Диференціальний вихорострумовий перетворювач для контролю параметрів немагнітних виробів

Модифікація абсолютного метода з відбудовою одного параметра від іншого відрізняється тим, що для окремого визначення вводиться інший комплексний параметр N_x, причому

, (9)

звідки можна визначити за формулою:

(10)

Розрахунок відносних похибок вимірювання , одержаних за формулами, які мають відношення до першої і другої модифікацій, показує, що їх значення співпадають при однакових значеннях узагальненого параметра х.

Після цього був розглянутий диференційний метод визначення двох параметрів виробів та дві його модифікації - без відбудови одного параметра від іншого та з відбудовою.

Для того, щоб отримати основні розрахункові співвідношення для визначення відносних приростів а і були використаний комплексний параметр N у вигляді (1) - (2). Його відносний приріст:

(11)

де х₀, N₀ - параметри, зв'язані зі стандартним зразком, N/x - похідна параметру N за х; х/х₀ - відносний приріст х.

На основі формул для розрахунку N і (див. (7) і (8)), а також використавши функції N=f(x) і _вн=f(x), знайдемо вирази для відносних приростів параметрів а і у вигляді:

(12)

(13)

де Е_вн, _вн - збільшення параметрів Е_вн і _вн з урахуванням їх знаків.

За виміряними відносними приростами а і визначимо абсолютні значення цих параметрів, тобто:

а=а₀(n+1); (14) =₀(m+1), (15)

де n=a/a₀=(a-a₀)/a₀; m=/₀=(-₀)/₀.

У цьому розділі розроблена схема диференційних вимірювань а і трансформаторним перетворювачем (рис. 3). У схемі використовуються два ідентичних прохідних трансформаторних перетворювачі (робочій РП і компенсаційний КП), а також дві компенсаційні котушки взаємоіндуктивності робочого перетворювача КВР і компенсаційного КВК. Намагнічувальні обмотки РП, КП і первинні обмотки КВР і КВК включені згідно і запитуються від генератора синусоїдального струму, що контролюється амперметром А. Вторинні обмотки РП і КВР, а також КП і КВК з'єднані зустрічно. У РП розміщений досліджуваний зразок ДЗ, у КП - стандартний зразок СЗ.

Внесені ЭДС робочого і компенсаційного перетворювачів випрямляються двома випрямними містками ВМ₁ і ВМ₂, включеними за диференціальною схемою. Різницевий сигнал, пропорційний , виміряється мікроамперметром кА. Опір r_в служить для балансування схеми; ключ К - для відключення мікроамперметра; r - опір, що обмежує струм у ланцюзі мікроамперметра; вольтметр В реєструє ЭДС Е_вн0. КП зі стандартним зразком. Фазовий кут визначається вимірником фазових зсувів Ф. Мікроамперметр і вимірник фази дозволяють вимірити значення і , які підставляються у формули (12) і (13), а вже за ними обчислюються збільшення a/a₀ і /₀.

У цьому розділі також були отримані співвідношення для розрахунку методичних похибок контролю двох параметрів виробів у вигляді:

(16)

де - друга похідна N за _вн у робочій точці х₀,

; (17)

; (18)

- друга похідна х за _вн.

Тут _аН і _Н - методичні похибки, обумовлені нелінійністю функцій x=f(_вн) і N=f(_вн), тобто відхиленням цих функцій у точці х₀ і ₀ від дотичних, проведених у робочі точці х₀; N₀; ₀. Графічні залежності _аН і _Н від середнього збільшення х_ср наведені на рис. 4 і побудовані для робочої точки х₀.

Результати розрахунків залежностей N і _вн від х (див. таблицю) показують, що похибки нелінійності можуть бути суттєво знижені у робочій точці перегибу, тобто при х₀=1,8 і _вн=62⁰. В цій точці другі похідні функцій N=f(_вн) і x=f(_вн) порівнюються з нулем. В цьому випадку замість формули для розрахунків _хН (див. (18)) треба використовувати вираз

, (19)

де - третя похідна х за _вн.

У третьому розділі розглянуто електромагнітний метод безконтактного контролю радіусу а та питомої електричної провідності циліндричних немагнітних виробів і зразків за допомогою прохідного параметричного електромагнітного перетворювача ПЕМП у повздовжньому магнітному полі в абсолютному та диференційному варіантах. Виріб в ПЕМП також має доступ до своїх кінців. Спочатку для немагнітного виробу вводиться комплексний параметр М у вигляді:

(20)

(21)

де - фазовий кут зсуву параметра K відносно Е₀.

Вираз для пошуку радіусу зразка отримано у вигляді:

 (22)

де z_вн - повний вносимий опір, - кругова частота (=2f), R_вн - вносимий опір, L_вн - вносима індуктивність. А величина питомої електричної провідності знаходиться з формули (8).

