автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Электромагнитные измерительные преобразователи систем управления технологическими процессами

ХАРЬКОВСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИИ ИНСТИТУТ

На правах рукописи Сирвнко Николай Николаевич

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ . СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ . ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ . ПРОЦЕССАМИ

05.13.05 - элементы и устройства вычислительной ' . техники и систем управления

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Харьков - 1992

Работа выполнена на кафедре "Измерительно-информационная техника" Харьковского политехнического института

Научные руководители -

доктор технических наук, профессор Себко В.П.,

доктор технических наук, профессор Финкелыптейн В.Б.

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор Корсунов Н.И.,

•Ведущее предприятие -

кандидат физико-математических наук, научный сотрудник Тша В.И.

Научно-производственное объединение "Метрология", г. Харьков

Защита состоится 14 января 1993 г. в

/И*

час. на

заседании специализированного совета Д 068.39.02 в Харьковском политехническом институте ( 310002, г.Харьков, ГСП, ул. Фрунзе, 21).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Харьковского политехнического института.

Автореферат разослан

„Л\

1992 Г.

Ученый секретарь специализированного совета

Кизилов В.У.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время создание и использование автоматизированных систем контроля и управления технологическими процессами изготовления продукции широкого ассортимента во мно-. гих отраслях промышленности (машиностроение, металлургия, энергетика) требуют высокочувствительных, точных, надежных первичных преобразователей, предназначенных для получения многопараметровой информации об объектах контроля в процессе их изготовления и эксплуатации. При этом существенными достоинствами и преимуществами по сравнению с другими типами обладают электромагнитные преобразователи (ЭМП), выходные сигналы которых содержат сведения о магнитных, электрических й геометрических параметрах электропроводящей детали. В свою очередь, эти параметры,-имеющие самостоятельное информативное значение, функционально связаны с ее прочностными свойствами, температурой, соотношением доминирующих примесей в химическом составе материала объекта, влиянием различных видов обработки на структуру материала. Получение точной и достоверной■информации о последних позволяет организовать функционирование современных, систем .управления технологическими процессами изготовления изделий.

Традиционные методы контроля магнитных свойств материалов основаны на'испытаниях шихтованных'и сплошных образцов с нанесением обмоток,.что не позволяет автоматизировать процесс измерений. Использование же разъемных катушек ограничено ввиду их низкой надек. ности. Известные ЭМП с магнитопроводами (пермеаметры) не обладают универсальностью применения и характеризуются низкой точностью. Поэтому, возникла важная для практики задача разработки автоматизи-. рованных универсальных ЭШ для магнитных испытаний изделий и конструкций широкого ассортимента на всех этапах их изготовления.

Практическое применение известных электромагнитных методов и преобразователей для совместного контроля магнитной проницаемости Иг. удельной электрической проводимости а и радиуса а цилиндрического сплошного изделия, основанных на зондировании объекта магнитными' полями двух временных или пространственных гармоник, ограничено ввиду трудности выделения из сигнала ЭМП параметров каждой из гармоник, сложности функций преобразования таких ЭМП и соответст-' венно низких.точности и быстродействия как преобразователей, так и

систем в целом.. Для устранения этих недостатков необходимо было . : решить практически важную задачу бесконтактного многопараметрового

контроля цилиндрических изделий при зондировании их магнитным полем ЭМП одной определенной частоты. Не квнее важными являются задачи расширения диапазона изменения напряженности магнитного поля ЭМП и количества контролируемых параметров изделия ( в частности,•за счет определения еще и потерь мощности на вихревые токи в сплошных деталях, температуры в процессе термообработки изделий ). Такой Многофункциональный контроль позволяет управлять технологическими циклами и в коночном итоге повысить качество изготовления продукции.

Диссертационная работа связана с- выполнением хоздоговорных научно-исследовательских работ, проводимых на кафедре измерительно-информационной техники ХПИ да ГР: 01.86.0082181; ,01.87.0000971).

Полью диссертационной работы является разработка и исследование методов и реализующих их многофункциональных электромагнитных преобразователей систем управления и контроля, позволяющих измерять магнитные, электрические и геометрические параметры изделий различных форм й конфигураций. Для достижения этой цели в диссертационной работе необходимо было решить следующие основные задачи:

- получить- соотношения, связывающие параметры сигнала универсального ЭМП с магнитными характеристиками испытуемого изделия;

- разработать и исследовать модификации универсальных ЭМП для определения магнитных характеристик шихтованных и сплошных изделий различных форм и конфигураций без нанесения обмоток на изделия;

- разработать и исследовать способы совместного контроля электромагнитных и геометрических параметров цилиндрических сплошных изделий при зондировании их полем ЭМП одной определенной частоты;

- разработать методику совместных измерений параметров , а и потерь мощности цилиндрических сплошных деталей;

- разработать методику контроля электромагнитных характеристик цилиндрических изделий в широком диапазоне изменения напряженности магнитного поля преобразователя;

- провести анализ метрологических характеристик многофункциональных ЭМП и определить способы улучшения их точностных свойств;

- расширить функциональные возможности ЭМП для бесконтактных измерений физико-механических параметров и термометрии изделий;

- разработать автоматизированные измерительные ЭМП и устройства для систем управления технологическими процессами.

