автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Исследование и разработка средств вихретокового контроля свойств неметаллов с вертикальнослоистой структурой

ВИННИЦКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

СЕРЕБРЕННИКОВ Сергей Валентинович

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА СРЕДСТВ ВИХРЕТСНОВОГО КОНТРОЛЯ СВОЙСТВ НЕМЕТАЛЛОВ С ШИШАЛЬНОСЛОИСТОЙ СТРУКТУРОЙ

Специальность 05.11.13 - Приборы и методы контроля природной

среды, веществ, материалов и изделий

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Винница - 1992

Работа выполнена в Кировоградском институте сельскохозяйственного машиностроения

Научный руководитель - канд. техн. наук, доцент Э.И.Арш

Официальные оппоненты: докт. техн. наук, профессор Ы.А.Нцун

канд. техн. наук, до.цент В.А.Подкаренко

Ведущая организация: Днепропетровский научно-исследовательский институт технологии машиностроения

Защита состоится _" февраля 1992 г. в Ю.00 часов

на заседании специализированного совета К.068.24.01 в Винницком политехническом институте в ауд.210 1Ж (266021, Винница, Хмельницкое шоссе, 93)

С диссертацией монно ознакомиться в библиотеке Винницкого политехнического института

Автореферат разослан

Ученый секретарь сп ¡цналиэироЕанкого совета кед. техн. наук, доцент

I СЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

""" (Актуальность. В настоящее время в промышленности широко испо-,ссв'ртЗ|ад4ся неметаллические композиты естественного и искусственного ~ ТгргзЖсокденкя (например,, графитовые и железные руды, конструкционные материалы с армирующей углеграфитозой тканью), характеризующиеся слабовыраженными электромагнитными свойствами на' фоне сильной структурной анизотропии. С точки зрения неразрушающего контроля они представляют собой однооснонеоднородную (слоистую) среду,, важнейшим показателем качества которой является объемное содержание полезного (армирующего) компонента. Оперативный контроль концентрации полезного компонента в рудных сырьевых материалах необходим на всех.стадиях технологического процесса от добычи до обогащения для повышения выхода высококачественного концентрата и сокращения потерь; структуроскопия'углекомпозитов позволяет.судить о соответствии расчетным реальных механических, теплофизических и других ответственных характеристик.

Вихретоковый консоль со стороны поверхности, параллельной границам раздела слоев осложняется экранирующим влиянием верхнего слоя, меняющимся в зависимости от его удельной электрической проводимости €5 и толщины. Лучшие возможности для определения как интегральных характеристик композита, так и параметров отдельных слоев открываются при осуществлении контроля со стороны поверхности, относительно которой слои располагаются вертикально.

Чередование слоев армирующей ткани и связующего с различными 6 создает суммарный эффект анизотропии в продольном и поперечном простиранию слоев направлениях.. Поверхность углекомпозитов характеризуется неровностями до I мм, обусловленными наличием узлов пересечений жгутов волокон, складками ткани, растрескиванием матрицы.

Еще' более сложными для вихретокового контроля являются рудные материалы. Образовавшиеся после взрыва куски имвот случайно распределенную кривизну, поверхности с перепадами рельефа до 20 мм и более. Графитовые и железные руды обладают одновременно проводящими и магнитными свойствами. Контроль в скважинах осложняется их обводненностью и, неизбежно возникающими в процессе сканирования, перекосами зонда.

Серийно выпускаемая аппар|1ура не охватывает диапазона низких значений проводимости 6"«10-10 Сы/м, имеет недостаточные для рассматриваемых объектов пределы отстройки от колебаний зазора, изменений электропроводности и температуры. Поэтому задача разработки новых первичных вихретоковых преобразователей (ВШ), методик и

приборов контроля таких сред является актуальной.

Работа выполнена в соответствии с Межвузовской целевой комплексной программой "Разработка и применение методов и средств не-разрушавдего контроля качества промышленных изделий" на I98I-I985 (п.4.1.5) и на I986-1990 г.г. (п.2.6.2).

Цель работы заключается в разработке метода контроля вертика-льнослоистых структур накладными ВТП прямоугольной формы, создании новых конструкций BUI для контроля анизотропных сред со сложным рельефом поверхности, обосновании измерительных режимов автогене- . раторных вторичных преобразователей и создании на этой основе устройств контроля с улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками.

Поставленная цель достигается решением следующих задач:

1) анализ физических и математических моделей взаимодействия поля накладного ВТГ1 с вертикальнослоистой средой и создание метода решения прямой и обратной задач контроля; уточнение закономерностей вихретокового контроля слабопроводяшх сред в области б= 10-Ю^См/м; разработка новых конструкций ВТП с отстройкой от влияния анизотропии свойств и рельефа контролируемой поверхности;

2)-сравнительный анализ измерительных режимов автогенераторных преобразователей (АГП) с различным включением резонансных контуров, определение базовой схемы АГП и разработка методики ее практического расчета;

3)- обоснование принципов стабилизации амплитуды и чувствител! ности АГП при изменениях зазора и температуры;

4) разработка методики создания стандартных образцов б в диапазоне 10 - 10^ См/м;

5) реализация результатов исследований и разработанных устройств в промышленности.

