Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ типов дефектов стальных канатов и существующих конструкций электромагнитных преобразователей (ЭМП) 11
1.1 Дефекты стальных канатов 11
1.2 Методы регистрации и идентификации дефектов стальных канатов 14
1.3 Устройства для электромагнитного контроля стальных канатов 17
1.3.1 Устройства для магнитной дефектоскопии стальных канатов 18
1.3.2 Устройства для контроля геометрических параметров стальных канатов 28
1.4 Выводы по главе 1 30
2 Электромагнитные преобразователи для контроля обрывов и износа проволок стальных канатов 33
2.1 Выбор типа и конфигурации намагничивающего устройства ЭМП 34
2.2 Математическое моделирование магнитных полей в зоне дефектов 37
2.3 Способы регистрации повреждений первой группы 48
2.3.1 Исследование и выбор способа регистрации повреждений типа «Потеря металлического сечения» 48
2.3.2 Измерительные элементы для канала «Локальные дефекты» 53
2.4 Методика проектного расчета ЭМП устройства для контроля состояния стальных канатов 57
2.5 Применение алгоритмов цифровой обработки сигналов для повышения достоверности обнаружения повреждений стальных канатов 77
2.6 Исследование процесса движения ЭМП по стальному канату 79
2.7 Выводы по главе 2 83
3 Электромагнитные преобразователи для контроля геометрических параметров стальных канатов 84
3.1 Математическое моделирование и оптимизация конструкции вихретокового ЭМП 87
3.1.1 Исследование влияния геометрических параметров ЭМП на его характеристики 87
3.1.2 Исследование влияния диаметра каната на характеристики ЭМП 91
3.2 Исследование проходных характеристик вихретокового ЭМП 96
3.3 Анализ влияния геометрии и внешних параметров на проходную характеристику при совместной работе нескольких ЭМП 99
3.4 Методика проектного расчета вихретокового ЭМП 103
3.5 Выводы по главе 3 105
4 Практическая реализация и экспериментальное исследование устройств контроля состояния стальных канатов 107
4.1 Реализация усилительных и нормирующих устройств, блока регистрации и идентификации дефектов 107
4.2 Устройства для магнитной дефектоскопии стальных канатов на базе предложенных конструкций ЭМП 119
4.3 Автоматизированный стенд для исследования устройств контроля стальных канатов 121
4.4 Экспериментальное исследование ЭМП для магнитной дефектоскопии 125
4.5 Экспериментальное исследование ЭМП устройств для контроля 130
геометрических параметров стальных канатов 130
4.6 Устройство контроля геометрических параметров стальных канатов на базе вихретоковых ЭМП 132
4.7 Выводы по главе 4 135
Основные результаты работы 137
Список использованных источников 144
- Устройства для контроля геометрических параметров стальных канатов
- Исследование и выбор способа регистрации повреждений типа «Потеря металлического сечения»
- Анализ влияния геометрии и внешних параметров на проходную характеристику при совместной работе нескольких ЭМП
- Автоматизированный стенд для исследования устройств контроля стальных канатов
Введение к работе
Актуальность работы. Наиболее эффективными методами контроля состояния стальных канатов являются электромагнигные методы наразрушающе-го контроля Существующие устройства контроля определяют лишь часть повреждений, нарушающих нормальное функционирование стальных канатов. К их недостаткам можно отнести невысокую точность, существенное энергопотребление, низкие массогабаритные показатели Устройства контроля, созданные на основе электромагнитных методов, имеют в своем составе электромагнитный преобразователь (ЭМП), представляющий собой совокупность намагничивающего устройства на базе электромагнитов или постоянных магнитов, магниточувствительных элементов и первичных измерительных преобразователей и обеспечивающий перераспределение и регистрацию потоков энергии магнитного поля при взаимодействии с контролируемым объектом - стальным канатом
Проектирование электромагнитных преобразователей с использованием методов, традиционных для электромагнитных устройств, затрудняется сложной конструкцией стальных канатов, их пространственной и магнитной неоднородностью, разным характером дефектов. В связи с этим возникает необходимость разработки математических моделей и методик проектирования, позволяющих создать новые конструкции электромагнитных преобразователей для повышения эффективности функционирования устройств контроля состояния стальных канатов
Работа соответствует научному направлению ЮРГТУ (НПИ) на 2006 -2010 гг. «Интеллектуальные электромеханические устройства, системы и комплексы», утвержденному решением ученого совета от 1.03.06г.
