Безконтактні електромагнітні перетворювачі з різною орієнтацією зондуючого магнітного поля

Размещено на http://www.allbest.ru/

Харківський державний політехнічний університет

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

спеціальність 05.11.13 - прилади і методи контролю

Безконтактні електромагнітні перетворювачі з різною орієнтацією зондуючого магнітного поля

Чінь Тхі То Оань

Харків - 1999

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Харківському державному політехнічному університеті Міністерства освіти України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор, Себко Вадим Пантелійович, Харківський державний політехнічний університет, завідувач кафедри прилади і методи неруйнівного контролю.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор, Кузнєцов Борис Іванович, Українська інженерно-педагогічна академія, завідувач кафедри автоматизованих систем управління;

кандидат технічних наук, доцент, Мельник Сергій Іванович, Харківський державний технічний університет радіоелектроніки, доцент кафедри фізики.

Провідна установа: Національний технічний університет України "КПІ", Міністерство освіти України, м. Київ.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Горкунов Б.М.

Анотація

електромагнітний перетворювач трансформаторний

Чінь Тхі То Оань. Безконтактні електромагнітні перетворювачі з різною орієнтацією зондуючого магнітного поля. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.13 - прилади і методи контролю. - Харківський державний політехнічний університет, Харків, 1999.

Захищається рукопис та 11 наукових праць, у яких розглянуто двохпараметрові методи та реалізуючі їх комбінований і прохідний перетворювачі відповідно з поперечним і повздовжним відносно досліджуваного виробу магнітними полями. Отримані співвідношення, які описують роботу цих перетворювачів, заснованих на абсолютних вимірюваннях радіуса та питомої електричної провідності. циліндричних немагнітних виробів, а також на спеціфічному контролі електричних, магнітних і геометричних параметрів у моменти досягнення екстремумів амплітудної та фазової чутливості, уявної частини внесеної ЕРС перетворювачів обох типів, а також екстремумів уявної та похідної від реальної частин результуючої ЕРС прохідного перетворювача. Розроблена методика розрахунку метрологічних характеристик розглянутих перетворювачів з різною орієнтацією магнітного поля. Одержані співвідношення для оцінки похибок двохпараметрових вимірювань.

Ключові слова: електромагнітний перетворювач, зондуюче магнітне поле, радіус, електропровідність, екстремум функції, магнітна проникність, контроль.

Annotation

Trinh Thi To Oanh. Noncontact electromagnetic transformers with different orientation of an exploring magnetic field. - The manuscript.

Thesis on competition of the candidate scientific degree on engineering science on a speciality 05.11.13 - methods and control systems. - The Kharkov state polytechnic university, 1998.

The manuscript and 11 scientific articles that presents two-parameter electromagnetic methods and their implementation in a form of combined and through passing transformators with transversal and longitudinal magnetic fields to an examined sample is advocated. The ratios those discribes the transformers operating regime based on both cylindrical non-magnetic sample radius and specific electrical conductance measurement and specific control of electrical, magnetic and geometrical parameters at the particular moment of extremums amplitude and phase sensitivity imaginary part of the imported electromotive force in the both type transformers, and also imaginary part and actual parts derivation extremums of the through passing transformer resulting an electromotive force are obtained.

Key words: the electromagnetic transformer, exploring magnetic field, radius, electrical conductivity, extremum of function, magnetic permeability, control.

Аннотация

Чинь Тхи То Оань. Бесконтактные электромагнитные преобразователи с различной ориентацией зондирующего магнитного поля. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.11.13 - методы и приборы контроля. - Харьковский государственный политехнический университет, Харьков, 1999.

Защищается рукопись и 11 научных работ, в которых описаны двухпараметровые электромагнитные методы и реализующие их комбинированный и проходной преобразователи с поперечным и продольным к исследуемому изделию магнитными полями соответственно.

Получены точные и приближённые выражения для магнитных потоков и соответствующих им эдс измерительных обмоток трансформаторных электромагнитных преобразователей (комбинированного с поперечным и проходного с продольным полем). На основе этих соотношений разработаны методы совместного определения радиуса и удельной электрической проводимости (продольной и поперечной) с помощью комбинированного и проходного преобразователей, соответственно).

Разработаны схемы включения КЭМП и ПЭМП, основанные на измерении амплитуды и фазы вносимой эдс преобразователя. Причём фаза этой эдс определяется с помощью измерения трёх модулей эдс: двух выравниваемых (вносимой и дополнительной эдс) и их векторной разности.

Рассмотрен двухпараметровый метод совместного контроля радиуса и продольной электрической проводимости на основе достижения экстремума фазовой характеристики комбинированного преобразователя с поперечным магнитным полем.

Предложены методы совместного контроля радиуса и продольной и поперечной удельной электрической проводимости цилиндрических немагнитных изделий на основе использования экстремумов фазовой и амплитудной чувствительности комбинированного и проходного электромагнитных преобразователей. Основным достоинством этих методов и преобразователей является то, что для определения двух параметров используется всего лишь одна рабочая точка на одной из функций преобразования.

