автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Многопараметровый вихретоковый преобразователь для бесконтактного контроля проводящих трубчатых изделий

ХАРКШСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ПОЛ1ТЕХН1ЧНИЙ УН1ВЕРСИТЕТ

БАГАТОПАРАМЕТРОВИЙ ВИХОРОСТРУМОВИЙ ПЕРЕТВОРЮВАЧ ДЛЯ БЕЗКОНТАКТНОГО КОНТРОЛЮ ПРОВ1ДНИХ ТРУБЧАТИХ ВИРОБ1В

Спешальшсть 05.11.13 - прилади 1 методи контролю та визначення складу речовин

Хоменко В1тал1Й Григорович

УДК 620.179.14

Автореферат дисертацн на здобуття наукового ступеня кандидата техшчних наук

Харюв - 2000

Дисертащя е рукопис

Робота виконана в Харювському державному жштехшчному ушверсите-■п Miнicтepcтвa осв1ти i науки Украши.

Науковий кepiвник: доктор техшчпих наук, професор

Себко Вадим Пантелшович, Харювський державний иол1техшчний ушверситет, завщувач кафедри пpилaдiв та метод1в неруйшвного контролю.

Офщшш опоненти: доктор техшчних наук, професор

Александров Свгенш Свгешйович, Харювський державний полкехшчний ушверситет, зав1дувач кафедри колшних I гусеничних машин.

кандидат техшчних наук, доцент Москаленко 1гор 1ванович,

Харювський державний центр стандартизацп, метрологи I сертифкаци, директор.

Провщна установа: Харювський державний техшчний ушверситет

радюелектрошки, кафедра проектування обчислюваль-но! техники

Мппстерства освгги 1 науки Украши (м. Харюв).

Захист вщбудеться ",_г>" / С 2000 р. о '/4 годин! на засщанш спе-щал1зованоТ вчено'1 ради Д 64.050.09 у Харювському державному полггехшчно-му ушверситет! за адресою: 61002, м. Харюв, вул. Фрунзе, 21.

3 дисертащею можна ознайомитись у б^блштещ Харювського державного пол1техшчного ушверситету.

Автореферат розкланий "2/" С-11 2000 р.

Вчений секретар спец1ал1зовано1 вчено'1 ради

Горкунов Б.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальшсть теми. Питания безконтактного одночасного контролю ба-гатьох параметр! в труб за результатами вим!р!в р1зних електричних величин, що .упстяться в сигналах електромагштних перетворювач!в були слабко вивчеш в ¡снуючш лiтepaтypi. Це було обумовлено, насамперед, досить складними фу-нкшональними зв'язками компонентов вихщних сигнал)« електромагштних пе-ретворювач1Б з параметрами трубчастих вироб1в. До цього не були розроблеш досить ефективш методи 1 пристро'У для контролю магштних, електричних 1 геометричних параметр1в цилшдричних труб р1зномаштного асортименту. Про-тс, потреба промисловост! настшно вимагали широкого розвитку метод!в 1 за-соб1в для безконтактного контролю трубчастих вироб1в. Зокрема важливе значения використання таких мето/ив 1 пристроУв у нафтогазовидобувнш промис-ловост!, у комунальних мкьких господарствах, на електричних станщях \ теплоцентралях, на транспорт! \ па ¡нших пщприемствах.

Таким чином, задач^ пов'язаш з безконтактним контролем параметр! в трубчастих вироб1Б, е дуже актуальними ! своечасними.

Дисертацшна робота присвячена важливш тем! - створенню багатопара-метрових електромагштних методов 1 реал!зуючих Ух пристроУв для безконтактного одночасного контролю магштних, електричних I геометричних параметров цилшдричних трубчастих вироб!в у подовжшх однорщних магштних полях.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисерта-щя виконувалася вщповщно до проекту, що пройшли за конкурсом Мшктерст-ва освгги 1 науки УкраУни (шифр 48/16), Наказ Мшктерства освгги I науки УкраУни № 37 вщ 13.02.1997 р.; шифр цю теми в Харювському державному по-[птехшчному ушверситеп М 5203 (Наказ ХДПУ № 377 - II вщ 17.04.1997 р.). На цей час робота проводиться зпдно з держбюджетними темами М 5204 1 М 5205, включеними в тематичт плани Млшстерства освш! 1 науки УкраУни.

Мета 1 задач! дослщжеиня - це створенпя ! досладження вихорострумо-зих (електромагштних) безконтактних метод1в 1 реал1зуючих Ух пристроУв для эдночасного неруйшвного контролю магштних, електричних ! геометричних тараметр1в трубчастих металевих виробов у подовжшх однор!дних магштних толях.

Для досягнення поставлено'У мети необх!дно було виршити наступи! задач!:

- знайти спещальш, нормоваш параметри на основ! комбшацш функц!й Кельвша;

- одержати аналтгаш вирзи (точн!! наближен!) для ампл!туди ! фази но-змованого магн!тного потоку вихорострумового прох1дного перетворювача з грубчастим металевим виробом;

- визначити ушверсальш функцп перетворення, що зв'язують нормоваш сигнали вихорострумового перетворювача з узагальненим параметром виробу;

- на основ! ушверсальних функцш перетворення 1 розроблених алгорит-М1в вим1рювальних 1 розрахункових операцш створити вихорострумов1 методи контролю вщносно!' магштноТ проникност! 5 питомоГ електрично!" провщност! а цилiндpичниx феромагштних трубчастих вироб!в на фжсованш частот! змши поля;

- розробити принципов! електричш схеми установок для двохпараметро-вого контролю трубчастих вироб1в, заснованих на використанш трансформаторного I параметричного вихорострумових перетворювач!в;

- розробити алгоритм 1 модифшацш вихорострумового методу одночас-ного контролю (1ГI ст феромагштних 1 слабомагштних труб на основ! шдтриму-вання сталосп фазового кута нормованого магштного потоку в труб!;

- визначити ушверсальш функцп перетворення, що зв'язують питому но-рмовану ере трансформаторного вихорострумового перетворювача з узагальне-ними параметрами трубчастого виробу;

