Электромеханические преобразователи

На правах рукописи
Федотов Александр Юрьевич
ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
ВИХРЕТОКОВОГО ТИПА ДЛЯ ОЦЕНКИ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ
ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩИХ ОБЪЕКТОВ
Специальность 05.09.01 – Электромеханика и электрические аппараты
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Самара - 2008 г.
2
Работа выполнена на
электротехники»
ГОУВПО
технического университета.
кафедре «Теоретические основы
Самарского
государственного
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор,
зав. кафедрой «Теоретические основы электротехники» Высоцкий В.Е.
Официальные оппоненты:
- доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой
«Электротехнического инженерно-педагогического образования» СамГТУ
Костырев М.Л.
- кандидат технических наук, доцент, зав. кафедрой
«Теоретической и общей электротехники» Оренбургского государственного
университета Бравичев С.Н.
Ведущая организация: Самарский государственный университет путей
сообщения (СамГУПС) 443066, г. Самара, 1-й Безымянный пер.,18.
Тел.262-41-12, факс 262-30-76.
Защита диссертации состоится «25» декабря 2008 года в 10
часов. На заседании диссертационного совета Д212.217.04 при
Самарском государственном техническом университете (СамГТУ) по
адресу: г. Самара, ул. Первомайская 18 в учебном центре СамГТУЭлектрощит.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Самарского
государственного технического университета, а с авторефератом на
официальном сайте СамГТУ - samgtu.ru.
Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенные
печатью) просим направлять по адресу: 443100, Самара, ул.
Молодогвардейская, 244, СамГТУ, главный корпус, ученому
секретарю диссертационного совета Д 212.217.04, факс: (846)2784400,
e-mail: aees@samgtu.ru
Автореферат разослан
«___»____________2008г.
3
Ученый секретарь диссертационного совета Д212.217.04
кандидат технических наук, доцент ____________Кротков Е.А.
Актуальность темы. Вихретоковые преобразователи для оценки
отдельных геометрических параметров используются в различных областях
практической деятельности. Машиностроение, энергетика, транспорт,
авиационная и космическая техника, дефектоскопия – вот те области, где
необходим контроль геометрических параметров. По мере развития этих
областей ужесточались и требования к точности устройств контроля
геометрических параметров и формы объектов.
Большой вклад в разработку теории и метода вихревых токов внесли
труды российских ученых: Герасимова В.Г., Гончарова В.В., Дорофеева А.Л.,
Клюева В.В., Никитина А.И., Покровского А.Д., Родигина Н.М., Сандовского
В.А., Соболева В.С, Сухорукова В.В., Фастрицкого Б.С., Федосенко Ю.К.,
Шатерникова В.Е., Шкарлета Ю.М, Шкатова П.Н. и др.
В настоящее время для измерения геометрических свойств
проводящих
объектов,
используются
системы,
основанные
на
непосредственном контакте с объектом, и системы, в основе которых лежит
бесконтактный оптический метод измерения. Как у контактных, так и у
оптических систем есть свои недостатки.
Несмотря на многообразие видов вихретоковых преобразователей
(ВТП) и способов выделения информации имеется множество уже
поставленных, но еще не решенных задач.
В
частности,
применение
бесконтактных
вихретоковых
преобразователей, характеристики которых мало зависят от воздействия
окружающей среды, позволит значительно расширить область применения
существующих систем контроля различных параметров, как объектов пути,
так и контактной сети на железнодорожном транспорте, и создать новые
системы для повышения качества оценки и точности измерения.
Цель работы - повышение достоверности оценки геометрических
параметров протяженных электропроводящих тел сложной формы путем
создания бесконтактных
электромеханических
преобразователей
вихретокового типа с соответствующей конфигурацией электромагнитного
поля и обмоточных структур.
Задачи исследования. Для достижения поставленной цели
необходимо было сформулировать и решить следующие задачи:
- провести обзор современных схем и конструкций вихретоковых
преобразователей
для
контроля
геометрических
параметров
электропроводящих объектов;
- разработать математическую модель и провести расчет
распределения электромагнитного поля информационного вихретокового
электромеханического
преобразователя
(ИВЭП)
для
протяженных
проводящих объектов сложной формы на базе численных методов;
- разработать методику проектирования ИВЭП;
4
- определить и проанализировать комплексные геометрические
характеристики распределения электромагнитного поля для образцов
типовых объектов на основе экспериментального моделирования с
использованием ИВЭП;
- разработать аппаратные и программные средства измерения,
регистрации и обработки сигналов ИВЭП для анализа геометрических
параметров объектов сложной формы;
- разработать опытные образцы ИВЭП
и провести
экспериментальные исследования.
Методы исследования. В работе приведены результаты
теоретических и экспериментальных исследований, полученных с
