Размещено на http://www.allbest.ru/

• Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля міністерства освіти і науки України

УДК 621.179.14

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Спеціальність 05.11.13 - Прилади та методи контролю та визначення складу речовин

Удосконалення методу оцінки характеристик вихідного сигналу ферозонда при контролі дефектів суцільності феромагнітних виробів

Полтавцев Андрій Юрійович

Луганськ - 2010

Дисертація є рукописом

Робота виконана на кафедрі "Електромеханіка" Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля (СНУ ім. В. Даля) Міністерства освіти і науки України, м. Луганськ.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Яковенко Валерій Володимирович, Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля, завідувач кафедри "Електромеханіка"

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Сахацький Віталій Дмитрович, Українська інженерно-педагогічна академія, завідувач кафедри "Радіоелектроніка та компьютерні системи" кандидат технічних наук Щвець Світлана Миколаївна, Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля, доцент кафедри "Прилади".

Захист відбудеться 24 грудня 2010 р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 29.051.07 при Східноукраїнському національному університеті імені Володимира Даля за адресою: 91034, Україна, м. Луганськ, кв. Молодіжний, 20а.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля (91034, м. Луганськ, кв. Молодіжний, 20а).

Автореферат розісланий 22 листопада 2010 р.

Учений секретар спеціалізованої вченої ради К 29.051.07 О. І. Шевченко

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Існує досить велика кількість досліджень, які дають вичерпну інформацію про магнітне поле дефектів, залежності його топографії від параметрів дефекту й величини поля, що намагнічує.

Проте існує необхідність встановити не тільки параметри поля розсіювання, а й величину напруженості поля у ферозонді, що вимірює поле розсіювання дефекту.

Також існує необхідність у методиці розрахунків вихідного сигналу ферозонда, що вимірює поле дефекту - йдеться про методику, яка могла б урахувати не тільки параметри ферозонда, але й вплив на функцію перетворення ферозонда вихідного опору генератора збудження й вхідного опору обладнання обробки сигналу ферозонда.

Сучасні засоби комп'ютерної техніки дозволяють оперативно обробити інформацію про дефект і сформувати "портрет" дефекту, що підвищує вірогідність виявлення дефекту й селекцію дефектів, які суттєво впливають на безаварійну роботу деталі у виробі - через це задача встановлення функціональної залежності між параметрами сигналу ферозонда й характеристиками дефекту є актуальною.

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

Дисертаційна робота виконана згідно з концепцією Державної програми забезпечення технологічної безпеки в основних галузях економіки, яку затверджено розпорядженням Кабінету Міністрів України від 11 червня 2003 року № 351 і Постановою Кабінету Міністрів України від 8 жовтня 2004 року № 1331 "Про затвердження науково-технічної програми "Ресурс", а також згідно з планами наукової роботи кафедри "Електромеханіка".

Науково-дослідницькі роботи виконані при особистій участі автора дисертаційної роботи. сигнал ферозонд дефектоскоп дефект

Мета й задачі досліджень. Метою дисертаційної роботи є встановлення функціональної залежності між характеристиками вихідного сигналу ферозондового дефектоскопа, параметрами дефекту й величиною зондуючого магнітного поля, що дозволить створювати системи кількісної оцінки параметрів дефектів.

Для досягнення цієї мети необхідно вирішити такі завдання:

- встановити раціональні методи підвищення точності розрахунків магнітних систем ферозондових дефектоскопів;

- провести розрахунок поля нормальної складової вектора намагніченості на поверхні феромагнітного матеріалу в обмеженій області дефекту;

- провести розрахунок поля вектора намагніченості в обмеженому в околі дефекту об'ємі феромагнітного матеріалу в нелінійному феромагнітному середовищі;

- створити математичну модель напруженості магнітного поля наведеного дефектом в осердях ферозонда;

- розробити математичну модель функції перетворення ферозонда, що враховує параметри електронних схем, які забезпечують функціонування ферозонда та його режиму збудження.

- Визначити вплив частоти вимірюваного сигналу на функцію перетворення ферозонда.

Об'єкт дослідження. Процес ферозондового контролю дефектів суцільності феромагнітного матеріалу.

Предмет дослідження. Функціональна залежність між характеристиками сигналу ферозонда й параметрами дефекту.

Методи дослідження.

При вирішенні поставлених завдань використаноУ

- математичне моделювання полів вектора намагніченості дефектів і локально намагнічених ділянок?

- математичне моделювання процесу формування магнітного потоку, індукованого дефектами й локально намагніченими ділянками в осердях ферозонда;

- теорему про взаємність Поливанова К.М;

- чисельне розв'язання системи нелінійних диференційних рівнянь для визначення функції перетворення ферозондів для різних параметрів їх електричних схем;

- експериментальну перевірку коректності результатів, отриманих теоретичним шляхом, обробку експериментальних даних і результатів математичного моделювання методами математичної статистики й отримання на цій основі функціональних зв'язків.

Наукова новизна отриманих результатівУ

- вперше розроблено метод обмеження області феромагнітного матеріалу з дефектом і розрахунків залишкової намагніченості шляхом використання векторного коефіцієнта розмагнічування, що дає можливість підвищити точність розрахунків намагніченості в околі дефекту й скоротити час розрахунків поля вектора намагніченості;

- вперше отримано аналітичні залежності для розрахунків магнітного потоку й напруженості, наведених полем дефекту в осердях ферозонда, що дозволяє скоротити час розрахунків при урахуванні більшості параметрів магнітної системи ферозонда й дефекту;

- вперше проведено математичне моделювання процесу формування вихідного сигналу ферозонда, при якому враховувалися вихідний опір генератора збудження й опір навантаження, у звичайному режимі й у режимі параметричного підсилення, при вимірі постійних і змінних полів, що підвищило точність визначення функції перетворення ферозонда.