Целью диссертационной работы является создание электромагнитных преобразователей для повышения эффективности устройств дефектоскопического контроля стальных канатов на основе использования методов математического моделирования.
Для достижения цели в работе поставлены следующие задачи.
Выполнить анализ разных типов дефектов и существующих устройств контроля, позволяющий сформулировать требования к ЭМП
Разработать новые конструкции ЭМП, произвести выбор типа и конфигурации намагничивающего устройства ЭМП по результатам математического моделирования магнитных полей рассеяния дефектов, определить оптимальный магнитный режим работы ЭМП, сформулировать требования к первичным измерительным преобразователям, устройству регистрации и идентификации дефектов, предложить варианты их реализации
Выполнить практическую реализацию устройств для магнитной дефектоскопии на базе предложенных конструкций ЭМП
На основе математического моделирования разработать конструкцию ЭМП для устройств контроля геометрических параметров стальных канатов
Практически реализовать устройство контроля геометрических параметров стальных канатов на базе вихретокового ЭМП
6 Провести экспериментальные исследования ЭМП для устройств контроля стальных канатов с помощью созданного автоматизированного стенда
Методы исследований. В диссертационной работе использованы методы теории электрических и магнитных цепей, методы теории поля, численные и аналитические методы решения систем алгебраических уравнений. Экспериментальное исследование опытных образцов проводилось с использованием программно-аппаратного комплекса на базе ПЭВМ. Научная новизна.
Предложены новые способы и разработаны ЭМП для устройств контроля стальных канатов, отличающиеся от существующих высокими метрологическими, массогабаритными показателями и низким энергопотреблением
На основе математического моделирования впервые получены картины магнитных полей дефектов, позволяющие осуществить выбор датчиков для их регистрации, установить оптимальную конфигурацию и основные геометрические параметры ЭМП, обеспечивающие наибольшую чувствительность к дефектам
Впервые создана методика проектного расчета ЭМП для устройств магнитной дефектоскопии круглых стальных канатов, обеспечивающая высокие метрологические, массогабаритные показатели и сниженное энергопотребление ЭМП
Созданы новые математические модели, методика проектирования и соответствующее программное обеспечение, позволяющие проектировать вих-ретоковые ЭМП с высокой чувствительностью и линейностью
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются корректностью допущений, принимаемых при разработке расчетных схем и математических моделей, применением традиционных методологических принципов современной науки для их исследования, использованием метрологически аттестованного оборудования для проведения экспериментов, приемлемой сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований.
Практическая значимость работы заключается в следующем.
Разработаны методики, алгоритмы и соответствующее программное обеспечение для анализа электромагнитных процессов, протекающих в ЭМП для устройств контроля стальных канатов.
На основании результатов исследований спроектированы и практически реализованы опытные образцы устройств для контроля стальных канатов, в НИИ ЭМ ЮРГТУ (НПИ) осуществляется выпуск опытной партии приборов
На предложенные способы и разработанные устройства получено 4 патента РФ, 2 свидетельства на полезные модели РФ и 1 свидетельство о регистрации программи.
Разработан и изготовлен автоматизированный стенд дня экспериментальных исследований ЭМП для дефектоскопии стальных канатов
Внедрение работы. Теоретические и практические результаты работы использовались при разработке новых устройств для контроля состояния стальных
канатов для ряда предприятий ЮФО (ИКЦ «Мысль», г Новочеркасск, КПК «Ав-токрансервис», г Ставрополь) НИИ Электромеханики ЮРГТУ (НПИ) осуществляет мелкосерийное производство опытной партии устройств контроля состояния стальных канатов для предприятий и организаций, занимающихся обслуживанием подъемно-транспортных сооружений Устройства прошли испытания с целью утверждения типа средства измерения в Госреестре средств измерений РФ, получен сертификат соответствия RU Е27 062 А № 29554 от 20 11 07г
Основные положения, выносимые на защиту.
