автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.05, диссертация на тему:Методы компенсации и моделирования функций влияния действующих факторов в селективнос вихретоковом контроле

^ НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

^ІЗИКО-МЕХАНІЧНИЙ ІНСТИТУТ ІМЕНІ Г.В.КАРПЕНКА

^ на правах рукопису

ЗИБОВ

ВОЛОДИМИР МИКОЛАЙОВИЧ

МЕТОДИ КОМПЕНСАЦІЇ ТА МОДЕЛЮВАННЯ ФУНКЦІЙ ВПЛИВУ ДІЮЧИХ ФАКТОРІВ У СЕЛЕКТИВНОМУ ВИХРОСТРУМОВОМУ КОНТРОЛІ

спеціальність 05.11.05 - прилади і методи вимірювання електричних і магнітних величин

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Львів-1997

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Фізико-механічному інституті імені Г.В.Карпенка Національної академії наук України.

Науковий керівник: професор, докт.техн.наук МІЗЮК Леонід Якович

Офіційні опоненти: провід.наук.співроб., докт.техн.наук НІЧОГА Віталій Олексійович доцент, канд. техн. наук Блажкевич Іван Ілліч

Провідна установа: Державний науково - дослідний інститут

«СИСТЕМА»

Захист відбудеться « » 'ЬЄрдКЛ,______________;_____ 1997 р.

о 45 год. на засіданні спеціалізованої ради К. 04.01.03 при Фізико - механічному інституті НАН України (290601, Львів, вул. Наукова, 5)

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці інституту.

Автореферат розісланий « ___________ 1997 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради

ст.наук.співр., канд.технліаук В.Д.ПОГРЕБЕННИК

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ.

АКТУАЛЬНІСТЬ ТЕМИ. Стан об’єкту контролю (ОК) (наприклад, зразка матеріалу при вихрострумовому контролі), як правило, визначається декількома параметрами X = { X; } п Такими параметрами Х^ в згаданому випадку можуть бути питома електропровідність матеріалу, плоско - параллельнш'і зазор між датчиком та контрольованим зразком та ін. Для незалежних X} їх прямі вимірювання можливі лише селективними датчиками, кожний з яких реагує лише на один із параметрів. Однак при залежних X, та неселективних датчиках їх вихідний сигнал визначається декількома параметрами X;. Так постає задача селективного контролю цих параметрів. Ця задача ускладнюється, якщо параметри, необхідні для визначення стану ОК, можна визначити лише за даними вимірювань інших параметрів, тобто, коли мова йде про непрямі вимірювання. Такі технічні задачі селективного контролю параметрів досліджуваного об’єкту характерні для неруинівного контролю, завданням якого є забезпечення високої якості виробів (наприклад, виявлення прихованих дефектів). Для контролю виробів з електропровідних матеріалів широке застосування одержав електромагнітний метод контролю (ЕМК), або метод вихрових струмів (МВС).

Систему вихрострумового контролю умовно можна зобразити у вигляді двох взаємозв’язаних частин: підсистеми “вихрострумо-вий перетворювач-об’єкт контролю” (ВСП-ОК), вихідний сигнал якої несе інформацію про різні параметри об’єкту контролю, та підсистеми перетворення сигналів (ПІ1С). у якій виділяється інформація про ці параметри. Важливою особливістю такої системи є те, що при розв’язанні задач селективного контролю параметрів неможливо аналізувати цю систему відокремлено від конкретного об’єкту контролю, тобто необхідно розглядати ВСП і ОК як деякий пристрій, що формує сигнал відгуку. Серед багатьох параметрів, що визначають стан ОК, прн розробці системи контролю враховуються лише ті, які впливають на вихідний сигнал першої підсистеми. Такі параметри розглядаються як діючі фактори (ДФ). Особливість МВС полягає в тому, що інформативні параметри вихідного сигналу підсистеми ВСП-ОК визначаються одночасно декількома ДФ і розглядаються як функції багатьох змінних. Ця багатофакторність МВС обумовлює як переваги, так і перешкоди в його реалізації. МВС дозволяє контролювати різні ДФ, але необхідним є застосування спеціальних заходів для реалізації їх селективного контролю, тому що при визначенні факторів контролю (ФК) інші розглядаються як фактори завади (ФЗ). Задача зменшення впливу ФЗ стає актуальною в усіх напрямах вихрострумового контролю. Так, мінімальні розміри дефектів (дефектоскопія), що реєструються приладом, в значній мірі залежать від таких ФЗ як варіації електричних і магнітних властивостей та геометрії ОК. Впливом тих же ФЗ визначається точність вимірювання геометричних характеристик (товщннометрія), або його електромагнітних характеристик (структуроскопія).

Багатофакторність ЕМК визначає і завдання засобів вихрострумового контролю: забезпечення селективного контролю ДФ.

Крім того, можливість зміни як числа, так і складу ДФ, визначає необхідність розробки селективних систем контролю, адаптивних до змін ДФ. При розробці таких систем важливим стає вибір загального для них критерію кількісної оцінки ефективності застосованих перетворень сигнала відгуку, який дозволив би співставляти різні системи контролю. Незважаючи на чисельні розробки, спрямовані на створення селективних пристроїв контролю, в літературі відсутній такий критерій, що утруднює співставлений ефективності різних ПГІС.

