автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.15, диссертация на тему:Вихретоковые методы и устройства для бесконтактного измерения температуры изделий и сред.

ХАРКІВСЬКЕ ДЕРЖАВНЕ НАУКОВО-ВИРОБНИЧЕ ОБ’ЄДНАННЯ “МЕТРОЛОГІЯ”

СП

т Ч

' ’ Г Г~ л

і-.',..'

Себко Вадим Вадимович

Індекс УДК 620.179.14

ВИХОРОСТРУМОВІ МЕТОДИ ТА ПРИСТРОЇ ДЛЯ БЕЗКОНТАКТНОГО ВИМІРЮВАННЯ ТЕМПЕРАТУРИ ВИРОБІВ ТА СЕРЕДОВИЩ

05,11.15 - Метрологія та метрологічне забезпечення

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Харків - 1998

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Державному науково-виробничому об'єднанні "Метрологія" Державного комітету України по стандартизації, метрології та сертифікації

Науковий керівник доктор технічних наук, старший науковий співробітник Большаков Володимир Борисович,

Державне науково-виробниче об'єднання "Метрологія", керівник науково-дослідного відділу

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор

Клейман Олександр Самуілович,

Державне науково-виробниче об'єднання "Метрологія", керівник науково-дослідної лабораторії;

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Гунбін Михайло Володимирович,

Харківський державний політехнічний університет,

завідувач сектору кафедри "Автоматика та керування в технічних системах".

Провідна установа

Українська Інженерно-педагогічна Академія, Міністерство освіти України (м. Харків), кафедра "Системи управління і автоматизації промислових установок".

Захист відбудеться ьпраіня 1998 р. о І4год. на засіданні спеціалізованої вченої ради К 64.827.01 у Державному науково-виробничому об'єднанні "Метрологія" за адресою: 310002, Харків, вул. Мироносицька, 42, ДНВО "Метрологія", кімната 502 В.

З дисертацією можна ознайомитися у науковій бібліотеці ДНВО "Метрологія".

Автореферат розісланий КІіьпН$> \ 998 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ.

Актуальність теми. На сучасному етапі розвитку підвищений науковий та практичний інтерес має розробка та удосконалення методів та приладів для вимірювання температури виробів та середовищ (рідинних та газоподібних).

Особлива увага у термометрії приділяється тим методам, перетворювачам та пристроям, які дозволяють отримати вихідні сигнали у вигляді електричного (або магнітного) параметру, так як їх є можливість вимірювати з високою точністю, передавати на відстань, перетворювати в інші параметри, які легко вимірювати та надсилати у комп’ютер для подальшої обробки результатів вимірювання і використання їх в автоматизованих системах управління та контролю.

Серед цих методів та приладів найбільш детально вивчені контактні та безконтактні термометричні методи і пристрої.

До перших можна віднести терморезистивні (напівпровідникові та металеві), термоелектричні (термопари), термочастотні, термомагнітні, термошу-мові методи та претворювачі температури; до других - оптичні пірометри (повного та часткового випромінювання, кольорові, прилади термографії та тешювізори).

Достоїнством контактних методів і приладів є наявність широкого температурного діапазону вимірювання, простота функції перетворення та конструктивних рішеннь, надійність, низька вартість, здатність працювати в агресивних середовищах, малі похибки вимірювання температури та інші.

Безконтактні методи та термоперетворювачі мають поряд з вказаними достоїнствами контактних методів і приладів головну перевагу, яка полягає в тому, що вимірювання температури можна проводити вдалині від нагрі-ваємого об'єкту.

Недоліком контактних методів і приладів є те, що вони дозволяють вимірювати тільки температуру чутливого елементу, а не об'єкта дослідження, так як завжди між чутливим елементом і виробом є простір, заповнений повітрям, діелектриком чи окисною плівкою.

Недоліками безконтактних, оптичних приладів є складність конструкції, залежність виміру від відстані до об'єкту, від забрудненості навколишнього простору, від стану поверхні контролюючого виробу.

Основним недоліком контактних і безконтактних методів і пристроїв є те, що вони дозволяють вимірювати температуру на поверхні виробу і не мають можливості знаходження середньої по перерізу температури об'єкта, а також в окремих його шарах. .

В цьому плані є відповідний сенс розгляду можливостей вимірювання температури виробів і середовищ вихорострумовим методом та перетворювачем. До цього часу такі прилади, як правило, використовувались для визначення розмірів виробів та покриття (товхцинометрія), дефектів: раковин, тріщин, розшарування (дефектоскопія); фізикомеханічних параметрів (міцність, твердість та інші) (структуроскопія).

