Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время создание и использование автоматизированных систем контроля и управления технологическими процессами изготовления продукции широкого ассортимента во многих отраслях промышленности (машиностроение, металлургия, энергетика) требуют высокочувствительных, точных, надежных первичных преобразователей, предназначенных для получения многопэраметровой информации об объектах контроля в процессе их изготовления и эксплуатации. При этом существенными достоинствами и преимуществами по сравнению с другими типами обладают электромагнитные преобразователи (ЭМП), выходные сигналы которых содержат сведения о магнитных, электрических и геометрических параметрах электропроводящей детали. В свою очередь, эти параметры,-имеющие самостоятельное информативное значение, функционально связаны с ее прочностными свойствами, температурой, соотношением доминирующих примесей в химическом составе материала объекта, влиянием различных видов обработки на структуру материала. Получение точной и достовернойинформации о последних позволяет организовать функционирование совремешшх систем
.управления технологическими процессами изготовления изделий.
Традиционные методы контроля магнитных свойств материалов основаны на'испытаниях шихтованных'и сплошных образцов с нанесением обмоток,.что не позволяет автоматизировать процесс измерений. Использование же разъемных катушек ограничено ввиду их низкой надеж-
. ности. Известные ЭМП с магнитопроводами (пермеаметры) не обладают универсальностью применения и характеризуются низкой точностью. Поэтому, возникла важная для практики задача разработки автоматизи-
. рованннх универсальных ЭШ для магнитных испытаний изделий и конструкций широкого ассортимента на всех этапах их изготовления.
Практическое применение известных электромагнитных методов и преобразователей для совместного контроля магнитной проницаемости Иг> удельной электрической проводимости а и радиуса а цилиндрического сплошного изделия, основанных на зондировании объекта магнитными' полями двух временных или пространственных гармоник, ограничено ввиду трудности выделения из сигнала ЭМП параметров каждой из гармоник, сложности функций преобразования таких ЭМП и соответст-
' венно низких.точности и быстродействия как преобразователей, так и систем в целом.. Для устранения этих недостатков необходимо было .
решить практически важную задачу бесконтактного многопвраметрового
... 3
контроля цилиндрических изделий при зондировании их магпитшм полем ЭМП одной определенной частоты. Не менее важными являются задачи расширения диапазона изменения напряженности магнитного поля ЭМП и количества контролируемых параметров изделия ( в частности,-за счет определения еще и потерь мощности на вихревые токи в сплошных деталях, температуры в процессе термообработки изделий ). Такой многофункциональный контроль позволяет управлять технологическими циклами и в коночном итоге повысить качество изготовления продукции.
Диссертационная работа связана с- выполнением хоздоговорных научно-исследовательских работ, проводимых на кафедре измерительно-информационной техники ХГМ (J6S ГР: 01.86.0082181; ,01.87.0000971).
Полью диссертационной работы является разработка и исследование методов и реализующих их многофункциональных электромагнитных преобразователей систем управления и контроля, позволяющих измерять магнитные, электрические и геометрические параметры изделий различных форм и конфигураций. Для достижения этой цели в диссертационной работе необходимо было решить следующие основные задачи:
получить- соотношения, связывающие параметры сигнала универсального ЭМП с магнитными характеристиками испытуемого изделия;
разработать и исследовать модификации универсальных ЭМП для определения магнитных характеристик шихтованных и сплошных изделий различных форм и конфигураций без нанесения обмоток на изделия;
разработать и исследовать способы совместного контроля электромагнитных и геометрических параметров цилиндрических сплошных изделий при зондировании их полем ЭМП одной определенной частоты;
- разработать методику совместных измерений параметров ц ,
а и потерь мощности цилиндрических сплошных деталей;
разработать методику контроля электромагнитных характеристик цилиндрических изделий в широком диапазоне изменения напряженности магнитного поля преобразователя;
провести анализ метрологических характеристик многофункциональных ЭМП и определить способы улучшения их точностных свойств;
расширить функциональные возможности ЭШ для бесконтактных измароний физико-механических параметров и термометрии изделий;
разработать автоматизированные измерительные ЭМП и устройства для систем управления технологическими процессами.
