Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ судового корпуса как объекта контроля прочности в процессе эксплуатации
1.1. Структура системы управления техническим состоянием судовых корпусных конструкций .
1.2. Показатели прочности судового корпуса и корпусных конструкций (общие положения)
Глава 2. Характеристики напряженного состояния корпуса судна 24
2.1 Нагрузки на тихой воде 25
2.2. Волновые нагрузки
2.3. Дополнительные изгибающие моменты на регулярном волнении
2.4. Амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) волновых моментов
2.5. Вероятностная оценка внешних сил на нерегулярном волнении 34
2.6. Ударные изгибающие моменты. Изгиб днища в носовой оконечности при ударе о волну. Слеминг
2.7. Температурные напряжения в корпусе и ледовые нагрузки. 48
2.8. Анализ усталостной прочности, долговечность 49
2.9. Повреждения от слеминга и выпинга 59
Глава 3. Анализ аппаратура для определения характеристик случайных процессов 53
3.1. Характеристики случайных процессов ,
3.2. Методы и приборы для определения вероятностных характеристик ,
3.3. Анализ электронных фильтров блок-схем 73
3.4. Цифровая обработка 80
3.5. Вычисление среднего значения 81
3.6. Выбросы случайных процессов 82
3.7. Определение корреляционной функции 83
3.8. Анализаторы спектров
Глава 4. Методы и аппаратура при натурных измерениях напряжений в корпусе судна
4.1. Измерительные преобразователи датчиков механических напряжений 92
4.1.1. Тензорезисторные преобразователи 93
4.1.2. Магнитоупругие преобразователи 95
4.2. Динамические характеристики трансформаторных магнитоупругихпреобразователей магнитоупругих преобразователей (МУП)
4.3. Аналитическое описание выходного сигнала 1f. магнитоупругого датчика
4,4. Трансформаторные МУП с эталонным чувствительным элементом для измерения механических напряжений в корпусе судна
4.5. Аморфные и нанокристаллические материалы в магнитоупругих датчиках механических напряжений
4.6. МУП с аморфными магнитными материалами и лентами... 119
4.7. Система контроля напряженного состояния
с магнитоупругими преобразователями (МУП)
Глава 5. Многоканальная система контроля и сигнализации напряженного состояния корпуса судна с МУП 128
5.1. Размещение датчиков напряжений 1 „ 1
5.2. Функциональная схема системы контроля напряженного
состояния л п ґ
136
5.3. Блок аналоговой обработки сигнала 139
5.4. Функциональные звенья блока аналоговой обработки сигнала 1
5.5. Блок цифровой обработки сигнала 154
5.6. Аналого-цифровой преобразователь блока цифровой обработки сигнала 157
5.7. Программное обеспечение для вычисления вероятностных характеристик
5.8. Метод регрессионного анализа в системах контроля напряженного состояния корпуса судна
Заключение 169
Список использованных источников
- Показатели прочности судового корпуса и корпусных конструкций (общие положения)
- Дополнительные изгибающие моменты на регулярном волнении
- Методы и приборы для определения вероятностных характеристик
- Трансформаторные МУП с эталонным чувствительным элементом для измерения механических напряжений в корпусе судна
Введение к работе
Актуальность. Серьезные аварии последних десятилетий, связанные с переломом судов (в том числе с серьезными загрязнениями окружающей среды), указывают на то обстоятельство, что вопросам оценки износа корпусов и восстановления технического состояния судов и оборудования, (в частности, малоцикловой усталости) уделяется недостаточно внимания. Ведущая роль в определении нагрузок и вибрации отводится автоматическим средствам контроля, которые обеспечили бы массовые измерения возникающих нагрузок в конструкциях, а также деформации корпуса в целом и любых, в том числе и недоступных для наблюдателя, местах. Особое место в контроле прочности судовых конструкций занимают датчики напряженного состояния корпуса и вибрации, а также системы сбора и обработки информации от этих датчиков. На основе анализа существующих систем контроля можно сказать, что наиболее приемлемыми в качестве датчиков контроля напряжений в корпусе, являются магнитоупругие преобразователи (МУЛ), которые, однако, в настоящее время широко еще не используются.
Цель и задачи исследования
В настоящей работе основной целью исследования является разработка автоматической системы контроля напряженного состояния корпусных конструкций и вибраций с использованием МУЛ. Для достижения этой цели потребовалось решить следующие задачи.
Проанализировать проходящие в корпусных конструкциях судов процессы во время эксплуатации и оценить возникающие в них напряжения и вибрации на волнении, и связанные с ними повреждения, при этом особо обратить внимание на такие явления как слеминг и выпинг.
Дать вероятностную оценку внешних сил на нерегулярном волнении и определить пути контроля прочности, и прогнозирования долговечности корпуса судна и его корпусных конструкций.
