Методи оптимізації параметрів та режимів роботи вихорострумових перетворювачів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Харківський державний політехнічний університет

05.11.13 - прилади і методи контролю

УДК 620.179.1

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

Методи оптимізації параметрів та режимів роботи вихорострумових перетворювачів

Гальченко Володимир Якович

Харків - 1998

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Східноукраїнському державному університеті Міністерства освіти України.

вихорострумовий контроль дефектоскоп перетворювач

Науковий консультант	Заслужений діяч науки та техніки України, доктор технічних наук, професор Яковенко Валерій Володимирович, Східноукраїнський державний університет, завідувач кафедри приладобудування та електротехніки
Офіційні опоненти:	доктор технічних наук, старший науковий співробітник Большаков Володимир Борисович, Харківське ДНВО "Метрологія", начальник відділу;
	доктор технічних наук, доцент Хандецький Володимир Сергійович, Дніпропетровський державний університет, професор кафедри електронно-обчислювальних машин;
	доктор технічних наук, професор Фінкельштейн Володимир Борисович, Харківська державна академія міського господарства, професор кафедри електротехніки
Провідна установа	Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут", кафедра приладів та систем неруйнівного контролю, Міністерство освіти України, м. Київ

Захист відбудеться "15" 04 1999 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.050.09 у Харківському державному політехнічному університеті за адресою: 310002, м. Харків-2, вул. Фрунзе, 21

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Харківського державного політехнічного університету.

Автореферат розісланий "12" 03 1999 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Горкунов Б.М.

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність і ступінь дослідження тематики роботи. Підвищенню якості продукції, зростанню її надійності та довговічності приділяється велика увага в усіх промислово розвинених країнах світу. Сучасний рівень виробництва з безупинно зростаючим обсягом номенклатури виробів характеризується істотно зростаючими вимогами до застосування надійних та високопродуктивних методів і засобів, здатних забезпечити 100% контроль їхньої якості. Вибірковий контроль вихідного металу, заготівок, напівфабрикатів та готових виробів відповідального призначення не гарантує їх високої якості, особливо при серійному та масовому виготовленні. Методи неруйнівного контролю використовуються для перевірки матеріалів та виробів до моменту їх введення до експлуатації, що запобігає застосуванню дефектних деталей в конструкціях. Крім того, використання методів неруйнівного контролю в технологічних процесах, в здавально-приймальних випробуваннях, при експлуатації та ремонті є одним з найбільш ефективних засобів підвищення якості продукції, виключення непродуктивних витрат при обробленні заготівок та напівфабрикатів. Правильне застосування методів та засобів неруйнівного контролю дозволяє виключити потенційну можливість руйнування виробів, які мають критичні або суттєві внутрішні дефекти. В особливої ступені це відноситься до тих виробів, експлуатація котрих зв'язана з проблемами безпеки людей, з можливістю виникнення катастроф з необоротними екологічними наслідками і т.п.

В теперішній час широко використовуються акустичні, капілярні, магнітні, електричні, радіаційні, оптичні та інші методи неруйнівного контролю. Особливе місце серед них належить вихорострумовому методу. Завдяки своїм перевагам над перетворювачами, які застосовують інші фізичні принципи здобуття інформації, вихорострумові перетворювачі (ВСП) відповідають суворим вимогам контролю об'єктів з дефектами в умовах забруднення середовища, наявності електромагнітних полів, підвищених температур, вібрацій, інтенсивних випромінювань зварної дуги і інших деяких факторів, що заважають вимірюванням.

Великий вплив на розвиток вихорострумового методу та засобів контролю об'єктів з дефектами надали роботи відомих вчених Герасимова В.Г., Клюєва В.В., Дорофєєва О.Л., Зацепіна Н.Н., Соболєва В.С., Шатернікова В.Є., Шкарлета Ю.М., Сухорукова В.В., Біди П.І., Forster F., Dodd C.V. та інших дослідників. Аналіз робіт показав, що основна увага дослідників приділялась розробці теоретичних моделей для конкретних випадків контролю об'єктів. Більшість задач проектування засобів вихорострумового контролю виробів з дефектами обмежених розмірів розв'язується, використовуючи в якості базових результати досліджень, здійснених або по наближеним методикам розрахунків, або для двовимірних ідеалізацій інформаційного електромагнітного поля (ІЕМП). Єдиного методологічного підходу рішення широкого кола задач електромагнітної дефектоскопії у випадку тримірних ІЕМП не існує. Закономірності, знайдені в результаті вирішення двовимірних задач дефектоскопії, виявилися необхідними та корисними для побудови основ теорії виявлення дефектів, розробки методів їх пошуку. Але цих моделей недостатньо для створення теорії як основи оптимального проектування апаратури вихорострумового контролю виробів з дефектами обмежених розмірів, яка має високу розрізнювальну здатність. У зв'язку з ускладненням задач електромагнітної дефектоскопії виникає потреба аналізу нових класів математичних моделей, які більш повно відображають реальні умови вихорострумового контролю виробів.

Деяка обмеженість застосованих математичних моделей не дозволила також належним чином виявити кількісні зв'язки між геометричними та електромагнітними характеристиками об'єкта контролю з дефектом і даними спостережень на виході ВСП. Положення в цієї галузі ще більш погіршується через відсутність достатнього об'єму експериментальних даних, одержаних дослідниками.

Сучасна теорія вихорострумового контролю об'єктів з дефектами обмежених розмірів базується в основному на емпіричних закономірностях, одержаних експериментальним шляхом Бідою П.І. біля 20-ти років тому. Ці дослідження проводились для виробів з дефектами з ідеалізованими властивостями та не ураховували ряд суттєвих факторів, серед яких форма дефекту, його орієнтація в просторі, особливості геометрії об'єкта контролю, розташування об'єкта відносно ВСП та інших.

Отримані результати в цілому відображають загальні тенденції в електромагнітному контролі, але їх використання не наводить до реалізації найбільш сприятливих умов виявлення дефектів. Найвищу ефективність контролю мають забезпечити тільки технічні засоби в повній мірі враховуючи специфіку конкретного процесу контролю. Використання узагальнених методів досліджень виправдано на етапі розробки математичних моделей, але не ефективно на етапі проектування контрольно-вимірювальної апаратури, де орієнтація на узагальнені дефекти, розташовані на гіпотетичних об'єктах контролю, не приводить до оптимальних результатів. Здається, що основні резерви суттєвого покращання технічних та метрологічних характеристик ВСП містяться не стільки в способах обробки вихідних сигналів та удосконаленні вимірювальних трактів приладів, скільки у самих конструкціях ВСП та принципах їх побудови.

