46874 (Багатопараметровий вихорострумовий перетворювач для безконтактного контролю провідних трубчатих виробів), страница 2

Публікації: основні результати дисертації опубліковані в 7 наукових працях, у тому числі 4 статті в наукових журналах і 3 роботи в працях міжнародних науково-технічних конференціях.

Структура дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, заключення, списку використаних джерел та додатків. Повний обсяг дисертації складає 188 сторінок: 38 ілюстрацій на 29 стор., 6 таблиць на 6 стор., додаток на 22 стор., список літератури містить 102 найменування на 9 стор.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступній частині зазначена актуальність теми дослідження, відмічено зв’язок роботи з науковими темами, вказана мета дисертаційної роботи та сформульовані основні задачі дисертації, показана 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 визначення електромагнітних і геометричних параметрів виробів у змінних магнітних полях. Наведено конструкції різних видів датчиків для неруйнівного контролю виробів різних конфігурацій. Розглянуто двох і трьох параметрові методи і засоби електромагнітного контролю магнітної проникності, питомої електричної провідності і радіусу суцільних циліндричних виробів і зразків у повздовжніх та поперечних зондуючих магнітних полях. Відмічена важливість багатопараметрового контролю виробів, який дає можливість одержати повну інформацію про об’єкт контролю. Встановлено, що методи і перетворювачі для визначення магнітних, електричних та геометричних параметрів трубчастих феромагнітних, слабомагнітних і немагнітних виробів недостатньо описані в існуючій літературі. Останній фактор надав поштовх подальшої розробки таких методів і засобів, які і розглянуті у цій дисертації.

У другому розділі розглянуто електромагнітний метод і реалізуючі його установки з трансформаторним ТЕМП і параметричним ПЕМП перетворювачами для безконтактного контролю відносної магнітної проникності _r і питомої електричної провідності циліндричних трубчастих виробів і зразків.

На рис. 1 показаний зовнішній вигляд прохідного електромагнітного перетворювача з циліндричним трубчастим виробом. Як видно, всередині перетворювача існують 3 змінних магнітних потоки Ф₁, Ф₂ і Ф₃, тобто у повітряному зазорі, у стінці труби і у повітряному середовищі всередині труби, відповідно. На основі рівнянь Максвела і закону Ома було наведено рівняння дифузії синусоїдального за часом магнітного поля у провідну трубу. Рішення цього рівняння з граничними умовами дало можливість одержати співвідношення для визначення розподілу напруженості магнітного поля у стінці і всередині труби. Проінтегрував це співвідношення за поперечним перерізом труби, знайдемо вирази для магнітних потоків Ф₂ и Ф₃. узявши геометричну суму цих двох потоків знайдемо вираз для розрахунку сумарного магнітного потоку Ф₂₃ у стінці та всередині трубчатого виробу. Після цього був введений комплексний параметр , який характеризує питомий нормований магнітний потік у трубі на одиницю _r.

, (1)

, (2)

Зазначено, що berх-, beiх-, berу-, beiу-, – функції Кельвіна нульового і першого порядків від аргументів, узагальнених параметрів х і у, причому

, (11)

, (12)

а і b – зовнішній і внутрішній радіуси труби; f – частота змінення магнітного поля.

Зв’язок між параметрами х і у здійснюється виразом

, (13)

де d – товщина стінки труби; тобто d=а–b.

Функції Кельвіна протабульовані у довідковій літературі. Тому можна знайти універсальні залежності фазового кута та модуля параметра K від х при різних значеннях d/a для феромагнітних труб (з _r50, практично важливий випадок). Ці залежності представлені на рис. 2 і 3.

Аналогічні залежності фазового кута і модуля K від х для різних d/a були одержані при використанні немагнітних труб.

На основі універсальних функцій =f(х) і K=f(х) можна розробити алгоритм сумісного визначення значень _r і матеріалу трубчастих виробів. Цей алгоритм, який характеризує метод фіксованої частоти, заключається у наступному. При заданому зовнішньому радіусі а, відношення d/a і частоти зміни магнітного поля, вимірюють фазовий кут , а по ньому, використовуючи залежність від х (див. рис. 2) знаходять параметр х, і далі на основі функції K=f(х) при тому ж відношенні d/a визначають параметр K, а потім при знайденому параметрі х, і відомому коефіцієнті заповнення , а також за виміряними значеннями ерс Е₂₃ і Е₀₃ знаходять з урахуванням (1) магнітний параметр виробу _r із співвідношення

. (14)

Електропровідність виробу визначають на основі (11) з виразу

. (15)

Формули (14) і (15) дають можливість визначити _r і в послідовному циклі, тобто спочатку знайти _r, а далі . У паралельному циклі величину _r знаходять із виразу (14), а , використовуючи формулу

. (16)

Паралельний цикл прискорює процес розрахунків _r і , що важливо при автоматизації контролю. Окрім вказаних універсальних залежностей і K від х, у роботі були введені інші удосконалені функції перетворення, тобто K=f() і N_х=Kх²=f(), де N_х - параметр, який характеризує собою нормовану ерс Е_23Н, обумовлену магнітним потоком всередині ТЕМП (де Е_23Н=Е₂₃/Е₀). Ці дві функції дозволяють визначити значення _r і за допомогою двох незалежних кривих: K=f() і N_х=f(). Дійсно, після виміру в експерименті фазового кута на основі функції K=f() для заданих d/a і а знаходять параметр K, а по ньому, виходячи із (14), визначають _r, а величину розраховують із співвідношення

, (17)

де параметр N_х знаходять при відомих d/a і а за допомогою функції N_х=f() для визначеного у експерименті значення фазового кута .

