автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Методы и устройства комплексного неразрушающего контроля электромагнитных параметров проводящих изделий

ХАРКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

МЕТОДИ ТА ПРИСТРОЇ КОМПЛЕКСНОГО НЕРУЙНІВНОГО КОНТРОЛЯ ЕЛЕКТРОМАГНІТНИХ ПАРАМЕТРІВ ПРОВІДНИХ ВИРОБІВ

Спеціальність 05.11.13 - прилади і методи контролю та визначення складу речовин

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

УДК 620.179.14

О

Харків - 2000

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Харківському державному політехнічному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор,

Себко Вадим Пантелійович,

Харківський державний політехнічний університет, завідувач кафедри приладів і методів неруйнівного контролю.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, доцент,

Набока Борис Г ригорович,

Харківський державний політехнічний університет, доцент кафедри електроізоляційної та кабельної техніки;

кандидат технічних наук,

Москаленко Ігор Іванович,

Харківський державний центр стандартизації, метрології і сертифікації, Державний комітет стандартизації, метрології та сертифікації, директор.

Провідна установа: Харківський державний технічний університет

радіоелектроніки Міністерства освіти і науки України, м. Харків.

Захист відбудеться: 2000 р. про ______________ годині на

засіданні спеціалізованої вченої заради Д64.050.09 у Харківському державному політехнічному університеті, за адресою:

61002, м. Харків, вул. Фрунзе, 21.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Харківського державного політехнічного університету.

Автореферат розісланий _______2000 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої заради

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Важливим питанням є вивчення можливості комплексного визначення магнітних параметрів і характеристик суцільних виробів у широкому діапазоні зміни напруженості магнітного поля, тобто на всіх ділянках кривої намагнічування. Під комплексним контролем будемо розуміти спільне визначення магнітної проникності питомої електричної провідності а і втрат Р потужності (повних і питомих) у суцільному виробі. Усе це є актуальною і своєчасною задачею, оскільки багато феромагнітні, слабоферромагнітних і немагнітних матеріалів і виробів використовуються в конструкціях елементів і вузлів енергетичного устаткування, таких як корпуса електродвигунів та генераторів, підшипники, вали і деталі фізичних установок і ін. Вибір матеріалів із припустимими раціональними значеннями і Р дозволить збільшити КПД такого устаткування і підвищити якість його роботи.

Дисертація присвячена важливій темі розробці електромагнітних методів і пристроїв на основі трансформаторного перетворювача для комплексного контролю магнітної проникності, питомої електричної провідності, повних і питомих втрат потужності в суцільних циліндричних виробах і зразках при зміні напруженості магнітного поля в робочому діапазоні.

До цього часу широкого розвитку набули методи і засоби для контролю параметрів матеріалів і виробів. У цьому плані досить докладно вивчені методи, пристрої і магнітометричні установки для визначення магнітних параметрів і характеристик спеціальних зразків (замкнених чи розімкнених), виконаних з набору пластин чи у вигляді стрічкового навиву. Контроль магнітних властивостей суцільних виробів ускладнений тим, що змінне магнітне поле, тобто його напруженість і індукція згасають у самому зразку, і тому в його перетині виникає неоднорідність поля. Останній фактор приведе до того, що і магнітна індукція, і напруженість магнітного поля, і різні види магнітних проникностей мають невизначеність, оскільки в кожному шарі виробу будуть своя напруженість поля, своя магнітна індукція, своя магнітна проникність і ін. параметри. Крім згасання напруженості магнітного поля в суцільному виробі, процес ускладнюється ще і тим, що неоднорідність магнітної індукції всередині зразка в більшій мері підсилюється за рахунок впливу на загасання індукції магнітної проникності, що для феромагнітних матеріалів є досить значним. Якщо врахувати те, що криві намагнічування таких матеріалів с нелінійними, то стає ясно, що визначення магнітних характеристик і параметрів суцільних виробів є досить складною задачею і вимагає подальших досліджень.

На даний період розроблені методи і пристрої для одночасного контролю магнітної проникності і питомої електричної провідності суцільних виробів у змінному магнітному полі, що відповідають початковим ділянкам кривої намагнічування, тобто в слабкому магнітному полі.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася відповідно до проектів, що пройшли конкурси Міністерства освіти і науки України: теми М5202 і М5203, наказ Міністерства №37 від 13.02.1997р. (координаційний план №48/16) і наказ Харківського державного політехнічного університету ХГПУ №377-11 від 17.04.1997р.

В даний час робота проводиться відповідно до держбюджетної теми М5204, наказ ХГПУ №3 від 4.01.2000р.

Мета і задачі дослідження - це створення електромагнітних методів і засобів для спільного комплексного контролю відносної магнітної проникності, питомої електричної провідності, повних і питомих втрат потужності в суцільних циліндричних виробах і зразках на базі використання трансформаторного електромагнітного перетворювача з однорідним магнітним полем.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні задачі:

- одержати точні і наближені вирази для спільного визначення електромагнітних параметрів суцільних циліндричних виробів і зразків (розглянути можливості спрощення цих виразів);

- розробити модифікацію електромагнітних методів і пристроїв для безконтактного контролю магнітної проникності і питомої електричної провідності циліндричних виробів;

- створити методику розрахунку очікуваних значень ЕРС і їхніх фаз трансформаторного електромагнітного перетворювача ТЕМП з циліндричним виробом;

- визначити умову слабкого загасання магнітного поля в суцільних феромагнітних і слабомагнітних зразках;