- розробити модиф^ацпо електромагштного методу сильного безконтак-тного контролю зовншнього д!аметра й електропровщносп немагштних цшин-дричних трубчастих вироб!в на основ! введених ушверсальних функцш перетворення;

- розробити вихорострумовий метод епшьного визначення товщини стш-ки ! середньо!' по щй товщиш електропров!дност! немагн!тного трубчастого виробу;

- на розроблених установках одержати результата безконтактного визначення магштних, електричних I геометричних параметр!в феро-, слабоферомаг-н!тних! немагн!тних трубчастих вироб1в;

- запропонувати методику розрахунк!в оч!куваних значень компонент!в сигнал!в трансформаторного електромагштного перетворювача ! визначити меж! втапрюваних електричних величин;

- одержати сшввщношення для розрахунку похибок епшьних вим!р!в вщ-носн01 магштнеи проникност!! питомоТ елсктрично!' пров!дност! трубчастих ви-роб!в;

- знайти залежносп чутливостей перетворювача та в!дносних похибок двохпараметрового контролю |дг! с вщ узагальненого параметра, який включае в себе параметри виробу! частоту поля;

- визначити ращональш за похибками ! чутливостями режими роботи електромагштного перетворювача з трубчастими виробами р!зноман!тного асо-ртименту;

- привести приклади практичного використання розроблених метод!в ! пристро!'в для безконтактного контролю труб.

Об 'ект достдження - це процес дифузп змшного магштного поля в тру-бчатий металевий вир!б, який породжуе проблемну ситуацпо одночасного ви-значення магншшх електричних 1 геометричних параметр1в труб.

Предмет досл1дження е створення електромагштних метод ¡в неруйшв-ного контролю магштно1 проникност1 та питомо'1 електропровщносп феромаг-штних труб, а також зовшшнього д1аметру I електропровщност1 немагштних трубчастих виробш.

Методы достдження засноваш на теорн електромагштного поля, елект-родинашки суцшьних середовищ та апарату спещальних функцш використову-вались для розробки теоретичних основ робота електродинам1чного перетво-рювача з металевим трубчатим виробом; теория електричних 1 магштних лан-цгопв, ¡нтегралыгого та диференщального обчислення 1 функцш комплексних чисел застосовувалась у розрахунках очжуваних значень сигнал1в перетворю-вача, а також при визначенш вираз1в для розрахунку параметр1в виробу; теор1я похибок вихпрювания 1 ¡нтегралыюго та диференщального обчислення викори-стовувалась для оцшки метролопчних характеристик електромагштних пере-творювач1в у раз1 багатопараметрового контролю.

Наукова новизна одержаних результатт полягае в тому, що:

- на основ! введених спещальних нормованих параметр1в встановлещ уш-версальш функщУ перетворення, що зв'язують ц1 параметри з узагальненими характеристиками трубчастого виробу;

- шляхом використання ушверсальних функшй перетворення розроблеш вихорострумов1 методи сшлыгого контролю иг 1 а феромагнпних трубчастих вироб1в на основ! тдтримування фксованоГ частоти магштного поля;

- розроблеш слектричш схеми установок для двохпараметрового контролю труб, заснованих на використанш трансформаторного 1 параметричного ви-хорострумових перетворювач1в;

- розроблений алгоритм вим!рювальних 1 розрахункових операцш, а також на його основ1 запропонована модифшащя вихорострумового методу одночасного контролю \хг 1 а феромагштних 1 слабоферомапптних труб, яка за-снована на утримаш постшним фазового кута нормованого магштного потоку в трубчастому виробу

- визначеш ушверсальш функци перетворення, що зв'язують питому нор-мовану внесену ере I п фазу трансформаторного перетворювача з узагальненим параметром трубчастого виробу для р^зних товщин стшок труб;

- розглянута модифжащя електромагн1тного методу сшльного безконтак-тного контролю зовшшнього д1аметра й електропров!дност1 немагштних цилш-дричних труб на основ! введених ушверсальних функщй перетворення;

- розроблений вихорострумовий метод стльного безконтактного визна-чення товщини стшки 1 середньоТ по и товщиш електропровщност1 немагштно-

го трубчастого виробу;

- на розроблених установках отримаш результата вим!р1в магштних, еле-ктричних 1 геометричних параметр1в феро-, слабоферомагштних 1 немагштних трубчастих вироб1в;

- запропонована методика розрахунклв оч1куваних значень компонента сигналов трансформаторного вихорострумового перетворювача I визначеш меж! змш вим1рюваних величин;

- отримаш сшввщношення для розрахуныв похибок спшьного вим1ру цг 1 а трубчастих вироб!в;

- на основ! анализу похибок 1 чутливост1 перетворювача до параметр1в трубчастого виробу визначеш рацюнальш режими роботи перетворювача з трубчастими виробами р!зномаштного асортименту;

- приведен! приклади практично!' реалЬац!!' розроблених метод!в ! при-строТв для безконтактного контролю параметр!в труб.

Практичне значения одержаних результатш полягае в тому, що: знай-ден! сшввщношення, яю описують ушверсальш функц1Т перетворення, алгори-тми розрахункових ! втнрювальних операц!й, методики розрахунюв перетворювача й оц!нок чутливост!! похибок двухпараметрового контролю дозволяють проектувати установки на основ! електромагштного перетворювача для сильного контролю магн!тних, електричних ! геометричних параметр!в цшиндрич-них трубчастих вироб!в, визначити метролопчш характеристики цих установок (частотний д!апазон, д!апазон зм!ни контрольованих величин), пдабрати вим!-рювальн! прилади необх!дних клас!в точное™, установити рацюнальш за похи-бками та чутливостям режими роботи. Розроблен! безконтактш методи 1 при-строТ контролю магн!тних, електричних ! геометричних параметр ¡в трубчастих вироб!в дозволили контролювати таю ф!зичн! величини, як мехашчш напруги (у тому числ1 границ! текучоси ! м!цност!), температури вироб1в ! р!дини, що протжае у труб!, зное трубчастих вироб!в (товщини стшки) у процес! експлуа-тацн. Ц! методи впроваджен! на ПО "Запор!зька АЕС".