Создана методика расчёта ожидаемых значений сигналов комбинированного и проходного преобразователей. Суть её состоит в том, что задавшись параметрами изделия и пользуясь универсальными функциями преобразования определяют пределы изменения электрических сигналов преобразователя и соответствующие им параметры изделия, а также метрологические характеристики электромагнитных устройств.

Предложена методика оценки результирующей погрешности определения двух параметров изделий комбинированным и проходным преобразователями. Результаты расчётов показывают, что в установке, собранной по схеме трёх вольтметров, измеряющих векторную разность двух выравниваемых эдс и сами эти эдс, можно достигнуть численных значений относительных погрешностей измерения радиуса и удельной электрической проводимости 0,3% и 0,5%, соответственно.

Рассмотрен проходной электромагнитный преобразователь, работающий на основе поиска экстремума мнимой части нормированной вносимой эдс преобразователя. Показано, что устройство, основанное на таком экстремуме позволяет получить высокую точность определения двух параметров изделия.

Описаны двухпараметровые методы совместного определения с помощью проходного преобразователя в последовательном и параллельных циклах относительной магнитной проницаемости и удельной электрической проводимости цилиндрических магнитных изделий. Методы основаны на отыскании путём изменения частоты поля экстремумов мнимой и реальной частей результирующей эдс проходного преобразователя.

Полученные результаты экспериментального определения параметров изделий рассмотренными преобразователями хорошо согласуются с данными контрольных устройств и подтверждают справедливость теоретических положении работы.

Приведены примеры практического использования разработанных методов и реализующих их комбинированного и проходного преобразователей для контроля реальных и предельных механических напряжений в теле легкосплавных бурильных труб при спускоподъёмных операциях, для бесконтактного определения радиуса и удельной электрической проводимости линий электропередач и транспортного электроснабжения, для высоконадёжной и достоверной разбраковки материалов магнитных и немагнитных изделий по их маркам и радиусам.

Разработана функциональная схема автоматизированной системы для одновременного контроля радиуса и удельной электрической проводимости на базе комбинированного электромагнитного преобразователя. Система сама может выбирать оптимальный по погрешностям и чувствительности режим работы преобразователя, определить наряду с параметрами изделия и погрешности их измерений, а также провести обработку двухпараметровых измерений.

Ключевые слова: электромагнитный преобразователь, зондирующее магнитное поле, радиус, электропроводность, экстремум функции, магнитная проницаемость, контроль.

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. В останній час загальний практичний інтерес має розробка та вдосконалення методів і приладів для багатопараметрового контролю одним і тим же перетворювачем в одній і тій же зоні контроля. На даний період значного розвитку набули електромагнітні методи та перетворювачі прохідного типу, які дозволяють одночасно контролювати два або три параметри циліндричного виробу, тобто відносну магнітну проникність _r, питому електричну провідність і радіус а виробу. Слід зазначити, що прохідний електромагнітний перетворювач має можливість контролювати тільки ті вироби чи зразки, які мають вільний доступ до їх кінців. Крім цього, прохідні перетворювачі для створення однорідного магнітного поля вздовж виробу потребують значної довжини, так як відношення довжини до діаметра повинно бути більшим ніж 20. А відношення довжини магнітного (сталевого) виробу до його діаметра в однорідному полі повинно бути більшим за 100 для того, щоб значно зменшити вплив розмагнічующого фактору на результати контролю. Слід зазначити, що контроль виробів у повздовжному полі дозволяє знайти повздовжну магнітну проникність і поперечну питому електропровідність. Дуже важливо контролювати магнітні та електричні параметри виробу у різних напрямках зондуючого поля, що пройшли різні види обробок (механічних, термічних, хімічних та інших), з тим щоб знайти анізотропію параметрів, обумовлену вказанними обробками. Останнє тим більш цікаве, що при цьому змінюються такі фізико-механічні параметри як міцність (границя міцності), твердість, температура, хімічний склад матеріалу виробу та інші. Необхідно відмітити, що на даний період виникла важлива задача підвищення точності багатопараметрових вимірювань, яка у свою чергу поліпшує розпізнавальну здатність електромагнітного перетворювача відносно інформативних параметрів матеріалів та виробів.

Таким чином, розвиток електромагнітних методів і перетворювачів повинно бути направлено на створення пристроїв із різною орієнтацією магнітного поля відносно вироба (так наприклад, поряд з однорідним повздовжним, доцільно використовувати однорідне поперечне магнітне поле, а також неоднорідне магнітне поле, яке зондує виріб).

Все це приводить до думки про те, що необхідно створити методи та пристрої, які дозволяють дослідити властивості матеріалів і виробів у різних напрямках кристалічної решітки, а також підвищити точність вимірювання та чутливість електромагнітних перетворювачів для контролю виробів, які мають доступ до їх кінців та довгих, кінці яких закриті (бурові колони, трубопроводи, прутки, дроти електрозабезпечення та інші). Такі задачі є актуальними і важливими для теорії та практики контролю.

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

Дисертація виконувалась згідно з проектами, які пройшли конкурси Міністерства освіти України (тема М 5202 та М 5203, Наказ Міністерства освіти України № 37 від 13.02.1997 р.), а також на підставі Міжнародного договору між Харківським державним політехнічним та Ханойським (В'єтнам) технологічним університетом від 15.10.1996 р.