Методы исследования базируются на использовании теории электромагнитного поля, электродинамики сплошных сред, теории электрических и магнитных цепей, теории погрешностей, аппарата июциаль-

ни функций, дифференциального и интегрального исчисления.

Научная новизна результатов работы сострит в следующем:

- получены соотношения для определения магнитных характеристик испытуемых изделий и конструкций широкого ассортимента без нанесения обмоток с использованием универсальных ЭМП (пермеаметров);

-выработаны основныо требования к пермеаметрам, способы их градуировок а также критерии.на выбор оптимальных размеров испытуемых изделий и допусков на их размещение в ЭМП, с учетом которых разработан ряд модификаций пермеаметров с улучшенными характеристиками;

- разработаны бесконтактные способы одновременного определения радиуса, |аг и о стержневых электропроводящих изделий, основанные на зондировании изделия переменным полем определенной частоты, соответствующей экстремумам функций преобразования и их составляющих;

- предложены методики совместного определения , о и потерь мощности на вихревые токи сплошных цилиндрических изделий;

- предложен способ контроля цг и о таких изделий в широком

. диапазоне изменения напряженности магнитного поля преобразователя;

- разработаны методики анализа погрешностей совместных измерений электромагнитных и геометрических параметров изделий и определены оптимальные (по точности) режимы работы преобразователей;

- разработан способ бесконтактного измерения радиуса и температуры металлических немагнитных стержней на основе определения экстремальных значений приращений нормированной эдс преобразователя;

- разработаны.автоматизированные измерительные ЭМП и устрой-

1 ства для систем управления технологическими процессами, функционирующие на основе предложенных способов многолараметрового контроля.

Практическая ценность работы состоит в том, что разработанные .. многопараметровые электромагнитные метода и реализующие их преобразователи позволяют существенно расширить функциональные возможности систем управления и контроля за счет одновременного измерения не- . скольких электромагнитных и геометрических параметров одним датчиком, в одной и той же зоне контроля изделия, повышения быстродействия благодаря полученным инженерным алгоритмам контроля и простым расчетным соотношениям (связывающим с требуемой точностью искомые характеристики изделий лишь с параметрами сигналов ЭМП), оптимизации режимов работы преобразователей по их чувствительности и точности, возможности оценки погрешности измерений при использовании полученных соотношений, автоматизации многопараметрового контроля электропроводящих изделий широкого ассортимента на любых стадиях

технологических циклов их изготовления. Такие многопараметровые методы и преобразователи значительно расширяют класс решаемых задач многих разделов исследований электрических, магнитных и физико-механических свойств изделия ( таких, как прочность, твердость, температура). Они нашли практическое применение при разработке методов расчета, проектирования и эксплуатации измерительных ЭМП, функционирующих в составе конкретных систем контроля и управления.

Реализация и внедрение результатов работы.

Внедрение результатов работы на предприятиях электротехнической промышленности при создании автоматизированных измерительных устройств для систем контроля и управления технологическими процессами изготовления элементов электродвигателей позволило повысить к.п.д. выпускаемых электродвигателей на 0,2-0,5% (СКВ НПО "Укр-злектромаш", предприятие п/я М-5740 ). Разработанные методика расчета параметров магнитного поля автоматизированных систем промышленного намагничивания электромагнитных тормозов в сборе, а также устройства с измерительными преобразователями внедрены в СКТБЭ НПО "Электроаппарат" и позволили повысить производительность намагничивания изделий и обеспечить стабильность их магнитных характеристик. Суммарный экономический эффект от внедрения результатов , диссертационной работы составил 55 тыс.руб. (в ценах 1988-1991 г.).

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на:

- Международной научно-технической конференции "Современные достижения в контроле и испытании без разрушения ",НРБ, Пловдив,1989;

- Международной конференции "Испытательное оборудование для экспериментальных исследований механических свойств материалов и конструкций", Москва, 1989;

- II и III Республиканских научно-технических конференциях "Устройства преобразования информации для контроля й управления в энергетике", Харьков, 1985 и 1988 ( по 2 доклада );

- Всесоюзной научно-технической конференции "Измерительные информационные системы (ИИС-89)", Ульяновск, 1989;

- Всесоюзной научной конференции "Проблемы теории чувствитель- ' ности измерительных датчиков, электронных и электромеханических систем", Владимир, 1989;

- IV Всесоюзном совещании по теоретической метрологии, Ленинград, 1989;

- VII Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы магнитных измерений и магнитоизмерительной аппаратуры",Ленинград,1989;

б . .