Практичне значення отриманих результатів. На підставі виконаних досліджень і отриманих наукових результатів розроблено рекомендації для розрахунків ферозондових дефектоскопів, які включено в систему контролю якості тяги маятникової підвіски тягових двигунів тепловозів у Луганській холдинговій компанії "Луганськтепловоз" і прийнято до впровадження на виробництві. Результати теоретичних досліджень використовує в навчальному процесі кафедра "Прилади" СНУ ім. В. Даля.

Особистий внесок автора.

Особисто автором визначено задачу наукових досліджень і сформульовано теоретичні положення роботи, розроблено алгоритми вирішення задач та програмні модулі, що забезпечують їх комп'ютерну реалізацію. Виконано необхідний обсяг теоретичних досліджень магнітної системи ферозонд-дефект, ферозонд-локально намагнічена ділянка, а також процесу формування вихідного сигналу ферозонда при різних параметрах генератора збудження та навантаження.

Автором запропоновано концепцію функціонального зв'язку між параметрами дефекту й вихідним сигналом ферозонда, розроблено математичні моделі та виконане математичне моделювання полів вектора намагніченості електромагнітних систем ферозондових дефектоскопів, запропоновано конструкцію магнітної системи дефектоскопа з кільцевим осердям.

Автором виконано натурні експерименти, що дають можливість оцінити коректність та достовірність теоретичних досліджень.

Апробація результатів дисертації.

Результати дисертаційної роботи доповідалися і обговорювалися на: 4-й Міжнародній науково-технічній конференції "Інформаційна техніка і електромеханіка" (м. Луганськ, 2007 р.); на Міжнародних конференціях "Проблеми сучасної електротехніки" (м. Київ, 2006, 2008 р .); ІІ Всеукраїнській науково-практичній конференції (м.Кременчук, КДПУ, 2008р.); VI Всеукраїнській науково-технічній конференції молодих вчених і спеціалістів (м. Кременчук, 2008 р.).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 5 статей у спеціалізованих наукових журналах (з них 2 без співавторів) які входять до переліку ВАК України, 4 доповіді у матеріалах робіт міжнародних та науково-практичних конференцій і отримано 1 деклараційний патент України.

Структура й обсяг дисертаційної роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаної літератури, додатків. Повний обсяг роботи становить 203 сторінки, у тому числі 120 сторінок основного тексту, 11 сторінок списку літератури (105 джерел), 24 повних сторінки з малюнками та таблицями (37 рисунків, 4 таблиці).

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми дослідження, показано зв'язок роботи з науковими темами, які виконувались кафедрою, сформульовано основні напрямки, мета та задачі наукових досліджень, викладено суть, стан наукової проблеми, наукову новизну, практичну значність і реалізацію результатів роботи, наведено відомості про апробацію та публікації за темою роботи.

У першому розділі проаналізовано існуючі методи розрахунку полів розсіювання дефектів і величини намагніченості в області розташування дефекту. Зауважено недоліки існуючих методів розрахунку, до яких належать такі: немає універсальних методів визначення величини намагніченості в області розташування дефектів, матеріал контрольованої деталі в магнітному відношенні припускається лінійним середовищем, що не відповідає дійсності; використовується розрахунок тільки в прикладеному полі, а не в залишковому. Зроблено висновок про те, що найбільш перспективним розрахунком намагніченості в області дефекту є метод чисельного розв'язання інтегрального нелінійного рівняння.

Розглянуто існуючі методи розрахунку магнітних систем ферозондів. Специфіка застосування ферозондів для виявлення суцільності металу полягає в необхідності вимірювання вузьколокальних магнітних полів поблизу поверхні виробу, які є різко неоднорідними та швидко спадають з віддаленням від поверхні виробу.

Середнє значення напруженості поля в осердях ферозонда не може бути прийнятим в якості інформаційного параметра через те, що поле дефекту є різко неоднорідним. Тому необхідні теоретичні розробки, результати яких дозволять за будь-яких співвідношень розмірів осердь ферозондів і дефекту визначати напруженість поля, яка наведена дефектом, в осердях ферозонда, тобто необхідний метод, що дозволяє робити розрахунки магнітної системи ферозонд-дефект одночасно. Відзначено, що наведені в літературних джерелах залежності для розрахунку магнітних систем ферозондів, мають деякі недоліки. Усі залежності призначені для розрахунку коефіцієнтів розмагнічування в центральному перерізі осердя, у той час коли коефіцієнт розмагнічування значно змінюється за довжиною осердя. Практично не враховуються параметри котушки та припускається, що намотування котушки відбувається вузькою смужкою в середній частині осердя. Не враховується, що проникність матеріалу осердя змінюється зі зміною струму збудження.

Проаналізовано існуючі методи визначення функції перетворення ферозонда. Відзначено, що існуючі методи розрахунку функцій перетворення ферозондів використовують значну ідеалізацію їх електромагнітних схем, що вносить певну похибку при визначенні зв'язку між напруженістю вимірюваного поля й амплітудою другої гармоніки вихідного сигналу. Зроблено вибір напряму теоретичних і експериментальних досліджень, визначено послідовність теоретичних розробок.