Сучасний розвиток технології виробництва та поява нових матеріалів (багатошарові структури, композитні матеріали та ін.) визначають застосування засобів контролю в умовах впливу кількох ДФ. В той же час відомі прилади, які розроблені на основі традиційних методів (амплітудний, фазовий, амплітудно-фазовий), орієнтовані в основному на двофакторні задачі. Такі методи стають малоефективними при дії багатьох факторів. Розв’язок багатофакторних задач контролю базується на створенні високоселективних систем контролю, що забезпечують роздільний контроль ДФ. Складність таких завдань визначає необхідність розробки і нових методів контролю.

МЕТА РОБОТИ ТА ЗАДАЧІ ДОСЛІДЖЕНЬ.

Мета роботи полягає в теоретичному та експериментальному дослідженні методів селективного контролю діючих факторів, які розширюють можливості апаратних засобів у розв язанні багатофакторних задач ЕМК на основі зменшення додаткової похибки, обумовленої фактором завади. її досягнення передбачає:

- аналіз відомих методів контролю, які дозволяють зменшити вплив факторів завади, та оцінку можливості їх використання як базових у розробці систем селективного контролю діючих факторів;

- визначення кількісної оцінки ефективності методу формування інформаційного сигналу для співставлення різних систем контролю;

- дослідження можливості застосування одночастотного сигналу відгуку в селективному контролі діючих факторів;

- встановлення та використання можливостей багаточастотного методу контролю в розробці систем ЕМК;

- проведення експериментального підтвердження теоретичних висновків та результатів моделювання.

НАУКОВА НОВИЗНА.

В дисертаційній роботі отримані нові результати:

- вперше досліджена функція виливу діючих факторів, як залежність нормованого приросту вносимо!' напруги від приросту факторів, і визначена її структура, що характеризує можливість селективного контролю діючих факторів при одночастотному сигналі відгуку;

- досліджено компенсаційний метод формування інформаційного сигналу при багаточастотному зондуючому полі, який дозволяє формувати функцію компенсації близьку до функції впливу факторів завади в сигналі відгуку основної частоти;

- розроблено новий метод селективного контролю діючих факторів при одночастотному сигналі відгуку на основі моделювання області існування функцій впливу цих факторів.

НА ЗАХИСТ ВИНОСЯТЬСЯ:

- формування у вимірювальній частині системи ЕМК функцій впливу діючих факторів з нормованих приростів сигналу відгуку , що забезпечують можливість селективного контролю цих факторів;

- принципи побудови селективних систем контролю при багато-частотному полі зондування, яке використовується для створення функції компенсації при компенсаційному методі формування інформаційного сигналу на основі операторів множення і додавання функцій впливу діючих факторів;

- результати дослідження методу селективного контролю діючих факторів на основі моделювання в ППС області існування функцій впливу цих факторів;

- результати впровадження наукових висновків і рекомендацій, які знайшли свою реалізацію у впроваджених внхрострумових дефектоскопах типу ВД-ДФП.

ТЕОРЕТИЧНА ТА ПРАКТИЧНА ЦІННІСТЬ РОБОТИ полягає: в обгрунтуванні селективного контролю діючих факторів при одночастотному сигналі відгуку; оцінці можливостей компенсаційного методу при використанні багаточастотного поля зондування; розробці методу селективного контролю діючих факторів ' на основі моделювання в ППС області існування функцііг впливу цих факторів: розробці програм розрахунку на ЕОМ коефіцієнту ефективності багаточастотного та амплітудно - фазового методів контролю та програми селективного контролю діючих факторів в двофакторній задачі контролю.

РЕАЛІЗАЦІЯ РЕЗУЛЬТАТІВ РОБОТИ.

Дослідження дисертаційної роботи проводились при виконанні теми ФМІ НАН України РБ-22/128 ‘Розробка методів селективного вихрострумового контролю та створення високочутливих датчиків для дефектоскопії”, а також в рамках госпдоговору з ВО “Південний машинобудівний завод” (м. Дніпропетровськ) “Розробка засобів контролю якості відформованих тонкостінних трубок із сталі ОХ18Н10Т”

АПРОБАЦІЯ РОБОТИ. Результати проведених досліджень доповідались на ІУ-ій галузевій науково-технічній конференції “Повышение надежности авиационной техники средствами неразрушающего контроля” м. Саратов, 1983 р;на ІУ-ій Всесоюзній міжвузівській конференції “Электромагнитные методы контроля качества материалов и изделий“ м. Омськ, 1983 р; на науково-технічній конференції “Фізичні методи та засоби контролю матеріалів та виробів” м. Славське, 1996 р.

ПУБЛІКАЦІЇ. Основні результати досліджень викладені в 10-ти статтях та 2-х авторських свідоцтвах. Всього по темі дисертації опубліковано 21 робота.

Всі результати, що складають основний зміст дисертаційної роботи, отримані автором самостійно. В публікаціях, які написані у співавторстві, дисертанту належать:

в роботі (4) - математичне обгрунтування вибору частоти опорної

З

напруги в одноканальних пристроях двочастотного методу контролю;

в роботі (8) - застосування методу найменших квадратів для визначення оптимальних значень інформативних параметрів сигналу допоміжної частоти;

в роботі (9) - математичні вирази для коефіцієнтів ефективності двочастотного та амплітудно-фазового методів контролю, розрахунок цих коефіцієнтів в задачі зменшення впливу плоско-паралельного зазору та питомої електропровідності;

в роботі (10) - введення коефіцієнта ефективності методу контролю, визначення селективності системи електромагнітного контролю, розрахунок функцій впливу плоско-паралельного зазору;

в роботі (11) - застосування методу моделей для роздільного контролю декількох факторів, математичне доведення представлення функції впливу рядом їх власних функцій та їх відхилень, обумовлених дією факторів завад.