- Республиканской научно-технической конференции "Диагностика и коррекция погрешностей преобразователей технологической информации", Киев, 1989;

- IV Всесоюзной научно-технической конференции "Метрологическое обеспечение температурных и теплофизических измерений в области высоких температур", Харьков, 1990 ( 2 доклада );

- XII Всесоюзной конференции "Неразрушапцие физические методы и средства контроля", Свердловск, 1990 ( 2 доклада );

- Республиканской научно-технической конференции "Функционально ориентированные вычислительные системы", Харьков, 1990;

- Научно-технической конференции "Применение вычислительной техники и математических методов в научных исследованиях", Севастополь, 1990'( 2 доклада );

- X Всесоюзной конференции по постоянным магнитам, Москва,1991.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 38 работ, из них

9 авторских свидетельств и 2 решения о выдаче авторских свидетельств на изобретения.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 150 страницах машинописного текста, .перечня используемой литературы из 146 наименований и приложений на 63 страницах. Работа иллюстрирована 37 рисунками и 10 таблицами.

- СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследований, показана практическая направленность работы, приведена ее структура и сформулированы основные положения, выносимые .на защиту.

В первой главе проанализированы существующие методы и устройства для определения физико-механических параметров электропроводящих изделий широкого ассортимента, применяемые для разработки измерительных преобразователей современных систем управления технологическими процессами. Сделан вывод о том, что наиболее приемлемым и перспективным является использование электромагнипшх преобразователей, обладающих такими важными преимуществами, как высокое быстродействие, многопараметровость сигнала, высокая надежность, способность работать в цеховых условиях. Выявлены особенности применения электромагнитных методов и преобразователей для многопарамет-рового контроля изделий и проанализированы причины, сдержвагаш^ их разритие и прпктическое иснользоепкив, на основании чего сформу.ш-

ровака цель работы и поставлены основные' задачи исследований.

Во второй главе дано теоретическое обоснование ушверсальных накладных электромагнитных преобразователей с магнитопроводами (пермеаметров) для контроля магнитных характеристик электропроводящих изделий широкого ассортимента без нанесения обмоток на образцы. Принцип действия таких пермеаметров состоит в том, что зондирующий испытуемое изделие магнитный поток создается не внутри него, а в магнитопроводе. ЭМП и замыкается через изделие. Подобный подход к созданию универсальных ЭМП позволяет значительно раширить ассортимент испытуемых изделий и автоматизировать процессы измерений.

На примере характерного типа разработанного пермеаметра исследована магнитна'я цепь системы "ЭМП-образец" с учетом распределения магнитных потоков'рассеяния. Магнитопровод пермеаметра имеет П-об-разную форму и выполнен в виде шихтованного (из ферромагнитных пластин ) стержня с расположенной в его центре намагничивающей обмоткой и двух шихтованных, сопряженных с ним и подвижных вдоль его оси, полюсных наконечника с измерительными обмотками каждый. Показано, что.такое конструктивное решение в совокупности с использованием прижимного и центрирующего (образец ) устройств позволило практически устраните влияние потоков рассеяния на результаты контроля.

Выработаны основные требования к универсальным пермеаметрам, заключающиеся в обеспечении минимального магнитного сопротивления магнитопровода ЭМП (в сравнении с сопротивлением испытуемого изделия); полного промагничивания как изделия, так и пластины шихты магнитопровода; минимальных сопротивлений зазоров магнитной цепи ЭМП с деталью; в применении устройств центрирования и фиксации.

Получены соотношения для определения магнитных характеристик изделий и конструкций различных форм разработанными пермеаметрами, включающие градуировочные коэффициенты к , зависящие от. конструктивных особенностей и параметров ЭМП, а также формы изделия. При определении . амплитудах величин динамических индукции В и напряженности Н магнитного поля в образце'.эти формулы имеют вид:

г= ^ср/ < '»•■ • <"

" = »а 1 *н / V , . ■ (2)

где V - среднее значение напряжения на зажимах измерительной обмотки ЭМП; П'и и (Ун - число витков измерительной и намагничивающей.

oömotok ЭМП; S и l„„ "- площадь сечения и средняя длина образца;

г

Inf- амплитуда и частота намагничивающего'тока; и к2 - граду-ировочные коэффициенты (при контрое параметров образцов замкнутой формы описанным пермеаметром расчетные значения ?г, = 16, kz = 2. для изделий разомкнутой формы - fc, = 4, й2 = 1).

Статическую напряженность ноля рассчитывают по формуле (2), а магнитную индукцию - из соотношения

В = дф /' ( 2гд ffjj S .) ' . (3)

где дф - разность потокосцеплений с витками 1УИ измерительной обмотки ЭМП; для замкнутых образцов к3 = 8, для разомкнутых - 2.

Повысить разрешающую способность и точность пермеаметров поз- . волили дифференциальные схемы их включения. При этом в динамическом режиме магнитных испытаний из сигналов встречновключенных измерительных обмоток двух идентичных ЭМП выделяются основные гармоники эдс с последующим выпрямлением, сигналов и измеряется разность амплитуд дЕ этих гармоник при размещении на одном ЭМП стандартного образца (СО) с известными характеристиками, а на другом - испытуемого (ИО). С учетом того, что знак ДЕ при измерениях известен, получено соотношение для определения■индукции Вг испытуемой детали:

, ДЕ Si~ Ss .