У другому розділі наведено розробку математичної моделі поля вектора намагніченості в області дефекту. Представлено дві моделі вектора намагніченості в області розташування дефекту: одна для нормальної складової вектора намагніченості на поверхні феромагнітного металу, друга - для вектора намагніченості у феромагнітному просторі.

Дефект займає мізерну область у межах контрольованої деталі й при використанні методу інтегральних рівнянь, який передбачає інтеграцію або по усій поверхні деталі, або за її цілим об'ємом, виникає необхідність підвищувати порядок системи алгебраїчних рівнянь для отримання необхідної точності розрахунку поля дефекту. Тому потрібний метод локалізації вектора намагніченості в області прилеглій до дефекту. При використанні для розрахунку поля поверхневих інтегральних рівнянь пропонується обмежити площу поверхні, що безпосередньо оточує дефект. Вважається, що стороннє поле, що намагнічує, має одну складову вектора напруженості, яка спрямована паралельно щодо поверхні контрольованої деталі, унаслідок чого нормальна складова намагніченості існує тільки в околі дефекту.

Після чисельного рішення інтегрального рівняння площа навколо дефекту отримує приріст, і рішення інтегрального рівняння повторюється. Процедуру рішення повторюють, поки результати рішень відрізнятимуться на задану величину.

Контроль дефектів феромагнітного виробу по залишковому полю здійснюється при намагнічені матеріалу виробу до стану, що близький до насичення. Таким методом контролюються як поверхневі, так і підповерхневі дефекти. При розрахунках намагніченості в області, що є безпосередньо прилеглою до дефекту (рис. 1), використовується інтегральне рівняння (1).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1. До чисельного розрахунку вектора намагніченості в обмеженій області феромагнітного матеріалу, що є прилеглою до дефекту

,(1)

Де - напруженість магнітного поля;

- об'єм феромагнітного матеріалу, у якому визначається вектор намагніченості , і площа його поверхні відповідно;

- вектор, спрямований з точки джерела в точку спостереження;

- одиничний вектор нормалі до поверхні S;

- напруженість магнітного поля стороннього джерела.

Існуючі методи чисельного розв'язання інтегрального рівняння (1) недосконалі, оскільки при розв'язанні областю розрахунку є цілий контрольований виріб, у якому область дефекту займає мізерне місце. Тому область розрахунку поля вектора намагніченості дефекту обмежується об'ємом, що є безпосередньо прилеглим до дефекту. У об'ємі виробу область розв'язання виокремлюється таким чином: в розрахунковій області без дефекту розраховується напруженість стороннього джерела і намагніченості . Вважається, що і мають одну складову, що не суперечить дійсності, зважаючи на малі розміри дефекту. В околі дефекту виокремлюється підобласть, лінійні розміри якої в 20-30 разів перевищують розміри дефекту. Підобласть розбивається на J елементарних об'ємів (ЕО), ЕО прилеглі до поверхні підобласті (рис. 1) вважаються нескінченно довгими. Тоді інтегральне рівняння (1) редукується до наступної системи алгебраїчних рівнянь:

,(2)

Де - номер площадки ЕО, прилеглої до підобласті;

- кількість зовнішніх граней підобласті;

- точки спостереження і джерела; - кількість елементарних об'ємів; - відстань від точки джерела до точки спостереження;

- площа грані j -го елементарного об'єму.

Система рівнянь (2) доповнюється нелінійною залежністю .

Розміри підобласті, у якій розраховується вектор , можуть корегуватися у бік збільшення так, щоб виконалася нерівність

,

де - задане мале число.

Після розрахунку шляхом розв'язання (2) знаходиться вектор напруженості розмагнічуючого поля за формулою:

.(3)

Вводиться поняття векторного коефіцієнта розмагнічування для кожного i-го елементарного об'єму, проекції якого дорівнюють:

, , . (4)

Величина вектора залишкової намагніченості, яка встановлюється після відключення джерела поля вектора , визначається розв'язанням системи рівнянь:

(5)

Де - залежність намагніченості від напруженості в другому квадранті петлі гістерезису.

Таким самим методом розраховується поле вектора намагніченості при локальному намагнічені області, що містить дефект, приставним електромагнітом.

Для визначення загальних закономірностей розподілу поля вектора в підобласті розташування дефекту було проведено чисельні експерименти. Чисельні експерименти проводилися для феромагнітного матеріалу сталь 25Х2ГНТА, що має наступні параметри: початкова магнітна сприйнятливість =15; намагніченість насичення =1,175·106А/м; залишкова намагніченість = 0,713·106 А/м; коерцитивна сила = 4,85·103 А/м. Геометричні розміри підобласті 10Ч4Ч4 мм; розміри дефектів 2a=10 мм; 2b=0,4 мм; 0,8 мм; 2с=1 мм. Напруженість поля, що намагнічує, =400 А/м; 5·103 А/м.

Об'єм підобласті розбивався на 432 елементарних об'єми, в безпосередній близькості від дефекту знаходилися 252 елементарних об'єми.