К теперішньому часу практично без уваги залишилась проблема проектування ВСП, що володіють зондуючими ІЕМП з визначеними властивостями. А разом з тим цілеспрямована зміна зондуючих властивостей генерованого ІЕМП приводить до підвищення селективності та чутливості виявлення дефектів в об'єктах, підвищенню завадозахищеності та, отже, реалізації сприятливих умов виявлення дефектів. Отримання інформаційного сигналу високої чутливості, завадозахищеності та розрізнювальної здатності безпосередньо із ВСП дефектоскопа є першочерговою задачею та в разі її незадовільного вирішення положення не виправити наступною вторинною електронною обробкою сигналу, які би схематичні рішення та сучасна елементна база не застосовувались.

Відсутність ефективної теоретичної бази обумовила відсутність спеціалізованих методик проектування ВСП для виявлення дефектів. В практиці проектування ВСП для дефектоскопів в основному використовуються добре зарекомендовані методики розробки ВСП, які орієнтовані на контроль розмірів об'єктів, що не відображає повною мірою реальних потреб.

В зв'язку з вищезгаданим створення теорії електромагнітного контролю об'єктів з дефектами обмежених розмірів уявляє актуальну наукову проблему, рішення якої має велике значення для промисловості.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація виконувалась в рамках "Координованого плану розробки та впровадження першої черги автоматизованого стенду комплексних випробувань об'єкта (АСКВО)" та "Плану-графіка розробки та впровадження першої черги АСКВО", затверджених керівником ХКБМ ім. Морозова від 06.11.81р., які складені відповідно постанові РМ СРСР №990 від 08.10.81р. та постанові Держплану і ДКНТ СРСР №221/245 від 06.11.81р., а також в рамках "Комплексної програми науково-технічного прогресу країн-членів РЕВ" пріоритетний напрямок "Комплексна автоматизація" відповідно постанові ДКНТ СРСР №668 від 27.11.89р., напрямку ДКНТ "Технологія, машини та виробництва майбутнього".

Мета та задачі дослідження. Метою даної роботи є створення теорії виявлення дефектів обмежених розмірів в провідних об'єктах довільної форми як основи оптимального проектування вихорострумових перетворювачів та розробка на її базі ефективних засобів електромагнітного контролю з високими технічними характеристиками.

Досягнення сформульованої мети зв'язано з необхідністю вирішення наступних задач:

- розробки математичних моделей процесів контролю об'єктів з дефектами обмежених розмірів в рамках єдиного методологічного підходу рішення задач виявлення локальних неоднорідностей, які дозволяють охоплювати широке коло можливих типових випадків контролю;

- створення інформаційної моделі, яка містить в собі комплекс програм комп'ютерного моделювання процесів вихорострумового контролю об'єктів;

- математичного моделювання різноманітних режимів електромагнітного контролю виробів для визначення впливу окремих факторів об'єкта з дефектом на вихідний сигнал ВСП, досліджень розрізнювальної здатності методів контролю, вибору оптимальних характеристик зондуючих ІЕМП та раціональних характерних розмірів ВСП;

- розробки методики проектування вихорострумових перетворювачів прохідного та накладного типів з використанням побудованої інформаційної моделі;

- розробки теорії та програмних засобів параметричного синтезу ВСП з апріорно визначеними властивостями зондуючого поля, яка забезпечує покращанні технічні та метрологічні характеристики дефектоскопів;

- розробки ефективних апаратних та програмних засобів вихорострумового контролю для задоволення реальних потреб промисловості.

Наукова новизна. На основі запропонованих у дисертаційній роботі підходів, методів, моделей та алгоритмів вирішена важлива проблема створення теорії виявлення локальних неоднорідностей обмежених розмірів в об'єктах контролю, яка характеризується індиферентністю моделей до форми та розмірів об'єктів і дефектів, але ураховує їх вплив повною мірою.

Основні наукові результати виконаної роботи містяться в наступному:

- з точки зору використання єдиного методологічного підходу до задачі, який базується на застосуванні граничних інтегральних рівнянь (ГІР), запропонована класифікація розрахункових моделей по ознаці зв'язності підлеглих аналізу областей, що дозволяє обмежитись для аналізу практично всіх можливих випадків контролю мінімальною кількістю математичних моделей;

- розроблено ряд математичних моделей процесів електромагнітного контролю, що враховують специфіку умов його проведення, а саме наявність зосереджувачів та масок з провідних матеріалів, характер дефекту (поверховий, підповерхній) та особливості геометричної форми об'єкта контролю у розумінні зв'язності підлеглих аналізу областей, значне переважання геометричних розмірів об'єкта над розмірами дефекту;

- в результаті апроксимації формальних нескінченно вимірюваних ГІР одержані придатні до комп'ютерних розрахунків скінчено вимірювані матричні рівняння, адекватно відображаючи процеси контролю об'єктів;

- розроблено алгоритми чисельного вирішення задач електромагнітного контролю об'єктів;

- розроблена методика оптимального проектування класичних накладних та прохідних ВСП, в основі якої передбачено ефективне використання комплексу програм комп'ютерного моделювання ВСП;

- в результаті чисельних експериментів визначена чутливість ВСП до ряду важливих параметрів, впливом яких раніше нехтували унаслідок суттєвих труднощів їх обліку;

- розроблена теорія синтезу ВСП з апріорно визначеною топографією зондуючого ІЕМП;

- запропоновано спосіб спрощення застосування на практиці багатопараметричного методу розділу інформації;

- розроблено алгоритми чисельного вирішення задач синтезу ІЕМП ВСП.