Вг = В} Г 1 - - + - I , (4)

1 . К Г \ В, S, S,

где В, - индукция СО, S} и S2 - соответственно площади сечения СО и МО; для замкнутых изделий k4 = 16, для разомкнутых к4 = 4. Аналогично рассчитывается статическая магнитная индукция:

в(дФ ) v s2

г 1--+ -] (Б)

1 »« "и s, st

здесь б(дФ ) - разность потокосцеплений с учетом знака, обусловленная различием магнитных характеристик ИО и СО; для изделий замкнутой форт й5 = 8, для разомкнутой кб = 2.

Получено выражение для определения удельных потерь мощности Руд в стали с применением подобных пермеаметров:

\ **

РУД = Р ' РПР )

а

<б)

в

где Р - измеренная величина потерь в образце; - потери мощности в приборах, включенных в цепь' измерительной обмотки ЭМП; С -масса образца; Р.0 - градуировочный коэффициент, зависящий от параметров ЭМП и режима испытаний (определяется экспериментально).

Проведен анализ совместного воздействия неоднородности распределения напряженности магнитного поля тороидального образца вдоль его радиальной ширины 26 и смещения дI оси образца относительно оси магштопровода ЭМП на точность контроля. Важность этих исследований связана с тем, что оба указанных фактора, трансформируясь через результаты измерений основной кривой индукции, вызывают методические погрешности измерений. Получено соотношение для расчета истинной величины индукции Ви. поля в образце по экспериментально найденной величине индукции В . на среднем радиусе р0 образца при наличии указанного смещения , причем для любой точки как статической, так и динамической кривой индукции образца:

' в* = в [1 - [ г + И 2 - Ч 1 • "(7)

здесь Цд и ц(Я0) - дифференциальная и относительная магнитные проницаемости для конкретной точки экспериментально определенной кривой индукции ( Н0- напряженность поля на среднем радиусе р0 ).

На основании последнего соотношения получен критерий на допуски по радиальной ширине 26 замкнутого образца и смещению д! , при которых методическая погрешность измерений, вызванная указанными факторами, не превышает допустимое значение 7М доп :

[ |?0 +И [2^ - 1 ]шах у™ « < ТМ.ДОП . (а)

В работе разработан ряд конструкций универсальных пермеаметров, предназначенних для контроля магнитных характеристик (с отстройкой от влияния потоков рассеяния на результаты измерений) изделий и конструкций широкого ассортимента, как одиночных (статор-ная пластина, кольцо подшипника), так и шихтованных (сердечник статора в сборе), а также протяженных конструкций, (трубопровод). При разработке пермеаметров применен ряд конструктивных решений (испэльзовагае полюсных наконечников; двух (и более) измерительных обмоток, размещенных у зон контакта ЭМП с изделием; подвижных маг-нитопроводов, адаптивных к любой конфигурации.изделий; универсальных устройств центрирования и фиксации), позволяющих погасить точ-

ность измерений и автоматизировать контроль и управление технологией изготовления продукции широкого ассортимента.

Исследованы два режима работы таких ЭМП. Первый из них (без градуировки ЭМП) является режимом допупкового контроля и в этом случав минимальные погрешности измерений магнитных характеристик образцов из электротехнических сталей рассмотренным пермеаметром (2-3 %) характерны для диапазонов напряженности 100 Я < 200 и 400 < И < 1300 А/м. Для определения всей кривой индукции предложен способ градуировки ЭМП по так называемым "Эффективным площадям" испытуемого образца и магнитопровода с использованием стандартных образцов (режим измерений), при этом результирующие погрешности (градуировки и аппаратурной погрешности применяемых приборов) не превышали 1,5 %. Величины же указанных методических погрешностей, к примеру, при смещении осей симметрии образца и ЭМП 1 мм и относительной радиальной ширинё тороида 26 / р0 = 0,18, составили 1,4 Ж (поскольку знак погрешности известен,, то можно уточнить результаты из-измерений даже при смещениях осей симметрии образцов и ЭМП, см.(7)).

Полученные соотношения для оценки погрешностей измерения по-■ терь в стали (на основе (6)) при наличии градуировки ЭМП на стандартных образцах показывают, что- их величины на превышают 2 %. Последние согласуются и с экспериментальными значениями погрешностей, полученными по отклонению результатов измерений потерь в образцах на отградуированном пермеаметре и с помощью стандартных ваттметровых установок при нанесении обмоток на те же образцы.

Третья глава посвящена разработке и исследованию многопарамет-ровых электромагнитных методов и преобразователей для совместного определения магнитной проницаемости , удельной электрической

. проводимости а и радиуса а стержневых электропроводящих изделий на одной, определяемой для конкретного изделия частоте магнитного поля трансформаторного проходного ЭМП (соленоида). Эти методы основаны на изменении частоты / зондирующего изделие поля ЭМП до тех пор, пока величина мнимой части результирующей нормированной эдс |1ш | преобразователя с изделием примет максимальное значение, где

| Im ¿?p„| = ( Ер sin <р0 ) / Е0 , (9)

здесь Ер и Е0 - соответственно эдс преобразователя с изделием • (результирующая) и без него; ср0 - фазовый угол между этими эдс.