1 Результаты математического моделирования магнитных полей дефектов стальных канатов в магнитной системе ЭМП - стальной канат
2. Электромагнитные преобразователи и соответствующие способы контроля состочния стальных канатов.
Методика проектного расчета ЭМП для устройств контроля потери металлического сечения и локальных дефектов стальных канатов
Математические модели, методика проектирования и комплекс программ для проектирования вихретоковых ЭМП для контроля геометрических параметров стальных канатов
Апробация работы Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на межкафедральных научно-технических конференциях кафедр «Электрические и электронные аппараты», «Информационно-измерительная техника», «Автоматика и телемеханика» и «Подъемно-транспортные машины» ЮРГТУ (НПИ) (г Новочеркасск, 2002 г, 2003 г ), ежегодных научно-технических конференциях молодых ученых, аспирантов и студентов ЮРГТУ (НПИ) (г. Новочеркасск, 2002-2006 гт и п г), международных научно-практических коллоквиумах «Проблемы мехатроники» (г Новочеркасск, 2003 - 2005 г.), международной научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития электроподвижного состава» (г Новочеркасск, 2003 г )
Работа была отмечена грантом НИР конкурса 2004 года для поддержки научно-исследовательской работы аспирантов государственных общеобразовательных учреждений высшего профессионального образования, находящихся в ведении Федерального агентства по образованию (грант № А04-3 14-72)
Публикации. По теме диссертации оігубликовано 20 печатных работ, в том числе: 6 работ в рецензируемых научных журналах из перечня ВАК и 7 тезисов докладов на различных научных конференциях, получены 4 патента РФ, 2 свидетельства на полезную модель и 1 свидетельство о регистрации программы.
Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 89 наименования и приложений Общий объем работы 205 страниц, включая 54 страниц приложений и 93 иллюстраций
Устройства для контроля геометрических параметров стальных канатов
Как было отмечено выше, наиболее перспективными для контроля повреждений, связанных с потерей металлического сечения стальных канатов, являются электромагнитные методы. Также возможно их использование и для контроля геометрических параметров стального каната, который в первом приближении может быть представлен в виде цилиндра бесконечной длины. В технике известен ряд решений для определения геометрии цилиндрических изделий основанных на использовании электромагнитных методов.
Например, известен способ бесконтактного измерения параметров цилиндрических проводящих изделий, заключающийся в проведении измерений на одной фиксированной частоте переменного магнитного поля [29]. На изделие последовательно воздействуют постоянным и переменным однородным осесиммитричным магнитным полем с одинаковой максимальной напряженностью. Измеряют относительный вносимый поток в постоянном магнитном поле, амплитуду и фазу относительного магнитного потока в переменном магнитном поле и определяют относительную магнитную проницаемость изделия, его удельную электропроводность и диаметр.
В [30] для решения поставленной выше задачи на изделие воздействуют однородным переменным осесимметричным магнитным полем, изменяя его частоту до момента достижения максимума действительной составляющей относительного вносимого напряжения. В этот момент регистрируют частоту переменного магнитного поля, модуль и фазу относительного напряжения, после чего определяют относительную магнитную проницаемость, удельную электропроводность и радиус изделия.
В [31] описано устройство для измерения диаметра длинномерных цилиндрических изделий, содержащее четыре преобразователя линейных перемещений, расположенных диаметрально противоположно, четыре нормирующих блока, сумматор, блок индикации, механизм транспортировки и базирующий элементы. При измерении диаметра сигналы с преобразователей перемещения поступает на нормирующие блоки, далее на сумматор, после чего отображается блоком индикации. Механизм транспортирвки, предназначен для перемещения контролируемого объекта через устройство и располается на опоре при помощи базирующихся элементах, расположенных на опоре. К его недостаткам относятся низкая достоверность контроля, обусловленная эксплутаци-онными особенностями (наличием смазки) стальных канатов, а также вибрацией, возникающей при перемещении каната в устройстве.
Для устранения вышеуказанных недостатков в устройстве [32] было предложено использовать вместо преобразователей линейных перемещений вихретоковые электромагнитные преобразователи. Разработанное устройство изображено на рисунке 1.7, где 1- разъемный корпус, 2 контролируемый канат, 3- вихретоковые электромагнитные преобразователи,4-нормирующие блоки, 5 -сумматор, 6-блок индикации.