Але вимірювання температури виробів і середовищ вихорострумовими методами і приладами на сьогоднішній день недостатньо вивчені і висвітлені в сучасній літературі. Тим більше, що основні достоїнства таких методів і приладів контролю, а це лерш за все безконтактність, простота функцій перетворення та схемної реалізації, високі чуйність та надійність, можливість автоматизації та інші, неодмінно потребують подальшого розвитку вихорострумових методів і приладів у напрямку вимірювання температури широкого асортименту виробів та середовищ.

Таким чином, розробка методів безконтактного визначення температури виробів і середовищ на основі використання вихорострумових перетворювачів є актуальна задача як в теоретичному, так і в практичному плані. Вона має важливий напрямок розвитку в дослідженні можливостей оцінки розподілу температури по перерву вироба, що важливо, зокрема при відпалюванні матеріалів і, як наслідок, економія енергоресурсів, а це дуже актуально для України.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась згідно з Проектами, які пройшли конкурси Державного комітету науки та технологій (ДКНТ): тема КН6105 (постанова ДКНТ № 12 від

04.05.1992 р., напрямок 6.7.1), тема КН6108 згідно Наказу ДКНТ № 15 від

01.03.1993 р., напрямок 5.1.6 та темами, які перемогли у конкурсі Міністерства освіти України: М6102, Наказ № 78 від 21.03.1991 р., № М5201 та М6109, Наказ Харківського державного політехнічного університету (ХДПУ) №360-111 від 03.03.1994 р.; у забезпечення: Постанови Кабінету Міністрів України № 421 від 17.06.1994 р. "Програма виробництва засобів обліку витрачання паливно-енергетичних ресурсів і приладів регулювання систем електро-, водо-, тепло- та газопостачання на промислових підприємствах і побуту"; Доручення Президії Кабінету Міністрів України (протокол № 7 від

19.02.1996 р.) Держстандарту з розробки "Концепції метрологічного забезпе-

чення пристроїв обліку та регулювання споживання води та топливно-енергетичних ресурсів". ‘

В цей час робота проводиться згідно з держбюджетними темами Міністерства освіти України М5202, М5203, Наказ ХДПУ № 377-ІІ від

17.04.1997 р.

з

Мета і задачі дослідження - це розробка та створення вихоростру-мових методів і реалізуючих пристроїв на базі використання трансформаторного електромагнітного перетворювача (ТЕМП) для безконтактного вимірювання температури та її розподілу в перерізі циліндричних металевих виробів, а також для контролю температури різноманітних середовищ (рідинних та газоподібних).

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні задачі:

- дати теоретичне обгрунтування вихорострумових методів і пристроїв для знаходження фізичних параметрів виробів;

- отримати співвідношення (точні та наближені), які описують амплітудний, фазовий та змінно-частотний методи вимірювання температури;

- розробити методику розрахунку очікуваних параметрів сигналу перетворювача в залежності від температури виробу для амплітудного, фазового та змінно-частотного методів;

- провести оцінку похибок вимірювання температури вихоростру-мовим методом;

- розробити способи, заходи та пристрої для покращення якості роботи вихорострумового перетворювача температури;

- роглянути вихорострумовий метод вимірювання температури у диференціальному варіанті;

- експериментально підтвердити результати теоретичних досліджень, пов'язаних з визначенням температури виробів і середовищ;

- розробити установки, які реалізують абсолютні та диференціальні вихорострумові методи вимірюваній температури;

- розробити малогабаритний вихорострумовий перетворювач для вимірювання температури невеликих виробів та різних середовищ;

- створити методику оцінки розподілу температури в середині металевого циліндричного виробу;

- визначити області використання розроблених методів і пристроїв для вимірювання температури виробів та середовищ.

Методи дослідження базуються на використанні теорій електромагнітного поля, електродинаміки суцільних середовищ, магнетизму, рядів, інтегрального та диференціального обчислення, функцій комплексного аргументу, апарату спеціальних функцій, термометрії, методів розрахунку електричних кіл, теорії похибок вимірювання.

