Електропровідність виробу визначають на основі (11) з виразу

. (15)

Формули (14) і (15) дають можливість визначити r і в послідовному циклі, тобто спочатку знайти r, а далі . У паралельному циклі величину r знаходять із виразу (14), а , використовуючи формулу

. (16)

Паралельний цикл прискорює процес розрахунків r і , що важливо при автоматизації контролю. Окрім вказаних універсальних залежностей і K від х, у роботі були введені інші удосконалені функції перетворення, тобто K=f() і Nх=Kх2=f(), де Nх - параметр, який характеризує собою нормовану ерс Е23Н, обумовлену магнітним потоком всередині ТЕМП (де Е23Н=Е23/Е0). Ці дві функції дозволяють визначити значення r і за допомогою двох незалежних кривих: K=f() і Nх=f(). Дійсно, після виміру в експерименті фазового кута на основі функції K=f() для заданих d/a і а знаходять параметр K, а по ньому, виходячи із (14), визначають r, а величину розраховують із співвідношення

, (17)

де параметр Nх знаходять при відомих d/a і а за допомогою функції Nх=f() для визначеного у експерименті значення фазового кута .

Як бачимо з (14) і (17), r розраховують на основі використання тільки кривої K=f(), а - тільки, виходячи з функції Nх=f(), причому обидва параметри r і залежать від електричних параметрів перетворювача, що вимірюються, і відомих величин. Формули (14) і (17) характеризують паралельний цикл визначення r та .

В цьому ж розділі описана схема установки ТЕМП для контроля електромагнітних параметрів r і труб з компенсацією частини ерс ТЕМП, обумовленої магнітним потоком в повітряному зазорі між трубою та вимірювальною обмоткою ТЕМП. Схема дозволяє генератором Г встановлювати струм I і частоту f. Струм вимірюють амперметром А до частот 1500 Гц і за допомогою падіння напруги, що показує вольтметр В, на зразковому опорі R0 (при f>1500 Гц). Ерс Е23 з включених на зустріч вимірювальної обмотки робочого РП і вторинної обмотки компенсаційного КП перетворювачів визначається вольтметром В2. Значення ерс Е0 з виходу вторинної обмотки опорного перетворювача регіструється вольтметром В3. Фазовий кут між Е23 і Е0 вимірюється фазометром Ф. На цій схемі (див. рис. 4) були одержані результати експериментального визначення r і матеріалу трубчастих виробів. Результати, отримані розробленим методом з фіксованою фазою і контрольними методами (балістичним при визначенні r і мостовим для вимірювання ) гарно співпадають.

У другому розділі приведені схеми установок, які працюють на основі параметричного електромагнітного перетворювача ПЕМП з циліндричним трубчастим виробом. Розглянуто основні співвідношення, які описують роботу цих установок. Показано достоїнства і недоліки ТЕМП і ПЕМП, які використаються для сумісного контролю r і .

У третьому розділі розглянуто електромагнітний метод і реалізуючий його пристрій для одночасного контролю r і трубчастих виробів на основі застосування фіксованих значень фазового кута . Використовуючи формули (1)-(10) можна визначити залежності r і х від нормованого магнітного потоку Фн у трубі, причому

, (18)

де Ф23 - магнітний потік всередині труби, який створює ерс Е23; Ф0 - магнітний потік ТЕМП при відсутності в ньому виробу; Ф0 індукує ерс Е0.

На рис. 5 і 6 показано функції перетворення r=f(Фн) і х=f(Фн) при фіксації фази =const=15. Алгоритм визначення значень r і при використанні методу фіксованої фази, =const такий. Змінюють частоту магнітного поля, зондуючого трубу до тих пір, коли фазовий кут зрівняється з заданим значенням (наприклад, =15). При цьому треба забезпечити умову 1, котра реалізується шляхом компенсації частини сумарної ерс, пов'язаної з магнітним потоком у повітряному зазорі. Знайшовши в схемі рис. 4 ерс Е23, Е0 при фіксованій частоті, яка відповідає =const, на основі (18) знаходять Фн, а потім за допомогою графіка рис. 5 при заданому відношенні d/a визначають r. Другий графік залежності х від Фн (див. рис. 6) дає можливість знайти для того ж d/a величину х. Останній параметр, та відомий радіус труби а, а також знайдені значення r і f дозволяють визначити з співвідношення (15).