Мета та задачі дослідження - це розробка та створення електромагнітних методів і реалізуючих їх пристроїв на основі трансформаторних перетворювачів для знаходження електромагнітних та геометричних параметрів металевих виробів, які зондуються магнітним полем різної орієнтації.

Для досягнення поставленої цілі необхідно було вирішити задачі:

- розробити двохпараметровий метод одночасного визначення в поперечних та повздовжних магнітних полях радіуса а та питомої електричної провідності немагнітного циліндричного виробу;

- розглянути схему пристрою, який реалізує двохпараметровий метод заснованний на вимірюванні внесеної ЕРС, рівній їй додатковій ЕРС та їх векторній різниці, при цьому отримати необхідні співвідношення;

- запропонувати двохпараметровий метод контроля немагнітного виробу на основі досягнення екстремуму фазової функції перетворення, знайти вирази для визначення двох параметрів;

- розробити спеціальні методи на основі досягнення екстремумів амплітудної та фазової чутливості комбінованого та прохідного перетворювача з поперечним і повздовжним магнітним полем, забезпечити метод співвідношеннями для знаходження параметрів виробу;

- розробити методику розрахунку очікуваних значень компонентів сигналу комбінованого електромагнітного перетворювача;

- створити метод спільного визначення електричного, геометричного та магнітного параметрів, отримати вирази, які описують роботу прохідного перетворювача з повздовжним магнітним полем на основі знаходження екстремума уявної частини внесеної ЕРС перетворювача;

- отримати формули, які описують метод спільного визначення магнітної проникності _r та електропровідності шляхом використання дійсної частини результуючої ЕРС прохідного електромагнітного перетворювача;

- провести аналіз похибок вимірювання радіуса та питомої електричної провідності циліндричних виробів, отримати вирази для визначення похибок, вибрати раціональні за похибками режими роботи прохідного та комбінованого перетворювачів;

- запропонувати приклади практичного використання прохідного та комбінованого електромагнітних перетворювачів;

- на базі створених методів і пристроїв розробити алгоритм та функціональну схему автоматизованої системи для одночасного контролю радіуса та питомої електричної провідності немагнітних бурових труб, ліній електропередач, які не мають доступу до кінців.

Методи дослідження базуються на використанні теорії електромагнітного поля, електродинаміки суцільних середовищ, апарату спеціальних функцій, теорії рядів, інтегрального та диференціального обчислення, функцій комплексного аргументу, теорії електричних і магнітних кіл, теорії похибок і магнетизму.

Наукова новизна отриманих результатів роботи посягає в тому, що:

- розроблено двохпараметровий метод та реалізуючий пристрій одночасного визначення у поперечному та повздовжному магнітному полі радіуса та питомої електричної провідності немагнітного циліндричного виробу; при цьому отримані необхідні співвідношення;

- запропоновано метод одночасного контролю двох параметрів немагнітного циліндричного виробу шляхом досягнення екстремуму фазової функції комбінованого перетворювача, знайдені формули для визначення значень а і виробів у поперечному магнітному полі;

- створені спеціальні методи спільного визначення а і немагнітного виробу на основі одержання екстремумів амплітудної та фазової чутливості комбінованого перетворювача з поперечним магнітним полем, які забезпечені необхідними співвідношеннями для знаходження а і ;

- розроблена методика розрахунку очікуваних величин компонентів сигналу комбінованого перетворювача з поперечним магнітним полем;

- створено метод і отримано співвідношення, які описують роботу прохідного електромагнітного перетворювача з повздовжним магнітним полем, при визначенні а, _r і виробу на основі знаходження екстремума уявної частини внесеної ЕРС перетворювача;

- запропоновано метод для одночасного контролю а та виробу за допомогою використання екстремуму дійсної частини результуючої ЕРС прохідного перетворювача;

- отримані співвідношення для розрахунку похибок вимірювання декількох параметрів виробу; на основі аналізу похибок вимірювання встановлені раціональні режими роботи перетворювачів;

- наведено приклади практичного використання комбінованого та прохідного електромагнітних перетворювачів;

- на базі створених алгоритмів, методів і пристроїв розроблена функціональна схема автоматизованої системи для одночасного контролю радіуса та питомої електричної провідності немагнітних бурових труб, проводів, ліній електропередач і електротранспорту та інших виробів.

Практичне значення отриманих результатів роботи полягає в тому, що знайдені в дисертації співвідношення для знаходження радіуса, питомої електричної провідності та магнітної проникності, а також розроблена методика розрахунку очікуваних компонентів сигналу перетворювача дозволяють спроектувати прилади на базі використання комбінованого та прохідного електромагнітних перетворювачів, оцінювати такі важливі метрологічні характеристики, як діапазон контролюючих параметрів виробу і відповідні їм електричні сигнали перетворювачів, похибки двохпараметрових вимірювань, чутливість перетворювачів та інші, підібрати вимірювальну апаратуру для створення пристрою, вибрати оптимальний з точки зору похибок та чутливості режими роботи комбінованого і прохідного перетворювачів.

