автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Контактный электромагнитный метод и преобразователь для двухпараметрового контроля цилиндрических изделий

ХАРЮВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ П0Л1ТЕХН1ЧНИЙ УНЮЕРСИТЕТ

КОНТАКТНИЙ ЕЛЕКТРОМАГН1ТНИЙ МЕТОД ТА ПЕРЕТВОРЮВАЧ ДЛЯ ДВОХПАРАМЕТРОВОГО КОНТРОЛЮ ЦИЛ1ВДРИЧНИХ ВИРОБ1В

Спещальнють 05.11.13 - прилади I методи контролю та визначення складу речовин

Автореферат дисертацн на здобуття наукового ступеня кандидата техшчних наук

УДК 620.179

Харив - 2000

Дисертащею е рукопис.

Робота виконана у Харювському державному пoлiтexнiчнoмy ушверситет Мшстерства освгги 1 науки УкраТни.

Науковий кер1вник: доктор техшчних наук, професор, Себко Вадим Пантелшович,

Харювський державний псштехшчний ушверситет, завщувач кафедрою прилад1в 1 метод1в неруйшвного контролю.

Офщшш опоненти: доктор техшчних наук, професор, Кузнецов Борис 1ванович, УкраТнська ¡нженерно-педагопчна акаде\ия, завщувач кафедрою систем керування 1 автоматизац: промислових установок;

кандидат техшчних наук, доцент, Мельник Серий 1ванович, Харювський державний техшчний ушверситет радюелектрошки, доцент кафедри ф!зики.

Провщна установа: АТ "Науково-дослщний шститут радютехтчних

вим1рювань" Мппстерства промисловоТ пол1тики УкраТни м. Харюв.

Захист вщоудеться: У\ оя- 2000р. о _ годин! н

засщанш спещал1зованоТ вченоТ ради Д64.050.09 у Харювському державном пол1техшчному ушверситет^ за адресою: 61002, м. Харшв, вул. Фрунзе, 21.

3 дисертащею можна ознайомитися у б1блютещ Хармвського державног пол1техшчного ушверситету.

Автореферат розкланий " ( " С £_2000 р.

Вчений секретар спещал1зованоТ вченоТ ради

Горкунов Б.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальнкть теми. В даний час шдвищений ¡нтерес викликае широкий >звиток метод1в 1 засоб1в для одночасного неруйшвного контролю, деюлькох lpaмeтpiв вироб1в одним I тим же перетворювачем в однш I тШ же зон! конт-шю. У цьому плаш привабливими е електромагштш (вихрострумов[) перетво-эвач1, оскшьки в IX вихщш сигнали мктить багатопараметрову шформашю >о магштш, електричш та геометричш параметри.

На даний перюд детально розроблеш безконтактш методи 1 пристроТ для цночасного електромагштного контролю магштноУ проникнос™ рг I питомоУ сктричноУ провщност1 о цилшдричного виробу в повздовжньому однорщно-; зондуючому мапптному полг Це давало можливють одночасно визначати (довжню величину цг 1 поперечну с. Однак, для досить точного визначення (х параметр!в необхщно було виконувати жорстю вимоги до розм1р1в пере-орювача \ виробу. Зокрема, для того щоб забезпечити одноришсть мапптно-поля, потр1бно дотримуватися сшввцшошення довжини прохщного перетво-эвача до його характерного поперечного розмфу (наприклад, до д1аметра) 61-ше 15-20. А вщношення довжини цилшдричного феромагштного зразка до со Д1аметра повинне бути бшьш 30-40 для того, щоб ¡стотно зменшити вплив жтора, що розмагшчуе, на результата контролю. У таких випадках при вико-нш зазначених вимог 1 прохщш перетворювач1, 1 са\я зразки (вироби) мали сить велию довжини, що приводило до ктотного усереднення контрольова-;х параметр!в по довжиш зразка. Кр1м того, для з'ясування ашзотрош'У пара-;тр!в цг 1 су у виробах становить практичний ¡нтерес вивчення можливоси ви-ачення величин I а в ¡нших, вщмшних вщ зазначених вище напрямюв, вла-ивих прохщному перетворювачу з повздовжшм магштним полем, тобто зна-нь поперечних цг 1 повздовжшх ст.

Таким чином, виникла важлива для практики контролю задача, що скла-еться в спрощенш процесу визначення параметр1в вироб1В, конструкций пере-эрювача 1 схемних його регшзацш, а також у можливост! ощнювати ашзот-пш властивост1 вироб1в пщ впливом р1зних вгадв обробок (мехашчних, тер-таих 1 х!м1чних).

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота конувалася вщповщно до проектов, що пройшли конкурс Мшютерства осв1ти *ауки УкраУни: держбюджетш теми М5203, наказ Мшстерства №37 вщ .02.97 р. (координащйний план 48/16) 1 наказ Харивського державного поль «пчного ушверситету ХДПУ №377-11 вщ 17.04.1997 р.

В даний час робота проводиться вщповщно до двох держбюджетних тем >204 1 М5205, наказ ХДПУ №3-11 вщ 4.01.2000 р.

Мета I задач! дослщження. Метою роботи е розробка контактних одно-1 эхчастотних електромагттних метод1В I реалгзуючих пристроУв для спшьно-

го контролю магштно! проникносп 1 питомоТ електричноТ пpoвiднocтi .цшинд ричних вироб;в.

Для досягнення поставлено! мети необхщно було виршити наступи! за

дачк •

- знайти спещальш нормован! параметри, що описують роботу двохпара метрового контактного перетворювача;

- на оснорл таких парамстр1в визначити ушверсальш функцн перетворен ня (точш I наближеш), що зв'язують параметри виробу ¡з сигналами перетво рювача;

- розрахувати диференщальну чутливкть контактного перетворювача, за снованого на використанш ушверсальних функцш перетворення;

- розробиги алгоритми 1 на Ух основ! реашзувати контактш одно- 1 двох частота! електромагштш методи для одночасного контролю поперечно!' магшт но!' проникносп ! повздовжньо!' ПИТ0М01 електрично'1 провщносп суц!льних ци л!ндричних вироб!в;

- описати схеми установок, що реал1зують контакты! двохпараметров! ме тоди (провести експериментальш досл!дження);

- створити методику визначення очкуваних значень компонентов сигнал; контактного перетворювача, включеного в р1зш схеми установок;

- одержати сп!вв!дношення для розрахунку вщносних похибок вилпр; двох параметр1в виробу контактним перетворювачем;

- провести анал!з поводження похибок вим!рювання кожного параметр! виробу при змш1 частота магн!тного поля (з'ясувати оптимальний по за похиб ками режим робота перетворювача);

- привести приклади практичного використання контактного електромаг штного перетворювача;

- розробити функцюнальну схему автоматизованоТ системи контролк електричних, магштних параметр!в ! залежних вщ них ф!зико-мехашчних вели чин.