Особистнй внесок здобувача полягае в наступному:

- отримаш ушверсальш функщ!" перетворення трансформаторного перетворювача для контролю параметр1в трубчастих вироб!в;

- на основ! отриманих функцш розроблен! методики безконтактного контролю магштних, електричних ! геометричних параметр!в як для феромагн!тних так ! неферомагн!тних трубчастих вироб!в р!зного сортаменту;

- розроблена принципова електрична схема включения трансформаторного перетворювача для двохпараметрового контролю, отримаш сшввщношення для оцшки похибок ! чутливостей перетворювача;

- отримаш основш сшввщношення для розрахунку оч!куваних вихщних електричних сигнатв трансформаторного електромагштного перетворювача з

контрольованим трубчастим виробом, яы дозволяють вибрати втайрювальну апаратуру для реал1зацп двохпараметрового контролю параметр1В труби в широкому д1апазон! ïxHbo'i змши.

Апробащя дисертацп.

ochobhî результати роботи доповщалися на:

- II М1жнароднш науково-техшчнш конференцп - школ1-семшар1 моло-дих вчених acnipaimB i докторанпв "Спорудження, конструкцп, технологи i буд1вельш матер^али XXI сто;пття", Белгород, 1999 р.;

- 12й М1жнароднш школьсемшар! "Перспективш системи керування на залвничному, промисловому i мкькому транспорт!", Харюв, 1999 р.;

- II М!жнародно'1 науково-техшчно'! конференцп" "Метролопя та вимфго-вальна технжа", xapkîb, 1999 р.

Публигацп-: ochobhî результати дисертацп опублжоваш в 7 наукових працях, у тому числ1 4 статп в наукових журналах i 3 роботи в працях мшнаро-дних науково-техшчних конференщях.

Структура дисертацп. Дисертацшна робота складаеться 3i вступу, чоти-рьох роздшв, заключения, списку використаних джерел та додатюв. Повний обсяг дисертацп складае 188 сторшок: 38 шострацш на 29 стор., 6 таблиць на 6 стор., додаток на 22 стор., список лггератури мктить 102 найменування на 9 стор.

ОСНОВНИЙ 3MICT РОБОТИ

У встушнй частит зазначена актуальшсть теми дослщження, вдапчено зв'язок роботи з науковими темами, вказана мета дисертащйно'1 роботи та сфо-рмульоваш ochobhî задач1 дисертацп, показана наукова новизна та iï практичне значения, розглянуто особистий внесок автора у друкованих працях ¡з ствавто-рами, наведена апробащя роботи та структура дисертацп.

У першому роздкн проанал1зовано bîaomî методи та пристроТ для визна-чення електромагштних i геометричних параметр1в вироб1в у змшних магшт-них полях. Наведено конструкцп' pÎ3HHX вид1в датчиюв для неруйшвного контролю вироб1в р1зних конф1гуращй. Розглянуто двох i трьох параметров! методи i засоби електромагштного контролю магштно!' проникност!, питомо!' електри-чноУ пров!дност! i pafliycy суцшьних цил!ндричних вироб!в i зразюв у повздов-жн!х та поперечних зондуючих магн!тних полях. Вдапчена важлив!сть багато-параметрового контролю вироб!в, який дае можливють одержати повну шфор-мацш про об'ект контролю. Встановлено, що методи i перетворювач! для ви-значення магн!тних, електричних та геометричних параметр!в трубчастих фе-ромагнгашх, слабомагштних i немагштних вироб!в недостатньо описан! в ic-нуючш Л1тератур1. Останшй фактор надав поштовх подальшо"! розробки таких

Ф, а,7

.к

метод1в 1 засоб1в, як!1 розглянуп у цш диссртацн.

У другому роздш розглянуто електромагштний метод 1 реашзуюч! його установки з трансформаторним ТЕМП \ параметричним ПЕМП перетворюва-чами для безконтактного контролю вщносноГ магштноТ проникност! ц, 1 пито-мо'1 електрично!' провщност! и цшиндричних трубчастих вироб!в 1 зразгав.

На рис. 1 показаний зовшшнш вигляд прохщного електромапптного перетво-рювача з цилшдричним тру-бчастим виробом. Як видно, всередиш перетворювача ¡с-нують 3 змшних мапптних потоки Ф ь Фг 1 Фз, тобто у пов1тряному зазор!, у стшщ труби ! у пов1тряному сере-довицц всередиш труби, вщ-повдою. На основ! р!внянь Максвела 1 закону Ома було наведено р1вняння дифузп синусо1дального за часом магштного поля у провщну трубу. Р1шення цього р1в-няння з граничними умовами дало можливють одержати сшввщношення для визначення розподшу напруженосп магштного поля у си-нш1 всередиш труби. Проштегрував це сшввщношення за поперечним перер1-зом труби, знайдемо вирази для мапптних потоков Ф2 и Ф3. узявши геометрич-ну суму цих двох потоюв знайдемо вираз для розрахунку сумарного магштного потоку Ф2з у стшщ та всередиш трубчатого виробу. П1сля цього був введений

комплексний параметр К, який характеризуе питомий нормований магншгай потж у труб! на одиницю

Рис.1 Прохщний електромагштний перетворювач з ци-л1идричним трубчастим виробом: 1 - вир1б; 2 - д1елект-ричний каркас; 3 - вим1рювальна обмотка; 4 - намагш-чувальна обмотка; 5 - ¡золящйний шар; /„- довженна перетворювача; I- довженна виробу; а- зовшшнш рад1ус виробу; Ь- внутр^шшй рад1ус виробу; а„- рад1ус вим1рю-вально! обмотки; аи - рад1ус намагшчувально!' обмотки

К = -

-ЕоЛМ,

А2 + В2 + - (А, - В, + (А, +В,)] + у2 /4ц,2(А2 + В,2) ц, V 2

С2 + п2 + -Д=[С(С, +£,)] + у2 /4цг2(С2 + В2)