С другой стороны, связь указанной комбинации параметров ( Ер,

Е0 , ф0 ) сигнала ЭМП с мнимой частью нормированного магнитного потока К в изделии и характеристиками ( а , ц ) контролируемого изделия осуществляется выражением

(Ерз1п ф0)/ Е0 = I 1т К I а2 ц^/ , (10)

где с^ - радиус измерительной обмотки преобразователя.

Кроме этого, мнимая часть 1т К связана с обобщенным параметром X

изделий зависимостью 1т К = Р{Х) , имеющей экстремум, причем

X = а / ц0 цро 2 тс/ , (11 )

(|i0 - магнитная константа). Этот факт позволил установить расчетным путем конкретную величину параметра X = 2,515, соответствующую указанному экстремуму,а также связанные с параметром X известными зависимостями К = F(X) и ф = F(X) величины амплитуды К = 0,723627 и фазы ф = 31,44° нормированного Потока К для цилиндрических сплошных ■электропроводящих изделий с любыми значениями электромагнитных параметров и диаметра. На практике, экспериментально определив экстремум функции ( Ер aln ф0 ) / Е0 = .F( / )), находят для каждой конкретной детали.величину рабочей частоты /0, соответствующей указанному значению X = 2,515. При этом, решив систему уравнений ((10), (11) и указанных нижэ), связывающих-измеренные при частоте /0 признаки сигнала (Ер ,Е0 , ф0) с параметрами ( а , цг , а) изделия, можно рассчитать последние (учитывая конкретные значения К, ф и X):

Е2 = Е0 ,ir Я а2/" _ (12) где Е2 - эдс, обусловленная магнитным потоком в изделии, причем

Е2 = + ( Е0( 1 - аг/ ))2-2ЕрЕ0( 1 - аг/ о^ )cos ф^ , (13) EpSln ф

% = arctg -Р—р— , (14)

0 E2cos Ф + Е0( 1 -а2/ )

Для повышения точности трехпараметровых измерений частоту /0 мапштного поля ЭМП предложено определять путем измерений величин не мнимых частей Im Èp^ , а их приращений д( Im È^) вблизи экстремума зависимости Im è = Р( / ). Для этого дискретно с постоянным шагом изменяют частоту / шля ЭМП, всякий раз измеряя. параметры Ер, Е0,ф0 сигнала. Частоту fQ определяют при смене знака на противоположный величин указанных приращений, соответствующих, двум

соседним частотам и /1+} поля ЭМП, рассчитывая ее по формуле:

/о - --:--• (15>

Кд1т V}i' + 1(А1ш Vi*'1

Разработано несколько модификаций метода. Первая состоит в последовательном расчете характеристик (а, цг, о) изделий по величинам измеренных параметров ( Е0, <р0) сигнала ЭМП при частоте /0:

а = ají - Ер (cos ф0 - 1,64 sin ф0 )/ Е0 , (16)

Цг= ( 2,65 Ер sin ср0) / ( а2 Е0) , (17)

о = 0,8-10е/ ( а2 цг /0) . (18)

Такой алгоритм требует определенное время для расчетов параметров изделия. Поэтому, для ускорения вычислений предложена вторая модификация-метода, позволяющая рассчитать параметры детали в параллельном цикле прй использовании только измеренных значений параметров сигнала ЭМП и численных констант по полученным формулам:

2,65 EpSln ф0

, (19)

■ Е0 - Ер( соS ф0 - 1,64 Sin ф0 )

о = о,з-ю6 V ( °п /о Ерз1п Фо) ' (20)

при этом радиус а вычисляют, используя соотношение (16).

Третья модификация- предназначена для повышения точности контроля и основана на компенсации части результирующей эдс преобразователя, обусловленной, магнитным потоком в зазоре между деталью и измерительной обмоткой ЭМП. Суть метода состоит в том, что после цикла поиска рабочей частоты /0 фиксируют ее значение и дополнительной эдс (создаваемой с помощью секции ЭМП, выполненной в виде вариометра) компенсируют указанную часть результирующей эдс. Компенсацию заканчивают при достижении фазовым углом ф0 заданной величины 31,44° (соответствующей X = 2,Б15). Далее измеряют амплитуду разностной эдс|дВ | = | Ер - £д| , а также амплитуды эдс Ед и Ед. Операция компенсации соответствует условному переносу измерительной обмотки ЭМП непосредственно на изделие (при этом о = с^,

£р= Ег, ф0= ф). В этом случае расчеты существенно упрощаются:

а= а/ 1 ~Ед,/Е0' ,(21)

1.38 ДБ/ ( Е0 - Ед ) ■ . (22)

а = 0,58-10е Е0 / ( ДЕ а® /0 ) . (23)

