання магнітної системи ФД можна вважати математичну залежність:

де z - відстань між ФТ і ФД.

Функція перетворювання всього магнітометричного тракту вимірювання поля, індукованого ФТ, має вигляд:

де - амплітуда другої гармоніки вихідного сигналу.

Для збільшення коефіцієнта перетворювання ФД запропоновано використовувати резонансний режим роботи його вихідного ланцюга. Попередньо були проведені теоретичні дослідження по визначенню коефіцієнта передачі ФД при наявності ємності, приєднаної паралельно до вихідної обмотки. Розглядались два способи ввімкнення обмоток ФД: один мостовий, а другий трансформаторний.

Теоретичні дослідження дозволили отримати аналітичні залежності для коефіцієнта перетворювання ФД у режимі параметричного підсилення.

Наведені чисельні розрахунки показують, що використання резонансного режиму вихідного ланцюга ФД підвищує коефіцієнт передачі останнього у 8 -12 разів.

Для захисту від завад корисного сигналу ФД передбачена його фільтрація. Визначені спектральні характеристики вихідних сигналів двох взаємно - перпендикулярно розташованих давачів, які мають вид:

,

де - швидкість прямування ФТ у потоці вугілля.

При швидкості руху транспортера м/с спектральна характеристика сигналів ФД займає смугу рад/с. Виділення сигналу із завад здійснюється у декілька етапів. На першому етапі здійснюється просторова селекція сигналів, яка реалізується диференційною схемою ввімкнення двох ФД, розташованих на відстані 0,2-0,25 м один від одного. Просторова фільтрація на 70-75 % зменшує постійні магнітні поля завад. Для остаточного виділення сигналів з завад здійснюється цифрова обробка сигналів ФД. При цифровій фільтрації використовується віконна функція з коефіцієнтом дБ. Передавальна функція фільтра має вигляд:

де ; ; с - період дискретизації;

- постійна придушення завад, яка задається шириною смуги частот.

У четвертому розділі викладені результати експериментальних досліджень елементів системи контролю ФТ у потоці вугілля й розробки її експериментального зразка.

У задачу експериментальних досліджень входило визначення параметрів магнітних полів постійних магнітів, які намагнічують ФТ, вимірювання полів, індукованих ФТ, дослідження метрологічних характеристик ФД: порога чутливості ФД, функції перетворювання, діапазону вимірювання напруженості магнітних полів.

Як вимірювальний пристрій, для вимірювання напруженості магнітного поля магнітів, що підмагнічують, використовувався серійний магнітометр МФ-21Ф, який мав діапазон вимірювання А/м і основну похибку 4%.

Під час експериментів відстань від точки виміру до постійних магнітів складала = 0,22; 0,2; 0,15 м. Вимірювалась вертикальна компонента магнітного поля. Відстань між магнітами змінювалась у межах 0,01 - 0,05 м. Матеріал магнітів - ферит барію 9БА205 ( Тл; А/м). Похибка експерименту з ймовірністю Р=0,95 оцінювалась величиною 5,2%. Результати експерименту показали, що розбіжність результатів теоретичних розрахунків та експериментальних даних складає не більш 8% з ймовірністю Р=0,8. Встановлено, що збільшення об'єму постійних магнітів вдвічі приводить до збільшення напруженості магнітного поля у 1,4-1,6 рази. Експеримент з магнітами, що виконані з матеріалу 28БА190 ( Тл; А/м) показує, що напруженість магнітного поля, яке створено цими магнітами, збільшується у 1,6-1,8 рази у порівнянні з полем магнітів 9БА205.

Експериментальні дослідження магнітного поля, індукованого ФТ, проводились на спеціальному стенді, який є каркасом з розміщеними на ньому постійними магнітами і ФД, який пересували над ФТ.

Геометричні розміри ФТ, які є паралелепіпедами, виконаними з конструкційної сталі, і мають такі ж геометричні розміри, як і при чисельних експериментах. Розміри ФТ наведено у таблиці 2. У цій же таблиці наведені відносні значення розбіжності між максимальними значеннями горизонтальної компоненти напруженості індукованого поля, які були розраховані та знайдені експериментально.