СТРУКТУРА І ОБ’ЄМ РОБОТИ. Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох розділів, та висновків. Вона викладена на 178 сторінках (в тому числі 31 сторінка рисунків), включає список використаної літератури (123 найменування) та п’ять додатків на 51 сторінках.

ЗМІСТ РОБОТИ У ВСТУПІ обгрунтована актуальність досліджуваної задачі, сформульовані мета, напрямки дослідження, наукова новизна, практична цінність, положення, що виносяться на захист, коротко викладено зміст дисертації і додатків до неї.

У ПЕРШОМУ РОЗДІЛІ викладено результати аналізу відомих методів зменшення дії ФЗ для систем контролю з вихрострумовим перетворювачем (ВСП) трансформаторного типу. Гі умовне розділення на дві підсистеми відображає два напрямки в реалізації роздільного контролю ДФ:1) зменшення дії ФЗ в підсистемі ВСП-ОК і 2) формування вихідного сигналу ППС, обумовленого лише одним ФК, на основі перетворень сигналів, які відбуваються в цій підсистемі. Коротко викладено основні властивості способів зменшення дії ФЗ першого напрямку, які грунтуються на розробці спеціальних конструкцій ВСП та стабілізації значень ФЗ. В роботі досліджуються методи зменшення дії ФЗ другого напрямку. Тому “метод контролю” розглядається як метод формувашш на виході ППС напруги, яка залежить лише від ФК і визначається як інформаційний сигнал.

Розробка відомих методів контролю базується на аналізі годографів внесеної напруги, іцо створюється на основі інформативних параметрів сигналу відгуку. Це визначає важливу роль математичної моделі підсистеми ВСП-OK в розробці засобів контролю. Основною вимогою, що ставиться до математичної моделі при роздільному контролі ДФ, є відображення дії всіх ДФ, що сприяє опису процесів формування сигналу відгуку та визначенню ролі кожного ДФ. В роботі коротко описані основні напрямки в побудові математичної моделі.

За способом зменшення дії ФЗ методи контролю в роботі об’єднані в наступні групи:

1.Методи, засновані на виборі режиму контролю (“пасивні” методи контролю).

2.Компенсаційні методи (“активні” методи контролю).

3.Методи роздільного контролю ДФ на основі розв’язку системи

рівнянь, що зв’язують інформативні параметри сигналу відгуку з ДФ. В роботі розглянуто основні особливості методів цих груп.

Можливості методів першої груші визначаються існуванням режиму контролю, що задається узагальненим параметром ß , при якому вплив ФЗ на вибраний для контролю інформативніш параметр сигналу відгуку є мінімальним (амплітудний,фазовий), або годографи ФК і ФЗ - ортогональні (амплітудно-фазовий метод). Однак значна нелінійність годографів внесеної напруги вже для двофакторннх задач обмежує діапазон зміни ДФ, в якому виконуються ці умови. Прп збільшенні числа врахованих ДФ практично стає недоцільним використання цих методів. Другим недоліком методів цієї групи є використання лише одного інформативного параметра сигналу відгуку (амплітудний та фазовий), або в такому їх поєднанні, коли неможливо розглядати їх як два незалежних параметри (амплітудно-фазовий метод). В той же час ФК більш повно визначається в сигналі з більшим числом ступенів свободи (тобто в багатомірному сигналі).

Методи першої групи засновані на виборі режиму контролю, що задовільняє певним умовам. Ця особливість дозволяє розглядати їх як методи “пасивного” формування інформаційного сигналу, тому що можливість їх реалізації визначається виключно наявністю такого режиму, а аналіз годографів зводиться до його пошуку.

Методи другої груші засновані на компенсації частини сигналу відгуку, зумовленої ФЗ. До них відносяться модуляційний, імпульсний та багаточастотнші (зокрема двочастотшш) методи контролю. В роботі коротко описано основні властивостімодуляційного та імпульсного методів. Важливе місце в даній групі займає двочастотшш метод. Це визначається тим, що аналіз взаємодії гармонічних сигналів відгуку різних частот, що має місце в підсистемі ВСІ1-ОК, дозволяє виявити загальні властивості для методів цієї групи, тому що в їх основі лежить спектральний аналіз складних снгіїалів відгуку. Це дозволяє дати загальну оцінку можливостей цих методів та визначити умови їх застосування.

В двочастотному методі контролю основна частота напруги збудження визначається з умов даного завдання контролю, а допоміжна - для зменшення дії ФЗ. Реалізація методу не пов’язана з існуванням особливих режимів контролю, що характерно для методів першої гругш, а вибір допоміжної частоти визначається min чутливості до ФК та шах чутливості до ФЗ. В розробках двочастотного методу слід відзначити спосіб векторного додавання сигналів відгуку основної та допоміжної частот, при якому в інформаційному сигналі зберігається мірність сигналу відгуку основної частоти. Однак незважаючи на чисельні публікації по реалізації двочастотного методу (на рівні авторських свідоцтв), ного теоретичне дослідження стосовно завдань роздільного контролю ДФ, глибоко не пророблене.

Загальним для компенсаційних методів є те, що воин засновані на використанні реальних, тобто нелінійних функціональних залежностей інформативних параметрів сигналу відгуку від ДФ, що формуються в підсистемі ВСІІ-ОК. Компенсація частини сигналу відгуку основної частоти, що здійснюється в ПІІС. дозволяє розглядати ці методи як “активні” методи формування інформаційного сигналу.