Далі у цьому розділі наведена схема для спільних абсолютних вимірів радіуса і питомої електричної провідності циліндричних немагнітних виробів параметричним перетворювачем (рис. 5). У схемі використані два прохідних перетворювачі: робочій РП і компенсаційний КП, включених у два суміжних плечі моста. У робочому перетворювачі розміщений досліджуваний зразок ДЗ, а компенсаційний перетворювач на час виміру залишається без зразка. У перетворювачі з досліджуваним зразком передбачене регулювання індуктивності L^* обмотки (шляхом зміни кількості витків). У плече цього перетворювача включений опір R^*, що також може змінюватися. У вимірювальній діагоналі передбачене використання нуль-індикатора НИ і ключа К, що розмикає і замикає ланцюг нуль-індикатора. Опори R₁ і R₂ включені у відповідні плечі моста. R_Р - регулювальний опір. Міст запитується від генератора синусоїдального струму Г. Контроль струму в ланцюзі перетворювача з досліджуваним зразком здійснюється амперметром А.

Оскільки метод сумісного вимірювання а і є косвеним методом, то для того, щоб отримати вирази для розрахунку апаратурних похибок, була використана методика обробки результатів непрямих вимірів. Виходячи з виразу (22) і залежностей M та х від tg_вн, знайдемо відносні апаратурні похибки а/а і / при довірчій імовірності 0,95 (ГОСТ 8.207-76) у вигляді:

; (23)

, (24)

де ; ; _l; і - відносні похибки вимірів R_вн; ; довжини l ПЕМП, внесеної індуктивності L_вн і чисел витків w_н намагнічувальної обмотки ТЕМП, ; ; С; і С - коефіціенти впливу, які залежать від положення робочої точки і похідних M/(tg_вн) і х/(tg_вн). Прийнято характерні відносні похибки 0,1% та _l0,2% і за формулами (23) і (24) були розраховані апаратурні похибки _а і .

В роботі показано, що залежності похибок вимірювання параметрів а і від х параметричним перетворювачем ПЕМП практично не відрізняються від аналогічних залежностей, пов'язаних з вимірюванням а і трансформаторним перетворювачем ТЕМП (див. рис. 2).

В разі використання диференціального методу для отримання розрахункових співвідношень розкладемо залежності x=f(tg_вн) та M=f(x) поблизу фіксованої робочої точки в ряди Тейлора. При цьому отримаємо систему у лілійному наближенні:

(25)

де tg_вн0, М₀, х₀ є параметрами, зв'язаними зі стандартним зразком, що визначає робочу точку (х=х₀); х, tg_вн, М - збільшення відповідних параметрів, викликані відмінністю геометричних і електричних характеристик досліджуваного виробу від характеристик стандартного зразка. Вирішуючи цю систему, отримаємо вирази для відносних збільшень параметрів а і у вигляді:

(26) (27)

де А, В, С і D - постійні коефіціенти,

(28) (33)

(29) (31)

Далі у цьому розділі були отримані вирази для оцінки похибок нелінійності при вимірюванні а і параметричним диференціальним перетворювачем.

Величину похибки нелінійності при вимірах радіуса виробів можна досить просто оцінити при заданому значенні tg_вн, якщо віднести квадратичний член розкладання залежностей M=f(tg_вн) у ряд Тейлора поблизу робочої точки до лінійних членів ряду. При цьому

(32)

де - друга похідна параметру М за _вн.

Похибки визначення питомої електричної провідності, викликані нелінійністю залежностей M=f(tg_вн), можуть бути обчислені зі співвідношень

(33)

де

(34)

де - друга похідна параметру х за _вн. Знаки "+" і "-" у виразах (32) і (34) відповідають позитивним і негативним збільшенням tg_вн.

У цьому розділі показано, що залежності методичних похибок і від збільшення х, одержаних за допомогою ПЕМП мають такий же характер, як і залежності і від х при використанні ТЕМП (див. рис. 4).

У четвертому розділі розглянуто електромагнітний метод та реалізуючий його комбінований електромагнітний перетворювач КЕМП з поперечним магнітним полем для визначення радіуса та питомої електричної провідності циліндричних немагнітних виробів, у випадках, коли виріб не має доступу до своїх кінців.

Спершу у цьому розділі розглянуто функції перетворення КЕМП з немагнітним виробом і робиться висновок про те, що вони співпадають з відповідними функціями перетворення для ТЕМП з таким же виробом. В разі використання методу абсолютного контролю величину а визначають із формули:

; (35)

де Х₀ - відстань від осі виробу до вимірювальної котушки.

Величину знаходять з (8).