Особистий внесок здобувача в роботах із співавторами полягає в тому, що основні результати дисертації були отримані особисто автором. У публікаціях із співавторами [1, 3, 5, 10] автором отримано основні формули, які описують двохпараметрові методи та реалізуючі їх прохідні перетворювачі для знаходження електромагнітних параметрів циліндричних магнітних виробів, в [2, 4, 9] - розробка екстремальних методів і пристроїв для спільного контролю радіуса та електропровідності циліндричних немагнітних виробів, отримання співвідношень для знаходження цих параметрів та похибок двохпараметрових вимірювань; у [11] - розробка математичної моделі комбінованого електромагнітного перетворювача з виробом, якій зондують поперечним магнітним полем; у [6, 7, 8] - запропоновано використання розроблених двохпараметрових методів та пристроїв для знаходження фізико-механічних та інших характеристик матеріалів, виробів і конструкцій.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідались на: Міжнародних науково-технічних конференціях "Інформаційні технології: наука, техніка, технологія, освіта", Харків - Мішкольц (Угорщина) - Магдебург (Німеччина), 1997 р. (дві доповіді), 1998 р.; Науково-технічній конференції з міжнародною участю "Проблеми автоматизованого електроприводу". (Теорія і практика), Крим, Алушта, 1997 р.; 3 ^й Міжнародній науково-технічній конференції "Нетрадиційні електромеханічні і електричні системи"; Крим, Алушта, 1997 р.; 2 ^й Міжнародній науково-технічній конференції "Метрологічне забезпечення в області електричних, магнітних і радіовимірювань", Харків, 1997 р. (дві доповіді); Міжнародній науково-технічній конференції "Промисловість будматеріалів, будіндустрія, енерго- і ресурсозбереження в умовах ринкових відносин", Бєлгород, 1997 р.

Публікації: основні результати дисертації опубліковані у 11 наукових працях, із них у 4 статтях та у 7 працях Міжнародних науково-технічних конференціях.

Структура дисертації. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів і заключення, викладених на 129 сторінках, літератури з 92 найменувань, та додатків на 12 сторінках. Робота проілюстрована 28 малюнками та 15 таблицями.

2. Основний зміст роботи

У вступній частині зазначена актуальність теми дослідження, показано зв'язок роботи з науковими темами та Міжнародним договором, вказана мета роботи та сформульовані основні задачі дисертації, відмічена 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 знаходження розмірів виробів та їх питомої електричної провідності. Показано, що головним недоліком цих методів і приладів контролю є те, що вони знаходять геометричні і електричні параметри окремо, причому робота одного приладу заважає роботі іншого, що значно ускладнює процес контролю. Крім цього, не всі вироби, особливо ті, що не мають доступу до кінців можуть контролюватися відомими методами і пристроями. Зроблено висновок про те, що для визначення параметрів виробів різноманітних конфігурацій і які мають анізотропію матеріалу вироба, необхідно використовувати зондуючі магнітні поля різної орієнтації по відношенню до виробу.

У другому розділі дано теоретичне обгрунтування трансформаторного комбінованого електромагнітного перетворювача КЕМП з поперечним магнітним полем, яке пронизує циліндричний немагнітний виріб. На основі законів Максвела, Ома та рівняння дифузії змінного поперечного магнітного поля в металевий виріб було введено спеціальні нормовані параметри та встановлено функціональні зв'язки між геометричними і електричними параметрами та сигналами КЕМП. У якості таких спеціальних параметрів було використано амплітуду N і фазу _вн питомої нормованої внесеної ЕРС Е_вн вимірювальної котушки ВК КЕМП. Вираз для комплексного параметра N має вигляд:

, (1)

де Е₀ - ЕРС вимірювальної котушки КЕМП у разі відсутності у ньому виробу; І₂ і І₀ - нормовані функції Беселя першого роду другого і нульового порядків від уявного аргументу х, модуль х знаходять, як:

, (2)

₀ - магнітна константа; f - частота зміни магнітного поля; ; - безрозмірна геометрична функція, яку можна обчислити для круглої ВК, площина якої перпендикулярна до напрямку магнітного поля і розташована симетрично поверхні виробу, із виразу

, (3)

а₂ - середній радіус ВК; Х₀ - відстань від осі виробу до середини ВК.

В якості джерела магнітного поля, яке має напрямок поперек виробу, використовували котушки Гельмгольца, які дозволяють створювати однорідне поле в невеликій зоні контролю. У роботі наведено вираз для у разі використання прямокутної ВК, розміщеної поблизу вироба. Виділив дійсну та уявну частини у виразі (1), записавши та через ber-, bei- функції Кельвіна, отримаємо співвідношення для амплітуди і фази _вн параметра N. На мал. 1 приведено залежності N (крива 1) і _вн (крива 2) від узагальненого параметра х. Ці залежності наведено в додатках дисертації у вигляді масиву точок.