Розв'язок багатофакторннх задач контролю “пасивними" методами утруднюється вже при трьох ДФ, тому для роздільного контролю більшого їх числа використовується розв’язаная системи рівнянь (методи третьої груші), що описує залежності інформативних параметрів сигналу відгуку від'ДФ. Для її побудови використовується багатоміршііі сигнал відгуку, на основі якого будується матриця чутливості S вихрострумового перетворювача. Основною умовою реалізації багатофакторного контролю є умова del S^O. Однак при контролі складних об’єктів, структура 1 стан ДФ яких невідомі, визначення матриці S стає складним. В цьому випадку-особливо важливим є виконання умови реалізації, тому що похибки вимірювань можуть призводити до її порушення. Запропонований контроль ДФ, заснований на розв’язанні системи рівнянь, мас два припущення. Перше з них - це розгляд лише невеликих приростів ДФ, що приводить до розв’язання системи лінііінпх алгебраїчних рівнянь. Друге припущення це умова незмінності всіх електромагнітних характеристик матеріалу ііа всіх робочих режимах збудження, що використовуються для контролю. ІДі припущення справедливі лише для вузького класу задач ирп контролі ізотропних однорідних неферомагнітних матеріалів.

Вдосконалення цього методу пов'язано з розвитком статистичного підходу, спрямованого, по'суті, на побудову функціональних зв’язків інформативних параметрів сигналі! відгуку "з /id) па основі иоліноміальної моделі. Це визначає і складність в його реалізації, оскільки потрібно відібрати значну кількість зразків і провести складні багатофакторні вимірювання. В зв’язку з цим, розвиток статистичного методу визначається розробкою алгоритмів формування оптимальних багатомірних моделей підсистеми ВСЛІ-ОК, методики відбору та експериментального дослідження зразків та комплексним розв язанням проблеми автоматизації досліджень як на стадії експерименту, так і на стадії обробки ного результатів.

Проведений аналіз відомих методів контролю показав, що'їх розробка визначається формуванням та обробкою багатомірного сигналу відгуку, а завдання апаратних засобів полягає в ііого створенні 'і реалізації одного з розглянутих методів. До створення адаптивних систем контролю найближчим є останній метод, однак широкого застосування він не отримав у зв’язку з використанням лінпіної моделі функціональних залежностей інформативних параметрів сигналу відіуку від ДФ. Спроба реалізації методу з врахуванням нелініпності цих залежностей па основі спеціалізованих ВСП не дала бажаних результатів в зв’язку із складністю їх реалізації. Таким чином проблема роздільного контролю ДФ не втратила своєї актуальності.

У ДРУГОМУ РОЗДІЛІ викладено результати аналізу можливостей одночастотного сигналу відгуку в селективному контролі ДФ. Особливість ЕМК полягає в тому, що одночасний'вилив ДФ на інформативні параметри сигналу відгуку визначає багато-факторну функцію перетворення ДФ (залежність внесеної напруги иБІІ відДФ). При зміні лише одного ФК і постійному початковому значенні ФЗ задежність UBH (ФК) дає ііого власну функцію перетворення, яка дозволяє зазначеннями UB11 визначати значення ФК. Вплив ФЗ приводить до зміни власної функції ФК, тобто

(і '

появи додаткової похибки вимірювання. На цііі підставі сформу льовано завдання апаратних засобів для забезпечення селективноїи контролю ДФ, а саме: зменшення додаткової похибки контролю, зумовленої пплпном ФЗ, шляхом відтворення на виході системи контролю власної функції перетворення ФК, яка змінюється и підсистемі ВСП-ОК внаслідок впливу Такс формулювання дозволяє конкретизувати і визначення селективності системи контролю як її здатність формувати встановлену пласну функцію перетворення та зберігати її'в у. іоізах дії ФЗ. Забезпечення селективності системи контролю' в рамках даного визначення базується в роботі на виконанні умови, що функція перетворення ДФ, яка формується в підсистемі ВСГ1 - ОК,'повинна мати певну структуру, а саме: вона може бути виражена сумою власних функцій перетворення ДФ та складових їх сукупної дії. В цьому випадку роздільний контроль зводиться до виділення необхідної складової функції перетворення ДФ, яке відбувається в ППС. 15 роботі доведено, що цю умову задовільняє залежність приросту внесеної напруги від приросту ДФ. На основі цих залежностей н аналіз систем' контролю введено функції впливу ДФ, створені нормованими приростами внесеної напруги:

LWX10+X1- ••■.Хп0+хи> - Пвн(Х,0,...,Хпо>

и,ш(Х|0,...,Хп0)

І' (Xj,...,Xn):-----------------------------------------------------------, (1)

де ивп (Х10,...Хп0) - початкове значення внесеної напруги, яю-відповідає значенням ДФ Хю,...,Хпо еталонного зразка. Іюказано, що для функції , МццОчо+х,, ...,Хп()+хп), яка задовільняє умовам розкладу в ряд Теилора, функція впливу трьох ДФ може бути виражена рядом ’ ' '

)

Г(.\1,х2гхЗ)=^іф(х,,1)+^|^Дхі*ф(>:,^+^ХЛї;;,[Лхі*Ф(хт^]Т О

Т=!

де ф (хш)-власиа функція т-го фактору, яка визначається за (1) при зміні тільки т-го фактор}' та постійному значенні інших ДФ,

ОО ([ '

Дх =53 тг “Г<г Х<1 ‘ оператор диференціювання по р-ій змінній.

