автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Методы и средства обеспечения точности автоматизированного технологического процесса электромагнитного неразрушающего контроля

КУРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ.ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

БОНДАРЬ ОЛЕГ ГРИГОРЬЕВИЧ

УДК 620.179.14

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТОЧНОСТИ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА : ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО НЕРАЗРУШАШЕГО КОНТРОЛЯ

Специальность: 05.13.07 "Автоматизация технологически процессов и производств"

Авторе®е р а т диссертации ка соискание ученой степени кандидата технических наук :

Курск' 1995

Работа выполнена на кафедсе конструирования и технологии электронный вычислительных средств Курского государственного технического университета.

Научный руководитель: - доктор Технических наук,

профессор Дсейзин в. Э.

Официальные оппоненты: - доктор технических наук,

профессор Емельянов В. М.

- кандидат физико-математических

- наук, доцент : Якисевич Д. И.

Ведущее предприятие: - АООТ "Прибор".

Заашта состоится ".. 27." лрк-абпя_ 1995г. в 14 часов в

конФёренцзале на заседании Совета лй пшсукзёшв^учёнш степеней Кусского государственного технического университета по адресу : г„ Курск, ул. 50 - лет Октября, 94, конФеренцзал.

Ваш отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью. просим направлять по адресу:

305040 г. Курск, 50-лет Октября, 94, Курский государственный технический университет, ученому секретарю.

Автореферат разослан нпядоя_ 1995г.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н. доцент

/В.М. Довгаль/,

ОБШАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЪ!

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. Снижение материалоемкости продукции в машиностроении при одновременном повышении ее надежности и долговечности во многом достигается за счет применения различных методов упрочнения конструкционных материалов, в частности, термической и химико-термической обработки. .

Одной из основных целей, автоматизации технологических процессов упрочнения является повышение качества продукции за счет повышения точности стабилизации и регулирования параметров технологических процессов. Оптимизация значений этих параметров, законов их изменения и своевременная корректировка может быть осуществлена лишь по результатам контроля качества технологической обработки.

Прямые методы механических испытаний низкопроизводительны для оперативного управления технологическими процессами.

Из-за недостатков прямых методов испытаний, в машиностроении широко применяются различные косвенные методы контроля качества термической и химико-термической обработки металлов. Среди них важное место занимают электромагнитные методы.

Основной проблемой при использовании косвенных методов является получение, надежных результатов, в условиях воздействия на непосредственно измеряемые параметры сигналов большого числа неконтролируемых ©акторов. Один из путей решения этой, . проблемы -применение шогопараметровьм методов контроля. ;

Существующая многопараметровая аппаратура обладает рядом недостатков С недостаточная точность, сложность принятия решений по результатам измерений, отсутствие автоматизации процесса измерения, низкая производительность), что препятствует ее широкому внедрению в промышленности, ^а. рубежом, выпускается ряд многопара-метровых вихретоковых приборов предназначенных в основном для решения исследовательских задач. В нашей .стране существуют лишь, уникальные и выпущенные малыми партиями приборы' такого класса. Серийных многопараметровых приборов, предназначеннах для промышленного контроля, практически не существует. Слабо разработаны концептуальные вопросы создания таких приборов, ; .это - и является основным сдерживающим Фактором внедрения многопараметровых методов унеразрушашего контроля .в^про*«^ л.

Поэтому задача совершенствования ыкогопараметровым приборов электромагнитного контроля представляется достаточно^актуальной.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ - повышение точности автоматизированного электромагнитного неразрушащего контроля в текнологическом процессе производства металлических изделий.

В соответствии с поставленной целью выделены следующие задачи исследования:

:анализ методов получения и обработки многомерных сигналовс целью выбора оптимальной структ^Ьы многопараметровых электромагнитных приборов: V

Формулировка общих требований к аппаратуре, исходя из основных системных принципов её проектирования и особенностей задач многопараметрозого электромагнитного контроля: *

анализ основных источников и штаимизация погрешностей мюго-параметрового контроля:

получение математических моделей аппаратурных погрешностей основных узлов структуроскопов и анализ.методов их минимизации;.

сравнительная оценка и выбор структурных, алгоритмических и схемотехнических решений при построении узлов многопараметрового электромагнитного .структуроскопа: :

экспериментальная оценка достоверности полученных математических моделей и теоретических оценок основных погрешностей аппаратуры.

' МЕТОЛ ИС&ГЩОВДНИЯ экспериментально - теоретический. Теоре-' таческие исследования базируются на методах функционального и элементах спектрального анализа. Модели контроля строятся с /помощью методов регрессионного анапиза. Проверка результатов теоретических исследований осуществлялась имитационным, мэделировакием на ЭВй и экспериментальным путем.

' НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Предложены общие принципы построения многопараметровых приборов и комплексов электромагнитной структуроско-пии базирующихся на регрессионных моделях неразрушащего, контроля и позволящие минимизировать суммарную погрешность многопараметровых измерений. Кроме известных системотехнических принципов, сюда входят специфические для систем многопараметрового неразру-щашегй койтхш^ / такиё;:®/прин^ прин-

цип информационного единства исследовательских средств и средств преиа8оЙётвёйного контроля и принцип универсальности.