использованием теории линейных электрических цепей, конечноэлементного
подхода и спектрального метода обработки данных. При исследованиях
использовались разработанные с участием автора программы сбора и
предварительной обработки данных.
Научная новизна работы.
1. Разработана математическая модель для расчета распределения
электромагнитного поля на участках протяженного проводящего объекта
сложной геометрической формы, которая является базой для проектирования
различных типов ИВЭП.
2. Определены аналитическим и экспериментальным путем
комплексные
геометрические
характеристики
распределения
электромагнитного поля в зоне оценки и на их основе рассчитаны
конструктивные параметры и разработаны схемные решения ИВЭП.
3. Предложен функциональный способ построения ИВЭП, который
позволяет обеспечить достоверную оценку геометрических параметров
электропроводящих объектов сложной формы.
Практическая ценность работы.
1. На основе экспериментальных исследований комплексных
геометрических характеристик распределения электромагнитного поля
определена конфигурация обмоточных структур ИВЭП.
2. Предложены новые инженерные решения для совершенствования
конструкций и метрологических характеристик ИВЭП.
3. Разработаны методы и алгоритмы обработки сигналов для
распределенного и функционального типов ИВЭП.
Основные положения, выносимые на защиту.
1.Математическая
модель
электромагнитного
поля
ИВЭП
протяженных электропроводящих объектов, которая позволяет уточнить его
распределение для различной геометрической формы таких объектов.
2. Методика проектирования информационных вихретоковых
электромеханических преобразователей.
2. Результаты
исследований комплексных геометрических
характеристик электромагнитного поля ИВЭП для объектов сложной формы.
5
3. Новый, функциональный способ построения ИВЭП, а также
алгоритм и методика обработки его сигналов, предложенные автором.
Апробация работы.
Основные положения диссертационной работы доложены и
обсуждены: на второй всероссийской научно-практической конференции
«Перспективные задачи управления» 2007г., на научных семинарах кафедры
«Теоретические основы электротехники» Самарского государственного
технического университета.
Внедрение результатов работы.
Основные положения, выводы и рекомендации нашли применение в
бортовых системах контроля контактной сети БСК-КС на Куйбышевской
железной дороге, в компьютеризированных вагонах-лабораториях контроля
параметров контактной сети КВЛ-Э на железной дороге республики
Казахстан, а также в компьютеризированных вагонах-путеизмерителях КВЛП для контроля ширины рельсовой колеи.
Публикации.
По материалам диссертации опубликовано 9 работ, две из которых
входят в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий
ВАК России, получено три патента на полезную модель для устройств
контроля ширины рельсовой колеи, устройства для идентификации дефектов
поверхностного слоя головки рельса, а также два свидетельства об
официальной регистрации программ сбора и обработки данных для ЭВМ.
Структура диссертации.
Работа состоит из введения, четырех глав заключения, списка
использованной литературы и приложений.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертации,
сформулирована цель и поставлены задачи исследования, указана научная
новизна, практическая ценность работы и основные положения, выносимые
на защиту. Приведены сведения о публикациях, структуре и основных
вопросах рассмотренных в главах диссертации.
Первая глава посвящена исследованию современного состояния
как различных методов контроля геометрических параметров протяженных
проводящих тел сложной формы, так и обзору вихретокового метода
контроля.
В процессе анализа установлено, что наиболее перспективным
методом контроля геометрических параметров протяженных проводящих тел
сложной формы для всепогодной эксплуатации в настоящее время является
вихретоковый. Рассмотрены основные достоинства и недостатки
вихретокового метода контроля применительно к поставленной задаче.
6
Сделан краткий обзор конструкций и типов современных ВТП.
Изучена возможность применения типовых ВТП для поставленной задачи.
Показана необходимость в разработке оригинального универсального
ИВЭП для контроля комплексных геометрических параметров типовых
протяженных проводящих тел сложной формы с учетом воздействия
окружающей среды и сформулированы требования к его конструкции.
Во второй главе рассмотрены математические модели (ММ) для
типовых ИВЭП, приведены графики рассчитанные по приведенным
формулам. Разработана математическая модель взаимодействия проводящего
объекта с электромагнитным полем. В основе ММ лежит метод численного
решения дифференциальных уравнений Максвелла методом конечных
элементов на персональном компьютере. С помощью модели получено
распределение электромагнитного поля для разных геометрических форм
объект оценки, сделан вывод о возможности применения ИВЭП для контроля
геометрических параметров проводящих тел сложной формы.
Взаимодействие ВТП с объектом контроля определяется системой
уравнений Максвелла в дифференциальной форме:

rot H  j пол н.
(1)


B
rot E  
t

где
H -вектор
напряженности магнитного поля,
E -вектор
напряженности электрического поля, B - вектор магнитной индукции.
Вектор плотности полного тока: j пол н  j пр  j см  j пер  j стор , где
j пр    E - вектор плотности токов в проводящей среде, - удельная
электрическая проводимость, j c“  D t - вектор плотности вихревых токов
смещения,


D - вектор электрического смещения, jпер      B - вектор
плотности токов переноса,
 - вектор скорости переноса jстор - вектор
плотности стороннего тока (тока источника).
Система (1) дополнена уравнениями связи:
B    0  H ,
(2)
(3)
B  rot A ,
где 0 = 410 - магнитная постоянная, - относительная магнитная
проницаемость, A - векторный потенциал магнитного поля.
Система уравнений (1) преобразуется с учетом следующих допущений:
- ОК неподвижен относительно электромагнитного поля т.е. j пер  0 ;
-7
7
- среда изотропна и линейна, а ее параметры не зависят от
напряженностей полей;
- воздействия синусоидальны;
последовательность
дифференцирования
по
времени
и
пространственным координатам можно изменять, а операция
дифференцирования линейна и представляется в виде




rot H    j   E  j
0
стор

(4)






B

A



  rot A  rot
 rot  j A  
rot E  

t

t

t




 rot  E  j A   0,



(5)


Поскольку ротор градиента любого скаляра тождественно равен нулю,
величину в скобках выражения (5) можно приравнять градиенту некоторого
скаляра  , например скалярного потенциала электрического поля




(6)
E   grad  j    A .


Заменяя векторы напряженности магнитного и электрического поля в (6)
через векторный потенциал магнитного поля получаем :




grad div A-  A  - 0 (  j 0 )  ( grad  j A)   0 jстор. (7)
откуда после преобразований следует:




 2 A k 2  A  grad    0    j       0     0    div A     0  j стор ,
(8)


где k2 = 2     0    0 - j       0  ,
(9)
Поскольку векторный потенциал магнитного поля задан с точностью
до градиента некоторого скаляра, а потенциал  с точностью до постоянной
величины, имеется возможность положить значение величины в квадратных
скобках выражения (8) равным нулю (так называемая калибровка Лоренца). В
результате получаем уравнение Гельмгольца для векторного потенциала
магнитного поля

 2 A k
2


A    0 j стор.
,
(10)
В дальнейших рассуждениях используем следующие положения:
1. Поле ВТП квазистационарно в том смысле, что волновыми
процессами в воздухе можно пренебречь. Это вполне оправдано, т.к. размеры
8
ВТП и ОК обычно много меньше длины волны в воздухе, а потери на
излучение по сравнению с потерями в ОК малы.
2. В проводящем теле будем рассматривать только волновые процессы,
обусловленные наличием параметров  и , т.е. токами смещения(
пропорциональными 0 ) как и в воздухе пренебрегаем. Легко показать, что
это предположение справедливо не только для металлов, но и для
полупроводниковых материалов с удельным сопротивлением  до 50[Омсм].
2
В этом случае выражение (9) принимает вид : k   j       0  
3. Для получения зависимости сигналов ВТП от параметров объектов и
режимов оценки используем электромагнитную модель, в виде витков

радиуса Rв и Rи пренебрежимо малого сечения с переменным током I в ,
размещенного вблизи однородного цилиндрического объекта (рис.1).
2Rв
2Rи
rв
rи
Θв Θи
R
σ, μ r
Рис. 1. Схема объекта и размещенного над ним ВТП.
Решая уравнение (10) с граничными условиями, находим интегральное





выражение для A в виде A  A 0  Aв н , где A в н – вносимая в преобразователь
составляющая A , обусловленная реакцией объекта. Для перехода к ЭДС,
вносимой в измерительную обмотку малого сечения за счет влияния объекта,


воспользуемся формулой E   j    wв  wи  l  A , (11)
где l – длина контура измерительной обмотки, wи., wв – количество витков
измерительной и возбуждающей катушек. Вносимая в ВТП составляющая
векторного потенциала:



A вн   0  I в  sin  в    n (k R) 
n 1
где
Pn –
1

Pn (cos  в )  Pn (cos  n ) ,
1
1
(2  n  1)  rв  rи
n 1
(12)
нормированные присоединенные функции Лежандра первого
порядка,  и
 r -постоянные, а функции определяются по выражению
9
 n (k R)  R 2n 1 

k R  J n 0,5 (k R)  p  J n  0,5 (k R)




где
J n 0,5 ,
J n  0,5
,
(13)
n(1   r )  J n  0,5 (k R)  k R  J n 0,5 (k R)


