автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Электромагнитные многофункциональные преобразователи систем автоматизации управления и контроля сортировкой изделий

.ХАРЬКОВСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

Масалджийски Иилко Роков > -

Электромагнитные многофункциональные преобразователи систем автоматизации управления и контроля сортировкой изделий

05.13.05 - элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата, технических наук

Харьков - 1993

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

Научный руководитель -Официальные опоненты -

доктор технических наук , профессор Себко В.П, .

доктор технических наук , профессор Корсунов Н.И..

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

Ведущее предприятие - Научно-производственное объединение ' • " Метрология " , г, Харьков

Защита состоится 1 июля 1993 г. в на заседании

специализированного совета Д 068.39.02 в Харьковской политехническом институте < 310002, г.Харьков, ГСП, ул.Фрунзе, 21).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Харьковского политехнического инс?итута .

■ № ■■ 'Ь

Автореферат разослан

Ученый секретарь • специализированного совета

1993 г.

Кизилов В. У.

ОБИАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В, настоящее время использование автоматизированных систем управления и контроля технологическими процессами требует надежных , высокочувствительных , многопараметровнх и точных устройств . Особый практический интерес представляет разработка и исследование автоматизированных приборов и устройств для определения геометрических и электромагнитных параметров цилиндрических проводящих изделий , поскольку по этим параметрам можно определить связанные с ними такие физико-механические величины как прочность , твердость , температура , химический состав .Особое место среди бесконтактных и неразрушающих методов, позволяющих произпплить автоматизированный контроль качества продукции , занижает не год вихревых токов . Он позволяет контролировать как электрофизические характеристики деталей , так и их геометрические параметры . Значительное место среди ассортимента продукции выпускаемой промышленностью занимают цилиндрические проводящие изделия С прутки , трубы, заготовки , оси и пр . Э .

Основными характеристиками , несущими информацию о состоянии кристаллической структуры исследуемых объектов , являются относительная магнитная проницаемость п- и удельная электрическая проводимость ( электропроводность ) в . По величинам последних моямо судить о химическом составе материала о степени его чистоты. Относительная магнитная проницаемость рг и удельная электрическая проволимость-б связаны с соотношением доминирующих примесей углерода и кремния в конструкционных и Электротехнических сталях . Это позволяет использовать метол вихревых токов для целей разбраковки сталей rió маркам . Различные виды обработок < механическая , химическая , термическая , сварка , резка , шлифование и пр . > . которым подвергаются изделия , по разному влияют на величину и распределение а- и в . Поэтому v особо важным достоинством метода вихревых токов является пп-шожность одновременного измерения /*г и п на различных-глубинах , в зависимости от частоты зондирующего поля . Это обстоятельство дает возможность судить о таких важных характеристик деталей, как глубина слоя цементации или азотирования , степень закалки и пр.

Особый практический интерес представляет 'исппльзоплтс итмере-ния двух параметров изделия для целей сортировки изделий ■.■ j маркам нлп'риала и геометрическим параметрам. К настоящему Пронин,! били

3

известии работы, в которых описывалась разбраковка по рг и "в . Однако результаты этих работ имели-отношение к электромагнитным параметрам специальных образцов , а не к их материалу . Все это приводило к слабой раэррпис"!."!) способности и низкой точности устройств дня разбраковки ! пгому возникла важная для практики задача осуществления сортировки изделий , не по д. и б образца , а по электромагнитным параметрам материала . Кроме того, для расширения функциональных возможностей таких устройств , необходимо было рассмотреть сортировку немагнитных образцов по геометрическим и электромагнит ним параметрам .

На результирующий сигнал измеренный методой вихревых токов влияют не только относительная магнитная проницаемость и удельная электрическая проводимость , но и размеры исследуемого изделия , размеры катушек измерительного преобразователя и их взаимное расположение . Эта связь позволяет измерять и геометрические параметры образца , что в ряде случаев имеет особую практическую значимость.

Целью диссертационной работы является разработка и исследование электромагнитных преобразователей систем контроля и управления технологическими процессами изготовления и эксплуатации материалов, изделий, конструкций по допустимым их значениям магнитных, электрических и геометрических параметров'.