/1: Обйснобан выбор метода контроля для универсального многопараметрового структуроскопа, пгедставляшого собой метод послало-

вательного возбуждения первичного преобразователя на разных частотах при подмагничивании постоянным полем разной напряженности.

Предложены алгоритмы измерения уменьшайте влияние инструментальных погрешностей. Основу алгоритма составляет процедура вычисления вносимых нормированных составляющим э. д. с. первичного преобразователя по отношению к э.д.с. холостого хода его. а также согласование времени измерения с периодом тока возбуждения.

Предложены структурные принципы построения ряда мно гопара-метровых приборов контроля качества металлических изделий.

Получено аналитическое выражение для расчета амплитуд спектральных составляющих синтезируемого тестового сигнала.

Выявлены характерные особенности спектра синтезируемого сиг-т нала и предложено структурное решение минимизирушее погрешность воспроизведения Формы.

Выработаны рекомендации по схемотехнической реализации генератора и выбору цифро-аналогового преобразователя, обеспечивакь юие минимальные погрешности в заданном диапазоне частот.

фактическая ценность. Созданы универсальные приборы и исследовательские комплексы для мно грпараметровой электромагнитной структуроскопии.

Разработаны практические рекомендации по проектированию мно-гопараметровой аппаратуры.

. Разработанные приборы и комплексы используются в производстве. .

ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ. Результата . работы, использованы при создании структуроскопическкн измерительно-вычислительных комплексов ИВКС-1. ивкс-2, и .универсальных многопараметровых струк-туроскопов МКС10-МП, МКС-ЮБИ, ВТС-4МП, СКЭМ-1а.

(Приборы для исследовательских целей внедрены в курском государственном техническом университете, НИИ интроскопии, ИГЮ "ЦНШШАШ"» Харьховском Физико-техническом институте АН Украины.

Измерительно-вычислительные комплексы ЙВКС-1 и ИВКС-2 внедрены для производственных целей-в п/я Р-6521. -

• Технический У!»ве.!Ш разработок подтверждается 10 авторскими свидетельствами на изобретения. ■.. - . ;.

АПРОБАЦИЯ РАБО'Ш. Материалы диссертационной работа - докладывались на и (Рига 1975) , I II с Куйбьпнев - ;1978) IV с Омск -1983) Всесоюзных межвузовских; конференциях; г'пЬ .--электромагнитным методам контроля качества материалов и изделий;' Всесоюзном; науч-

но - техническом семинаре "Вопросы теории и проектирования аналоговых измерительных преобразователей электрических сигналов и цепей" СУльяновск - 19783, VI Всесоюзной конференции по магнитным измерениям и магнитоизмерительной аппаратуре (Ленинград - 1983). IX (Минск - 1981) и XI. (Москва - 1987) всесоюзных конференциях "Неразрушакшй контроль материалов. изделий и сварных соединений", всесоюзной научно - технической конференции по ре-сурсосберегашей технологии термической и химико-термической обработки деталей (Махачкала - 1989). III международной конференции "Измерения и контроль качества при автоматизации производственных процессов" (Барнаул - 1994).

Измерительно - вычислительный комплекс неразрушашего контроля и микропроцессорный контроллер для структуроскопа демонстрировались на Всесоюзной выставке "Использование микропроцессоров для управления системами" (г. Курск. 1983) и награждены дипломами. Вихретоковый структуроскоп ВТС-4МП в 1987 г. демонстрировался на ВДНХ СССР и награжден бронзовой медалью. В 1990 г. структуроскоп СКЗМ-1А демонстрировался на выставке приуроченной к Всесоюзной межвузовской конференции по неразрушаюцим методам контроля (г. Екатеринбург, 1990).

публикаций. По теме диссертации опубликовано 17 печатных работ. Получено 10 авторских свидетельств на изобретения. ,

объем работы. Диссертация изложена на 107 страницах машинописного текста, содержит 20 рисунков, 6 таблиц и состоит из введения, 4 глав, заключения и приложений. Список литературы содержит 97 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

вп rrphshhm к диссертации показана актуальность работы, кратко изложено современное состояние вопроса, определены цели исследований, сформулированы положения, которые выносятся на защиту,

r лрпйпй гпакр проведен обзор методов и средств электромагнитной структуроскопии. Показано, что наиболее перспективыми являются многопараметровые методы, в их развитие большой вклад внесли как отечественные ученые В.Г. Герасимов, H.H. Зацепин, В. В. Клюев, И. Г. Лешенко, Ю. К. ©едосенко, В. Г. Пустынников, В.Е. Шатерников, Ю.--М. шкарлет и др., так и зарубежные H.L.Libbl, F.. Forster.

Задачу проектирования среястз' контроля можно разбить на рял .

подзадач.

необходимо выбрать способ получения многомерного сигнала, позволяющий получить максимальную информации об объекте контроля.

Необходимо выбрать способ выделения информации иэ сигнала, т.е. параметризации его.