- розробити комплексний метод спільного електромагнітного контролю

магнітної проникності, питомої електричної провідності, повних і питомих втрат потужностей в суцільних циліндричних виробах, зондуючих змінним магнітним полем; ■

- з'ясувати вплив величин цг і сг на втрати потужності Р і Руд у виробах і зразках;

. - одержати результати експериментального визначення значень магнітної

проникності |ИГ, ПИТОМОЇ електричної провідності а, ПОВНИХ Р І ПИТОМИХ Ри) втрат потужності в зразках, виконаних з різних матеріалів;

- знайти вирази для оцінки похибок комплексних вимірів рг,ст, Р і Руд У циліндричних виробах;

- на основі отриманих виразів для розрахунку похибок знайти раціональні з погляду забезпечення мінімальних похибок вимірів режими роботи трансформаторного електромагнітного перетворювача;

- розглянути способи і прийоми підвищення точності вимірів електромагнітних параметрів виробів;

з

- привести приклади практичного використання розроблених методів і пристроїв для комплексного контролю.

Методи дослідження засновані на використанні теорії електромагнітного поля, апарата спеціальних функцій Бесселя, Кельвіна, символічного методу розрахунків комплексних величин, теорії електричних і магнітних ланцюгів, інтегрального і диференціального числення, теорії похибок вимірів.

Наукова новизна отриманих результатів роботи полягає в тому, що

- отримані точні і наближені вирази для спільного визначення електромагнітних параметрів циліндричних виробів і зразків;

- розроблені модифікації електромагнітних методів і реалізуючих їхніх пристроїв для безконтактного контролю магнітної проникності і питомої електричної провідності циліндричних виробів;

- створена методика розрахунків очікуваних значень компонентів сигналів трансформаторного електромагнітного перетворювача ТЕМП із циліндричним виробом;

- встановлені умови слабкого згасання магнітного поля в суцільних циліндричних феромагнітним і слабоферромагнит.чьіх зразках;

- розроблений комплексний метод спільного електромагнітного контролю магнітної проникності, питомої електричної провідності, повних і питомих втрат потужності в суцільних циліндричних виробах, які розташовані у ТЕМП із зондуючим змінним магнітним полем;

- з'ясований вплив величин ц,. і ст на повні Р і питомі Руд втрати потужності у виробах і зразках;

- отримані експериментальні результати комплексного визначення значень а, Р і Рід у зразках, виконаних з різних матеріалів;

- знайдені вирази для оцінки похибок комплексних вимірів ст, Р і Руа у циліндричних виробах, розміщених у ТЕМП;

- на основі аналізу поводження похибок у різних межах зміни частоти поля визначені раціональні з погляду досягнення малих похибок режими роботи ТЕМП;

- розглянуті способи і прийоми зменшення похибок комплексного визначення електромагнітних параметрів виробів.

Практичне значення отриманих результатів роботи полягає в тому, що знайдені співвідношення, встановлені умови слабкого згасання поля у виробах, створені комплексні методи контролю електромагнітних параметрів виробів і методики розрахунків основних характеристик трансформаторного перетворювача з провідним виробом, а також розроблені багатофункціональні пристрої - все це дозволяє проектувати установки для електромагнітного контролю електричних, магнітних параметрів, втрат потужності у виробах і зразках, а також інших залежних від параметрів ц„ о, Р і Руд фізико-механічних величин

таких, як твердість, міцність, температура, наявність домішок у матеріалі виробу й ін.

Зазначене вище дає можливість визначати діапазони контрольованих величин і відповідні їм межі зміни сигналів ТЕМП, оцінювати похибки вимірів і чутливість ТЕМП до параметрів виробів, вибирати вимірювальну апаратуру при комплектуванні установки і з'ясовувати оптимальні за похибками та чутли-востями режими роботи перетворювача. Важливе практичне значення результатів дисертації складається в можливості широкого використання виконаних розробок при пооперационном контролі різних деталей і вузлів енергетичного устаткування і фізичних установок, при відпрацьовуванні технології й експлуатації виробів і конструкцій.

Особистий внесок здобувача полягає у наступному:

- на основі умови слабого згасання магнітного поля розроблені модифікації електромагнітних методів безконтактного контролю магнітної проникності і питомої електричної провідності циліндричних виробів;

- розроблено комплексний метод спільного електромагнітного контролю відносної магнітної проникності, питомої електричної провідності, повних і питомих втрат потужності в суцільних циліндричних виробах, які розташовані у перетворювачі із постійним і змінним у часі магнітними полями;

- отримані експериментальні результати комплексного визначення а, Р і Р^д У виробах, виконаних із різних матеріалів;

- знайдені вирази для оцінки похибок комплексних вимірів та визначені раціональні, з погляду досягнення малих похибок, режими роботи ТЕМП.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідались на:

- Міжнародній науково-технічній конференції "Информационные технологии: наука, техника, технология, образование, здоровье", Харьков - Миш-кольц, 1996 р., 1997 р.;

- Міжнародній науково-технічній конференції "Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика", Крым, Алушта, 1997 р.;

. - II Міжнародній науково-технічній конференції "Метрологическое обес-

печение в области электрических, магнитных и радиоизмерений", Харьков, 1997 р.

Публікації: основні результата дисертації опублікавані у 10 наукових працях, з них 5 статей у наукових журналах і 5 матеріалів у трудах Міжнародних науково-технічних конференціях.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох рохділів, заключения, списку використаних джерел та додатків. Повний обсяг дисертації складає 172 сторінки: список літератури містить 77 найменувань (8 стор.), 18 ілюстрацій (15 стор.), 5 таблиць (5 стор.), додаток

(14 стор.).

ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

У вступній частині обгрунтована актуальність теми дисертації, розробка методів і пристроїв комплексного контролю магнітних матеріалів, відзначені труднощі магнітного й електромагнітного контролю суцільних виробів і зразків, дана мета дисертаційної роботи і поставлені основні задачі досліджень, розглянуті наукова новизна і практична значимість результатів роботи.

У першому розділі розглянуті існуючі методи і засоби для контролю магнітних характеристик матеріалів у магнітному полі (перемінного і постійного в часі) для спеціальних шихтованих зразків, набраних з тонких пластин і у виді стрічкового навива. Показано достоїнства таких методів і пристроїв, оскільки в реальних практично важливих випадках результати такого контролю дають можливість поліпшити роботу цілого ряду магнитопроводов трансформаторів, генераторів, електродвигунів, реле, контакторів і ін., виготовлених із шихтованих пластин або стрічок. Відзначено також, що при дослідженні магнітних характеристик суцільних виробів і зразків виникають труднощ, обумовлені згасанням магнітного поля всередині зразка, що приводить до невизначеності величин магнітної індукції, напруженості магнітного поля, а, отже, різних видів магнітних проникностей, втрат потужності, петель гістерезиса й ін.

Наприкінці цього розділу намічений шлях рішення питань магнітного контролю параметрів суцільних зразків на основі введення умови слабкого згасання магнітного поля всередині суцільного зразка.

В другому розділі з метою визначення електромагнітних параметрів суцільних циліндричних виробів і зразків введені спеціальні комплексні параметри К і /V., що характеризують першу і другу модифікацію електромагнітного методу. При цьому параметр К характеризує собою питому нормовану ЕРС трансформаторного електромагнітного перетворювача ТЕМП і вираз, для якого можна записати у вигляді

де Е2 - ЕРС вимірювальної обмотки ТЕМП, обумовлена магнітним потоком у виробі; Е0 - ЕРС ТЕМП при відсутності всередині нього циліндричного виробу; г| - коефіцієнт заповнення;

а і а„ - радіуси виробу і вимірювальної обмотки ТЕМП; ber0-, bei0-, berr, beiі -функції Кельвіна першого роду нульового і першого порядків, х - узагальнений

£0Г|цг xV2 |_ beiçx + berjx

. beitx(ber0x + Ьеійх) + bertx(ber0x - bei0x)

Ье%х + berfx

(1)

т\ = аг !a\ ,

(2)

параметр .

x-ayßn^^qf , (3)

|0о - магнітна постійна, цг - відносна амплітудна магнітна проникність матеріалу виробу; а - питома електрична провідність цього матеріалу; j = ^І;/ - частота зміни поля.

Перший і другий доданок у квадратних дужках (1) є уявною Im/C і дійсною Re К частинами параметра К. Фазовий кут ф величини К визначається

співвідношенням

І тК ....

(4>

Параметр Nx характеризує собою питому нормовану ЕРС Е2 ТЕМП, віднесену до відносної площі кільця із шириною, яка дорівнює глибині 5 проникнення поля у виріб, тобто . . ? F

N = Кхг =—(5) д Е0(Ь2/а2) К J

Оскільки ber-, bei- функції протабульовані в довідковій літературі, то в роботі розраховані універсальні функції перетворення K-ßx), tg(p=/(x) і Ад=/(ф).

Особливий інтерес викликають формули для розрахунку модулів і фаз параметрів К і Nx в наближеннях низьких частот х<1,5, оскільки цей випадок відповідає практично повному промагнічуванню зразка виробу магнітним полем. Тоді перша модифікація дає

К = І-—*4; (6)

384

x = ^8tgcp ; (7)

А при другій модифікації для х<1,5 маємо

K=l-ftg2cp; (8)

6

90

^=8tgcp-ytg3(p (9)

Розв'язавши систему рівнянь (6) і (7) відносно ц, і а з урахуванням (3), одержимо при реалізації першої модифікації

^-tVi (,0)

4/g(p£Jl-^-tg2(p

0 =----------------L (11)

2тi\x0aj

У випадку використання другої модифікації формули для визначення ц, і

ст є ідентичними співвідношенням (10) і (11).

Таким чином, вираження (10) і (11) дозволяють за результатами вимірів ЕРС Е2, Ео, фазового кута ер (між і Ео), а також відомих величин Цо, г|, ап і/визначити електромагнітні параметри і ст суцільних циліндричних зразків і виробів.

Запропоновано методику розрахунку очікуваних значень компонентів сигналів ТЕМП, яка полягає в тому, що за відомими значеннями електромагнітних і геометричних параметрів виробу і ТЕМП, користаючись отриманими співвідношеннями й універсальними функціями перетворення К~Лх) і 1§ф=У(х) (чи наближеннями (6) - (9)) визначають з урахуванням (3) частоту, ЕРС Е2, Е0 і ер ТЕМП із виробами, що мають різні значення ц,., ст і а. Наприкінці розділу приведено експериментальні результати одночасних вимірів і ст циліндричних зразків, причому ці результати добре погоджуються з даними контрольних вимірів і ст тих же зразків.