Таблиця 2. Розбіжність теоретичних та експериментальних даних

Розмір ФТ,,мм	, мм	, %	, мм	, %
	100	-8,2	200	-4,3
	100	-9,1	200	-11,2
	100	-7,0	200	+5,0
	100	+2,2	200	+9,0
	100	+14,1	200	-11,8
	100	+12,7	200	-10,4

Експериментально було визначено, що у прикладеному полі, напруженість поля індукованого ФТ більше у 1,8-2,2 рази, ніж напруженість залишкового поля. Проте компенсація поля постійних магнітів при контролі ФТ у прикладеному полі є складною технічною задачею. Тому доцільніше знижувати поріг чутливості магнітометричного каналу ФД і робити контроль ФТ у залишковому полі, чим робити складну та несталу компенсацію поля постійних магнітів.

Експериментально досліджувалась функція перетворювання для ФД з різними геометричними розмірами мм, мм, мм і магнітними проникностями магнітопроводів . Для ФД було виготовлено спеціальний магнітометричний канал з від'ємним зворотним зв'язком. Коефіцієнт передачі магнітометричного каналу оцінювався величиною .

Основна похибка каналу дорівнювала 2,8 %.

Експериментально визначалась функція перетворювання ФД у однорідному полі при параметричному підсиленні у вихідному ланцюзі та у аперіодичному режимі. Експериментально встановлено, що чутливість ФД при резонансному режимі зростає на порядок і залежить від величини опору навантаження, що співпадає з теоретичними висновками. Дослідницьким шляхом визначався поріг чутливості ФД.

Низький поріг чутливості ФД пояснюється використанням замкнутого феромагнітного осердя модулятора, який забезпечує високу однорідність поля й низький рівень адитивних завад.

Працездатність експериментального зразка системи для виявлення ФТ у потоці вугілля на транспортері перевірялась на макеті в умовах, наближених до виробничих. Для цієї мети були підібрані ФТ з конструкційної сталі масою від 2 до 350 г. Феромагнітні тіла представляли собою відрізки дроту, кульки, бруски у формі паралелепіпеда. Штучно створювались електромагнітні та магнітні завади.

Визначено, що найменша ймовірність визначення ФТ у потоці вугілля була не меншою за 0,7 при =0,4 м та 0,84 при =0,1 м.

У розділі також наведено опис експериментального зразка системи для виявлення ФТ у потоці вугілля на транспортері. Система складається з шести ФД з індивідуальними каналами обробки сигналів. Сигнали з магнітометричних каналів ФД подаються на аналоговий комутатор та, після перетворювання у цифрову форму, послідовно поступають для остаточної обробки у комп'ютер.



ВИСНОВКИ

У дисертації вирішена науково-прикладна задача підвищення вірогідності контролю наявності феромагнітних тіл у потоках немагнітних середовищ, що дозволяє проектувати прилади та системи для виявлення на транспортерах феромагнітних тіл із співвідношенням дальності виявлення до лінійного розміру тіла, яка дорівнює 80-120. Основні висновки і результати.

1. Наведений аналіз стану питання показав, що існуючі системи контролю феромагнітних тіл у потоках немагнітних середовищ використовують електромагнітний принцип роботи та мають два головних недоліки: високий поріг чутливості, який, у накладних давачах, не дозволяє мати співвідношення дальності виявлення до лінійного розміру тіла більше чим 15-20 та не можуть виявляти феромагнітні тіла у немагнітному середовищі, що проводить. Металошукачі магнітного типу мають нижчий поріг чутливості, та мають потенційні можливості для збільшення співвідношення дальності виявлення до лінійного розміру тіла.

2. Запропонована математична модель для розрахунку намагніченості ФТ, яка базується на інтегральному векторному рівнянні, та дозволяє розрахувати намагніченість і напруженість поля розсіяння намагнічених ФТ чисельним методом, який відрізняється від відомих меншою розмірністю системи рівнянь, до якої редукується інтегральне рівняння.

3. Розрахунки топографії та інтенсивності магнітного поля, індукованого феромагнітним тілом, у полі Землі, у полі пристроїв, що намагнічують, та поля розсіяння попередньо намагніченого тіла показали, що їх діапазон значень співпадає з діапазоном вимірювань феромодуляційних давачів, що робить останні основними пристроями магнітних металошукачів.