наконец, следует выбрать способ вторичной обработки, т.е. расчета контролируемых параметров объекта по измеренным параметрам сигналов. ;

Сложность решения этих задач определяется тем. что в настоящее время для большинства задач структуроскопии не существует теоретических методов решения обратной задачи, т. е. методов нахождения контролируемых параметров объекта по измеренным параметрам сигналов. Для решения обратной задачи применяется теоретико-экспериментальный подход, суть его состоит в нахождении приближенного решения обратной задачи, минимизирушего погрешность определения искомых параметров объекта контроля по измеренным параметрам сигналов, обычно задачу сводят к задаче параметризации на заданном классе моделей, а сама параметризация осуществляется по результатам эксперимента. ..

Для целей сравнительного анализа и выбора средств при проектировании многопараметровой аппаратуры викретокового контроля приводится достаточно полная классификация способов получения и обработки многопараметровых сигналов.

Учитывая специфику решения задач многопараметрового контроля, при проектировании аппаратуры;необходимо соблюдать некоторые общие - системные принципы. Помимо применяемых в современном приборостроении принципов конструктивной, информационной, электрической, метрологической и эксплуатационной совместимости предлагает^. чтобы аппаратура многопараметрового контроля отвечала принципу информационной полноты (обеспечивала получение максимально возможной информации об объекте контроля в. пределах возможностей Физического метода), принципу информационного единства промышленной и исследовательской аппаратуры С тестовые воздействия и режимы измерения должны быть идентичны на этапе, установления модели контроля и при измерениях), принципу универсальности (перенастройка т новую задачу;без■конструктивных изменений) и принципу программной, управляемости. :

Для обеспечения возможности работы аппаратуры в конуре системы управления параметрами технологических процессов, необходимо наличие внешнего интерфейса, (йрийных отечеетвеньш приборов

удовлетворявших этим требованиям практически не выпускается (за исключением ВС-17П, работающего в узком частотном'диапазоне). Зарубежные приборы Фирм Nortec и Zetec больше ориентированы на исследования. из-за отсутствия вторичной обработки информации (программно поддерживается лишь отображение годографов на комплексной плоскости). В наибольшей степени соответствует рассмотренным требованиям Magnatest S института доктора Ферстера.

Анализ, проведенный на основе классификации способов получения многомерных сигналов, их видов и способов обработки, показал,

ни один из сушествущих методов мнйгопараметрового контроля не удовлетворяет принципам универсальности и информационной пол-; ноты:

существует несколько конкурирующих способов получения многомерных сигналов и их первичной обработки, которые могут использоваться в комбинированных приборах или комплексах неразрушаюшего ■контроля;' •■'■ .;:■:. ';:: ;:/':'.

независимо от способа получения математической модели контроля требуется её параметризация (или - корректировка), 'которую Целесообразно-: проводить методами регрессионного анализа.

На основании проведенного анализа в диссертационной : работе поставлены приведенные выше задачи исследования.

' В_£Л2на_2,. на основе системного подхода к проблемам электромагнитной структуроскопии, обоснован выбор способов Формирования и обработки многомерных сигналов для универсальных прибороз и комплексов многопараметроеого вихреткового контроля. Сформулированы обгиг требования к аппаратуре и проанализированы основные источники: йо^^шЬс™^;-:': v

при проектировании комплексов или комбинированных приборов многопараметрового контроля, отвечащих принципу универсальности, наиболее сложной задачей является обеспечение совместной работы нескольких первичных преобразователей, при этом одновременная работа сразу нескольких преобразователей практически невозможна из-за их взаимного влияния. При последовательном контроле падает производительность и снижается достоверность контроля, из-за возможных: ошибочных действий оператора в процессе манипулирования несколькими преобразователями,.: Конструктивное объединение преобразователей приводит к большим габаритам их и потере локальности контроля,. Специальные, приспособления,':■ автоматиэирукщие процесс Останов!®: вихретоковда. пгзеобразователей:.на изделие, могут: приме-^;

няться в автоматизированных системах контроля, но экономически нецелесообразно каждый раз проектировать новые приспособления при эпизодических задачах, небольших объемах контроля.

Это означает, что необходимо иметь достаточно универсальные приборы ориентированные на широкий класс задач и комплексироватъ приборы лишь при острой необходимости, когда один метод многопа-раметрового контроля не может дать удовлетворительных результатов.

Одним из методов, обладащих. достаточной универсальностью для решения широкого класса задач, является метод, основанный на получении многомерного сигнала в виде совокупности синусоидальных сигналов различных частот. При этом наиболее предпочтителен способ последовательного возбуждения вихретокового преобразователя токами различных частот.

Альтернативные варианты, основанные на применении многообмоточных преобразователей ыт системы отдельных преобразователей, приводят к усложнению самих преобразователей и измерительного тракта прибора, который необходимо будет делать многоканальным или коммутируемым. Кроме того, возбуждение преобразователей током одной частоты сужает диапазон возможных значений обобщенного параметра контроля С диаметры преобразователей не могут отличаться на несколько порядков, в отличие от частоты возбуждающего тока).