У третьому розділі розглянута умова слабкого загасання магнітного поля в зразку, що записується у вигляді

Ум^Уш, (12)

де ум - методична похибки, обумовлена неоднорідністю магнітного поля і не-лінійністю кривої намагнічування виробу; уцд - припустима методична похибка. Методична похибка може бути визначена із формули

1

Ум -]28

»Ж)

М#о) И<

з цдя0) ан ЦДЯ0)

х4 , (13)

де - диференціальна магнітна проникність, розрахована при Н=Н0, тобто напруженості магнітного поля зовні виробу; \хг - амплітудна магнітна проникність виробу при //=#о.

Формула (13) для розрахунку ум дає можливість визначити дійсну (квази-статичну) криву магнітної індукції зі співвідношення

Во-ВА 1-у,;), (14)

де £3 - експериментально отримана динамічна магнітна індукція в зразку (за умови (12)).

На практиці умову слабкого загасання можна записати й в іншому вигляді, а саме

х<\. (15)

У цьому ж розділі були отримані вирази для розрахунку методичної похибки, що виникає через неоднорідність магнітного поля всередині слабомагнітних зразків і нелінійності кривої намагніченості

Умови слабкого загасання магнітного поля в зразку (див. (12) і (15)) формули для визначення квазистатичної магнітної індукції (див. 14) дозволяють коректно вимірювати втрати потужності у виробах, оскільки ці втрати завжди визначають при фіксованих значеннях магнітних індукцій 0,5 Тл; 1 Тл; 1,5 Тл.

Для безконтактного визначення втрат потужності у металевих виробів, що розміщені в зону дії слабких магнітних полів трансформаторного прохідного перетворювача, зручно використовувати схему, представлену на мал. 1 Схема містить у собі генератор Г синусоїдальних сигналів, амперметр А, Частотомір Ч, робочій РП і компенсаційний КП перетворювачі, котушку взаимоіндук-тивності КВ, вольтметри В, В|, фазометр Ф, виріб О і зразковий опір Rq. Первинні обмотки РП, КП і КВ з'єднані згідно, а вторинні обмотки РП і КП -зустрічно. Компенсаційний перетворювач використовується у даному випадку для компенсації частини результуючої ЕРС робочого перетворювача, викликаної магнітним потоком у повітряному зазорі між циліндричним зразком і вимірювальною обмоткою перетворювача. Схему налагоджують наступним способом. За відомим радіусом зразка розраховують значення ЕРС, яку повинен показати вольтметр В у разі компенсації ефектів зазору. Це значення знаходять із формули

£2о=4,44укитш2|Ло#о, (16)

де E2q - ЕРС, обумовлена магнітним потоком порожнього перетворювача РП, обмеженим окружністю радіусом а.

Мал. 1 - Схема для безконтактних вимірів електромагнітних параметрів циліндричних виробів у слабких магнітних полях

Мал. 2 - Схема для безконтактних вимірів електромагнітних параметрів циліндричних виробів у сильних магнітних полях

Потім, ще не розмістивши виріб О в РП, змінюють число витків вторинної обмотки КП (останній використовується як варіометр) доти, поки вольтметр В покаже очікуване значення Е2о- Після цього розміщують виріб у перетворювач РП і встановлюють генератором Г таку частоту /, при якій фазометр Ф покаже величину кута ф<7,07°, що відповідає умові х<1. Величина ф являє

собою фазовий кут зсуву між ЕРС Е2, обумовленої магнітним потоком у виробі, і Е0 перетворювача без виробу. Кут ф є також фазовим кутом комплексного параметра К, що характеризує собою питому нормовану ЕРС Ег на одиницю ц,.

Величина струму, що протікає, у первинних обмотках перетворювачів повинна відповідати слабкій амплітуді напруженості магнітного поля (початкову ділянку кривої намагнічування). Ця ділянка для вуглеродистих сталей складає Н0<60 А/м, а для слабомагнітних матеріалів, таких як нержавіючі сталі, парамагнітні чавуни, латуні Я0<200-500 А/м.

Далі при зазначених значеннях Н0 (чи Г) вимірюють ЕРС Е2 перетворювача і її фазу ф при наявності компенсації ефектів повітряного зазору (див. мал.1). Вимірюють також значення намагнічуючого струму, І амперметром А (чи вольтметром В і, вимірюючи напругу на зразковому опорі Рід. Величину втрат потужності Р визначають із формули

де (7,, - вага зразка.

Визначення втрат потужності в суцільних циліндричних зразках у сильних магнітних полях (при магнітних індукціях В>0,5 Тл) пов'язане з тим, що на разі нелінійності кривої індукції такі втрати, як правило, вимірюють за основною (першою) часовою гармонікою індукції і напруженості магнітного поля. У зв'язку з цим у реалізуючий схемі необхідно передбачити прилади, що реагують на основну гармоніку зазначених величин. Оскільки розглянута методика визначення втрат має відношення до лінійних ділянок кривої індукції (початковий, насичення), то її використання для інших ділянок можна здійснити, якщо замінити нелінійні ділянки відрізками дотичних, проведених до конкретних робочих точок кривої індукції. Тому в узагальнений параметр х входить диференціальна магнітна проникність, що на кожнім відрізку дотичної є величиною постійною і незалежить від напруженості магнітного поля.