Методи дослщжень, проведених у робот!, засноваш на використанш тео рп електромагн!тного полю, електродинамки суц!льних середовищ, теорп еле ктромагштних ! магн!тних ланцюпв, ряд!в, функцш комплексного аргументу штегрального ! диференщального числення, теорп похибок вим!р!в, апарат! спещальних функц!й I ш.

Наукова новизна отриманих результатов полягае в тому, що:

- знайдеш спещалью нормоваш параметри (нормований електрични! оп!р I ¡ндуктившсть) контактного електромагштного перетворювача (КЕМП);

- визначен! ушверсальш функцн перетворення, що зв'язують параметр! виробу з узагальненими сигналами КЕМП;

- отримаш результати розрахунку диференщальноТ чутливост! КЕМП, за

снованого на використанш ушверсальних функцш перетворення (встановлеш облает! змши частот, при яких досягаеться найбшыла чутливкть);

- запропоноваш одно- I двохчастотш контакты! електромагштш методи для одночасного контролю поперечно!' магншюГ проникноси 1 повздовжньоТ питомоТ електричнох провщност1 цилшдричних вироб1в;

- розроблеш схеми установок, що реал1зують контакта! двохпараметров! методи;

- отримаш експериментальш результати контролю поперечно! магттноУ троникност11 повздовжньоТ електрично!' провщносп конкретних цилшдричних 5разюв;

- на основ1 отриманих нираз1в для розрахунку похибок вим1рювання магнитного й електричного параметр1в визначеш залежност1 цих похибок у широкому частотному Д1апазош робота КЕМП;

- встановлеш рацюнальн! за похибками 1 чутливостями режими роботи <ЕМП;

- на основ1 створених алгоритм1в, метсдав 1 КЕМП розроблена функцю-1альна схема автоматизованоТ системи контролю електричних, магштних пара-летр!в 1 залежних вщ них ф1зико-мехашчних величин;

Практичне значения отриманих результате роботи полягае в тому, що шайдеш стввщношенпя, розроблеш алгоритм«, контактш методи 1 методики юзрахунюв очкуваних значень сигнал1В перетв0рювач1в дозволяють проекту-¡ати установки на основ1 використання контактного електромагштного перетворювача, ощнювати метролопчш характеристики установок (мела змщ сиг-1ал1в перетворювача, його похибку вим!рювання, чутливост! до параметр ¡в ви-юб1в 1 ш.), пщ1брати вим1рювальш прилади 1 пристро'1, вибирати рацюнальш за юхибками режими роботи перетворювача 1 установки в шлому. Дуже важли-1им практичним значениям результате роботи е можливкть за допомогою кон-актного методу одночасно в експерименп визначати поперечну мапнтну про-шкшеть 1 повздовжню питому електричну провщшеть на однш I тш же глибиш (роникнення магштного поля в цилшдричний вир1б. Контакта! електромагштш 1етоди (одночастотш чи двохчастотш), а також реаизук™ Тх пристроУ для од-[очасного визначення мапптноТ проникност!1 питомоТ електрично'Т провцшосп уцшьних цилшдричних вироб1в, методики розрахунюв похибок вим1рювання, . також визначення оч1куваних значень сигнал1в контактного перетворювача ¡у л и впроваджеш в ВАТ "Дшпропетровський електромехашчний завод" 1 в !АТ "Дшпропетровський трубний завод".

Особистий внесок здобувача полягае в наступному:

- отримаш формули ушверсальш функцп перетворення, що зв'язують па-1аметри виробу з узагальненими сигналами КЕМП;

- проведено розрахунок диференщальноТ чутливоеп КЕМП;

- запропоноваш одно- i двохчастотш контакта: електромагштн! методи для одночасного контролю поперечно! магштно'1 проникност! i повздовжньо'1 питомо'1 електрично'1 проввдност! цилшдричних вироб1в;

- отримаш експерименталыи результати контролю поперечно!" магштноУ проникност! i повздовжньоТ електричноТ провщност! конкретних цилшдричних зразив;

- визначет залежное™ похибок ви\прювання магштного й електричного параметров у широкому частотному Д1апазош КЕМП;

- розроблена функщональна схема автоматизованоГ системи контролю параметр1в цилшдричних вироб1в;

Апробащя результате дисертаци. Основш результати роботи до-повщались на:

- III науково-техшчнш конференцп "Измерительная и вычислительная техника в технологических процессах и конверсии производства". - Хмель-ницький: - 1995р.;

- М1жнароднш науково-техшчнш конференцп "Силовая электроника в решении проблем ресурсо- и энергосбережения". - Крым, Алушта, Харьков: -1996 р.;

- М1жнародшй науково-техшчнш конференцп "Информационные технологии: наука, техника, технология, образование". - Харшв, 1997, 1999 р.;

- Млжнароднш науково-техшчнш конференцп "Проблемы автоматизированного электропривода" - Харю в - Алушта, 1997 р.;

- II М1жнароднш науково-техшчнш конференцп "Метрологическое обеспечение в области электрических, магнитных й радиоизмерений" - Харюв, 1997р.,;

- М1жнароднш науково-техшчнш конференцп "Современные приборы, материалы и технологии для технической диагностики й неразрушающего контроля промышленного оборудования" - Харюв, 1998р.

Публ^кацГГ: основш результати дисертаци опубликован! у 14 наукових працях, з них 5 статей в наукових журналах, 2 стаття в зб1рнику наукових праць i 7 в трудах науково-техшчних конференцш.