Исследовать методы и системы, применяемые при натурных измерениях напряжений в корпусе судна.
Проанализировать современное состояние аппаратуры для определения характеристик случайных процессов.
Рассмотреть и проанализировать статические и динамические характеристики МУЛ.
Разработать функциональную схему автоматической многоканальной системы контроля напряженного состояния корпуса судна, блоки аналоговой и цифровой обработки сигнала, провести анализ отдельных звеньев.
Обосновать количество и места установки магнитоупругих датчиков системы контроля вибрации и напряженного состояния корпуса судна.
Методы исследования. При решении поставленных задач использовались методы системного анализа и синтеза, математического анализа, теории вероятностей и математической статистики, теории случайных процессов, аналоговой и цифровой обработки сигналов.
Научная новизна заключается в следующем:
На основе анализа процессов в судовых корпусных конструкциях обосновано использование низкочастотных фильтров с конечно-импульсной характеристикой в системах контроля напряженного состояния и вибрации.
Разработана научная методика определения оптимального количества и информативных мест установки магнитоупругих датчиков на судовых конструкциях и комплексах. В разработанной автоматической системе контроля, для обработки измеряемых сигналов, использован низкочастотный КИХ-фильтр (фильтр с конечно-импульсной характеристикой). Это обусловлено характером протекаемых в корпусе судна и корпусных конструкциях процессов.
Предложен алгоритм измерения параметров случайных процессов с последующей обработкой и хранением информации.
Предложен способ оптимизации процесса измерения и контроля на основании метода математической регрессии.
Практическое значение работы. Практическое значение результатов исследования состоит в следующем:
Создан автоматический многоканальный цифровой прибор с использованием МУП, позволяющий вести непрерывный мониторинг напряженного состояния и вибрации корпуса судна. А также сигнализировать о превышениях критических значений во время погрузки судна в порту и при плавании в условиях волнения и слеминга.
Разработана методика оптимального использования прибора в автоматических системах измерения и контроля напряжений и вибраций в судовых корпусных конструкциях.
Жадобин, Н.Е., Королев, В.В. Регрессионный анализ в исследовании слеминга // Эксплуатация морского транспорта. - 2006. - № 45. - С. 245-251.
Жадобин, Н.Е., Королев В.В., Заставный, СВ. Фильтрация низкочастотных случайных процессов, протекающих в корпусе судна // Эксплуатация морского транспорта. - 2009. - № 1(55). - С. 65 - 67.
Королев, В.В., Жадобин, Н.Е. Исследование полей деформаций судовых корпусов // Эксплуатация морского транспорта. - 2008. - № 3(53). -С. 73-75.
Королев, В.В. Анализ погрешностей те изометрических датчиков при измерениях механических напряжений в корпусе корабля // Межвуз. Сб. науч. тр. Вып. 14. / материалы конф. проф.-преп. сост. государств, образов, учреждений высш. проф. образования г. Санкт-Петербурга (23 - 24 апреля 2007 г.). - СПб., 2007. - С. 175 - 179.
Королев, В.В., Жадобин, Н.Е., Аппаратура для определения характеристик случайных процессов при исследовании слеминга // Эксплуатация морского транспорта. - 2006. - № 45. - С. 230 - 238.
Королев, В.В., Жадобин, Н.Е. Ударные изгибающие моменты. Повреждения судов от слеминга // Эксплуатация морского транспорта. 2006. -№45.-С. 238-245.
Королев, В.В., Жадобин Н.Е., Заставный, СВ. КИХ-фильтры в системах контроля напряженного состояния корпуса судна // Эксплуатация морского транспорта. - 2007. - № 4(50). - С. 65 - 67.
Королев, В.В., Жадобин, Н.Е., Заставный, СВ., Использование методов гибкой логики в многоканальных системах контроля напряженного состояния корпуса судна // Эксплуатация морского транспорта. - 2008. - № 4(51).-С. 58-61.
Королев, В.В., Заставный СВ. Цифровая обработка сигнала в системе контроля напряженного состояния корпуса судна // Межвузовский сб. науч. тр. - Вып. 14: материалы конф. проф.-преп. сост. государств, образовательных учреждений высш. проф. образования. - СПб., - 2007. - С. 179 -185.
Королев, В.В., Жадобин, Н.Е., Заставный СВ. Контроль технического состояния корпуса судна // Эксплуатация морского транспорта. -2008.-№4(54).-С. 65-71.
20 ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ ИЗДАНИЯХ: В ИЗДАНИЯХ ПО ПЕРЕЧНЮ ВАК РФ
Жадобин, Н.Е., Королев, В.В., Заставный СВ. Контроль механических напряжений и деформаций в корпусе судна // Контроль диагностика. -2010.-№2.- С. 38-43.