Наукова новизна одержаних результатів роботи полягає в тому що:

- запропоновані амплітудний і фазовий методи вимірювання температури виробів та середовищ на основі використання ТЕМП та отримані точні і наближені вирази для знаходження температури з допомогою цих методів;

- розроблений змінно-частотний вихоросрумовий метод для вимірювання температури виробів і середовищ та знайдені вирази, які описують цей метод;

- створена методика розрахунку очікуваних параметрів сигналу перетворювача в разі використання амплітудного, фазового та змінно-частотного методів;

- зроблений аналіз похибок вимірювання температури створеними методами;

- запропоновані способи, заходи та пристрої для розширення технічних і функціональних можливостей вихорострумового перетворювача температури;

- отримані в лінійному наближенні основні співвідношення, які описують роботу диференціального вихорострумового перетворювача температури, запропоновано спосіб розширення температурного діапазону та підвищення точності диференціальних вимірювань температури шляхом урахування величини та знаку методичної похибки, яка пов'язана з лінійним наближенням універсальних функцій перетворення поблизу робочої точки;

- розроблені установки, які реалізують абсолютні і диференціальні вихорострумові методи вимірювання температури;

- створена методика оцінки розподілу температури в середині металевого циліндричного виробу;

- отримані конкретні результати експериментів вимірювання температури абсолютними та диференціальними вихорострумовими методами, які підтверджують теоретичні положення роботи.

Практичне значення одержаних результатів роботи полягає в тому, що отримані співвідношення для знаходження температури і розрахунку очікуваних параметрів сигналів ТЕМП, які дозволяють проектувати установки на основі використання вихорострумового перетворювача та оцінити метрологічні характеристики (температурний діапазон, похибки вимірювання температури, чутливість ТЕМП до температури та інші); підібрати вимірювальні прилади; провести порівняння характеристик установок, які реалізують амплітудний, фазовий та змінно-частотний методи; вибрати оптимальні по чутливості та похибкам режими роботи ТЕМП.

Результати дисертаційної роботи (методи, алгоритми, співвідношення, електричні схеми установок, методики розрахунків очікуваних параметрів сигналів і характеристик вихорострумових пристроїв та перетворювачів) були впроваджені у Харківському державному підприємстві вакуумної металургії

конструкційних матеріалів "Рубін" корпорації промисловості будівельних матеріалів "Укрбудматеріали", м.Харків, на заводі "Будгідропривід", м.Хар-ків, на заводі "Електродвигун", м.Харків.

Особистий внесок здобувана. Основні результати дисертації були одержані особисто автором. В публікаціях із співавторами [1] автору належить одержання основних формул, які описують роботу вихорострумового перетворювача, реалізуючого амплітудний і фазовий диференціальні методи, розробка схеми установки, в [2, 3] — створення електричних схем для вимірювання витрат потужності, проведення розрахунків цих витрат в різніх матеріалах, використання цих розрахунків для аналізу температурних похибок електромагнітного перетворювача; в [4] - одержання виразів для розрахунків характеристик вихорострумового перетворювача, реалізуючого амплітудний, фазовий і змінно-частотний методи в широкому температурному діапазоні, проведення розрахунків; в [5, 8] - розробка алгоритмів вимірювальних і розрахункових процедур для визначення температури створен-ними методами; проведення розрахунків; в [6,7] - одерження співвідношень для визначення розподілу питомого електричного опору і температури у виробі; розробка схеми включення перетворювача в автоматизовану систему контроля; в [11] - пропозиція використання вихорострумового перетворювача для комплексного вимірювання магнітних параметрів і температури виробу; розрахунки похибок вимірювання.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідались на:

- Міжнародній науково-технічній конференції "Функціонально-орієн-товані обчислювальні системи (ФООС - 93), Київ - Харків, 1993;

- Українській науково-технічній конференції "Фізичні методи та прилади неруйнуючого контролю для технічної та медичної діагностики", Київ - Севастополь, 1993 (2 доповіді);

- Міжнародній науково-технічній конференції "Комп'ютер: наука, техніка, технологія, освіта, здоров'я", Харків - Мішкольц (Угорщина), 1994 (2 доповіді);

- Українській школі-семінарі "Автоматизація методів неруйнуючого контролю якості", Київ - п.Славське, 1994 (2 доповіді);

- 1ій Українській та 2'ій Міжнародній науково-технічній конференціях "Метрологія в електроніці - 94" та "Метрологія в електроніці - 97", 1994 (З доповіді), 1997 (одна доповідь);

- Українській науково-технічній конфереіщії "Метрологія та вимірювальна техніка", Харків, 1995;

- Міжнародному 6'му симпозіумі "Вимірювання та контроль у робототехніці", Брюсель, Бельгія, 1996;

- науково-технічних конференціях з міжнародною участю "Проблеми автоматизованого електроприводу. Теорія та практика", Алушта, Крим, 1994, 1995 і 1996;

- Міжнародній науково-технічній конференції "Інформаційні технології: наука, техніка, технологія, освіта, здоров'я", Харків - Мішкольц (Угорщина) - Магдебург (Німеччина), 1997.

Публікації: основні результати роботи опубліковані у 11 наукових працях.