Структура й обсяг дисертаци. Дисертацшна робота складасться 31 всту-пу, чотирьох роздшв, заключения, списку використаних джерел та двох додат-юв. Повний обсяг дисертацй' складае 156 стор1нок: список лггератури мютить 81 найменування (8 стор.), 18 шюстрацш (17 стор.), 7 таблиць (7 стор.), 2 дода-ткн (17 стор.).

ОСНОВНИЙ 3MICT РОБОТИ

У вступнШ частиш обгрунтована актуальность теми дисертаци, показано зв'язок роботи з науковими держбюджетними темами, включеними в коорди-нацшний план ММстерства освш! i науки Украши, сформульоваш мета й ос-

-1овш задач! теоретичних 1 експериментальних дослщжень, наукова новизна ! трактична цшшсть огриманих результате. Приведено да!и про впровадження эсзультат1в робота, особистий внесок автора 5 публкацп.

У першому роздЫ розглянуп юнуюч! методи ! пристроТ для контролю 1араметр1в матер!ал!в ! вироб!в у постшному 1 змшному магштному полях.

Показано, що так! методи ! засоби призначен! в основному для визначен-1Я магштних параметр!в 1 характеристик спещальних зразюв (шихтованих чи у над стр!чкового навиву). Усе це виправдано тим, що реальн! магштопроводи :рансформатор!в, генераторов, електродвигушв, реле, контактор!в ! ш. також шбраш у вигляд! сталевих пластин чи стр!чок. Розглянуто конструктивн! особ-швост! замкнутих ! розтмкнутих шихтованих зразк!в. Показано, що на таких разках безконтактно внзначапися магштш параметри (шдукщя, напружешсть лагштного поля, р1зн! види магштних проникностей, втрати потужностей в :тал1 й ¡н.). Контроль питомо!' електрично!' пров!дност! зразка зд!йснювався ко-ггактними методами ! пристроями (одинарн!! подвшш мости постшного стру-1у, потенц!ометри, омметри й ¡п.).

ЕИдзначено досто'шства електромагн!тних метод!в I засоб!в для сп!льного :онтролю подовжньо!' магштно!' проникност! ! поперечно!' питомо!" електрично!* гровщност! суц!льних вироб!в х зразюв у повздовжн!х зм!нних магштних полях. Остановлено недолши таких метод!в ! пристрош, як1 мають ускладнення конс-рукцш перетворювача ! його схем включения. У зв'язку з цими недолжами ¡езконтактних перетворювач!в з повздовжшм полем нам!чений пошук шлях!в ! [еретворювача шшого типу, вшьних В1Д зазначених недолшв.

В другому роздЫ розглянута теор!я роботи контактного електромаппт-гого перетворювача для сп!льного контролю поперечно!' вщносно!' магн!тно!' [роникност! цг! повздовжньоГ питомо!' електрично!' провщност! с цил!ндричних ироб!в.

На мал. 1 представлений прямолшшний пров!дник раддуса а ! довжиною / ! струмом I. Струм мае циюичну частоту со, спрямовану вздовж ос! г у цилшд-ичшй систем! координат (г, ср, г). Цей струм створюс два типи напруженост! 1агн!тного поля. Ну - напружешсть всередиш пров!дника ! Н^ - напружешсть овш пров!дника. Перша Щ - складова напружен!сть утворить магштний пот!к, пронизуе заштриховану площу перетину, обмежену вксю цилшдра, що творить його ! двома рад1усами з двох торщв цил!ндра. Друга Яфе - складова творить магштний потш, що перетинае нескшченно велику площу, обмежену родовженням двох рад!ус1в ! утворюючо!' цилшдра. Обое магштних потоки нутр!шн!й Ф,! зовшшшй Фе, створюваш складовими напруженостями поля Н9 ЯфС, вщповщно, утворяють внутр^шню Ь[! зовшшню Ье шдуктивност!, що ви-начаються в!дносинами до струму потоками Ф,! Фе. Потж Фе е к!нцевцм, тому № #фС при о згасае ! прагне до нуля. ЕНдомо, що з ростом частоти розлодш

Мал. 1 - Провщник 3i струмом.

струму в перетиш буде 3Mi-нюватися, i струм буде кон-центруватися поблизу повер-хш провщника.

Таким чином, принцип ди багатопараметрового контактного електромагштногс перетворювача полягае в на-ступному. При задатй частот! / струму електричний струм виткняеться на визна-чену глибину проникнення, Др - складова напружено с ri поля також згасае i змшю-еться в заштрихованому перетиш провщника, мал. 1. Останне змшюс внутршнш магштний поток Ф„ а отже i внутршшю шдуктивность Lr Зменшення плоии ефективного перетину провщника (а тепер струм протшае по кшьцю, обмеженому рад1усом провщника a i глибиною проникнення поля в провщник) приводить до збшьшення активно!" частини R електричного опору провщника. Усе це вище вщзначене приводить до того, що при задашй частот] струму одночасно зменшуеться внугр1шня шдуктившеть Ц i зростае активний onip провщника. А щ параметри залежать вщ вщносно!' магштно! проникност) jur, питомоТ слектричноУ провщност! а, рад1уса a i довжини / виробу. Якщо ставиться задача визначення тшьки електричних i мапптних парамстр1в матср1алу виробу, то при заданих значениях pafliyca i довжини виробу можна скласти систему з двох р!внянь, що мае вигляд

¡/г=/,01„о) {¿¡ = /2(цг,а)

Визначивши за результатами експерименту R i i, i розв'язавши дану систему р;внянь, можна знайти одночасно два параметри виробу, тобто цг i а.

На основ1 р1внянь Максвелла i закону Ома отримаемо вираз для комплексного повного електричного опору z цидшдричного зразка i3 синусощальним у 4aci електричним струмом. При цьому ак J0 (ак)

(1)

z - -io>La +R,

2 J{(ak)

(2]

де / = ; R0 - активний onip прсшдника при <а = 0; к - комплексний параметр; со - цшиична частота струму а = 2к/; к = ^¡¡х0[хгаа; У0 i J\ - функц» Бесселя в'щ уявного аргументу першого роду нульового i першого порядюв.

