Введение к работе
.ссертйЫг
ОТТЗПТЬс
^Актуальность. В настоящее время в промышленности широко испо-ся неметаллические композиты естественного и искусственного ождения (например,, графитовые и железные руды, конструкционные материалы с армирующей углеграфитовой тканью), характеризующиеся слабовыраженными электромагнитными свойствами на' фоне сильной структурной анизотропии. С точки зрения неразрушающего контроля они представляют собой однооснонеоднородную (слоистую) среду,, важнейшим показателем качества которой является объемное содержание полезного (армирующего) компонента. Оперативный контроль концентрации полезного компонента в рудных сырьевых материалах необходим на всех.стадиях технологического процесса от добычи до обогащения для повышения выхода высококачественного концентрата и сокращения потерь; структуроскопия'углекомпозитов позволяет.судить о соответствии расчетным реальных механических, теплофизических и других ответственных характеристик.
Вихретоковый контроль со стороны поверхности, параллельной границам раздела слоев осложняется экранирующим влиянием верхнего слоя, меняющимся в зависимости от его удельной электрической проводимости ) и толщины. Лучшие возможности для определения как интегральных характеристик композита, так и параметров отдельных слоев открываются при осуществлении контроля со стороны поверхности, относительно которой слои располагаются вертикально.
Чередование слоев армирующей ткани и связующего с различными б создает суммарный эффект анизотропии в продольном и поперечном простиранию слоев направлениях.. Поверхность углекомпозитов характеризуется неровностями до I мм, обусловленными наличием узлов пересечений жгутов волокон, складками ткани, растрескиванием матрицы.
Еще' более сложными для вихретокового контроля являются рудные материалы. Образовавшиеся после взрыва куски млеют случайно распределенную кривизну, поверхности с перепадами рельефа до 20 мм и более. Графитовые и железные руды обладают одновременно проводящими и магнитными свойствами. Контроль в скважинах осложняется их обводненностью и, неизбежно возникающими в процессе сканирования, перекосами зонда.
Серийно выпускаемая аппаратура не охватывает диапазона низких значений проводимости б^ІО-ІО См/м, имеет недостаточные для рассматриваемых объектов пределы отстройки от колебаний зазора, изменений электропроводности и температуры. Поэтому задача разработки новых первичных вихретоковых преобразователей (ВШ), методик и
приборов контроля таких сред является актуальной.
Работа выполнена в соответствии с Межвузовской целевой комплексной программой "Разработка и применение методов и средств не-разрушавдего контроля качества промышленных изделий" на I98I-I985 (п.4.1.5) и на I986-I99G г.г. (п.2.6.2).
Цель работы заключается в разработке метода контроля вертика-льнослоистых структур накладными ВТП прямоугольной формы, создании новых конструкций ВТП для контроля анизотропных сред со сложным рельефом поверхности, обосновании измерительных режимов автогене- . раторных вторичных преобразователей и создании на этой осноеє устройств контроля с улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками.
Поставленная цель достигается решением следующих задач:
I) анализ физических и математических моделей взаимодействия поля накладного ВТП с вертикальнослоистой'средой и создание метода решения прямой и обратной задач контроля; уточнение закономерностей вихретокового контроля слабопроводяыих сред в области б= ТОГО См/м; разработка новых конструкций ВТП с отстройкой от влияния анизотропии свойств и рельефа контролируемой поверхности;
2).сравнительный анализ измерительных режимов автогенераторных преобразователей (АЛ!) с различным включением резонансных контуров, определение базовой схемы АГП и разработка методики ее практического расчета;
3)- обоснование принципов стабилизации амплитуды и чувствителі ности АГП при изменениях зазора и температуры;
4) разработка методики создания стандартных образцов б в ди
апазоне 10 - 10 См/м;
5) реализация результатов исследований и разработанных уст
ройств в промышленности.
Методы исследований. Теоретические исследования выполнены с применением теории квазистационарных полей, метода эквивалентных параметров, метода медленно меняющихся амплитуд, теории цепей, npi ципов теории чувствительности, численных методов. Экспериментальная проверка теоретических положений проводилась с использованием современной измерительной.аппаратуры, а также физических моделей і устройств, разработанных автором.