На мал.2 приведена схема для визначення втрат потужності в сильних магнітних полях, у якій прийняті ті ж позначення елементів і пристроїв, як і в попередній схемі (див. мал.1). В якості вимірювального приладу використовується двохкоординатний компенсаційний потенціометр ДКП змінного струму, наприклад, типу Р-56. Даний потенціометр дозволяє вимірювати дві амплітуди синусоїдальних напруг і зрушення по фазі між ними з досить високою точністю, оскільки в основу роботи приладу покладений компенсаційний метод виміру. Потенціометр Р-56 має резонансний нуль-індикатор, що реагує тільки на

Р = /£2—біпф ,

(17)

де / - ефективне значення струму, що намагнічує зразок.

На практиці, як правило, користуються питомими втратами

(18)

основну часову гармоніку двох сигналів: ЕРС Е2 (вхід х,) і Ео (вхід х2). Визначення втрат потужності при цьому здійснюють за формулою (17).

Слід зазначити, що, користуючись обома схемами (див. мал.1 і 2), крім виміру втрат потужності, можна визначати одночасно статичну для початкових ділянок і диференціальну цгд для всіх ділянок кривої намагнічування, а також питому електричну провідність матеріалу виробу. Таким чином, ми маємо справу з комплексним методом спільного виміру основних магнітних характеристик матеріалів і виробів.

Одночасне визначення таких параметрів, як \хп цга і сг виробу дозволяє оцінити їхній роздільний вплив на втрати потужності, що дуже важливо при виборі, а також при технології виготовлення матеріалів і виробів з такими значеннями цг, цга і о, щоб зменшити втрати потужності в елементах, виробах і вузлах енергетичного устаткування, і тим самим підвищити його ККД.

При використанні наближення низьких частот х<1,5 (випадок повного промагнічувания виробу), можна одержати співвідношення для втрат потужності (повних Р и питомих Руд), виражені через електромагнітні і геометричні параметри виробу.

У такому випадку

(19)

V, (20)

де р - питома вага матеріалу виробу.

З формул (19) і (20) випливає, що диференціальна магнітна проникність ц,а робить більш сильний вплив на повні і питомі втрати потужності в зразку, чим питома електрична провідність сг, оскільки у формулах (19) і (20) величина входить у квадраті, а о - тільки в першому ступені. Цікаво відзначити, що Руд пропорційні площі поперечного переріза зразка (див. (20)), квадратам частоти і напруженості поля. А повні втрати пропорційні довжині зразка, квадрату площі перетину зразка, а також значенням Я02,/, і о.

■ У цьому ж розділі були отримані експериментальні значення Руд, і о для зразків, виконаних з феро- і слабоферомагнітних матеріалів. Показано, що у феромагнітних суцільних зразках питомі втрати потужності навіть при індукції 5=1 Тл не перевершують 0,5 Вт/кг. У той час, як у слабоферомагнітних зразках значення Руд можуть досягати 235 Вт/кг, що пов'язано із значними величинами #0 і/при іспитах таких зразків.

В четвертому розділі розглянуто поводження похибок виміру магнітної проникності, питомої електричної провідності і втрат потужності в різних режимах роботи ТЕМП.

Формули для розрахунку відносних похибок виміру \хг і а при довірчій ймовірності 0,95 мають вигляд (перша модифікація)

У,, =І’1'/^+УІ0+(Сидф)2 ; (21)

Уа=1,1 ^(СЛф)2 +(2у0)2 *- УІ + у\ + у) , (22)

де Уе, > Ті,, > 7ф>7а' У/ - відносні похибки виміру величин, зазначених індексами

при цих похибках; См і Са - коефіцієнти впливу;

Сц =(9/Г/5ф)(ф/^) ; С„ = 2(&/6ф)(ф/х) + СМг, (23)

дК/ду і йс/схр - похідні параметрів К і х по ф.

При використанні другої модифікації значення ум визначають із формули (21), а у„, виходячи з виразу

Уа=1,1 у/(СаіУф) +(2У0„) + УІ, + Уі-0 + У/ . (24)

де уа - відносна похибка виміру радіуса Л//; Саі - коефіцієнт впливу

Св]=2(5^/5ф)(<р/^), (25)

5Л^/5ф - похідна параметра по ф.

Формули для розрахунку коефіцієнтів впливу в наближеннях низьких частот х<\,5 мають наступний вигдяд

^ 5 Ф5ІПФ .

4,-3 7—5--------V (26>

СОБ3 ф 1 tg2ф

2ф !-7#2ф

------І---• (27)

5Іп2(рі-^уФ 6

Вираз для визначення відносних похибок повних втрат потужності в циліндричному виробі має вигляд

У Є = ЩУЇ + УЇ + У щ, +УІ, +(ФС^ФУ>,)2 - (28)

де у І, уи,, уи. - відносні похибки виміру струму І, кількості витків вимірювальної і намагнічуючої обмоток.

Для розрахунку похибок визначення питомих втрат потужності у формулу (28) під коренем варто врахувати ще угс (тобто квадрат відносної похибки виміру ваги виробу).

Визначені з формул (21) - (24) числові значення похибок уц і уа показують, що вони не перевищують 2 % і 3 %, відповідно, у раціональному діапазоні зміни узагальненого параметра х, тобто 0,3<х<3,5.

Якщо використовувати наближення низьких частот (див. (21), (22), (24),

(26), (27)), тобто звузити діапазон х від 0,3 до 1,5, то можна одержати набагато менші значення уц і у0. При цьому уц <1 % і уст< 1,3 %,

Отримані з формули (28) значення відносних похибок уР виміру повних втрат потужності в зразках, виконаних з різних матеріалів не перевищують 2,5 %. Значення уР ^р, оскільки вагу виробу можна визначити значно точніше.