Був проведений експеримент на зразках труб, виконаних із різних матеріалів. Наприклад, зразок: сталь 3; d/a=0,2; a=1,510-3 м, довжина зразка 0,5 м; перетворювач: ТЕМП, аП=2510-3 м, напруженість магнітного поля Н0=60 А/м; =1. Вимірювальні значення величин: f=2348,2 Гц, =15, Е23=0,203 В, Е20=5,8210-3 В (де Е20 - ерс ТЕМП при наявності компенсації ефектів зазору у відсутності зразка всередині ТЕМП)

. (19)

Розрахункові значення r=99,9; х0=4,69968; =0,529107 См/м.

У цьому ж розділі було розроблено метод безконтактного визначення зовнішнього діаметра і питомої електричної провідності немагнітних труб. Був введений комплексний параметр N, формули визначення модуля і його фази вн якого мають вигляд при r=1

, (20)

, (21)

де Евн - внесена виробом у ТЕМП ерс, ReK і ImK - реальна та уявна частини параметра K; вн - фазовий кут внесеної ерс Евн.

На основі формул (1)-(10) і (20) отримані залежності N і вн від параметра х при різних фіксованих d/a (див. рис. 7 і 8). Значення ReK і ImK можна знайти, як

, (22)

, (23)

З графіків рис. 7 і 8 видно, що при х35 функції N=f(х) та вн=f(х) практично не залежать від відношення d/a. Це дає можливість встановити алгоритм вимірювальних і розрахункових процедур для визначення діаметру D і питомої електричної провідності циліндричних немагнітних труб. При цьому змінюючи частоту f доки фазовий кут вн зрівняється із значенням 2,33, яке відповідає х=35. Можна використовувати випадок вн2,33. Далі визначений кут вн дозволяє на основі залежності вн від х (див. рис. 8) знайти х, а по ньому - параметр N, застосувавши функцію N=f(х) (рис. 7). Для виміряних значень ерс Евн і Е0, виходячи з формули (20), визначають зовнішній діаметр D труби з виразу

, (24)

де DП - діаметр вимірювальної обмотки ТЕМП.

Значення знаходять із співвідношення

. (25)

Для виміру малих фазових кутів вн в роботі використовується схема установки на основі двох ерс, що вирівнюються, і виміру їх векторної різниці.

Отримано результати вимірювань D і немагнітних труб різного асортименту. Ці результати добре відповідають даним контрольних вимірів цих же труб.

Аналіз поведінки кривих залежності від х для немагнітних труб показує, що фазовий кут параметра K (або Е23) при зміні х досягає максимальних значень max при різних фіксованих відношеннях d/a. Звідси можна побудувати залежності max від d/a. На рис. 9 і 10 показані залежності max і х від d/a. Це дає можливість визначати параметри d/a, d і . Тобто треба змінювати частоту f поля доки кут досягне max, при цьому вимірюють частоту f. Потім на основі графіка рис. 9 знаходять d/a, а використовуючи криву рис. 10 визначають параметр х. При відомих значеннях а і знайденої в експерименті частоті f знаходять товщину d стінки труби і величину (з виразу (15)).

Слід відзначити, що графіки рис. 2-10 дають якісну картину поведінки універсальних функцій перетворення. При розрахунках в роботі використовувались масиви точок цих функцій, які дозволяли провести точні розрахунки параметрів труб.

У четвертому розділі розглянуто методику розрахунків очікуваних значень компонентів сигналів ТЕМП, яка полягає у тому, що при заданих параметрах зразка труби, тобто а, d/a, довжини ТЕМП l0, r, і параметрів ТЕМП: чисел витків Wн і Wи намагнічувальної, та вимірювальної обмоток, аП, Н0 і х знаходять частоту f (на основі (11)), потім визначають ерс скомпенсованого ТЕМП без виробу, а далі знаходять за допомогою функції K=f(х) і =f(х) ерс Е23 і визначають фазу . І нарешті визначають намагнічувальний струм перетворювача. Ця методика має важливе значення при проектуванні установок для багатопараметрового контролю трубчастих виробів.

