Разработка алгоритмов и устройств для контроля электромагнитных и геометрических параметров изделий

В В Е Д Е Н И Е Повышение качества промышленной продукции, снижение её материалоёмкости и себестоимости являются одними из важнейших задач народного хозяйства. Большую роль в решении этих задач играют методы и средства неразрушающего контроля электропроводящих материалов и изделий, имеющих широкое применение в различных отраслях народного хозяйства Важными показателями качества электропроводящих изделий являются их электромагнитные и геометрические характеристики и в том числе такие, как удельная электрическая проводимость неферромагнитных изделий и толщина диэлектрических и электропроводящих покрытий, нанесённых на электропроводящую основу. Определение этих параметров, а также амплитуды вибраций, позволяет судить о правильности технологии изготовления, коррозионной стойкости, механических свойствах и надёжности изделий, повысить сроки их эксплуатации и снизить материалоёмкость и себестоимость выпускаемой продукции /I-I9/. В настоящее время для контроля электромагнитных параметов, толщины покрытий, амплитуды вибраций электропроводящих изделий и глубины дефектов в них широко используются вихретоковый, акустический и другие методы неразрушающего контроля. В отличие от других методов вихретоковый метод позволяет получить информацив одновременно об электромагнитных и геометрических параметрах феррои неферромагнитных электропроводящих изделий различной формы. Кроме того, достоинствйми этого метода являются простота его реализации, безопасность, высокое быстродействие, слабая зависимость результатов контроля от изменений паралетров окружаюбщей среды /7−19/. Основной проблемой, возникающей при контроле параметров изделий вихретоковым методом, является необходимость устраненияV" на результаты измерений вариаций неконтролируемых параметров изделия или зазора мелщу изделием и вихретоковым преобразователем. Для решения этой задачи в настоящее время используются главным образом приборы и устройства, реализующие традиционные амплитудный, фазовый, амплитудно-фазовый, частотный, амплитудночастотный алгоритмы обработки составлйцих выходного сигнала вихретокового преобразователя или методы стабилизации и вариации условий контроля /9,10,17−20/, Однако на практике известные методы обработки выходного сигнала преобразователя не обеспечивают высокой точности и простоты контроля, когда речь идёт о широких диапазонах вариаций контролируемого и неконтролируемого параметров изделия /18,20/, В связи с этим разработка новых методов, алгоритмов и реализующих их устройств, свободных от указанных выше недостатков, является актуальной задачей неразрушающего контроля электромагнитных и геометрических параметров изделий. Целью данной работы является разработка метода получения алгоритмов обработки составляющих выходного сигнала преобразователя применительно к решению задач двухпараметрового неразрушающего контроля качества изделий и решение на его основе некоторых важных задач структуроскопии, толщинометрии, дефектометрии и технической диагностики, Представлену"ая работа состоит из введения, четырёх глав, заключения и двух приложений. В первой главе диссертационное работы проведён анализ достоинств и недостатков известных методов неразрушающего контроля качества изделий применительно к решению двухпараметровых задач неразрушающего контроля электромагнитных параметров (главным образом удельной электрической проводимости), толщины покрытий и амплитуды вибраций электропроводящих изделий. На основе проведённого анализа был сделан вывод о том, что в отличие от других известных методов неразрушающего контроля вихретоковый метод обеспечивает производительный, одновременный и локальный контроль электромагнитных и геометрических параметров электропроводящих изделий и позволяет в некоторых весьма важных для практики случаях свести многопараметровый контроль электромагнитных и геометрических параметров изделий к двухпараметровому контролю. Отмечено, что вихретоковые приборы и устройства широко используются в различных отраслях промышленности для измерения электромагнитных и геометрических параметров электропроводящих изделий и, в частности, для контроля удельной электрической проводимости изделий и толщины покрытий. Проведённый в гл. I обзор различных источников отечественной и зарубежной информации показал, что серийно выпускаемые вихретоковые приборы не обеспечивают достаточную для практики точность измерений при вариациях в широких пределах контролируемого и неконтролируемого параметров изделия без разрушения готового изделия, а известные вихретоковые устройства не имеют существенных преимуществ перед серийно выпускаемьми приборами и/или сложны в реализации, Показано также, что известные методы обработки составляющих выходного сигнала преобразователя не позволяют получать алгоритмы, реализация которых приводила бы к решению задачи двухпараметрового контроля изделий с достаточной для практики точ.

4.6. Выводы.

I. Разработано универсальное устройство для исследования, реализации и получения алгоритмов, а также оригинальное универсальное устройство для измерения геометрических и электромагнит' ных параметров изделий.

2. Разработаны оригинальные специализированные вихретоковые устройства для измерения удельной электрической проводимости неферромагнитных плоских изделий, расстояния до неферромагнитных, а также феррои неферромагнитных электропроводящих изделий, амплитуды вибраций электропроводящих изделий, диаметра электропроводящих неферромагнитных изделий в виде цилиндра и глубины узких протяженных дефектов в них.

3. Один из алгоритмов функционирования специализированных устройств, полученный аналитическим путем, реализован в макете прибора ВИЭТ-3, отличающегося от приборов аналогичного назначения более высокими метрологическими характеристиками в широком диапазоне измеряемых толщин. Прибор ВИЭТ-3 удостоен бронзовой медали ВДНХ СССР и внедрен в производство с реальным экономическим эффектом 85,4 тыс. руб. в год.