Вместе, с тем, способ получения синусоидальных сигналов: различных частот с помощью системы отдельных преобразователей можно объединить со способом последовательного возбуждения. При этом каждый преобразователь должен работать в своем частотном диапазоне. Целесообразность такого решения объясняется сложностью проектирования широкополосного преобразователя из-за противоречивости требований к. нему. Преобразователь.. должен Г;, иметь' достаточно: большое число витков для получения приемлимых:по. величине полей, намагничивания и измеряемых сигналов. > 8^ то . же . время . он должен иметь высокую верхнюю границу рабочей частота. Эти требования значительно проще удовлетворить, применяя .раздельные обмотки или преобразователи для вйсадо-. й'.'«изк»ча<^тнбй Ла^й'-рабочего диапазона. : ■.' 6 . ;

Выбранный, вид" многомерного. 'Сигнала и/ .способ его получения; дает ряд преимуществ гю сравнению с приборами', базирушимися . на несинусоидальных: сигналах^' ':■'^'-у.--

. простота схемных решений при ^построенийоГене^торного блока, -при возможности обеспечить: иботу [.приора 'широком ^диапазоне

частот с достаточно малым шагом перестройки частоты:

потенциально хорошие метрологические характеристики. Для параметризации сигналов могут быть применены надежные, простые, хорошо отработанные и точные методы параметризации С амплитудно-фазовый, синхронного квадратурного детектирования, измерения среднего или амплитудного.значения):

легко выполняется принцип инсормационного единства исследовательской аппаратуры и аппаратуры производственного контроля, так как проще стабилизировать условия контроля (амплитуду и форму сигнала возбуждения):

исключается возможное влияние нелинейных эффектов при . пере-магничиваний Ферромагнетиков из-за взаимодействия составляющих' кесинусоидального сигнала возбуждения:

легко ввести нормировку, сигнала, что позволяет отстроиться от влияния нестабильности генератора' возбуждавшего тока .'и влияния паразитных параметров вихретокового преобразователя. Открывается возможность проводить нормировку в принятой в практике и теории неразрушащего контроля Форме и представлять результаты в виде годографов сигналов/, что' удобно для анализа.

Рассмотренные преимущества в значительней мере перекрывают свойственные методу недостатки.

Первым недостатком.метода является его меньшее быстродействие. однако потери времени, связанные с переключением частоты, переходными процессами и последовательной процедурой ' измерения можно уменьшить автоматизацией и оптимизацией этих процедур.

Второй недостаток метода проявляется в его меньшей информативности по сравнению с методами, использующими для , образования многомерного сигнала нелинейные свойства материала контролируемого изделия. Он может проявится лишь при контроле Ферромагнетиков, но в этом случае: его можно практически полностью компенсировать, получая дополнительную информацию о нелинейности при.воздействии на объект контроля дополнительным полем подмагничивания. Информативность этого метода близка к информативности метода высших гармоник или метода динамических петель перемагничивачия.

вместе с тем этот метод более пригоден для совместного применения в комбинированных приборах. При этом многочастотный последовательный метод оказывается только частным случаем, при котором подмагничивашее поле отсутствует. У него есть и другие : су-щесгвешь1ё' преифтства:' --:

ел- первых, для -этого митода не стоит сстро проблема .по-

- и -

кальности. так как контроль осуществляется тем же вихретоковым преобразователем,, который используется в приборах .многочастотного последовательного метола. Подмагничивание осуществляется приставным электромагнитом, который пространственно необязательно совмещать с датчиком. ...

во-вторых, у метода нет частотных ограничений, свойственным методу высших гармоник или магнитодинамическому методу, так. как устройство подмагничивания работает на постоянном токе, и обеспечение стабильности условий контроля становится более простой задачей... ''■

Для многопараметровых приборов ужесточается требования к величине инструментальной погрешности. Погрешность их будет складываться из погрешности модели бм и инструментальной погрешности би.

Погрешность модели определяется * с одной стороны, статистическим характером самих моделируемых зависимостей, а, с другой стороны, приближенностью ее аналитического представления, оценить ее априорно не представляется возможным. Важно, что сама процедура поиска модели направлена на минимизацию полной погрешности.

Действительно, в соответствии с статистическим подходом, зависимость контролируемого параметре У от первичных параметров XI ищется методом минимизации остаточной дисперсии Боб'^ по обучающей выборке для заданного класса моделей

У=КХ1,Х2, . .Хк). ш

В качестве моделей контроля выбираются линейные или полиномиальные модели не выше второго порядка. Совокупность наиболее информативных параметров формируется шаговой процедурой включения поочередно всех измеренных первичных параметров. В качестве критерия оптимальности модели используется Е>-критерий.' предложенный Дрейзиным В. Э.

Экр = :6м)2 + Сби)2 . С2Э

бм = /2 СЗо6~^п::>:;) . Со)

где . . .;

бм - погрешность модели:.

би - инструментальная'погрешность.' \

Боб^ и SntP - остаточные дисперсии, определяемые по обучающей и проверочной выборкам:

Для линейных моделей

1 -1 б*=С 5y/^Xi)2.6xi2 + 21 2RiJ-ЭY/(5xi-dy/йхj• 6xi• бх.1) C4)

1=1 1,3=1

где

6xi ~ погрешность измерения первичных параметров Xi:

бхл - погрешность измерения первичных параметров X.i;

Rij - коэффициент корреляции между погрешностями измерений параметров Xi и Xj.

Для линейных моделей и независимых погрешностей измерения первичных параметров (Ri.i=0) вторая составляшая инструментальной погрешности измерения отсутствует.