Структура дисертації. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів і заключения, викладених на 122 сторінках; літератури з 132 найменувань та додатків на 20 сторінках. Робота проілюстрована 36 рисунками та 35 таблицями.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ.

У вступній частині зазначена актуальність теми дослідження, показана практична направленість роботи у різних галузях промисловості, науки і техніки, дана структура дисертації та сформульовані основні положення, які виносятся на захист.

У першому розділі проаналізовані відомі методи та пристрої (контактні і безконтактні) для вимірювання температури виробів і середовищ. Відмічені переваги та недоліки вказаних методів і пристроїв. Показано, що головним недоліком є неможливість визначення температури в середині виробу та ступінь його прогріву. Зроблений висновок про те, що з цієї точки зору доцільно використання вихорострумового методу контроля. З'ясовані причини, які стримували розвиток і практичне використання даного методу в напрямку вимірювання температури виробів і середовищ, на базі чого сформульована ціль роботи та поставлені основні задачі теоретичного та експериментального дослідження.

У другому розділі дано теоретичне обгрунтування роботи вихорострумового трансформаторного перетворювача на базі використання рівнянь Максвела та закону Ома, які дозволяють отримати рівняння дифузії змінного поздовжнього магнітного поля у циліндричний виріб. Введені спеціальні нормовані параметри та встановлені функціональні зв’язки між електричними та магнітними параметрами виробу і сигналами перетворювача. У числі таких параметрів використовують амплітуду та фазу ф комплексного параметра К, який характеризує собою питому нормовану ерс Ет, яка наводиться у вимірювальній обмотці ТЕМП. Вираз для параметра К має вигляд;

_ 2 AC*^) т (1)

4Pr хЛ I0(xJï)

де ^2Я — Еі/Eq ; Е, - ерс у вимірювальній обмотці ТЕМП, обумовлена магнітним потоком у виробі;

Е0 - ерс ТЕМП без виробу;

и - відносна магнітна проннкність матеріалу виробу;

9 9

Т) - коефіцієнт заповнення; rj = а / ап ;

а и йп -радіуси виробу та вимірювальної обмотки ТЕМП;

х - узагальнений параметр;

х = ap.jcßbiirf І р\ (2)

■і'*' '

¿iQ - магнітна константа;

f - частота зміни зондуючого магнітного поля;

р -питомий електричний опір матеріалу вироба;

І0 та І, - модифіковані функції Беселя першого роду, нульового та першого порядків від уявного аргументу х;

І = л/-Т.

Виділивши дійсну та уявну частину у виразі (1), записавши (х^/г) і через ber-, bei- функції Кельвіна, отримаємо вирази для амплітуди і фази Ç параметра К. На малюнку приведені залежності К (крива 1) і (р (крива 2) від х. Ці залежності наведені в додатку дисертації у вигляді масиву точок.

В роботі також наводяться аналітичні вирази для знаходження К і (р в наближеннях х < 1,5 та х 4. У випадку використання тричленної залежності р від t (наприклад, із платини, нікелю та іншіх матеріалів), маємо

Р = Рі\\ +--------1-----\а{і-їх)+р{їг-їН > (3)

[ 1 + atl+ ßt{ 1 JJ

де - питомий електричний опір виробу при нормальній температурі t, (наприклад, при t,=20°C);

Œ - температурний коефіцієнт опору;

ß - розмірний коефіцієнт нелінійності характеристики (3).

ср, град І к |

40,5 0,9

36 08

31,5 0,7

27 0 6

22,5 0,5

18 0,4

13,5 03

9 0,2

4,5 0,1

0 0

4 5

Мал. 1.

Амплітудний метод знаходження температури циліндричного немагнітного виробу полягає у вимірюванні ерс Е2 ; Е0 і використанні залежності К від х (див. малюнок). У цьому випадку поточну температуру і знаходять із виразу

хіт

х2{К)

-1

(і + са1 + /%%}-(а + — 05

(4)

де X! (К,) і х (К) - узагальнені параметри, які відповідають температурам І, і ї відповідно.

При використанні фазового методу температуру І знаходять, виходячи із рівняння

у® + са

X] (0>і)

Xі (ср)

(5)

де х1 (р1 ) і х((р) значення х, які відповідають температурам ^ і г (див. малюнок).

Вирази (4) і (5) справедливі у широкому інтервалі температур (для платини, наприклад, від 0 до 650 °С).

2

У разі лінійної залежності р від t (о < / < 150 °С> наприклад, мідь, алюміній, нержавіюча сталь та інші) у формулах (3) - (5) потрібно надати /?=0.