т = \ ^ СІКр

Функція впливу f(X|, Х2, х-р визначається сумою власних функцій впливу }ХФ та'відхиленнями цах функцій,'зумовлених сукупною дією ДФ (друга та третя суми в (2)Т. На основі отриманих результатів стає можливим апрокєпмуватп ортогональні компоненти функції впливу ДФ кінцевими рядами відповідних компонент власних функцій впливу ДФ із змінними коефіцієнтами

З Г З f З

Ref(xl,x2,x;j)=Ê'{9(xm)+53[4|a(xi,xIIl)-1J+^53 ld(xk,xitxm)-1]*

m = 11 ** ‘k*m*i

І Jv = l

. *ІсІ(х.,хш)-1]}Кеф(хга);

з Г 3 , ,3

Imf(x1>X2,x3)=2>i(p(xni)+£[i[a(xi,xm)-lJ+^-13 [d(xi>,xi,xj-l]*

111= il nul ^ '’'‘l'I1,1'' , v .4

' i= 1 *|с1(х1,хт)-1]}1тф(хт);

Такий розклад дає основу для моделювання функцій впливу ДФ по її ортогональних компонентах. Коефіцієнти в рядах (3) - функції приростів ДФ. '

Користуючись даним означенням селективності, в роботі визначено критерій для кількісної оцінки ефективності перетворення, що проводиться в ППС. Критерій базується на оцінці відхилення реальної власної функції впливу ФК від теоретичної. Ефективність перетворення оцінюється відношенням

У (х,......х„)-------Г(Хф,>р ~ №фА . (4)

f(Xj, ... ,хп) - Кхфк)т

де Е(хфк)р - реальна, а Р(хфк)т - теоретична власна функція впливу ФК на виході системи контролю, тобто нормованою похибкою, визначеною через співставленая рівня залишкового впливу ФЗ на виході системи контролю з його рівнем в сигналі відгуку.

В ТРЕТЬОМУ РОЗДІЛІ викладено результати аналізу компенсаційного методу на прикладі двочастотного методу контролю. Згідно (2) відновлення власної функції впливу ФК (г-й фактор) досягається додаванням функції компенсації L(xi, х?, х-?) до функції f(xj, х2, х3), з з з

ф(хг)=Кх1,х2,х3)-{ I>P(xj>+ÈÎ EU А^і * ф(хк> +

j^r ' k-l Li jtk

+ ¿ЕАхк[Ахі*Ф(хт>]]} = f(xi.x2,x3) - L(Xl,X2,X3)

(5)

на основі якого принцип компенсації може використовуватись при розробці методів роздільного контролю ДФ. Розглянуті два оператора компенсаційного методу, засновані на множенні та додаванні функцій впливу ДФ. Показано, що оператор додавання функцій впливу ДФ менш складний в реалізації і може використовуватись як базовий в розробці систем контролю. На його основі досліджено двочастотшііі метод контролю з векторним додаванням сигналів відгуку основної та допоміжної частот. Розглянуті варіанти:

1 .Статичного векторного додавання сигналів відгуку, попередньо перетворених у:

а) напруги проміжної частоти;

б) напруги однакового фазового кута.

2.Динамічного векторного додавання, заснованого на додаванні напруг різних частот.

Показано, що у випадку (6) зберігається мірність та взаємо-незалежність інформативних параметрів інформаційного сигналу, характерних для сигналу відгуку основної частоти.

8

Загальною умовою зменшення впливу ФЗ у розглянутих перетвореннях сигналів відгуку є наближення функції компенсації Ь(х^, х2, х3) до функції вилину ФЗ в сигналі відгуку основної частоти. Для співставленая можливостей двочастотного методу з методами першої груші в роботі досліджено амплітудно-фазовий метод контролю та визначено умови зменшення впливу ФЗ, що характеризують можливості його застосування. За даними розв’язку задачі ‘виток над провідним иеферомашітшім півпростором ’ проведено сиівставлення ефективності розглянутих методів контролю на ітршсладі зменшення вплину плоско-паралельного зазору. Для побудови функції компенсації використовувались функції впливу ФЗ на допоміжних частотах (допоміжні функції впливу). Вперше показано, що тільки перехід до п-мірного сигналу відгуку і формування на його основі функції компенсації дозволяє значно зменшити вплив ФЗ. '

Проаналізовано двочастотшгп спосіб формування інформаційного сигналу за миттєвими значеннями суми напруг різних частої (динамічне векторне додавання). Визначено умови існування “особливих” точок, в яких досягається виключення впливу"ФЗ. ІЗ загальному випадку, ці умови аналогічні умовам статичного векторного' додавання. Однак динамічне векторне додавання має особливості, що визначаються дискретизацією сумарної напруги. Це-внлив часу строб-імпульсу, який гшділяє “особливу” точку,та її зсув на часовій координаті, зумовлений порушенням умов її формування. Описана методика вибору допоміжної частоти контролю, заснована на отриманих умовах зменшення впливу ФЗ. ІЗ роботі проаналізовано деякі одноканальні двочастотні пристрої, які реалізують компенсаційний метод на основі статичного векторного додавання. Показано, що їх реалізація можлива з застосуванням перемножувача аналогових сигналів, на виході якого формується векторна "сума сигналів відгуку основної та допоміжної частот, перетворених у напруги проміжної частоти \уп = (\\'і±\у2)/2, де \\'| та \\'2 - основна та допоміжна частоти. Таке перетворення стає можливим, якщо частота опорної напруги перемножувача дорівнює \\'0 = (\\г і + \\'2)/2.