Представивши функцп Бесселя у вигляд1 her-, bei- функцш Кельвша i ви-дшивши реальну та уявну частини в (2), одержимо вирази для визначення активного опору Ri i внутршньоТ шдуктивност1 L, виробу у внгляд1 R0x {berxbei'rx- beixber'x)

Kl = ~\--Y" ',2 , ;2 - ; ^

2 . ber x +bei x berxber'x + beixbei'x

2nx ber'2x + bei'2x де x - узагальнений параметр;

х = (5)

"штрих" означае похщш функцш Кельвша по аргументу х.

3 формул (3) i (4) доцшьно ввести нормоваш параметри, тобто Rm i ¿,,„ вирази для розрахунку яких мають вигляд Rj х {berxbei'rx-beixber'x)

Кт - TT = ---~2- ; W

Rq 2 ber х + bei х

, (4)

LiH = -2- = - .л т" , , (7)

4 ЪегхЬег'х + ЬегхЬеСх рЛ Ъегах + Ъе'1Лх тут Я,„ - нормований електричний ошр виробу; /,,-„ - нормована внутр!-иия шдуктившсть цилшдричного виробу;

да

Ьо - внутр1шня шдуктившсть зразка при со = 0 (/= 0)! рг = 1. Параметри Яы1 2.,,,, як випливае з (6) 1 (7) залежать тшьки вщ оджеУ змш-тобто вшх. Використовуючи довщков1 дан! для функцш Бесселя 1 Кельвша, 5ули побудоваш залежност! Я„, \ ¿,„ вщ х. Це ушверсальш функцп перетворен-1Я, оскшьки вони охошпоють р1зномаштний асортимент цилшдричних вироб^в !К за електромагштними параметрами, так1 за розм1рами.

Ф1зичний змют узагальненого параметра х характеризуе В1Дношення радь /са а виробу до глибини 5 проникнення магштного поля у вир1б, тобто

Кр1М точних формул для визначення величин Я,-,, 1 ¿¡н були отримаш1 на-шижеш сшввщношення. Так для наближення низьких частот (х < 2) маемо

Д,„=1 + —х4; (11)

192

Ьы =1-—х4. 384

А в наближенш високих частот (х > 5) маемо

л. 4+ '

4,=

4 2л/2 '

2л/2

(13)

(Н)

Виходячи з точних (див. (6) 1 (7)), а також наближених (див. (И) - (14)) вираз1в були отримаш з використанням ПЕОМ табличш значения Я ,•„ 1 1,„ при р!зних х 1 побудоваш граф!чш залежноси И,п 1 Ьт вщ х (див. мал. 2 а, б). Причо-

К

35

Мал. 2 Залежносп (а) та £,„(б) В1дх

му крив! 1 виражають точш ун!версальн! функцп перетворення; крив! 2 ! 3 ма-ють в!дношення до наближень низьких (х < 2)! високих (х > 5) частот вгдповщ-но.

У цьому ж роздш розглянут! диференщальш ! чутливосп контактного електромагштного перетворювача КЕМП до узагальненого параметрах.

Чутливост! г знайден! шляхом диференц!ювання функцш К1И =/{х) ! ¿,н =у(х) по х у кожнш точщ. Показано, що рац!ональний за чутливостпо 5/, режим робота КЕМП настае при 2 < х < 6, за чутливостпо у д!апазон! х > 3.

У третьому роздЫ описан! одночастотний { двохчастотний контакта! методи! реал!зуюч! Тх установки на основ! використання КЕМП. Суть одночас-

тотного методу полягае в тому, що вздовж цилшдричного провадного виробу на ф1ксован1Й частот!/пропускають струм 11 вим!рюють на кшцях виробу падшня напруги иа { фазовий кут ф м!ж и„ [ I. Дал1 визначають активний отр виробу при частот!/)3 формул!

= ~С08ф . (15)

Пот!м ¡з (6) знаходять значения Я,и (при цьому величину К0 визначають мостовим методом на постшному струм!). П!сля цього, користаючись залежшс-тю /?,•„ в'щ параметра х (див,- мал. 2а), знаходять останнш; а на п!дстав1 функцн £/н ~АХ) визначають значения 1,,,. 1з формули (8) визначають £0- Дал1 за результатами вим!ру и„, I! кута ф знаходять повну !ндуктивн!сть Ь, обумовлену маг-н!тними потоками всередин!! зовш виробу. При цьому

1 = (16) 12цГ

П!сля цього розраховують шдуктивнють

Ь^Ь-Ь, , (17)

де Ье - !ндуктивн!сть, обумовлена зовшшшм магн!тним потоком, (див. мал. 1). Цю ¡ндуктившсть знаходять ¡з вщомо! формули, яка е у довщнику з розрахунку !ндуктивностей, причому

(18)

, 21 ,4а а

, 1п—-1 +---,

2 п[ а 7I2

у

Нарешт!, шсля використання сп!вв!дношень (8), (16) - (18) ! знайденоТ Л,„ виходячи з (15) I ун!версальних функцш /?,,, =/[х)! I,,, =Дх) значень х 1/,,,,, маг-штний параметр рг виробу знаходять ¡з виразу

871

¿/„БШф Ц01( "" Л~

2тф 2%

, 21 . 4 а а'

1п--1 +---г

ч а тй 2

(19)

Електричний параметр о знаходять з урахуванням (5), виходячи з1 сшв-вщношення

о----• ' (20)

При двохчастотному метод! стильного визначення цг ! а цил!ндричних вироб1в за результатами експерименту на двох близьких частотах /\ вим!р!в опору К\ ! Я2, використовуючи формулу (15) з урахуванням того, що величини 11„ь ф) ! ип2, фг мають вщношенш до частот_/! 1/г (при цьому струм I пщтриму-еться пост!йним). Дал! знаходять нормоваш активы! опори, використовуючи :швв1"дноше1гня Я, /И0 = И-и„ ! Я2~ т > за якими, виходячи з ушверсальноУ

функци перетворення =Дх) (див. мал. 2а) визначають X] \ х2, що вщповща-

ють частотам/] 1/2. Дал! по шшй функци £,„ ~/{х) знаходять по фксованих х\ 1 х2, значения шдуктивностей ¿¡¡н I Ьцк. За вшпряними значениям {У„ь иа2, фь Фг, струму 11 частотами /1 ! /2 визначають ¡з формули (16) значения повних шдуктивностей зразка Ь\ \ Ь2, що вщповщають частотам/!