Практична цінність досліджень обґрунтована:

- розробкою комплексу програм комп'ютерного моделювання процесів вихорострумового контролю;

- наданням рекомендацій щодо вибору основних характерних розмірів ВСП та режимів їх роботи, які забезпечують максимальну чутливість до дефектів;

- розробкою структурних схем універсальних дефектоскопів та алгоритмів обробки вихідних сигналів ВСП, що забезпечують відбудову від неконтрольованих параметрів об'єкта;

- наданням технічних вимог до точності виготовлення магнітних систем синтезованих ВСП, що гарантують збіг властивостей реального ІЕМП з властивостями ідеального апріорно визначеного;

- розробкою електричних принципіальних схем основних функціональних вузлів універсальних дефектоскопів, які характеризуються можливістю цифрового керування від ЕОМ.

Реалізація наукових розробок. Результати дисертаційної роботи реалізовано у ряді господарських договорів на проведення науково-дослідних робіт.

З використанням результатів дисертації та безпосередньою участю автора спільно з МП "Техніка" м. Луганська спроектовані та виготовлені удосконалені прохідні вихорострумові дефектоскопи контролю якості зварних труб, що працюють по європейському стандарту SEP1925 та дозволяють провести сертифікацію контрольованої продукції відповідно з його вимогами. Взірці дефектоскопів впроваджено у виробництво на Оскольському електрометалургійному комбінаті (Росія) для контролю труб діаметром 27-89 мм з товщиною стінки до 3,5 мм, а також Антрацитівському заводі збірних теплиць, де використовуються для перевірки якості шва труб діаметром 25-60 мм з товщиною стінки до 3,5 мм. Дефектоскоп успішно витримав лабораторні випробування на Таганрогському металургійному комбінаті (Росія) при контролі електрозварних та мірних труб пічного зварювання. Проведено роботи по упровадженню дефектоскопів контролю якості феромагнітних прутків на виробничих ділянках холдінгової компанії "Луганськтепловоз". Результати наукових досліджень автора використовуються на підприємстві з 1997 року у вигляді приладу для контролю якості прутків діаметром від 25 мм до 60 мм при швидкості руху прутка до 60 м / хв. з зазором між внутрішньою поверхнею перетворювача та поверхнею прутка до 5 мм. Апробація працездатності дефектоскопів контролю якості зварних труб у складі зварного стану проводиться на підприємстві АТЗТ "Луганський трубний завод". Результати роботи застосовуються в учбовому процесі в Східноукраїнському державному університеті при підготовці інженерів-приладобудівників та інженерів-системотехніків.

Характеристика методів досліджень. Для рішення комплексу питань, що складають зміст поставленої проблеми, застосовано широкий спектр сучасних методів теоретичних досліджень. Теоретичні дослідження процесів вихорострумового контролю об'єктів базуються на фундаментальних рівняннях теорії електромагнітного поля в інтегрально-векторному вигляді. Математичні моделі процесів вихорострумового контролю об'єктів побудовано у вигляді граничних інтегральних рівнянь відносно введених фіктивних джерел. Вирішення некоректно поставлених задач синтезу ІЕМП ВСП виконуються з застосуванням апаратнозалежного методу повної ортогоналізації (SVD), який ураховує похибки початкових даних та визначає стійке рішення задачі. При обробці даних, отриманих в результаті чисельних експериментів, використовуються методи регресійного та факторного аналізу. Розробка програмних комплексів здійснювалась із застосуванням об'єктно-зорієнтованого методу та сучасних інформаційних технологій. Вірогідність висновків підтверджується великою кількістю чисельних експериментів, збігом результатів розрахунків з даними інших дослідників, отриманих експериментальним або аналітичним шляхом.

Особистий внесок здобувача. Основні результати дисертаційної роботи були одержані особисто автором, що відображено в одноосібних публікаціях. У наукових працях із співавторами [9,12,15] автору належить розробка математичних та розрахункових моделей інформаційних електромагнітних полів; [8] - розробка математичних моделей синтезу магнітних систем з дискретними джерелами поля; [10,11,17,23] - виконано постановку задач, аналіз та узагальнення результатів досліджень, формулювання висновків; у [13,22] автором створені алгоритми синтезу перетворювачів та засобів візуалізації результатів чисельного моделювання; [14,26] - запропоновано основні ідеї та розроблено структурні схеми приладів; у [16] автору належить проведення експериментів та аналіз отриманих результатів; у [21,24,25] автором здійснено розробку інформаційних моделей, проведено проектні розрахунки параметрів та режимів роботи вихорострумових перетворювачів дефектоскопів.

Апробація роботи. Основні положення дисертаційної роботи докладені та обговорені на наступних конференціях і семінарах:

II Всесоюзна конференція по теоретичним основам електротехніки, Вінниця, 1991 р.;

Всесоюзна науково-технічна конференція по інформаційно-вимірювальним системам, Санкт-Петербург, 1991 р.;

ІІІ міжнародна науково-технічна конференція "Контроль та керування в технічних системах", Вінниця, 1995 р.;

VI міжвузівська науково-технічна конференція країн СНД "Сучасні методи та засоби електромагнітного контролю та їх застосування в промисловості", Могильов, 1995 р.;

V міжвузівська науково-технічна конференція "Проблеми розвитку локомотивобудування", Луганськ-Алушта, 1995 р.;

Міжнародна науково-практична конференція "Автоматизація проектування та виготовлення виробів в машинобудуванні", Луганськ, 1996р.;

8-й Міжнародний симпозіум по нелінійним електромагнітним системам ISEM, Брауншвейг (Німеччина), 1997р.;

науково-технічні конференції Східноукраїнського державного університету 1991-1997 рр.;

IV міжнародна науково-практична конференція "Університет та регіон", Луганськ, 1998 р.

Публікації. За темою дисертації опубліковано 26 наукових робіт. Основні наукові та прикладні результати досліджень відображені в 17 публікаціях, серед яких одноособова монографія та 6 статей без співавторів.

Структура та об'єм дисертації. Робота складається із вступу, шести глав, загальних висновків, переліку використаної літератури (252 найменування) та трьох додатків. Загальний обсяг роботи складає 290 сторінок, які містять 201 сторінку машинописного тексту, 102 рисунки та 7 таблиць.

2. Основний зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертації, сформульовано її мета та вирішені задачі, подана анотація основних результатів, інформація про апробацію і впровадження роботи.