– цилиндрические функции первого рода (Бесселя)
полуцелевого порядка.
При перемещении относительно ВТП объекта контроля со скоростью
достигающей несколько десятков метров в секунду в объекте могут
возникнуть дополнительные вихревые токи. Они обусловлены пересечением
электропроводящим объектом силовых линий магнитного поля. Влияние
дополнительных вихревых токов может привести к изменению значений
сигналов ВТП. Для учета скоростного фактора параметр k в формуле (13)
 k  v  2  .
будет иметь вид:
k   j     а       1

 2   




Рассмотренная математическая модель взаимодействия проводящего
объекта контроля с электромагнитным полем является достаточной для
поставленной задачи. С помощью ММ получено распределение
электромагнитного поля в зоне оценки для разных геометрических форм
объекта в том числе и для модели рельса (рис.2).
Рис.2 Распределение поля в для модели рельса.
Для
экспериментального
моделирования
распределений
электромагнитного поля
создан универсальный ИВЭП для контроля
комплексных геометрических характеристик протяженных проводящих тел
сложной формы (рис.3).
10
i
Ф
Генератор
Полезадающая катушка
Измерительные
катушки
Блок
измерения
(вертикальной и
горизонтальной составляющей
магнитного поля)
x
Объект контроля
Рис.3 Структурная схема универсального ИВЭП для контроля комплексных геометрических
параметров типовых протяженных проводящих тел сложной формы
Универсальный
ИВЭП
предназначен
для
исследования
геометрических параметров проводящих объектов, как при ручном
сканировании, так и в автоматическом режиме. Он позволяет фиксировать
векторную составляющую поля, совпадающую с плоскостью полезадающей
катушки и ортогональную ей. Информация регистрируемая ИВЭП
представляется на экране дисплея в виде семейства кривых в декартовой
системе координат.
Для сбора и оценки полученных данных создана специальная
программа, которая отображает зависимость вертикальной и горизонтальной
составляющих электромагнитного поля от текущего положения каретки в
реальном времени. Программа также позволяет сохранять полученные
данные в различных форматах для последующей обработки.
На примере железнодорожного рельса как проводящего
протяженного объекта сложной формы ставились следующие задачи:
- исследовать поле нормального (неизношенного) рельса в зоне,
доступной для установки измерительного преобразователя;
- исследовать влияние высоты установки датчика на картину поля;
- получить семейство характеристик поля при горизонтальном
смещении объекта;
- получить картину поля изношенного рельса для сравнения с полем
нового рельса;
- исследовать влияние ширины рельса на картину поля;
- произвести предварительную обработку информации с целью
сокращения анализируемых параметров.
Целью исследований является определение общей картины поля
рельса, зоны влияния рельса на поле катушки, изменение вектора поля в
зависимости от положения измерительных катушек в горизонтальном и
вертикальном направлениях. Семейство характеристик Y1(X1) и Y2(X1)
приведено на рис.4. Где Y1 – вертикальная составляющая вектора магнитного
поля; Y2 – горизонтальная составляющая. X1 – положение центра датчика
относительно условного центра установки.
11
Семейства характеристик горизонтальных и вертикальных составляющих
вихретокового поля были получены для нового рельса, для рельса с боковым
износом и для П-образных профилей, для каждого объекта исследований
были зарегистрированы характеристики при разных значениях высоты
размещения ВТП над объектом исследования, при разном боковом смещении
ВТП относительно центра объекта, также для некоторых объектов получены
характеристики при разных углах наклона объекта исследования
относительно вертикальной оси.
Полученные семейства характеристик дали возможность сделать
выводы качественного характера. Картины магнитного поля адекватно
отображают состояние контролируемых образцов, которое характеризуется
ограниченным числом параметров - горизонтальным перемещением
контролируемого образца, вертикальным перемещением контролируемого
образца, шириной образца и наклоном образца относительно вертикальной
оси.
Любые изменения характеристик контролируемого образца приводят
к изменению всей картины вихретокового поля – как его вертикальной, так и
горизонтальной составляющих магнитной индукции.
Центру рельса соответствует максимальный уровень сигнала датчика
вертикальной составляющей магнитного поля и пересечение "нуля"
характеристики горизонтальной составляющей индукции магнитного поля.
Y1,Y2, вольты
-7
-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
5
6
7
7
7
6
6
5
5
4
4
3
3
2
2
1
1
0
0
-1
-1
-2
-2
-3
-3
-4
-4
-5
-5
-6
-6
-7
H=15мм, Y1
H=15мм, Y2
H=21мм, Y1
H=21мм, Y2
H=33мм, Y1
H=33мм, Y2
-7
-7
-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
X, сантиметры
2
3
4
5
6
7
Рис. 4. Новый рельс. Семейство характеристик вертикальных и горизонтальных составляющих
вихретокового поля для значений высоты 15мм, 21мм и 33мм
12
Годографы вектора магнитной индукции имеют эллиптическую
форму. Изменение высоты датчика над поверхностью рельса приводит к
изменению размеров "эллипса" при сохранении пропорций (рис.5).
Анализ полученных данных дал возможность рассмотреть и
предложить способы обработки данных, в частности применить
спектральный метод обработки данных, разработать алгоритм и устройства
контроля геометрических параметров протяженных проводящих объектов.
Экспериментальным моделированием подтверждены математические
расчеты и получены дополнительные данные о распределении
электромагнитного
поля.
Проведенные
эксперименты
показали
принципиальную возможность извлечения полезной информации из
характеристик вихретокового поля. Из множества факторов, определяющих
картину поля, наиболее существенными в данном случае являются:
– горизонтальное перемещение объекта;
– вертикальное перемещение объекта;
– ширина объекта;
– наклон поверхности объекта к плоскости измерения.
-7
-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
5
6
7
6
6
6
5
7
5
H = 15 мм
H = 21 мм
H = 33 мм
5
4
4
4
6
8
5
Y1, вольты
3
3
7
3
4
8
2
2
3
9
2
5
1
1
6
9
7
4
2
1
1
3
8
2
9
1110
1
10
10
11
11
0
0
-1
-1
-7
-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
Y2, вольты
2
3
4
5
6
7
Рис.5. Новый рельс. Годографы вектора В ( по оси х откладывалось значение напряжения
горизонтальной составляющей магнитного поля, по оси y откладывалось значение напряжения
вертикальной составляющей магнитного поля)
Данные, полученные по результатам математического и
экспериментального моделирования, позволяют сделать вывод о
возможности разработки ИВЭП для оценки геометрических параметров
проводящих объектов сложной геометрической формы и предложить
конструкцию первичного преобразователя.
13
Третья глава посвящена проектированию и разработке ИВЭП,
рассмотрены элементы ВТП, предложена методика расчета распределенных
накладных ИВЭП, рассмотрены также вопросы построения элементов схем
вторичных
преобразователей.
Предложены
принципиальные
и
функциональные схемы генераторов предобработки.
В большинстве инженерных расчетов для их упрощения использeтся
нитевидная модель обмоток накладного ВТП. Обычно анализируются
вносимые параметры ВТП (напряжение, импеданс) поэтому выражение для
вычисления
вносимого
напряжение
кругового
трансформаторного