При цьому, обчислюючи р1зницю Ьг-Ь\, можна виключити Ье (див. (17)). У такому випадку можна записати формулу

^ = , (21)

де Ьц Им- шдуктивност1 зразка при/2 !/\ вшповдою.

Роздшивши обидв1 частини (21) на рг0, одержимо вираз для визначення нормовано! розниц! А/.,, двох шдуктивностей Ь\ 1 £2> тобто

(22)

3 урахуванням (22) значения |1Г знаходять за результатами експерименту !з формули

ц0/Д£.„

Значения ст визначають, використовуючи сшввщношення (20) при шд-становщ в нього значень

Величину ст можна визначити, не використовуючи послщовний цикл роз-рахунку, тобто спочатку знаходять цг, а поим ст. Поставивши формулу для рг (23) у (20), одержимо сшввщношення для визначення ст у винищ

ст = 2 (24)

Таким чином, для прискорення продесу обчислення параметр!в рг 1 с по-тр1бно використовувати паралельний цикл розрахунюв, при якому рг 1 ст визна-чаються незалежно друг вад друга ¡з формул (23) 1 (24).

Розроблено схеми установок, що реал1зують контакта! методи одночас-ного визначення магштних 1 електричних параметр!в вироб1в. Це схема з вико-ристанням вольтметра, амперметра I фазометра 1 схема на основ! Я, Ь - моста змшного струму. Перша з них вим!рюе електричт величини ит кут ф.

Друга вщразу рееструе електричний оп!р Л! ¡ндуктившсть Ь.

Особливий практичний штерес представляють схеми установок з використанням емноеп Ск, включено!' послщовно з виробом. Ця емн!сть призначена для компенсацп частини индуктивного опору, обумовленого зовшшюм магн!тним потоком. Значения емност1 Ск знаходять за умови

Мал. 3 - Схема установки.

На мал. 3 приведена схема установки з використанням вольтметра, ам-терметра, фазометра ¡ компенсацшноГ емносп. У мостовш cxeMi також у плече

моста послщовно з КЕМП включа-еться компенсащйна смшсть Ск. Обидв1 схеми завдяки компенсацп шдуктивного опору соLe дозволяють вщразу вим1рити onip R i внутрЬ ШНЮ ¡НДукТИВШСТЬ

У цьому ж роздш розглянута методика розрахунку оч1куваних значень сигнал1в КЕМП, включено-го в pÍ3Hi схеми установок. Суть щеУ методики полягае в тому, що по задании магштним (цг), електричним (а), геометричним (a i Г) параметрам виробу i значению струму I при фж-сованих частотах цього струму, зна-ходять значения х, a noTÍM, викорис--овуючи ушверсальш функцп перетворення R,M =ßx) i LM =ßx), за знайденим ираметром х визначають величини Riu i Lt„. А даш враховуючи RoiLo'i задании наченням цг знаходять R¡ = R¡HRo i L¡ -LiH\xrL0. Додавши до L¡ розраховане начення L„ одержують повну шдуктившсть L. Виршивши систему р1внянь 15) i (16), визначають падшня напруги U„ i кут ф, тобто очшуваш компоненти лектричних сигнал1В установки на ochobí КЕМП.

Розглянуто методику ощнки погр1шностей BHwipy параметр1в цг i с циль щричного виробу контактним перетворювачем. Отримано стввдаошення для юзрахунюв вгдносних погрешностей уЦг i у„ вим!ру цг i ст виробу. IJi вирази ма-

эть вид при дов1рчш ймов1рност10,95

— = 1,1^/4Уи + А\у% + A¡y] + A¡y} + A¡yf + A¡y\ + Ahl > (26)

Иг

^ = 1,ф?у l + B\y\ + Bjy) + B¡ y\ + Bhl + в\у\ + Bh) (27)

де Уи, уф> у/, у/, у/, У а, уя0 - вщносш похибки BHMipy величин, зазначених íh-ексами; A¡-А7, Brß7 - коефяпенти впливу, обумовлеш, в основному, похщни-[И ушверсальних функцш перетворення у фшсованих робочих точках на цих >ункщях.

Показано, що чисельш значения yMr i уп, знайдеш ¡з вираз1в (26) i (27), не еревищують у рацюнальних по чутливосп КЕМП д!апазонах змши параметра 1,5% i 3,5% вщповщно.

У четвертому роздЫ розглянута функциональна схема автоматизовано'! установки, що працюе на основ1 спецобчислювача. Установка функцюнуе на осшш розроблених алгоритм1в 1 метод!в, що реашзують контактний перетво-рювач для спшьного контролю магштних 1 електричних параметр1в цилшдрич-нихвироб1в.

Установка, кр1м вим1р!в рг 1 а, може визначати рацшнальний режим робота,КЕМП, обчислювати вщносш похибки вимф1в рг 1 а, а також робити оброб-ку багаторазових вим1р1в рг 1 а.

Осктьки з параметрами цг 1 а функцюналыго зв'язаш так: величини, як мщшсть (меж1 мщноеп), мехашчш напруги, твердють, температура матер!алу виробу, наявнкть домшок 1 ¡п., то все це вщкривае широы перспективи вико-ристання запропонованих метод!в 1 засоб1в контролю р!зних параметр1в. У цьо-му роздш розглянут1 приклади практично!' реашзащУ розроблених методт 1 пристроУв для контролю зусиль, ваги вантаж1в, мехашчних напрут у залпобе-тонних конструкциях, а також ¡нш1 розробки, описан! в дисертащУ.

ОСНОВН1 РЕЗУЛЬТАТЕ IВИСНОВКИ

Таким чином, у дашй робоп виршеш важлив1 для практики багатопара-метрового контролю задач!, що полягають в створенш контактних електромаг-штних одно-1 Двохчастотних метод1в 1 реал1зуючих Тхшх пристроУв для сильного визначення мапптноУ проникност1 1 питомоУ електричноУ провщносп су-цшьних цилтдричних виро&в 1 залежних вщ цих параметр!в шших ф1зико-мехашчних величин/Коротко тдсумуемо основш результата даноУроботи.

