Содержание к диссертации
Введение
1. Контрольно - измерительных модулей с вихретоковыми чувствительными элементами ВАК 12
1.1 Классификация контрольно-измерительных модулей 12
1.2 Многопараметровость вихретоковых чувствительных элементов 15
1.3 Функциональные схемы контрольно-измерительных модулей на основе вихретоковых чувствительных элементов 20
1.4 Унификация контрольно-измерительных модулей с вихретоковыми чувствительными элементами 27
Выводы по первой главе 30
2. Математичекое моделирование взаимодействия вихретоковых контрольно-измерителых модулей с электропроводящими объектами 32
2.1 Анализ и синтез вихретоковых преобразователей для контроля зазоров, смещений и качества покрытий изделий 32
2.2 Годографы вносимых сопротивлений при изменении параметров электропроводящего элемента 42
2.3 Диаграммные зависимости вносимых сопротивлений от основных параметров электропроводящего элемента 52
2.4 Анализ погрешностей вихретоковых контрольно-измерительных модулей при контроле толщин, зазоров и перемещений объектов 61
2.4.1 Контроль зазоров и смещений объектов в направлении оси преобразователя 62
2.4.2 Контроль толщин электропроводящих изделий 69
2.4.3 Контроль перемещений объекта в направлении нормальном
к оси преобразователя 73
2.4.4 Контроль электрофизических параметров изделий 78
2.5 Влияние вариаций неконтролируемых параметров изделия на работу вихретоковых контрольно-измерительных модулей 80
Выводы по второй главе 85
3. Импульсно- гармоническая схемотехника для вихретоковых контрольно-измерительных модулей 87
3.1 Построение измерительных цепей с вихретоковыми чувствительными элементами 87
3.2 Импульсно-гармонические усилители мощности и синхронные детекторы. 98
3.3 Импульсно-гармонические преобразователи системы координат. 105
Выводы по третьей главе 117
4. Вихретоковые контрольно-измерительные модули с квазисинусоидальными импульсно-гармоническими преобразователями 118
4.1 Анализ избирательности квазисинусоидальных импульсно-гармонических преобразователей 118
4.2 Анализ помехозащищённости квазисинусоидальных импульсно-гармонических преобразователей 126
4.3 Измерительные цепи с квазисинусоидальными взвешивающими функциями 128
4.4 Стабилизированные формирователи импульсов для квазисинусоидальных импульсно-гармонических преобразователей 151
Выводы по четвертой главе 172
5. Схемотехнические особенности применения импульсно- гармонической схемотехники в унифицированных вихретоковых контрольно-измерительных модулях 174
5.1 Схемотехнический анализ вариантов построения вихретоковых контрольно-измерительных модулей на основе импульсно-гармонических преобразователей 174
5.2 Сопряжение вихретоковых контрольно-измерительных модулей с вычислительными устройствами 183
5.3 Базовый вариант аналогового импульсно-гармонического устройства для унифицированных вихретоковых контрольно-измерительных модулей 187
5.4 Схемотехнические особенности построения релейных импульсно- гармонических устройств для вихретоковых контрольно- измерительных модулей 204
Выводы по пятой главе 211
6. Метрологические характеристики контрольно-измерительных модулей с вихретоковыми чувствительными элементами 212
6.1 Основная погрешность вихретоковых контрольно-измерительных модулей 212
6.2 Дополнительные погрешности вихретоковых контрольно-измерительных модулей 227
6.3 Метрологические возможности контрольно-измерительных
модулей при использовании квазисинусоидальных взвешивающих функций 239
6.4 Экспериментальные исследования метрологических характеристик вихретоковых контрольно-измерительных модулей 244
Выводы по шестой главе 260
7. Контрольно-измерительные модули в системах управления качеством изделий машиностроения 261
7.1 Роль средств контроля в системах управления качеством и надежностью изделий машиностроения 261
7.1.1 Области практического применения вихретоковых контрольно- измерительных модулей 262
7.1.2 Повышение надежности и стабильности метрологических характеристик вихретоковых контрольно-измерительных модулей 276
7.2 Вихретоковые контрольно-измерительные модули механического состояния и технологических параметров изделий 283
7.3 Вихретоковые контрольно-измерительные модули для стендовых испытаний двигателей внутреннего сгорания 295
Выводы по седьмой главе 300
Основные результаты работы 303
Список литературы 308
- Классификация контрольно-измерительных модулей
- Анализ и синтез вихретоковых преобразователей для контроля зазоров, смещений и качества покрытий изделий
- Построение измерительных цепей с вихретоковыми чувствительными элементами
Классификация контрольно-измерительных модулей
В последние годы появилось значительное число публикаций, посвященных темам унификации, комплексирования и использования одного и того же датчика для получения информации о нескольких разнородных физических величинах /63, 100, 113, 136, 151, 159, 161, 163, 204, 234, 238, 248, 266, 285, 289...291/. Комплексирование средств измерения позволяет сократить номенклатуру выпускаемых датчиков и устройств первичной обработки информации. Одним из наиболее перспективных принципов действия чувствительных элементов для комплексированных измерительных систем является вихретоковый принцип действия. Данное утверждение базируется на следующем: вихретоковые чувствительные элементы являются многопарамет-ровыми, т.е. их выходная величина (вносимое сопротивление) зависит от многих (8...10) параметров объекта контроля /13, 15, 18, 28, 114, 245/; для вихретоковых чувствительных элементов разработаны способы и средства селективного выделения информации о изменении каждого отдельного влияющего параметра из приращений выходного сигнала /78, 100, 114, 133,158,244/; вихретоковые чувствительные элементы используются для одновременного получения информации о нескольких влияющих величинах /136, 138, 141, 167, 196/.