Результати розрахунку наведено у вигляді графиків на рис. 2, 3, 4, 5. З графиків видно, що однорідність поля вектора при наближенні до дефекту порушується, модуль зменшується на 20-25%. Було проведено натурні експерименти з визначення поля вектора усередині феромагнітного виробу. Результати натурних і чисельних експериментів відрізняються не більше, ніж на 12%.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2. Підобласть, що містить дефект

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 3. Залежність складових вектора від розташування центрів ЕО (великі ЕО) при =400 А/м



У третьому розділі викладено пропонований метод розрахунку напруженості неоднорідного магнітного поля, наведеного дефектом, в осердях ферозонда.

Розрахунок напруженості поля в осерді ферозонда запропоновано виконати з використанням теореми про взаємність, яка перетворюється на дві залежності, що дозволяють розрахувати напруженість магнітного поля в осерді ферозонда при заданих геометричних параметрах його осердя й відомому значенні вектора намагніченості в підобласті, що містить дефект.

При заданому значенні вектора в кожному елементарному об'ємі, величина напруженості магнітного поля в осерді ферозонда дорівнюватиме:

,(6)

Де - вектор намагніченості в i-му елементарному об'ємі виробу, що контролюється;

- вектор напруженості в i-му елементарному об'ємі, наведений намагніченим осердям ферозонда;

- об'єм осердя ферозонда;

- середнє значення намагніченості осердя ферозонда;

- кількість ЕО.

, (7)

Де - магнітний потенціал, наведений на j-й элементарній

площадці;

- площа поверхні j-ої площадки;

- площа поверхні ферозонда;

- нормальна складова вектора намагніченості.



Рис.6. Геометричні моделі магнітних систем ферозондових передворювачів

Фундаментальні залежності (6) і (7) дозволяють отримати аналітичні залежності для напруженості поля в осерді для вертикального його розташування (рис. 6 а), горизонтального розташування (рис. 6 б) і кільцевого осердя (рис. 6 в). Розрахунок напруженості поля в осерді ферозонда виконується за формулами:

для варіанта 1 (рис.6. а)

(8)

для варіанта 2 (рис.6. б)

(9)

для варіанта 3 (рис.6. в)

(10)

де 2l - довжина осердя кільцевого ферозонда (V_ф=8abl).

При розрахунку напруженості магнітного поля в осерді ферозонда-градиєнтовимірювача використовуються наступні формули:

НФ1=НФ1(y)-НФ1(y+y); НФ2=НФ2(y)-НФ2(y+y); НФ3=НФ3(y)-НФ3(y+y);

де y - зсув осердь ферозонда по координаті «y» одне відносно одного.

Для порівняння результатів розрахунку напруженості поля осердя з котушкою трьома способами було проведено чисельні експерименти.

Для ферозонда з параметрами осердя 2b=2мм; 2a=0,5мм; 2c=0,05мм; m=470; довжиною котушки 2b_k =1,2мм ставиться у відповідність ферозонд, осердя якого має параметри 2b'=82мм; 2a'=4,5мм; 2с'=0,25мм; довжиною котушки 2b'_k=52мм, який має ту ж проникність форми (рис.7).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 7. Точки, в яких розраховувалося магнітне поле осердя з котушкою

Параметри розрахункових осердь (2b', 2а', 2с') вибрано так, щоб можна було провести натурний експеримент з визначення складових вектора напруженості в розрахункових точках. Точність розрахунку напруженості поля осердя з котушкою оцінено порівнянням даних, отриманих розрахунковим шляхом з результатами натурного експерименту. Для розрахунку магнітного потоку, що індукується в осерді ферозонда намагніченим дефектом у вигляді тріщини, проведено чисельний експеримент для наступних параметрів: M = 10⁵ А/м; 2a = 2·10-³ м; 2b = (2-10)·10-³ м; 2c = 1·10-³ м; t = 0,5·10-³ м; 2a_k = 3·10-³ м; 2b_k = 2·10-³ м; 2c_k = 2·10-³ м; 2a₁ = (1-10)·10-³ м; 2b₁ = (0,1-0,5)·10-³ м; 2c₁ = (0,1-0,3)·10-³ м; i_k = 1 A; w = 10. Результати чисельних експериментів надано у вигляді графіків на рис.8.

Для експериментальної перевірки результатів теоретичних досліджень було підготовлено зразок з дефектами типу тріщина, виконаних електроіскровим способом. Зразок виготовлено зі сталі 25ХГ2 з розмірами 470х80х80 і намагнічено в пристрої, що намагнічує. Досліджувалися два режими виявлення дефектів: режим прикладеного магнітного поля і режим залишкового магнітного поля при намагніченні зразка полем напруженістю 5·10³ А/м в замкнутому магнітопроводі.



Рис. 8. Графіки залежності максимального потоку в осерді ферозонда від довжини ферозонда і від розмірів дефекту

У експериментах використано тільки вертикальне розташування ферозондів над поверхнею зразка. Коефіцієнт передачі ферозонда по амплітуді другої гармоніки складав G=1,3·10-⁴ Вм/А. Коефіцієнт підсилення магнітометричного тракту дорівнював K=400. Лінійний діапазон передачі магнітометричного каналу складав 250 А/м. Довжина ферозондів складала 2с=2·10-³, 4·10-³ м, перерізи ферозондів вибрано такими, щоб при зміні довжини ферозонда проникність форми осердь залишалася постійною і дорівнювала µ=120. Площа перерізу осердь S₁=0,075·10-⁶ м²; S₂=0,15·10-⁶ м²; S₃=0,25·10-⁶ м². Довжина дефектів дорівнювала 2а_д=10·10-³ м. Висота розташування нижньої площини осердя ферозонда над поверхнею контрольованої деталі змінювалася в межах h=0,5; 1,0; 3,0мм. Похибка експерименту оцінювалася величиною 6%. Результати натурного експерименту наведено в таблиці 1.