Критерієм вибору проміжної частоти є фазові умови зменшення впливу ФЗ. При розробці одноканальних пристроїв умови зменшення впливу ФЗ значно спрощуються, якщо фаза опорної напруги визначається фазами сигналів відгуку. В цьому випадку для виконання умов зменшення впливу ФЗ достатньою є рівність приростів амплітуд сигналів відгуку основної та допоміжної частот. В роботі показано, що розглянуте перетворення, покладене в основу формування інформаційного сигналу, може використовуватися і для компенсації остаточного небалансу ВСІ!. Проведений аналіз компенсаційного методу показав, що використання однієї допоміжної функції впливу ФЗ (двочастотне зондуюче поле), яка формується в підсистемі ВСП-ОК, недостатньо ефективне. Тільки перехід до багаточастотного сигналу відгуку та створення функції компенсації в ППС на основі багатьох допоміжних сигналів відгуку дозволяє підвищити ефективність зменшення впливу ФЗ. В цьому випадку роздільний контроль зводиться до апроксимації функції впливу ФЗ в основному режимі контролю функцією компенсації іХ\},х2,хз), що формується в ППС. Однак складність створення

п-мірного сигнала відгуку показує, іцо перспеїл пвнпм є розвиток компснсаціііиого методу на основі'моделювання функції компенсації в ППС незалежно від підсистеми ВСП-ОК. '

В ЧЕТВЕРТОМУ РОЗДІЛІ за результатами аналізу одномастої -ного сигналу відгуку, проведеного в другому розділі, досліджено метод моделей для реалізації селективного контролю ДФ. Стосовно завдань ЕМК цей метод полягає у створенні в ГІПС моделі функції Кхі,х2,хз) і під час її співставлений з реальною функцією, яка формується в підсистемі ВСП-ОК, визначити її складові за відомими параметрами моделі. Дослідження методу проводились для двофакториої задачі. Для цього випадку

Кх,,х2) =Е {і+Еі А хі}ф(хт) =£ О(хі) І<|П ф(хш)

т = 1 і-т т = 1 (.Ь;

Відомо, що при "побудові математичної моделі, яка описує досліджуваний об'єкт, одна з груп задач полягає в тому, що досліджувана

^>ункція відгуку (тобто залежність вимірювальної величини від [Ф) співпадає'з однією з заданих функцій - гіпотез. Побудова математичної моделі на основі експериментальних даних зводиться в цьому випадку до вибору такої функції - гіпотези, яка найкраще описує' даний об’єкт досліджень.' Стосовно проблеми ЕМК це означає, що існує сукупність функцііі-гіїютез ( (х(, х2)т, які розглядаються як моделі "функції і (х'| ,х^). При цьому завдання визначення її складових формулюється так: із сукупності моделей значені, (х], х?)ш, з відомими величинами складових, за критерієм

Ді' = І" ( X !, х2) - Г (х,, X 7) П| -+0

- (7)

визначити іу з них, яка відповідає значенню функції Кх], Х7). Згідно (6) створення Кх|, х2) можна розглядати як результат дії оператора О (х])| ^ пі на власні функції впливу ДФ. Вираз (6) дає загальний підхід моделювання "в 1111С функції виливу ДФ. Його застосування визначається моделюванням цього оператора. В роботі розглянуто реалізацію оператора О (х])і ^ т на основі моделювання в ППС області існування функцій впливу ДФ (область Д). її моделювання дає сукупність "значень функцііі-гіпотез Кх) ,Х2)т> необхідних для застосування методу. Описано методику побудови в прямокутній системі координат області Д, яка задається матрицею ІМІ значень функцій впливу і" (х^;,^2і)

і (хп,х2і), і (хц,Х22> ••• - ї (ХЦ.Х2,,)

і <>Чп,х21), І (*ІН’Х22> -■ - ї (хіп.Х2„)

В цій матриці ІМІ стрічка визначається одним ДФ, наприклад,

X}, а стовпець - іншим. Кожен елемент матриці ІМІ визначений

значеннями власних функцій {ф (х^), ф (х2;)}- Функція впливу ДФ - функція комплексної змінної і матриця І МІ розділяється на дві аналогічні матриці ІКе Кх); Х2і)і та ІГті" Кх^ Х2¡)1- Вираження області Д масивом точок ІМІ;; вйзначає і механізм’реалізації методу моделей, якпіі полягає у визначенні елементу матриці ІМІ, що задо-вільпяє умові (7), яка з' врахуванням векторного вираження функції

ІМІ = Іґ(хп, х2і)І=

' A о„2 + Ai™2 —> 0 * (!)) Ле ! 4 Rc ' = M (/xl' x2$ ~ \lel( ^1- x2^m та

„ A Im 1 =.Imf (x 1, « - Imf (xj, x2)m.

