46874 (Багатопараметровий вихорострумовий перетворювач для безконтактного контролю провідних трубчатих виробів)

ХАРКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Хоменко Віталій Григорович

УДК 620.179.14

БАГАТОПАРАМЕТРОВИЙ ВИХОРОСТРУМОВИЙ ПЕРЕТВОРЮВАЧ ДЛЯ БЕЗКОНТАКТНОГО КОНТРОЛЮ ПРОВІДНИХ ТРУБЧАТИХ ВИРОБІВ

Спеціальність 05.11.13 – прилади і методи контролю та визначення складу речовин

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків - 2000

Дисертація є рукопис

Робота виконана в Харківському державному політехнічному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Себко Вадим Пантелійович,

Харківський державний політехнічний університет,

завідувач кафедри приладів та методів неруйнівного контролю.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Александров Євгеній Євгенійович,

Харківський державний політехнічний університет,

завідувач кафедри колісних і гусеничних машин.

кандидат технічних наук, доцент

Москаленко Ігор Іванович,

Харківський державний центр стандартизації, метрології і сертифікації, директор.

Провідна установа: Харківський державний технічний університет

радіоелектроніки, кафедра проектування обчислювальної техніки

Міністерства освіти і науки України (м. Харків).

Захист відбудеться " 26 " жовтня 2000 р. о 14³⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.050.09 у Харківському державному політехнічному університеті за адресою: 61002, м. Харків, вул. Фрунзе, 21.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Харківського державного політехнічного університету.

Автореферат розісланий "21" вересня 2000 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Горкунов Б.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Питання безконтактного одночасного контролю багатьох параметрів труб за результатами вимірів різних електричних величин, що містяться в сигналах електромагнітних перетворювачів були слабко вивчені в існуючій літературі. Це було обумовлено, насамперед, досить складними функціональними зв'язками компонентів вихідних сигналів електромагнітних перетворювачів з параметрами трубчастих виробів. До цього не були розроблені досить ефективні методи і пристрої для контролю магнітних, електричних і геометричних параметрів циліндричних труб різноманітного асортименту. Проте, потреба промисловості настійно вимагали широкого розвитку методів і засобів для безконтактного контролю трубчастих виробів. Зокрема важливе значення використання таких методів і пристроїв у нафтогазовидобувній промисловості, у комунальних міських господарствах, на електричних станціях і теплоцентралях, на транспорті і на інших підприємствах.

Таким чином, задачі, пов'язані з безконтактним контролем параметрів трубчастих виробів, є дуже актуальними і своєчасними.

Дисертаційна робота присвячена важливій темі – створенню багатопараметрових електромагнітних методів і реалізуючих їх пристроїв для безконтактного одночасного контролю магнітних, електричних і геометричних параметрів циліндричних трубчастих виробів у подовжніх однорідних магнітних полях.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація виконувалася відповідно до проекту, що пройшли за конкурсом Міністерства освіти і науки України (шифр 48/16), Наказ Міністерства освіти і науки України № 37 від 13.02.1997 р.; шифр цієї теми в Харківському державному політехнічному університеті М 5203 (Наказ ХДПУ № 377 – II від 17.04.1997 р.). На цей час робота проводиться згідно з держбюджетними темами М 5204 і М 5205, включеними в тематичні плани Міністерства освіти і науки України.

Мета і задачі дослідження – це створення і дослідження вихорострумових (електромагнітних) безконтактних методів і реалізуючих їх пристроїв для одночасного неруйнівного контролю магнітних, електричних і геометричних параметрів трубчастих металевих виробів у подовжніх однорідних магнітних полях.

Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити наступні задачі:

- знайти спеціальні, нормовані параметри на основі комбінацій функцій Кельвіна;

- одержати аналітичні вирзи (точні і наближені) для амплітуди і фази нормованого магнітного потоку вихорострумового прохідного перетворювача з трубчастим металевим виробом;

- визначити універсальні функції перетворення, що зв'язують нормовані сигнали вихорострумового перетворювача з узагальненим параметром виробу;

- на основі універсальних функцій перетворення і розроблених алгоритмів вимірювальних і розрахункових операцій створити вихорострумові методи контролю відносної магнітної проникності _r і питомої електричної провідності циліндричних феромагнітних трубчастих виробів на фіксованій частоті зміни поля;

- розробити принципові електричні схеми установок для двохпараметрового контролю трубчастих виробів, заснованих на використанні трансформаторного і параметричного вихорострумових перетворювачів;

- розробити алгоритм і модифікацію вихорострумового методу одночасного контролю _r і феромагнітних і слабомагнітних труб на основі підтримування сталості фазового кута нормованого магнітного потоку в трубі;

- визначити універсальні функції перетворення, що зв'язують питому нормовану ерс трансформаторного вихорострумового перетворювача з узагальненими параметрами трубчастого виробу;

- розробити модифікацію електромагнітного методу спільного безконтактного контролю зовнішнього діаметра й електропровідності немагнітних циліндричних трубчастих виробів на основі введених універсальних функцій перетворення;

- розробити вихорострумовий метод спільного визначення товщини стінки і середньої по цій товщині електропровідності немагнітного трубчастого виробу;

- на розроблених установках одержати результати безконтактного визначення магнітних, електричних і геометричних параметрів феро-, слабоферомагнітних і немагнітних трубчастих виробів;

- запропонувати методику розрахунків очікуваних значень компонентів сигналів трансформаторного електромагнітного перетворювача і визначити межі вимірюваних електричних величин;

- одержати співвідношення для розрахунку похибок спільних вимірів відносної магнітної проникності і питомої електричної провідності трубчастих виробів;

- знайти залежності чутливостей перетворювача та відносних похибок двохпараметрового контролю _r і від узагальненого параметра, який включає в себе параметри виробу і частоту поля;

- визначити раціональні за похибками і чутливостями режими роботи електромагнітного перетворювача з трубчастими виробами різноманітного асортименту;

- привести приклади практичного використання розроблених методів і пристроїв для безконтактного контролю труб.