У цьому ж розділі розглянуті основні способи зменшення похибок виміру електромагнітних величин і втрат потужності. Це насамперед робота перетворювача в раціональному діапазоні зміни узагальненого параметра х, усунення впливу повітряного зазору між виробом і вимірювальною обмоткою на результати контролю, використання вимірювальних приладів з високими класами точності, стабілізація струму, що намагнічує, істотне зниження впливу різних перешкод на результати контролю (температурної похибки, сторонніх магнітних і електричних полів і ін. факторів).

Наприкінці розділу приведено приклади практичного використання розроблених методів і пристроїв. Зокрема наведені рекомендації для відпрацювання технології виготовлення кілець підшипників електродвигунів, у яких матеріал (парамагнітний чавун) має мінімальні значення магнітних, електричних параметрів і втрат потужності. Подібні рекомендації були запропоновані при відпрацюванні технології виготовлення елементів і вузлів, виконаних зі слабомагнітних нержавіючих сталей, що використовуваних у конструкціях енергоємних фізичних установках.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ І ВИСНОВКИ

Таким чином, у дисертаційній роботі вирішені важливі для практики не-руйнівного контролю задачі, які полягають у створенні електромагнітних методів і засобів для безконтактного спільного визначення магнітної проникності, питомої електричної провідності, повних і питомих втрат потужності в циліндричних виробах на основі використання трансформаторного електромагнітного перетворювача. Коротко зупинимося на основних результатах роботи.

1. Отримано точні і наближені для низьких і високих частот поля вирази для спільного визначення електромагнітних параметрів циліндричних виробів і зразків. На основі цих виразів і встановлених універсальних функцій перетворення, що зв'язують сигнали перетворювача з параметрами виробу, розроблені дві модифікації електромагнітного методу безконтактного контролю,відносної магнітної проникності і питомої електричної провідності суцільних циліндричних виробів.

2. Особливий інтерес мають аналітичні співвідношення в наближеннях низьких частот, що реалізують обидві модифікації методу і дозволяють одночасно визначати магнітну проникність і питому електричну провідність виробу, причому такі співвідношення не вимагають використання масиву даних для ви-

значення універсальних функцій перетворення. Наближення низьких частот дає можливість здійснити режим практично повного промагнічувания виробу, що дуже важливо для коректного визначення всередині суцільного виробу напруженості магнітного поля, магнітної індукції й інших параметрів.

3. Запропоновано методику розрахунку вихідних сигналів ТЕМП, таких як ЕРС і її фаза вимірювальної обмотки. Методика полягає в тому, що в заданих межах зміни параметрів виробу та введеним універсальним функціям перетворення і відомих параметрів перетворювача розраховують діапазони зміни результуючої ЕРС, її фази, частоти магнітного поля й інші величини.

4. Розглянуто умови слабкого згасання змінного магнітного поля у феромагнітному і слабомагнітному суцільному циліндричному виробі. Ці умови полягають у тім, що значення методичної похибки, обумовленою неоднорідністю магнітного поля в суцільних зразках і нелінійністю кривих магнітних індукцій і намагніченостей, зрівнянно чи менше припустимого значення такої похибки. На підставі отриманих співвідношень для визначення цих методичних похибок розроблена методика перебудови динамічних інтегральних, тобто виміряних магнітних характеристик циліндричних зразків у квазистатичесні криві магнітної індукції і намагніченості тих же зразків.

5. Умова слабкого згасання магнітного поля і створена методика розрахунку квазистатичних магнітних характеристик виробів за результатами експериментальних динамічних характеристик тих же виробів дозволяють коректно визначати втрати потужності на вихорові струми у виробі, оскільки такі втрати знаходять при повному промагнічуванні суцільних виробів і при визначених нормованих значеннях магнітної індукції (намагніченостей), у якості якої в даних випадках виступають квазистатичні магнітні індукції і намагніченості.

6. Отримано вираз для визначення втрат потужності у випадку виконання критерію слабкого згасання магнітного поля в суцільному зразку. З'ясовано те, що на втрати потужності (повні і питомі) диференціальна магнітна проникність робить більш істотний вплив, чим питома електрична провідність матеріалів і виробів.

7. Отримано результати експериментів, для безконтактного комплексного спільного контролю повних і питомих втрат потужності, магнітної проникності і питомої електричної провідності феро- і слабомагнітних суцільних виробів при малих і великих значеннях магнітної індукції.

8. Отримано співвідношення для розрахунку похибок вимірів магнітної проникності, питомої електричної провідності і втрат потужності при комплек-:ному контролі цих параметрів циліндричних суцільних зразків. Установлено, що раціональний з погляду досягнення малих похибок режим роботи перетворювача настає при 0,3<х<3,5. У цьому випадку похибки виміру магнітного й глектричного параметрів не перевищують 2% і 3%, відповідно. Показано, що при роботі ТЕМП у режимах практично повного промагнічувания (наближення

низьких частот х<1,5) можна досягти значень похибок не вище 1% і 1,3%, відповідно у випадку вимірів магнітних і електричних величин.

9. Проведено аналіз похибок визначення втрат потужності циліндричних виробів і зразків, виконаних з різних матеріалів (феро- і слабомагнітних). Показано, що значення таких похибок в основному не перевищують 2,5% при зміні індукції в широкому діапазоні (аж до 1Тл). Розглянуто способи і пристрої для підвищення точності комплексних вимірів електромагнітних параметрів і втрат потужності в суцільних виробах.