У першій главі розглянуто характерні особливості проблеми проектування ВСП приладів для виявлення дефектів обмежених розмірів в об'єктах довільної форми. Показано, що сучасний підхід вирішення проблеми полягає в розробленні ефективних гнучких інформаційно-вимірювальних систем виявлення дефектів (ІВСВД), застосування яких дозволяє використовувати необмежені можливості електронно-обчислювальної техніки в керуванні, чисельної обробки результатів вимірювань, моделюванні процесів контролю з метою визначення оптимальних режимів роботи ВСП, рівня небажаних змін вихідних сигналів ВСП, обумовлених властивостями об'єкта з дефектом та умовами проведення контролю. Узагальнена структурна схема ІВСВД наведена на рис.1.

Розглянуто теоретичні аспекти формулювання проблеми, здійснена постановка задачі. В рамках запропонованого єдиного методологічного підходу розв'язання широкого кола задач подана класифікація розрахункових моделей ВСП, що враховують тримірний характер розподілу електромагнітного поля. Визначена необхідність розробки інформаційних моделей процесів вихорострумового контролю, які є інформаційним трактуванням фізико-математичних моделей, та їх широкого застосування в теорії та практиці неруйнівного контролю.

Рис. 1 - Узагальнена структурна схема ІВСВД

У відповідності з питаннями теоретичного розв'язування проблеми було проведено огляд і аналіз відомих на даний час розрахункових моделей та програмних засобів, виявлена їх деяка обмеженість та недостатня адекватність у ряді випадків контролю реальних об'єктів, подана аналітична оцінка їх можливостей та вдосконалення. На підставі розгляду сучасного стану в галузі досліджень електромагнітного неруйнівного контролю визначено напрямки теоретичних та експериментальних вишукувань.

У другій главі розглядаються питання теоретичних основ вихорострумового контролю провідних об'єктів довільної форми з дефектами обмежених розмірів. Універсальність теоретичних положень забезпечується застосуванням для побудови обмеженої кількості розрахункових моделей єдиного математичного апарату, який ґрунтується на інтегральних представленнях тримірних квазістаціонарних інформаційних електромагнітних полів (ІЕМП) при їх взаємодії з об'єктами контролю. З метою забезпечення універсальності відносно форми об'єкта та дефекту пропонується використання при побудові моделей фундаментальних функцій Гріна для тримірних провідного та непровідного середовищ. Формалізм інтегральних рівнянь дозволяє не звертати уваги на особливості геометрії об'єкта контролю, що забезпечує можливість використання для розв'язування крайових задач теорії поля електронно-обчислювальної техніки.

Головною метою побудови математичних моделей процесів контролю є отримання інформації про характер вихідного сигналу ВСП, залежного від форми та геометричних властивостей об'єкта контролю, форми, розмірів та місцезнаходження дефекту на поверхні або всередині об'єкта, його орієнтованості стосовно ВСП, електротехнічних характеристик матеріалу об'єкта та інших факторів.

В першу чергу характер сигналу ВСП залежить від розподілу ІЕМП навколо дефекту. В цій праці запропоновано використання для визначення розподілу ІЕМП трьох видів математичних моделей, пристосованих для аналізу широкого кола задач електромагнітної дефектоскопії.

Базова математична модель придатна для однозв'язних областей з лінійними характеристиками та формульована для одного векторного і одного скалярного впроваджених граничних джерел, які забезпечують єдність розв'язку задачі при мінімальній розмірності:



де - густовина впроваджених граничних джерел;

- вектор напруженості ІЕМП в точках спостереження Q, що належать поверхні S, створений струмом збудження з попередньо заданим розподілом;

- модуль відстані між точкою спостереження Q та точкою джерела P;

- внутрішня нормаль до поверхні об'єкта контролю у точці спостереження;

- фундаментальна функція Гріна в тримірному нескінченному провідному просторі.

Формула (1) застосовується у випадках аналізу процесів контролю об'єктів, в яких дефект розташовано зовні на поверхні та ВСП не має в своєму складі зосереджувачів ІЕМП і екранів. В противному стані треба користуватися математичною моделлю для багатозв'язних областей, котра складається із системи рівнянь, отриманих для сукупності декількох замкнених меж розділу різних середовищ. У зв'язку з цим слід зазначити, що в узагальненому випадку математична модель приймає вигляд:



де

Sl - межа l-го однорідного тіла,

m - кількість однорідних тіл,

- відповідне формулювання для задачі з однозв'язною областю,

K(Q,P) - ядро ІР Фредгольма 2-го роду.

В роботі на підставі узагальненої системи рівнянь (2) на прикладі подано механізм складання конкретних математичних моделей для багатозв'язних областей, визначено основні випадки розрахункових моделей, які найбільш часто зустрічаються в практиці неруйнівного контролю з використанням ВСП. Доречно зазначити, що розрахункові моделі ВСП, розташовані на рис. 2, майже в повному обсязі відображають сучасні потреби електромагнітної дефектоскопії.

Інтегральні представлення ІЕМП для багатозв'язних областей доводиться виконувати для впроваджених векторних граничних джерел:

- густовина шару магнітного струму;

- густовина шару електричного струму.

Для випадку контролю, ілюстрованого на рис. 2а, адекватна математична модель у вигляді системи інтегральних рівнянь Фредгольма 2-го роду:



Рис. 2 _ Розрахункові моделі ВСП

де - впроваджені граничні джерела на об'єкті з контуром S1;

- впроваджені граничні джерела на об'єкті з контуром S2.

Значна відмінність в геометричних розмірах самого об'єкта та дефекту дещо ускладнює чисельне розв'язування задачі та збільшує похибки розрахунків. У зв'язку з цим в роботі здійснено удосконалення базової математичної моделі. В результаті відповідних аналітичних перетворень знайдена система рівнянь відносно від'ємних джерел для визначення розподілу ІЕМП дефекту в зоні контролю.

Після розв'язування інтегральних рівнянь будь-якої із поданих математичних моделей відносно граничних джерел ІЕМП обчислюється в довільної сукупності точок простору інтегруванням знайденого вирішення цих рівнянь. Електрорушійна сила ( е.р.с. ) вимірювальної котушки ВСП, розташованої поруч з дефектом, розраховується в узгодженні з виразом

де wu - кількість звоїв вимірювальної котушки ВСП,

де Sk - поверхня кола вимірювальної котушки,

- абсолютна магнітна проникність.