накладного ВТП будет иметь вид: Uвн     j  2      w1  w 2  R2  A вн или.:

x
Uвн  j       0  wи  wв  R  I    m  exp(  x  h* )  J1 ( x  Kr )  J1 ( )dx (15)
K
r
0
где  = 2f - круговая частота тока возбуждения I, 0- магнитная
постоянная, wи , wв - числа витков измерительной и возбуждающей обмоток
ВТП, R = (RиRв) - эквивалентный радиус ВТП, Kr = (Rв/Rи) параметр ВТП,
x- переменная интегрирования, h* = (hи + hв)/2 обобщенный зазор, J1- функция
Бесселя 1 рода 1 порядка, m - функция граничных условий
Функция
граничных
условий
для
m-слойного
ОК
с
плоскопараллельными слоями может быть вычислена по рекуррентной
формуле:
m 
где
 2m  x2  q 2m   thq m  bm*    2m  x2  q 2m   thq m  bm*   2  x   m  q m    m1 ,
 2m  x2  q 2m   thq m  bm*   2  x   m  q m   2m  x2  q 2m   thq m  bm*    m1
qm 
x 2  j   m   2m
(16)
,  m  R     0   m ,   1  x  q 1 ,
1
1  x  q 1
th(z) - гиперболический тангенс, m- относительная магнитная проницаемость
m-го слоя, bm* = 2tm / R- относительная толщина m-го слоя, tm - толщина m-го
слоя, qm - обобщенный параметр m-го слоя, 1- функция граничных условий
для нижнего полубесконечного слоя, для воздуха (  = 1 ,  = 1 ,  = 0 ) 1=0
При анализе годографов для удобства используют нормированные
зависимости. Для нитевидного ВТП нормировку производим по модулю
максимального вносимого напряжения, которое соответствует идеально
проводящему ОК и вычисляется при м = -1:

U*вн
 j
x
  m  J1 ( x  K r )  J1 ( K )  exp(  x  h* )dx
0
r

x
0
r
(17)
 J1 ( x  K r )  J1 ( K )  exp(  x  h* )dx
Такая нормировка обобщает полученные результаты, расширяет
область их применения и делает их однозначными.
14
Предложенная методика расчета распределенных ИВЭП приведена для
случая оценки ширины электропроводящего бруска. В качестве объекта
идентификации был взят брусок выполненный из стали ,  = 31Мсм/м и
имеющий геометрические размеры 75х75х500мм схожие с головкой
железнодорожного рельса. Модель размещения 10 рамок и и полезадающей
катушки приведены на рис.6.
Полезадающая
рамка
Измерительная
рамка
10
мм
.
Брусок
Рис.6. Схема размещения рамок.
Проведен спектральный анализ задачей которого, было проследить
влияние коэффициентов разложения параметров поля на изменение
интересуемых переменных: горизонтального перемещения, вертикального
перемещения плоскости измерения относительно контролируемого объекта, а
также изменение геометрических характеристик объекта – его ширины и
наклона поверхности относительно плоскости измерения. По результатам
анализа был предложен алгоритм обработки сигналов информационных
электромеханических преобразователей вихретокового типа, который
позволяет простыми математическим операциями оценивать требуемые
свойства объектов.
Четвертая глава посвящена экспериментальному исследованию
параметрического и функционального ИВЭП.
Для исследования ИВЭП был разработан комплекс аппаратуры.
Комплекс состоит из:
– блока ГС-100, который содержит генератор, фазосдвигающее
устройство, усилитель мощности, фазочувствительный усилитель;
– блока ИП-2, содержащего блок питания и цифровую индикацию;
– заменяемые блоки ВТП различных типов и конструкций;
– стенд, включающий подвижную каретку, устройство
позиционирования, датчик положения ДП, двигатель постоянного
тока ДПТ, аналоговые индикаторы;
– устройство сопряжения с ЭВМ;
– ЭВМ;
– прикладное программное обеспечение.
Структурная схема блока ГС-100 приведена на рис.7.
15
ГЕН
ФСУ
УМ
ВТП
ФЧУ
Вольт
Рис.7. Структурная схема блока ГС-100 (ГЕН – задающий генератор, ФСУ –
фазосдвигающее устройство, УМ – усилитель мощности, ВТП – вихретоковый преобразователь
(внешнее устройство), ФЧУ – фазочувствительные преобразователи, Вольт – вольтметры
(цифровые индикаторы)
Структурная схема стенда приведена на рис.8.Подвижная каретка
обеспечивает
горизонтальное
перемещение
измерительного
блока
относительно объекта. Вертикальное перемещение обеспечивается
изменением положения объекта оценки.
Исходя из особенностей объекта и условий контроля геометрических
параметров протяженных проводящих тел сложной формы были разработаны
два типа ИВЭП. Один так называемый распределенный ИВЭП, второй
функциональный ИВЭП.
Система распределенных в пространстве многодатчиковых ИВЭП дает
дополнительную информацию о контролируемом объекте за счет увеличения
количества измеряемых параметров вихревого поля. На этом принципе
основаны линейки ВТП и матрицы ВТП. Область применения от датчиков
положения и расстояния до распределенных вихретоковых дефектоскопов.
Рис.8. Структурная схема стенда (ВТП – вихретоковый преобразователь, ПЗК –
полезадающая катушка, ИК – измерительная катушка, ГСС – генератор сигналов, П –
перемножитель, У – усилитель, АЦП – аналого-цифровой преобразователь, ЭВМ – электронновычислительная машина, ДП – датчик положения, ДПТ – двигатель постоянного тока)
На
рис.9.
показан
распределенный
(многодатчиковый)
дифференциальный ИВЭП контролирующий ширину и положение
проводящего объекта. ИВЭП состоит из двух линеек измерительных катушек
- рамок и полезадающей катушки. Конструкция такой линейки датчиков
чрезвычайно проста, обладает хорошей воспроизводимостью. Количество
16
рамок определяется требуемой частотой отсчетов и протяженностью
контролируемого участка пространства.
Полезадающая
катушка
ø ø ø ø ø ø ø ø
Измерительные
катушки
ø ø ø ø ø ø ø ø
x
Объект оценки
Рис.9 Топология распределенного ИВЭП.
Распределенный ВТП размещается на некотором расстоянии над
объектом, изменение ширины объекта приводит к изменению картины поля и
как следствие изменяется выходное напряжение измерительных катушек.
Мешающим фактором в измерении ширины и положения объекта
является: наклон самого объекта. Расстояние от объекта до ВТП считаем
фиксированным, боковое же смещение объекта относительно центра ВТП
является контролируемым параметром.
Картина вихретокового поля строится из полученных отсчетов путем
использования процедуры интерполирования D (рис.10.)В результате
лабораторных испытаний была получена картина распределения поля нового
рельса для расстояния 9мм y(x) (рис.11), методом сканирования, применяя