Аналогичный подход использован и при разработке следующих модификаций метода, основанных на поиске рабочих частот }0 для конкретного изделия, соответствующих точкам перегибов функций преобразования ЭМЛ 1т Ерк = Р( / ) и Не Ер#= Р( / ) (где Йе Ер„ = (ЕрСоа ф0)/ Е0). Определение рабочих частот /0 проводится путем на-ховд81шя экстремальных значений зависимостей приращений (д1ш Ер„) или (дИе Ер^) от частоты / при ее дискретном изменении с постоянным шагом. Далее осуществляется компенсация эффекта воздушного зазора по описанному выше алгоритму до установления равенства фазовых углов ф0 = ф . Получены простые соотношения для определения электромагнитных параметров проводящих стержней на рабочих частотах /0 .соответствующих указанным точкам функций преобразования (расчет радиуса во всех случаях проводится по формуле.(21)). Так при нахождении первой точки перегиба функции 1т Ер^ = Р( / ) (когда X = 1,317; К = 0,963378; ф = 11,96° ) эти формулы имеют вид:

1,04-дЕ/ ( Е0 - Ед ) , (24)

О - 0,21 106 Е„ / ( дЕ /0 ) . (25)

При определении второй точки перегиба этой же функции ( X = 3,4035; К = 0,54215; ф = 37,82° ) полученные формулы следующие:

Ц.г= 1,85-дЕ / ( Е0 - Ед ) , (26)

О » 0.8-10° Е0 /( ДЕ /0 ) . (27)

При зондировании изделия полем частоты /0 , соответствующей точке перегиба функции Ие Ер„= Р(/) (где X - 2,131; К = 0,816746;

Ф =26,16°) указанные соотношения ир^дсгашмы в виде:

1,2?.-дЕ / (■ Е'п - Ед )

(28)

О = 0,47-10е Ео / ( Ав eg /0 ) . (29)

Достоинство разработанных модификаций многопараметрового метода контроля состоит в том, что удается бесконтактно измерить три параметра изделия независимо друг от друга лишь по измеренным параметрам сигнала ЭМП и только на одной, определяемой для конкретной деФали частоте поля ЭМП (до сих пор эта'задача решалась двухчастот-ными методами). Это позволило существенно уменьшить погрешности контроля (в сравнении с двухчастотшми методами), а также повысить достоверность результатов измерений, поскольку параметры проводящих стержней определяются всегда (в отличие от известных методов) на одной и той же относительной глубине проникновения магнитного поля в деталь независимо от ее диаметра и величин Цг, о . Использование же всех модификаций позволило оценивать распределение электромагнитных параметров по сечению анизотропных изделий. Эти способы имеют важное практическое значение благодаря бесконтактности, простоте функций преобразования ЭМП' (известные методы связаны с примене-.нием аппарата специальных функций), а также позволяют получить по измеренным, значениям а , цг, о сведения о-других параметрах .

К прймеру, в работе разработан одночастотный способ совместного бесконтактного определения радиуса и температуры (по величине о) металлических немагнитных стержней при их термообработке. Показано, что он позволяет определить не только усредненную по сечению детали температуру, но и степень прогрева детали благодаря измерению радиуса, который может быть неизвестным (деталь покрыта непроводящими окислами) либо изменяется в процессе технологических воздействий.

В этой же главе разработана методика измерений наряду с ц , о, также и потерь мощности Р на вихревые токи электропроводящих цилиндрических стержней. Для получения достоверных результатов измерений потерь Р выработан критерий слабого (не более 1 %) затухания магнитного поля в детали для всех участков ее кривой индукции, состоящий в выполнении условия X s 1. С учетом его и экспериментально определенных о и максимальной цг выбирают радиус а испытуемого изделия (или частоту / поля ЭМП), используя при этом (11), далее измеряют при заданной частоте величину эдс Е^ трансформаторного ЭМП с изделием либо эдс Ег (при наличии компенсации эффекта'воздушного • зазора) и ее фазу <р , по которой из известной зависимости <р = F(X) находят величину X и проверяют соответствие критерию. В случае его выполнения по измеренным параметрам сигнала трансформаторного

ЭМИ рассчитывают удельные потери мощности, используя соотношение .

V (^ИГНР1ПФ) / (*нс) . . (30)

где I - ток в намагничивающей обмотке ЭМП, и №и - число витков намагничивающей и измерительной обмоток ЭМП, С? - масса детали.

Аналогичным образом определяют потери мощности при использовании однообмоточного проходного ЭМП, включенного в мостовую схему :

2,22 1г \ а1п ф

Р™= Го

.2

а 2 2

щ2( ¿экв" Ъо[1 - -5- ]) + (Нэкв- Л>) • <31>

Т1

где и - круговая частота магнитного поля ЭМП, 1экв и йзкв - соответственно индуктивность и активное сопротивление обмотки ЭМП с изделием, £0 и Я0 - те же параметры обмотки ЭМП без изделия,

Ф = aгetg

н - н

экв "о

а2

( ¿экв" Ьо[ 1 - -¿г ))

(32)

В данной главе исследован способ совместного определения обратимой и о в широком диапазоне изменения напряженности магнит- . того поля проходного ЭМП, основанный на зондировании изделия слабым периодическим магнитным полем при подмагничивании его постоянным во времени полем, изменяющимся в пределах всей кривой индукции испытуемой детали (традиционные методы основаны.на зондировании лишь слабым переменным полем). Определен оптимальный по точности режим работы реализующих этот способ ЭМП, характеризующийся диапазоном 1<Х£3.