4. Создан действующий макет прибора ВТДП-83 для измерения толщины диэлектрических покрытий на электропроводящих феррои неферромагнитных материалах с удельной электрической проводимостью не менее 0,5 МСм/м, отличающийся от аналогов простотой реализации и высокой достоверностью контроля изделия в широких диапазонах вариаций толщины покрытия и электромагнитных параметров основы. Он реализует алгоритм, полученный с помощью метода подбора эмпирических формул. Прибор ВТДП-83 удостоен бронзовой медали ВДНХ СССР. Экономический эффект от его внедрения составляет сумму не менее 55 тыс. руб. в год.

5. Достаточно высокие метрологические характеристики созданных макетов приборов являются экспериментальным подтверждением эффективности устройств, реализующих полученные в данной работе алгоритмы.

6. Реализация разработанных устройств не требует сложных схемных решений и может быть осуществлена средствами аналоговой и цифровой техники.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Анализ источников отечественной и зарубежной информации показал, что актуальной задачей двухпараметрового контроля электромагнитных и геометрических параметров изделий является. задача повышения точности измерений и/или расширения диапазонов вариаций контролируемого и неконтролируемого параметров изделия или зазора.

2. Анализ алгоритмов работы известных вихретоковых устройств, предназначенных для измерения толщины защитных покрытий, удельной электрической проводимости неферромагнитных изделий и амплитуды вибраций, показал, что известные устройства или имеют высокую погрешность измерений при вариациях контролируемого и неконтролируемого параметров изделия в широких пределах, или сложны в реализации. Исходя из проведенных иссследований была сфор

— мулирована основная цель диссертационной работы: разработка метода получения алгоритмов обработки составляющих выходного сигнала измерительного преобразователя, алгоритмов и вихретоковых устройств для. двухпараметрового контроля изделий, обеспечивающих (по сравнению с известными устройствами аналогичного назначения) более высокую точность измерений и/или простоту реализации контроля в широком диапазоне вариаций контролируемого и неконтролируемого параметров изделия или зазора.

3. Исходя из анализа аналитических выражений и годографов выходного сигнала вихретокового преобразователя при изменении контролируемого и неконтролируемого параметров изделия был разработан простой и эффективный метод получения алгоритмов функционирования устройств неразрушающего контроля, основанный на подборе эмпирических формул для описания амплитудно-фазовых зависимостей выходного сигнала преобразователя.

4. С помощью разработанного метода получены оригинальные алгоритмы функционирования устройств для измерения удельной электрической проводимости неферромагнитных плоских изделий, расстояния между вихретоковым преобразователем и поверхностью электропроводящего изделия, амплитуды вибраций, диаметра неферромагнитных электропроводящих изделий в виде цилиндра и глубины узких протяженных дефектов в них.

5. С помощью аналитического метода определен вид функциональной зависимости между составляющими выходного сигнала вихретокового преобразователя и толщиной любого слоя электропроводящего контролируемого изделия, а также получены оригинальные алгоритмы функционирования вихретоковых устройств для измерения расстояния до электропроводящих изделий.

6. Проведен сравнительный анализ известных и полученных алгоритмов по точности и простоте реализации в широких диапазонах изменения контролируемого и неконтролируемого параметров. Анализ показал, что разработанные в диссертации алгоритмы функционирования вихретоковых устройств существенно превосходят известные алгоритмы и могут быть использованы также для одновременного и независимого контроля нескольких параметров изделия, а также для создания устройств воспроизведения амплитудно-фазовых характеристик (годографов) вихретокового преобразователя, например, в учебных целях и инженерной практики.

7. Разработаны оригинальные универсальное и специализированные устройства для реализации полученных алгоритмов, обеспечивающие высокую точность и простоту осуществления измерений электромагнитных и геометрических параметров изделий в широком диапазоне вариаций контролируемого и неконтролируемого параметров.

8. Один из алгоритмов, полученных аналитическим путем, реализован в макете прибора ВИЭТ-3, предназначенного для одновременного и независимого измерения толщины алюминиевой плакировки и удельной электрической проводимости дюралюминиевой основы плакированных листов. Макет прибора ВИЭТ-3 отличается от приборов аналогичного назначения более высокими метрологическими характеристиками. Прибор ВИЭТ-3 удостоен бронзовой медали ВДНХ СССР и внедрен в производство с реальным экономическим эффектом 85,4 тыс. руб. в год.

9. Создан действующий макет прибора ВТДП-83 для измерения толщины диэлектрических покрытий на электропроводящих феррои неферромагнитных материалах с удельной электрической проводимостью не менее 0,5 МСм/м, отличающийся простотой реализации и высокой точностью измерений в широком диапазоне вариаций толщины покрытия и электромагнитных параметров основы изделия. Макет прибора реализует алгоритм, полученный с помощью метода подбора эмпирических формул. Прибор ВТДП-83 удостоен бронзовой медали ВДНХ СССР. Экономический эффект от его внедрения составляет сумму не менее 55 тысяч рублей в год.

10. Достаточно высокие метрологические характеристики созданных макетов приборов являются экспериментальным подтверждением эффективности метода получения алгоритмов подбором эмпирических формул и результатов, полученных аналитическим методом.

11. Реализация разработанных в данной работе алгоритмов не требует сложных схемных решений и может быть осуществлена средствами аналоговой и цифровой техники.