В цій главі також формальні нескінченно вимірювані рівняння зведені до придатного для чисельних розрахунків матричного вигляду. Інтегральні рівняння редуціровано до системи лінійних алгебраїчних рівнянь ( СЛАР ) способом розбиття поверхні об'єкта з дефектом на прямокутні елементи, у межах кожного з яких прийнята частково-стала апроксимація підінтегральної функції. Еквівалентна СЛАР має наступний вигляд

де - квадратна матриця коефіцієнтів, що апроксимують ліву частину системи граничних інтегральних рівнянь (ГІР);

- вектор-стовпець, який містить в собі складові шуканих граничних джерел на усіх виділених поверхових елементах;

- вектор-стовпець, що характеризує праву частину системи ГІР та визначає складові поля струму збудження.

Вираз (5) зведено до кінцевої суми розбиттям поверхні котушки ВСП на обмежені елементи та припущення відносно постійної поведінки розподілу нормальної складової напруженості ІЕМП на кожному з виділених елементів.



Третя глава подає дослідження щодо побудови інформаційної моделі процесів вихорострумового контролю виробів. Обґрунтована та визначена загальна структура програмного комплексу комп'ютерного моделювання, зображена на рис.3. Застосування програмного комплексу при проектуванні ВСП або в складі ІВСВД дозволяє з єдиних позицій вести дослідження процесів контролю об'єктів, форма поверхні та властивості котрих достатньо різноманітні. Реалізацією комплексу програм передбачається поетапне розв'язування задачі, яке полягає на розподілі всієї задачі на логічно цілісні блоки, що припускають одночасне послідовне або відокремлене їх виконання в поточному чи наступному часових інтервалах. В склад інформаційної моделі включено препроцесор, лічильний процесор та постпроцесор.

Рис. 3 - Структура програмного комплексу

При аналізі задач контролю препроцесором підготовки початкових даних виконуються такі функції: опис геометрії та електрофізичних властивостей області, дискретизація області засобом генерування сітки граничних поверхових елементів. Дискретизація області відповідає представленню реального об'єкта в вигляді дискретної моделі. Препроцесор використовує в своєї роботі блочну дискретизацію, яка фактично відповідає попередньому розбиттю об'єкта на макроелементи і їх наступної автоматичної дискретизації на розрахункові поверхні мікроелементи. Для автоматичного розбиття препроцесор застосовує додаткову інформацію о кількості смуг розбиття. Вихідна інформація генератора сітки містить кількість елементарних поверхових елементів, що складають в сукупності поверхню об'єкта контролю, координати кожної із вершин та центральної точки всіх елементів. Лічильний процесор виконує формування СЛАР згідно з формулою, визначає розподіл густовини впроваджених вторинних джерел, здійснює розрахунок ІЕМП та е.р.с., що індукована в вимірювальній котушці ВСП. Розрахунок матричних елементів зв'язано з розрахунком інтегралів по площі кожного прямокутного граничного елемента від комплексно-значної в загальному випадку функції. Слід зауважити, що час формування матриці коефіцієнтів СЛАР складає більшу частину повного часу розв'язування задачі. В главі наведені алгоритми формування матриць СЛАР, чисельного інтегрування фундаментальних функцій Гріна. Інтеграли по площі прямокутних елементів зведені до подвійних, а потім в результаті застосування формули Гріна - до інтегралів вздовж кривої. Таким чином, інтегрування по площі елементів можна замінити інтегруванням вздовж замкнутого контуру. Чисельне інтегрування виконується з допомогою адаптивних програм, що застосовують квадратурну формулу Ньютона-Котеса. Розв'язання СЛАР відносно граничних джерел здійснюється методом Гауса в результаті її факторизації. Вирішення СЛАР надалі уточнюється в результаті використання ітераційного процесу, що дозволяє проводити контроль похибки внутрішніми засобами. Значної економії пам'яті при застосуванні процедури розв'язування СЛАР вдається досягнути у результаті використовування динамічного розміщення масивів. Основні функції постпроцесора у складі програмного комплексу містяться в здобутті корисної локальної інформації з значного чисельного потоку на виході лічильного процесора, а також синтезу цієї інформації таким чином, щоб її можна було інтерпретувати. Модуль постпроцесора надає користувачам такі сервісні можливості: візуалізацію тримірного об'єкта контролю на екрані монітора, масштабування зображення об'єкта, обертання зображення об'єкта в просторі, візуалізацію розбиття макроелементів на мікроелементи, зображення вектора напруженості ІЕМП в контрольних точках за допомогою стрілок індукції. В роботі ідентифіковані джерела похибок чисельного вирішення задачі, рекомендовані та апробовані способи регулювання обчислювальних похибок. Розроблені шляхи оптимізації алгоритмів, визначені важелі керування методом ГІР. Працездатність програмного комплексу підтверджена тестовими вирішеннями модельних задач, що мають аналітичне рішення. При обчислюванні розподілу напруженості ІЕМП в циліндричному провіднику, по якому тече змінний струм, похибка обчислень по модулю та фазі становить менш ніж 6%. Обчислювальна похибка має тенденцію до зменшення, якщо апроксімація геометрії об'єкта здійснюється з більшою точністю. Повна перевірка всіх модулів комплексу забезпечувалась при визначенні е.р.с. прохідного ВСП, розташованого на тонкому стальному магнітопроводі. В порівнянні з аналітичним вирішенням задачі максимальна похибка чисельного розрахунку е.р.с. складала по модулю менш 0,01% та фазі - 0,015% в широкому діапазоні зміни частоти однорідного ІЕМП (500 <f< 106), в якому знаходився магнітопровід. У четвертій главі викладено результати математичного моделювання режимів електромагнітного контролю об'єктів з дефектами обмежених розмірів. Використання розробленої інформаційної моделі дозволяє переглянути всілякі сполучення значень параметрів ВСП та визначити ті з них, які відповідають кращим проектним характеристикам. Таким чином, відшукується раціональне вирішення як завгодно близьке по ряду критеріїв до оптимального по кожному з параметрів. Аналіз результатів математичного моделювання дає змогу вибирати оптимальну робочу частоту, конструкцію ВСП, вимірювальну схему та прийоми контролю, які забезпечують достатню чутливість приладу до параметра перевірки, а також повне або часткове знімання впливу неконтрольованих властивостей виробів. Такі дослідження мають проводитись для кожного конкретного об'єкта контролю, що гарантує облік впливу специфічних властивостей об'єкта та високу ефективність контролю. В результаті проведення великої кількості чисельних експериментів накопичено дослідницький матеріал стосовно чутливості класичних накладних та прохідних ВСП до ряду параметрів, серед яких форма та геометрія об'єкта контролю, розмір, форма і місцезнаходження дефекту, його орієнтація відносно ВСП, зазор між об'єктом та перетворювачем. Звернемо увагу на те, що застосування інформаційної моделі процесів контролю дає змогу ретельно розглянути складні випадки в практиці вихорострумової дефектоскопії, котрі викликають значні труднощі в разі використання класичних методів аналізу. Цей тип задач включає виявлення групи дефектів, розташованих на незначній відстані один від одного, контроль виробів з обліком дії крайового ефекту, кількісний аналіз впливу на сигнал ВСП биття об'єкта контролю та інших. Вивчення реакції сигналу ВСП, в тому числі амплітуди та його фази, на зміни означених вище факторів відбувалося для датчиків кругової та прямокутної форми. В ряді випадків вдалося чисельними розрахунками підтвердити експериментальні закономірності, які відображають основні тенденції в електромагнітному контролі об'єктів накладними та прохідними ВСП і мають фундаментальне значення для основ теорії виявлення дефектів. В главі розроблена методика використання інформаційної моделі при проектуванні нових засобів контролю, що включає п'ять основних етапів. На першому етапі доводиться проводити аналіз об'єкта з метою визначення таких характерних місць на ньому, де пошук дефектів викликає найбільші труднощі. Далі у вибраному місці розташовують "граничний" дефект відповідної форми та граничних габаритних розмірів, який має визначити поріг чутливості приладу. На другому етапі виконується вибір оптимальної частоти зондування об'єкта. Задаючись електрофізичними характеристиками об'єкта, а також конструктивними особливостями ВСП в першому наближенні, виконують чисельне моделювання процесу контролю, по результатам якого аналізують функціональну залежність модуля та фази сигналу від узагальненого параметра , а також геометричних розмірів дефекту. Ці дії дозволяють визначити раціональний діапазон зміни узагальненого параметра , які забезпечують максимальну чутливість ВСП до дефекту. На наступному етапі в разі потреби, що в першу чергу відноситься до накладних ВСП, виконується уточнення геометричних розмірів перетворювача. Так, наприклад, для вибору оптимального діаметра накладного ВСП виникає необхідність визначення залежності інформаційного сигналу від діаметра датчика при незмінних геометричних параметрах "граничного" дефекту. Четвертий етап характеризується проведенням досліджень щодо виявлення припустимих змін тих факторів, які заважають вимірюванням, але не вносять значних спотворень в результати контролю. На останньому етапі здійснюється тестування роботи ВСП на дефектах, які відрізняються розмірами, формою та місцем розташування від "граничного" дефекту. На цьому етапі можливо переконатися у правильності або помилковості прийнятих технічних вирішень. На рис. 4, 5 демонструються приклади функціональних залежностей відносного вихідного сигналу накладного ВСП, зведеного до е.р.с. холостого ходу перетворювача, для вибору оптимального діапазону узагальненого параметра та оптимального діаметра відповідно.