Для достижения поставленой цели необходимо было решить следующие основные задачи :

- разработать и исследовать электромагнитный метод и сре'дства для идентификации различных изделий по маркам материала при одновременном контроле двух параметров изделия ( магнитной проницаемости и удеяытой электропроводности ферромагнитных материалов и удельной электропроводности и радиуса немагнитных изделий > ; •

- с пепыл расширения пределов измерения двух параметров ферромагнитных изделий рассмотреть возможность совместного контроля магнитных прутков конечных длин ( и длин преобразователя ) с учетом размагничивающего фактора ;

- разработать и исследовать электрические схемы для контроля лмух параметров с целью сортировки изделий по их маркам на основе исничьэованич трансформаторных и параметрических преобразозателей ;

- создать методику оценки погрешностей контроля магнитных , >V-мрнческих и геометрических параметров цилиндрических изделий т.-'тих лпин ;

■ рл»работать способы и устройства для улучшения основных

-г

характеристик электромагнитных преобразователей ;

- выяснить поведение погрешностей- измерений параметров изделий и разброс характеристик изделия при переходах к разным паркам материала ;

- построить математическую модель процесса распознавания прутков по паркам материала на основе вероятностного подхода ;

- разработать алгоритмы и функциональные схемы автоматизированных систем и устройств , позволяющих на основе двухпараметрового контроля управлять процессом качественного изготовления цилиндрических прутков, проволок, заготовок , труб и других деталей , а также осуществлять сортировку изделий по .маркам материала .

Методы исследования базируются на использовании теории электромагнитного поля , электродинамики сплошных сред , теории электрических и магнитных цепей , аппарата специальных функций , теории вероятностей, дифференциального и интегрального исчисления , теории погрешностей .

Научная новизна результатов работы состоит в следующее : ■ - предложены и исследованы бесконтактные неразрушаюте методы и устройства для совместного, определения магнитной проницаемости и удельной электрической проводимости вещества образца с учетом конечных длин изделия и электромагнитного преобразователя ;

- разработана модификация этого метода применительно к сортировка, ненагнитного изделия по радиусу и электропроводности :

- создакз методика оценки погрешностей измерений магнитной проницаемости , удельной электрической проводимости и радиуса изделий с учетом размагничивающего фактора, возникающего из-за конечных длин ''преобразователя и изделия .

• - построена Математическая модель процесса идентификации тех или инных изделий к соответствующий ИН маркам материала на основе вероятностного подхода ;

'- разработаны алгоритмы и функциональные схемы систем , позволяющих на основе двухпараметровых измерений управлять процессами изготовления ферромагнитных и немагнитных проволок , прутков заготовок ,'изделий под крепе* и др. по допустимым значениям магнитных, электрических и геометрических параметров.

Практическая ценность работы сосроит в том , что разработаны» многопараметровые электромагнитные методы и реализируюшие их преобразователи позволяют в сугазственной мере расширить Фуг -циональные

3

возможности автоматизированных систем управления и контроля за счет возможности измерения электромагнитных параметров сравнительно коротких образцов ( 1/е) * 15...20 .где 1 и ^ --длина и диаметр образна ) , одновременного измерения электромагнитных и геопетрических параметров одним датчиком . повышения точности и быстродействия за счет использования обобщенных функций преобразования , позволяющих в упростить процесс автоматизации контроля , возможности оценки погрешности измерений при использовании полученых соотношений , автоматизации контроля прутковых изделий на различных стадиях технологических циклов их изготовления и эксплуатации . Разработаные методы расширяют класс решаемых задач в области измерений электрических магнитных и физико-механических свойств изделий ( таких , как химический состав .прочность , твердость , температура > . Они дают возможность осуществлять ранжирование списка сортируемых материалов с целью обеспечения надежной идентификации марки материала .

Реализация и внедрение результатов работы .Работа выполнена в соответствии с госбюджетной тематикой <1992,1993гг.тема N2 7729 ГКНТ Украины направление 6.7.1. Аналитическое приборостроение >. Разработаные электромагнитные многофункциональные преобразователи и автоматизированные устройства найдут широкое применение при контроле физико-механических параметров цилиндрических изделий , прутков . труб . заготовок , образцов в процессе изготовления и эксплуатации материалов, изделий и конструкций на Сталелитейном заводе г.Раковски , Институте цветных металлов г.Пловдива . заводе асинхронных двигателей г.Пловдива < Р.Болгария > и др.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на:

- Всесоюзной научно-технической конференции "Неразрушающие физические методы контроля " - Свердловск 1990 г.

* - научно - технических - конференциях профессорско-преподавательского состава ХПИ < 1992.1993 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 работ.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения , четырех ■глав и заключения , изложенных на 120 страницах машинописного текста . перечня используемой литературы из 88 наименований и приложений на 71 страницах. Работа иллюстрована 21 рисунками и 4 таблица-пи.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

В первой главе рассмотрены оптические , спектрометрические термоэлектрические и электромагннтные методы и устройства контроля параметров изделий . Изложены существующие методы и средства сортировки сталей по маркам .. На основании критического обзора существующих методов и устройств контроля выделены актуальные вопросы теоретических и экспериментальных исследований по разработке автоматизированных устройств для рассортировки образцов.и изделий по паркам материала . Выяснены области щзиренения электромагнитных мр-тодов и устройств для контроля параметров изделий . Сделан вывод о том, что наиболее приемлим и перспективным для экспресс-сортировки сталей является использование электромагнитных преобразователей , имеющих высокое быстродействие , широк.определьность , надежность , длительный срок службы, способность работать в заводских условиях . Показаны преимущества применения неразрушающих электромагнитных методов и преобразователей для разбраковки изделий и проанализированы причины , сдерживающие их развитие . В конце главы сделан выбор направления исследования и сформулированы основные задачи диссертационной работы . ■