10. Приведено приклади практичного використання розроблених методів і пристроїв для комплексного контролю електромагнітних параметрів і втрат потужності в різних виробах і матеріалах. Ці приклади мають відношення до відпрацьовування технологій виготовлення виробів, при якій досягаються значення магнітних, електричних параметрів і втрат потужності менше припустимих значень.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Себко В.П., Салем Ханна Муса Мадаин, Чинь Тхи То Оань. Электромагнитный контроль радиуса и удельной электрической проводимости // Технічна електродинаміка. - 1998. - №1. — С.73-75.

Автором отримані експериментальні характеристики електромагнітних перетворювачів багатопараметрового контролю.

2. Себко В.П., Салем Ханна Муса Мадаин. Определение компонентов сигналов трансформаторного электромагнитного преобразователя для много-параметрового контроля. - Вестник Харьковского государственного политехнического университета. - Вып.47. - 1999. -С. 80-85.

Автором розроблена схема установки для багатопараметрового контролю електромагнітних параметрів.

3. Себко В.П., Салем Ханна Муса Мадаин. Комплексный электромагнитный контроль параметров цилиндрических изделий // Технічна електродинаміка, тематичний випуск. - 1999. - Ч.ІІ. - С.75-78.

Автором отримані аналітичні вирази для універсальних функцій перетворювача електромагнітного контролю.

4. Себко В.П., Себко В.В., Салем Ханна Муса Мадаин. Погрешности определения потерь мощности в сплошных изделиях, используемых в переменных магнитных полях. - Вестник Харьковского государственного политехнического университета. - Вып.64. - 1999. -С. 111-113.

Автором отримані вирази для розрахунку похибок контролю електромагнітних параметрів циліндричних виробів.

5. Себко В.П., Себко В.В., Салем Ханна Муса Мадаин. Определение параметров электромагнитного преобразователя для контроля цилиндрических

изделий. - Вестник Харьковского государственного политехнического университета. - Вып.64. - 1999.-С. 111-113.

Автором експериментально підтверджена методика багатопараметрового контролю електромагнітних параметрів циліндричних виробів.

6. Себко В.П., Салем Ханна Муса Мадаин. Бесконтактный многопара-метровый контроль проводящих изделий // Труды Международной научнотехнической конференции "Информационные технологии: наука, техника, технология, образование, здоровье". - Харьков- Мишкольц. - 1996. -С96.

Автором отримано вирази для визначення питомих втрат потужності у циліндричному феромагнітному виробі.

7. Себко В.П., Игнатьева С.Н., Салем Ханна Мадаин. Коррекция динамических кривых намагничивания ферромагнитных пластин и лент // Труды Международной научно-технической конференции "Информационные технологии: наука, техника, технология, образование, здоровье". - Ч. 3. - Харьков: ХГПУ,- 1997.-С. 180- 182.

Автором отримані аналітичні вирази наближеного розрахунку напруженості та індукції магнітного поля для безконтактного контролю електромагнітних параметрів.

8. Себко В.П., Салем Ханна Муса Мадаин, Чинь Тхи То Оань. Комплексные методы контроля электромагнитных параметров проводящих изделий // Труды Международной научно-технической конференции "Информационные технологии: наука, техника, технология, образование, здоровье". - Ч. 3. - Харьков: ХГПУ. - 1997. - С. 190 - 192.

Автором отримані основні вирази для визначення відносної магнітної проникності, питомої електричної провідності та повних втрат потужності для циліндричних виробів.

9. Корсунов И.Н., Себко В.П., Салем Ханна Мадаин, Чинь Тхи То Оань. Моделирование многопараметрового электромагнитного преобразователя с проводящим изделием // Труды научно-технической конференции с международным участием "Проблемы автоматизированного электропривода". - Крым, Алушта. - 1997. - С.322-323.

Автором знайдені універсальні функції перетворення для безконтактного контролю параметрів виробів.

10. Себко В.П., Москаленко И.И., Салем Ханна Муса Мадаин, Чинь Тхи То Оань. Бесконтактный контроль электрических и магнитных параметров изделий вихретоковыми методами // Труды II Международной научнотехнической конференции "Метрологическое обеспечение в области электрических, магнитных и радиоизмерений'’. - Т. 2. - Харьков. - 1997. - С. 128-130.

Автором запропоновано одночастотний метод контролю втрат потужності на основі трансформаторного електромагнітного перетворювача.

АНОТАЦІЇ

Салєм Ханна Муса Мадаїн. Методи і пристрої комплексного неруйнівного контролю електромагнітних параметрів провідних виробів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук зі спеціальністю 05.11.13 - прилади і методи контролю і визначення складу речовин. - Харківський державний політехнічний університет, Харків, 2000.

Дисертація присвячена питанням створення електромагнітних методів і засобів для спільного комплексного контролю відносної магнітної проникності, питомої електричної провідності, повних і питомих втрат потужності в суцільних циліндричних виробах. З'ясовано стан питання відносно методів і приладів неруйнівного контролю названих параметрів матеріалів. У роботі отримані точні й у наближеннях низьких і високих частот полючи вираження для спільного визначення електромагнітних параметрів циліндричних виробів. Створена методика розрахунку квазистатических магнітних характеристик виробів за результатами виміру динамічних характеристик, яка дозволяє коректно визначати втрати потужності на вихорові струми у виробі, оскільки такі втрати знаходять при гарному промагнічувані суцільних виробів.

Ключові слова: електромагнітний трансформаторний перетворювач, магнітна проникність, питома електрична провідність, повні і питомі втрати потужності, індукція, похибки.