Вирази (4) і (5) використовують після вимірювання на фіксованій частоті f ерс Е2 і Е0 ТЕМП (амплітудний метод) і фаз (р\ і ф (фазовий метод) з "холодніш" (при t = t|) і нагрітим до температури t виробом. Потім, враховуючи, що ап і а задані, з виразу (1), при jUr = 1, знаходять К, (при t = t,) і К при температурі t. Потім, використовуючи функцію К = f(x) (див. малюнок), знаходять величини х,(К,) і х(К), які підставляють в (4). Реалізацію фазового методу здійснюють в разі використання залежності = f(x) (див. малюнок), з якої знаходять (фх) і х(<р ) та підставляють їх у (5).

Суть змінно-частотного методу полягає в тому, що при нагріванні виробу весь час підтримують незмінною величину х=х, шляхом компенсації зміни р (див. (2)) із-за варіювання температури зміною частоти f. При цьому ПОСТІЙНІСТЬ X виконують ШЛЯХОМ підтримки незмінною величини (р-фу Значення температури t у разі реалізації змінно-частотного методу знаходять із виразу

jit1 + at -

= 0, (6)

■f

е f J' - • • „ „

де f, і f - частоти зондуючого поля, які відповідають холодному та нагрітому виробу (при х = х, = const).

У цьому ж розділі отримані спрощені вирази для знаходження температури t виробу в наближеннях х<1,5іх>4у випадках використання амплітудного, фазового та змінно-частотного методів.

Розроблена методика розрахунку очікуваних, параметрів сигналу перетворювача при вимірюванні температури виробу у разі реалізації амплітудного, фазового та змінно-частотного методів. Суть цієї методики полягає в тому, що по заданим дискретним значенням темеператури виробу і вибраному початковому режимі роботи ТЕМП (t = tt) спочатку знаходять значення питомого електричного опору (р, і р), а потім величини узагальненого параметру (х і х,), по яким, користуючись функціями K=f(x) і ф=Г(х), знаходять значення ерс і фазу перетворювача (амплітудний і фазовий методи), а у разі реалізації змінно-частотного методу при утриманні постійної величини х=х, знаходять значення частот ерс, які відповідають різним температурам виробу. За допомогою цієї методики були отримані градуювальні криві перетворювача, а по ним знайдені основні параметри схеми включення ТЕМП, підібрана вимірювальна апаратура установки і дана оцінка похибок вимірювання температури. Показано, що амплітудний і фазовий методи доцільно використовувати при вимірюванні порівняно великих температур (t > 60 °С),

так як ці методи не дозволяють отримати достатньо високу розпізнавальну здібність перетворювача до температури. У цьому плані змінно-частотний метод додільно використовувати у широкому температурному діапазоні, так як чутливість ТЕМП до температури в цьому випадку висока і складає 0,31 Гц/°С(20<1<180 °С).

Третій розділ присвячений розробці та дослідженню характеристик вихорострумової установки для виміру температури виробів при використанні ТЕМП із стандартною вимірювальною апаратурою, яка працює у температурному діапазоні 20 < t <180 °С. Схема передбачає компенсацію частини сумарної ерс ТЕМП, яка обумовлена шкідливим магнітним потоком поміж виробом та вимірювальною обмоткою. Така компенсація дозволяє в значній мірі підвищити точність вимірювань та чутливість установки до температури.

Дано теоретичне обгрунтування диференціального вихорострумо вого перетворювача, який дозволяє підвищення розпізнавальної можли вості термометричної установки, яка реалізує амплітудний і фазовий методи (0 < t <150°С). Одержані основні співвідношення, які описують у лінійному наближенні роботу цієї установки. При цьому значення приросту At температури знаходять для амплітудного і фазового методів із виразів

¿¿= 2(dx/ c¡K)(\ + at^) к Е2и - Е2Хі сесі Егх!

, л (dx / d<p)( 1 + at і), ч /оч

Л/ = -2---------^--------- (фи ~Фх\)’ (8)

ахх

де At = t-t,;

dx / dK і dx / d(p - похідні відповідних функцій у точці х = х,;

Е2и і Е2Хі - ерс, обумовлені магнітними потоками у дослідному (який нагрівають) та зразковому ("холодному" при t = t,) виробах; дослідний та зразковий вироби ідентичні за геометричними та електричними параметрами;

(ри - кут зсуву поміж Е2н і Е0;

<РХ\ ' такий же кут поміж Е2Х1 и Е0.

Формули (7) і (8) дозволяють значно спростити процес знаходження At i t виробу.

Запропоновано спосіб розширення температурного діапазону та значного підвищення точності диференціальних вимірювань температури шляхом урахування методичної похибки, яка обумовлена лінійним наближенням функції перетворення поблизу робочої точки X.