З метою перевірки розрахункових характеристик пристрою, який реалізує запропонований метод, були проведені експерименти на циліндричних зразках з різними значеннями а і . Похибки вимірювання а і за допомогою КЕМП розраховувалися за методикою, яка була докладно розглянута у розділах 2 і 3.

У випадку диференційних вимірювань а і були знайдені збільшення а/а₀ і /₀ при використанні залежностей другої модифікації функцій N=f(_вн) і N_х=f(_вн). Тоді вирази для відносних збільшень а і мають вигляд:

(36)

(37)

де А₁ і В₁ - постійні коефіціенти,

(38)

(39)

Далі були наведені результати вимірювань а і мідних зразків диференціальною схемою з комбінованим перетворювачем КЕМП, яка має такий саме вигляд, як і для диференційного перетворювача (рис. 3). Отримані дані свідчать про те, що результати вимірів а і за допомогою КЕМП співпадають з аналогічними даними, отриманими на ТЕМП.

У якості прикладів застосування розроблених методів, був розглянутий спосіб розбракування зразків за марками матеріалів, з яких вони вироблені, а також за величинами а і матеріалів і зразків. Наведені інші випадки використання розглянутих диференційних перетворювачів, а саме, при контролі легкосплавних бурильних труб, а також провідників ліній електропередач.

ВИСНОВКИ

Таким чином, у даній дисертаційній роботі розглянуті диференціальні та абсолютні методи і реалізуючі їх трансформаторний, параметричний і комбінований електромагнітні перетворювачі для одночасного контролю радіусу та електропровідності циліндричних суцільних немагнітних виробів і зразків.

Коротко зупинимося на результатах роботи.

На основі розрахованих універсальних функцій перетворення розглянуті диференціальний і абсолютний електромагнітні методи для одночасного контролю радіусу та електропровідності циліндричного немагнітного виробу при використанні трансформаторного, параметричного і комбінованого електромагнітних перетворювачів з повздовжнім і поперечним магнітними полями, зондуючими виріб.

Отримано співвідношення, що описують роботу зазначених двохпараметрових перетворювачів.

Розроблено алгоритми вимірювальних і розрахункових процедур для спільного контролю радіусу і питомої електричної провідності немагнітних виробів в абсолютному і диференціальному варіантах.

Створено схеми установок, що працюють на основі трансформаторного , параметричного і комбінованого електромагнітних перетворювачів для диференціального і абсолютного контролю радіусу та електропровідності циліндричних виробів, зондуємих повздовжнім і поперечним магнітними полями.

Оцінено апаратурні похибки спільних вимірів радіусу та електропровідності циліндричних виробів за допомогою трансформаторного, параметричного і комбінованого перетворювачів. Показано, що у всіх випадках використання таких перетворювачів з погляду досягнення малих значень результуючих апаратурних похибок існує оптимальний діапазон зміни узагальненого параметра х, що містить у собі радіус, електропровідність і частоту магнітного поля. При цьому результуючі похибки виміру радіусу та електропровідності не перевищують 0,5% і 2% в оптимальному діапазоні змінення узагальненого параметра х3.

Отримано співвідношення для визначення методичних похибок контролю радіусу та питомої електричної провідності виробів, обумовлені нелінійністю універсальних функцій перетворення, тобто лінійними наближеннями виразів, що описують роботу двохпараметрових перетворювачів різних типів.

На основі цих виразів знайдені оптимальні за методичними похибками діапазони зміни приростів х узагальненого параметра, обумовлені відмінністю параметрів досліджуваного і стандартного зразків. Показано, що, наприклад, якщо задатися відносною методичною похибкою контролю радіуса, рівною 0,5%, максимальний середній приріст х_ср буде складати 0,24, а при відносній методичній похибці виміру електропровідності 2% найбільше значення х_ср буде дорівнювати 0,21 (див. мал. 4).

Визначено межі застосовності абсолютного і диференціального електромагнітних методів і реалізуючих їх перетворювачів з точки зору контролю виробів різноманітного асортименту. Показано, що абсолютний контроль доцільно використовувати при визначенні геометричних і електричних параметрів виробів, відносний розкид яких перевищує 20% - 30%. Ці цифри мають відношення до контролю виробів, виконаних, як правило, з різних марок матеріалів. При неруйнівному контролі виробів з параметрами, близькими між собою, тобто у випадку, якщо розкид цих параметрів менше 20-30%, має сенс застосовувати диференціальні двохпараметрові методи і реалізуючі їх перетворювачі з різною орієнтацією магнітного поля.

Наведено приклади практичного використання розроблених абсолютних і диференціальних методів і реалізуючих їх перетворювачів при контролі радіусів та електропровідностей проводів ліній електропередач і транспортного електропостачання, при розбраковуванні немагнітних виробів по їх радіусах і марках матеріалів та в інших випадках.