Salem Hanna Mousa Madain. Methods and devices of a complex nondestructive testing of electromagnetic parameters of conductive articles. - Manuscript.

Thesis on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science on a speciality 05.11.13 - instruments and methods of checking and determination of materials. - Kharkov State Polytechnical University, Kharkov, 2000.

The thesis is devoted to problems of making of electromagnetic methods and resorts for share complex monitoring of a relative magnetic permeability, specific electrical conductance, complete and specific power losses in continuous cylindrical articles. The state of a problem on methods and gears of a nondestructive examination of called parameters of materials is clarified. In operation are obtained precise and in approximations low and high frequencies of a field of expression for share definition of electromagnetic parameters of cylindrical articles. Requirement of feeble fading of a magnetic field and built procedure of calculation of quasistatic magnetic performances of articles by results of measured dynamic responses of the same articles allow correctly to define power losses on eddy currents in an article, as such losses discover at good magnetizing of continuous articles.

Keywords: the electromagnetic transformer, magnetic permeability, specific electrical conductance, complete and specific power losses, induction, error.

Салем Ханна Муса Мадаин. Методы и устройства комплексного неразрушающего контроля электромагнитных параметров проводящих изделий. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.11.13 - приборы и методы контроля и определение состава веществ. - Харьковский государственный политехнический университет, Харьков, 2000.

Диссертация посвящена вопросам создания электромагнитных методов и средств для совместного комплексного контроля относительной магнитной проницаемости, удельной электрической проводимости, полных и удельных потерь мощности в сплошных цилиндрических изделиям на основе использования трансформаторного электромагнитного преобразователя с однородным магнитным полем. Выяснено состояние вопроса по методам и приборам неразрушающего контроля названых параметров материалов.

В работе получены точные и в приближениях низких и высоких частот поля выражения для совместного определения электромагнитных параметров цилиндрических изделий. Pía основе этих выражений и установленных универсальных функций преобразования, связывающих сигналы преобразователя с параметрами изделия, разработаны две модификации электромагнитного метода бесконтактного контроля относительной магнитной проницаемости и удельной электрической проводимости сплошных цилиндрических изделий. Особый интерес представляют собой аналитические соотношения в приближении низких частот, реализующие обе модификации метода и позволяющие одновременно определять магнитную проницаемость и удельную электрическую проводимость изделия, причем такие соотношения не требуют использования массива точек универсальных функций преобразования. Приближение низких частот дает возможность осуществить режим практически полного промагни-чивания изделия, что очень важно для корректного определения внутри :плошного изделия напряженности магнитного поля, магнитной индукции и других параметров.

Предложена методика расчета выходных сигналов ТЭМП, таких как ЭДС и ее фаза измерительной обмотки, намагничивающий ток. Методика состоит в гом, что по заданным пределам изменения параметров изделия, введенным универсальным функциям преобразования и известным параметрам преобразо-зателя рассчитывают диапазоны изменения результирующей ЭДС, ее фазы, гастоты магнитного поля, намагничивающего тока и другие величины.

Условие слабого затухания магнитного поля и созданная методика расчета квазистатических магнитных характеристик изделий по результатам измененных динамических характеристик тех же изделий позволяют корректно оп-эеделять потери мощности на вихревые токи в изделии, поскольку такие поте-

ри находят при хорошем промагничивании сплошных изделий и при определенных тестированных значениях магнитной индукции (намагниченностей), в качестве которой в данных случаях выступают квазистатические магнитные индукции и намагниченности. На основании рассмотрения этих выражений выяснено то, что на потери мощности (полные и удельные) дифференциальная магнитная проницаемость оказывает более существенное влияние, чем удельная электрическая проводимость материалов и изделий. Получены результаты экспериментов, связанные с бесконтактным комплексным совместным контролем полных и удельных потерь мощности, магнитной проницаемости и удельной электрической проводимости ферро- и слабомагнитных сплошных изделий при малых и больших значениях магнитной индукции.

Получены соотношения для расчета погрешностей измерений магнитной проницаемости, удельной электрической проводимости и потерь мощности при комплексном контроле этих параметров цилиндрических сплошных образцов. Установлено, что рациональный с точки зрения достижения малых погрешностей режим работы преобразователя наступает при 0,3<хг<3,5, В этом случае погрешности измерений магнитного и электрического параметров не превышают 2% и 3%, соответственно. Показано, что при работе ТЭМП в режимах практически полного промагничивания (приближение низких частот поля дг<1,5) можно достигнуть численных значений погрешностей, равных 1% и 1,3%, соответственно в случае измерений магнитных и электрических величин. Проведен анализ погрешностей определения потерь мощности цилиндрических изделий и образцов, выполненных из различных материалов (ферро- и слабомагнитньгх). Показано, что численные значения таких погрешностей в основном не превышают 2,5% при изменении индукции в широком диапазоне (вплоть до 1Тл). Рассмотрены способы и устройства для повышения точности комплексных измерений электромагнитных параметров и потерь мощности сплошных изделий. Приведены примеры практического использования разработанных методов и устройств для комплексного контроля электромагнитных параметров и потерь мощности в различных изделиях и материалах. Эти примеры имеют отношение к отработке технологий изготовления изделий, при которой достигаются значения магнитных, электрических параметров и потерь мощности меньше допустимых значений.

Ключевые слова: электромагнитный трансформаторный преобразователь, магнитная проницаемость, удельная электрическая проводимость, полные