Методы исследований. Теоретические исследования выполнены с применением теории квазистационарных полей, метода эквивалентных параметров, метода медленно меняющихся амплитуд, теории цепей, npi ципов теории чувствительности, численных методов. Экспериментальная проверка теоретических положений проводилась с использованием современной измерительной аппаратуры, а также физических моделей ] устройств, разработанных автором.

Научная новизна работы состоит в том, что: - разработаны метод расчета эквивалентной <а вертикальнослоистой среды в поле накладного прямоугольного ВТП, основанный на исследо зании распределения плотности вихревого тока в слоях и алгоритм

решения обратной задачи, позволяющий определять проводимости и толщины отдельных- слоев посредством анализа модуляционных характеристик б, получаемых при повороте ВИ1 вокруг оси и сканировании вдоль главных осей анизотропии; определено влияние угла наклона слоев к внешней поверхности на период и глубину модуляции 6 ;

.- выявлены особенности контроля слабопроводящих сред (6"* 10йСм/м) в широком частотном диапазоне маловитковыми ВТП с различной формой, размерами, числом витков W; исследовано влияние магнитопровода;

- определены принципы построения ВТП с отстройкой от изменения зазора путем адаптации его формы или положения к рельефу по траектории сканирования с сохранением квазиосевой симметрии поля;

- на основе исследований диаграмм срыва, колебательных и нагрузочных характеристик различных схем АП1 выявлены условия повышения амплитудной стабильности, определена базовая схема АГП, получены аналитические выражения для расчета нагрузочных характеристик и чувствительности с учетом степени напряженности режима работы как по переменному, так и по постоянному токам;

- теоретически и экспериментально доказан эффект подавления влияния зазора на чувствительность АГП путем целенаправленного регулирования глубины положительной и отрицательной обратных связей, предложены новые схемы устройств с компенсацией погрешностей от влияния зазора;

- определены закономерности изменения формы ВАХ активного элемента .автогенератора для достижения температурной стабильности в пределах -15-+45°С;

- предложено использовать в качестве .'стандартных образцов 6 в диапазоне Ю-Ю^См/м монокристаллы полупроводников, выращенные по специальной технологии.

Практическая ценность результатов работы:

- разработан способ определения ориентации слоев,их параметров с помощью ВТП прямоугольной формы;

- разработана методика изготовления стандартных образцов 6 в диапазоне Ю-Ю^См/м, определена точность градуировки измерителей € в промежуточных мевду образцами точках методом вариации частоты;

- созданы ВТП для статического и динамического контроля анизотропных сред со сложным рельефом поверхности;

- разработаны схемы АГП с отстройкой от обобщенного зазора до ¿■i0,7 и температуры в пределах -1о-+45°С.

Реализация результатов работы.- Разработанные средства контроля внедрены для структуроскопии углекошоз'итов (п/я Ы-5612, годо-

вой экономический эффект Э= 267 тыс.руб.), для экспресс-контроля концентрации углерода в графитосодержащих рудах (Завальевский графитовый комбинат), для определения содержания железа в кусковых пробах руды (НКГОК, г.Кривой Рог, Э= 56458 руб., СевГОК), для измерений в скважинах (НКГОК, 3= 83635 руб.).

На защиту выносятся:

- метод расчета эквивалентной проводимости б вертикальнослоис-той среды в поле накладного ВШ и алгоритм решения обратной задачи по определению проводимостей и толщин отдельных слоев;

- результаты экспериментальных исследований особенностей вихре-токового контроля слабопроводящих сред маловитковыми ВТП;

- обоснование базовой схемы АГП и методика ее расчета с учетом степени напряженности режима работы генератора; .

- теоретическое и экспериментальное обоснование путей и способов подавления влияния зазора на амплитуду и чувствительность АГП;

- результаты .исследования генераторов на негатронах А-типа с низкодобротными контурами, компенсация температурных погрешностей;

- обоснование конструкций ВТП с отстройкой от влияния анизотропии свойств и кривизны поверхности образца;

- методика создания стандартных образцов б в области Ю-Ю^Си/м;

- схемы АШ с улучшенными метрологическими характеристиками и результаты их реализации в промышленности.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на:

- IX Всесоюзной конференции "Неразрушающие.физические методы и средства контроля"(г.Минск, 1981г.),

- 2-й республиканской конференции "Физические основы построения первичных измерительных преобразователей" (г.Винница, 1982 г.),

- У1 региональной конференции "Новые методы и средства неразру-шающего контроля качества .материалов, полуфабрикатов и изделий"(г. Куйбышев, 1982 г.),

- Всесоюзном тематическом семинаре "Приборы с отрицательным сопротивлением в радиоэлектронных устройствах" (г.Москва, 1982 г.),

- 1У Всесоюзной межвузовской конференции "Электромагнитные методе контроля качества материалов и изделий" (г.Омск,'1983 г.),

- У1 и УII Всесоюзных конференциях "Методы и средства измерений электромагнитных характеристик материалов на ВЧ и.СВЧ" (г.Новосибирск, 1967 и 1991 г.г.), . ■

- 7-й Уральской конференции ."Современные методы неразрушающего контроля и НХ метрологическое обеспечение" (г.Ижевск, 1986 г.), .