Об’єкт дослідження – це процес дифузії змінного магнітного поля в трубчатий металевий виріб, який породжує проблемну ситуацію одночасного визначення магнітних електричних і геометричних параметрів труб.

Предмет дослідження є створення електромагнітних методів неруйнівного контролю магнітної проникності та питомої електропровідності феромагнітних труб, а також зовнішнього діаметру і електропровідності немагнітних трубчастих виробів.

Методи дослідження засновані на теорії електромагнітного поля, електродинаміки суцільних середовищ та апарату спеціальних функцій використовувались для розробки теоретичних основ роботи електродинамічного перетворювача з металевим трубчатим виробом; теорія електричних і магнітних ланцюгів, інтегрального та диференціального обчислення і функцій комплексних чисел застосовувалась у розрахунках очікуваних значень сигналів перетворювача, а також при визначенні виразів для розрахунку параметрів виробу; теорія похибок вимірювання і інтегрального та диференціального обчислення використовувалась для оцінки метрологічних характеристик електромагнітних перетворювачів у разі багатопараметрового контролю.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що:

- на основі введених спеціальних нормованих параметрів встановлені універсальні функції перетворення, що зв'язують ці параметри з узагальненими характеристиками трубчастого виробу;

- шляхом використання універсальних функцій перетворення розроблені вихорострумові методи спільного контролю r і феромагнітних трубчастих виробів на основі підтримування фіксованої частоти магнітного поля;

- розроблені електричні схеми установок для двохпараметрового контролю труб, заснованих на використанні трансформаторного і параметричного вихорострумових перетворювачів;

- розроблений алгоритм вимірювальних і розрахункових операцій, а також на його основі запропонована модифікація вихорострумового методу одночасного контролю _r і феромагнітних і слабоферомагнітних труб, яка заснована на утримані постійним фазового кута нормованого магнітного потоку в трубчастому виробі;

- визначені універсальні функції перетворення, що зв'язують питому нормовану внесену ерс і її фазу трансформаторного перетворювача з узагальненим параметром трубчастого виробу для різних товщин стінок труб;

- розглянута модифікація електромагнітного методу спільного безконтактного контролю зовнішнього діаметра й електропровідності немагнітних циліндричних труб на основі введених універсальних функцій перетворення;

- розроблений вихорострумовий метод спільного безконтактного визначення товщини стінки і середньої по її товщині електропровідності немагнітного трубчастого виробу;

- на розроблених установках отримані результати вимірів магнітних, електричних і геометричних параметрів феро-, слабоферомагнітних і немагнітних трубчастих виробів;

- запропонована методика розрахунків очікуваних значень компонентів сигналів трансформаторного вихорострумового перетворювача і визначені межі змін вимірюваних величин;

- отримані співвідношення для розрахунків похибок спільного виміру r і трубчастих виробів;

- на основі аналізу похибок і чутливості перетворювача до параметрів трубчастого виробу визначені раціональні режими роботи перетворювача з трубчастими виробами різноманітного асортименту;

- приведені приклади практичної реалізації розроблених методів і пристроїв для безконтактного контролю параметрів труб.

Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що: знайдені співвідношення, які описують універсальні функції перетворення, алгоритми розрахункових і вимірювальних операцій, методики розрахунків перетворювача й оцінок чутливості і похибок двухпараметрового контролю дозволяють проектувати установки на основі електромагнітного перетворювача для спільного контролю магнітних, електричних і геометричних параметрів циліндричних трубчастих виробів, визначити метрологічні характеристики цих установок (частотний діапазон, діапазон зміни контрольованих величин), підібрати вимірювальні прилади необхідних класів точності, установити раціональні за похибками та чутливостям режими роботи. Розроблені безконтактні методи і пристрої контролю магнітних, електричних і геометричних параметрів трубчастих виробів дозволили контролювати такі фізичні величини, як механічні напруги (у тому числі границі текучості і міцності), температури виробів і рідини, що протікає у трубі, знос трубчастих виробів (товщини стінки) у процесі експлуатації. Ці методи впроваджені на ПО "Запорізька АЕС".

Особистий внесок здобувача полягає в наступному:

- отримані універсальні функції перетворення трансформаторного перетворювача для контролю параметрів трубчастих виробів;

- на основі отриманих функцій розроблені методики безконтактного контролю магнітних, електричних і геометричних параметрів як для феромагнітних так і неферомагнітних трубчастих виробів різного сортаменту;

- розроблена принципова електрична схема включення трансформаторного перетворювача для двохпараметрового контролю, отримані співвідношення для оцінки похибок і чутливостей перетворювача;

- отримані основні співвідношення для розрахунку очікуваних вихідних електричних сигналів трансформаторного електромагнітного перетворювача з контрольованим трубчастим виробом, які дозволяють вибрати вимірювальну апаратуру для реалізації двохпараметрового контролю параметрів труби в широкому діапазоні їхньої зміни.

Апробація дисертації.

Основні результати роботи доповідалися на:

- II Міжнародній науково-технічній конференції - школі-семінарі молодих вчених аспірантів і докторантів "Спорудження, конструкції, технології і будівельні матеріали ХХI століття", Белгород, 1999 р.;

- 12й Міжнародній школі-семінарі "Перспективні системи керування на залізничному, промисловому і міському транспорті", Харків, 1999 р.;

- II Міжнародної науково-технічної конференції "Метрологія та вимірювальна техніка", Харків, 1999 р.