Як бачимо з (14) і (17), _r розраховують на основі використання тільки кривої K=f(), а - тільки, виходячи з функції N_х=f(), причому обидва параметри _r і залежать від електричних параметрів перетворювача, що вимірюються, і відомих величин. Формули (14) і (17) характеризують паралельний цикл визначення _r та .

В цьому ж розділі описана схема установки ТЕМП для контроля електромагнітних параметрів _r і труб з компенсацією частини ерс ТЕМП, обумовленої магнітним потоком в повітряному зазорі між трубою та вимірювальною обмоткою ТЕМП. Схема дозволяє генератором Г встановлювати струм I і частоту f. Струм вимірюють амперметром А до частот 1500 Гц і за допомогою падіння напруги, що показує вольтметр В, на зразковому опорі R₀ (при f>1500 Гц). Ерс Е₂₃ з включених на зустріч вимірювальної обмотки робочого РП і вторинної обмотки компенсаційного КП перетворювачів визначається вольтметром В₂. Значення ерс Е₀ з виходу вторинної обмотки опорного перетворювача регіструється вольтметром В₃. Фазовий кут між Е₂₃ і Е₀ вимірюється фазометром Ф. На цій схемі (див. рис. 4) були одержані результати експериментального визначення _r і матеріалу трубчастих виробів. Результати, отримані розробленим методом з фіксованою фазою і контрольними методами (балістичним при визначенні _r і мостовим для вимірювання ) гарно співпадають.

У другому розділі приведені схеми установок, які працюють на основі параметричного електромагнітного перетворювача ПЕМП з циліндричним трубчастим виробом. Розглянуто основні співвідношення, які описують роботу цих установок. Показано достоїнства і недоліки ТЕМП і ПЕМП, які використаються для сумісного контролю _r і .

У третьому розділі розглянуто електромагнітний метод і реалізуючий його пристрій для одночасного контролю _r і трубчастих виробів на основі застосування фіксованих значень фазового кута . Використовуючи формули (1)-(10) можна визначити залежності _r і х від нормованого магнітного потоку Ф_н у трубі, причому

, (18)

де Ф₂₃ – магнітний потік всередині труби, який створює ерс Е₂₃; Ф₀ – магнітний потік ТЕМП при відсутності в ньому виробу; Ф₀ індукує ерс Е₀.

На рис. 5 і 6 показано функції перетворення _r=f(Ф_н) і х=f(Ф_н) при фіксації фази =const=15. Алгоритм визначення значень _r і при використанні методу фіксованої фази, =const такий. Змінюють частоту магнітного поля, зондуючого трубу до тих пір, коли фазовий кут зрівняється з заданим значенням (наприклад, =15). При цьому треба забезпечити умову 1, котра реалізується шляхом компенсації частини сумарної ерс, пов’язаної з магнітним потоком у повітряному зазорі. Знайшовши в схемі рис. 4 ерс Е₂₃, Е₀ при фіксованій частоті, яка відповідає =const, на основі (18) знаходять Ф_н, а потім за допомогою графіка рис. 5 при заданому відношенні d/a визначають _r. Другий графік залежності х від Ф_н (див. рис. 6) дає можливість знайти для того ж d/a величину х. Останній параметр, та відомий радіус труби а, а також знайдені значення _r і f дозволяють визначити з співвідношення (15).

Був проведений експеримент на зразках труб, виконаних із різних матеріалів. Наприклад, зразок: сталь 3; d/a=0,2; a=1,510^-3 м, довжина зразка 0,5 м; перетворювач: ТЕМП, а_П=2510^-3 м, напруженість магнітного поля Н₀=60 А/м; =1. Вимірювальні значення величин: f=2348,2 Гц, =15, Е₂₃=0,203 В, Е₂₀=5,8210^-3 В (де Е₂₀ – ерс ТЕМП при наявності компенсації ефектів зазору у відсутності зразка всередині ТЕМП)

. (19)

Розрахункові значення _r=99,9; х₀=4,69968; =0,52910⁷ См/м.

У цьому ж розділі було розроблено метод безконтактного визначення зовнішнього діаметра і питомої електричної провідності немагнітних труб. Був введений комплексний параметр N, формули визначення модуля і його фази _вн якого мають вигляд при _r=1

, (20)

, (21)

де Е_вн – внесена виробом у ТЕМП ерс, ReK і ImK – реальна та уявна частини параметра K; _вн – фазовий кут внесеної ерс Е_вн.

На основі формул (1)-(10) і (20) отримані залежності N і _вн від параметра х при різних фіксованих d/a (див. рис. 7 і 8). Значення ReK і ImK можна знайти, як

, (22)

, (23)

З графіків рис. 7 і 8 видно, що при х35 функції N=f(х) та _вн=f(х) практично не залежать від відношення d/a. Це дає можливість встановити алгоритм вимірювальних і розрахункових процедур для визначення діаметру D і питомої електричної провідності циліндричних немагнітних труб. При цьому змінюючи частоту f доки фазовий кут _вн зрівняється із значенням 2,33, яке відповідає х=35. Можна використовувати випадок _вн2,33. Далі визначений кут _вн дозволяє на основі залежності _вн від х (див. рис. 8) знайти х, а по ньому – параметр N, застосувавши функцію N=f(х) (рис. 7). Для виміряних значень ерс Е_вн і Е₀, виходячи з формули (20), визначають зовнішній діаметр D труби з виразу