М 2

А(С+Ц+ ^ {АС, +ВЦ-СЦ +04)+у22 [Ц(А -5,)] ^--^--,(2)

ХР+ГЪ+^ФЪ-АЦ+С4 +ОД)+^[Ц(В1 +5,)]

,(1)

де

А-- =ber\xker]y-bei\xbeixy-ker]xber\y+kei\xbei\y; (3)

В= =bei\xker^y+ber\xkei\y-kei\xher\y-ker\xbei\y; (4)

С- =-berxkei¡y-beixker¡y+keixber!y+kerxbeiiy; (5)

D-- -berxker\y-beixkei\y-kerxber\y+keixbei\y; (6)

А\ =beilxkery+ber[xkeiy-ker]xbeiy-keiíxbery; (7)

Ву =bei-lxkeiy-ber\xkery+kerxxbery-keilxbe¡y; (8)

с, =berxkery-beixkeiy-kerxbery+keixbeiy; (9)

А =beixkery+berxkeiy-keixbery-kerxbeiy. (10)

Зазначено, що berx-, beix-, bery-, beiy-, - функцй' Кельвша нульового i

першого порядив вщ аргумигпв, узагальнених параметр1в д: i у, причому

* = apn\i0\xrqf , (П)

у = Ь^лц^сг/ , (12)

ai Ь- зовшшнш i внутршшй paaiycn труби;/- частота змшення магшт-ного поля.

Зв'язок лпж параметрами jc i у здшснюетъся виразом y = x(\-(d/a)), (13)

де d - товщина ctíhkh труби; тобто d=a-b.

Функци Кельвша протабульоваш у довщковш литература Тому можна знайти ушверсальш залежност1 фазового кута ф та модуля параметра К вщ л: при pÍ3Hnx значениях día для феромагштних труб (з цг>50, практично важливий випадок). Lí¡ залежносп представлен! на рис. 2 i 3. г,--______—-- К(.

град 40 30 10

о _ 10 20 зо ¿,a so so Рис. 2 Залежнога фазового кута ср вщ вели-чини х для труб: 1 - d/a= 1; 2 - 0,2; 3-0,1; 4

- 0,05 (50<цг<1000) „

Рис. 3 Залежносп модуля параметра К вщ

величини х для труб: 1 - d/a= 1; 2 - 0,2; 3 -0,1; 4-0,05 (50<цг<1000) Аналопчш залежносп фазового кута ф i модуля К bw х для ргзннх día були одержан! при використанш немагштних труб.

На ochobí ушверсальних функшй ф=/(.х) i K=j\x) можна розробити алгоритм сум ic но го визначення значень pr i сг матер1алу трубчастих вироб1в. Цей алгоритм, який характеризус метод фксовано! частоти, заключаеться у наступ-ному. При заданому зовншньому радиус! а, вщношення día i частоти змши ма-

10

гштного поля, вилирюють фазовий кут ф, а по ньому, використовуючи залеж-шсть ф в1д х (див. рис. 2) знаходять параметр х, i дал! на ochobí функцп K=f{x) при тому ж вщношешп día визначають параметр К, a noTÍM при знайденому параметр! х, i вщомому коеф!ц!ент! заповнення г|, а також за вим!ряними значениями ере Е2} i Eq2 знаходять з урахуванням (1) магн!тний параметр виробу рг ¡з сшввщношення

(14)

Електропровщшсть виробу визначають на основ! (11) з виразу

ст = -—^-. (15)

2па ц0ц,/

Формули (14) i (15) дають можливють визначити i а в послщовному цикл!, тобто спочатку знайти \ir, а дал! а. У паралельному цикл! величину знаходять Í3 виразу (14), а а, використовуючи формулу

о = х2Е°К . (16)

2пцйЕ2гаП/

Паралельний цикл прискорюе процес розрахунк!в \xr i а, що важливо при автоматизацн контролю. okpím вказаних ун!версальних залежностей ср i К в1д х, у робот! були введен! íhiuí удосконален! функцп перетворення, тобто K=J[ф) i Nx=K-x2=J{(.f), де Nx - параметр, який характеризуе собою нормовану ере £2зя. обумовлену магштним потоком всередин! ТЕМП (де Е2зц=Е2з/Е0). LÜ дв! функцп дозволяють визначити значения цг i а за допомогою двох незалежних кри-вих: K=f{(p) i Nx=f{q). Д!йсно, п!сля ви\иру в експеримент! фазового кута ф на ochobí функцп K=fy) для заданих d/a i а знаходять параметр К, а по ньому, ви-ходячи Í3 (14), визначають ц„ а величину а розраховують Í3 сп!вв!дношення N

о =-(17)

2щ0Е„ап/

де параметр Nx знаходять при вщомих día i а за допомогою функцп NX=Äф) Для визначеного у експеримент! значения фазового кута ф.

Як бачимо з (14) i (17), цг розраховують на основ! використання тшьки криво! К=/((?), а а - тшьки, виходячи з функшУ Nx=f((p), причому обидва параме-три [ir i а залежать вщ електричних параметр1в перетворювача, що вим!рюють-ся, i в!домих величин. Формули (14) i (17) характеризуют паралельний цикл визначення \ir та ст.

В цьому ж роздЫ описана схема установки ТЕМП для контроля елект-ромагштних параметр1в ц, i ст труб з компенеащею частини ере ТЕМП, обумов-леноГ магштним потоком в повпряному зазор! mí ж трубою та вим!рювальною обмоткою ТЕМП. Схема дозволяе генератором Г встановлювати струм I i частоту f. Струм вим!рюють амперметром А до частот 1500 Гц i за допомогою

падшня напруги, що по-казуе вольтметр В, на зразковому onopi R0 (при />1500 Гц). Ере £23 з включених на зустр1ч ви-«¡рювалыгоУ обмотки ро-бочого РП i вторинно? обмотки компенсацшного КП перетворювач1в ви-значаеться вольтметром Вг- Значения ере Ео з ви-ходу вторинноТ обмотки опорного перетворювача репструеться вольтметром В3. Фазовий кут ф Mi ж Е2з i Е0 вим1рюсться фазометром Ф. На шй cxeMi (див. рис. 4) були одержа-Hi результата експериментального визначення u,. i ст матер1алу трубчастих ви-po6iB. Результата, отримаш розробленим методом з фжсованою фазою ф i кон-трольними методами (балютичним при визначенш ur i мостовим для вим1рю-вання ст) гарно сшвпадають.

