Багатопараметровий вихорострумовий перетворювач для безконтактного контролю провідних трубчатих виробів

ХАРКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Хоменко Віталій Григорович

УДК 620.179.14

БАГАТОПАРАМЕТРОВИЙ ВИХОРОСТРУМОВИЙ ПЕРЕТВОРЮВАЧ ДЛЯ БЕЗКОНТАКТНОГО КОНТРОЛЮ ПРОВІДНИХ ТРУБЧАТИХ ВИРОБІВ

Спеціальність 05.11.13 — прилади і методи контролю та визначення складу речовин

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук Харків — 2000

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

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Себко Вадим Пантелійович, Харківський державний політехнічний університет, завідувач кафедри приладів та методів неруйнівного контролю.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Александров Євгеній Євгенійович, Харківський державний політехнічний університет, завідувач кафедри колісних і гусеничних машин.

кандидат технічних наук, доцент

Москаленко Ігор Іванович,

Харківський державний центр стандартизації, метрології і сертифікації, директор.

Провідна установа: Харківський державний технічний університет радіоелектроніки, кафедра проектування обчислювальної техніки Міністерства освіти і науки України (м. Харків).

Захист відбудеться «26 «жовтня 2000 р. о 14³⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.050.09 у Харківському державному політехнічному університеті за адресою: 61 002, м. Харків, вул. Фрунзе, 21.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Харківського державного політехнічного університету.

Автореферат розісланий «21» вересня 2000 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Горкунов Б.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Питання безконтактного одночасного контролю багатьох параметрів труб за результатами вимірів різних електричних величин, що містяться в сигналах електромагнітних перетворювачів були слабко вивчені в існуючій літературі. Це було обумовлено, насамперед, досить складними функціональними зв’язками компонентів вихідних сигналів електромагнітних перетворювачів з параметрами трубчастих виробів. До цього не були розроблені досить ефективні методи і пристрої для контролю магнітних, електричних і геометричних параметрів циліндричних труб різноманітного асортименту. Проте, потреба промисловості настійно вимагали широкого розвитку методів і засобів для безконтактного контролю трубчастих виробів. Зокрема важливе значення використання таких методів і пристроїв у нафтогазовидобувній промисловості, у комунальних міських господарствах, на електричних станціях і теплоцентралях, на транспорті і на інших підприємствах.

Таким чином, задачі, пов’язані з безконтактним контролем параметрів трубчастих виробів, є дуже актуальними і своєчасними.

Дисертаційна робота присвячена важливій темі - створенню багатопараметрових електромагнітних методів і реалізуючих їх пристроїв для безконтактного одночасного контролю магнітних, електричних і геометричних параметрів циліндричних трубчастих виробів у подовжніх однорідних магнітних полях.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація виконувалася відповідно до проекту, що пройшли за конкурсом Міністерства освіти і науки України (шифр 48/16), Наказ Міністерства освіти і науки України № 37 від 13.02.1997 р.; шифр цієї теми в Харківському державному політехнічному університеті М 5203 (Наказ ХДПУ № 377 - II від 17.04.1997 р.). На цей час робота проводиться згідно з держбюджетними темами М 5204 і М 5205, включеними в тематичні плани Міністерства освіти і науки України.

Мета і задачі дослідження - це створення і дослідження вихорострумових (електромагнітних) безконтактних методів і реалізуючих їх пристроїв для одночасного неруйнівного контролю магнітних, електричних і геометричних параметрів трубчастих металевих виробів у подовжніх однорідних магнітних полях.

Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити наступні задачі:

— знайти спеціальні, нормовані параметри на основі комбінацій функцій Кельвіна;

— одержати аналітичні вирзи (точні і наближені) для амплітуди і фази нормованого магнітного потоку вихорострумового прохідного перетворювача з трубчастим металевим виробом;

— визначити універсальні функції перетворення, що зв’язують нормовані сигнали вихорострумового перетворювача з узагальненим параметром виробу;

— на основі універсальних функцій перетворення і розроблених алгоритмів вимірювальних і розрахункових операцій створити вихорострумові методи контролю відносної магнітної проникності _r і питомої електричної провідності циліндричних феромагнітних трубчастих виробів на фіксованій частоті зміни поля;

— розробити принципові електричні схеми установок для двохпараметрового контролю трубчастих виробів, заснованих на використанні трансформаторного і параметричного вихорострумових перетворювачів;

— розробити алгоритм і модифікацію вихорострумового методу одночасного контролю _r і феромагнітних і слабомагнітних труб на основі підтримування сталості фазового кута нормованого магнітного потоку в трубі;