Отримані в роботі співвідношення та залежності _вн і N від х дозволяють встановити алгоритм одночасного знаходження радіуса та повздовжної питомої єлектричної провідності виробу, який пронизують поперечним магнітним полем. Суть такого алгоритму полягає в наступному. Якщо брати до уваги той факт, що фаза _вн не залежить від геометричної функції, то спочатку вимірюють величину _вн, а по ній, використавши залежність _вн від х (див. мал. 1) знаходять останній, а по ньому на основі функції N = f (х) знаходять модуль параметра N, а потім величини а і за виразами:

, (4)

. (5)

Розроблена схема включення КЕМП на основі вимірювання ЕРС Е_вн, близькій до неї доповненій ЕРС Е₀, а також векторній різниці Е цих двох ЕРС. При цьому можна достатньо точно вимірювати як малі значення , так і порівняно великі . Формула для знаходження _вн, за виміряними значеннями Е_вн і Е має вигляд

. (6)

Потім у цьому розділі розглядаються екстремальні методи і пристрої для спільного контролю а і циліндричних виробів. Розглядається двохпараметровий метод на основі досягнення з допомогою зміни частоти f екстремуму при х = 3,40 залежності фазового кута ₁ спеціального комплексного параметра, пов'язаного з нормованою результуючою ЕРС Е_р КЕМП. Наявність максимума функції ₁ = f (X) дозволяє реалізувати двохпараметровий метод за допомогою КЕМП при використанні тільки цієї функції. Значення в цьому випадку знаходять із формули

 (7)

де ; ; Е_р - результуюча ЕРС ВК, яка наводиться результуючим магнітним потоком поперечного поля, ₀ - кут зсуву фази між Е_р і Е₀; значення Е_р і Е₀ вимірюють при досягненні екстремума ₁. Знайшовши за результатами експерименту , значення а визначають із виразу (3), а знаходять при (х = 3,40), фіксованій частоті f₀, яка відповідає екстремуму функції ₁=f (х) за формулою

. (8)

Використавши цю ж ідеологію знаходження екстремумів функцій перетворення, розроблено двохпараметрові методи знаходження а і , які дозволяють шляхом зміни частоти поля і фіксації її при досягненні екстремумів амплітудної і фазової чутливостей КЕМП знайти ці два параметра виробу. Ці екстремуми наступають у точках перегибу функцій N = f (х) і _вн = f (х) (див. мал. 1), тобто в точках де модулі похідних dN/dх і d_вн/dх є максимальними. При використанні амплітудного методу, тобто функції N = f (х) екстремум відповідає х₁ = 1,6176 і N₁ = 0,298386, а при реалізації фазового методу (_вн = f (х)) - х₂ = 1,8027; N₂ = 0,354849. З урахуванням цих значень і формул (4) і (5) знаходження а і у випадку контролю амплітудним і фазовим методами можливо реалізувати, виходячи із співвідношень (4) і (5). Тільки при цьому у формули потрібно підставити при реалізації амплітудного метода виміряні значення Е_вн1, Е₀₁, f₁, х₁ і константи N₁, які відповідають екстремуму dN/dх (або ). А у разі контролю фазовим методом у формулах (3) і (4) потрібно підставити експериментально отримані величини Е_вн2, Е₀₂, f₂, х₂ і константи N₂, знайдені при екстремумі d_вн/dх (або ).

Розглянуті у роботі екстремальні методи реалізовані у послідовному циклі, тобто спочатку знаходять радіус виробу, а потім - . При автоматизації процесу контролю доцільно знаходити за виміряними величинами Е_вн, _вн і Е₀ параметри а і незалежно друг від друга (тобто у паралельному циклі). У цьому випадку величину а знаходять із формули (4), а обчислюють при амплітудному методі, виходячі із виразу:

(9)

Якщо використовується фазовий екстремальний метод, то

(10)

Порівняння цих вимірювань а і , за допомогою розглянутих електромагнітних методів і реалізуючих їх КЕМП на конкретних зразках із результатами виміру контрольними приладами (мікрометром для визначення а і мостом постійного струму для визначення ) показало високі точностні характеристики КЕМП з поперечним полем. При проектуванні установок на базі КЕМП і знаходження їх метрологічних характеристик важливе значення набуває методика розрахунку очікуваних значень складових сигналу перетворювача, яка полягає в тому, що, прийнявши крайові значення а і , а також величини а₂, Х₀, напруженість магнітного поля та величину узагальнюючого параметра Х, знаходять із (2) частоти зондуючого поля, які відповідають заданим Х. Після цього визначають ЕРС Е₀ за формулою:

Е₀ = 4,44 f W_вк0Н₀, (11)

де W_вк - число витків ВК.

Потім із (3) находять геометричну функцію , а із функціональних залежностей N = f (х) і _вн = f (х) (див. мал. 1) знаходять N і _вн. Потім обчислюють величину Е_вн з урахуванням (1) за виразом

Е_вн = Е₀N. (12)

На основі (6) визначають Е, виходячи із формули:

. (13)

Величину струму в котушках Гельмгольца знаходять за відомим в літературі виразом. Таким чином, знайшовши компоненти вихідних сигналів КЕМП, такі як Е₀, Е_вн, _вн и Е, отримані для зразків з граничними значеннями а і , можна визначити діапазони зміни параметрів виробів і відповідний їм діапазон електричних сигналів, чутливість КЕМП до зміни а і , похибки вимірювання цих параметрів, а також знайти раціональні за чутливістю та похибками режими роботи перетворювача. Цю методику можна використовувати і для визначення сигналів і характеристик прохідного перетворювача (див. розділ 3).