- Всесоюзном семинаре "Методы и средства неразрушающего контроля изделий из неметаллов и их применение в промышленности"(г.Ленинград, 1969 г.),

- Всесоюзной конференции "Проблемы теории чувствительности измерительных датчиков, электронных и электромеханических систем" (г.Владимир, 1989 г.),

- XII Всесоюзной конференции "Неразрушающие физические методы контроля" (г.Свердловск, 1990 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 35 печатных работ, из них 10 - в центральных и республиканских нурналгх, 8 авторских свидетельств на изобретения и II докладов на перечисленных вше конференциях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 137 наименований и приложения. Работа изложена на 125 страницах, иллюстрирована рисунками и фотографиями на 73 страницах, содержит б таблиц и приложение на 17 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе проведен обзор современных разработок по контролю композиционных неметаллических материалов, дана их краткая характеристика. Из анализа работ в области неразрушающего контроля, электротехники, физики композитов следует, что вследствие значительных математических трудностей строгие методы расчета электромагнитного поля в вертикальнослоистой среде, приводящие к аналитическим выражениям для вносимого в ВТП сигнала, отсутствуют; отмечены" достоинства и перспективы метода эквивалентирования многослойной среды однородно-анизотропной, позволяющего применить для расчета вносимых параметров ранее созданные методики.

Проведен краткий обзор известных результатов исследования ВТП различных конструкций, отмечены некоторые трудности и особенности БЧ контроля б слабопроводящих сред и отстройки от влияния зазора при работе в доэкстремальной области годографа.

Анализ многообразия вторичных схем преобразования, содержащих ВТП в резонансном контуре, показал, что наибольшей чувствительностью к слабовыраженным электромагнитным свойствам образцов при относительной простоте обладают автогенераторные преобразователи. Однако дальнейшее развитие этого направления серьезно сдерживается отсутствием методик строгого количественного описания измерительных режимов АГП, недостаточной их стабильностью.

Иетрсхогическое обеспечение вихретоковьзс измерений б является сложной задачей'и в настоящее время для слабопроводящих сред сна не решена. Известки попытки создания образцов на основе смесей проводящих порошков с диэлектрическим связующим. Такие образцы характеризовались недостаточной однородностью и частотной дисперсией о .

Рассмотрение современных методов отстройки от влияния зазора и температуры позволило определить пути и способы повышения точности создаваемых средств контроля.

Зо второй главе исследован процесс взаимодействия псля накладного прямоугольного ВШ с вертккальнослсистыми средами при его ориентации вдоль главных осей анизотропии. На основе анализа распределения плотности вихревых токов в слоях разработан графоаналитический метод расчета проводимости однородной среды, эквивалентной слоистой в поле ВШ. Эквивалектировакие проводилось по критешо потерь активной.мощности от вихревых токов.

При ориентации длинной стороны ВШ поперек слоев с проводимо-стями бА и бг и толщинами Т4 и Т2 (рис.1) вихревой ток, текущий в

материале' под проводом ВШ, пересекает П. повторяющихся пар слоев, укладывающихся ка длинной стороне £&. Сопротивление этому току равно сумме сопротивлений отдельных слоев; ■чтобы отсюда получить выражения для О. эквивалентной необходимо соответствующую площадь сечения S1 пред-ставить'кая функцию б* и других известных величин.

Решение уравнения Гелъмгольца для прямоугольного ВШ позволило получить распределение вектор-потенциала магнитного поля и модуля плотности £ вихревого тока в проводящем полупространстве в функции от обобщенного параметра Jï=QJoi)f£ где 2- полушгрина ВШ, Ы— круговая частота. Ограничивая площадь £ сечг:с.я трубки Еихревого тока на уровне 0,1 от J »я*. определяли экачзние 5; для каждого выбранного J3 =0,1-15. Сохраняя ширину зоны контроля Спо X), приводили -S* с неравномерно распределенной I s 2С1С постоянна значением J0=]max . Зависимость Sa-t tJ3 3 аппроксимировали степенной, экспоненциальной, показательной ^ункцизги, а полиномом. Использование ашрокагмирупщей функции £с-=Ъ^

РисЛ.йрнгмент ВШ, ориентированного поперек слоев.

позволило определить эквивалентную б1 в явном виде:

где погрешность 2Г аппроксимации менее I % обеспечивается коэффициентами: 13=0,26634, 1 =-0,47114 в диапазоне 0,8 & .£¿2,1 и В ■= 0,21113, 1 =-0,70375 при 1,9 ¿-£¿3,3; в области 3 £ 15 Б = 0,42531 и И =-0,97994 ( 2Г£ 1,5

Следует отметить, что точность формулы тем въше, чем базыз длина БШ по отношению ?. периоду Т^+Т^ среды.