Королев, В.В. Элементы сигнализации в автоматической системе контроля и измерения механических напряжений и деформаций в корпусе судна // Эксплуатация морского транспорта. - 2009. - №4(58), с. 61 - 64.
Королев, В.В. Система измерений механических напряжений в корпусе судна. "Дефектоскопия" журнал № 1, 2008. с. 57 - 68.
Королев, В.В. Применение магнитоупругих преобразователей в системах измерения механических напряжений в корпусе судна. "Датчики и системы" журнал № 4, 2008. с. 33 - 39.
Королев, В.В., Жадобин, Н.Е. Аморфные и нанокристаллические материалы в магнитных датчиках механических напряжений // Эксплуатация морского транспорта. - 2010. - № 1(59). с. 69 - 71.
Королев, В.В., Жадобин, Н.Е., Заставный СВ., Многоканальная система контроля напряженного состояния корпуса судна. "Мехатроника, автоматизация, управление" журнал, № 8, 2008. с. 54.
Королев, В.В., Жадобин, Н.Е., Заставный СВ., Многоканальная система контроля напряженного состояния корпуса судна. "Мехатроника, автоматизация, управление", приложение, журнал, № 8, 2008. с. 18 - 21.
Korolev, V.V., A system for Measuring Mechanical Stresses in a Vessel Hull. Russian journal of Nondestructive Testing № 1, 2008. Vol.44, pp.45 - 53.
Жадобин, Н.Е., Королев, В.В, Заставный, СВ. Использование методов гибкой логики в многоканальных системах контроля напряженного состояния корпуса судна // Эксплуатация морского транспорта. - 2008. -№ 2(52). - С. 69 - 70.
Жадобин, Н.Е., Королев, В.В. Система контроля напряжений и деформаций в корпусе судна // Тр. XXXVIII Уральского семинара (23 - 25 декабря 2008 г., г. Миасс). - Т. 1, Екатеринбург. - 2008. - С. 149 - 157.
Достоверность результатов. Достоверность полученных результатов и сделанных выводов обеспечивается достаточной сходимостью теоретических зависимостей и результатов испытаний прибора с магнитоупругими преобразователями.
Реализация результатов работы. Полученные результаты диссертационной работы использованы в ООО "СудТехСервис" на судне "Baltic Strait", а также в учебном процессе на кафедре «Электродвижение и автоматика судов» в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Государственная морская академия им. адм. СО. Макарова» при изучении дисциплин: «Элементы и функциональные устройства судовой автоматики» и «Системы управления судовыми энергетическими процессами».
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих мероприятиях:
Научных заседаниях кафедры электродвижения и автоматики судов ГМА им. адм. СО. Макарова. Санкт-Петербург, 2005 - 2009 г.
Международной конференции в ГМА им. адм. СО. Макарова по вопросу: "Тенденции морского образования в XXI веке: Морские администрации, судоходные компании и учебные заведения в условиях глобализации - общие интересы и сотрудничество. Санкт-Петербург, 2007г.
XXXVIII Уральском семинаре по механике и процессам управления. Миасс Челябинской области, 2008 г.
Международной конференции "Технические и программные средства систем управления, контроля и измерения", в Институте проблем управления им. В.А.Трапезникова РАН. Москва, 2008 г.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 19 печатных работ, из них 7 статей в журналах по перечню ВАК, 1 статья в материалах международной конференции.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованных источников и приложения в одном томе. Содержит 184 страницы, включая 160 страниц текста, 64 рисунка и 10 таблиц. Библиография включает 66 наименований отечественной и зарубежной литературы.
Показатели прочности судового корпуса и корпусных конструкций (общие положения)
Результаты анализа дают основания считать, что основными причинами повреждения корпусных конструкций являются следующие факторы (и их совокупное действие): - существенные ошибки в оценке внешних нагрузок; - несовершенство расчетных схем, не дающих возможность установить достоверную взаимосвязь параметров напряженного состояния в различных сечениях корпуса; - ошибки в конструкционном оформлении узлов, технологические дефекты, недостаточно высокое качество материала и др.
Из 24,7 тыс. обследованных в Японии судов на 5.34 тыс. были обнаружены существенные дефекты корпусов. В частности, имели место многочисленные случаи повреждения конструкций корпуса танкеров, балкеров, контейнеровозов. Анализ гибели балкеров с 1990 г. по 1997 гг., проведенный Лондонским институтом страховщиков и Регистром Ллойда, показал, что за этот период из 106 погибших судов 30 балкеров потеряно из-за повреждения корпуса. Значительное место занимают повреждения, вызванные ошибками членов экипажа при управлении судами в штормовых условиях.