Рис. 4 - Залежність модуля відносного вихідного сигналу накладного ВСП від узагальненого параметра

Рис. 5 - Залежність приросту модуля відносного вихідного сигналу накладного ВСП від діаметра перетворювача

Запропоновано використання для потреб неруйнівного електромагнітного контролю перетворювачів, що застосовують елементи Хола в якості шукачів дефектів.

Відрізною властивістю такої ідеології побудови ВСП є постійна чутливість датчика в широкому спектрі частот від 0 до 100 кГц, в якому вектор сумарного ІЕМП найбільш критичний до зміни параметрів об'єкта контролю.

Аналізується чутливість ВСП з елементами Хола до ряду параметрів об'єкта з дефектом. Звертається увага на високу розрізнювальну здатність методу контролю, обумовлену незначними габаритними розмірами елементів Хола (1,5х0,5х0,02 мм), їх високою чутливістю (0,15 В/Тл), широкі можливості в області орієнтації зондуючого елемента в складі ВСП з метою отримання максимальної чутливості приладу у цілому.

У п'ятій главі подана теорія синтезу ВСП із заданою конфігурацією зондуючого поля. Теорія синтезу ВСП призначена для реалізації в конструкціях ВСП нових технічних можливостей, удосконалення їх експлуатаційних характеристик або повторення досягнутих в цьому розумінні результатів, але в супроводженні з значними спрощеннями конструкції. Головна мета синтезу ВСП полягає в цілеспрямованій зміні зондуючих властивостей генерованого ІЕМП, що в багатьох випадках наводить до зростання селективності та чутливості виявлення дефектів, покращання завадозахищеності в наслідок звужування зони взаємодії ІЕМП з об'єктом, а також обмеження магнітних потоків розсіяння перетворювача. З використанням теорії синтезу це стає можливим без застосування зосереджувачів та провідних екранів в складі ВСП. Формування ІЕМП заданої топографії в зоні контролю досягається у результаті застосування ВСП зі змінним розподілом густовини струму в генераторній котушці перетворювача. Сформульована задача параметричного синтезу ВСП, що полягає в визначенні струмів у сукупності рівномірно розподілених тонких котушок, з яких складається генераторна котушка ВСП, із метою наближення синтезованого ІЕМП до заданого. Задачу можна дещо спростити, якщо шуканими при розв'язуванні вважати кількість звоїв w в кожній тонкій котушці та характер їх ввімкнення (суперечне або узгоджене) при умові єдності струму в них. На рис.6 зображені конструкції синтезованих ВСП. З теоретичної точки зору проблема синтезу ВСП розглядається у вигляді



де - розподіл z-ї компоненти ІЕМП, що вимагається в зоні контролю;

- проекція напруженості ІЕМП на напрямок Оz, отримана в результаті дії шуканим розподілом густовини струму;

- похибка синтезу.

Для системи N тонких котушок довільного в узагальненому вигляді перерізу ІЕМП в заданій області контролю можливо визначити в узгодженні з виразом

де - струм в послідовно ввімкнених секціях генераторної котушки ВСП;

Ki (z, r)- функція впливу і-ої тонкої котушки в точці спостереження Q (z, r).