только пятый первичный преобразователь распределенного ИВЭП.
Рис.10 Сигналы первичных преобразователей распределенного ИВЭП.
17
Для восстановления характеристики объекта из полученных отсчетов
была использована процедуры интерполирования. Наиболее близкие
значения к исходному сигналу показала сплайновая интерполяция a(x).
Погрешность в оценке с применением сплайновой интерполяции по
отношению к исходному сигналу на заданном участке в лабораторных
условиях не превышала 2%.
Теоретически не существует однозначного соответствия картины поля и
формы поверхности, ее обусловливающей. Для устранения неоднозначности
требуется дополнительная информация. Эта информация может быть
получена с помощью функциональных ИВЭП.
Применение функциональных ИВЭП позволяет существенно расширить
функциональные возможности систем распределенных ИВЭП.
В основе функциональных ИВЭП лежит идея осуществить отстройку
от мешающих факторов и выделить необходимую полезную информацию из
сигнала ВТП на уровне чувствительного элемента – измерительной катушки.
Сущность
способа
построения
функциональных
вихретоковых
преобразователей заключается в изготовлении измерительной катушки
специальной формы, которая соответствует требуемой функциональной
зависимости выходного сигнала от пространственного распределения поля
рис.11.
Полезадающая катушка
Измерительная катушка S1
Измерительная катушка S2
x
Объект оценки
Рис.11 Топология функционального преобразователя.
Для контроля ширины рельсовой колеи с учетом износа рельса были
изготовлены измерительные катушки следующих функциональных
зависимостей: S1  S1  sin( x) , S 2  S 2  cos( x) ,
где: S-чувствительность катушек
В качестве рабочего тела используется объект цилиндрической формы,
расположенный
параллельно
плоскости
измерительных
катушек
перпендикулярно оси X. Выходная величина определяется как:
U
x  C  Arctg 1 ,
U2
где: U1 и U2 - синфазные составляющие вектора напряжения 1 и 2
катушек, С – константа.
Преимуществом такого функционального ИВЭП является отсутствие
зависимости его выходного сигнала от амплитуд сигналов измерительных
18
обмоток, которые определяются величиной индукции поля, размерами
рабочего тела, расстоянием до объекта и другими факторами.
Для распределенного ИВЭП погрешность определения положения
изношенной кромки составляет 34 мм, неизношенной кромки изношенного
рельса – 78мм.
Для снижения погрешности определения положения кромок рельсов,
а также параметров износа следует учесть дополнительные параметры
магнитного поля – степень асимметрии и ширины диаграмм характеристик
магнитного поля.
Для функциональных ИВЭП погрешность определения положения
изношенной кромки составляет 12 мм, неизношенной кромки изношенного
рельса – 56мм.
Характеристики вихретокового поля, измеренные в интервале 
50мм относительно геометрической оси рельса отображают интересуемые
факторы: положение рельса относительно зоны измерения поля в
горизонтальном и вертикальном
положении, боковой износ, износ
поверхности головки рельса.
Материал, полученный в результате исследований вихретоковых
полей рельсов и искусственных образцов дал возможность провести
разработку алгоритмов вычисления требуемых параметров рельсов и
рельсовой колеи.
Для
сокращения
количества
анализируемых
переменных
целесообразно применить функциональное преобразование параметров
вихретокового поля.
На практике проверены алгоритмы количественной оценки
параметров износа головки рельса.
В приложении приведены акты внедрения работы на предприятиях,
а также дополнительные материалы, не вошедшие в основной текст
диссертации.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ
В результате проведенной работы получены следующие результаты.
1.Эффективность применения вихретокового метода для оценки
проводящих объектов показана на основе анализа современных методов
неразрушающего контроля.
2.Математическая модель распределения поля информационного
вихретокового электромеханического преобразователя дает возможность с
заданной погрешностью оценить свойства протяженных проводящих
объектов произвольной формы.
3.Методика проектирования позволяет реализовать информационный
вихретоковый
электромеханический
преобразователь
с
различной
конфигурацией обмоточных структур.
19
4. С помощью разработанного универсального информационного
вихретокового
электромеханического
преобразователя
исследованы
комплексные геометрические характеристики различных протяженных
проводящих объектов сложной формы
5.Анализ
распределения
горизонтальной
и
вертикальной
составляющей электромагнитного поля для электропроводящих объектов
различной формы с помощью разработанного программно-аппаратного
комплекса, подтвердил адекватность математической модели и ее точность в