Существенную помощь в повышении безопасности и эффективности работы судов может оказать объективная информация о механических нагрузках на корпус судна, позволяющая управлять судном в штормовых условиях, не допуская перегрузки корпуса и с наименьшими потерями ходового времени.
В конце 80-х гг Регистр Ллойда ввел в символ класса судна знак SEA (Ship Event Analysis) для судов, на которых установлены приборы контроля уровней напряжений и ускорений в выбранных точках корпуса. Подобные символы ввел Норвежский Детнорске Веритас (DNV).
В 1992 г. Подкомитет по проектированию и оборудованию судов согласился с рекомендациями Регистра Ллойда о целесообразности установки на балкерах водоизмещением более 20000 т приборов подобного типа. Однако в настоящее время меньше 0,5 % судов мирового флота оснащено приборами, контролирующими напряжения в корпусе [17]. Повышение эффективности контроля напряжений в сечениях корпуса судна может быть достигнуто за счет повышения точности при оценке внешних нагрузок. В этом определяющую роль может играть использование приборов, производящих измерение и контроль напряжений в корпусе и конструкциях судна. Методы оценки внешних сил и расчеты напряженного состояния сложных судовых конструкций реализуются, например, в программных комплексах ANSYS, COSMOS, ИСПА и т. п. [17]. Надежную информацию о величине действующих напряжений в корпусе можно получить только посредством непрерывного мониторинга напряженного состояния корпуса в течение эксплуатации, особенно в тяжелых и штормовых условиях плавания. В настоящее время в мировой практике используется три основных вида систем мониторинга и диагностики механизмов и конструкций по вибрации и механическим напряжениям: переносные системы, стендовые системы, стационарные системы. Система мониторинга в любом ее исполнении должна иметь четыре основных подсистемы: измерительные датчики и средства связи; средства анализа сигналов; средства хранения данных и их отображения, как правило, персональный компьютер; пакет программ для мониторинга (подсистема обращения к базам данных, отображения результатов анализа, сравнения с порогами, построения трендов). На рисунке 1.2 представлена функциональная схема стационарной системы мониторинга и диагностики, состоящей из центральной диагностической станции -компьютера, блока преобразования сигнала в цифровую форму и датчиками вибрации и механических напряжений.
Функциональная схема стационарной системы мониторинга и диагностики. На рисунке: JK - напряжения и вибрации, вызванные внешними воздействиями в судовых корпусных конструкциях, УС - вибрации вызванные работой механизмов. Особенностью данной системы является то, что вся работа системы происходит автоматически, в том числе планирование измерений их проведение, анализ обработка, запись и хранение информации. Корпус судна (например, навалочника) создан примерно из 10 тысяч связей. Прогнозировать приходится также состояние связей, не прошедших ни одной дефекации. В такой ситуации становиться актуальным анализ истории возникающих в корпусе судна механических напряжений в процессе его эксплуатации. Процессами обновления корпуса управляет человек-оператор см. рис. 1.3, (На рисунке Д1 - Д10 магнитоупругие датчики механических напряжений, РИС - расчетно - инструментальная система анализа и прогнозирования ТС корпуса судна) который в своей деятельности использует результаты компьютерных расчетов.
Дополнительные изгибающие моменты на регулярном волнении
Однако запись ускорений (кривая 5) не обнаруживает резкого изменения показаний при погружении носа в волну в отличие от показаний при днищевом слеминге. В районе 0,ЗХ от носового перпендикуляра экспериментальные изгибающие моменты на подошве волны примерно в два раза выше, чем на ее вершине, и превосходят расчетные. В экстремальных условиях суммарная нагруженность носовой половины корпуса почти втрое выше кормовой, чем и можно объяснить большую повреждаемость этого района. Максимальные местные давления на палубу бака при заливаемости и ударные нагрузки в носовой развал борта примерно в два раза выше расчетных и действуют на ограниченной площади, не по всему перекрытию. В отличие от слеминга и заливаемости, при которых вибрация корпуса вызывается единичным ударом волны, волновая вибрация носит резонансный характер и вызывается действием многократно приложенных периодических сил, частота которых равна или кратна частоте о)с [24], [42].
Тенденция к увеличению параметров волновой вибрации наблюдается с ростом размеров судов (относительным снижением жесткости), повышением их скорости (уменьшением кажущейся частоты волн большой энергии и сближением с частотой 0)с), увеличением прочности материала корпуса и отношения длины к высоте, ростом полноты носовых обводов (увеличением возмущающих сил). Уровень волновой вибрации имеет тенденцию к возрастанию при уменьшении осадки. Для проявления вибрации необходимо, чтобы на судно подействовало значительное число гармоник возмущающей силы (30 — 40 последовательно идущих волн).