На основі отриманих в роботі залежностей N = f (х) и _вн = f (х) та співвідношень, які описують роботу установки з КЕМП, визначені формули для розрахунку похибок одночасного контролю а і у поперечному магнітному полі. В даному випадку при довірчій ймовірності 0,9 маємо

, (14)

, (15)

де _а, _Евн, _Е, _Е0, _Х0, и _f відносні похибки вимірювання величин, вказаних індексів; С_а і С₁ - коефіцієнти впливу, які залежать від похідних і функцій перетворення.

Розрахунки, виконані за (14) і (15), якщо використовувати цифрові вольтметри високого класу точності з характерними значеннями _{Евн Е Е0} 0,2%, _f 0,1%, _Х0 0,1%, то можна отримати числові значення _а і - 0,3% і 0,5% відповідно в оптимальному діапазоні х 3.

У третьому розділі розглядається трансформаторний прохідний електромагнітний перетворювач ПЕМП для знаходження радіуса і поперечної питомої електричної провідності немагнітних циліндричних виробів, а також їх повздовжної відносної магнітної проникності _r. При цьому для контроля параметрів немагнітних виробів вводиться аналогічний, розглянутому раніш, комплексний параметр , який відрізняється геометричною функцією. При цьому:

, (16)

де - коефіцієнт заповнення; , а_п - радіус вимірювальної обмотки ПЕМП; - комплексний параметр, що характеризує собою питому нормовану ЕРС Е₂ ПЕМП, обумовлену магнітним потоком у виробі;

 (17)

де І₁ - модифікована функція Беселя першого роду першого порядку.

Цікаво відмітити, що для ПЕМП залишаються тіж універсальні функції перетворення, тобто N = f (х) і _вн = f (х), що і для КЕМП (див. мал. 1). У випадку використання абсолютного методу спільного знаходження а і немагнітних виробів використовується, як і раніше, схема, яка заснована на вимірюванні двох вирівнюваних ЕРС Е_вн і Е₀ ПЕМП та їх векторної різниці. При цьому процедура знаходження а і на основі використання залежностей N = f (х) і _вн = f (х) залишається такою ж, як і для КЕМП. Проте, значення радіуса виробу обчислюють за формулою

. (18)

Питому електричну провідність у послідовному циклі знаходять за (5), а значення у паралельному циклі визначають за виразом:

. (19)

У цьому розділі були обчислені похибки вимірювань а і за формулами (14) і (15) (тільки у (15) під коренем потрібно замінити (2_Х0)² на (2_ап)². Використовуючи ті ж значення _{Евн Е Е0} 0,2%, _f 0,1%, _ап 0,1%, отримаємо в результаті розрахунків за формулами (14) і (15) числові значення _а і приблизно такі ж, як і для КЕМП. Були побудовані залежності _а і від х і знайдено оптимальні за похибками діапазон зміни х 3.

В даному розділі описано двохпараметровий прохідний перетворювач, робота якого базується на досягненні екстремума уявної частини нормованої ЕРС ПЕМП. Із (16) витікає, що уявні частини:

, (20)

.

Вираз (20) можна записати у вигляді

. (21)

Залежність ImK від х має екстремум у точці х = 2,515. Таким чином, з допомогою зміни частоти поля і фіксації її значення f₀ при досягненні екстремума, можна спільно визначити а і за результатами вимірювань Е₀, Е_вн, _вн і f₀ в момент екстремума. У даному випадку з урахуванням констант, що відповідають екстремуму, тобто х = 2,515; ImК = 0,377451807, виходячи із (20) отримаємо формули для визначення а і у послідовному циклі

, (21)

= 801099,1[1/(a²f₀)]. (22)

У паралельному циклі а знаходять із виразу (21), а

(23)

Екстремум = f (х) при х = 2,515 можна використовувати у ПЕМП для одночасного визначення _r і феромагнітних виробів при відомому а. В такому випадку, з урахуванням постійних величин ImK = 0,37745807; |К| = 0,7236268 і фазового кута , тобто =31,440364⁰ були знайдені вирази для визначення _r і у вигляді: для послідовного циклу

; (24)

= 801099,1[1/(a²f₀)]. (25)

Для паралельного циклу

. (26)

В цьому розділі розглянуто ПЕМП для спільного визначення _r і , робота якого заснована на використанні екстремума похідної реальної частини нормованої результуючої ЕРС за частотою перетворювача. Формули для розрахунку _r і за результатами вимірювань Е_р, Е₀, ₀ і f₀ у послідовному циклі з урахуванням |ReK| = 0,73309987 і Х = 2,131 в момент екстремума мають вигляд

; (27)

. (28)

У паралельному циклі

. (29)

Тут же розглянуто методи і ПЕМП, що їх реалізують, для одночасного визначення а і немагнітних виробів на основі використання амплітудної і фазової чутливості ПЕМП, тобто на досягненні максимума похідних і .

Наведені результати контролю параметрів конкретних зразків, що отримані за допомогою абсолютного і екстремального методів, які реалізовані з допомогою ПЕМП. Такі результати дають можливість робити висновок на основі порівняння їх з даними контрольними вимірюваннями про високу точність характеристик ПЕМП з виробами, що мають різні параметри.