Вихретоковые контрольно-измерительные модули - это класс интегрированных средств первичного измерения, основанных на использовании в качестве чувствительного элемента, вихретоковых датчиков и позволяющих получать и преобразовывать информацию о многих физических величинах, формируя, при этом унифицированный выходной сигнал.
Анализ и синтез вихретоковых преобразователей для контроля зазоров, смещений и качества покрытий изделий
Рассмотрим вопросы анализа и синтеза ВТП для контроля зазоров, смещений и качества покрытий изделий. Анализ выходных характеристик ВТП проведем на основе информационно-энергетического подхода, позволяющего получить количественные оценки предельных возможностей преобразователей при контроле зазоров и перемещений объектов, их электрофизических и технологических параметров.
Повышение точности и надежности контроля положений и перемещений электропроводящих объектов, их технологических параметров невозможно без разработки новых подходов к подавлению различных дестабилизирующих факторов: вариаций электрофизических свойств материала объекта, влияния параметров окружающей среды и т.п. Решение этих задач значительно упрощается, если удается создать датчик с линейной функцией преобразования "перемещение (зазор, толщина покрытия)" - "электрический сигнал" с последующим применением алгоритмов ее коррекции, например, тестовых методов.
Известен целый ряд способов линеаризации выходных характеристик ВТП, в том числе, и с применением компьютерной техники.
Однако общий недостаток чисто аппаратурного подхода связан с жесткой ориентацией на номинальную функцию преобразования, полученную при фиксированных значениях параметров объекта контроля. В случае существенной нелинейности функции преобразования изменение одного или нескольких влияющих параметров приводит к неконтролируемым вариациям функции преобразования, которые сложно скомпенсировать даже с применением современной вычислительной техники.
Рассмотрим два варианта синтеза трансформаторных ВТП с компланарными обмотками: с распределенной обмоткой токовой катушки и с сосредоточенными обмотками - расположенными в одной плоскости, параллельной поверхности контролируемого объекта. При этом, возбуждающая катушка выполняется в виде распределенной знакопеременной обмотки с линейной плотностью витков п(г), расположенной в плоскости z=z0=h и ограниченной радиусами r)i и г\2, или в виде N сосредоточенных обмоток радиусами Лъ г2 ..., rN, числами витков Wj (i=l,2,..., N), включенные последовательно согласно или встречно. Задача синтеза состоит в определении плотности витков n(rj) в случае распределенной обмотки и схемы соединения возбуждающих обмоток (согласное или встречное), а также соотношений между числами витков этих обмоток по заданной функции преобразования 9(h), то есть зависимости выходного сигнала ВТП от его расстояния h до проводящей поверхности.
При получении уравнений синтеза использован общий подход к синтезу ВТП, предложенный в /204, 254/, применительно к сформулированной выше задаче.
Уравнения синтеза получены на основе принципа суперпозиции, с учетом того, что измерительная обмотка ВТП является сумматором, в котором происходит сложение сигналов поля вихревых токов, обусловленных отдельными элементами возбуждающей катушки.
Построение измерительных цепей с вихретоковыми чувствительными элементами
Вихретоковые чувствительные элементы можно разделить на две группы параметрические и трансформаторные.
При использовании параметрических вихретоковых чувствительных элементов измерительные цепи строятся по схемам измерителей комплексных сопротивлений /98, 99, 102, 166, 171, 190, 208, 246/. Для этого применяются разнообразные устройства измеряющие модуль комплексного сопротивления, активную и реактивную составляющие сопротивления, добротность, а также аргумент комплексного сопротивления.
При использовании трансформаторных вихретоковых чувствительных элементов измерительные цепи строятся по схемам измерителей напряжений, т.е. по схемам вольтметров амплитудных и действующих значений, фазочувствительных вольтметров, фазометров /98, 249, 259/.
Особый класс вихретоковых средств измерений составляют автогенераторные измерители, в которых измерительные цепи строятся по принципам измерительных автогенераторов /11, 20, 22, 32, 115, 167, 224/.
Автогенераторные вихретоковые измерители обладают высокой чувствительностью к изменениям параметров объекта измерения, но требуют применения сложных корректирующих устройств устраняющих нестабильность, вызванную наличием положительной обратной связи.
Кроме перечисленных выше особенностей построения измерительных цепей, при использовании вихретоковых чувствительных элементов следует учитывать, что глубина информационной модуляции выходного параметра сравнительна не велика. Например, при использовании в качестве информативного параметра изменение ширины зазора между катушкой индуктивности и поверхностью электропроводящего элемента, относительное значение зазора должно изменяться в приделах ота, =0,5 до max = 1,2. При этом изменения вносимого сопротивления составляют (25...30)% от собственного сопротивления катушки индуктивности. Для других информативных параметров глубина модуляции (как показано в предыдущих главах) еще меньше.
Из-за малой глубины информативной модуляции выходного параметра вихретоковых чувствительных элементов их включают в мостовые или дифференциальные измерительные цепи.