Корпус судна в процессе эксплуатации подвергается воздействию различных по интенсивности и продолжительности температурных полей. Достаточно отметить, что температура надводных частей корпусов в нормальных условиях изменяется от +70 до - 40 С, подводных частей - от 0 до +30 С в зависимости от района плавания, времени года и суток. Суточные колебания температуры верхних и нижних частей корпуса вызывают заметные температурные напряжения, приводящих к появлению хрупких трещин или потере устойчивости отдельных судовых связей даже в условиях порта. Деформации корпуса от прогиба с учетом деформаций от разности температур [3]: (V )2 ve =0,125 д. 9 Dkky где At - разность температур днище и палубы; ку- удвоенный коэффициент утилизации поперечного сече корпуса [3].
Температурные напряжения могут оказать значительное влияние на усталостную, хрупкую и даже предельную пластическую прочность. Поэтому возникает потребность в постоянном контроле на некоторых типах судов. О ледовых нагрузках коротко можно сделать некоторые общие выводы [3], [44]: - в ровном гладком льду нагрузки на корпус уменьшаются с ростом наклона стенок, (скольжение начинается при 5 - 6 ); - в смерзшемся льду начальные нагрузки мало зависят от угла наклона стенок, однако предельные нагрузки уменьшаются с возрастанием наклона; - в ледяной каше угол наклона стенок оказывает небольшое влияние на нагрузки вследствие возникновения явления запруживания.
Относительно меньшие нагрузки на корпус отвечают острым судам с овальной формой ватерлиний, а относительно большие нагрузки - полным судам с длинными цилиндрическими вставками. Нагрузки по длине судна считаются распределенными равномерно.
За время эксплуатации (примерно 20 лет) корпус транспортного судна испытывает около 108 циклов переменных волновых нагрузок различного уровня - от самых малых до экстремальных, которые встречаются весьма редко и вероятность превышения которых очень мала. Основными характеристиками прочности и пластического состояния материала при статическом нагружении являются предел текучести т , предел прочности &в, относительное удлинение 8 [49]. При достижении общими напряжениями в конструкции величины ст, при растяжении могут появиться остаточные деформации, приводящие к недопустимому изменению ее формы, а при сжатии практически любая судовая конструкция будет терять устойчивость, что может привести конструкцию к разрушению.
Величина о т является случайной, и ее распределение, соответствует нормальному закону с математическим ожиданием сг т , и стандартом Gom . Минимальное значение предела текучести принимается обычно, как сгт -? jUm _ Предельное усилие вычислим по формуле [50]: где fj - площадь і связи палубы. Среднее значение предела текучести Jm превышает его нормативное значение &тн, причем для различных сталей на 15 - 25 %, что создает дополнительный запас прочности по отношению к применяемым нормативам. Величина минимальных напряжений У\, ниже которых распространение хрупких трещин становится невозможным при любой отрицательной температуре, составляет (0,20 - 0,30) &т [50]. Для отечественных судостроительных сталей в большинстве случаев &\ з т.
Допускаемые напряжения регламентируются Правилами постройки судов Российского морского Регистра судоходства или Нормами прочности. Величины нормальных нормативных напряжений при изгибе корпуса в вертикальной плоскости на тихой воде 5TBadm и суммарные 5admZ приведены в табл. 2.3. Нормы составлены для обычной углеродистой стали (ОУС) с пределом текучести о у = 235МПа. Для сталей с более высоким пределом текучести (СПП) допускаемые напряжения увеличиваются делением на коэффициент г), значения которого приведены в [50].
Методы и приборы для определения вероятностных характеристик
В [38] отмечается, что в настоящее время в диапазоне частот ниже 0,5 Гц преимущества цифровых средств измерения очевидны. Процесс дискретизации непрерывных сигналов состоит из двух этапов: временной дискретизации (квантование по времени) и дискретизации по уровню (квантование по уровню). Дискретный сигнал представляет собой последовательность, элементы которой ЛкТо) в точности равны соответствующим значениям исходного непрерывного сигналаХ?).
Для преобразования аналогового сигнала в цифровой после дискретизации по времени должна следовать дискретизация по уровню [57]. После дискретизации и по времени, и по уровню получают цифровой сигнал. Система цифровой обработки сигнала состоит из двух частей: дискретизатора непрерывных сигналов по времени и аналого-цифрового преобразователя (АЦП), превращающего дискретные сигналы в числовую последовательность, элементы которой являются числами, представленными в коде вычислительной машины. Задача в выборе интервала дискретизации наиболее просто решается для сигналов с ограниченным спектром на основе теоремы Котельникова [38]. В соответствии с теоремой Котельникова вместо непрерывного сигнала f{t) с ограниченным спектром можно передавать дискретную последовательность значений Л&Г0), причем интервал дискретизации Т0 должен быть не более, чем 1/(2/е), где fe - высшая частота спектра. В реальных устройствах частота дискретизации выбирается равной не 2/g, как следует из теоремы Котельникова, а в 2 - 5 раз выше.