Во второй главе получены основные теоретические соотношения . описывающие, работу вихретоковых преобразователей .Дана методика измерения параметров вещества рг и в с учетом размагничивающего фактора для образцов , длиннее или короче длины катушки параметрического преобразователя . Разбраковка изделий осуществляется по найденным параметрам вещества . Предложена методика и получены основные соотношения для измерения параметров вещества трансформаторным вихретоковым преобразователем . по ко+орым производится сортировка образцов' . Найдены основные соотношения Для измерения радиуса и электропроводности цилиндрического иэдетгл параметрическим и трансформаторным вихретоковыни преобразователями. . Рассмотрены пути повышения точности и разрешавшей способности измерения параметров вещества за счет компенсации воздушного зазора , использования треугольника напряжений для измерения малых углов и получения независим!« универсальных функций преобразования для ускорения пычис-

7

ления /jr и в в паралельных циклах . Приведены экспериментальные ре-эултаты разбраковки сталей по маркам с использованием параметрического датчика с учетом коэффициента размагничивания . Получены экспериментальные результаты измерения параметров нассивных образцов .

Для параметрического проходного электромагнитного преобразователя с длинным образцом реализация метода сортировки сводится к следующему :

- по измеренным значениям сопротивления и индуктивности l0 катушки без образца и с образцом Ri , i-, при известных диаметрах катушки и образца чк. > do0p , частоте ы зондирующего поля , рассчитывают тангенс угла сдвига фазы удельного нормированного магнитного потока к в изделии :

tg ,> - (R,- R0)/w t Lj- ( 1 - T) ) L03 < 1 ï

2 2

где v ■ doop ' dK коэффициент заполнения преобразователя ;

- по вычисленному tgj, из предварительно рассчитанного Массива точек функций преобразования < tgg> - f<x) ) , находят обобщенный параметр х . Связь между х и tgj> осуществляется по формуле :

beijX ( Ьег„х + Ьв10к ) + Ьег4х ( ber0x - bei„x )

tgp » -:-- ( 2 >

beijX t berDx - bel,ôx J " berlX ( bei-0x + beiDx .) ' '

- далее определяют удельный нормированный поток < величину к ) из массива к - tlx)который получают , используя формулу

2

к " —

berfx * belf

2. „ ^ ,5- . < 3 >

Ьег0х + bei0

- затем рассчитывают нормированный магнитный поток Фн по формуле

Фн -—L I ( R, - R0 )2 + и2 t ц - t 1- D ) L0î2 , (4)

(i) Lo

- находят магнитную рронинаемость тела pri контролируемого образца :

Рп - Фн ' Г) к

В

( 5 >

- используя связь между магнитными лроницаемостями тела дч и вещества при известном коэффициенте размагничивания N , определяют начальную магнитную проницаемость вещества образца

^в = < 1 - N )/ ( 1 - N , ( б )

Для параметрического проходного преобразователя 1 с длинным образцом ( больше длины катушки > м равен дроссельному коэффициенту размагничивания мд , -учитывающему усреднение электрофизических параметров образца на длине катушки

мд - (2-72 1<зх - 0-69 ) / х2 (' 7 >

я

х = 1к ' йобр , ( 8 )

I

где 1к ~ длина катушки .

- потом рассчитывают электропроводность тела образца по формуле

2 2

б1 » 4 X ' /1а Уп Ш ¿обр . < 9 >

- и наконец находят электропроводность вещества образца по,

Формуле :

бв " Рг1 < 10 )

Для того чтобы осуществить сортировку материалов по маркам , необходимо получить сведения об Электропроводности и магнитной проницаемости- всех сортируемых материалов . Результаты расчета магнитной проницаемости вещества образца И его электропроводности наносят с учетом величины ошибки измерения "на диагранму расположения отдельных сортируемых материалов в 'координатах магнитной проницаемости и удельной электрической Проводимости вещества . Исследуемый материал относят (причисляют) к 'тоН или другой «арке в зависимости от того ., в какой области или 'блин® к какой располагаются его элек-трофизи'еские параметры . Такое представление результатов позволяет провес и наглядную ранжировку списка сортируемых материалов . исключив из списка те материалы , которые ипепт'сильно перекрывающиеся области разброса электрофизических параметров . Мастичное перекрытие областей разброса начальной магнитной проницаемости и удель-

9

ffotf электрической проводимости возможно как из-за непостоянства технологии , так и из-за ошибкок измерения этих параметров .