Если объем обучающей выборки велик, то пределом полной погрешности будет инструментальная погрешность. В свою очередь она определяется погрешностями измерения параметров сигналов 6xi и коэффициентами модели :.Y/ xi; Влияние'козФЗициентов модели- на полную погрешность минимизировано процедурой, выбора, оптимальной мо-} дели, таким образом, остается минимизировать погрешность измерения параметров сигналов.

Измеряемыми первичными лараметг^и^ после-

довательном возбуждении первичного преобразователя являются составляющие вектора синусоидального выходного напряжения датчика .

Xi = KlK2 СКСО Ur). С5)

где

Ki - аналого-цифровое преобразование; '

Кг - преобразование сигнала в аналоговой Форме: КС FУ : комплексный коэффициент передачи системы первичный преобразователь - изделие: Ur - напряжение генератора.

В соответствии с моделью измерений эта погрешность Формируется из трех составляших: погрешности преобразования аналогового? сигнала вихретокового преобразователя, погрешности аналого-цифрового преобразования и погрешности амплитуды и Формы напряжения генератора, которые зависят от построения генераторного и измерительного блоков и принятых'алгоритмов измерения.

в гладр-з анализируются метопы построения генераторов тестовых сигналов и измерительных блоков многопараметровых приборов неразрушащего контроля. Определены основные источники их погрешностей. Приведена оценка погрешностей. Предложены методы уменьшения погрешностей.

Из всех существующих методов синтеза синусоидальных сигналов для целей многопараметровой структуроскопии наиболее прием-лим метод синтеза по цифровым выборкам мгновенных значений с помощью ЦАЛ.

Метод с накоплением Фазы сложен в реализации. Поэтому, с учетом допустимости для целей вихретоковой структуроскопии относительно большого шага перестройки по частоте, предложен метод синтеза по схеме ПЗУ:- ЦАП с примерно постоянной частотой дискретизации. В таком устройстве число точек дискретизации прогрессивно возрастает при понижении частоты.

. Проведен анализ спектрального состава синтезируемого .напряжения. при этом вначале,рассчитан спектр дискретизации» а затем проведена оценка погрешности квантования дискретизированкого сиг-, нала, этот подход, в отличие от широко используемого, при котором результирующий спектр'получается дискретизацией спектра квантования, позволяет более проста« способом / получить компактные аналитические выражения характеризующие структуру спектра.

Напряжение на выходе ЦАП с бесконечным, числом разрядов описывается выражением:

п-1

иСО = У иСкТсО-(1С 1-кТо)-1С 1-Ск+13-То)). С63

1<=0

где •

То ^ .интервал дискретизации:

п. ; - количество точек дискретизации синусоиды: : л;

1С1-кТоЭ-1С1-С к+1) •То) - единичный импульс: ис кТо) Цгаах- согС2Я- кТо). V ^

Получено выражение с7), . позволявшее .определить амплитуды спектральных составляющих, обусловленных процессом дискретизации.

бШСЯ/П) Од-, г. г .1 = Цгаа:-: ^'г^Т1;-'*

С 73

гле 1 » 0,1,2...

Оценку вклада высшим гармоник удобно производить по нормированному по отношению к основной гармонике спектру

■ н '

111, п 1 1

1-П + 1

(8)

. Погрешность квантования получается как разность значений дискретизованной косинусоиды, представленной выражением (6), и "цифровой" косинусоиды, полученной квантованием дискретизирован-ного сигнала.

Считая погреЬиость квантования х случайной величиной, распределенной равномерно на интервале -Ь/2 - +Ъ/2, получаем оценку ДЛЯ'мощности шумов квантования, совпадающую с приводимой в литературе.

т

1

р - — • г -ел = ——. сю

* т ) 12

о

;' Полученные теоретические оценки.проверены методом численного моделирования для 8, ю, 12 и 14 - разрядных цифро-аналоговых преобразователей. ■ '

. Результата моделирования подтверждают теоретические выводы о специфических свойствах спектра. В спектре доминируют медленно затухающие составляющие, Обусловленные процессом дискретизации. Их уровень практически не зависит от разрядности циФроаналогово-го преобразователя. Уровень составлящих, обусловленных процессом квантования, убывает с повышением разрядности ПАП.

Получено, выражение, для расчета коэффициента гармоник. генера-торз без Фильтра

• Кг */ж29/п2 +- 0.67-2-2-г- , : : : СЮ)

где г - разрядность ЦАП,. : : :'

Из условий равного вклада составлящих в общее значение козФФи-

| мента гармоник,; получена оценка максимального целесообразного

количества интервалов дискретизации

птах » 2- 2Р. СШ

Из тек же соображений получено выражение, связывашее требования к быстродействию ЦАП. его разрядность и порядок Фильтра нижних частот, .:/: _

1-1

Пт1п = 3- 2Г, . ■ С12)

где пт1п = Тт1п/То - минимальное число интервалов дискретизации, 1 - порядок фильтра нижних частот.