Для стационарного эргодического процесса среднее значение определяется выражением интервал выборок дискретных значений реализации x(t). При заданном конечном значении N и фиксированном интервале наблюдения Т математическое ожидание процесса определяется приближенно с некоторой погрешностью, т.е. производится оценка [46]:
Весь интервал реализации разбивается на п равных участков Т0 = Т/п. Выбор Т0 осуществляется из условия, при котором на интервале в один период наиболее высокочастотной гармоники исследуемого случайного процесса располагалось не менее 5-10 точек. На рис. 3.11 показана функциональная схема цифрового измерителя среднего значения [38], состоящего из АЦП, генератора импульсов запуска АЦП, схемы суммирования чисел, получаемых на выходе АЦП, блока управления, задающего общее число выборок N и осуществляющего деление суммы на N. исплеи
О выбросах случайного процесса уже говорилось выше. Продолжительность однократного превышения случайным процессом порогового уровня называют длительностью выброса т. С выбросом связаны также такие его параметры, как амплитуда А и площадь выброса S. Реализацией случайного процесса x{i) конечной длительности Т будет некоторое число N выбросов. В [4] приводятся числовые характеристики выбросов огибающей суммы узкополосного стационарного процесса с нулевым средним, дисперсией D = (т и гармоническим сигналом. Среднее число за единицу времени (среднее число выбросов) пересечений огибающей определенного уровня г=го определяется выражением х 2сг В вышеприведенных выражениях: col = согх -2сосрсо0 + со], где со0 - угловая частота источника питания; соср - средняя частота энергетического спектра случайного процесса; СО] = отношению дисперсии производной случайного процесса к дисперсии случайного процесса. Как видно из приведенных выражений, для определения числовых характеристик выбросов случайного процесса необходимо знать его дисперсию.
Для выявления зависимости значений одного случайного стационарного процесса от другого рассматривают взаимную корреляционную функцию: Rxy(T) = lim — \x(t)y(t + t)dt Погрешность, допускаемая в определении RXy \т ), может быть оценена. При погрешности 2% выполняются соотношения:
Для определения значений корреляции средствами автоматики применяются приборы - корреляторы. Быстродействующие цифровые вычислительные устройства позволяют создавать цифровые корреляторы, производящие вычисления RT в реальном масштабе времени процесса.
Расчет RT выполняется на специальном вычислителе, построенном на элементах современных ЦВМ. Благодаря высокому быстродействию вычислителя, коррелятор может обрабатывать данные для анализа процессов в реальном масштабе времени в диапазоне частот от 0 до 250 кГц. Шаг преобразования может изменяться в пределах от 0,1 до 100 с. Выбор оптимального участка осреднения происходит автоматически. Результаты анализа в измеряемых единицах отображаются на встроенной в коррелятор электроннолучевой трубке (ЭЛТ) и регистрируются на двухкоординатном самописце. Для анализа случайного процесса в ходе записи могут быть применены аналоговые многоканальные корреляторы, каждый канал которых имеет фиксированное время задержки. Значительными преимуществами обладают корреляторы, в которых определяются коэффициенты разложения корреляционных функций в ряды, а затем по этим коэффициентам строится искомая функция. Для случайного стационарного процесса корреляционная функция г = 0 равна дисперсии процесса Rx\Q)= D , а корреляционная функция п - й производной случайного процесса определяется уравнением где R\n \c) - корреляционная функция производной случайного процессах . Исходя из уравнения (3.14) выражение для производных корреляционной функции через дисперсии производных случайной функции:
Данный ряд абсолютно и равномерно сходится при \т\ . Коэффициенты ряда (3.15) определяются введением реализации процесса и его производных в квадратор с последующим усреднением по времени. Если случайный процесс представлен множеством п реализаций, то корреляционная функция может быть определена с помощью устройства дискретного типа в соответствии с алгоритмом [46]:
Спектральная плотность характеризует интенсивность случайного процесса при различных частотах или, иначе, среднюю мощность, приходящуюся на единицу полосы частот. При экспериментальных исследованиях для определения спектра применяют специальные приборы — анализаторы, позволяющие измерить амплитуды и частоты сложного колебания. Основным элементом анализатора, позволяющего осуществить этот метод, служит резонатор (полосовой фильтр) с узкой, по сравнению с шириной спектра, полосой пропускания. Анализ сложного колебания посредством резонаторов может быть выполнен с использованием одного резонатора с переменной настройкой. Однако одновременный анализ имеет преимущества в скорости выполнения анализа и может быть использован для исследования неустановившихся колебаний. В анализаторе производится произведение анализируемого колебания и колебания с переменной частотой, изменяемой в анализаторе. Таким образом получается модуляционный спектр, воспроизводящий анализируемые колебания в виде двух боковых полос, расположенных симметрично относительно несущей частоты Q . Достаточно выбрать пределы измерения вспомогательной частоты О, так, чтобы через частоту анализатора прошла полностью одна из боковых частот преобразованного спектра. Можно также производить анализ колебаний с помощью безрезонаторного анализатора, позволяющего определять коэффициенты разложения в ряд Фурье. Путем умножения электрического сигнала х{г) на сигнал sin kcot , вырабатываемый генератором, можно получить после интегратора величину, пропорциональную синусоидальной составляющей входного сигнала.