Розроблена установка, яка реалізує диференціальні методи вимірювання температури виробів.

Наведені результати диференціальних і абсолютних вимірювань величин І у діапазоні температур 20 < І <180 °С. Експериментальні дані, які отримані за допомогою розглянутих та контрольних (відомих) методів, добре погоджуються між собою. Особливий інтерес має реалізація змінно-частотного методу у мініатюрному виконанні ТЕМП з мідним сердечником (а = 1 мм; довжина 10 мм). Показано, що у цьому випадку можливо отримати ТЕМП з чуйністю 34 Гц на 1°С у діапазоні 20 < І <100 °С.

Розроблена методика та отримані формули для оцінки відносних похибок вимірювання температури циліндричних виробів. При реалізації амплітудного, фазового та змінно-частотного методів ці фрмули мають вигляд

її ~—уі&а)2 + У/\ + ^Е(7Е2 ^

С1

Г( = —^(2Га)2 +Г/1 +(^Г,)2 > (10)

С1

у, =т^{Аїг^Г+(ВАгА)г +(Л^)2 , (11)

да У і\У а І У Г’Г Е2’У Е0>У ср \ Г /1 - відносні похибки

величин, які позначені ііщексами;

гп - коефіцієнт, який залежить від довірчої імовірності СС(у при С^ = 0,95;т= 1,1;

Сх; М Е ; N /р; А у ; і В ф ~ коефіцієнти впливу, які знаходять як похідні відповідних функцій з аргументом, який указано індексом при цих коефіцієнтах.

Проведені розрахунки за формулами (9)-(11) показують, що наведені похибки вимірювання температури виробу амплітудним, фазовим та змінно-частотним методами складають 2,2%; 1,7% і 0,3%, відповідно (діапазон 20 < І <180 °С).

У четвертому розділі за допомогою отриманої в роботі залежності р від І у вигляді поліному шостого ступеня знайдено характеристики ТЕМП з нагріваємим масивним немагнітним виробом та мініатюрним ТЕМП з мініатюрним сердечником. Показано, що при нагріванні масивних виробів у діапазоні 20 < і <1000°С зміна амплітуди ерс Е2 складає 12,05 мВ (мідний вироб); 227 мВ (стальний вироб - ст. 12Х18Н10Т) і 18,9 мВ (алюмінієвий

вироб; 20 < г <500°С); фази (р - 24,75 град (мідь); 6,52 град (сталь) і 23,51 град (алюміній); частоти - 238,2 Гц (мідь); 1457 Гд (сталь) і 303,4 Гц (алюміній).

Розпізнавальна здатність мініатюрного ТЕМП складає при використанні змінно-частотного методу 88 Гц/°С (у діапазоні 20 < І <1000°С, мідний сердечник) і 228,9 Гц/°С (алюмінієвий сердечник, 20 < 1 <500°С).

При використанні розробленої в дисертації методики були одержані характеристики ТЕМП з феромагнітним виробом. Показано, що такі вироби дають можливість підвищити розпізнавальну здатність ТЕМП при реалізації амплітудного методу (за рахунок ]И,» 1).

У цьому ж розділі одержані вирази для оцінки розподілу магнітної проникності, питомої електричної провідності та температури у перерізі наїрі-ваємого виробу. Наприклад, для знаходження середнього значення р у внутрішньому шарі виробу, обмеженого двома еквівалентними глибинами проникнення Д! і Д 2 магнітного поля ТЕМП, які відповідають двом частотам ґ, і ґ2, отриманий вираз має вигляд

- (л;-*,) • (12>

(ід1, - і-д’,)

Р\ Рг

де и р2 - величини р, які відповідають середнім значенням на глибинах проникнення поля д'} і д'2, (причому величини Д} і Д2 знаходять з формул д; =<2(1-уі-^); Д2 =а{\ — ^/1 — К2 ) ), тут К1 і К2 - величини параметрів К, які відповідають близьким частотам ^ і ї2.

Скориставшись залежністю р від і (див., наприклад, (3)), може бути знайдена температура внутрішнього шару виробу. Для визначення картини розподілу температури в середині виробу необхідно змінювати дискретно два близьких значення частоти поля і кожного разу знаходити р (виходячи із (12)); а по ньому — температуру у кожному внутрішньому шарі. Експериментально показана можливість визначення ступеня прогріву масивного мідного виробу.

Використання широкого діапазону (майже до 1000 °С) та залежності р від І у вигляді поліному шостого ступеня дозволило одержати числові значення приведених (до країв інтервалів) похибок вимірювання температури, які дорівнюють 5%, 0,5% і 0,5% при реалізації амплітудного, фазового та змінно-частотного методів, відповідно.