1. На основ! р^внянь Максвелла I закону Ома розглянута теор!я робота контактного електромагштного перетворювача. Отримано точн1 1 наближеш вирази для визначення нормованих значень активного електричного опору 1

ВНуТр1Ц1НЬ01 ПИТОМОУ ШДУКТИВНОСТ! ЦИЛШДрИЧНОГО ПрОВЩНИКа 3 ПОВЗДОВЖШМ

струмом.

2. На основ1 отриманих сшввщношень побудован1 дв1 ушверсальш функ-Ц11 перетворення у вигляд! графшв 1 масив1в точок, що зв'язують сигнали перетворювача (тобто. нормоваш значения активноУ частини опору 1 внутршньоУ питомоУ шдуктивност1 виробу) з узагальненим параметром х, що включае в себе параметри виробу 1 частоту струму.

3. Знайдено ушверсальш залежност1 диференщальних чутливостей КЕМП до узагальненого параметра, а отже 1 до електромагштних параметр1в. Побудовано залежноеп резистивнУ 1 ¡ндуктивноУ чутливостей вщ параметра х, що дозволяють вибрати ращональний режим робота КЕМП.

4. Розроблено контактний електромагштний метод одночасного контролю визначення поперечно')' магштноУ проникносп1 повздовжньоУ питомоУ електричноУ пров!Дност1 матер!алу цшнндричного виробу. Запропоновано дв1 мо-

дифжаци даного методу. Перша з них полягае в тому, що магштний I електрич-тай параметри знаходять на однш фжсованш частой змши магнпного поля, що ¡ондуе вир1б (одночастотний метод). Основне достошство тако!' модифшаца юлягае в тому, що магштний 1 електричний параметри виробу одночасно ви-шачають на однш 1 тш же глибиш проникнення магнитного поля в зразок.

Друга модифжац!я полягае в том, що використовуються дв1 близью частота поля. Така модификация дозволяс виключити вплив зовшшньоУ паразитноТ ндуктивност! виробу на результата контролю магштного й електричного пара-летр!в.

5. Розглянуто способи 1 пристрш для полтшення характеристик контакт-юго перетворювача, як! засноваш на використанн! емшсного опору, що компе-1суе частину сумарного шдуктивного опору перетворювача, обумовленого зов-ишньою шдуктившстю. Показано меж1 застосовносп пристроУв компенсащУ ;феюпв зовшшньоУ ¡ндуктивност! для р1зних матер1ал1в 1 розм1р1В зразюв.

6. Розроблено схеми включения контактного перетворювача для контро-то двох параметр1в вироб1в. Це схеми установок з використанням вольтметра, 1мперметра, фазометра 1 схема Л, £ - моста змшного струму. Основними до-;тоТнствами цих схем е простота контактного перетворювача, що по суп скла-юеться ¡з самого виробу з1 струмом 1 контактних провщниив (одна пара токо-¡их 1 шша пари потенщйних). Зв1дси простота схемних реал!зацш. Наведено )езультати експериментального визначення магштних 1 електричних параметре на установках, що реал!зують одно-1 двохчастотш контакта! методи конт-)ОЛЮ.

7. Створено методику розрахушав оч1куваних значень сигнал!в КЕМП, •обто падшня напруги на зразку, струму через нього фазу М1Ж струмом 1 напру-•ою. Ця методика мае велике значения при проектуванш установок на основ! шкористання контактного електромагштного перетворювача.

8. Розроблено методику визначення похибок епшыюго вим!ру поперечно!' «гштноУ проникност!! повздовжньоТ питомо'У електричноУ пров!дност! контак-■ним методом. Отримано сп!вв!дношення для оцшки чисельних значень похи-¡ок двохпараметрових вим!р!в. Показано, що в рацюнальному д!апазон! зм!ни •, тобто 3 <х <6 вщносш похибки вим1ру магш'тно!' проникност! й електропро-¡¡дност! не перевищують 1,5% ! 3% вщповщно.

9. До досто'шств розроблених модифжацш контактного методу ! реал!зу-эчих його пристроУв варто в!днести можливкть одночасного контролю двох [араметр1в короткого феромагштного виробу (з вщношенням довжини до д!а-1етра не бшьш 6-8); вим!р поперечно!' мапптноУ проникност! ! повздовжньо!" лектропровщност!, що дозволяе епшьно безконтактними методами ! засобами :онтролю з'ясувати ашзотрошю зазначених параметр!в всередин! виробу.

10. Приведено приклади практичного використання розроблених модиф!-

кацш контактного електромагштного методу i пристроТв, зокрема при визна-ченш мехашчних напруг у виробах. З'ясовано, що мехашчш напруги в MaTepia-льзразка викликають збшьшення магштно'1 проникност1 на 30-50%, а електро-провщностс на 10-15%. За допомогою контактного методу здшснюеться сорту-вання матер]ал1в вироб1в по за i'x марками за рахунок сшльного контролю вщ-разу двох параметр ¡в вироб1в.

11. Розроблено функцюнальну схему автоматизовано1 системи, що реал1-зуе електромагштний контактний метод. Система може стльно i роздшьно ви-значати магншп й електричш параметри виробу як готового виробу, так i в nponeci його виготовлення. Останне особливо важливе при вщпрацьовуванш технологи' виробництва MaTepianiB i BiipooiB, Система також здшснюе автома-тичне сортування MaTepianiB BHpooiB за i'x марками i визначае похибки вилп'ру двох параметр1в.

Список опублшованих праць за темою дисертаци:

1. Себко В.П., Львов С.Г. Контактный метод определения электромагнитных параметров изделий И Украшський метролопчний журнал. Харк1в: ДИВО "Метрологи". - 1998. - №2. - С. 33 - 34.

Автором отримаш теоретичш вирази, що обумовлюють доцшьшсть контролю електромагштних параметр1в вироб1в двохчастотними методами, а також отримаш експериментальш дат.

2. Себко В.П., Львов С.Г. Расчет магнитной проницаемости и удельной электрической проводимости цилиндрических изделий по сигналам контактного электромагнитного преобразователя // Техшчна електродинамка. - Вип. 2. -Т.2. - Кшв: - 1998. - С. 171-174.

Автором отримаш основш теоретичш сшвв)дношення, що описують роботу контактного електромагштного перетворювача для контролю параметров цилшдричних зразк!в.