При решении обратной задачи, с целью определения дополнительных информативных параметров, проведен анализ ортогонального расположения ВТП, когда его длинная сторона параллельна границам раздела слоев. В этом случае границы .слоев рассекает область протекания Еихревого тока на !У\ элементарных трубок, выступы сечения соответствуют слоям с меньшим ]2>. Общая рассеиваемая в среде с эквивалентной проводимостью бп мощность /ба равна сумме потерь в слоях. Аппроксимируя произведение ¿а^а= Г С_СЗ ) степенной функцией Гер ) = 8в диапазоне 0,8 6 _|3 2 с погрешностью 1,1 % С при 0 =0,023495, 1=3,1006), з пределах - с Ук1,5 %

(при 0=0,04258, 1=2,284), получаем выражение для расчета б^:

г

^ (2)

где = Р^ /2 6. В области 3 15 кривая Р(_В) близка к линейной и с %

списывается выражением + Е , где В =0,3599, Е =

-0,57625; в этом случае:

¿значение о зависит от сочетания слоев, находящихся в зоне контроля и будет меняться при перемещении НГП з направлении, перпендикулярном слоям. Очевидно, что экстремальные значения б* примет в случаях, когда обе длинные стороны БШ будут находиться над серединами слоев с 64 или б2 - Модуляционный кривые б* С ), полученные из (2) при различных Т2/Т4 при Гг+Г<=а=2-10~'т« показаны на рис.2. Характеристик:» имеют периодический характер, расстояние между соседними гкстреиуказга составляет (!^+Т<)/2. Глубина мзд"хч-ции о" максимальна при Г2=Т< , при увеличении или. уменьшении Т2/Т|

б'-Ю^См/м

снижается, а сама характеристика смещается по оси б". Характерной особенностью кривых является выполажива-ние вершин, соответствующих перемещению длинной стороны ВШ над слоями большей толщины. Важным является тот факт, что показанные пунктиром прямые пересекают модуляционные кривые в точках, расстояние между которыми равно

Увеличение периода (Та+Т,)/Л при вызывает монотонный рост за счет ослабления влияния соседних слоев, максимальное значение (£=1500 См/ы достигается при Тг=Т^>4а, когда слои воспринимаются БШ как полупространство.

Изменение соотношения б соседних слоев также меняет величину & Задав Т^Т, получим 5^=673 См/м и

поперечную эквивалентную проводимость 6=839 См/м. Изменив соотношение 61 и б2так, чтобы .сохранить б\ например б, =594 См/м и б2 =1343 См/м, получим уменьшение (У" до 382 См/м. Таким образом, анализ модуляционной характеристики б (-д-) позволяет определить толщины слоев Т(и Т2, а также отношение их про-водимостей по значению глубины модуляции Используя выражение (I) для б можно определить и абсолютные значения проводимостей

Рис.2.Ыодуляциойные характеристики б"(при б2/б^ = гооо См/м/ 500 См/м.

Определенные погрешности при этом могут возникнуть при отклонении слоев от нормали к внешней поверхности на угол <=£. Модуляционная кривая , рассчитанная для ¿¿=20° отличается от зависимости для ¿¿=0° тем, что & снизилась на 11,7 %, а период модуляции возрос на 7,5.% в соответствии с ростом ширины Т=ТаКоС выхода елозз на внешнюю поверхность.

Результаты расчета ггрозерены экспериментально на физических моделях - з качестве армирующих использовались медные и немагнитна стгльк^е (ос=1,6'1й0&:/м) пластины, роль связующего выполняло с-го (о0 =7,£ ¡¿См/м).

т -3

Полученная с помощью 8ТП 32x4 мм на модели ТС=Т0=Ю м глубина модуляции составила 37 %, что сопоставимо с расчетной (41,2-5). Занижение с?" объясняется интегрирующим влиянием короткой стороны БИ1. Экспериментально получено, что влияние короткой стороны 2а пренебрежимо мало (модуляция в поперечном положении не превышает 1-3 %) при соотношении длины 26 ВТП с периодом Т^Т., среды:

>12-15; соотношение для диаметра <£ провода: с£/Т,п£г)<0,2-С,с. г Экспериментально исследованы угловые модуляционные характеристики БШ при его повороте относительно осей анизотропии. _

На монокристаллах полупроводников в диапазоне б=Ю-Ю"См/м исследованы особенности конструкции БЧ маловиткозых ВШ различив форм и размеров, воздушных и с магнитопроводом. Обнаружено наличие максимума з зависимостях внесенного импеданса однослойной катушки от ее длины Ь = с{\\/, проявляюсегося з области М=3-5 (рис.3), при-

ом . а оз

чем угол У наклона падающих участков зависит от параметра Экстремальный характер зависимостей объясняется преобладанием эффекта концентрации суммарного поля катушки при малых í над эффектом отдаления соответствующих витков от поверхности образца, при дальнейшем увеличении £ эффект отдаления становится преобладающим. При возрастании <о образца максимум ^/с^* Ягм( Сд- собственная индуктив-' ность ВШ) становится более гы-ракенным и смещается в область меньших £. Смещение максимума ) носит противоположный характер. Разработана методика Рис.3.Зависимости вносимого кмпе- согласования значений на гра-данса от длины катушки и проводи- нице частотных диапазонов, ох-мости. Диаметр БШ 6,6мм, £=35УГц. ватызаемых катушками с различным ¿/¿, заключающаяся в том,что на соответствующей данному-у минимальной частоте , граничащей с максимальной частотой , отвечающей исходному числу норое

значение смещается на величину (,1гг £1)±дЧ'/<1.