При проведении контроля диаметра стального каната, последний помещается в корпус устройство, и осуществляется измерение суммарного расстояния между боковой поверхностью контролируемого каната и вихретоковыми электромагнитными преобразователями. Изменение диаметра приводит к изменению суммарного расстояния между канатом и преобразователями, что регистрируется и отображается блоком индикации.
Применение способов определения геометрии стальных канатов, основанных на измерении параметров электромагнитного поля, ограничивается тем, что стальной канат имеет сложную конструкцию, состоящую из множества отдельных проволок, которая будут существенно искажать полученные данные. Кроме того, для реализации этой технологии измерения необходимо использовать низкочастотные электромагнитные поля, которые будут оказывать вызывать дополнительное подмагничивание материла контролируемого объекта и затруднять работу других измерительных каналов.
Наиболее эффективным для контроля геометрии стальных канатов является использование устройств, использующих электромагнитные преобразователи для определения зазора (расстояния) в некоторых точках до поверхности контролируемого объекта. 1. Большинство дефектов стальных канатов плохо поддаются визуальному контролю, поэтому для их обнаружения необходим инструментальный контроль. 2. Дефекты стальных канатов можно разделить на две группы. Первая группа – дефекты, характеризующиеся потерей количества металла в поперечном сечении стального каната – уменьшение его металлического сечения и локальные обрывы проволок. Вторая группа включает в себя повреждения, сопровождающиеся изменением геометрических параметров без потери металла – изменение его диаметра и параметров волнистости. При этом прочность стальных канатов зависит от повреждений как первой, так и второй группы. 3. Из-за конструктивных и технологических особенностей стальных канатов наиболее эффективными являются электромагнитные методы неразрушающего контроля, а наиболее ответственным узлом устройств, использующих электромагнитные методы, является электромагнитный преобразователь. 4. В настоящее время наибольшее распространение получили приборы для неразрушающего контроля повреждений первой группы. Электромагнитный преобразователь, в данном случае, представляет совокупность намагничивающего устройства (на основе постоянных магнитов) и магниточувствительных элементов для регистрации дефектов, от параметров которого зависит качество контроля. 5. Приборов для проведения автоматизированного контроля повреждений второй группы с высокой точностью практически нет и в большинстве случаев эти дефекты определяются визуальным путем, с помощью ручного измерительного оборудования (линейка, штангенциркуль).
Исследование и выбор способа регистрации повреждений типа «Потеря металлического сечения»
Исследования, выполненные в п. 2.1-2.3, позволили сформулировать общие требования к МС ЭМП: 1) конфигурация МС ЭМП определяется типом подъемно-транспортных машин, в которых планируется производить контроль канатов; 2) источники МДС должны располагаться как можно ближе к зоне контроля; 3) конструкция магнитопровода МС должна обеспечивать расположение магниточувствительных датчиков для канала ПМС в центре магнитопровода; 4) объем межполюсного пространства должен быть достаточным для установки датчиков канала ЛД; 5) магниточувствительные датчики канала ЛД должны находиться как можно ближе к поверхности контролируемого объекта, на расстоянии не более 3 мм; 6) контролируемый участок стального каната должен находиться в состоянии технического насыщения, для обеспечения уверенного обнаружения любых дефектов типа ЛД; 7) длина контролируемого участка каната, которая является непосредственной частью МС ЭМП, должна быть минимальной для повышения разрешающей способности по каналу измерения потери металлического сечения; 8) устройство должно иметь минимальную массу, объем и стоимость. параметров измерительного узла
Для построения алгоритма проектного расчета геометрических параметров предлагается математическая модель МС ЭМП, основанная на цепной схеме замещения [55, 56].
Здесь Ф – магнитный поток, протекающий через поперечное сечение объекта контроля, RЗ-магнитное сопротивление воздушного зазора между полюсами МС и объектом контроля, Е, RПМ- параметры, характеризующие свойства источников МДС (ПМ), RМП-магнитное сопротивление магнитопровода, RО, RД –магнитное сопротивления измерительного зазора модуля измерения потери металлического сечения.