4. Теоретично, шляхом математичного моделювання, та експериментально визначені особливості контролю наявності ФТ у прикладеному та залишковому полі. Встановлено, що у прикладеному полі ФТ індукує більш високий рівень напруженості поля, ніж у залишковому, однак контроль ФТ у прикладеному полі потребує ускладнення систем компенсації асиметрії поля постійних магнітів, що намагнічують, і які є нестійкими при тривалій експлуатації, тому перевагу слід віддавати контролю з завчасним намагнічуванням, тобто у залишковому полі.

5. Встановлено, що концентратори магнітного поля, якими є стрижні прямокутного перерізу з повітряним зазором між ними, дозволяють збільшити чутливість до параметрів інформаційного поля, що вимірюється, у 1,5-1,8 рази.

6. Теоретично визначена функція перетворювання магнітної системи металошукача та функція перетворювання феромодуляційного давача з локальним модулятором у цілому, аналіз яких дозволив встановити, що рівень напруги на виході феромодуляційного давача на два порядки перевищує рівень напруги на виході ферозонда при вимірюванні напруженості поля у одному й тому ж діапазоні.

7. Запропоновані, теоретично і експериментально досліджені феромодуляційні давачі зі стрижневим магнітопроводом і кільцевим модулятором, які призначені для виявлення ФТ у потоці немагнітного середовища ,кола яких працюють у резонансному режимі та забезпечують параметричне підсилення сигналу і які у порівнянні зі стрижневими ферозондами другої гармоніки мають коефіцієнт перетворювання на порядок вищій при стійкій роботі.

8. Рух ФТ у потоці немагнітного середовища зі швидкістю 2 м/с створює можливість відокремлювання корисного низькочастотного сигналу на рівні завад з нульовою частотою спектру. Теоретично та експериментально визначена спектральна щільність корисного сигналу, при швидкості потоку 2 м/с, енергетичний максимум якої займає смугу частот 200-325 рад/с, а також спектри завад, що дозволило розробити систему їх фільтрації.

9. При визначанні працездатності експериментального зразка системи виявлення ФТ у потоці немагнітного середовища у лабораторних умовах та на Луганському вуглезбагачувальному підприємстві отримані дані про те, що ймовірність виявлення ФТ залежить від їх маси і від відстані до поверхні шару вугілля та знаходиться у межах 0,84-0,93.



СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ.

Калашникова О.Н., Яковенко В.В., Тхафер Бассим Математическая модель магнитного поля для расчета металлоискателей // Вісник Східноукраїнського національного університету. - Луганськ. - 2000. - №10. - С.151- 154.

Здобувачу належить розрахунок і аналіз напруженості магнітного поля в осердях ферозонда, що створює феромагнітна частка.

2. Калашникова О.Н. Магнитное поле в области работы металлоискателя // Вісник Східноукраїнського національного університету. - Луганськ. - 2002. - №1(47). - С.229-233.

3. Криеренко А.Г., Калашникова О.Н.,.Букреев В.В. Устройство контроля ферромагнитных тел в угле при его перемещении на транспортере // Науковий вісник Національної гірничої академії України. - Дніпропетровськ. 2002. - №2.- С. 57-60.

Здобувачу належить методіка розрахунку поля в осердях ферозондів.

4. Калашникова О.Н., Криеренко А.Г. Расчет магнитного поля феррозонда металлоискателя // Науковий вісник Національної гірничої академії України. Дніпропетровськ. - 2002. - №3. - С. 64-65.

Здобувачу належить розрахунок і аналіз наведених формул.

5. Криеренко А.Г., Калашникова О.Н., Букреев В.В. Автоматизация управлением подвесных железоотделителей на угольных предприятиях // Науково-технічний збірник НГАУ. Збагачення корисних копалин. - Дніпропетровськ. - 2002. - №15. - С. 124-127.

Здобувачу належить розробка схеми автоматизованої системи керування залізовідділювачем для вилучення ФТ із вугілля, яке пересувається на транспортері.

6. Калашникова О.Н., Криеренко А.Г., Букреев В.В. Датчик обнаружения ферромагнитных тел автоматических систем управления // Технічна електродинаміка. - Київ. - 2002. - Ч.5. - С.112-114.