Важным для практики является вопрос измерения электромагнитных параметров коротких образцов . Задача определения магнитной проницаемости тела и электропроводности для случая , когда изделие длиннее катушки, решена и освещена подробно в литературе . Для параметров преобразователя с образцом можно записать :

R« " Ro + Lo 0> V flti К sinj) , ( 11 )

Li " Lo[ f i - T) ' + J) М К созд) J , ( 12 )

Рассмотрип определение параметров вещества для случая , когда образец короче катушки , т.е он полностью входит в нее ..Будем исходить иэ предположения , что изделие оказывает практически влияние только на витки ,' находящихся непосредственно под ним . В таком случае иэперргтельный преобразователь можно образно представить , как бы состоящий из двух частей : пассивную - на которую изделие практически те влияет и активную - на чьи параметры образец оказывает воздействие . Если параметры катушки распределены равномерно по ее длине , то для активного сопротивления Rn и индуктивности l„ пассивной части можно записать :

Rn - Ro ( 1 " »обр f 1к ] , ( 13 )

Lit " L0 ( 1 ~ l06p ' ] , < 14 >

РГнея- ввиду выражения ( 11 ) - ( 14 > для активного сопротивления и индуктивности преобразователя с образцом можно записать :

Rt. » R0 + L„ 1обр со 7) A/riK einj) / 1K t 15 )

L, » L0 - L0 lo0p J? (l + //rt К costp J / 1K , ( 16 )

Из выражений < 15 > и < 16 > определим , чему равен tg$> и Фн

10.

tgcp

< 17 >

U L0-

обр

<R. - R,

. 2 2 | |) + (0

[L.-L0(I . < 18 »

Для определения магнитной проницаемости тела и его удельной электрической проводиности сначала вычисляют по формуле < 17 » значение tecp , а по нему из таблиц массива tgp - -f (х) находят обобщенный параметр х . Значение обобщенного параметра х используют для определения удельного нормированноголпотока к из массива^ к ■ *<х> , который вычисляют по формуле < 3 > . Зная геометрические и электрические параметры преобразователя без образца и с образцом находят Фн - нормированный магнитный поток . Далее определяют магнитную проницаемость тела по Формуле < 5 1» электропроводность тела по формуле < 9 >. Для нахождения магнитной проницаемости вещества образца необходимо • определить коэффициент размагничивания . Так как Образец полностью входит в преобразователь , в качестве коэффициента размагничивания необходимо брать - магнитометрический коэффициент размагничивания , учитывающий усреднение магнитной проницаемости по всей длине образца . С большой точност£ю можно считать , что магнитометрический коэффициент разиагничивания стержневого сердечника практически.равен коэффициенту разиагничивания эллипсоида с тем же л .

, - < 1-3-2 > (

arth ( Г ) - Г I / У

3

< 19 >

где г

1,-

а и ь это соответно большая и малая полуось

эллипсоида ,.

Рассмотрений выше параметрический проходной преобразователь несмотря на простоту в изготовлении и эксплуатации , имеет ряд недостатков . Температурная погрешность является одна из самых значительных среди них .

Малые абсолютные приращения активного сопротивления , особенно

И

при малых: значений обобщенного параметра (х < Потребуют тцатёль-ной термоизоляции преобразователя как от действия окружающей среды, так и от влияния температуры контролируемого изделия . Причем требование хорошей термоизоляции входит в противоречие с необходимостью практически полного заполнения датчика объектом контроля , что является обязательным условием уменьшения погрешностей измерений' электрофизических и геометрических параметров изделия .

З.д. с. вторичной обмотки трансформаторного преобразователя зависит как от электромагнитных свойств материала изделия . помещаемого в датчик , так и от воздушного зазора между обмоткой и изделием , а также частоты питающего тока . Очевидно , при определении параметров материала изделия в продольных полях полезная информация заключается в э.д.с. £* обусловленой потоком Ф в изделии.Что же касается части результирующей э.д.с. Ei , связанной с потоком в зазоре , то oija является в данном случае фактором мешающим. Поток в изделии может быть соизмерим и даже значительно меньше потока в зазоре , что приводит к определенным трудностям при выделении полезного сигнала на фоне большой помехи . С целью повышения точности измерения М- ив материала изделия величину Е, можно скомпенировать , при этом выражения для tgp и Фн существенно упрощаются . В таком случае Ej -» 0 и, следовательно, v -» 1 . При :;тои

где Ео - э.Д.с. преобразователя без изделия при наличии компенсации ; Ер - результирующая < суммарная) э.д.с. вторичной обмотки датчика с образцом при использовании компенсации .Ток в первичной цепи в процессе измерения поддерживается постоянным . Компенсация воздушного зазора в трансформаторном злектронагиитном преобразователе соответствует условному переносу измерительной обмотки на поверхность изделия . Для осуществления компенсации использована катушка переменной вэаимоиндуктивности (вариометр) , первичная обмотка которой включена последовательно - согласно с намагничивающей обмоткой датчика , а вторичная - встречно с измерительной обпоткой датчика . При определении параметров вещества необходимо учитывать центральный ( баллистический > коэффициент размагничивания .