При ее построении были приняты ранее упомянутые допущения 1-4 (п. 2.2) и добавлены новые: 1. Не учитываются потоки рассеяния МС ЭМП. В соответствии с результатами исследований ЭМП, представленными в конце данного параграфа, установлено, что величина межполюсных потоков рассеяния Фs намного меньше основного намагничивающего потока Ф. Также, необходимо учесть, что при-менямый способ измерения потери металлического сечения основан на регистрации основного магнитного потока Ф и поэтому межполюсными магнитными потоками рассеяния ЭМП можно пренебречь. 2. Ранее, в параграфе 2.3.1, было установлено, что влияние вибрации на показания магниточувствительных элементов каната при выбранном способе измерения потери металлического сечения несущественно. В связи с этим, с целью упрощения вычислений принимается центральное расположение каната в зоне контроля. 3. Повреждение типа «потеря металлического сечения» моделируется равномерным уменьшением внешнего диаметра d контролируемого каната. Ниже представлен алгоритм для определения геометрических параметров МС ЭМП для заданного диаметра стальных канатов (блок-схема приведена на рисунке 2.22). 1) В зависимости от типа ПТМ, в которых предполагается осуществлять контроль состояния стальных канатов, задаются конфигурацией МС ЭМП: для канатов прядевой конструкции необходимо использовать ЭМП с двухсторонней МС, при контроле канатов закрытой конструкции при ограниченном доступе к контролируемому объекту (несущие канаты подвесных канатных дорог) возможно использование ЭМП с односторонней МС. 2) Определяется диаметр d применяемых стальных канатов, и затем из технических условий и другой нормативно-технической документации определяются их основные параметры (площадь металлического сечения SПР и магнитные свойства материала проволок). 3) Выбирают материалы магнитопровода и источников МП (постоянных магнитов) в соответствии с традиционным подходом, применяемым при проектировании магнитных систем [57]. 4) Канат имитируется в виде сплошного стержня круглого сечения с эквивалентной кривой намагничивания, учитывающей коэффициент заполнения сече ния сталью kst (рисунок ), определяемый как каната kst и 2, где ПР - ме таллическое сечение проволок каната, d - внешний геометрический диаметр каната. При этом рассчитывается эквивалентная кривая Вэ(Н)=В(Н) - В(Н), где В(Н) = (В(Н) - ji0H) (l/kst-l). 5) Определяется величина индукции насыщения BS3, численно равная точке на эквивалентной кривой намагничивания материала, координаты которой соответствуют условию: относительное приращение по напряженности на порядок больше, чем относительное приращение по индукции. 6) Определяется длина измерительного преобразователя для канала ЛД как LLD U d и выбирается его месторасположение в соответствии с п. 2.4.2. 7) Из требований нормативных документов [1] определяется максимально-допустимая потеря металла в сечении и рассчитывается возникающий при этом зазор между полюсом МС ЭМП и объектом контроля. Вычисляется длина контролируемого участка объекта контроля как LK LLD 2 ПЬд, где LLD -длина модуля для определения локальных дефектов, ЬД U 5 П - величина участка каната, введенная с целью снижения влияния потоков выпучивания полюсов МС [58] на модуль определения локальных дефектов, П - зазор между полюсом МС ЭМП и поверхностью объекта контроля.
Анализ влияния геометрии и внешних параметров на проходную характеристику при совместной работе нескольких ЭМП
Поскольку потокосцепление из-за действия вихревых токов изменяется, индуктивность катушки при расположении вблизи нее электропроводящего ОК также изменится, L=/i. Параметры RВН и LВН зависят от плотности и распределения вихревых токов в ОК. Таким образом, определяя изменение активного и индуктивного сопротивления катушки, можно вычислять геометрические параметры ОК.
Изменение параметров катушки индуктивности, вызванное увеличением или уменьшением расстояния до ОК незначительно [71], что затрудняет его определение с высокой точностью. В [72] для повышения чувствительности вих-ретокового ЭМП преобразователь был введен в состав резонансного контура. Подобная структура ЭМП была принята в настоящей работе (рисунок 3.4).