3. Себко В.П., Львов С.Г. Расчет ожидаемых значений сигналов контактного двухпараметрового электромагнитного преобразователя // Сборник научных трудов ХГПУ" Информационные технологии: наука, техника, технология, образование, здоровье". - Харьков, ХГПУ, Вып. 6, 4.2. - 1998. - С. 314 -316.

Автором запропонована методика розрахунюв очшуваних сигнашв контактного електромагштного перетворювача для контролю цилшдричних елект-ропровдаих BHpoSiß.

4. Себко В.П., Горкунов Б.М., Сиренко H.H., Львов С.Г. Электромагнитные преобразователи для контроля элементов и узлов транспортного оборудования // 1нформацйно-керуюч1 системи на залхзничному транспорта -Харюв: -1998.-№4.-С. 65-67.

Автором розглянут! методи контролю мехашчних напруг, неоднорщност1 структур, дефекпв в елементах 1 вузлах транспортного устаткування.

5. Львов С.Г. Определение параметров ферромагнитных конструкционных прутков // Зб1рка наукових праць ХДПУ "Информацшш технологи: наука, техшка, технолопя, освгга, здоров'я". - Харив: ХДПУ, Вип. 7, Ч.З. - 1999. - С. 124- 126.

6. Горкунов Б.М., Львов С.Г. Автоматизация контактного метода определения электромагнитных параметров цилиндрических изделий // Вестник Харьковского государственного политехнического университета. - Харьков: ХГПУ-1999.-Вып. 24. -С. 36-40.

Автором розроблеш методика й алгоритм автоматизованого контролю параметр1в вироб1в контактним електромагштним перетворювачем 1 запропо-новаш шляхи побудови автоматизованоТ установки.

7. Львов С.Г. Параметрический электромагнитный двухчастотный метод контроля П Вестник Харьковского государственного политехнического университета. - Харьков: ХГПУ- 1999. - Вып. 37. - С. 35 - 37.

8. Себко В.П., Горкунов Б.М., Львов С.Г., До Дык Нп-ен, Москаленко И.И. Бесконтактный и контактный методы совместного определения электромагнитных параметров цилиндрических изделий // Сборник материалов III научно-технической конференции "Измерительная и вычислительная техника в технологических процессах и конверсии производства". - Хмельницкий: - 1995. ■С. 57.

Автором запропоноваш контакта! методи контролю параметр1в електро-пров!дних вироб1в.

9. Себко В.П., Львов С.Г., Нгуен Лам Донг. Контактный электромагнитный двухпараметровый преобразователь /У Сборник трудов международной научно-технической конференции "Силовая электроника в решении проблем ре-;урсо- и энергосбережения". - Харьков: Основа- 1996. - С. 101 - 102.

Автором розроблена методика визначення електричних 1 мапнтних пара-метр1в електропровщних цилшдричних вироб1в.

10. Себко В.П., Львов С.Г., Бабак В.П. Контактный двухпараметровый контроль цилиндрических изделий // Труды Международной научно-гехнической конференции "Информационные технологии: наука, техника, технология, образование, здоровье". - Ч.З. - Харьков: ХГПУ, - 1997. - С. 5 - 7

Автором були отримаш експерименталып даш двохпараметрового контролю електропровдаих вироб1в контактним електромагштним перетворюва-íeм.

11. Себко В.П., Горкунов Б.М., Львов С.Г., До Дык Нгуен. О влиянии механических напряжений на магнитные и электрические параметры изделий // Груды Международной научно-технической конференции "Информационные

технологии: наука, техника, технология, образование, здоровье". - Ч.З. - Харьков: ХГПУ, - 1997. - С. 177 - 179.

Автором отримаш залежносп, що дозволяють оцшити мехашчш напруги за змшою вдаюсноУ магштноУ проникиосп 1 питомоУ електрично'У пров1дност1 зразка.

12. Себко В.П., Львов С.Г., Котуза А.И., Гугнин В.Н. Определение метрологических характеристик контактного электромагнитного преобразователя // Труды научно-технической конференции с международным участием "Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика". Харьков: Основа- 1997.-С. 324-325.

Автором визначеш метролопчш характеристики контактного електрома-гштного перетворювача для контролю цилшдричних електропроввдних виро-бт.

13. Себко В.П., Львов С.Г. Контроль двух параметров цилиндрического изделия контактным электромагнитным методом // Труды II Международной научно-технической конференции "Метролопчне забезпечення в галуз1 елек-тричних, магштних та радювшпрювань". - Т.2. - Харгав: ДНВО "Метролопя" -

1997.-С. 122-124.

Автором запропонований двохчастотний метод двопараметрового контролю електромагштних параметр1в контактним електромагштним перетворю-вачем.

14. Себко В.П., Горкунов Б.М., Львов С.Г. Математическая модель контактного двухпараметрового электромагнитного преобразователя // Сборник научных трудов Международной научно-технической конференции "Современные приборы, материалы и технологии для технической диагностики и не-разрушающего контроля промышленного оборудования". - Харьков: ХТУРЭ -

1998.-С. 131 - 133.

Автором представлена математична модель контактного електромагшт-ного перетворювача при контрол1 параметр1в цилшдричних вироб1в одно 1 двохчастотними методами.

АНОТАЦН

Львов Сергш Геннадиевич. Контактний електромагнпний метод та пере-творювач для двохпараметрового контролю цилшдричних вироб1в. - Рукопис.

Дисертащя на здобутгя наукового ступеня кандидата техшчних наук за сгющальшстго 05.11.13 - прилади I методи контролю та визначення складу ре-човин. - Харювський державний пол1техшчний ушверситет, Хармв, 2000.

Дисерташя присвячена створенню контактних електромагштних метод1в i эеал1зуючих пристроТв для сумюного визначення магттноУ проникносп i питало!' електричноУ пров1дност1 цилшдричних вироб5в. Розроблено метод одночас-гого контролю електромагштних параметр1в i схеми включения перетворюва-ia. Створено методику розрахунгав очжуваних значень сигналов перетворюва-т. Розроблено функцюнальну схему автоматизованоУ системи, що реал!зуе ¡лектромагштний контактний метод, запропоноваш приклади практичного за-:тосування.