У другому роздш приведен! схеми установок, яга працюють на основ! параметричного електромагштного перетворювача ПЕМП з цшпндричним тру-бчастим виробом. Розглянуто 0CH0BHi сшввщношення, яга описують роботу цих установок. Показано досто'шства i недолки ТЕМП i ПЕМП, яга використаються для cyMic.Horo контролю ¡лг i ст.

У третьому роз.и'л! розглянуто електромагштний метод i реал1зуючий його пристрш для одночасного контролю i ст трубчастих вироб1в на ochobi застосування фжсованих значень фазового кута ф. Використовуючи формули (1)-(10) можна визначити залежноси |ir i х вщ нормованого мапптного потоку Ф„ у Tpy6i, причому Ф F

ф = (18)

" Фо Ео

де 023 - магштний noTiK всередиш труби, який створюе ере Е2з; Ф<> - маг-штний пот1к ТЕМП при вдеутносп в ньому виробу; Ф0 ¡ндукуе ере Е0.

На рис. 5 i 6 показано функцп перетворення р,=ДФ„) i х=/{Фн) при фкеацп фази (p=const=15°. Алгоритм визначення значень pr i ст при використанш методу фжсовано'1 фази, ф="сопЛ такий. Змшюють частоту магштного поля, зондуючо-го трубу до тих nip, коли фазовий кут ф зр1вняеться з заданим значениям (на-приклад, ф=15°). При цьому треба забезпечити умову г|->1, котра реал1зуеться шляхом компенсацп частини сумарноУ ере, пов'язаноУ з магштним потоком у

Рис. 4 Схема установки з ТЕМП для одночасного контроля магштних и електричних па-раметр!в труб з компенеащею ефекта пов1т-ряного зазору

повпряному зазор1. Знайшовши в cxeMi рис. 4 ере £23. Еа при ф1ксова1Йм часто-tí, яка вщповщае 9=const, на ochobí (18) знаходять Фт а потш за допомогога графжа рис. 5 при заданому водношент día визначають ц,. Другий граф i к зале-жност1 х вод Ф„ (див. рис. 6) дае можливють знайти для того ж día величину л. Останнш параметр, та вщомий рад1ус труби а, а також знайдеш значения ц, i / дозволяють визначити о з сшввщношення (15).

Mr.

4 '7 1 /

/ / /

\ i / /

I / /

V' /

V

12

10

о

1

3

4

Фи

V

г \ _.

I {

Рис. 5 Залежшсть [Аг вш величини Ф„ в Tpy6i при фисованш

Рис.6 Залежшсть узагальненого параметра х в|д нормова-ного магштного потока Фп в rpy6i при ф|ксовашй фаз1

фаз|ф=15° 1 значениях Ша (крива 1-0,5; крива 2-0,2; крива 3- <р=15° и значениях <Иа (крива 1-0,5; крива 2-0,2; крива 30,1; крива 4-0,05) 0,1; крива 4-0,05)

Був проведений експеримент на зразках труб, виконаних ¡з р1зних матерь ал1в. Наприклад, зразок: сталь 3; На-0,2; о=1,5-10'3 м, довжина зразка 0,5 м; перетворювач: ТЕМП, <3/7=25-10"3 м, напружешеть магштного поля Я0=60 А/м; 11=1. Вимфювалыи значения величин: /=2348,2 Гц, (р=15°, £2з=0,203 В, £2о=5,82-10"3 В (де£2о - ере ТЕМП при наявност1 компенсаци ефекпв зазору у вщсутност! зразка всередиш ТЕМП)

Е20 = Е0г]. (19)

Розрахунков1 значения цг=99,9; х0=4,69968; о=0,529Т07 См/м.

У цьому ж роздЫ було розроблено метод безконтактного визначення зо-вшшнього д1аметра 1 питомсн електрично'1 провщност1 немагштних труб. Був введений комплексний параметр ТУ, формули визначення модуля 1 його фази фв„ якого мають вигляд при цг=1

к = iе- = v(1 ■- н, rе^)2 + (и, imk)2.

Е0Ч

\ir Im^

(20)

(21)

l-HrRe/i:

де Евн - внесена виробом у ТЕМП ере, ReÁT i ImA' — реальна та уявна час-

тини параметра К\ фвя - фазовий кут внесено!' ере Евн.

На ochobí формул (1)-(10) i (20) отримаш залежносп N i фвя вщ параметра х при p¡3HHX ф!ксованих d/a (див. рис. 7 i 8). Значения ЯеЛГ i ImK можна знайти, як

Re/С^ЛГ-созф, ImÁT = К • БШф,

(22) (23)

У

о,i

0,6

0,4

0,2

Á h -- *

L— — г

_____

1

10

15

20

25

30

л r\

—i

.— 3

—-á

__í

\

■ i

1

. , т о s ю 15 го ¿s ¡о х

Рис. 7 Залежшсть модуля параметра N Рис_ 8 3алежШсть параметра (р„„ для

для трубчастого виробу в!д величини л хрубчасхого виробу в{л величини х

для р1знихd/a приязниxd/a

l-d/a = \;2- 0,2; 3 - 0,1; 4 - 0,05 \-dla = \\2- 0,2; 3 - 0,1; 4 - 0,05

3 графшв рис. 7 i 8 видно, що при х>35 функцп N=f{x) та ф„н=У(х) практично не залежать в1д вщношення día. Це дае можливють встановити алгоритм вим1рювальних i розрахункових процедур для визначення д1аметру D i питомо'1 електричноТ провщносп цилшдричних немагштних труб. При цьому змшюючи частоту /доки фазовий кут ф„„ зр!вняеться ¡з значениям 2,33°, яке вщповщае х=35. Можна використовувати випадок фвя<2,33°. Дат визначений кут фвя до-зволяе на ochobí залежносп ф„„ вщ х (див. рис. 8) знайти х, а по ньому - параметр N, застосувавши функщю N=J{x) (рис. 7). Для вим1ряних значень ере Ет i Eq, виходячи з формули (20), визначають зовшшнш ддаметр D труби з виразу

D = Dr

EaN

де Dfj - д!аметр вим^рювальноГ обмотки ТЕМП. Значения о знаходять Í3 стввщношення 4х2

а = -

(24)

(25)

2тг ц0£2/"

Для BHMipy малих фазових куп в ф„„ в робот! використовуеться схема установки на ochobí двох ере, що вир1внюються, i BiiMÍpy íx векторно'! piannin.