Jipii формуванні матриці IMI .'¡а експериментальними даними реальніш крок квантування функції f(\], х2) визначається числом зразків, що не завжди дозволяє його реалізувати згідно заданого діапазону зміни ДФ. Запропоновано задавати крок квантування, виходячії з заданої похибки вимірювання ДФ, а і гаго забезпечення базується на апроксимації досліджуваних функцій впливу ДФ за їх значеннями у вузлових точкахі які визначаються реальними зразками. ’ '

15 створенні математичної моделі досліджуваного об’єкту найбільш складними є задачі, в яких аналітичний вигляд функції відгуку невідомий. їх розв’язок базується на припущенні, що функція відгуку в діапазоні зміни ДФ може бути апроксимована рядом відомих функцій. Апроксимація ортогональних компонент функції виливу ДФ рядом відповідних компонент їх власних функцій із змінними коефіцієнтами показує, що модель i(х 1, х2) повніша формуватись за ортогональпимн’компонентамп в базисі власних функцій ДФ. Ніш відомих власних функціях ДФ змінні коефіцієнти визначають функцію f(xj, х2). Ця особливість обумов лює застосування методу моделей для створення функції комііепса ції прп реалізації компенсаційного методу і, крім того, для аналізу таких підсистем ІЗС1І-ОК, в яких принципово можливо визначити ліпне функції f(х), х-;). Розглянуто моделювання функцій впливу f(x], х2) на основі заДаїнія області існування одного з коефіцієнтів анрокснмуючого ряду у вигляді матриці, аналогічної матриці І МІ. В роботі описано методику її побудови.

Моделювання в 1ІІІС області Д дозволяє для певного класу функцій fCxj.xv) виключити неоднозначність в перетворенні (6), що полягає у відповідності одному значенню функції f(xj,x->) як мінімум двох комбінацій {ф(х(, x?)j, ф(х^, х?);} та {ф(х(, x-/)j+j., ф(хіГ x2)j-|_q}. Показано, що для функцій впливу ДФ, які перетинаються тільки в одній точці апаратними засобами виключається така неоднозначність вимірювання значень ДФ.

В ПЕРШОМУ ДОДАТКУ викладено доведення апроксимації функції впливу трьох ДФ рядом їх власних функцій.

В ДРУГОМУ ДОДАТКУ описано установку, на якій проводились експериментальні дослідження двочастотного методу контролю з використанням двочастотного дефектоскопу КЕДР. ІЗ дослідженнях використано двомірну візуалізацію результатів контролю з нанівтоновою індикацією на базі фототелеграфу. Приведено дефекто грами різних зразків з алюмінієвих сплавів.

13 ТРЕТЬОМУ ДОДАТКУ описано структурну схему дефектоскопу ВД-ДФП, в якому реалізовано одночастотнїій, двочастотипй методи тії метод гармонік для контролю особливо тонкостінних трубок.

В ЧЕТВЕРТОМУ ДОДАТКУ приведено програми розрахунку на ІЮМ коефіцієнта ефективності у (ДФ) та роздільного контролю

двох ДФ на основі методу моделей. Приведені відносні похибки вимірювання плоско - паралельного зазору та питомої електропровідності.

В П’ЯТОМУ ДОДАТКУ приведено акт впровадження дефектоскопу ВД - ДФП.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ РОБОТИ

1. Вперше в аналіз систем контролю введено функцію впливу ДФ, як залежність нормованого приросту вноспмої напруги від приростів ДФ, і показано, що ця функція виражається сумої власних функцій ДФ та відхиленнями цих функцій, обумовлених впливом факторів завад. Таке представлення є теоретичним обгрунтуванням можливості селективного контролю ДФ при одночастотному сигналі відгуку і використовується в аналізі різних методів контролю.

2. Визначено критерій оцінки ефективності перетворень сигнала відгуку в ПІІС, заснований на оцінці відхилення реальної власної функції ФК від теоретичної. Ефективність методу контролю оцінюється нормованою похибкою, визначеною через співставлений рівня залишкового виливу ФЗ на виході системи контролю з рівнем їх впливу в сигналі відгуку. Введення коеффіцієнта еффектпвності методу контролю дозволило вперше порівняти різні методи контролю на основі математичного опису перетворень вихідних сигналів ВСП, що відбуваються в ПІТС згідно даного методу контролю.

3. Вперше проаналізовано два оператори компенсаційного методу, засновані на множенні та додаванні функцій виливу ДФ і показана перевага оператора додавання, на основі якого досліджено двочастотний метод контролю при статичному векторному додаванні сигналів відгуку. Використання функцій виливу ДФ в теоретичному аналізі цього методу дозволило визначити умови зменшення впливу ФЗ і розробити методику вибору допоміжної частоти, що є теоретичною основою в розробці та реалізації двочастотного методу

і дозволяє оцінити його можливості в селективному контролі ДФ. На основі математичної моделі“ виток над провідним неферо-магнітним півпростором” з використанням коеффіцієнта ефективності методу контролю вперше проведено співставлення двочастотного і амплітудно - фазового методів контролю при зменшенні впливу плоско - параллельного зазору. Проведений аналіз показав, що значне зменшення впливу ФЗ досягається лише формуванням функції компенсації з допоміжних сигналів відгуку при багаточастотному збуджуючому сигналі. Це визначило моделювання в ППС необхідної функції компенсації як основний напрямок в селективному контролі ДФ.

4. Застосування функцій впливу ДФ вперше дозволило визначити умови існування “особливих” точок, в яких зменшено вплив ФЗ, при двочастотному методі контролю за миттєвими значеннями суми напруг різних частот (варіант динамічного векторного додавання напруг), що дало можливість фізично обгрунтувати появу таких точок в сигналі відгуку при імпульсному збуджуючому полі.

5. Використовуючи структуру функції впливу ДФ, вперше реалізовано метод моделей для селективного контролю ДФ на основі матричного представлення області існування функцій впливу ДФ.