Для анализа точности разработанных многопараметровых методов контроля и ЭМП разработана методика оценки погрешностей, состоящая в расчете ожидаемых значений параметров сигналов ЭМП (по заданным величинам параметров ( а , ц , о ) изделия и констант конкретного преобразователя) с введением в них аппаратурных погрешностей измерительных средств, подстановке этих скорректированных значений в формулы (16)—(18) (либо в аналогичные (19)—(39)) и расчете по ним условноизмеренных параметров изделия. Далее вычислялись относительные погрешности определения трех параметров изделия- (по отклонениям их условноизмеренных значений от заданных), расчетные значения которых при определении а , цг и о не превышали 0,7 %.

Погрешности измерения обратимой и о оцегивэлись по методике

расчета погрешностей косвенных Измерений и не превышали соответственно 1,4 % и 2 % в диапазоне 1 < Д < 3. Установлено', что эти по-грещности не зависят от вида материала электропроводящего изделия в случае, если осуществлена компенсация эффекта воздушного зазора ЭМП с изделием. Аналогично оценивались величины погрешности определения потерь Руд , которые , к примеру, для трансформаторных ЭМП при зондировании детали слабым магнитным полем не превышали 1 %.

В четвертой главе предложены функциональные схемы и оптимизированные алгоритмы работы-. автоматизированных измерительных установок как с универсальными пермеаметрами (для комплексных магнитных испытаний изделий любой формы без нанесения на них обмоток), так и с проходными ЭМП на базе микроЭВМ, предназначенных для функционирования в составе систем управления-конкретными технологическими процессами (изготовление узлов электродвигателей, прокат, отжиг).

Пятая глава посвящена вопросам практического применения и внедрения в производство разработанных методов, ЭМП и устройств. Рассмотрены особенности применения накладных универсальных ЭМП в системе' контроля и управления магнитными характеристиками статорных пластин и сердечников статоров в сборе, а также электрическими параметрами материала "беличьей клетки" роторов электродвигателей в процессе их. производства. В этой системе применены разработанные дифференциальный прибор для определения с высокой разрешающей способностью магнитной индукции статорных пластин без нанесения на них обмоток и прибор контроля электропроводности материала "беличьей . клетки" роторов. Внедрение этих пермеаметров и приборов в НПО "Укр-электромаш" позволило в сочетании с другими устройствами увеличить кпд выпускаемых электродвигателей за счет использования истинных магнитных характеристик при изготовлении электродвигателей серии АИ.

Многопараметровые проходные ЭМП нашли применение при отработке технологии изготовления корпусов, валов электродвигателей, а также для отбора наиболее оптимальных (по допустимым значениям (1 , о, Руд) конструкционных материалов при изготовлении колец подшипников погружных электродвигателей, работающих в экстремальных условиях нефтеоткачки в скважинах глубокого бурения.

.Разработанная методика расчета параметров магнитного поля автоматизированных установок промышленного намагничивания■электромагнитных тормозов в сборе, основанная на полном промагничивашш изделия,а также устройства с проходными ЭМП для многопараметрового контроля магнитопроводов тормозов были внедрены в СКТБЭ НПО "Элек-

троаппарат" (г. Харьков) и позволили повысить производительность установок и обеспечить стабильность магнитных характеристик.изделий.

В этой же главе рассмотрены возможности.практических приложений многопараматровых методов и устройств для. определения температуры, предельных прочностных характеристик изделий и конструкций.

В приложениях приведены вспомогательные материалы по теоретическим 1} экспериментальным исследоващям, описание разработанных приборов, устройств и их применения в конкретных системах управления, акты внедрения результатов работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

В результате теоретических- и экспериментальных исследований в диссертации решены важные задачи разработки новых методов многопа-раметрового контроля и реализующих их автоматизированных устройств, используемых в качестве элементов систем управления технологическими процессами. Основные результаты работы состоят в следующем:

1. Получены соотношения для определения магнитных.параметров изделий и конструкций широкого ассортимента с использованием универсальных ЭМП а также выработаны требования к пермеаметрам и способы повышения их точности, с учетом которых разработан ряд конструкций таких преобразователей с улучшенными характеристиками.

2. Разработан ряд бесконтактных способов одновременного определения радиуса, ц,г и о стержневых электропроводящих изделий, основанных на зондировании изделия переменным полем одной определенной частоты, соответствующей экстремумам функций преобразования и их составляющих, а также получены простые соотношения для расчета характеристик детали лишь по измеренным параметрам сигнала ЭМП.

1 3. Разработаны методики улучшения характеристик одночастотных ЭМП, основанные на компенсации эффекта воздушного зазора между измерительной обмоткой ЭМП и изделием, и уточнении значений экстремумов (и точек перегибов) функций преобразования путем измерений приращений величин параметров (либо их комбинаций) сигналов преобразователя, соответствующих равным приращениям частот зондирующего поля.

4. Разработаны методики и преобразователи для совместного определения цг, о и потерь мощности сплошных цилиндрических изделий, зондируемых магнитными полями различных'••напряженностей и частот.

б. Исследован способ контроля ц и о электропроводящих стержней в широком диапазоне изменения напряженности магнитного

1Ь '

поля ЭМП и установлены оптимальные ( по точности) режимы контроля.