Научная новизна работы состоит в том, что: - разработаны метод расчета эквивалентной <а вертикадьнослоистой среды в поле накладного прямоугольного ВТП, основанный на исследо вании распределения плотности вихревого тока в слоях и алгоритм
решения обратной задачи, позволяющий определять проводимости и толщины отдельных- слоев посредством анализа модуляционных характеристик б, получаемых при повороте ВШ вокруг оси и сканировании вдоль главных осей анизотропии; определено влияние угла наклона слоев к внешней поверхности на период и глубину модуляции 6 ;
. - выявлены особенности контроля слабопроводящих сред (б< Ю&См/м) в широком частотном диапазоне маловитковыми ВТП с различной формой, размерами, числом витков W; исследовано влияние ыагнитопровода;
определены принципы построения ВТП с отстройкой от изменения зазора путем адаптации его формы или положения к рельефу по траектории сканирования с сохранением квазиосевой симметрии поля;
на основе исследований диаграмм срыва, колебательных и нагрузочных характеристик различных схем АШ выявлены условия повышения амплитудной стабильности, определена базовая схема АП1, получены аналитические выражения для расчета нагрузочных характеристик и чувствительности с учетом степени напряженности режима работы как по переменному, так и по постоянному токам;
теоретически и экспериментально доказан эффект подавления влияния зазора на чувствительность АГП путем целенаправленного регулирования глубины положительной и отрицательной обратных связей, предложены новые схемы устройств с компенсацией погрешностей от влияния зазора;
определены закономерности изменения формы ВАХ активного элемента .автогенератора для достижения температурной стабильности в пределах -15-+45С;
предложено использовать в качестве .'стандартных образцов 6 в диапазоне 10-10 См/м монокристаллы полупроводников, выращенные по специальной технологии.
Практическая ценность результатов работы:
разработан способ определения ориентации слоев,их параметров с помощью ВТП прямоугольной формы;
разработана методика изготовления стандартных образцов 6 в диапазоне 10-Ю См/м, определена точность градуировки измерителей 6 в промежуточных мевду образцами точках методом вариации частоты;
созданы ВТП для статического и динамического контроля анизотропных сред со сложным рельефом поверхности;
разработаны схемы АГП с отстройкой от обобщенного зазора до «і*0,7'и температуры в пределах -15-+45С.
Реализация результатов работы.- Разработанные средства контроля внедрены для структуроскопии углексмпоз'итов (п/я Ы-5612, годо-
вой экономический эффект Э= 267 тыс-руб.), для экспресс-контроля концентрации углерода в графитосодержащих рудах (Завальевский графитовый комбинат), для определения содержания железа в кусковых пробах руды (НКГОК, г.Кривой Рог, Э= 56458 руб., СевГОК), для измерений в скважинах (НКГОК, 3= 83635 руб.). На защиту выносятся:
метод расчета эквивалентной проводимости б вертикальнослоис-той среды в поле накладного ВШ и алгоритм решения обратной задачи по определению проводимостей и толщин отдельных слоев;
результаты экспериментальных исследований особенностей вихре-токового контроля слабопроводящих сред маловитковыми БТП;
обоснование базовой схемы АГП и методика ее расчета с учетом степени напряженности режима работы генератора; .
теоретическое и экспериментальное обоснование путей и способов подавления влияния зазора на амплитуду и чувствительность АГП;
результаты .исследования генераторов на негатронах А-типа с низкодобротными контурами, компенсация температурных погрешностей;
обоснование конструкций ВТП с отстройкой от влияния анизотропии свойств и кривизны поверхности образца;
методика создания стандартных образцов б в области 10-10 См/м;
схемы АГП с улучшенными метрологическими характеристиками и результаты их реализации в промышленности.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на:
IX Всесоюзной конференции "Неразрушающие.физические методы и средства контроля"(г.Минск, 1981г.),
2-й республиканской конференции "Физические основы построения первичных измерительных преобразователей" (г.Винница, 1982 г.),
УІ региональной конференции "Новые методы и средства неразру-шающего контроля качества.материалов, полуфабрикатов и изделий"(г. Куйбышев, 1982 г.),
Всесоюзном тематическом семинаре "Приборы с отрицательным сопротивлением в радиоэлектронных устройствах" (г.Москва, 1982 г.),
П Всесоюзной межвузовской конференции "Электромагнитные методе контроля качества материалов и изделий" (г.Омск,'1983 г.),
УІ и УІІ Всесоюзных конференциях "Методы и средства измерений электромагнитных характеристик материалов на ВЧ и.СВЧ" (г.Новоси-сирск, 1967 и 1991 г.г.), . . .-
7-й Уральской конференции ."Современные методы неразрушащего контроля и их метрологическое обеспечение" (г.Ижевск, 1986 г.), .
Всесоюзном семинаре "Методы и средства неразрушающего контроля изделий из неметаллов и их применение в промышленности"(г.Ленинград, 1969 г.),
Всесоюзной конференции "Проблемы теории чувствительности измерительных датчиков, электронных и электромеханических систем" (г.Владимир, 1989 г.),
XII Всесоюзной конференции "Неразрушающие физические методы контроля" (г.Свердловск, 1990 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 35 печатных работ, из них 10 - в центральных и республиканских журналах, 8 авторских свидетельств на изобретения и II докладов на перечисленных выше конференциях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пнти глав, заключения, списка литературы из 137 наименований и приложения. Работа изложена на 125 страницах, иллюстрирована рисунками и фотографиями на 73 страницах, содержит б таблиц и приложение на 17 страницах.