Отримано результати ви.чпрювань D i а немагштних труб р1зного асорти-менту. Ц1 результати добре вщповщають даним контрольних bhmípíb цих же труб.

Анал1з поведшки кривих залежносп ф в!д х для немагштних труб пока-зуе, що фазовий кут ф параметра К (або £2з) при 3MÍhí х досягае максимальних значень сртах при р!зних фжсованих отношениях día. Звщси можна побудувати залежност1 ц>тах в1д día. На рис. 9 i 10 показаш залежносй ц>тах i х В1Д día. Це дае можливють визначати параметри día, d i о. Тобто треба змшювати частоту/поля доки кут ф досягне фтах, при цьому ви\прюють частоту / iiotím на ochobí графка рис. 9 знаходять día, а використовуючи криву рис. 10 визначають параметр х. При вщомих значениях a i знайдено'1 в сксперименп частот! /знаходять

пш

80 70 60 50 40

о 0,05 ftl 0,15 día

Рис. 9 Залежшсть фтал в!д d/a

о 0,05 0,1 0,15 d/a Рис. 10 Залежшсть х в1д d/a

товщину d стшки труби i величину а (з виразу (15)).

Слщ вщзначити, що графики рис. 2-10 дають яюсну картину поведшки ушверсальних функцш перетворення. При розрахунках в робот! використову-вались масиви точок цих функцш, яы дозволяли провести t04hí розрахунки па-раметрш труб.

У четвертому роздЫ розглянуто методику розрахунюв очжуваних значень компонент1в сигнал1в ТЕМП, яка полягае у тому, що при заданих параметрах зразка труби, тобто a, día, довжини ТЕМП /0, о i параметр1в ТЕМП: чисел biitkíb WH i Wu намагшчувально'Г, та вим1рювально1 обмоток, ап, Н0 i х знаходять частоту/(на ochobí (11)), пот1м визначають ере скомпенсованого ТЕМП без виробу, а дал! знаходять за допомогою функцп K=J[x) i ф=Дх) ере £2з i визначають фазу ф. I HapeuiTÍ визначають намагшчувальний струм перетворюва-ча. Ця методика мае важливе значения при проекту вант установок для багато-параметрового контролю трубчастих Biipo6ie.

Особлива увага в po6oT¡ придшяеться анал!зу похибок вим1рювання елек-тромагштних i геометричних параметр!в труб, а також взаемозв'язкам цих по-

хибок I чутливосп ТЕМП з параметрами виробу. На основ! використання методики розрахунюв посередшх вим1рювань були одержат вирази вщносних по-хибок Уц 1 уа вим1рювання параметр!в рг 1 а труби.

Так! вирази при дов^рчш ймов1рност! 0,95 мають вигляд

УII = (23)

У, = +(2у,)2 + 12Еш (24)

Де Уеп, У £20, уф, Уа У а, У/ - вщносш похибки, яю в!дм1чеш шдексами при них; \ Са - коефвденти впливу, як! визначаються в основному похщними функц!й перетворення, тобто сК/ду ! дх/сщ уЕ»! уФ„ - похибки, як1 зв'язан! з не-достатньою точн!стю компенсаци ефекпв пов!тряного зазору.

На основ! формул (23) ! (24) були побудоваш залежност! уц ! уа вщ х для р!зних в!дношень Ша при характерних числових в!дносних значениях похибок У£23Я!У£20~0,5 %; уа«у^0,1 %; у/«0,1 %; у£„иуф„«1 %. Анал!з повед!нки уй ! у0 для р!зних й/а ! х показуе, що при с1/а=1 (суд!льний пруток) уи<1 % у д!апазош 1,5<х<3, у цьому д!апазош уг<2 %; для с//а=0,2 уи< 1,7 % ! у0<1,8 % при 2<хг<8; для ^<3=0,1 уц<1,7 % ! ус<1,8 % в даапазош 2<х<15; для й/а=0,05 уц<1,7 % ! уа<1,8 % при 5<х<30.

Все це вказуе на те, що границ! малих числових значень похибок уц ! уа розширюються у б1К великих значень х при зменшеш товщин стшок труб. Ана-лопчно ведуть себе максимальш значения ампл!тудно1 ! фазово!' чутливост! ТЕМП до параметр!в виробу. Ампл!тудна 5А-! фазова чутливост! описуються похщними дК/дх! 5ф/дх, вщповщно.

У цьому ж роздш наведен! приклади використання розроблених елект-ромагштних пристроТв для неруйн!вного контролю трубчастих вироб!в. А саме, на основ! експериментальних результат визначен! функц!ональн! зв'язки значень рг! ст з межами мщност! а в ! текучост! от матер1алу бурильних ! обсадних труб, як! використовуються в нафтогазодобувн!й промисловост!. Показано, що магштний параметр б!льш чутливий до зм!ни ав! ат У феромагн!тних трубах, н!ж електрична величина ст. А для немагштних труб (наприклад дурал!евих, ма-тер!ал Д16Т) параметр ст дуже чутливий до меж мщност! та текучост!.

висновки

Таким чином, в робот! виршеш важлив! задач! створення безконтактних електромагн!тних метод1в ! реал!зуючих 1х пристроТв для сум!сного контролю магштних, електричних та геометричних параметр!в трубчастих цилшдричних вироб!в у повздовжн!х зондуючих полях. Коротко зупинимося на результатах робота.