При построении измерительного блока наилучшим методом измерения является синхронное детектирование, поскольку оно позволяет полностью подавить • влияние четных гармоник и пропорционально уменьшить влияние нечетных, в измеряемом сигнале. В качестве аналого-цифрового, преобразователя целесообразно . использовать двухтактный интегрирующий. преобразователь. Преобразователи . этого типа обеспечивают наивысшую точность среди существуидих АЦП. а. кроме того, можно повысить быстродействие прибора, выбрав время первого такта интегрирования кратным, частоте тестового сигнала.

Для уменьшения составляющих погрешности, обусловленных медленными вариациями амплитуды тока возбуждения первичного преобразователя и коэффициента преобразования измерительного тракта, предложен алгоритм нормирования вносимых вещественной и мнимой составляющих э.д.с. первичного преобразователя к з, д. с. холостого хода. В алгоритме предусмотрена коррекция остаточного разбаланса дифференциальных первичных преобразователей.

С учетом принятых структурных и алгоритмических методов построения измерительного блока; величина вносимых им погрешностей может быть существенно ниже погрешностей вносимых: генераторным блоком.-. ..

В_глав&_4: рассмотрены общие вопросы построения многопарамет-. ровых приборов неразрушающего контроля, примеры реализации приборов, результаты практического исследования созданных приборов.

Рассмотренные выше принципы положены в основу ряда приборов и структуроскопических комплексов многопараметрового неразрушаю-щего контроля. Измерительно - вычислительный комплекс многоларз- . метрового неразрушашего контроля ИВКС-1 состоит из трех структу-росколов.. Это: много частотный, вихретокозыя структурсскоп. ис-

пользуший метод последовательного переключения частот, магнито-динамический структуроскоп. измеряющий параметры динамических пе-.тель перемагничивания при различных амплитудах и частотах тока перемагничивания и магнитошумовой структуроскоп, определяющий статистические характеристики сигналов от скачков Баркгаузена. возникающих при циклическом перемагничивании Ферромагнитных изделий. все приборы могут работай» как под управлением от ЭВМ, так и в автономном режиме. При работе в составе комплекса программа измерений задается с ЭВМ. При этом в нее может закладываться модель контроля, что позволяет реализовать режим производственного контроля. При автономной работе приборы могут использоваться для исследовательских целей.

Более совершенными являются приборы комплекса ИВКС-2. В состав этого комплекса входят вихретоковый многочастэтный структуроскоп ВТС-4Ш и универсальный комбинированный магнитный структуроскоп МКС-10БИ (МКС-10МГО. Оба структуроскопа содержат встроенные микроэвм, что позволило улучшить алгоритмы первичной обработки сигналов, задавать программу измерений в режиме диалога и ввести'режим производственного контроля с автоматическим вычислением значений контролируемых параметров по встроенной или программируемой модели'контроля. Микроэвм поддерживают все функции управления режимами приборов и процесс измерения. При работе в составе комплекса полностью автоматизируется процесс сбора исходных данных для построения модели контроля.

Вихретоковый структуроскоп ВТС-4МП реализует измерение среднего значения квадватушык составляющих выходного сигнала первичного преобразователя в диапазоне частот от 20 до 200000 Гц С в вихретоксвдм структуроскопе комплекса ИВКС-1 измеряется амплитуда и фаза сигнала).

Наиболее совершенным из приборов является СКЭМ-IA. Его отличает расширенный до 2 МГц частотный диапазон«, меньшая величина погрешностей измерения первичных параметров (случайная составляющая бт < 0,2%), более совершенные средства диалоговой настройки на заданные программы измерений. Как и в ВТС-4, в нем предусмотрена возможность самосравнения результатов измерения с выбранной базой» что позволяет контролировать локальные отклонения свойств изделий и величину случайной составляющей аппаратурных погрешностей. Предусмотрено управление внешним подмагничивашш устройством.

Разработанные приборы применялись для контроля механических

характеристик изделия из сложнолегированных сталей после термообработки. контролировать которые с помощью существующий однопара-метровых методов оказалось невозможным. Кроме того, исследова- • лась возможность использования данных приборов для контроля толщины никелевых гапьванопокрытий на никельсодержаших сталях. Получены результаты убедительно доказывающие эффективность многопара-метровых приборов для решения сложных практических задач неразру-. мающего контроля.

Основные выводы и.результаты

1. Обоснован выбор оптимальной совокупности , многопараметровых методов контроля для структуроскопических комплексов и выбран метод контроля для универсального структуроскопа. Использование в универсальном структуроскопе последовательного многочастотного метода с варьируемым подмагничиванием постоянным полем, приближает его по информативности к приборам, • реализующим метод высших гармоник (МЕГ), на задачах контроля изотропных по сечению изделий. При контроле анизотропных изделий, этот метод существенно о превосходит МВГ, что объясняется возможностью контроля на более высоких частотах.

2. Определены требования к частотному и динамическому диапазонам. стабильности частоты и точности измерения первичных параметров многопараметровых приборов.

3. Проведен анализ полной погрешности многопараметровых из- . мерений по найденной регрессионным методом математической модели, который показал существенный. вклад' инструментальной . погрешности, . состоящей из погрешностей генератора тестового сигнала и измерительного блока.