Здобувачу належить розробка системи розташування давачів на транспортері.

7. Криеренко А.Г., Калашникова О.Н., Жученко Н.А. Магнитомо- дуляционный датчик для обнаружения ферромагнитных тел в немагнитной среде // Вісник Кремінчуцького державного політехнічного університету. - Кременчук. - 2003. - №3. - С. 107-109.

Здобувачу належить розрахунок і аналіз намагніченості магнітопроводу для магнітної системи давача.

8. Калашникова О.Н., Криеренко А.Г., Букреев В.В. Cистема обнаружения ферромагнитных тел в потоке угля // Збірник наукових праць за результатами ІХ-науково-технічної конференції “Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах”. - Хмельницький. - 2002. - вип. № 9. Том 1 - С. 76-80.

Здобувачу належить розрахунок і аналіз магнітного поля розсіяння намагніченої призми.

9. Калашникова О.Н., Яковенко В.В. Система обеспечения безопасности технологического оборудования // Сборник трудов конференции “Межрегиональные проблемы экологической безопасности”. - Суми. - 2002. Том.1. - С. 116-120.

Здобувачу належить розробка конструкції давача наявності ФТ у потоці вугілля.

10. Калашникова О.Н. Повышение эффективности датчиков металло- искателей // Збірник наукових праць по результатам ІІІ міжнародної науково-технічної конференції “Метрологія та вимірювальна техніка”. ХДНДІМ, Харків. - 2002. - Том І. - С.221-223.

11. Калашникова О.Н., Криеренко А.Г., Черепахин Г.А. Система контроля наличия ферромагнитных тел в потоке угля на конвейере. // Збірник наукових праць Східноукраїнського національного університету ім. В.Даля за матеріалами VII міжнародної науково-практичної конференції “Університет і регіон”, Ч ІІ. - Луганськ. - 2002. - С.110.

АНОТАЦІЇ

Калашнікова О.М. Система і магнітний метод для виявлення феромагнітних тіл у немагнітних середовищах. - 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 “Харківский політехнічний інститут”, Харків, 2004.

Дисертація присвячена дослідженню магнітного метода виявлення феромагнітних тіл у потоці немагнітних середовищ, зокрема у потоці вугілля на транспортері. Досліджені параметри магнітних полів індукованих намагніченими феромагнітними тілами різної маси, геометричної форми і орієнтації у просторі. Визначено необхідний поріг чутливості, раціональні розміри і форма магніточутливих елементів, які використовуються як давачі феромагнітних тіл. У якості магніточутливих елементів використані феромодуляційні давачі з кільцевим модулятором. Теоретично досліджені функції перетворювання феромодуляційних давачів з параметричним підсиленням у вихідному ланцюзі. Дані експериментів підтверджують коректність результатів теоретичних досліджень. Розроблено експериментальний зразок системи для контролю феромагнітних тіл у потоці вугілля на транспортері для Луганської вуглезбагачувальної фабрики.

Ключові слова: феромагнітне тіло, потік немагнітного середовища, намагнічування, феромодуляційний давач, параметричне підсилення, фільтрація сигналів.

Калашникова О.Н. Система и магнитный метод для обнаружения ферромагнитных тел в немагнитных средах. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.11.13 - приборы и методы контроля и определения состава веществ. Национальный технический университет “Харьковский политехнический институт”, Харьков, 2004.

Диссертация посвящена исследованию магнитного метода обнаружения ферромагнитных тел в потоках немагнитных сред и созданию на его основе системы контроля.

Приведенный анализ литературных источников показал, что существующие в настоящее время электромагнитные системы для контроля сыпучих немагнитных сред, движущихся в потоке на транспортере (уголь, песок, мука и т.п.) имеют недостаточную информационную надежность.

Кроме того они становятся неработоспособными при обнаружении ферромагнитных тел в потоках проводящих немагнитных сред.

Экспериментальные исследования, проведенные на ряде углеобогатительных фабрик, дали результаты, свидетельствующие о том, что в потоке угля на транспортерах преобладают ферромагнитные тела массой 0,05-0,6 кг, обнаружение которых электромагнитными металлоискателями малоэффективно. В то же время согласно опубликованным данным магнитный метод, основанный на применении ферромодуляционных датчиков, потенциально обладает более низким порогом чувствительности. В силу отсутствия необходимых теоретических и экспериментальных исследований, методов расчета элементов и устройств, системы для обнаружения ферромагнитных тел с минимальной массой 0,05 кг в немагнитных средах, основанные на измерении параметров магнитных полей, отсутствуют.