У таблиці 1 розбіжність результатів натурного експерименту і розрахункових даних за максимальним значенням вихідного сигналу дефектоскопа і за відстанню між максимальним і мінімальним значенням вихідного сигналу дефектоскопа не перевищує 9%, середнє значення відносної похибки дорівнює 5,1%, 4,4%. Це вказує на коректність математичної моделі процесу формування сигналу дефекту й запропонованих методик розрахунку функціонального зв'язку між характеристиками вихідного сигналу ферозонда і параметрами дефекту.

У четвертому розділі наведено математичну модель утворення вихідного сигналу ферозонда. За допомогою цієї моделі розв'язано проблеми, які пов'язані з функцією перетворення ферозонда, які до цього часу було вирішено неповною мірою, або не було вирішено взагалі:

- визначено вплив внутрішнього опору генератора збудження на функцію перетворення ферозонда;

- знайдено залежність функції перетворення ферозонда від амплітуди напруженості поля збудження;

- визначено вплив гістерезису магнітного матеріалу осердя на функцію перетворення ферозонда;

- розраховано залежність функції перетворення ферозонда від навантаження, у тому числі й від активно-ємнісного;

- знайдено функцію перетворення ферозонда при вимірюванні синусоїдальних магнітних полів різної частоти.

Таблиця 1 Результати натурного експерименту за визначенням функціонального зв'язку між характеристиками вихідного сигналу ферозонда і параметрами дефекту

Чисельний експеримент проводився для ферозондів, які мають наступні параметри: 2L=2-5 мм; H₀=0,1 - 10³ А/м; B_S=0,7 Тл; S=5·10-⁸ м²; w₁=w₂=200; R₁=0,01 100 Ом; R₂=1- 10³ Ом; H₁=80 - 3·10³ А/м.

Виявлено, що при малих значеннях опору генератора збудження =1-10 Ом, форма напруженості магнітного поля відрізняється від синусоїдальної.

При зменшенні опору форма напруженості поля стає синусоїдальною, амплітуда напруженості збудження змінюється у межах 200 - 2·10³ А/м. Залежність функції перетворення ферозонда для другої і четвертої гармонік від амплітуди напруженості збудження показано на рис.9. Встановлено, що наявність гістерезису магнітного матеріалу осердя зменшує функцію перетворення ферозонда на 8 - 12 %.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 9. Залежність коефіцієнта перетворення ферозонда від амплітуди напруженості магнітного поля збудження, Hs=10³ А/м

Шляхом чисельних розрахунків визначено, що при параметричному резонансі коефіцієнт передачі ферозонда збільшується на порядок.

Наведені отримані аналітичні залежності для функції перетворення ферозонда, що працює в режимі параметричного підсилення. Розрахунок коефіцієнта передачі в отриманій аналітичній залежності збігся з результатами чисельних експериментів.

Надано розроблену математичну модель процесу формування сигналу ферозонда при вимірювані синусоїдальних полів.

Отримана в аналітичному вигляді функція перетворення магнітомодуляційного перетворювача для вимірювання синусоїдальних полів має вигляд:

де - амплітуда другої гармоніки напруги вихідного сигналу;

- амплітуда потоку вимірюваного поля;

- кількість звоїв у вихідній обмотці ферозонда;

, - параметри магнітної системи магнітомодуляційного перетворювача;

- частота збудження магнітомодуляційного перетворювача;

- частота вимірюваного поля

Результати чисельних розрахунків дозволили встановити, що вимірювання синусоїдального поля можна виконувати ферозондом до значень частоти поля

де - смуга пропускання фільтра другої або четвертої гармоніки, амплітуди вихідних сигналів ферозонда починають зменшуватись при досягненні частоти вимірюваного поля , де - кутова частота збудження.

У п'ятому розділі представлено практичне застосування проведених досліджень у вигляді розробки ферозондового дефектоскопу для контролю дефектів деталі складної форми на різних стадіях її виготовлення. Деталлю є тяга маятникової підвіски тягових двигунів тепловозів (ТПЕТ). До технологічного процесу виготовлення тяги входить кування, чистота поверхні після кування відповідає ДСТ 8479-80. На кованій поверхні допускаються вм'ятини, забоїни та наявність окалини. Контроль здійснюють візуально. Запропонована система ферозондового контролю виконує контроль дефектів заготовки в прикладеному змінному полі. Частота поля - 800 Гц. Маємо два ферозонди й два електромагніти. Ферозонд і електромагніт об'єднано в одну пару, яка пересувається вздовж контрольованого об'єкта. Інша пара також автоматично пересувається навколо сфери. Галтельний перехід контролюється окремим ферозондом. Друга підсистема контролює ТПЕТ у залишковому полі. Контроль відбувається вручну за допомогою ферозондів з кільцевим осердям. Намагнічування виконується в спеціальному обладнанні.

Схеми збудження ферозонда й обробки його вихідних сигналів є традиційними. Частота генератора подвоюється й подається на синхронний детектор. Вихідний сигнал з ферозонда надходить у підсилювач другої гармоніки, а після підсилення й виокремлення другої гармоніки подається на вхід синхронного детектора. Напруга із синхронного детектора детектується амплітудним детектором, тобто відбувається виокремлення постійної складової сигналу. Після перетворення аналогового сигналу в цифровий відбувається обробка інформації комп'ютером. Метою обробки є визначення параметрів дефектів.