= с 2.01 1п а - 0.46 ) ' а2 . ( 22 )

Фн e Ер t Ео tg$> - tgj)0

'о

( 20 ; ( 21 )

Такой переход от измеренных паранетров тела к параметрам вещества весьма эффективен при проведении экспресс - анализа химического состава вещества , отработке технологий изготовления изделий , сор-тировкр сталей .

Рассмотренные выше методы сортировки изделий по маркам материала осуществляются в последовательном цикле : сначала определяют pri , а затем в(.Для того чтобы упростить процесс определения параметров тела и осуцествить независимое одновременное определение fiTl и бг вводят другие универсальные функции преобразования к e M tgj> ) и "х ~ fz(tgj>) . При этом nx " к х2 . Параметр мх характеризует удельный нормированный поток , пронизывающий единичную площадку в слое на глубине проникновения поля в образец . Тогда'определение параметров тела сводится к следующей процедуре :

- по измеренным параметрам преобразователя с образцом и без образца определяют tgp ;

- по tgtp определяют удельный нормированный поток к и nx из

ФУНКЦИЙ К " M ) И N* = fjittgp) ;

- определяют магнитную проницаемость тела по формуле < 5 > , а' электропроводность тела из выражении

с5| — 4 nx/ ¡10 фн и dgp . , ( 23 I

Использование зависимостей к = fi< tg¡p ) и nx ■ f,(tg¡p) позволяет существенно ускорить процесс разбраковки .

Были проведены эксперименты по сортировке изделий с использованием как. параметрических , так и трансформаторных датчиков . В экспериментах сортировались цилиндрические образцы различных статей - 20 . 40 , 45 . 40Х , 38ХС с d = 10 ия и i'a 250 nn . В результате проведенного эксперимента по определению рв и бв различных марок сталей построена диаграмма , на которой местонахождение каждой из них определось ' в координатах рв и бв этими двумя параметрами . Из диаграммы! см. рисунок > видно. , что области , соответствующие большинству марок сталей , нё перекрываются, при этом надежность разбраковки по маркам стали увеличивается .

Необходимость одновременного определения радиуса и электропроводности возникает , когда пределы измерения контролируемых пара-петров достаточно гсироки и п срчзи с этим затруднена отстройка

п

Яв

120

100

80

60

40

0.3 0.4 0.5 0.6. 0.7 ввЮ7«'»

\

Рис.1 -

одного параметра от другого или заранее не известен диаметр изделия (например из-за диэлектрических покрытий) или при повреждениях наружной поверхности ( к примеру , рыхлый слой окислов ) и пр.

При использовании постовой схемы более выгодно измерять не абсолютные величины сопротивления, и индуктивности датчика , а их ' приращения . Для одновременного определения радиуса и удельной электрической проводимости немагнитных изделий удобно ввести без-' размерный параметр , характеризующий удельное вносимое нормированное сопротивление преобразователя . Выражения для модуля и Фазы этого параметра имеют вид

Не - гвн и 1-0 1) - 1 (1 - в» к >? + < 1т к >2

»0 Увп - Хвн ' "ей - < 1 - К ) > I"1 к

14

20 •

» |[ 45

щЩЦыо

38ХС Р 1 ' 40Х 5Г==н в щ

| 1 г

. ( 24 )

где "в к и 1т к - реальная и ннимая частьй параметра к ; гвн » хВн. Явн г вносимые значения полного электрического сопротивления и его активной и реактивной частей; д>Вн - угол сдвига по фазе *вн от "вн.

Значения к* к и можно вычислить, исходя из выражений

К - к сазр ( 26 )

1т к = к в1пд) , ( 27 У

Измерив"значения "Вн и 1-вн мостовой схемой , 'находят, величины

Г

+ х!н \ . < 28 Г

5>ВН ■ Хвн ' "вн , < 29 >

где Хви - ш |-вн • Затем по величине tg <р"вн находят , пользуясь зависимостями = ^вн' -и х = ^я Рви' ; паранетры мя и х Радиус изделия определяют изходя из соотношения ( 24 ).

а = ап .|< гви / ц ц, мг ), ' , < 30 >

где а. - радиус образца « ап - радиус преобразователя и ы - круговая частота « 1-„ - индуктивность преобразователя без изделия . Электропроводность находят по формуле < 9 > с м " 1 >.