1. На основ! одержаних в робот! точних ! наближених сшввщношень, яга

зв'язують параметри трубчастих вироб1в з електричними сигналами перетво-рювача були введен! спещальш комплексш параметри 1 встановлеш ушверса-льн! функцн перетворення.

2. Шляхом використання ушверсальних функцш перетворення \ розроб-лених алгоритм!в створен! електромагн!тн! методи сум!сного контролю маппт-ноУ проникност!! питомо! електрично! пров!дност! феромагн1тних, слабомагш-тних ! немагштних труб на основ! забезпечення постшних ф!ксованих значень частота.

3. Розроблена модифкашя електромагн!тного метода для визначення \\.г! а на основ! пщтримання пост!йного значения фазового кута ере трансформаторного перетворювача.

4. Створена модифжащя електромагштного метода сум!сного безконтак-тного контролю зовшшнього д!аметра та електропров1дност! немагштних труб на основ! отриманих функцш перетворення.

5. Розроблено електромагштний метод одночасного контролю! реашзую-чий його пристрш для безконтактного визначення товщини стшки ! середньо!' питомо! електрично! провщност! немагн!тного трубчастого виробу.

6. Описан! схеми установок для двухпараметрового неруйшвного контролю параметр ¡в труб на основ! застосування трансформаторного! параметрично-го перетворювач!в. На цих установках одержан! результата експериментально-го визначення параметр!в вироб!в. Результата контролю розробленими методами добре погоджуються з даними контрольних метод!в.

7. Запропонована методика розрахунк1в оч!куваних значень компонент!в сигнал!в трансформаторного електромагштного перетворювача, визначеш границ! змши електричних величин, як! в!дпов!дають д!апазонам зм1ни параметр!в труб. Створена методика дозволяе якюно проектувати установки для багатопа-раметрового контролю суц!льних! трубчастих цил!ндричних вироб!в.

8. На основ! одержаних с:пвв!дношень для визначення похибок вим!рю-вання магн1тних ! електричних параметр!в труб проведено анатпз повед!нки цих похибок при р!зних значениях узагальненого параметра х трубчастого виробу. Показано, що з! зменшенням товщини стшки феромапптних труб рашональш з точки зору досягнення малих похибок ! високих значень чутливостей д!апазон змони узагальненого параметру розширюеться у бп< його б1льших значень, при-чому вщносн! похибки визначення магштного ! електричного параметр1в не пе-ревищують 2 %.

9. Наведен! приклади практичного застосування метод!в ! засоб!в для контролю параметр1в бурильних ! обсадних труб у нафтогазодобувной промисло-вост!, а також для визначення параметр!в труб на атомних станщях та ¡нших п!дприемствах.

Список опублжованих праць за темою дисертацн:

1. Себко В.П., Хоменко В.Г. Электромагнитный многопараметровый метод контроля трубчатых изделий // Техшчна електродинамжа, Тематичний ви-пуск, ч. 2, 1999, с. 39-42.

Автором отримаш ушверсальш функщ1 перетворення для амплт'ди i фа-зи нормованого потоку в Tpy6i з р!зними сшвввдношеннями м!ж товщиною cri-нки труби i п д1аметром. Приведено схеми включения перетворювача та алгоритм контролю параметр1в трубчастих Bupooin.

2. Себко В.П., Хоменко В.Г. Бесконтактный контроль физико-механических параметров материала цилиндрических проводящих изделий // Вестник ХГПУ, вып. 64, 1999, с. 111-113.

Автором отримаш експериментальш залежност1 електромапптних пара-MerpiB трубчастих BupooiB вщ мехашчноТ напруги, що виникае в стшках труб.

3. Себко В.П., Хоменко В.Г. К расчёту компонентов сигналов электромагнитного преобразователя с трубчатым изделием. // Вестник ХГПУ, вып. 92, 2000, с. 76-80.

Автором приведена методика розрахунку значень сигнал1в трансформаторного перетворювача з трубчастим виробом.

4. Себко В.П., Хоменко В.Г. Электромагнитный контроль параметров проводящих трубчатых изделий // Вестник ХГПУ, вып. 61, 1999, с. 337-338.

Автором отримаш експериментальш даш для випадку двохпараметрового контролю параметр1в труби з оцшкою похибок контролю.

5. Себко В.П., Хоменко В.Г. Погрешности одновременного измерения магнитных и электрических параметров проводящих труб // Труды II научно-технической конференции "Метрология и измерительная техника", т. 1, Харьков, 1999, с. 213-216.

Автором отримаш залежносп похибок контролю i чутливостей перетворювача при двохпараметровом контрол1 в широкому д1апазош змши узагалыге-ного параметра х.

6. Себко В.П., Горкунов Б.М., Хоменко В.Г. Метод и устройство для определения физических параметров труб, используемых в строительстве // Доклады международной практический конференции "Сооружения, конструкции, технологии и строительные материалы XXI века", Ч. 1., Белгород, 1999, с. 96101.

Автором проведен! експериментальш Д0СЛ1Дження безконтактного сильного контролю магштноТ проникност! i питомо! електрично!" провщност! трубчастих B!ipo6iB р!зного сортаменту.

7. Себко В.П., Горкунов Б.М., Хоменко В.Г., Сиренко H.H. Определение параметров цилиндрических трубчатых изделий II Информационно-

управляющие системы на железнодорожном транспорте, № 4, 1999, с. 44-47.

Запропоновано схему включения трансформаторного перетворювача для безконтактного контролю питомоТ електричноТ пров1дносп 1 д1аметра иемагшт-них труб.

АНОТАЦИ

Хоменко В.Г. Багатопараметровий вихорострумовий перетворювач для безконтактного контролю провщних трубчастих вироб1в. - Рукопис

Дисертащя на здобуття наукового ступеня кандидата тсхшчних наук за спещальшстю 05.11.13 - прилади \ методи контролю та визначення складу ре-човин. Харювський державний пол!техшчний ушверситет, Харк!в, 2000.