4. дан теоретический анализ погрешности Формы выходного напряжения генератора. Предложено определять спектр выходного напряжения генератора в виде суммы двух составляших, обусловленных процессами дискретизации и квантования. Выведено аналитическое выражение для расчета амплитуд спектральных составлявших ступенчатого синусоидального напряжения, обусловленных:дискретизацией.

5. получено выражение для коэффициента гармоник генератора, позволяющее сделать практические рекомендации по проектированию гейёадторного блока, ч ::. \^^ ■ а^^ \-.Г^

6'. разработана структурная схема генератора, обеспечивающая малье 'искажения; Формыусигнала прй. небольших аппаратных затратах.

Получено выражение позволявшее выбрать ЦАП и определить порядок Фильтра нижних частот.

; 7. Созданные структурные, схемотехнические и алгоритмические решения положены в основу двух многочастотных вихретоковых структуроскопов ВТС-3 и ВТС-4. магнитодинамического мдс-i, комбинированного магнитного структуроскопа мкс-юби (МКС-ЮМП) и универсального структуроскопа СКЗМ-1. Все приборы рассчитаны на работу в автономном режиме и в- составе измерительно-вычислительных структуроскопических комплексов. Структуроскопы ВТС-4МП, МКС-ЮБИ» СКЭМ-1 имеют встроенные диалоговые средства программирования режимов контроля в исследовательском режиме и средства настройки на конкретную задачу производственного контроля.

. 8. Разработаны алгоритмы первичной обработки, уменьшающие влияние погрешностей измерения параметров многомерный сигналов и конструктивных параметров первичных преобразователей на суммарную погрешность измерений,

9. Проведено экспериментальное исследование эффективности применения разработанных приборов для различных практических задач неЬазрушащега контроля и получены полиномиальные модели контроля качества термообработки деталей из жаропрочных сложнолеги-рованных сталей^ Показана принципиальная возможность и получена полиномиальная модель контроля толщины никелевого гальванопокрытия на изделиям из никелесодержащей стали.

10. Разработанные приборы в составе измерительно-вычислительных комплексов структуроскопии ивкс-i и ивкс-2 внедрены в промышленности.

Основное содержание диссертации отражено в следующих работах:

1. Дэейзин в. Э. „ Бондарь 0. Г. К вопросу использования информационных моделей в электромагнитной структурометрии // Методы и приборы автоматического контроля. - Рига, 1974, - вып. 12. -С. 69-81.

2. Дрейзин В.Э., Губанов A.B.„ Бондарь 0.Г. Многопараметро-вый неразрушаший контроль по линадаческим петлям перемагничива-ния // методы и приборы автоматического контроля. - Рига. 1975. -ВЫП. 13. - С. 25-28.

.3. Дрейзин в.Э., Бондарь 0.Г., Губанов A.B. Амплитудно-Фазовый анализатор агрегатированной системы неразрушащего контроля // Тезисы докладов II всесоюзной межвузовской коиоеренщи по.

электромагнитным методам контроля качества материалов и изделий. - Рига. 1975. - 4.1. - С. 251-255.

4. Дрейзин В. Э.. Губанов А. в. v Бондарь о. Г. Анализ методов построения цифровых анализаторов петли гистерезиса // Тезисы докладов II всесоюзной межвузовской конференции по электромагнитным методам контроля качества материалов и изделий. - Рига, 1975. -Ч. 2. - С. 133-141.

5. A.c. 504160 ССССР). Устройство для измерения магнитных свойств образцов из Ферромагнитным материалов / Губанов А. в., Дрейзин В. Э.. Бондарь О. Г. Опубл. в БИ. 1976. N7..

6. A.c. 530293 (СССР). Устройство для исследования магнитных свойств Ферромагнитным материалов /Губанов A.B., Дрейзин

B. Э., Бондарь 0. Г. Опубл. в БИ, 1976, N36..

7. Дрейзин B.3.. Бондарь О.Г., Кривошеее В. В. Преобразование угла сдвига фаз в постоянное напряжение //Тезисы докладов Всесоюзного научно-технического семинара "Вопросы теории и проектирования аналоговых измерительных преобразователей параметров электрических сигналов и цепей". - Ульяновск, 1978.- Ч. 4. -

C. 18-19.

8. Дрейзин В.Э.. Бондарь О.Г., Кривошеев В, В. Исследовательская аппаратура для многочастотного метода контроля // методы и приборы автоматического неразруыаквдего контроля. - Рига, 1979. - С. 60-69.

9. Дрейзин в. 3.. Бондарь о. г. системный подход к решению многопараметровых задач электромагнитной структуроскопии // Методы и приборы автоматического неразрушащего контроля. - Рига, 1979. - С. 28-34.

10. Дрейзин В. 3.. Бондарь 0. Г., Куликов А. Н. системные принципы разработки и проектирования многопараметровой аппаратуры для электромагнитной структуроскопии // Тезисы докладов IX Всесоюзной научно-технической конференции "Неразрушашие физические методы и средства контроля". - Минск, 1981. - с. 210-213.

11. Вопросы построения универсальных многопараметровых цифровых структуроскопов на базе микро-ЭВМ и микро-калькуляторов/ в/э. дрейзин, А.н. Куликов. О.Г. Бондарь, в.А. Колосков // Методы и приборы автоматического неразрушащего контроля. - Рига, 1981. - С. 38-49.