Функція впливу Кі (z, r) залежить від геометричної форми перерізу котушки, її розмірів та місцезнаходження відносно точки спостереження і визначає поле, збуджене і-ою котушкою в точці (z,r) при . Приведені можливі випадки функції впливу, що враховують вплив на формування ІЕМП провідного матеріалу об'єкта контролю. Вивчені властивості вирішення задачі синтезу, визначені необхідні та достатні умови існування розв'язку, а також вимоги до синтезованої функції розподілу поля, розмірам та області його зосереджування. З математичної точки зору рівняння (9) належить до кількості некоректно поставлених задач та їх чисельне розв'язування у багатьох випадках натрапляє на труднощі в зв'язку із нестабільністю обчислювального процесу, в якому невеликі варіації вхідних даних визначають значні зміни результатів розрахунку.

Рис. 6 - Конструкції синтезованих ВСП

Аналізувалась можливість використання при розв'язуванні проблеми методів сингулярного розкладу (SVD) та регуляризації Тіхонова А.Н. Пропонується використання в якості математичної бази вирішення зворотної задачі метода SVD, що забезпечують похибку синтезу ІЕМП достатньо простої топографії не вище 0,5% та враховують особливості комп'ютерного розв'язку некоректно поставлених задач. Розроблено програмний комплекс чисельного моделювання задач синтезу, на чисельних прикладах розглядаються питання верифікації алгоритмів. В результаті чисельних експериментів визначені технічні вимоги до точності виготовлення магнітної системи перетворювачів, виявлена чутливість магнітної системи ВСП до зміни окремих геометричних параметрів. Запропоновані способи технічної реалізації синтезованих конструкцій ВСП, які дозволяють виготовити реальні ВСП з зондуючими ІЕМП мінімально відрізними від розрахункових. Проведено порівнювальний аналіз ВСП циліндричного та радіального типів. Зроблені висновки щодо переважного використовування з точки зору точності формування ІЕМП шуканої конфігурації ВСП циліндричного типу. На рис. 7, 8 ілюструються деякі приклади застосування розробленого програмного комплексу до синтезу зондуючих ІЕМП перетворювачів.

Рис. 7 - Синтез П - образного розподілу ІЕМП в зоні контролю об'єкта накладним циліндричним ВСП



Рис. 8 - Синтез Л - образного розподілу ІЕМП з П - образним п'єдесталом в зоні контролю об'єкта накладним циліндричним ВСП

Шоста глава присвячена питанням розробки апаратно - програмного забезпечення технічних засобів виявлення дефектів в провідних об'єктах довільної форми. Сформульовано принципи побудови ІВСВД, серед яких головне місце належить принципу універсальності. Розроблені структурні схеми двочастотних одноканального та двоканального універсальних дефектоскопів, працюючих відповідно в режимах часового розділення частот та частотної селекції сигналів паралельно функціонуючих каналів. Запропоновано використання для контролю об'єктів в складі ІВСВД універсальних дефектоскопів, що керуються на двох рівнях. На нижньому рівні керування виконує владнана в прилад мікропроцесорна система (МПС), яка має можливість задавати режими роботи основних функціональних вузлів системи (зміну частоти зондуючого ІЕМП, струму збудження ВСП, коефіцієнта передачі підсилювача, ширини смуги пропускання фільтра і т.п.). В склад спеціалізованої МПС введені програмно - керовані функціональні блоки, технічні характеристики котрих змінюються відповідно з керуючим кодовим словом, запровадженим центральним процесором МПС. МПС виконана на сучасній елементній базі мікропроцесорного комплекту К1810 та характеризується високою продуктивністю роботи в співпроцесорній конфігурації. Розроблені електричні принципіальні схеми складових ІВСВД, серед яких генератор, що задає гармонічні коливання з програмованою частотою, підсилювач потужності, програмовані джерела постійної напруги, компенсатор з програмнокерованою фазою вихідного сигналу, підсилювач сигналу з програмнокерованим коефіцієнтом передачі, фазочутливі випрямлячі, програмнокерований фазообертач, система збору даних. Програмне забезпечення МПС містить в своєму складі наступні функціональні модулі: процедуру керування блоком контрольно-вимірювальної апаратури; процедуру обробки результатів вимірювань; процедуру взаємодії з керуючим об'єктом високого рівня. Використання в практиці вихорострумової дефектоскопії двочастотних приладів та відповідного програмного забезпечення обробки сигналу ВСП дозволяє відстроїтися при вимірюванні від впливу ряду факторів (зазору, структурних змін матеріалу об'єкта контролю), що заважають контролю. На високому рівні роботою приладу керує потік інформації, здобутої в процесі функціонування інформаційної моделі процесів контролю. Застосування інформаційної моделі в практиці контролю забезпечує гнучкість, ефективність праці та швидкість адаптації до нових умов роботи з будь-якими об'єктами контролю.

В главі здійснено аналіз та відповідний вибір найбільш ефективних алгоритмів обробки двочастотних сигналів, серед яких: той, що використовує автоматичне регулювання підсилення вимірювального каналу; взаємної корекції сигналів; багатопараметричного контролю виробів із застосуванням лінійної та нелінійної функціональних залежностей.

Запропоновано спосіб суттєвого спрощення застосування для контролю виробів методу багатопараметричного розділу інформації, в якому трудомісткі виснажливі операції налагодження приладів з допомогою стандартних взірців замінюються попереднім математичним моделюванням з допомогою інформаційної моделі з метою визначення залежності вихідного сигналу ВСП від ряду параметрів, котра раніше знаходилась експериментально в процесі налагодження.

Глава містить матеріал стосовно реалізації результатів досліджень в реальних приладах виявлення дефектів та їх впровадження в виробництво.

Приведено опис дефектоскопів контролю якості зварного шва труб в потоці стану. Відзначаються високі технічні характеристики приладів, спроможність роботи відповідно міжнародним стандартам SEP1925, що дозволяє підприємствам провести сертифікацію виробів.

У додатках міститься громіздкий математичний матеріал, одержаний при аналітичних перетворюваннях вихідних формальних інтегральних рівнянь до розрахункового вигляду.