Підсистема контролю ТПЕТ є найбільш відповідальною тому, що вона дозволяє відбраковувати дефектні деталі й виключати їх з подальшого процесу обробки. Частотні методи корекції сигналів виключаються, тому необхідно використовувати винятково амплітудні методи виокремлення сигналів. Відмітною рисою системи контролю ТПЕТ є те, що на основі проведених у дисертаційній роботі теоретичних і експериментальних досліджень створено систему визначення параметрів дефектів за характеристиками сигналів ферозондів. Система функціонує в реальному масштабі часу, тобто після виявлення дефекту, сигнал якого перевищує межовий рівень, відбувається його цифрова обробка. Визначаються величини ,. Вносяться дані про величину напруженості поля, що намагнічує , вектор якого є паралельним площині контрольованого виробу, параметри ферозонда ,, і величина відстані від нижніх торців осердь ферозондів до поверхні контрольованого виробу.

Розрахунки проводилися для низки значень від 0,1 до 1,0 мм з кроком = 0,05 мм. Задається максимальне значення =1 мм і мінімальне значення , визначається максимальне значення і порівнюється з максимальним значенням , яке отримане шляхом виміру. Якщо , то у розрахунок вводиться значення , що є наполовину меншим й розрахунок повторюється. Якщо в результаті виходить , то віднімається 0,025 мм, якщо , то до 0,05 мм додається 0,025 мм, тобто виконується алгоритм «зважування» доти, поки буде виконана умова , де - задана мала величина. Розрахунок ведеться за формулою:

де - значення «», при якому набуває максимального значення.

Якщо значення більше розрахункових величин , то збільшується величина на 0,05 мм і розрахунок повторюється. У результаті розрахунку визначаються параметри і . Увесь розрахунок ведеться протягом 1-1,2 с, тобто оцінка параметрів дефекту проводиться в реальному масштабі часу. Оскільки величина вимірюється шляхом вимірювання максимального значення напруги вихідного сигналу, то для одержання значень використовується співвідношення

де - максимальне значення другої гармоніки вихідного сигналу, отримане при пересуванні ферозонда над поверхнею виробу з дефектом; - коефіцієнт передачі ферозонда по другій гармоніці.

Основні висновки

У дисертаційній роботі вирішено наукову задачу визначення функціонального зв'язку між характеристиками вихідного сигналу ферозонда й параметрами дефекту, що дає можливість підвищити точність розрахунків магнітних систем ферозондових дефектоскопів і створювати системи розпізнавання параметрів дефектів.

1. На підставі результатів аналізу літературних джерел визначено, що подальше підвищення точності розрахунку магнітних систем ферозондових дефектоскопів повинно полягати в розробці методики розрахунку поля вектора намагніченості в області розташування дефекту, у створенні методу визначення середнього значення напруженості поля в осердях ферозонда, наведеного полем дефекту, в підвищенні точності розрахунку функції перетворення ферозонда;

2. Зроблено розрахунок поля нормальної складової вектора намагніченості в лінійному середовищі, розроблено й реалізовано у вигляді алгоритмів чисельного розрахунку метод обмеження області визначення нормальної складової вектора намагніченості на поверхні феромагнітного металу в околі дефекту, що дозволяє розрахувати намагніченість дефектів виробів складної геометричної форми шляхом розв'язання інтегрального рівняння. Дані натурного експерименту вказують на те, що метод розрахунків поля, заснований на чисельному розв'язанні інтегрального рівняння, має найменшу похибку з усіх відомих методів. Розбіжність результатів чисельних і натурних експериментів становить 2,4%, при інших методах розрахунків - 5-8%.

3. Зроблено розрахунок поля вектора намагніченості в нелінійному феромагнітному середовищі, розроблено метод обмеження області феромагнітного матеріалу в околі дефекту при розрахунках об'ємної намагніченості поблизу дефекту методом розв'язання нелінійного векторного рівняння, що підвищує точність розрахунків і зменшує час розрахунків. Шляхом уведення поняття векторного коефіцієнта розмагнічування запропоновано методику розрахунків залишкового значення вектора намагніченості в області дефекту, що дає можливість підтвердити факт утворення об'ємних магнітних зарядів біля стінок дефекту.

4. На основі теореми про взаємність розроблено теорію математичної моделі напруженості магнітного поля наведеного дефектом в осердях ферозонда, що дало можливість спростити розрахунок й підвищити точність розрахунку магнітної системи ферозонд-дефект.

5. Розроблено математичну модель функції перетворення ферозонда. Встановлено, що використання джерела напруги як генератор збудження ферозонда замість джерела струму збільшує коефіцієнт передачі ферозонда по другій гармоніці в 1,5-1,6 рази, а коефіцієнт передачі по четвертій гармоніці зменшується в 2-2,5 рази, і це підтверджено результатами натурного експерименту. У режимі параметричного резонансу зауважено 8 - 10 кратне збільшення коефіцієнта передачі ферозонда по другій та четвертій гармоніці;

6. Досліджено вплив частоти вимірюваного поля на функцію перетворення ферозонда. Згідно з результатами чисельних експериментів, амплітуди парних гармонік вихідного сигналу зі зростанням частоти вимірюваного поля практично не змінюються. Амплітуди вихідних сигналів ферозонда при вимірюванні синусоїдального магнітного поля починають спадати при досягненні частоти вимірюваного поля 0.8 від частоти струму збудження.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Полтавцев А.Ю. Расчет коэффициента преобразования феррозондов с продольным возбуждением в режиме полемера / А.Ю. Полтавцев // Праці Луганського відділення Міжнародної Академії інформатизації. - 2004. - №2 (9). - C. 19-25

Здобувачем запропоновано чисельний метод розрахунку функції перетворення ферозонда.