Основн1 результати роботи знайшли практичне застосування на ВАТ Дншропетровський електромехашчний завод" i в ВАТ "Дншропетровський :рубний завод".

Ключов! слова: контактний електромагштний перетворювач, ун1версальн1 |>ункщУ перетворення, магштна проникн!сть, питома електрична провщшсть.

Lvov Sergey Genadievich. A contact electromagnetic method and transformer or two parameters control of cylindrical samples. - Manuscript.

Thesis on competition of a scientific degree of the candidate of engineering cience on a speciality 05.11.13 - devices and methods of control and definition of a omposition of materials. - Kharkov state polytechnical university, Kharkov, 2000.

The thesis is devoted to making of contact electromagnetic methods and de-'ices for share definition of a magnetic permeability and specific electrical conduc-ance of cylindrical samples. The method of simultaneous control of electromagnetic larameters and schemas of incorporation of the transformer is designed. The proce-lure of calculations of anticipated values of cues of the transducer is observed. The unctional diagram of the automatic system of electromagnetic contact control is deigned, the examples of practical application are proposed.

The main results of work have found practical application on Public Corpora-ion "Dnepropetrovsk Electromechanical Factory" and in Public Corporation "Dne-ropetrovsk Tube Factory".

Key words: contact electromagnetic transducer, universal functions of trans-orming, magnetic permeability, specific electrical conductance.

Львов Сергей Геннадиевич. Контактный электромагнитный метод и пре-бразователь для двухпараметрового контроля цилиндрических изделий. - Ру-опись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук о специальности 05.11.13 - приборы и методы контроля и определения соста-

ва веществ. - Харьковский государственный политехнический университет Харьков, 2000.

Диссертация посвящена созданию контактных электромагнитных одно- ( двухчастотных методов и реализующих их устройств для совместного определения магнитной проницаемости и удельной электрической проводимое™ сплошных цилиндрических изделий и зависимых от этих параметров другие физико-механических величин.

В работе рассмотрена теория работы контактного электромагнитного преобразователя. Получены точные и приближенные выражения для определения нормированных значений активного электрического сопротивления и внутренней удельной индуктивности цилиндрического проводника с продольным током. На основе полученных соотношений построены две универсальные функции преобразования в виде графиков и массивов точек, связывающие сигналы преобразователя (т.е. нормированные значения активной части сопротивления и внутренней удельной индуктивности изделия) с обобщенным параметром х, включающим в себя параметры изделия и частоту тока в изделии. Найдены универсальные зависимости дифференциальных резистивной и индуктивной чувствительности КЭМП к обобщенному параметру, и, следовательно, и к электромагнитным параметрам.

Разработан контактный электромагнитный метод одновременного контроля определения поперечной магнитной проницаемости и продольной удельной электрической проводимости материала цилиндрических изделий. Предложены две модификации данного метода. Первая из них состоит в том, что магнитный и электрический параметры находят на одной фиксированной частоте изменения магнитного поля, зондирующего изделие (одночастотный метод). Вторая модификация заключается в том, что используются две близкие частоты поля. Такая модификация позволяет исключить влияние внешней паразитной индуктивности изделия на результаты контроля магнитного и электрического параметров. Рассмотрены способы и устройство для улучшения характеристик контактного преобразователя, основанные на использовании емкостного сопротивления, компенсирующего часть суммарного индуктивного сопротивления преобразователя, обусловленную внешней его индуктивностью. Показаны пределы применимости устройств компенсации эффектов внешней индуктивности для различных материалов и размеров образцов.

Разработаны схемы включения контактного преобразователя для контроля двух параметров изделий. Это схемы установок с использованием вольтметра, амперметра, фазометра и схема моста переменного тока. Основными достоинствами этих схем являются простота контактного преобразователя, который по сути состоит из самого изделия с током и контактных токовводов (одна пара токовых й другая пара потенциальных). Отсюда простота схемных реализаций.

Приведены результаты экспериментального определения магнитных и электрических параметров на установках, собранных по двум указанным схемам, реализующим одно и двухчастотные контактные методы контактные методы контроля.

Создана методика расчетов ожидаемых значений сигналов КЭМП, т.е. падений напряжений на образце, токов через него и сдвигов по фазе между током и падением напряжения.

Разработана методика расчета погрешностей совместного измерения поперечной магнитной проницаемости и продольной удельной электрической проводимости контактным методом. Получены соотношения для оценки численных значений указанных погрешностей двухпараметровых измерений. Показано, что в рациональном диапазоне изменения х, т.е. 3 <х < 6 относительные погрешности измерения магнитной проницаемости и электропроводности не превышают 1,5% и 3% соответственно.

Разработана функциональная схема автоматизированной системы, реализующей электромагнитный контактный метод. Система может совместно и раз-цельно определять магнитные и электрические параметры изделия, как готовые, так и в процессе их изготовления. Последнее особенно важно при отработке технологии производства материалов и изделий.

Приведены примеры практического использования разработанных модификаций контактного электромагнитного метода и устройств, в частности при эпределении механических напряжений в изделиях. Выяснено, что механиче-:кие напряжения в материале образца вызывают увеличение магнитной проницаемости на 30-50%, а электропроводности на 10-15%. С помощью контактного метода осуществляется надежная разбраковка материалов изделий по их маркам за счет совместного контроля сразу двух параметров изделий.

Основные результаты работы нашли практическое применение на ОАО 'Днепропетровский электромеханический завод" и в ОАО "Днепропетровский грубный завод".

Ключевые слова: контактный электромагнитный преобразователь, универсальные функции преобразования, магнитная проницаемость, удельная электрическая проводимость.

Львов Серпй Геннадиевич

Контактами електромагштний метод та перетворювач для двохпараметрового контролю цилшдричних вироб1В

Автореферат дисертацп на здобуття наукового ступеня кандидата техшчних наук

Спещальшсть 05 Л1.13 - прилади 1 методи контролю та

визначення складу речовин

Пщл. до друку 22.05.2000 р. Формат 60x84/16. Пашр СоруЯех. Обсяг 0,9 а.а. Тираж 100. Зам. 18-10.

Надруковано на ризограф! ХДПУ. 310002, м.Харюв, вул. Фрунзе, 21.