Из сопоставления реакций круговых ВШ диаметром Ъ =3-15 мы и

катушек сложной конфигурации экспериментально определяли эквивалентный диаметр последних для расчета параметра ^ =■2^>/зoJAc■ И'ccлeдoвaниe прямоугольных ЕЭД на образцах 6 показали, что при 6

г

5-10 См/м не зэеисит от 6 . При переходе в послеэкстремальнун: область годографа значение Ъэ следует уменьшать на 15-20 %. Здес 1)3 для прямоугольной катушки с погрешностью не более 6 % совпада с расчктенным по известному выражению- значением.

Исследования в области 10^ б^ Ю°См/м и 50 МГц пока

зали, что практически не меняется при сохранении постоянным произведения б¿f¿ . Погрешность невыполнения оказалась не белее и снижалась при увеличении"диаметра БТП, уменьшении числа витков отношения проводимостей сравниваемых образцов. Это позволило при менить методику замены промежуточных между образцами 3 точек пос гобой вариацией частоты, оценить погрешность такой градуировки.

Установлено, что степень влияния ыагнитопровода на величину реакции БТП зависит от 6 образца. Так, отношение значений {ч^ ,вн симых образцом с 6=17,9 .См/м в катушку 1>=10,6 мм,6^=10,5 с сер дечникоы (_/л=400) и без него составило &=3,21-3,2о на частотах ' 15 МГц; однако уже при б=2-104См/м к =1,08-1,21. Это объясняете.

возрастающим противодействием поля вихревых токов, которое также ускл; вается севдечником.

Для достижения одновременного снижения влияния анизотропии свойс^ и кривизны контролируемой поверхнс< —ти разработан ВТП, представляющий.

собой центральный подвижный стерже! с катушкой, три боковые, размещенш .через 120°неподвижные стержня с картушками и сдвинутые относительно ш ГУ^на угол 8 подвижные Соковые катуппа число й11-которых определяется из фс мулы 8-2=5/6. Зависимость, относит льной погрешности 2Г от угла поворот сИ. относительно осей анизотропии при 2^=0 и 1 показана на рис.4а. Рис.4 а,б. Погрешность Г от " ^ сканирования слоистых криво угла Л повороте (а) и угла линейных поверхностей (например,иге У наклона (б) БИТ нон сквагшы^ разработан ВШ с веер

образным размещением стержней с кат

зала, торцы которых лежат на дуге полуокружности, хакая конструк-н я позволяет снизить погрешность от утла наклона У к сканируемой поверхности. Относительная погрешность У от V3 при различных отно-энкях чисел виткоз центральной и боковой катушек показана на рис. б. Так, при /И/Б =0,17 ¿¡42 % з пределах углов качания -18°.

В третьей глазе проведен сравнительный анализ основных схем ГП с включением резонансного контура з различные цепи активного леж-та на основе совместных исследований диаграмм срыва и нагру-с-гных характеристик. Полученные результаты позволили выявить облз-ти существования стабильных измерительных режимов, систематизиро-ать сведения о метрологических характеристиках каждого из них, лоссбствовали выработке рекомендаций о наиболее целесообразном ^пользовании рассмотренных схем. Обоснована базовая схема АГП, по-троекная ка основе емкостной трехточки с резонансной системой в ыхедкой цепи, использующаяся для измерений в области высоких и редких значений добротности контура, содержащего ВТП.

Теоретический анализ базовой схемы АШ з отличие от известных убликацкй проведен с учетом как переменных, так и постоянных ссс-авляющих токов и напряжений. Модель представлена дифференциальны:.! равнением 3-й степени; из уравнений стационарного режима при ап-рскснмацки характеристик!* коллекторного тока (_к рядом Фурье с мо-^фицированкыми функциями Бесселя з качестве коэффициентов ряда поучены выражения для расчета нагрузочных характеристик, устанавливаете зависимость амплитуды напряжения I) на контуре от эквивалент-

ов сопротивления 1?э с учетом коэффициента & положительной ОС

и

сгротивления автосмещения Йа:

-{

(3)

¿(ЬкПкаЛЫП _ 5_г

ШаЪЩТГ' Ка

, (4)

де 10,14 - модифицированные функции Бесселя 1-го рода, у - эффек-квкостъ эмиттера, Е5- фиксированное смещение на базе.