В третьей главе получены соотношения для расчета предельных погрешностей.измерения магнитной проницаемости и удельной электрической проводимости для параметрического и трансформаторного датчиков с компенсацией.эффектов зазора и учетом коэффициентов размагни- . чивания . Установлено , чго относительные погрешности измерения /¿в и бв зависят от параметров исследуемого материала образцов , то • есть зависимости погрешностей от обобщенного параметра х не являют- .. ся универсальными. Приведем в качестве примера результаты измерений Ра , бв и их погрешностей для трансформаторного датчика с диаметром 12 мм, длина образца 320 мм, диаметром 8 мм. Э.д.с. преобразователя без изделия 58 п^, компенсированная э.д.с. с образцом 970 м^ , фаза нормированного потока 24.55° , частота намагничивающего тока 50 Гц, При этой задавались погрешностями измерения геометрических параметров п == Ул * гчп * Убп ~ 0.2 , погрешности измерения переменных -

15

з.д.с. составляла 0.5 " , фазы - 0.2 у- , частоты - 0.1 '/• . Результаты расчетов > магнитная проницаемость тела ~ 100.8 ; магнитная проницаеность вещества образна 121 ; электропроводность вещества 7.833 10е сп / п ; погрешность определения магнитной проницаемости вещества составила 0. 955 У- , а погрешность измерения электропроводности вещества - 2.052 * . Измерение проводилось в оптимальной по погрешностям области изменения обобщенного параметра х - 2-0315 . центральный коэффициент размагничивания составил 0.001725.

Получены формулы для расчета предельных погрешностей измерения радиуса а и электропроводности для трансформаторного преобразователя . Они выражаются формулами:

Уа " К

1>"ап>2 + ( | Гшви У * [\ **о }2 + [ \ СыГр }2 ' . ( 31 )

Уб " К 2 Гап>2 + < Уквн'2 + < 3-со)2 + ( Сб;г<р>2 + ( Уы>2 . ( 32 )

где Уа, Га , *ап . Гтвн , Гео .. , " относительные погрешности параметров , соответствующие индексам при погрешностях , характер-. ные значения которых определяются в основном классами точности используемых измерителных приборов ; См , Сб - коэффициенты влияния , зависящие от крутизны Функций преобразования . Анализ точностных характеристик устройств для совместных измерений а и б показывает , что погрешности и определяются значением обобщенного параметра и' относителныпи погрешностями измерительных приборов . Следовательно , кривые погрешностей универсальны и при заданных значениях относительных погрешностей измерителной аппаратуры могут быть использованы для определения погрешностей изг<ерения двух параметров изделий с любыми значениями радиусов и удельной электричес-. кой проводимости . Так как изменение этих величин на фиксированной частоте приводит к изменению обопгниого параметра х, а следовательно , и к изменению погрешности измерения . то изменяя частоту внешнего магнитного поля , можно злд.имгь рациональные режимы работы вихретоковых устройств для достижрни-1 палых погрешностей . Следует отметить , что. определение ппгрршн"г т^й измерения двух параметров ( и» и бц . или а и б ) осупг т 11' п .• т|,,, 1-, по методике расчета погрешностей косвенных и совокупных и-щрррчий

В третьей главе доказана зи™^1'"1« 'ь пратичггкого испильэо-

1Ь

вания параметрических алгоритмов вероятностной классификации в задаче, разбраковки образцов различных марок сталей и проверена программа ранжирования марок сталей по степени увеличения вероятности правильной классификации .

Эксперимент показал , что в отдечьных случаях существует значительный разброс в цв и бВ даже в пределах одной марки стали при одних и тех же геометрических размерах прутковых образцов . Последнее неизбежно приводит к пересечения^ областей классифицируемых марок сталей ( в системе координат рь > вв> > что снижает вероятность правильной разбраковки исследуемых образцов .

В Качестве алгоритма вероятностной' классификации был выбран ■ наиболее используемый в литературе при параметрической классификации метод максимального правдоподобия. При минимуме априорной информации этод метод наиболее эффективен и не требует большого объема памяти ЭВМ . Поскольку реальные-объемы обучающих выборок < количества образцов известных марок сталей Г невелики и не превышают 20 - 25 реализаций по каждому классу , то имеет смысл вычислять лишь два момента < среднее т и дисперсии- о ) признаков. Коэффициент правдоподобия вычислялся по формуле

1 Г «tfrV

tí) 2 termí.)2

La- 1 EXP 2 L V Ü»1 . t 33 í

(arrnei)2 1

D6l J

2Я

Jírí

/Л "ei.

где i". dJa .mÓi . Dei " математические ожидания и дисперсии магнитной Проницаемости и электропроводности i-той. марки стали ; fi¡ я ej измеренные значения магнитной проницаемости и электропроводности. классифицируемой стали . Марка сталй классифицировалась по максимуму lji .