пределах, допустимых для инженерной практики.
6.В алгоритме обработки сигналов ИВЭП применен спектральный
метод обработки данных для количественной оценки геометрических
параметров объектов.
7.На основе разработанных принципов построения схем вторичных
преобразователей предложен ряд принципиальных и функциональных схем
генераторов, а также схем предобработки.
8.Изготовлен и запатентован функциональный вихретоковый
преобразователь для контроля ширины рельсовой колеи, а также
распределенный вихретоковый преобразователь для контроля ширины и
перемещения проводящего объекта.
9.Разработан и внедрен ряд конструкций ИВЭП оценки состояния
объектов пути и параметров контактной сети для применения на
железнодорожном транспорте.
Основные положения диссертации
отражены в следующих публикациях
1. А.Ю.Федотов. Вихретоковые преобразователи. [Текст]/ А.Ю.Федотов, В.Д.Привалов,
В.Е.Высоцкий, Д.С.Назаренко. // Вестник СамГТУ, серия «Технические науки», №1(19)-2007, с.
194 – 195.
2.
А.Ю.Федотов.
Информационные
электромеханические
преобразователи
вихретокового типа. [Текст] /
А.Ю.Федотов, В.Д.Привалов, В.Е.Высоцкий // ИВУЗ
Электромеханика, №6, 2007, С.93-94.
3. Патент на полезную модель Российская Федерация № 48171, МПК 7 B 61 K 9/08, E 01
B 35/04. Устройство для измерения ширины рельсовой колеи [Текст]/ Привалов В.Д., Федотов
А.Ю.; заявитель и патентообладатель Закрытое акционерное общество Научнопроизводственный центр информационных и транспортных систем (НПЦ ИНФОТРАНС).№2005110745/22 заявл. 12.04.2005, опубл. 27.09.2005, Бюл. №27.- 4с. : илл.
4. Патент на полезную модель Российская Федерация № 61672, МПК 7 B 61 K 9/08, E 01
B 35/04. Устройство для измерения ширины рельсовой колеи [Текст]/ Архангельский С.В.,
Привалов В.Д., Федотов А.Ю.; заявитель и патентообладатель Закрытое акционерное общество
Научно-производственный центр информационных и транспортных систем (НПЦ
ИНФОТРАНС).- №2006141473/22 заявл. 23.11.2006, опубл. 10.03.2007, Бюл. №7.- 3с. : илл.
5. Федотов А.Ю. Функциональные вихретоковые преобразователи. [Текст]/
А.Ю.Федотов, В.Д.Привалов, В.Е.Высоцкий, Д.С.Назаренко // Сборник материалов второй
всероссийской научно-практической конференции «Перспективные задачи управления» г.
Таганрог 2007, с.74
6. Федотов А.Ю. Использование физико-математического моделирования для
моделирования систем с неопределенностью. [Текст]/ А.Ю.Федотов, Д.С.Назаренко, А.С.Гуртов
20
// Сборник материалов второй всероссийской научно-практической конференции
«Перспективные задачи управления» » г. Таганрог 2007, с.177
7. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ Российская
Федерация №2007611403. Программа постобработки данных о состоянии контактной сети в
стационарном режиме, полученных из бортовой системы контроля контактной сети,
устанавливаемой на автомотрисе. [Текст]/ Урсов С.Н., Федотов А.Ю., Кайманов В.В.; заявитель и
патентообладатель Закрытое акционерное общество Научно-производственный центр
информационных и транспортных систем (НПЦ ИНФОТРАНС).- №2007610499 заявл. 14.02.2007
8. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ Российская
Федерация №2007611402. Программа сбора, обработки данных о состоянии контактной сети в
реальном масштабе времени, полученных из бортовой системы контроля контактной сети,
устанавливаемой на автомотрисе. [Текст]/ Урсов С.Н., Федотов А.Ю., Кайманов В.В.; заявитель и
патентообладатель Закрытое акционерное общество Научно-производственный центр
информационных и транспортных систем (НПЦ ИНФОТРАНС).- №2007610498 заявл. 14.02.2007
9. Патент на полезную модель Российская Федерация № 67948, МПК7 B 61 K 9/08, E 01
B 35/04. Устройство для идентификации дефектов поверхностного слоя головки рельса [Текст]/
Архангельский С.В., Привалов В.Д., Урсов С.Н., Федотов А.Ю.; заявитель и патентообладатель
Закрытое акционерное общество Научно-производственный центр информационных и
транспортных систем (НПЦ ИНФОТРАНС).- №2007126240/22 заявл. 09.07.2007, опубл.
10.11.2007, Бюл. №31.- 3с. : илл.
Личный вклад автора. В работах [1-3, 5, 9] автору принадлежит
постановка и методика решения задачи оценки геометрических параметров
проводящих объектов с помощью информационных электромеханических
преобразователей вихретокового типа, в работах [6-8] разработка
вычислительных алгоритмов.
21
Разрешено к печати диссертационным советом Д 212.217.04 решение №____ от «___» мая 2008г.
Форм. 60 Х 84 1/16. Бумага офсетная. Ус. п. л.
. Тираж 100 экз. Заказ №286
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Самарский государственный технический университет»
443100, Самара, ул. Молодогвардейская, 244, СамГТУ, главный корпус.
22