Список опублікованих праць за темою дисертації:

Себко В.П., Сомхиева О.С. Совместное определение радиуса и удельной электрической проводимости изделий дифференциальным электромагнитным методом // Сборник научных трудов Международной научно-технической конференции "Современные приборы, материалы и технологии для технической диагностики и неразрушающего контроля промышленного оборудования". - Харьков: ХТУРЭ. - 1998. - С. 134 - 137.

Автором розраховані універсальні функції перетворення, які використовуються для диференціального контролю двох параметрів циліндричних виробів за допомогою трансформаторного і комбінованого електромагнітних перетворювачів.

Сомхиева О.С. К измерению радіуса и электропроводности изделий электромагнитным методом // Вестник Харьковского государственного политехнического университета. - Харьков: ХГПУ.- 1998. - Вып. 17. - С. 123 - 125.

Себко В.П., Сомхиева О.С. Определение ожидаемых значений сигналов дифференциального двухпараметрового преобразователя // Український метрологічний журнал. - 2000. - Вип.1. - С. 50-53.

Автором запропонована методика розрахунків очікуваних значень сигналів диференціального ТЕМП із метою створення двохпараметрової установки.

Себко В.П., Сомхиева О.С. Дифференциальные двухпараметровые преобразователи для контроля параметров цилиндрических немагнитных изделий // Технічна електродинаміка: Тематичний випуск. - Ч.2. - 1999. - С. 47 - 52.

Особисто отримані співвідношення для оцінки методичних похибок визначення у диференціальному варіанті двох параметрів немагнітного виробу при використанні трансформаторного і параметричного електромагнітних перетворювачів.

Себко В.П., Горкунов Б.М., Сомхиева О.С. Электромагнитный дифференциальный преобразователь для контроля электропроводности изделий // Информационные технологии: наука, техника, технология, образование, здоровье: Сб. научных трудов ХГПУ. - Харьков: ХГПУ. - Вып. 6. - Ч. 2. - 1998. - С. 307-310.

Автором запропонована схема включення двохпараметрового ТЕМП, що працює в диференціальному варіанті і розроблено алгоритм визначення а і .

Себко В.П., Сомхиева О.С. Дифференциальный двухпараметровый электромагнитный преобразователь для контроля радиуса и электропроводности цилиндрических изделий // Вестник Харьковского государственного политехнического университета. - Харьков: ХГПУ.- 1999. - Вып. 24. -С. 121 - 127.

Особисто отримані результати вимірів а і немагнітних (мідних) зразків диференціальною схемою з трансформаторним перетворювачем.

Сомхиева О.С. Параметрический дифференциальный двухпараметровый преобразователь // Вестник Харьковского государственного политехнического университета. - Харьков: ХГПУ.- 1999. - Вып. 37. -С. 31 - 34.

Себко В.П., Ермоловская Л.П., Сомхиева О.С. Двухпараметровый электромагнитный комбинированный преобразователь с поперечным магнитным полем // Информационные технологии: наука, техника, технология, образование, здоровье: Сб. научных трудов ХГПУ. - Харьков: ХГПУ. - Вып. 6. - Ч. 2. -1998. - С. 311-313.

Автором запропонована методика одночасного визначення а і циліндричних немагнітних виробів за допомогою КЕМП у паралельному циклі, тобто незалежно друг від друга.

АНОТАЦІЇ

Сомхієва О.С. Диференціальний вихорострумовий перетворювач для контролю параметрів немагнітних виробів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.13 - прилади і методи контролю та визначення складу речовин. Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", Харків, 2001.

Дисертація присвячена питанням розробки і дослідження двохпараметрових електромагнітних методів і реалізуючих їх пристроїв для безконтактного одночасного контролю електричних і геометричних параметрів суцільних немагнітних виробів у зондуючих магнітних полях різної орієнтації. Розроблено алгоритм і модифікації вихорострумового методу одночасного контролю радіуса та електропровідності немагнітних виробів на основі використання трансформаторного (ТЕМП), параметричного (ПЕМП) і комбінованого (КЕМП) перетворювачів в абсолютному і диференціальному варіантах. Розглянуто модифікації двохпараметрового диференціального методу з відбудуванням одного параметра від іншого і без такого відбудування. Розроблено схеми включення двохпараметрових ТЕМП, ПЕМП і КЕМП, що працюють у диференціальному варіанті та отримані експериментальні результати спільного визначення двох параметрів немагнітних виробів на конкретних зразках. Отримано співвідношення для розрахунку методичних похибок спільних вимірів радіуса і питомої електричної провідності циліндричних виробів диференціальними вихорострумовими перетворювачами різних типів.