Разработана методика определения минимально допустимого объема обучающей выборки .при определенных вероятностях правильной классификации для бесконечно большой обучающей .и тестовой выборки Pi . доверительной вероятности и процента ухудшения максимально достижимой вероятности распознавания г.

В четвертой главе даны подходы к проблемме выбора структурной схемы автоматизированного устройства для сортировки сталей на основе анализа информационных процессов в нем. Дано описание программы,

17

предназначенной для сбора статистической информации по рв и бв и осуществления сортировки различных марок сталей.Программа реализует метод измерения параметров вещества как для параметрического . так и для трансформаторного преобразователя с применением компенсации эффектов воздушного зазора . Дано описание устройства для контроля и управления процессом изготовления цилиндрических изделий на базе управляюще - вычислительного комплекса < Микродат > с применгнием стандартной измерительной аппаратуры - вольтметр , частотомер , фазометр , генератор синусоидального напряжения . Показаны достоинства такого подхода построения автоматизированного устройства - возможность независимого тестирования и эксплуатации применяемых приборов и узлов , относительно небольшие расходы на проектирование . Разработана функциональная схема автоматизированного устройства на базе П38И . Описаны подробно функции и параметры составляющих его блоков . Сделан сравнительный анализ двух разработанных устройств . указаны преимущества автоматизированного устройства , построенного на базе ПЭВМ . Результаты проведеных экспериментов и их обработка с помощью программы ( приложение 5 > показали . что идеи заложеные при разработке нового автоматизированного вихретокового устройства для сортировки материалов по маркам достоверны и осуществимы на практике .

В заключении кратко изложены основные результаты диссертационной работы .

В приложении даны исходные тексты некоторых программ , которые использовались в процессе работы над диссертацией , а также таблицы с результатами расчетов обобщенных функций преобразования параметрического и трансформаторного преобразователей . Приводится также данные по расчету коэффициентов размагничивания цилиндрических образцов . Материалы приложения дополняют , углубляют и конкретизируют результаты диссертации .

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ 1, На основании существующих методов и устройств для определения электрических магнитных и геометрических параметров изделий pria?!i;i кахная задача создания методов , алгоритмов работы многопа-риветроных электромагнитных преобразователей , позволяющих в существенной мере расширить функциональные возможности систем управления и контроля .

С. !1р1'лл)«.1'1ш м исследованы бесконтактны!? неразрушающие методы и угIрозетт л'ы i'oimrcTiii't a определения двух параметров изделий с

18

:етом конечных длин изделия и преобразователя .' Создан надежннй *ухпараметровый метод для определения принадлежности того или иио-) магнитного изделия к марки его материала . Разработана нолифика-тя этого метода применительно к сортировке немагнитного изделия по эдиусу и электропроводности . Эти методы позволяют осуществлять :кореную разбраковку магнитных изделий по одновременному измерению згнитной проницаемости и электропроводности тела . С целью'попыше-ия разрешающей способности устройств реализующих указание методы редложено осуществлять переход от параметров тела к параметрам ве~ вства изделия . Указано , что укорачивая длину образна либо нлпаг-ичивающую обнотку электромагнитного преобразователя , можно в су-ественной мере расширить ассортимент контролируемых изделий по агнитным электрическим и геометрическим параметрам .

3. Разработаны и исследованы электрические схемы на основе аранетрических и трансформаторных электромагнитных преобразовате-ей с проводящими изделиями ,у которых варьируются магнитные, элек-рические и геометрические параметры в широких пределах . Эти схемы снованы на использования стандартной аппаратуры < вольтметры , газометры и др.). Проверено качество работы данных схем . реализуг шх указанные методы в экспериментах на различных цилиндрических >бразцах , изготрвленых из магнитных и немагнитных натериалов . 'езультаты этих экспериментов хорош согласуются с- теоретическими юлохениями и данными контрольных методов .

.4. Создана методика оценки погрешностей измерений магнитной троттицаемости , удельной электрической проводимости и радиуса изделий с учетом разнагничивэюгаего фактора, возникающего из-за конечных мин преобразователя и изделия .Показано , что укорачивание длин оделля' и преобразователя приводит к увеличению погрешностей измерения магнитной проницаемости и электропроводности вещества .