Дисертащя присвячена питаниям розробки 1 дослщження багатопарамет-рових електромагштних метод1в 1 реатзуючих Тх пристрош для безконтактного одночасного контролю магштних, електричних 1 геометричних параметр!в ме-талевих трубчастих вироб1в у подовжшх однорщних магштних полях. Розроб-лено алгоритм 1 модифжащю вихорострумового методу одночасного контролю електромагштних параметр1в феромагштних 1 слабо феромагштних труб на основ! шдтримування сталост! фазового кута нормованого магн!тного потоку в труб!, а також сшльного безконтактного контролю товщини ст!нки й середньо!' електропров!дност! немагн!тних трубчастих вироб!в на основ! введених ушвер-сальних функц!й перетворення. Одержан! сшввщношення для розрахунку по-хибок сп!льних вим!р!в в!дносно1 магштноУ проникност!! питомо! електропро-в!дност! трубчастих вироб!в.

Ключов! слова: вихорострумовий перетворювач, багатопараметровий контроль, магн!тне поле, магн!тна проникн!сть, електропров!дшсть.

Хоменко В.Г. Многопараметровый вихретоковый преобразователь для бесконтактного контроля проводящих трубчатых изделий. - Рукопись.

Диссертация посвящена вопросам разработки и исследования многопара-метровых электромагнитных методов и реализующих устройств для бесконтактного одновременного контроля магнитных, электрических и геометрических параметров металлических трубчатых изделий в продольных однородных магнитных полях. Разработан алгоритм и модификация вихретокового метода одновременного контроля электромагнитных параметров ферромагнитных и слабоферромагнитных труб на основе поддержания постоянства фазы нормированного магнитного потока в трубе, а также совместного бесконтактного контроля толщины стенки и средней электропроводности немагнитных трубчатых изделий на основе введения универсальных функций преобразования. Получены соотношения для расчёта погрешностей совместных измерений относи-

тельной магнитной проницаемости и удельной электропроводности трубчатых изделий.

В работе решены важные задачи создания электромагнитных бесконтактных методов и реализующих их устройств для совместного неразрушающего контроля магнитных, электрических и геометрических параметров трубчатых цилиндрических изделий в продольных зондирующих магнитных полях.

На основе полученных в работе точных и приближённых соотношений, связывающих параметры изделия с электрическими сигналами преобразователя введены специальные комплексные параметры и установлены универсальные функции преобразования.

Разработан ряд алгоритмов, позволяющих совместно определять магнитную проницаемость цг и удельную электрическую проводимость <т трубчатых изделий.

Путём использования универсальных функций преобразования и разработанных алгоритмов созданы вихретоковые методы совместного контроля цг и ст ферромагнитных труб на основе поддержания постоянного значения частоты изменения магнитного поля. Разработаны алгоритмы измерительных и расчётных процедур, а также на его основе модификация вихретокового метода одновременного контроля значений цг и ст ферромагнитных и слабоферромагнитных труб, состоящая в поддержании постоянства значения фазового угла нормированного магнитного потока в трубе.

Определены универсальные функции преобразования, связывающие удельную нормированную вносимую эдс и её фазу трансформаторного вихретокового преобразователя для различных относительных толщин стенок труб с обобщённым параметром трубчатого изделия.

Создана модификация электромагнитного метода совместного бесконтактного контроля внешнего диаметра и электропроводности немагнитных труб на основе полученных универсальных функций преобразования.

Разработан вихретоковый метод совместного бесконтактного определения толщины стенки и средней по этой толщине электропроводности немагнитного трубчатого изделия.

Описаны электрические схемы установок для двухпараметрового контроля труб, основанные на использовании трансформаторного и параметрического вихретоковых преобразователей; на таких установках получены результаты измерений магнитных, электрических и геометрических параметров ферро-, слабоферромагнитных и немагнитных трубчатых изделий. Результаты измерений разработанными и контрольными методами хорошо согласуются между собой.

Предложена методика расчётов ожидаемых значений компонентов сигналов трансформаторного вихретокового преобразователя, определены пределы изменения электрических величин, соответствующих диапазонам изменения

параметров трубчатых изделий.

Получены соотношения для определения чувствительностей и погрешностей совместного контроля цг и а трубчатого изделия.

На основе этих соотношений проведен анализ поведения погрешностей одновременного измерения цг и а при различных значениях обобщённого параметра трубчатых изделий. Показано, что с уменьшением толщины стенки ферромагнитной трубы рациональные с точки зрения достижения малых погрешностей и высоких значений чувствительности диапазоны изменения обобщённого параметра расширяются в сторону его больших значений. При этом численные значения относительных погрешностей измерения цг и а труб не превышают 2 % для рационального диапазона изменения обобщённого параметра соответствующего каждому значению относительной толщины стенки ферромагнитной трубы.

Даны примеры практического использования разработанных методов и средств для контроля параметров бурильных и обсадных труб в нефтегазодобывающей промышленности, а также для определения параметров труб на атомных станциях и других предприятиях, где были внедрены результаты данной работы (см. документы в приложении, подтверждающие внедрение).

Ключевые слова: вихретоковый преобразователь, многопараметровый контроль, магнитное поле, магнитная проницаемость, электропроводность.

Homenko V.G. Multiparameter vortex-current the transformer for noncontact monitoring of conductive tubular articles. - Manuscript.

The thesis is devoted to problems of development and research of multiparameter electromagnctic methods and implementing devices for noncontact simultaneous monitoring of magnetic, electrical and geometrical parameters of metal tubular articles in longitudinal homogeneous magnetic fields. The algorithm and modification of vortex-current method of simultaneous monitoring of electromagnetic parameters ferromagnetic and weakly ferromagnetic of funnels designed on the basis of maintaining persistence of a phase of a normalized magnetic flux in a funnel, and also share non-contact monitoring of wall thickness and medial electrical conductivity of nonmagnetic tubular articles on the basis of introduction of universal functions of transformation. The relations for calculation of errors of share measuring of a relative magnetic permeability and direct-current conductivity of tubular articles are obtained.

Keywords: the vortex-current transformer, multiparameter monitoring, magnetic field, magnetic permeability, electrical conductivity.