6.При побудові матриці М, що описує область існування функцій впливу ДФ, запропоновано задавати крок квантування функції впливу ДФ, виходячи з заданої похибки вимірювання ДФ, а його забезпечення базується на апроксимації цих функцій за їх значеннями у вузлових точках.

7. Показано, що для функцій впливу ДФ, які перетинаються тільки в одній точці, за допомогою апаратних засобів можливим є виключення неоднозначності вимірювання ДФ.

Основні результати дисертаційної роботи викладені в наступних публікаціях:

1. Зыбов В.Н. О подавлении влияния мешающего фактора при двухчастотном методе дефектоскопии/Отбор и передача информации: Респ. межвед. сб. научн.тр./АН УССР. Фнз-мех. пн-т.- 1984.- Вып.69.-С.49-55.

2. Зыбов В.Н. Режимы двухчастотного метода вихретокового

контроля / Отбор и передача информации: Респ. межвед. сб.

научн. то./АН УССР. Физ.- мех. ин-т.-1984.- Вып.70.- С.83-89.

3. Зыбов В.Н. Выбор частоты и фазы коммутационного множителя для одноканального устройства при двухчастотном методе контроля/Отбор и передача информации: Респ. межвед. сб.научн. тр./АН УССР. Физ.-мех. ин-т.- 1985.-Вып.71.-С.75-81.

4.Зыбов В.H., Мизюк Л.Я., Тетерко А.Я. Принцип построения одноканальных устройств обработки сигналов при двухчастотном вихретоковом контроле/Отбор и передача информащш: Респ. межвед. сб.научн. тр./АН УССР. Физ,- мех. ин-т.-1985.- Вып.71.-С.84-89.

5. Зыбов В.Н. Компенсация начального напряжения в одноканальном устройстве для двухчастотного метода токовихревого контроля / Отбор и передача информащш: Респ. межвед. сб. научн. тр./АН УССР Физ.- мех. пн-т.- 1986.- Вып.74.- С.67-73

6. A.c. N 1434357(СССР) G 01 N 27/90 Способ вихретокового многопараметрового контроля изделий /Зыбов В.H.- Опубл. 30.10.88.-Б.И. N40.

7. A.c. N 1446551(CCCP)G 01 N 27/90 Устройство для двухчастотного вихретокового контроля/Зыбов В.H.- Опубл. 23.12.88 -Б.И. N47.

8. Зыбов В.Н., Мизюк Л.Я. Оптимизация выбора параметров напряжения вспомогательной частоты при двухчастотном методе контроля/Отбор и обработка информащш:Респ. межвед. сб. научн. тр. /АН УССР. Физ.-мех. ин-т,- 1988,- Вып.1(77).- С.55-65.

9. Зыбов В.H., Мизюк Л.Я. Определение возможностей подавления мешающего параметра при много - и одночастотном амплитудно-фазовом методах/Отбор и обработка информации: Респ. межвед. сб./АН УССР.- Физ.-мех. ин-т,- 1989.- Вып.4(80).-С.48-61.

10. Зыбов В.Н., Мизюк Л.Я. Принципы селекции при вихре-

токовом контроле / Физико-химическая механика материалов. -1994.- Bbin.i- С.42-54.

П.Зыбов В.Н., МнзюкЛ.Я., НазарчукЗ.Т. Подавление влияния мешающих факторов в задачах неразрушающего контроля на основе моделирован« компенсирующих функций/Физико-химическая механика материалов.- 1995.- Вып.4.- С.90-97.

12. ЗыбовВ.Н. Особенности векторного суммирования сигналов при двухчастотном методе контроля/Фізичні методи та засоби контролю матеріалів та виробів/Матеріали доповідей науково-технічної конференції, 5-10 березня 1996 року, м. Славське Львівської обл.- 1996.- С.38.

Зыбов В.Н. Методы компенсации и моделирования функций влияния воздействующих факторов в селективном вихретоковом контроле.

Диссертация (рукопись) на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.11.05 - приборы н методы измерений электрических и магнитных величин, Физико-механн-ческнй институт им. Г.В. Карпенко НАН Украины, Львов, 1997.

Представлено теоретическое и экспериментальное исследование проблемы раздельного измерения нескольких воздействующих факторов в задачах вихретокового контроля. Показана принципиальная возможность раздельного измерения нескольких влияющих факторов на основе функциональных зависимостей приращений вносимого напряжения от приращений воздействующих факторов. Дано обоснование компенсационного метода контроля воздействующих факторов. Показано, что структура функции влияния воздействующих факторов обеспечивает возможность применения метода моделей для решения этой проблемы. На основе этого метода рассмотрена двухфакторная задача и разработана программа контроля двух воздействующих факторов на базе ЭВМ.

Zybov V.N. The methods of compensation and modelling of the influence finections of acting factors in selective eddy current control.

Dissertation (manuscript) for obtaining scientific degree of candidate of sciences (engineering) on the speciality 05.11.05 - apparatuses and measuring methods of electric and magnetic quantities, Physical and Mechanical institute of National Academy of Sciences of Ukraine, Lviv, 1996.

The theoretical and experimental research of problem of a few acting factors separate measurement in the tasks of eddy current control is presented. The principled possibility of a few influence factors separate measurement on the base of the functional dependence of carried in voltage differentials from acting factors differentials is shown. The basis of compensation method of acting factors control is grounded. It is shown, that the stmicture of influence functions of acting factors guaranties the possibility of application of model method to solve this problem. On the base of this method two factors task was considered and the program of two acting factor control for computer was worked out.