— визначити універсальні функції перетворення, що зв’язують питому нормовану ерс трансформаторного вихорострумового перетворювача з узагальненими параметрами трубчастого виробу;

— розробити модифікацію електромагнітного методу спільного безконтактного контролю зовнішнього діаметра й електропровідності немагнітних циліндричних трубчастих виробів на основі введених універсальних функцій перетворення;

— розробити вихорострумовий метод спільного визначення товщини стінки і середньої по цій товщині електропровідності немагнітного трубчастого виробу;

— на розроблених установках одержати результати безконтактного визначення магнітних, електричних і геометричних параметрів феро-, слабоферомагнітних і немагнітних трубчастих виробів;

— запропонувати методику розрахунків очікуваних значень компонентів сигналів трансформаторного електромагнітного перетворювача і визначити межі вимірюваних електричних величин;

— одержати співвідношення для розрахунку похибок спільних вимірів відносної магнітної проникності і питомої електричної провідності трубчастих виробів;

— знайти залежності чутливостей перетворювача та відносних похибок двохпараметрового контролю _r і від узагальненого параметра, який включає в себе параметри виробу і частоту поля;

— визначити раціональні за похибками і чутливостями режими роботи електромагнітного перетворювача з трубчастими виробами різноманітного асортименту;

— привести приклади практичного використання розроблених методів і пристроїв для безконтактного контролю труб.

Об'єкт дослідження - це процес дифузії змінного магнітного поля в трубчатий металевий виріб, який породжує проблемну ситуацію одночасного визначення магнітних електричних і геометричних параметрів труб.

Предмет дослідження є створення електромагнітних методів неруйнівного контролю магнітної проникності та питомої електропровідності феромагнітних труб, а також зовнішнього діаметру і електропровідності немагнітних трубчастих виробів.

Методи дослідження засновані на теорії електромагнітного поля, електродинаміки суцільних середовищ та апарату спеціальних функцій використовувались для розробки теоретичних основ роботи електродинамічного перетворювача з металевим трубчатим виробом; теорія електричних і магнітних ланцюгів, інтегрального та диференціального обчислення і функцій комплексних чисел застосовувалась у розрахунках очікуваних значень сигналів перетворювача, а також при визначенні виразів для розрахунку параметрів виробу; теорія похибок вимірювання і інтегрального та диференціального обчислення використовувалась для оцінки метрологічних характеристик електромагнітних перетворювачів у разі багатопараметрового контролю.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що:

— на основі введених спеціальних нормованих параметрів встановлені універсальні функції перетворення, що зв’язують ці параметри з узагальненими характеристиками трубчастого виробу;

— шляхом використання універсальних функцій перетворення розроблені вихорострумові методи спільного контролю r і феромагнітних трубчастих виробів на основі підтримування фіксованої частоти магнітного поля;

— розроблені електричні схеми установок для двохпараметрового контролю труб, заснованих на використанні трансформаторного і параметричного вихорострумових перетворювачів;

— розроблений алгоритм вимірювальних і розрахункових операцій, а також на його основі запропонована модифікація вихорострумового методу одночасного контролю _r і феромагнітних і слабоферомагнітних труб, яка заснована на утримані постійним фазового кута нормованого магнітного потоку в трубчастому виробі;

— визначені універсальні функції перетворення, що зв’язують питому нормовану внесену ерс і її фазу трансформаторного перетворювача з узагальненим параметром трубчастого виробу для різних товщин стінок труб;

— розглянута модифікація електромагнітного методу спільного безконтактного контролю зовнішнього діаметра й електропровідності немагнітних циліндричних труб на основі введених універсальних функцій перетворення;

— розроблений вихорострумовий метод спільного безконтактного визначення товщини стінки і середньої по її товщині електропровідності немагнітного трубчастого виробу;

— на розроблених установках отримані результати вимірів магнітних, електричних і геометричних параметрів феро-, слабоферомагнітних і немагнітних трубчастих виробів;

— запропонована методика розрахунків очікуваних значень компонентів сигналів трансформаторного вихорострумового перетворювача і визначені межі змін вимірюваних величин;

— отримані співвідношення для розрахунків похибок спільного виміру r і трубчастих виробів;

— на основі аналізу похибок і чутливості перетворювача до параметрів трубчастого виробу визначені раціональні режими роботи перетворювача з трубчастими виробами різноманітного асортименту;

— приведені приклади практичної реалізації розроблених методів і пристроїв для безконтактного контролю параметрів труб.

Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що: знайдені співвідношення, які описують універсальні функції перетворення, алгоритми розрахункових і вимірювальних операцій, методики розрахунків перетворювача й оцінок чутливості і похибок двухпараметрового контролю дозволяють проектувати установки на основі електромагнітного перетворювача для спільного контролю магнітних, електричних і геометричних параметрів циліндричних трубчастих виробів, визначити метрологічні характеристики цих установок (частотний діапазон, діапазон зміни контрольованих величин), підібрати вимірювальні прилади необхідних класів точності, установити раціональні за похибками та чутливостям режими роботи. Розроблені безконтактні методи і пристрої контролю магнітних, електричних і геометричних параметрів трубчастих виробів дозволили контролювати такі фізичні величини, як механічні напруги (у тому числі границі текучості і міцності), температури виробів і рідини, що протікає у трубі, знос трубчастих виробів (товщини стінки) у процесі експлуатації. Ці методи впроваджені на ПО «Запорізька АЕС» .

Особистий внесок здобувача полягає в наступному:

— отримані універсальні функції перетворення трансформаторного перетворювача для контролю параметрів трубчастих виробів;

— на основі отриманих функцій розроблені методики безконтактного контролю магнітних, електричних і геометричних параметрів як для феромагнітних так і неферомагнітних трубчастих виробів різного сортаменту;

— розроблена принципова електрична схема включення трансформаторного перетворювача для двохпараметрового контролю, отримані співвідношення для оцінки похибок і чутливостей перетворювача;

— отримані основні співвідношення для розрахунку очікуваних вихідних електричних сигналів трансформаторного електромагнітного перетворювача з контрольованим трубчастим виробом, які дозволяють вибрати вимірювальну апаратуру для реалізації двохпараметрового контролю параметрів труби в широкому діапазоні їхньої зміни.

Апробація дисертації.

Основні результати роботи доповідалися на:

— II Міжнародній науково-технічній конференції - школі-семінарі молодих вчених аспірантів і докторантів «Спорудження, конструкції, технології і будівельні матеріали ХХI століття», Белгород, 1999 р.;

— 12й Міжнародній школі-семінарі «Перспективні системи керування на залізничному, промисловому і міському транспорті», Харків, 1999 р.;

— II Міжнародної науково-технічної конференції «Метрологія та вимірювальна техніка», Харків, 1999 р.

Публікації: основні результати дисертації опубліковані в 7 наукових працях, у тому числі 4 статті в наукових журналах і 3 роботи в працях міжнародних науково-технічних конференціях.

Структура дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, заключення, списку використаних джерел та додатків. Повний обсяг дисертації складає 188 сторінок: 38 ілюстрацій на 29 стор., 6 таблиць на 6 стор., додаток на 22 стор., список літератури містить 102 найменування на 9 стор.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступній частині зазначена актуальність теми дослідження, відмічено зв’язок роботи з науковими темами, вказана мета дисертаційної роботи та сформульовані основні задачі дисертації, показана наукова новизна та її практичне значення, розглянуто особистий внесок автора у друкованих працях із співавторами, наведена апробація роботи та структура дисертації.

У першому розділі проаналізовано відомі методи та пристрої для визначення електромагнітних і геометричних параметрів виробів у змінних магнітних полях. Наведено конструкції різних видів датчиків для неруйнівного контролю виробів різних конфігурацій. Розглянуто двох і трьох параметрові методи і засоби електромагнітного контролю магнітної проникності, питомої електричної провідності і радіусу суцільних циліндричних виробів і зразків у повздовжніх та поперечних зондуючих магнітних полях. Відмічена важливість багатопараметрового контролю виробів, який дає можливість одержати повну інформацію про об'єкт контролю. Встановлено, що методи і перетворювачі для визначення магнітних, електричних та геометричних параметрів трубчастих феромагнітних, слабомагнітних і немагнітних виробів недостатньо описані в існуючій літературі. Останній фактор надав поштовх подальшої розробки таких методів і засобів, які і розглянуті у цій дисертації.

У другому розділі розглянуто електромагнітний метод і реалізуючі його установки з трансформаторним ТЕМП і параметричним ПЕМП перетворювачами для безконтактного контролю відносної магнітної проникності _r і питомої електричної провідності циліндричних трубчастих виробів і зразків.