Результаты расчета нагрузочных характеристик АГП согласно (3, ) при Ь. =0,05-0,5 и Йа=2-Ю кОм с погрешностью не хуже 8 % подт-ерждены экспериментально.

Теоретически и экспериментально доказана эффективность кемпен-вцки влияния зазорам путем целенаправленного изменения режима АГП о постоянному или переменному тонам. Реализация рассчитанных сог-асно (3,4) закономерностей 2аШ или & (¡¿) обеспечивает азтомати-ескую стабилизацию выходного напряжения \) при изменении с£.. Кз

рассмотрения семейства полученных для =0,21-1,35 закономерносте Яа(<£) следует, что отстройка в пределах <¿=0,05-0,25 осуществляет ся с погрешностью не более 5 % на краях диапазона при$=0,2-0, и той же погрешности диапазон отстройки расширяется до 0,01^<0,£

Указанный способ компенсации реализован в схемах АЩ, где измеряется накладным .конденсатором, работающим в режиме экраниро! ния электрического поля.

Б четвертой главе рассматриваются вопросы улучшения метролог ческих характеристик средств контроля. Анализируется выражение дл чувствительности §и/Ив базовой схемы АГП

о и + Мйа)[г(1-к)УЛа1<Ш)-кги10Ш)]г_

позволяющее установить связь Зще^ 0 напряженностью режима генера тора. Доказано, что достигает максимального значения в реи

ме, близком к критическому (при/?=25 %). Изменение напряженности режима по постоянному току позволяет сформировать требуемый диапа зон измерения.

Совместное исследование чувствительностей и пока-

зало, что при реализации компенсирующей зависимости & (оО может быть достигнута нечувствительность величины ^¿и/я'^^к заз°РУ (при ^=1,35 вплоть до £¿.^0,7). Аддитивная погрешность амплитуднс го сигнала АГП вследствие расхождения зависимостей к (оЦ для различных £ не превышает 8 % в области ои0,3. При сокращении диапазс на^ эта погрешность резко снижается.

Для осуществления двухпараметровой отстройки от зазора иссле дован двухчастотный АГП на негатроне А-типа, составленном из трех полевых транзисторов. Модель схемы представлена системой из 4-х дифференциальных уравнений, решение которых при аппроксимации ВАЗ кубическим полиномом, позволило получить зависимость амплитуд ста ционарных колебаний различных частот от параметров резонансных кс туров. Анализ зависимостей совместно с экспериментальными данными позволил определить условия разделения на соответствующих частота действительной и мнимой частей внесенного импеданса, отношение ко .торых слабо зависит от зазора. Описанный способ реализован в схемах АГП для контроля значений • 6 в диапазоне Ю^-Ю^См/м.

При контроле магнитных свойств проводящих сред типа железору ного сырья влияние б снижается путем включения ВТП в низкодобротн (Ц=3-20^ контур. Устойчивая работа генератора при низких 0 обесп чивается путем использования в качестве активного элемента негатр

на с ВАХ Л-типа. Снижение температурной нестабильности достигается коррекцией параметров цепей обратных связей негатрона, положения рабочей точки на ВАХ и напряжения на затворе управляющего транзистора. Разработана терыостабильная в диапазоне-15 - +45°С схема АГП с температурной погрешностью не более 5 % на краях диапазона.

Исследованы возможности монокристаллов германия и кремния для получения стандартных образцов б. Выработаны рекомендации по технологии производства образцов с повышенной однородностью (разброс б по объему не более I %), отсутствием дисперсии б на частотах вплоть до 300 МГц. Изготовленные образцы диаметром 30-70 мм использованы для метрологического обеспечения вихретоковых измерений б.

В пятой главе приведены результаты практического использования разработанных средств контроля. Дяя структуроскопии углекомпо-зитов разработан цифровой измеритель электропроводимости АБИ-3. Выносной зонд прибора содержит АШ и снабжен сменными наконечниками с вмонтированными в них маловитковыми ВШ круговой и прямоугольной форм. Диапазон измеряемых б«Ю-Ю^См/м охватывается тремя поддиапазонами, рабочая частота 14 МГц,- относительная погрешность -не более &%. Экономический эффект от использования двух приборов на предприятии п/я M-56I2 составил 267 тыс.руб..

Автогенераторный прибор для экспресс-контроля содержания графита в руде ИСУ-1 содержит ВШ, выполненный на эластичной мембране с возможностью адаптации к рельефу контролируемой поверхности. Елок обработки информации содержит устройство автоматического усреднения результатов контроля. Диапазон измеряемых 6=5-100 Си/и, частота -42 МГц, максимальная относительная погрешность - 8$. Прибор ИСУ-1 внедрен на Заваяьевском графитовом комбинате.