2. Полтавцев А.Ю. К расчету магнітной системы феррозонда с кольцевым сердечником / А.Ю. Полтавцев // Праці Луганського відділення Міжнародної Академії інформатизації. - 2010. - № 5 (21). - C. 52-56

Здобувачем запропонована форма ферозонда та метод розрахунку передатної характеристики.

3. Полтавцев А.Ю. Расчет коэффициента преобразования феррозонда второй гармоники / А.Ю. Полтавцев, В.В. Яковенко, М.В. Калмыков // Сб. Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія "Електротехніка і енергетика". - 2004. - Вип. 79. - C. 217-220

Здобувачем запропоновано метод чисельного розрахунку коефіцієнту перетворення ферозондів з урахуванням параметрів навантаження інформаційної обмотки.

4. Полтавцев А.Ю. Накладная вихретоковая система с феррозондом в качестве измерительного преобразователя / А.Ю. Полтавцев, В.В. Яковенко, Н.А. Жученко // Праці Луганського відділення міжнародної академії інформатизації. - Луганськ: ЛуганськКанцОпт - 2007. - № 2 (15), частина 1. - С. 154-158 Здобувачем запропоновано конструкцію первинного вимірювального пристрою.

5. Полтавцев А.Ю. Оценка влияния внутреннего сопротивления генератора на функцию преобразования феррозонда второй гармоники / А.Ю. Полтавцев, Н.А. Жученко, М.А. Калмыков // Вісник Східноукраїнського національного університету ім. В.Даля. - 2004. - №6 (76). - C.64-69.

Здобувачем запропоновано використання джерела напруги замість джерела струму для живлення обмотки збудження ферозондового перетворювача;

6. Полтавцев А.Ю. К расчету ферромодуляционного многоэлементного датчика / А.Ю. Полтавцев, В.М. Водолазский, М.П. Корбан // Збiрник наукових праць VI Всеукраiнської науково-технiчної конференцiї молодих учених i спецiалicтiв. - Кременчук, КДПУ. - 2008. - C.188-189.

Здобувачем запропоновано алгоритм розрахунку магнітного потоку у магніто-проводі магнітної системи локального магнітомодуляційного датчика.

7. Полтавцев А.Ю. Моделирование процесса измерения неоднородных магнитных полей феррозондов / А.Ю. Полтавцев, Н.П. Корбан, А.Е. Якименко // Збiрник наукових праць міжнародної конференц. Технічна електродинаміка. Проблеми сучасної електротехніки, ч.1. - Київ, - 2008.

Здобувачем запропоновано метод розрахунку функції перетворення ферозонда.

8. Полтавцев А.Ю. Электромагнитный комбинированный металоискатель / А.Ю. Полтавцев, В.В. Букреев, Н.П. Корбан, В.В. Яковенко // Збiрник наукових праць міжнародної № конференц. Технічна електродинаміка. Проблеми сучасної електротехніки, ч.7. - Київ. - 2006. - C. 7-10.

9. Полтавцев А.Ю. К расчету магнітного потока, индуцированного полем дефекта в сердечниках феррозонда / А.Ю. Полтавцев, В.В. Букреев, Н.П. Корбан // Матеріали ІІ Всеукраїнської науково-практичної конференції. Вісник КДІІУ ім. Остроградського, вип.5(52), ч.1. - Кременчук. - 2008. - C.18-21.

10. Пат. №4993 Украина МПК⁷ Н01F7/18 Система керування пристроєм для прогнозування надійності металевих конструкцій / Жученко Н.О., Полтавцев А.Ю., Яковенко В.В., Мушкаев Я.В. (Украина), Східноукраїнський державний університет. - № 20040604512; Заявл. 10.06.2004; Опубл. 15.02.2005. -5 с.

Анотації

Полтавцев А.Ю. Удосконалення методу оцінки характеристик вихідного сигналу ферозонда при контролі дефектів суцільності феромагнітних виробів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.13 - Прилади та методи контролю та визначення складу речовин. - Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля, Луганськ, 2010.

Дисертацію присвячено вдосконалюванню методів розрахунку вимірювальних ферозондових перетворювачів приладів неруйнівного контролю та створенню математичних моделей формування сигналів, що індукуються дефектами або намагніченими ділянками. Це підвищує достовірність контролю приладами, що мають цей вид перетворювачів. Розроблено метод обмеження області феромагнітного матеріалу з дефектом та розрахунку залишкової намагніченості шляхом використання векторного коефіцієнта розмагнічування, що дає можливість підвищити точність і скоротити розрахунок поля вектора намагніченості в області дефекту. Створено математичну модель, котра встановлює зв'язок між параметрами дефекту (або параметрами намагніченої локальної ділянки) і магнітним потоком, індукованим в осерді ферозонда, що дає можливість обґрунтовано вибрати раціональні параметри магнітної системи ферозонда, а також покращати метрологічні характеристики ферозондового перетворювача в цілому. Модель створено на основі теореми про взаємність. Досліджено шляхом математичного моделювання та чисельного експерименту функцію перетворення ферозонда при вимірюванні постійного та змінного магнітних полів, що враховує внутрішній опір генератора збудження та параметри навантаження, що дає можливість оптимізувати режим роботи ферозонда за критерієм максимальної чутливості.