5. Разработаны приемы, способы и устройства для уменьшения погрешности измерения магнитной проницаемости , электропроводности и радиуса изделий путем изменения частоты зондирующего поля, и фиксации ее при определении значениях ; введения компенсации части индуктивности <в параметрическом преобразователе > либо части результирующей э.д.с. < в трансформаторном преобразователе >, обус~ лоппеинх магнитным потоком в воздушном зазоре между изделием и обмоткой преобразователя ; использование измерительной аппаратур» с г'чепким' глассон точности. Важным моментом н улучшении характеристик ир'гпкразпвлтелей является введение ст.'шмпыш оСо\шпш Функ

19

ций преобразования позволяющих по измеренным непосредственно значениям сигналов преобразователя определить независимо друг от друга , ( в паралельном цикле > каждый параметр в отдельности . Последнее позволяет в существенной мере ускорить, процесс вычисления двух параметров . С учетом всех вышеуказаных, факторов относительные погрешности измерения магнитной проницаемости, и электропроводности вешества , к примеру , для ферромагнитных образцов! сталь45 > с отношением длины к радиусу 20 - 25 не превышает 3 ~ 5 , а электропроводности и радиуса немагнитных изделий ( при соотношение длины к радиусу больше 10 > - 1.5 - 2 при использовании стандартной изме-- рительной аппаратуры . Если выбрать аппаратуру более высокого класса точности , численные значения этих погрешностей могут быть существенно снижены . •

6. Показано , что для надежной сортировки ферромагнитных изделий по маркам материала необходимо, чтобы относительный разброс магнит-, ной проницаемости и электропроводности вещества при переходе от одной марки к различным был бы в 3 - 5 раз выше, чем относительные погрешности измерения этих параметров . Тоже самое имеет отношение и к немагнитным цилиндрическим изделиям . Таким образом установле-• но , что для длинных ферромагнитных изделий (л >В0.-..100> разброс должен быть в пределах 4.5 - 7.5 по магнитной проницаемости вещества и 6 - 10 7- по электропроводности Вещества ; для коротких магнитных образцов этот разброс должен составить 9-15 по магнитной проницаемости - и 15 - 25 по электропроводности вещества . Увеличение пределов разброса для коротких образцов связано с появлением дополнительных составляющих результирующей погрешности , вызваное ошибками вычислений размагничивающего фактора и допусками на геометрические размеры образца .

7.Показано < что в случае частичного перекрытия зон разброса двух параметров при переходе от одной марки к другой , необходимо применять вероятностный подход к сортировке изделий по маркам, материала . На основании такого подхода построена математическая модель процесса.идентификации тех или инных изделий по соответствующим им маркам . Разработана методика определения минимально допустимого объема обучающей в^орки при заданных вероятностях правильной классификации . доверительной вероятности и погрешности реальной классификации . Установлен факт повышения объема обучающей выборки при снижении вероятности теоретической классификации.

8-Разработаны алгоритмы и функциональные схемы систем позволяв-

20

щих на основе двухпараметрпвых измерений управлять процессами изготовления ферромагнитных и немагнитных проволок , прутков , заготовок , изделий под крепеж и др . по допустимым значениям магнитных , электрических и геометрических параметров . Эти сиаепы и устройства могут быть использованы для надежной сортировки цилиндрических изделий по маркам материала на металлургических , машиностроительных , электротехнических предприятиях и в других организациях.

Основное содержание диссертации отражено в следующих работах :

1. Горкунов Б.М., Себко В.П., Бондаренко В.И., Масалджийски И. Р. Погрешности проходного вихретокового преобразователя для многопараметровнх измерений - Харьков .'Деп. в УкрНИИНТИ , 1982, №3978 УК-Ц82,- 8 С.

2. Горкунов Б.М., Капустян A.A., Масалджийски М. Р. , Себко В. П. Параметрический преобразователь для контроля Ферромагнитпмч изделий конечной длины . - Вестник Харьковского политехнического института , 1990 , 278 , с.53- 55.

3. Пантелеев И.С., Масалджийски М.Р., Сиренко H.H., Капустян А. А. Контроль магнитных и электрических параметров трубчатых изделий . Тезисы докладов Всесоюзной научно-технической конференции "Неразрушаюшие физические методы контроля " - доклад . Свердловск 1990 с.3-15 с.31,32

4. Себко В.П., Багмет О.Л., Сиренко H.H., Масалджийски М.Р. Исследование электромагнитного преобразователя температуры Известия высших учебных заведений .Приборостроение № 2, 1991, топ 34 . Ленинград - с. 46-50

5. Щапов.П.Ф., Масалджийски М.Р. 0 вероятностном подходе к разбраковке, прутковой стали методом вихревых .токов Харьк. политехи, ин-т,- Харьков , 1992. Деп. в УкрИНТЗИ 28.08.92. N"X343 . Ук92. -8с.

6. Масалджийски М.Р. Автоматизированная установка для разбраковки сталей по маркам . Харьк. политехи.ин-т - Харьков 1992 . Леп. в УкрИНТЗИ 26.08.92. № 1344 , Ук92,- 6 с.

7. Горкунов Б.М. , Масалджийски М.Р. , Себко В.П. О разбрагов-ке ферромагнитных изделий по паркам материала . Харьк. политехи, ин-т - Харьков 1992. Деп. в'УкрИНТЗИ 31.08.92. 1366, Уг92.- 8 с.

21