6. Разработаны методики анализа погрешностей совместных измерений электромагнитных и геометрических параметров изделий много-параметровымй одночастотйыми электромагнитными преобразователями.

7. Исследованы практические приложения многопараметровых методов для бесконтактного контроля физико-механических параметров, в том числе разработан способ бесконтактного измерения радиуса и температуры металлических немагнитных стержней на основе определения экстремальных значений приращений нормированной эдс преобразователя.

8. Разработаны автоматизированные измерительные ЭМП и устройства для конкретных систем управления технологическими процессами, функционирующие на основе предложенных способов'многопараметрового контроля. Суммарный экономический эффект, связанный с внедрением их в производство, составил 55 тыс? рублей (в-ценах 1988 - 1991 г.г.).

. По теме диссертации опубликовано 38 научных работ, основными из которых являются:

1. Горкунов Б.М., Пятидверный В.А., СиренкоН.Н. Трансформаторный электромагнитный преобразователь для определения мощности электрических потерь в материалах.- В сб.: Вторая Республиканская научно-техническая конференция "Устройства преобразования информации для контроля и управления в энергетике".-Харьков, 1985, с.48-49.

2. A.c. 1377790 (СССР). Устройство для измерения магнитных характеристик ферромагнитных образцов / А.А.Авраменко, Н.Н.Сиренко, В.П.Себко. Опубл. в Б.И., 1988, Ä 8.

3. A.c. 1404994 (СССР). Устройство для определения магнитных характеристик цилиндрических изделий / А.А.Авраменко! В.П.Себко, Н.Н.Сиренко. Опубл. в Б.И., 1988, № 23.

4. Прибор контроля магнитных параметров замкнутых образцов / В.П.Себко, А.А.Авраменко, Б.М.Горкунов, Н.Н.Сиренко. - Приборостроение* 1988. Т.31, * 12, с. 44-47.

5. Себко В.П., Сиренко H.H., Голоцван С.Б. Установка для исследований. механических свойств проводящих изделий.- В сб.Международная конференция "Испытательное оборудование для•экспериментальных исследований механических свойств материалов и конструкций".- Москва, 1989. 4.1, с. 74-76.

6. Определение магнитной проницаемости и удельной электрической проводимости цилиндрических изделий компенсационным методом / В.П.Себко, Н.Н^Сиренко, М.С.Пантелеев, Е.Лямпарт.- Дефектоскопия, 1989, JS 10, с. 85-88.

7.Электромагнитные методы и автоматизированные устройства контроля физико-механических свойств материалов/ В.П.Себко, Б.М.Горку-нов, С.Б.Голоцван, А.А.Авраменко, Н.Н.Сиренко.- В сб.:Международная научно-техническая конференция "Современные достижения в контроле и испытании без разрушения".- НРБ, Пловдив, 1989. Т.1, с. 90-94.

8. A.c. 1664577 (СССР). Устройство для определения магнитных характеристик ферромагнитных изделий/ В.П.Себко, Н.Н.Сиренко. Опубл. вБ.И.,-1990, Jé 18.

9. A.c. 1569756 (СССР). Пермеаметр / А.А.Авраменко, В.П.Себко, Н.Н.Сиренко. Опубл. в Б.И., 1990, J6.21.

10. A.c. 1594467 (СССР). Устройство для контроля'замкнутых ферромагнитных образцов / А.А.Авраменко, В.П.Себко, Н.Н.Сиренко. Опубл. в Б.И., 1990, Jé 35.

11. Устройство контроля удельных потерь мощности в стали / А.А.Авраменко, В.П.Себко, Н.Н.Сиренко, Б.М.Горкунов. - Электротехника, 1990, Jé 5, с. 52-55.

12. A.c. 1666995 (СССР). Устройство для определения магнитных характеристик цилиндрических изделий / А.А.Авраменко, В.П.Себко, Н.Н.Сиренко. Опубл. в Б.И., 1991, X 28.

13. A.c. 1670638 (СССР). Устройство для определения магнитных характеристик замкнутых образцов / А.А.Авраменко, В.П.Себко,' Н.Н.Сиренко. Опубл. в Б.И., 1991, Jí 30.

14. Себко В.П., Сиренко H.H. Трехпараметровый контроль цилиндрических изделий.- Дефектоскопия, 1991, Jé <7, с. 36-42.

15. A.c. 1739214. (СССР). Способ бесконтактного измерения температуры электропроводящих цилиндрических изделий / В.П.Себко, Н.Н.Сиренко. Опубл. в Б.И., 1992, Jé 21.

16. A.c. 1744631 (СССР).. Способ определения электрофизических параметров цилиндрических проводящих изделий / В.П.Себко, Н.Н.Сиренко. Опубл. в Б.И., 1992, JÉ 24. .

17. Себко В.П., Сиренко H.H., Горкунов Б.М. Определение, маг- ■ нитных, электрических и геомьтрических. параметров цилиндрических проводящих изделий.- Техническая диагностика и неразрушающий контроль, 1992, Jé 2, с. 39-43. j/ ^