Для определения концентрации магнитной фракции железа в кусковых пробах руды разработаны мшетры АМЦ-1 и AM-I. В цифровом приборе АМЦ-1 применен трехточечкый генератор, работающий на частоте 12 кГц.. ВШ содержит подвижный центральный и 6 боковых стержней с катушками (см.глазу 2). Диапазон измеряемых ju =1,1-5; приведенная погрешность - 3%. Экономэффект от внедрения на ККГОКе (г.Ксивой Рог) составил 56458 руб..Аналоговый вариант прибора АМ—I (6 экз.) внедрен на СевГОКе. Прибор АЫЦ-1 отмечен бронзовой медалью ВДНХ СССР. .

Автогенераторный каротажный измеритель АНИ-3 для контроля в скважинах содержит термостабильный АП1 на негатроне A-типа и ВШ с отстройкой от перекосов. АКИ-3 работает в режимах непрерывного измерения по траектории сканирования и пометрового усреднения

результатов контроля; применение операции интегрирования'на порядок снижает динамическую случайную погрешность. Прибор имеет следующие характеристики: погрешность измерения - 5%, скорость сканирования - до 4 м/'мин., масса - 6,5 кг. Экономический эффект от внедрения двух приборов на НКГОКе составил 83635 руб...в год.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Проведен анализ физических и математических моделей взаимодействия накладного прямоугольного Б1П с вертикальнослоистой

' средой. На основе исследования распределения плотности вихревого тока в слоях разработан метод расчета эквивалентной проводимости б слоистой среды в поле ВШ. Обоснован алгоритм решения обратной задачи по определению проводиыостей и толщин отдельных слоев, основанный на анализе модуляционных характеристик б, получаемых при сканировании вдоль главных осей анизотропии. Определено влияние угла наклона слоев к внешней поверхности. Теоретические результаты подтверждены экспериментально.' Исследованы угловые модулиционные характеристики ВТП при его повороте относительно осей анизотропии.

2. На монокристаллах германия в диапазоне 10-10^См/м исследованы особенности вихретокового контроля маловитковыми ВТП различных форм и размеров. Обнаружено наличие максимума в зависимостях внесенного импеданса от длины катушки t • Предложена методика согласования сигналов на границе частотных диапазонов, охватываемых ВТП с различной £.. Установлено, что погрешность частотной градуировки измерителей 6 снижается при уменьшении £ и увеличении диаметра катушек. Степень влияния магнитопровода на уменьшается при увеличении б контролируемого образца.

3. Разработаны новые конструкции ВТП с улучшенной отстройкой .от влияния кривизны поверхности и анизотропии свойств образца.

4. Проведен анализ измерительных режимов основных схем АГП с включением резонансного контура в различные цепи активного элемента на основе исследования диаграмм срыва, колебательных и нагрузочных характеристик. Обоснован выбор базовой схемы АГП. Получены аналитические выражения для практического расчета нагрузочных характеристик и чувствительности АГП с учетом степени напряженности режима генератора как по переменному, так и по постоянному токам.

5. Теоретичерки и экспериментально доказана эффективность подавления влияния зазора <L путем целенаправленного изменения глубины положительной и отрицательной ОС генератора. Определены диапазс кы отстройки от U при заданной погрешности.

Для двухчастотного АГП на негатроне A-типа определены уело-

вия разделения на соответствующих частотах действительной и мнимой частей внесенного импеданса, отношение которых слабо зависит от ci.

0. Исследована управляемость характеристик генераторов на негатронах А-типа с целью осуществления помехоустойчивых измерительных режимов в области низких добротностей (Q*30) резонансного контура. Разработана схема термостабильного АГП с температурной погрешностью менее 5% в диапазоне -15—И.5°С.

7. Разработана методика создания стандартных образцов 6 в диапазоне Ю-Ю^См/м на основе монокристаллов полупроводников, легированных примесями.

8. Созданы и внедрены на предприятиях министерств черной металлургии, строительных материалов, общего машиностроения вихрето-ковые приборы для экспресс-контроля качества структурноанизотроп-ных материалов. Общий экономический эффект согласно документам о внедрении составил 411,9 тыс.руб. в год.

СПИСОК (ПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ

1. Арш Э.И., Серебренников C.B., Хандецкий B.C. Анализ измерительных режимов трехточечных автогенераторов с различным включением резонансных контуров //Измерительная техника. - 1982. - JÎ9. -

С.40-41.

2. Серебренников С.Е., Хандецкий B.C. Исследование диаграмм срыва измерительных автогенераторов с контуром в цепи управления //Приборостроение: Респ. межвед. науч.-техн. сб. - Киев: Техн1ка, 1982. - Вып. 33. - С.100-104.

3. Серебренников C.B., Твердоступ Н.И., Хандецкий З.С. Управление БАХ А-типа для коррекции характеристик измерительных автогенераторных преобразователей //Метрология. - 1983. - №10. - С.43-4Б. -

4. Серебренников C.B., Хандецкий B.C. Сопоставительное исследование метрологических характеристик автогенераторных преобразователей с различным включением резонансных контуров //Приборостроение: Респ. межвед. науч.-техн. сб. - Киев: Техн1ка, 1983. - Вып. 35. - С.52-56.