При этом ЭМП включает генератор высокой частоты (ГВЧ) и измерительный контур (КИ). В свою очередь КИ состоит из разделительного фильтра (ФР), регулирующего элемента (ЭР) и резонансного контура (КР). Сигнал с выхода резонансного контура поступает в детектор Д и фильтр низкой частоты ФС, предназначенный для сглаживания и подавления высших гармоник в спектре выходного сигнала, после чего подается на аналого-цифровой преобразователь АЦП и далее в систему управления СУ.
Эффективность работы ЭМП, его характеристики полностью определяются параметрами КИ, конфигурацией и геометрическими размерами катушки L1, парметрами Rl, СІ, C2. В настоящем разделе рассмотрены методики расчета и проектирования ЭМП.
Чувствительным элементом преобразователя является катушка индуктивности, которая в основном определяет его массогабаритные показатели. Ее сопротивление представляется в виде ZК=Z0-Z, где Z0 - собственное сопротивление, а Z - внесенное сопротивление, вызванное близостью объекта контроля. Z зависит от частоты питающего напряжения , площади, длины, толщины и числа витков измерительной катушки L, а также геометрических параметров ОК и величины зазора между ними. Особенность передаточной функции преобразователя ZК=f(d) заключается в нелинейности, обусловленной выраженным взаимным влиянием металлического тела [69]. Для анализа взаимодействий между преобразователем и контролируемым объектом использовались обобщенные критерии tU R ЛА _ U + , и ftU г Л,. Здесь учитывает электро физические свойства контролируемого объекта, определяет краевой эффект и зависит от соотношения между радиусами кривизны катушки R и изделия г, -частота питающего напряжения, и A - электропроводность и абсолютная магнитная проницаемость материала контролируемого тела. В [69] представлены результаты расчетов относительных сопротивлений и напряжений для различных типов преобразователей в зависимости от геометрических и электрофизических параметров изделий, а также диаграммы их относительной чувствительности к контролируемым величинам, из которых следует: 1) при /? =10 вносимое активное сопротивление при 1.2 изменяется незначительно и становится на порядок меньше реактивного. При /? = 30 им можно пренебречь, и анализ вносимых параметров можно проводить, считая объект идеально электропроводящим. 2) при /? =10 и =3 зависимости для внесенного сопротивления совпадают с известными для проводящего полупространства [73]. 3) с увеличением /3 влияние скорости движения ОК (F 1000 м/с) на вносимые сопротивления уменьшается, и при/? 20 им можно пренебречь. Для определения влияния конструктивных параметров измерительной катушки на чувствительность вихретокового ЭМП и определения их оптимальных значений была разработано программное обеспечение, на основе математической модели, приведенной в [72] (рисунок 3.6). Математическая модель основывается на следующих допущениях: 1) в качестве объекта контроля используется проводящее полупространство; 2) не учитывается реальная форма плоской катушки индуктивности, с целью упрощения последняя заменяется системой концентрических витков (рисунок 3.6), обтекаемых одинаковым током, и расположенных на расстоянии от поверхности контролируемого объекта; 3) при частоте питающего напряжения, лежащего в диапазоне 1..10 МГц, активная составляющая полного сопротивления катушки не учитывается [71]; 4) считается, что абсолютная магнитная проницаемость А объекта контроля постоянна.
При использовании принципа суперпозиции, векторный потенциал А в верхнем полупространстве на контуре т-го витка от вихревых токов в проводящей структуре, наводимый током п-го витка определяется на основании [70]:
Автоматизированный стенд для исследования устройств контроля стальных канатов
Одним из параметров, который должен регистрироваться устройством для магнитной дефектоскопии является длина каната. Датчик длины позволяет определить местоположение дефектных участков. К нему предъявляются следующие требования: дискретность отсчета (точность локализации дефекта); устойчивость к влиянию электромагнитных полей; простота конструкции и дешевизна.