Наприкінці розділу наведені результати практичного використання ви-хорострумових методів, перетворювачів і пристроїв у автоматизованих систе-

мах управління процесами відпаленім виробів (у вакуумі та атмосфері). Наведено перелік результатів впровадження на промислових підприємствах Харкова методів та пристроїв, які розглянуті у дисертаційній роботі.

ВИСНОВКИ

1. Отримані точні та наближені вирази для знаходження температури циліндричних немагнітних виробів і сердечників, які описують роботу ТЕМП при реалізації амплітудного, фазового та змінно-частотного методів у вузькому та широкому температурних діапазонах.

2. Створена методика розрахунку очікуваних параметрів сигналів ТЕМП у разі використання трьох указаних методів.

3. З допомогою цієї методики розраховані градуювальні характеристики перетворювачів з виробом, а саме залежності компонентів сигналу ТЕМП (ерс, фаза, частота) від температури. Показано, що амплітудний і фазовий методи доцільно використовувати при І ^ 60 °С; в той же час змінно-частотний метод можна використовувати як у вузькому так і в широкому діапазонах зміни температури (цей метод дозволяє отримати високу чуйність ТЕМП до температури).

4. Проведений аналіз похибок вимірювання температури у вузькому та широкому температурному діапазонах. Показано, що у діапазоні від 20 до 180°С приведені похибки вимірювання температури не перевищують 2,2; 1,1 та

0,3% при реалізації амплітудного, фазового та змінно-частотного методів, відповідно. Використання широкого інтервалу 20 < 1: < 1000°С (для мідного та стального виробів) і 20 < І < 500°С (для алюмінієвого виробу) дозволяє отримати значення похибок на рівні 5%; 0,5% і 0,5% для вказаних методів у тій же послідовності.

5. Розглянуто характеристики мініатюрних ТЕМП для вимірювання температури дрібних виробів та середовищ. Знайдені умови, при яких встановлено, що середня чутливість таких ТЕМП до температури (у діапазоні 20 < і < 1000°С для мідного сердечника) складає 88 Гц/°С, а у діапазоні 20 < ї < 500°С (для алюмінієвого сердечника) - 228,9 Гц/°С.

6. Показано, що використання феромагнітного виробу чи сердечника всередині ТЕМП дає можливість підвищити абсолютну чутливість ТЕМП при реалізації амплітудного методу за рахунок того, що у феромагнетиків )ИГ »1.

7. Одержані вирази для оцінки розподілу магнітних, електричних параметрів і температури в середині нагріваємого виробу. Експериментально знайдена ступінь прогріву масивного виробу.

8. Розроблені установки для абсолютних і диференціальних вимірювань температури виробів. Одержані співвідношення, які описують диференціальний

метод вимірювання приросту температури та її абсолютних значень. Розроблений спосіб уточнення результатів диференціальних вимірювань шляхом урахування методичної похибки, пов'язаної з лінійним наближенням універсальних функцій перетворення. Результати експериментів, які отримані за допомогою розроблених і контрольних методів, підтвердили справедливість теоретичних положень роботи.

9. Наведені приклади використання вихорострумових методів і пристроїв для вимірювання температури виробів і середовищ у автоматизованих системах контролю та управління процесами відпалення різних деталей та конструкцій. Наведен перелік підприємств, де були впроваджені результати роботи.

Список основних наукових прапь за темою дисертації:

1. Багмет О.Л., Себко В.В., Сиренко Н.Н., Нго Куанг Зунг Дифференциальный электромагнитный преобразователь температур // Измерительная техника. - 1994. - №7. - С.48-50.

2. Себко В.В., Сиренко Н.Н., Гора С.А. и др. Параметрический преобразователь для определения потерь мощности // Техническая электродинамика. - 1993. - №4. - С.75-78.

3. Себко В.В., Сиренко Н.Н., Константин Б., Лысенко В.В. К изме-

рению потерь мощности на вихревые токи И Дефектоскопия. - 1993. - №6. -С.89-94. .

4. Себко В.В., Машнева И.В., Багмет О.Л., Москаленко И.И. Расчет характеристик электромагнитного преобразователя температуры // Измерительная техника. - 1997 - №1. - С.57-60.

5. Большаков В.Б., Себко В.В., Чепков В.В. Бесконтактные электромагнитные методы контроля температуры изделий и сред И Труды научнотехнической конференции с международным участием "Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика". - Алушта, Крым. - 1995.

- С.191-192.

6. Kosteako Yu.T., Sebko V.P., Sebko V.V., Gorkunov B.M. Monitoring and Control Robotized System of Heat wear treatment // Proceedings of the Sixth International symposium on Measurement and Control in Robotics. - Brussels, Belgium. - 1996. - P.152-154.