Ключові слова: ферозонд, неруйнівний контроль, математична модель, магнітне поле, магнітна дефектоскопія, інтегральні рівняння, чисельний експеримент, функція перетворення, резонанс.

Полтавцев А.Ю. Совершенствование метода оценки характеристик выходного сигнала феррозонда при контроле дефектов сплошности ферромагнитных изделий. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.11.13 - приборы и методы контроля и определения состава веществ. - Восточноукраинский национальный университет имени Владимира Даля, Луганск, 2010.

Диссертация посвящена совершенствованию методов расчета измерительных феррозондовых преобразователей приборов неразрушающего контроля и созданию математических моделей формирования сигналов, индуцированных дефектами или намагниченными участками, что повышает достоверность контроля приборами, которые имеют этот вид преобразователей.

Существует множество исследований, дающих исчерпывающую информацию о магнитном поле дефектов, зависимости его топографии от параметров дефекта и величины намагничивающего поля. В то же время, необходимо установить связь не параметров поля рассеяния, а величины напряженности поля в феррозонде, измеряющего поле рассеяния дефекта, которое является существенно неоднородным. Кроме этого необходима методика расчета выходного сигнала феррозонда, измеряющего поле дефекта, которая могла бы учесть не только параметры феррозонда, но и влияние на функцию преобразования выходного сопротивления генератора возбуждения и входного сопротивления устройства обработки сигнала феррозонда.

На основании результатов анализа литературных источников установлено, что дальнейшее повышение точности расчета магнитных систем феррозондовых дефектоскопов должно заключаться в разработке методики расчета поля вектора намагниченности в области расположения дефекта, в создании метода определения среднего значения напряженности поля в сердечниках феррозонда наведенного полем дефекта, в повышении точности расчета функции преобразования феррозонда.

Разработан метод ограничения области ферромагнитного материала с дефектом и расчет остаточной намагниченности путем использования векторного коэффициента размагничивания, что дает возможность повысить точность расчета намагниченности в окрестности дефекта и сократить время расчета поля вектора намагниченности.

Путем введения понятия векторного коэффициента размагничивания, в работе предложена методика расчета остаточного значения вектора намагниченности в области расположения дефекта, что дало возможность подтвердить факт образования объемных магнитных зарядов у стенок дефекта.

Создана математическая модель, которая устанавливает связь между параметрами дефекта (или параметрами намагниченного локального участка) и магнитным потоком, индуцированным в сердечнике феррозонда, что дает возможность обоснованно выбрать рациональные параметры магнитной системы феррозонда, а также улучшить метрологические характеристики феррозондового преобразователя в целом. Модель создана на основе теоремы о взаимности.

Впервые получены аналитические зависимости для расчета магнитного потока и напряженности в сердечниках феррозонда, наведенных полем дефекта, что позволяет сократить время расчета при учете большинства параметров магнитной системы феррозонда и дефекта;

Исследована путем математического моделирования и численного эксперимента функция преобразования феррозондов при измерении постоянного и переменного магнитных полей. При этом учитывалось внутреннее сопротивление генератора возбуждения и параметров нагрузки, что дает возможность оптимизировать режим работы феррозонда по критерию максимальной чувствительности.

Результаты проведенных исследований позволили разработать систему определения геометрических параметров дефектов по максимальному значению выходного сигнала феррозонда и при равномерном перемещении феррозонда - по длительности его выходного сигнала.

Ключевые слова: феррозонд, неразрушающий контроль, математическая модель, магнитное поле, магнитная дефектоскопия, интегральные уравнения, численный эксперимент, функция преобразования, резонанс.

Poltavtsev A. J. Improvement of the estimation method of the flux gates output signal during control of continuity defects of ferromagnetic products. - Manuscript.

Dissertation for Scientific Degree of Candidate of Sciences, specialization 05.11.13 - Instruments and methods of controling and determining the composition of substances. - East Ukrainian National University named after Vladimir Dal, Luhans'k, 2010.

The dissertation is devoted to improvement of calculation methods of measuring flux-gate transducers of instruments and creating mathematical models of signals induced by defects or magnetized areas, which increases the reliability of control devices which have this type of converters. The limitation method of the field of ferromagnetic material with defect is created. The calculation method of residual magnetization is developed by using a vector demagnetization factor that allows to increase accuracy and reduce the calculation time of magnetization vector field around defect. A mathematical model which links the parameters of the defect (or parameters magnetized local area) and magnetic flux induced in core of flux-gate is created. Mathematical model enabling reasonabl selecting of rational parameters of flux-gate magnetic system, as well as improving the metrological characteristics of flux-gate transducer as a whole.The model is based on the theorem of reciprocity. Investigated by mathematical modeling and numerical experiment flux-gates transfer function during the measurement of constant and variable magnetic field. Accounted the internal resistance of generator and load options. This allows possibility optimization of flux-gates mode by the criterion of maximum sensitivity.

Key words: flux-gate, NDA, mathematical model, magnetic field, magnetic particle inspection, integral equations, numerical experiment, transfer function, resonance.

Размещено на Allbest.ru

...