Аналогично производят умножение x(t) на сигнал cos kcot 5 полученный из сигнала sin kcot сдвигом его на 90. Выполнив дальнейшие операции: возведение в квадрат и интегрирование, получают величину, пропорциональную спектральной плотности.
Трансформаторные МУП с эталонным чувствительным элементом для измерения механических напряжений в корпусе судна
Одним из главных факторов, определяющих технико-экономические характеристики обширных классов магнитных датчиков (МД), являются параметры применяемых в них магнитных материалов. К этим материалам, наряду с общими требованиями, такими, как низкая стоимость, стабильность характеристик во времени и при изменении температуры в заданных пределах, их воспроизводимость в условиях производства и др., предъявляются специфические требования, определяемые типом и назначением МД.
Аморфные металлы - твердые некристаллические металлы и их сплавы [52]. Легче всего аморфизуются сплавы переходных и благородных металлов с металлоидами (неметаллами - углеродом, бором, фосфором и др.), причем есть сплавы, в которых удается подавить кристаллизацию при скорости охлаждения порядка тысяч и даже сотен градусов в секунду. Среди твердых конденсированных сред особого внимания заслуживают так называемые металлические стекла (МС) - аморфные металлические сплавы с неупорядоченным расположением атомов в пространстве [52]. Предельная толщина металлических стекол из таких сплавов приближается к 1мм.
Основные классы металлических стекол - это системы сплавов: переходный или благородный металл и аморфизирующий неметалл [52]. Например, такие сплавы, как Pd-Si, Fe-B, {Fe, Ni)-(P, С) и сплавы переходных металлов (Ti-Ni, Zr-Cu) или других металлов (La-Ni, Ga-Al, Mg-Zn) в некоторых интервалах составов. Основные методы получения аморфных металлов [25]: 1) быстрое охлаждение (со скоростями 7 Ю -И 0 К/с) жидкого расплава, получающиеся металлические стекла. Уже есть металлические стекла, у которых критическая скорость всего лишь 100 - 200 К/с. Таковы, например, двойной сплав Pd80Si2o с двадцатипроцентной добавкой кремния, сплавы N180P20, Fe8oB2o, Au81Sii9 и многие другие. Нетрудно заметить, что общее содержание металлоидов во всех этих сплавах около 20 %. [61]. Толщина получаемого металлического стекла, как правило, 20 - 100 мкм; 2) конденсация паров или напыление атомов на холодную подложку с образованием тонких пленок аморфного металла. Аморфные металлические сплавы получаются в виде напыленного слоя толщиной от 1 до 1000 мкм.
Металлические стекла обладают высокой пластичностью, что резко отличает их от диэлектрических и полупроводниковых стекол. Многие металлические стекла при высокой механической прочности характеризуются большой начальной магнитной восприимчивостью, малыми значениями коэрцитивных сил и практически полным отсутствием магнитного гистерезиса.
Теоретические и экспериментальные исследования показали, что существуют следующие типы аморфных магнетиков [51]: ферромагнетики, спиновые стекла, ферримагнетики, неупорядоченные ферромагнетики, неупорядоченные ферримагнетики. Последние два типа аморфных магнетиков называются также асперомагнитными и сперимагнитными соответственно [52]. Теория допускает также возможность неупорядоченного антиферромагнитного состояния. Получены аморфные сплавы с большой магнитной проницаемостью: Fe5Co7oSii5Bio (Ммакс = 45000), Fe6oCo2oSi5B15 {/лмакс = 7500), Co81.5Mo9.5Zr9 (juMaKC = 50000) [52]; аморфные металлы с высокой положительной линейной магнитострикцией: Fe8oPi3C7 (Ля 106 = 31), (Feo Coo.osbSisBn (Л, 106=44), Fe81B12 =(А 1б= 49), Fe78Si8Bi4 (Я, Ю6=35) [52]. Следует также отметить, что в аморфных магнитных материалах обнаружен и эффект гигантской магнитострикции (пленка сплава TeFeDy (Terfenol-D А, 105 -2500)) [66].