7. Себко B.B., Большаков В.Б., Гугнин B.H. Контроль температуры и ее распределение внутри проводящих изделий // Труды Международной научнотехнической конференции "Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика". - Алушта, Крым. -1996. - С.196.

8. Себко В.В., Горкунов Б.М. Вихретоковые методы измерения температуры изделий и сред // Труды Международной научно-технической

конференции "Информационные технологии: наука, техника, технология, образование, здоровье". - Ч.З. - Харьков-Мишкольц (Венгрия) - Магдебург (Германия). - 1997. -С.174-176.

9. Себко В.В. Малогабаритный электромагнитный преобразователь температуры // Труды П Международной научно-технической конференции "Метрологическое обеспечение в области электрических, магнитных и радиоизмерений (Метрология в электронике - 97)". - Т.2. - Харьков. - 1997. -С. 187-189.

10. Себко В.В. Дифференциальное устройство для измерения температуры // Материалы международной научно-технической конференции "Компьютер: наука, техника, технология, образование, здоровье”. - 4.2. -Харьков-Мишкольц (Венгрия). - 1994. - С.20.

11. Горкунов Б.М., Себко В.В, Лысенко В.В. и др. Многопараметровый метод неразрушающего контроля проводящих изделий // Материалы Международной научно-технической конференции "Компьютер: наука, техника, технология, образование, здоровье". - 4.2. - Харьков-Мишкольц (Венгрия). -1994. -С.7.

АНОТАЦІЇ

Себко В.В. Вихорострумові метода і пристрої для безконтактного вимірювання температури виробів і середовищ. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.15 - метрологія і метрологічне забезпечення. - Державне науково-виробниче об'єднання "Метрологія", Харків, 1998.

Захищаються рукопис та 11 тукових праць, в яких описуються амплітудний, фазовий і змінно-частотний вихорострумові методи та реалізуючі їх трансформаторний перетворювач і установка для вимірювання температури циліндричних провідних виробів і різних середовищ (газових і рідинних). Одержані співвідношення для розрахунків основних характеристик вихоро-струмових перетворювачів з метою абсолютних і диференціальних вимірювань температури виробів і середовищ. Розроблена методика розрахунків очікуваних компонентів сигналів перетворювачів температури і побудовані градуювальні характеристики. Показана можливість вимірювання розподілу температури в перерізі вироба і ступеню його прогріву. Результати досліджень використані в промисловості.

Ключові слова: температура, вихорострумовий перетворювач, виріб, електромагнітне поле, електромагнітний метод, електричний опір.

Себко В.В. Вихретоковые методы и устройства для бесконтактного измерения температуры изделий и сред. - Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.11.15 - метрология и метрологическое обеспечение. -Государственное научно-производственное объединение "Метрология", Харьков, 1998.

Защищается рукопись и 11 научных робот, в которых описываются амплитудный, фазовый и переменно-частотный вихретоковые методы и реализующие их трансформаторный преобразователь и установка для измерения температуры цилиндрических проводящих изделий и различных сред (газовых и жидких). Получены соотношения для расчётов основных характеристик вихретоковых преобразователей с целью абсолютных и дифференциальных измерений температуры изделий и сред. Разработана методика расчётов ожидаемых компонентов сигналов преобразователей температуры и построены градуировочные характеристики. Показана возможность измерения распределения температуры в сечении изделия и степени его прогрева. Результаты исследований использованы в промышленности.

Ключевые слова: температура, вихретоковый преобразователь, изделие, электромагнитное поле, электромагнитный метод, электрическое сопротивление.

ANNOTATION

Sebko V.V. The eddy-current methods and devices for non-contact temperature measuring of wares and mediums. - Manuscript.

Dissertation on competition of candidate of technical science degree on speciality 05.11.15 - metrology and metrological assurance. - State Scientific Industrial Assotiation "Metrology", Kharkiv, 1998.

The manuscript and 11 science works is defend. Amplitude, phase and vari-able-frequency eddy-current methods and transformator transducer, which is realized them, and installation for temperature of cylindrical conductive wares and different mediums (gas and liquid) measuring are described in this work. The correlations for calculations of eddy-current transducer base characteristics with purpose absolute and differential measuring of wares and mediums temperature are received. The method of temperature transducer expecting components of signals is developed. The graduating characteristics are constructed. The possibility of temperature distribution in ware cross-section and his heating degree measuring are shown. The results of researches used in industry.

Key words: temperature, eddy-current transducer, ware, electromagnetic field, electromagnetic methods, electrical resistance.