Для аналоговых устройств, где обработка данных происходит непрерывно, дискретность определяется только из удобства обнаружения дефектов при последующем визуальном осмотре, проводимом после дефектоскопии. Для цифровых приборов, по сигналам дискретизации синхронизируется выборка данных, поступающих по измерительным каналам. В связи с этим дискретность определяется параметрами дефектов и составляет 2..4 мм (например, в приборе ДНК (ООО ИКЦ «Мысль», г. Новочеркасск), величина шага составляет 2.7 мм). Традиционным методом определения текущей длины контролируемого каната является использование ролика, вращающегося при линейном перемещении магнитного датчика относительно объекта исследования. Ролик оснащается преобразователем, формирующим синхроимпульсы при повороте относительно оси на определенный угол, пропорциональный линейному перемещению каната.
Вращение ролика может регистрироваться различными элементами, например: сельсином, оптическим или магнитным датчиком. Применение сельсинов ограничивается их высоким энергопотреблением, что не приемлемо для систем с батарейным питанием. Использование магнитных датчиков для получения требуемой дискретизации требует применения сложной конструкции. Наиболее подходящим способом для получения требуемой дискретности является применение преобразователя на основе оптического датчика, удовлетворяющего требованиям минимального энергопотребления, высокой точности и надежности.
Принцип действия датчика длины, заключается в следующем. При вращении ролика, оснащенного крыльчаткой, изменяется выходное напряжение оптоэлектронной пары, установленной неподвижно на штанге крепления ролика. Это напряжение подается на вход регистрирующего устройства и преобразуется в последовательность синхроимпульсов.
Синхроимпульсы канала определения текущей длины используются для аппаратного запуска АЦП. При этом, важным параметром для данного канала являются интервалы дискретизации аналоговых сигналов дефектов. Оценка необходимых значений интервалов дискретизации была выполнена в п.2.2. Исследования показали, что для канала обнаружения локальных дефектов, при скорости каната до 2 м/с достаточным является шаг дискретизации равный 1 мм, а для канала определения потери сечения возможно его увеличение до 7 мм (рисунок 4.3).
Предложенные способы регистрации дефектов, схемотехническая реализация измерительных каналов и опыт построения систем сбора данных, позволяют сформировать основные требования к блоку регистрации и идентификации дефектов: 1) наличие двухканального АЦП со временем преобразования не более 100 мкс; 2) наличие цифровых линий ввода-вывода; 3) наличие энергонезависимой памяти для хранения данных контроля (ее емкость и тип зависят от организации структуры данных); 4) возможность подключения клавиатуры для оперативного управления устройством контроля; 5) обеспечение оперативного вывода данных контроля для их предварительного анализа на экран встроенного дисплея; 6) наличие интерфейса связи с ПЭВМ. Такое регистрирующее устройство позволяет предоставить в качестве результата дефектоскопического контроля каната не только список дефектов, автоматически обнаруженных прибором, но и полную дефектограмму, позволяющую делать заключение о состоянии каната по всей его длине.
Следует отметить, что на практике неразрушающий контроль стальных канатов проводят на месте установки последних. При этом сталкиваются с трудностями ограниченности пространства или большой высоты места установки устройства контроля, отсутствия сетевых источников питания, жесткости климатических условий работы подъемно-транспортных сооружений, оснащенных стальными канатами. В связи с этим, в процессе аппаратной реализации регистрирующего блока дефектоскопа ставилась задача обеспечить: 1) минимальные массогабаритные показатели прибора; 2) минимальное энергопотребление аппаратной части прибора; 3) пыле- и влагозащищенность корпусов; 4) простота эксплуатации. Для реализации этих требований предложена структурно-функциональная схема устройства обработки и регистрации сигналов магнитного датчика, приведеная на рисунке 4.4.
Блок регистрации и обработки сигналов дефектов реализован на базе микропроцессора (CPU). Аналоговые сигналы с магниточувствительных элементов локальных дефектов LD и потери металлического LS поступают на входы аналого-цифрового преобразователя ADC1 и ADC2 и далее, в виде цифрового кода поступают на вход CPU. Сигнал датчика длины L подается на цифровой вход. Сигналы обрабатываются, регистрируются в энергонезависимой памяти EE-PROM и при необходимости передаются в память ПЭВМ по интерфейсу RS-232 (или USB 2.0).
Похожие диссертации на Электромагнитные преобразователи для устройств контроля состояния стальных канатов