Аморфные пленки свободны от гистерезиса магнитострикции [52]. Для получения оптимальных магнитных свойств аморфных металлов применяют термомагнитную обработку, что позволяет повысить магнитную индукцию В и прямоугольность петли гистерезиса. Максимальные магнитные проницаемости двух промышленных сплавов после термообработки: 45НПР-А (/имакс =310000), 44НМР-А (ммакс =750000) [25].
В табл. 4.1. показаны основные магнитные свойства некоторых аморфных сплавов при температуре 300 К. В принципе, в аморфных ферромагнетиках магнитная анизотропия должна быть равна нулю, поскольку отсутствует кристаллический дальний порядок [52]. Практически реальные аморфные ферромагнетики все же обладают магнитной анизотропией, которая, однако, на два порядка меньше, чем в кристаллических [52]. Уменьшение магнитной анизотропии приводит к резкому снижению коэрцитивного поля до значений 0,01 А/м, что уменьшает потери при перемагничивании. Таким образом, аморфные металлические сплавы почти всегда являются магнитомягкими ферромагнетиками.
Аморфные ферромагнитные материалы отличает более высокое значение начальной магнитной проницаемости как на низких (0,1-1 МГц), так и на высоких (5-15 МГц) частотах [25]. Это свойство определяется высоким удельным электрическим сопротивлением аморфных ферромагнетиков, значительно снижающим потери на токи Фуко. Удельное сопротивление аморфных магнитных материалов в 3 - 5 раз больше, чем у кристаллических.
Перспективность технологического использования аморфных магнетиков из металлических стекол связана с относительной простотой их получения, высокой магнитной проницаемостью ( 106), малыми магнитными потерями (- 0,5 Вт/кг), высокой антикоррозийной стойкостью, относительно большим электрическим сопротивлением, возможностью получения магнитожестких материалов с большой магнитной энергией. Магнитомягкие аморфные магнетики получают на основе сплавов Зс1-металл - неметалл (типичный пример - метгласс, металлическое стекло - Fe80B2o) [52]. В качестве магнитожестких материалов используют сплавы, например TbFe2.
Аморфные магнетики применяют для создания трансформаторов, магнитных экранов, малогабаритных датчиков и т.д. [25]. Объединением ЦНИИЧермет в 1982 году разработана и производится лента из аморфного магнитомягкого сплава - 9КСР (FeCoBSi). Толщина получаемой ленты 20-30 мкм. Зарубежный аналог сплав Metglas 2605. В табл. 4.2 представлены основные магнитные свойства пленок типа П и Т из сплава 9КСР.
Магнитопроводы из сплава используются в качестве магнитных сердечников трансформаторов взамен прецизионных кристаллических магнитомягких сплавов типа пермаллоев и электротехнической стали. Кроме того, лента типа П, намотанная с тончайшей полимерной пленкой, широко применяется в мире для изготовления специальных импульсных трансформаторов. На рис. 4.8 представлена петля гистерезиса для образцов ленты сплава 9КСР типа П. Наиболее известным нанокристаллическим сплавом является VITROPERM (Feys CuiNt Si sBy) [63]. Отличительной чертой нанокристаллических материалов является бифазная структура [52], когда в аморфной фазе находятся кристаллические гранулы диаметром 10 — нм. Именно благодаря этой структурной особенности достигается высочайшая магнитная проницаемость и самая маленькая коэрцитивная сила.
Наряду с этим тонкая лента (около 20 мкм) и относительно высокое удельное сопротивление (110-120 мкОм/см) обеспечивают низкие потери на вихревые токи и высокие частотные характеристики магнитной проницаемости, и индукцию насыщения 1,2 Тл. Так же, как и у аморфных сплавов, форма кривой намагничивания, а, следовательно, и характеристики будущих индуктивных элементов определяются дальнейшей термической обработкой в сильном магнитном поле, силовые линии которого направлены поперек ленты [25]. Магнитная проницаемость у материала VITROPERM после термообработки может установиться от 25 000 до примерно 200 000. Магнитные свойства новых нанокристаллических сплавов ММ-1Н и ММ-11Н определяются их уникальной (5-12нм) однодоменной структурой, которая достигается регулируемой термовременной [28] обработкой аморфных лент из сплавов Fe-Nb-Cu-Si-B с возможными другими добавками. В табл. 4.3 приведены типичные характеристики сплавов марки ММ, лента толщиной 25 мкм после оптимальной термообработки (межвитковое изоляционное покрытие отсутствует).