Приведенные автором работы теоретические исследования полей индуцированных ферромагнитными телами произвольно ориентированными в пространстве и намагниченными в слабых ( 1000 А/м) магнитных полях, дали данные для определения порога чувствительности магнитных датчиков для их детектирования в немагнитных средах. Разработанные автором методики расчета магнитных полей на основе численного решения интегральных уравнений, позволили всесторонне исследовать топографию информационных магнитных полей и выработать рекомендации по вопросам конструирования магнитных систем датчиков для обнаружения ферромагнитных тел.

Путем теоретических расчетов установлен минимальный объем постоянных магнитов, обеспечивающий магнитное поле для предварительного намагничивания ферромагнитных тел.

Результаты теоретических исследований магнитных полей показали, что только ферромодуляционные элементы могут быть использованы в качестве датчиков наличия ферромагнитных тел.

Установлено путем расчетов, что применение ферромодуляционных датчиков с кольцевыми модуляторами в качестве детекторов ферромагнитных тел более эффективно, чем использование для этой цели стержневых феррозондов.

Теоретическим путем получена зависимость функции преобразования магнитных датчиков от геометрических и магнитных параметров их магнитопроводов и обмоток. Увеличение чувствительности магнитных датчиков автором работы предложено за счет использования параметрического усиления в их выходных цепях.

В работе приведены результаты теоретических исследований резонансного режима выходной обмотки датчика, получены аналитические зависимости для параметрического коэффициента усиления, определены границы области устойчивости резонансного режима.

Системы для обнаружения ферромагнитных тел в потоках немагнитных сред работают в условиях высокого уровня электромагнитных помех. Экспериментально установлено, что основная мощность их спектра находится в пределах 0-80 Гц. Поэтому для обеспечения работоспособности системы предложены методы фильтрации, основанные на том, что ферромагнитные тела перемещаются в потоке со скоростью 2-2,5 м/с. Фильтрация сигналов производится с помощью цифровых фильтров, рассчитаны и приведены их передаточные функции.

Экспериментальные исследования проводились для определения напряженности магнитного поля подмагничивающих постоянных магнитов, напряженности полей индуцированных ферромагнитными телами, метрологических характеристик ферромодуляционных преобразователей, характеристик устройств обработки сигналов датчиков. Результаты экспериментов подтверждают результаты теоретических построений диссертационной работы.

Разработан экспериментальный образец системы для контроля ферромагнитных тел в потоке угля на транспортере для угольных обогатительных фабрик.

Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс и используются на углеобогатительном предприятии.

Ключевые слова: ферромагнитное тело, поток немагнитных сред, намагничивание, ферромодуляционный датчик, параметрическое усиление, фильтрация сигналов.

Kalashnikova 0.N. System and magnetic method of detection of ferromagnetic bodies in non-magnetic mediums - Manuscript

Thesis on competition of candidate of engineering science scientific degree on speciality 05.11.13 - devices and methods of testing and determination of materials composition.- National Technical University “Kharkiv Polytechnic Institute”, Kharkiv, 2004.

Thesis is dedicated to the examination of magnetic method of detection of ferromagnetic bodies in non-magnetic mediums, in particular in the coal flow on the conveyer. Parameters of magnetic fields induced by magnetized ferromagnetic bodies of different masses, geometric forms and orientation in me space have been examined. Necessary threshold of sensivity, rational size and form of magnetic sensitive elements, used as sensors of ferromagnetic bodies, are defined. Ferromodulation sensors with circular grid are used as magnetic sensitive elements Functions of transformation of ferromodulation sensors with parametric intensification in output circuit are theoretically examined. Experiments' data are proving correctness of the results of theoretical examinations. Experimental example of control system over ferromagnetic bodies in the coal flow on the conveyer of Lugansk concentrating factory is worked out.

Key words: ferromagnetic body, flow of non-magnet media, magnetization, ferromodulation sensor, parametric intensification, filtration of signals.

Размещено на Allbest.ur

...