12. A.c. 901957 (СССР). Устройство для измерения динамических магнитных характеристик ферромагнитных материалов /Дрейзин

В.Э.. Куликов A.h'.. Бондарь О,Г.. Клюев В.В., Дегтярев а.П.. Сос-нин В.Ю. Опубл. В БИ. 1982. N4.

13. Измерительно-вычислительный структуроскопический комплекс ИВКС-1/ В.Э. Дрейзин, 0. Г. Бондарь. А.Н. Куликов. В. И. Иванов // Тезисы докладов IV Всесоюзной межвузовской конференции по электромагнитным методам контроля качества материалов и изделий.

- Омск, 1983. - Ч. 3. - С. 29-31.

14. Многопараметровьй контроль качества термообработки и Физико-механических свойств высоколегированных сталей/ В.Э. Дрейзин. .0.Г. Бондарь. А.н, Куликов, A.n. Дегтярев. а.н. Полудницин и др. // Тезисы докладов IV Всесоюзной межвузовской конференции по электромагнитным методам контроля качества материалов и изделий.

- Омск. 1983. - 4.3. - С-32-34. .

15. Дрейзин В. 3.. Куликов А. Н., Бондарь 0. г. Автоматизация исследования магнитных характеристик Ферромагнитных материалов на базе микро-ЭВМ и микропроцессоров // тезисы докладов vi всесоюзной научно-технической конференции по проблемам магнитных измерений и магнитоизмерительной аппаратуры. - Л.. 1983. - с. 223-225.

16. A.c. 1000894 CSCCP). Многопараметровый структуроскоп / Дрейзин В.З.. Бондарь 0.Г., Куликов А.Н., Рогов A.A. Опубл. в БИ, 1983. N8.

17. A.c. 1000896 (СССР). Электромагнитное многочастотное устройство для неразруиаицего контроля / дрейзин В.Э., Бондарь О.Т.. Куликов А.н., Клюев В.В., Дегтярев A.n. опубл. в БИ, 1983, N8. •

18. A.c. 1022038 (СССР). Устройство для измерения динамических магнитных характеристик Ферромагнитных материалов / Дрейзин

B.Э., Куликов А.Н. Бондарь О. Г. Опубл. В БИ, 1983, N21.

19. О построении программно-управляемых генераторов намагничивающего тока для .индукционных, многопараметровых структуроско-пов/ Т.Я., Гораздовскийр ;А,л. Туликов. В.Э. Дрейзин, о.г. Бондарь // Диагностика.качества изделий.. ЗД 1984. -

C. 35-39.

20. А. с. 1100558. С.СССР)„: .Электромагни7Шй многочастотный структароскоп ;/ Бондарь чО^Г.Дрейзин В.Э.. Куликов А. Н. Опубл. в БИ, 1984,.:' Ш. .

: 21.; A. CJyU для измерения статичес-

ких магнитных характеристик Ферромагнитных материалов ./ Дрейзин В.З., Куликов А.Н.-» ;Бондарь;О.Г.,: 'Иванов: в.и. опубл. в БИ, 1984, N34.. .

22. A.c. 1118908 (СССР). Генератор синусоидальных сигналов к электромагнитному многочастотному структуроскопу / Бондарь 0. Г.. Дрейзин В. 3., куликов А.Н. Опубл. в БИ, 1984. N38.

23. A.c. 1201745 (ССКР).Многопараметровый магнитный струк-туроскоп / Дрейзин В.Э.. Бондарь 0.Г.. Иванов В.И.. Куликов А.Н.. Клюев В.В.. Дегтярев А.П.. Опубл. в ВИ, 1985, N48. :

24. дрейзин В. Э., Бондарь о. Г., Ливитина т.. Н. Неразрушаший контроль термической и термохимической : обработки деталей машин многопараметровыми методами // Тезисы докладов Всесоюзной научно-технической конференции по энергосберегающим технологиям термической и химико-термической обработка. - Махачкала, 1989. - С. 8.

25. дрейзин В. Э., плотников ю.:Г.. Бондарь о. Г. принципы построения самообучающихся систем многопараметрового. неразрушашего контроля // Тезисы, докладов 3 международной конференции. "Измерения и контроль качества при автоматизации производственных процессов" СИКАПЛ-94:). - Барнаул, 1994.

2S. Бондарь 0. Г, Принципы построения многопараметровых вих-ретоковых приборов неразрушашего контроля // Тезисы докладов юбилейной конференции ученых Курского политехнического института,- Курск,. 1994. - С.30-34. .

27. Бондарь о. Г. , Дрейзин В.Э. „ Филиппския -И. А. Построение широкополосного измерительного .тракта для вихретоковых приборов неразрушающего контроля // Труды юбилейной научной конференции КГТУ. - КУРСК,. 1995. - С.68-71. ,.■,■■

Соискатель

/

Подписано к печати Формат 60*84

листов 1.19. Тираж 1ÖD экз.. Заказ-наряд •: Г..

^ - 0 у '-;' . Формат 60*84 1/16 Печатных

Курский : государственный техдачёскйй,университет. 305040 Курск SO-лет Октября, 94 '.'■,'.'