5. Серебренников C.B., Хандецкий B.C. Автогенераторный преобразователь для контроля слабопроводящих материалов //Дефектоскопия. - 1984. - №8. - С.16-21.

6. Серебренников C.B., Сопильник A.B., Хандецкий B.C. Двухча-стотные автогенераторные преобразователи на негатронах Л-типа // Известия вузов. Радиоэлектроника. - 1984. - Т.27, №1. - С.89.

7. Сопильник A.B., Твердоступ НЛ., Хандецкий B.C., Серебрен-

ников C.B. Портативные приборы для контроля-качества железорудного сырья во взрывных скважинах //Черная металлургия: Бюл. МЧМ. - 1986.'- №15 (1019). - С.61-62.

8. Сопильник A.B., Твердоступ Н.И., Хандецкий B.C., Серебре ников C.B. Резонансный измеритель магнитной проницаемости железо рудного сырья в скважинах g коррекцией динамических погрешностей // Измерительная техника. - Х987. - С.50-52.

9. Серебренников C.B., Хандецкий B.C. Особенности вихретоко вых измерений электропроводимости слабопроводящих композиционных

материалов //Измерительная техника. - 1990. - WO. - С.39-41.

10. Серебренников C.B., Хандецкий B.C., Дряпико Н.К. Анализ чувствительности бесконтактных автогенераторных датчиков //Метрология. - 1991. - №8. - С.48-57.

11. Серебренников C.B. Электромагнитный преобразователь с о' стройкой от влияния наклонов к сканируемой поверхности //Приборы и методы автоматизации экспериментальных исследований: Сб. науч. тр. - Днепропетровск: ДГУ. - 1983. - C.II2-II7.

12. Серебренников C.B. Исследование диаграмм срыва измерительных автогенераторов с контуром в коллекторной цепи //Приборы и методы автоматизации экспериментальных исследований: Сб. науч. тр. - Днепропетровск: ДПУ. - 1981. - С.91-96.

13. Серебренников C.B. Измерительный автогенератор с двумя степенями свободы //там же. - С.96-99.

14. Хандецкий B.C., Серебренников C.B. Электромагнитный контроль изделий из волокнистых композитов //Методы и средства не-разрушающего контроля изделий из неметаллов и их применение в промышленности: Сб. науч. тр. - Ленинград:ЛДНШ. - 1989. - С. 6469

15. A.c. 907464 СССР, МКИ G Ol R 27/22. Автогенераторный измеритель электропроводности слабопроводящих сред /Э.И.Арш, B.C. Хандецкий, С.В.Серебренников (СССР). - 5 е.: ил.

16. A.c. 938II6 СССР, МКИ G 01 N 27/02. Автогенераторный измеритель электропроводности немагнитных сред /В.С.Хандецкий, C.B. Серебренников (СССР). - 5 е.: ил. .

17. A.c. 953602 СССР, МКИ G Ol R 33/00. Вихретоковый преобразователь /Э.И.Арш, В.С.Хандецкий, С.В.Серебренников (СССР). -5 е.: ил.

18. A.c. 987551 СССР, МКИ С Ol V 3/10. Устройство для измерения электропроводности полезных ископаемых /Э.И.Арш, В.С.Хандецкий, С.В.Серебренников (СССР). - 6 е.: ил.

19.А.с. 1030972 СССР, МКИ H 03 L, 1/00. Измерительный автогенератор /'Э.И.Арп, З.С.Хандецкий, С.В.Серебренников, Н.И.Трердоступ (СССР). - 3 е.: ил.

20. A.c. 1099269 СССР, ЫКИ & 01 M 27/90. Устройство для зих-ретокового контроля электропроводящих материалов /З.И.Редько, С.З. Серебренников, З.С.Хандецкий (СССР). - 6 е.: ил.

21. A.c. I2496I2 СССР, 'ЖИ & Ol V 3/28. Устройство для магнитного каротажа /Э.И.Арш, С.В.Серебренников, А.З.Сопильник, Н.И.Твер-доступ, В.С.Хандецкий (СССР). -4с.: ил.

22. Заявка 4707057/24-21 СССР, Ш1 G Ol R 33/02. Датчик для контроля анизотропных сред со сложным рельефом поверхкссти /С.З. Серебренников, Н.И.Твердоступ, В.С.Хандецкий (СССР): Положит, реп. ВКИИГПЭ от 27.02.90г. - 4 е.: ил.

23. Серебренников C.B., Дряпико Н.К. Вихретоковый контроль удельной электрической проводимости вертикальнослоистых сред // Методы и средства измерений электромагнитных характеристик материалов на ВЧ и СВЧ: Тез. докл. УН Всесоюз. науч.-техн. конф.'28-30 мая 1991 г. - Новосибирск, 1991. - С. 17-18.

24. Серебренников C.B., Хандецкий B.C. Метрологическое обеспечение вихретоковых измерений удельной электрической проводимости неметаллов //Там не. - С. 15-16.

2ах.785 тзр.ТЮ Подпжсэеио х печатя 26.12.91г.

Кзровоградсхсе' областное управление статзстлхя