На рис. 1 показаний зовнішній вигляд прохідного електромагнітного перетворювача з циліндричним трубчастим виробом. Як видно, всередині перетворювача існують 3 змінних магнітних потоки Ф₁, Ф₂ і Ф₃, тобто у повітряному зазорі, у стінці труби і у повітряному середовищі всередині труби, відповідно. На основі рівнянь Максвела і закону Ома було наведено рівняння дифузії синусоїдального за часом магнітного поля у провідну трубу. Рішення цього рівняння з граничними умовами дало можливість одержати співвідношення для визначення розподілу напруженості магнітного поля у стінці і всередині труби. Проінтегрував це співвідношення за поперечним перерізом труби, знайдемо вирази для магнітних потоків Ф₂ и Ф₃. узявши геометричну суму цих двох потоків знайдемо вираз для розрахунку сумарного магнітного потоку Ф₂₃ у стінці та всередині трубчатого виробу. Після цього був введений комплексний параметр, який характеризує питомий нормований магнітний потік у трубі на одиницю _r.

(1)

(2)

Зазначено, що berх-, beiх-, berу-, beiу-, - функції Кельвіна нульового і першого порядків від аргументів, узагальнених параметрів х і у, причому

(11)

(12)

а і b - зовнішній і внутрішній радіуси труби; f - частота змінення магнітного поля.

Зв’язок між параметрами х і у здійснюється виразом

(13)

де d - товщина стінки труби; тобто d=а-b.

Функції Кельвіна протабульовані у довідковій літературі. Тому можна знайти універсальні залежності фазового кута та модуля параметра K від х при різних значеннях d/a для феромагнітних труб (з _r50, практично важливий випадок). Ці залежності представлені на рис. 2 і 3.

Аналогічні залежності фазового кута і модуля K від х для різних d/a були одержані при використанні немагнітних труб.

На основі універсальних функцій =f (х) і K=f (х) можна розробити алгоритм сумісного визначення значень _r і матеріалу трубчастих виробів. Цей алгоритм, який характеризує метод фіксованої частоти, заключається у наступному. При заданому зовнішньому радіусі а, відношення d/a і частоти зміни магнітного поля, вимірюють фазовий кут, а по ньому, використовуючи залежність від х (див. рис. 2) знаходять параметр х, і далі на основі функції K=f (х) при тому ж відношенні d/a визначають параметр K, а потім при знайденому параметрі х, і відомому коефіцієнті заповнення, а також за виміряними значеннями ерс Е₂₃ і Е₀₃ знаходять з урахуванням (1) магнітний параметр виробу _r із співвідношення

. (14)

Електропровідність виробу визначають на основі (11) з виразу

. (15)

Формули (14) і (15) дають можливість визначити _r і в послідовному циклі, тобто спочатку знайти _r, а далі. У паралельному циклі величину _r знаходять із виразу (14), а, використовуючи формулу

. (16)

Паралельний цикл прискорює процес розрахунків _r і, що важливо при автоматизації контролю. Окрім вказаних універсальних залежностей і K від х, у роботі були введені інші удосконалені функції перетворення, тобто K=f () і N_х=Kх²=f (), де N_х — параметр, який характеризує собою нормовану ерс Е_23Н, обумовлену магнітним потоком всередині ТЕМП (де Е_23Н=Е₂₃/Е₀). Ці дві функції дозволяють визначити значення _r і за допомогою двох незалежних кривих: K=f () і N_х=f (). Дійсно, після виміру в експерименті фазового кута на основі функції K=f () для заданих d/a і а знаходять параметр K, а по ньому, виходячи із (14), визначають _r, а величину розраховують із співвідношення

(17)

де параметр N_х знаходять при відомих d/a і а за допомогою функції N_х=f () для визначеного у експерименті значення фазового кута .

Як бачимо з (14) і (17), _r розраховують на основі використання тільки кривої K=f (), а — тільки, виходячи з функції N_х=f (), причому обидва параметри _r і залежать від електричних параметрів перетворювача, що вимірюються, і відомих величин. Формули (14) і (17) характеризують паралельний цикл визначення _r та .

В цьому ж розділі описана схема установки ТЕМП для контроля електромагнітних параметрів _r і труб з компенсацією частини ерс ТЕМП, обумовленої магнітним потоком в повітряному зазорі між трубою та вимірювальною обмоткою ТЕМП. Схема дозволяє генератором Г встановлювати струм I і частоту f. Струм вимірюють амперметром, А до частот 1500 Гц і за допомогою падіння напруги, що показує вольтметр В, на зразковому опорі R₀ (при f>1500 Гц). Ерс Е₂₃ з включених на зустріч вимірювальної обмотки робочого РП і вторинної обмотки компенсаційного КП перетворювачів визначається вольтметром В₂. Значення ерс Е₀ з виходу вторинної обмотки опорного перетворювача регіструється вольтметром В₃. Фазовий кут між Е₂₃ і Е₀ вимірюється фазометром Ф. На цій схемі (див. рис. 4) були одержані результати експериментального визначення _r і матеріалу трубчастих виробів. Результати, отримані розробленим методом з фіксованою фазою і контрольними методами (балістичним при визначенні _r і мостовим для вимірювання) гарно співпадають.