Четвертий розділ присвячений питанням практичного використання комбінованих і прохідних електромагнітних перетворювачів у практиці неруйнівного контролю матеріалів і виробів. Розглянуто використання КЕМП для контролю а і легкосплавних бурильних труб. Установлено, що, контролюючи зовнішній радіус легкосплавної бурильної труби при спускопідйомних операціях з буровою колоною можна судити про реальне механічне напруження в зоні контролю, а дані вимірювань в цій же зоні дозволяють отримати інформацію про граничні параметри міцності труби. У тому разі, коли реальні і граничні параметри стають близькими один до одного, необхідно вилучити цю дефектну трубу із бурової колони.

Наведено приклад аналогічного контролю а і ліній електропередач і транспортного електропостачання. Очевидно, що нарощення льоду на дротах ліній приводить до зменшення діаметру, а далі - до обриву дроту. При значном розтягуванні дроту змінюється його матеріалу. Спільний контроль а і дроту доцільно здійснювати при його виготовленні після протягування через фільєри, тобто керувати технологічним процесом виготовлення.

З метою спільного контроля якості дроту ліній електропередач і транспортного електропостачання був розроблений пристрій на основі використання КЕМП з поперечним магнітним полем. Така установка дозволяє підвищити якість виготовлення і експлуатації ліній електропостачання, а також запобігати аварійних ситуацій. На прикладах розглянуто використання ПЕМП для одночасного контролю _r і в процесі розбраковки матеріалу феромагнітних виробів (прутків, дротів, труб) за марками сталей і сплавів. Доведена висока надійність і достовірність результатів розбраковки при спільному контролі двох електромагнітних параметрів _r і .

Розроблена функціональна схема автоматизованої системи для одночасного контролю а і на базі установки з КЕМП. Система може здійснювати контроль легкосплавних бурильних труб, розбраковку немагнітних матеріалів і виробів за марками і радіусами, перевіряти якість виготовлення і експлуатації ліній електропередач та електропостачання транспорту. До достоїнств даної схеми можна віднести те, що вона сама вибирає оптимальний режим роботи з погляду досягнення високої точності і чутливості КЕМП до параметрів виробу, визначення поряд з радіусом і електропровідністю похибок їх вимірів, а також можливість проводити обробку результатів багаторазових вимірювань. Розроблена система може бути використана при контролі і управлінні технологічними процесами виготовлення і експлуатації матеріалів, виробів і конструкцій.

Основні результати та висновки

Таким чином, в дисертації вирішені важливі, з точки зору теорії і практики, задачі розробки та дослідження електромагнітних методів та приладів для контролю одночасно двох параметрів циліндричних виробів в магнітних полях різної орієнтації.

Одержані точні і наближені вирази для магнітних потоків і відповідних їм ЕРС вимірювальних обмоток трансформаторних електромагнітних перетворювачів (комбінованого з поперечним та прохідного з повздовжним полем). На основі цих формул створені методи спільного визначення радіусу і електропровідності (повздовжної і поперечної) при допомозі комбінованого і прохідного перетворювачів відповідно.

Розроблені схеми включення КЕМП і ПЕМП, засновані на вимірюванні амплітуди та фази ЕРС, що вноситься, перетворювача. Причому фаза цієї ЕРС визначається за допомогою вимірювання трьох модулей ЕРС: двох, що вирівнюються (внесеної і додаткової ЕРС) та їх векторної різниці.

Розглянуто двохпараметровий метод спільного контролю радіусу та повздовжної електричної провідності на основі досягнення екстремума фазової характеристики комбінованого перетворювача з поперечним магнітним полем.

Запропоновані методи спільного контролю радіусу та повздовжної і поперечної питомої електричної провідності циліндричних немагнітних виробів на основі використання екстремумів фазової та амплітудної чутливості комбінованого і прохідного електромагнітних перетворювачів. Основним достоїнством цих методів та перетворювачів є те, що для визначення двох параметрів використовується всього одна робоча точка на одній з функцій перетворювача.

Створена методика розрахунку значень, що очікуються, сигналів комбінованого та прохідного перетворювачів. Суть її в тому, що, задавшись параметрами виробу та користуючись універсальними функціями перетворювання, визначають границі зміни електричних сигналів перетворювача і відповідні їм параметри виробу, а також метрологічні характеристики електромагнітних приладів.

Запропонована методика оцінки результуючої похибки визначе ння двох параметрів виробів комбінованим та прохідним перетворювачами. Результати розрахунків показують, що в установці, зібранній по схемі трьох вольтметрів, що вимірюють векторну різницю двох вирівнюючих ЕРС та самі ці ЕРС, можна досягти числових значень відносних похибок вимірювання радіуса та питомої електричної провідності 0,3% та 0,5%, відповідно.

Розглянуто прохідний електромагнітний перетворювач, що працює на основі пошука екстремума уявної частини нормованої ЕРС, що вноситься, перетворювача. Показано, що прилад, заснований на такому екстремумі, дозволяє одержати високу точність визначення двох параметрів виробу.

Описані двопараметрові методи спільного визначення за допомогою прохідного перетворювача в послідовному та паралельному циклах відносної магнітної проникності та питомої електричної провідності циліндричних магнітних виробів. Методи засновані на знаходженні шляхом зміни частоти поля екстремумів уявної та реальної частин результуючої ЕРС прохідного перетворювача.