Методы исследования базируются на использовании теории электромагнитного поля, электродинамики сплошных сред, теории электрических и магнитных цепей, теории погрешностей, аппарата специаль-
них функций, дифференциального и интегрального исчисления. Научная новизна результатов работы сострит в следующем:
- получены соотношения для определения магнитных характеристик
испытуемых изделий и конструкций широкого ассортимента без нанесе
ния обмоток с использованием универсальных ЭМП (пермеаметров);
-выработаны основныо требования к пермеаметрам, способы их градуировок а также критерии.на выбор оптимальных размеров испытуемых изделий и допусков на их размещение в ЭМП, с учетом которых разработан ряд модификаций пермеаметров с улучшенными характеристшсаші;
разработана бесконтактные способы одновременного определения радиуса, ц и о стержневых электропроводящих изделий, основанные на зондировании изделия переменным полем определенной частоты, соответствующей экстремумам функций преобразования и их составляющих;
предложены методики совместного определения |і , о и потерь мощности на вихревые токи сплошных цилиндрических изделий;
предложен способ контроля * ц и о таких изделий в широком
. диапазоне изменения напряженности магнитного поля преобразователя;
разработаны методики анализа погрешностей совместных измерений электромагнитных и геометрических параметров изделий и определены оптимальные (по точности) режимы работы преобразователей;
разработан способ бесконтактного измерения радиуса и температуры металлических немагнитных стержней на основе определения экстремальных значений приращений нормированной эдс преобразователя;
разработаны.автоматизированные измерительные ЭМП и устрой-
'. ства для систем управления технологическими процессами, функционирующие на основе предложенных способов многопараметрового контроля. Практическая ценность работы состоит в том, что разработанные
.. многопараметровые электромагнитные методы и реализующие их преобразователи позволяют существенно расширить функциональные возможности систем управления и контроля за счет одновременного измерения не- . скольких электромагнитных и геометрических параметров одним датчиком, в одной и той же зоне контроля изделия, повышения быстродействия благодаря полученным инженерным алгоритмам контроля и простым расчетным соотношениям (связывающим с требуемой точностью искомые характеристики изделий лишь с параметрами сигналов ЭМП), оптимизации режимов работы преобразователей по их чувствительности и точности, возможности оценки погрешности измерений при использовании полученных соотношений, автоматизации многопараметрового контроля электропроводящих изделий широкого ассортимента на любых стадиях
технологических циклов их изготовления. Такие многопараметровые методы и преобразователи значительно расширяют класс решаемых задач многих разделов исследований электрических, магнитных и физико-механических свойств изделия ( таких, как прочность, твердость, температура). Они нашли практическое применение при разработке методов расчета, проектирования и эксплуатации измерительных ЭМП, функционирующих в составе конкретных систем контроля и управления.
Реализация и внедрение результатов работы.
Внедрение результатов работы на предприятиях электротехнической промышленности при создании автоматизированных измерительных устройств для систем контроля и управления технологическими процессами изготовления элементов электродвигателей позволило повысить к.п.д. выпускаемых электродвигателей на 0,2-О.БЖ (СИЗ НПО "Укр-злектромаш", предприятие п/я М-5740 ). Разработанные методика расчета параметров магнитного поля автоматизированных систем промышленного намагничивания электромагнитных тормозов в сборе, а также устройства с измерительными преобразователями внедрены в СКТБЭ НПО "Электроаппарат" и позволили повысить производительность намагничивания изделий и обеспечить стабильность их магнитных характеристик. Суммарный экономический эффект от внедрения результатов , диссертационной работы составил 55 тыс.руб. (в ценах 1988-1991 г.).
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на:
Международной научно-технической конференции "Современные достижения в контроле и испытании без разрушения ",НРБ, Пловдив Л989;
Международной конференции "Испытательное оборудование для экспериментальных исследований механических свойств материалов и конструкций", Москва, 1989;
II и III Республиканских научно-технических конференциях "Устройства преобразования информации для контроля и управления в энергетике", Харьков, 1985 и 1988 ( по 2 доклада );
Всесоюзной научно-технической конференции "Измерительные информационные системы (ИИС-89)", Ульяновск, 1989;
Всесоюзной научной конференции "Проблемы теории чувствитель- ' пости измерительных датчиков, электронных и электромеханических систем", Владимир, 1989;
IV Всесоюзном совещании по теоретической метрологии, Ленинград, 1909;
VII Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы магнитных измерений и магнитоизмеритэльной аппаратуры",Ленинград,1989;
6 . .
Республиканской научно-технической конференции "Диагностика и коррекция погрешностей преобразователей технологической информации", Киев, 1989;
IV Всесоюзной научно-технической конференции "Метрологическое обеспечение температурных и теплофизических измерений в области высоких температур", Харьков, 1990 ( 2 доклада );
XII Всесоюзной конференции "Неразрушащие физические методы и средства контроля", Свердловск, 1990 ( 2 доклада );
Республиканской научно-технической конференции "Функционально ориентированные вычислительные системы", Харьков, 1990;
Научно-технической конференции "Применение вычислительной техники и математических методов в научных исследованиях", Севастополь, 1990'( 2 доклада );
- X Всесоюзной конференции по постоянным магнитам, Москва,1991.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 38 работ, из них
9 авторских свидетельств и 2 решения о выдаче авторских свидетельств на изобретения.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 150 страницах машинописного текста, .перечня используемой литературы из 146 наименований и приложений на 63 страницах. Работа иллюстрирована 37 рисунками и 10 таблицами.