У другому розділі приведені схеми установок, які працюють на основі параметричного електромагнітного перетворювача ПЕМП з циліндричним трубчастим виробом. Розглянуто основні співвідношення, які описують роботу цих установок. Показано достоїнства і недоліки ТЕМП і ПЕМП, які використаються для сумісного контролю _r і .

У третьому розділі розглянуто електромагнітний метод і реалізуючий його пристрій для одночасного контролю _r і трубчастих виробів на основі застосування фіксованих значень фазового кута. Використовуючи формули (1)-(10) можна визначити залежності _r і х від нормованого магнітного потоку Ф_н у трубі, причому

(18)

де Ф₂₃ — магнітний потік всередині труби, який створює ерс Е₂₃; Ф₀ — магнітний потік ТЕМП при відсутності в ньому виробу; Ф₀ індукує ерс Е₀.

На рис. 5 і 6 показано функції перетворення _r=f (Ф_н) і х=f (Ф_н) при фіксації фази =const=15. Алгоритм визначення значень _r і при використанні методу фіксованої фази, =const такий. Змінюють частоту магнітного поля, зондуючого трубу до тих пір, коли фазовий кут зрівняється з заданим значенням (наприклад, =15). При цьому треба забезпечити умову 1, котра реалізується шляхом компенсації частини сумарної ерс, пов’язаної з магнітним потоком у повітряному зазорі. Знайшовши в схемі рис. 4 ерс Е₂₃, Е₀ при фіксованій частоті, яка відповідає =const, на основі (18) знаходять Ф_н, а потім за допомогою графіка рис. 5 при заданому відношенні d/a визначають _r. Другий графік залежності х від Ф_н (див. рис. 6) дає можливість знайти для того ж d/a величину х. Останній параметр, та відомий радіус труби а, а також знайдені значення _r і f дозволяють визначити з співвідношення (15).

Був проведений експеримент на зразках труб, виконаних із різних матеріалів. Наприклад, зразок: сталь 3; d/a=0,2; a=1,510^-3 м, довжина зразка 0,5 м; перетворювач: ТЕМП, а_П=2510^-3 м, напруженість магнітного поля Н₀=60 А/м; =1. Вимірювальні значення величин: f=2348,2 Гц, =15, Е₂₃=0,203 В, Е₂₀=5,8210^-3 В (де Е₂₀ — ерс ТЕМП при наявності компенсації ефектів зазору у відсутності зразка всередині ТЕМП)

. (19)

Розрахункові значення _r=99,9; х₀=4,69 968; =0,52 910⁷ См/м.

У цьому ж розділі було розроблено метод безконтактного визначення зовнішнього діаметра і питомої електричної провідності немагнітних труб. Був введений комплексний параметр N, формули визначення модуля і його фази _вн якого мають вигляд при _r=1

(20)

(21)

де Е_вн — внесена виробом у ТЕМП ерс, ReK і ImK — реальна та уявна частини параметра K; _вн — фазовий кут внесеної ерс Е_вн.

На основі формул (1)-(10) і (20) отримані залежності N і _вн від параметра х при різних фіксованих d/a (див. рис. 7 і 8). Значення ReK і ImK можна знайти, як

(22)

(23)

З графіків рис. 7 і 8 видно, що при х35 функції N=f (х) та _вн=f (х) практично не залежать від відношення d/a. Це дає можливість встановити алгоритм вимірювальних і розрахункових процедур для визначення діаметру D і питомої електричної провідності циліндричних немагнітних труб. При цьому змінюючи частоту f доки фазовий кут _вн зрівняється із значенням 2,33, яке відповідає х=35. Можна використовувати випадок _вн2,33. Далі визначений кут _вн дозволяє на основі залежності _вн від х (див. рис. 8) знайти х, а по ньому — параметр N, застосувавши функцію N=f (х) (рис. 7). Для виміряних значень ерс Е_вн і Е₀, виходячи з формули (20), визначають зовнішній діаметр D труби з виразу

(24)

де D_П — діаметр вимірювальної обмотки ТЕМП.

Значення знаходять із співвідношення

. (25)

Для виміру малих фазових кутів _вн в роботі використовується схема установки на основі двох ерс, що вирівнюються, і виміру їх векторної різниці.