Пiдcумковi висновки та основні результати

В дисертацiйнiй роботi на основi систематизацiї та узагальнення вiдомих теоретичних та прикладних результатiв, а також проведення нових дослiджень викладено науково обґрунтоване рiшення важливої проблеми створення теорiї виявлення дефектiв обмежених розмiрiв в провiдних об'єктах довiльної форми як основи оптимального проектування ВСП та розробки на її базi ефективних засобiв електромагнiтного контролю з високими технiчними характеристиками.

Основнi висновки та результати, здобутi в процесi дослiджень, мiстяться:

1. Запропоновано та теоретично обгрунтовано єдиний методологiчний пiдхiд вирiшення широкого кола задач електромагнiтної дефектоскопiї об'єктiв довiльної форми з дефектами обмежених розмiрiв. В основi пiдходу закладено метод граничних iнтегральних рiвнянь, що забезпечує унiверсальнiсть математичних моделей процесiв контролю складних об'єктiв завдяки використанню фундаментальних функцiй Грiна для тримiрних областей.

2. Проаналiзовані, розглянуті та узагальнені вiдомi математичнi моделi аналiзу тримiрних електромагнiтних полiв в провiдних середовищах. В якостi базової теоретично - розрахункової моделi обрано граничнi IP мiнiмальної розмiрностi для одного векторного та одного скалярного впроваджених фiктивних джерел, розподiлених на поверхнi об'єкта контролю. На основi базової математичної моделi запропонована удосконалена модель для багатозв'язних областей, яка ураховує наявнiсть у складi ВСП зосереджувачiв та екранiв з провiдних матерiалiв, а також адаптована до умов вихорострумового контролю модель, записана вiдносно вiд'ємних фiктивних джерел.

3. У результаті аналітичного перетворення формального нескінченно вимірюваного рішення задачі електромагнітного контролю до скінчено вимірюваного вигляду отримано розрахункові матричні рівняння, придатні для комп'ютерного моделювання процесів взаємодії ІЕМП з об'єктом, а також ВСП з об'єктом.

4. З'ясовані особливостi задачi розрахунку вихiдного сигналу ВСП при контролi об'єктiв з дефектами. Визначені шляхи пiдвищення ефективностi та продуктивностi алгоритмiв, в основу яких закладенi розробленi математичнi моделi.

5. Обґрунтована та запропонована загальна структура програмного комплексу, призначеного для чисельного комп'ютерного моделювання процесiв електромагнiтного контролю провiдних об'єктiв складної геометричної конфiгурацiї з дефектами обмежених розмiрiв. Розроблені ефективнi алгоритми пiдготовки даних, автоматичного генерування сiтковий структури, чисельного вираховування поверхових iнтегралiв, формування та вирiшення комплексно - значних СЛАР великого порядку, вiзуалiзацiї результатiв обчислювання.

6. Розроблена iнформацiйна модель процесiв електромагнiтного контролю, яка є iнформацiйним тлумаченням фiзико-математичної моделi. В основi моделi мiститься єдиний методологiчний пiдхiд, що базується на формалiзмi IР, сформульованих на межi роздiлу середовищ та дозволяє з єдиних позицiй пiдходити до дослiджень процесiв контролю об'єктiв, форма поверхнi та властивостi яких достатньо рiзноманiтнi.

7. Ідентифіковані джерела похибок чисельного розв'язування задачi, рекомендовано та апробовано способи регулювання обчислювальних похибок. Запропоновані шляхи оптимiзацiї використовуваних алгоритмiв, якi вiдчиняють додатнi резерви удосконалення розробленого комплексу програм. Працездатнiсть програмного комплексу доведена тестовими вирiшеннями модельних задач.

8. Для проектування високоефективних технiчних засобiв електромагнiтного контролю запропоновано пiдхiд, що полягає в широкомасштабних дослiдженнях приватних специфiчних задач контролю на базі розроблених інформаційної моделі і методики її застосування, що дозволяє здійснити перехід від узагальнених закономірностей до конкретизованих вузькоспеціалізованих рішень по вибору оптимальних режимів роботи ВСП та їх конструктивних властивостей.

9. В результаті вирішення численних модельних задач досліджена чутливість накладних та прохідних ВСП до зміни геометричних розмірів дефектів, їхньої форми, орієнтації у просторі. У ряді випадків теоретично підтверджені результати експериментальних досліджень, які стали фундаментальними для основ теорії виявлення дефектів. В результаті моделювання теоретично розв'язано ряд задач, котрі раніше не розглядалися через непереборні математичні труднощі.

10. Розроблена методика проектування оптимальних класичних накладних та прохідних ВСП. Особлива увага приділена проектуванню накладних ВСП для виявлення дефектів, конструювання яких традиційно вважається найбільш складним.

11. Розроблено основи теорії синтезу ВСП з апріорно заданою структурою зондуючого ІЕМП, яка дозволяє покращити умови виявлення дефектів в об'єктах в результаті підвищення селективності та їх завадозахищеності. З'ясовані властивості рішення задачі синтезу, визначені необхідні та достатні умови існування розв'язку, а також вимоги до синтезованих функцій розподілу поля, розмірам та області його зосереджування.

12. Розроблено програмний комплекс рішення задач синтезу ВСП на основі методу сингулярного розкладу SVD, що ураховує особливості комп'ютерного рішення некоректно поставлених задач. На численних прикладах розглядаються питання верифікації алгоритмів, визначено технічні вимоги до точності виготовлення магнітної системи синтезованих ВСП.

13. Запропоновано структурні схеми двочастотних одноканального та двоканального універсальних дефектоскопів, працюючих відповідно в режимах часового розділення частот та частотної селекції сигналів паралельно функціонуючих каналів, використання яких забезпечує ефективне відстроювання від факторів, що заважають вимірюванням. Розроблено електричні принципіальні схеми основних функціональних вузлів приладів, спроможних змінювати режими своєї роботи при програмному керуванні від ЕОМ. Визначено алгоритми обробки вихідного сигналу ВСП, що забезпечують відстроювання від неконтрольованих параметрів об'єкта.

14. Запропоновано спосіб суттєвого спрощення застосування для контролю виробів методу багатопараметричного розділу інформації. Трудомісткі операції налагодження приладів з допомогою стандартних взірців рекомендовано заміняти математичним моделюванням з застосуванням комплексу розроблених програм з метою визначення залежності вихідного сигналу ВСП від ряду параметрів.

...