Одержані результати експериментального визначення параметрів виробів розглянутими перетворювачами добре узгоджуються з даними контрольних приладів та підтверджують справедливість теоретичних положень роботи.

Наведені приклади практичного використання розроблених методів та комбінованого прохідного перетворювача для контроля дійсних та граничних механічних напружень в тілі легкосплавних бурильних труб при спуско-підйомних операціях, для безконтактного визначення радіусу та питомої електричної провідності ліній електропередач і транспортного електропостачання для високонадійної розбраковки матеріалів магнітних та немагнітних виробів по їх маркам та радіусам.

Розроблена функціональна схема автоматизованої системи для одночасного контроля радіуса та питомої електричної провідності на базі комбінованого електромагнітного перетворювача. Система сама може вибирати оптимальний за похибками та чутливістю режим роботи перетворювача, визначити поряд з параметрами виробу похибки їх вимірювань.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Себко В.П., Сиренко Н.Н., Чинь Тхи То Оань Совместное определение электромагнитных параметров цилиндрических изделий одночастотным методом // Украинский метрологический журнал. - 1997, № 3. - С. 29-30.

2. Здобувачем запропоновано двохпараметровий перетворювач на основі досягнення максимуму похідної реальної частини ЕРС.

3. Себко В.П., Сиренко Н.Н., Чинь Тхи То Оань Одночастотный двухпараметровый контроль цилиндрических ферромагнитных изделий // Технічна електродинаміка. - 1997. - № 5. - С. 75-77.

4. У роботі автором розроблено двохпараметровий перетворювач, заснований на екстремумі функції сумарної ЕРС.

5. Себко В.П., Чинь Тхи То Оань, Салем Ханна Мадаин Электромагнитный контроль радиуса и удельной электрической проводимости // Технічна електродинаміка. - 1998. - № 1. - С. 73-75.

6. Отримані співвідношення, які описують амплітудний та фазовий методи.

7. Себко В.П., Чинь Тхи То Оань Контроль параметров цилиндрических изделий в поперечных магнитных полях // Сборник научных трудов Харьковского государственного политехнического университета. - Харьков, вып.6, ч.2, 1988. - С. 320-322.

8. Себко В.П., Москаленко И.И., Чинь Тхи То Оань, Салем Ханна Мадаин Бесконтактный контроль электрических и магнитных параметров изделий вихретоковыми методами // Труды 2-й Международной научно-технической конференции "Метрологическое обеспечение в области электрических, магнитных и радиоизмерений". - Т. 2. - Харьков. - 1997. - С. 128-130.

9. Здобувачем запропоновано перетворювач для безконтактного контролю електричних і магнітних параметрів металевих виробів.

10. Себко В.П., Чинь Тхи То Оань, Салем Ханна Мадаин Комплексные методы контроля электромагнитных параметров проводящих изделий // Труды Международной научно-технической конференции "Информационные технологии: наука, техника, технология, образование". - Ч. 3. - Харьков - Мишкольц (Венгрия) - Магдебург (Германия). -1997. - С. 190-192.

11. Запропоновано поряд з контролем електромагнітних параметрів, контролювати інші фізичні величини.

12. Себко В.П., Корсунов Н.И., Чинь Тхи То Оань, Салем Ханна Мадаин Моделирование многопараметрового электромагнитного преобразователя с проводящим изделием. // Труды научно-технической конференции с международным участием "Проблемы автоматизированного электропривода". - Крым, Алушта. - 1997. - С. 322-323.

13. Розроблена математична модель вихорострумового перетворювача з виробом у повздовжному полі.

14. Себко В.П., Горкунов Б.М., Чинь Тхи То Оань Методы комплексного электромагнитного контроля цилиндрических изделий // Труды 3-й Международной научно-технической конференции "Нетрадиционные электромеханические и электрические системы". -Т.3. - Крым, Алушта. - 1997. - С. 1121-1124.

15. У роботі запропоновано здобувачем контролювати електричні параметри виробу, розміщеному у вихорострумовому перетворювачі.

16. Себко В.П., Чинь Тхи То Оань, Москаленко И.И. Бесконтактный контроль диаметра и электропроводности цилиндрических немагнитных изделий // Труды 2-й Международной научно-технической конференции "Метрологическое обеспечение в области электрических, магнитных и радиоизмерений". - Т.2. - Харьков. -1997. - С. 125-127.

17. Себко В.П., Сиренко Н.Н., Чепков В.В., Чинь Тхи То Оань Контроль электромагнитных парметров изделий на основе экстремумов сигналов преобразователя // Труды Международной научно-технической конференции "Информационные технологии: наука, техника, технология, образование". -Ч. 3. - Харьков - Мишкольц (Венгрия) - Магдебург (Германия). -1997. - С. 183-186.

18. Себко В.П., Горкунов Б.М., Чинь Тхи То Оань Математическая модель электромагнитного преобразователя с поперечным зондирующим полем // Труды Международной конференции "Промышленность стройматериалов, стройиндустрия, энерго- и ресурсоснабжение в условиях рыночных отношений". - Ч. 8. - Белгород. - 1997. - С. 42-47.

Размещено на Allbest.ru

...