Особлива увага в роботі приділяється аналізу похибок вимірювання електромагнітних і геометричних параметрів труб, а також взаємозв'язкам цих похибок і чутливості ТЕМП з параметрами виробу. На основі використання методики розрахунків посередніх вимірювань були одержані вирази відносних похибок і вимірювання параметрів r і труби.

Такі вирази при довірчій ймовірності 0,95 мають вигляд

(23)

(24)

де Е23, Е20, , d, а, f - відносні похибки, які відмічені індексами при них; С і С - коефіцієнти впливу, які визначаються в основному похідними функцій перетворення, тобто K/ і х/; Ен і н - похибки, які зв'язані з недостатньою точністю компенсації ефектів повітряного зазору.

На основі формул (23) і (24) були побудовані залежності і від х для різних відношень d/a при характерних числових відносних значеннях похибок Е23Е200,5 %; аd0,1 %; f0,1 %; Енн1 %. Аналіз поведінки і для різних d/а і х показує, що при d/а=1 (суцільний пруток) 1 % у діапазоні 1,5х3, у цьому діапазоні 2 %; для d/а=0,2 1,7 % і 1,8 % при 2х8; для d/а=0,1 1,7 % і 1,8 % в діапазоні 2х15; для d/а=0,05 1,7 % і 1,8 % при 5х30.

Все це вказує на те, що границі малих числових значень похибок і розширюються у бік великих значень х при зменшені товщин стінок труб. Аналогічно ведуть себе максимальні значення амплітудної і фазової чутливості ТЕМП до параметрів виробу. Амплітудна SK і фазова S чутливості описуються похідними K/х і /х, відповідно.

У цьому ж розділі наведені приклади використання розроблених електромагнітних пристроїв для неруйнівного контролю трубчастих виробів. А саме, на основі експериментальних результатів визначені функціональні зв'язки значень r і з межами міцності В і текучості Т матеріалу бурильних і обсадних труб, які використовуються в нафтогазодобувній промисловості. Показано, що магнітний параметр r більш чутливий до зміни В і Т у феромагнітних трубах, ніж електрична величина . А для немагнітних труб (наприклад дуралієвих, матеріал Д16Т) параметр дуже чутливий до меж міцності та текучості.

ВИСНОВКИ

Таким чином, в роботі вирішені важливі задачі створення безконтактних електромагнітних методів і реалізуючих їх пристроїв для сумісного контролю магнітних, електричних та геометричних параметрів трубчастих циліндричних виробів у повздовжніх зондуючих полях. Коротко зупинимося на результатах роботи.

1. На основі одержаних в роботі точних і наближених співвідношень, які зв'язують параметри трубчастих виробів з електричними сигналами перетворювача були введені спеціальні комплексні параметри і встановлені універсальні функції перетворення.

2. Шляхом використання універсальних функцій перетворення і розроблених алгоритмів створені електромагнітні методи сумісного контролю магнітної проникності і питомої електричної провідності феромагнітних, слабомагнітних і немагнітних труб на основі забезпечення постійних фіксованих значень частоти.

3. Розроблена модифікація електромагнітного метода для визначення r і на основі підтримання постійного значення фазового кута ерс трансформаторного перетворювача.

4. Створена модифікація електромагнітного метода сумісного безконтактного контролю зовнішнього діаметра та електропровідності немагнітних труб на основі отриманих функцій перетворення.

5. Розроблено електромагнітний метод одночасного контролю і реалізуючий його пристрій для безконтактного визначення товщини стінки і середньої питомої електричної провідності немагнітного трубчастого виробу.

6. Описані схеми установок для двухпараметрового неруйнівного контролю параметрів труб на основі застосування трансформаторного і параметричного перетворювачів. На цих установках одержані результати експериментального визначення параметрів виробів. Результати контролю розробленими методами добре погоджуються з даними контрольних методів.

7. Запропонована методика розрахунків очікуваних значень компонентів сигналів трансформаторного електромагнітного перетворювача, визначені границі зміни електричних величин, які відповідають діапазонам зміни параметрів труб. Створена методика дозволяє якісно проектувати установки для багатопараметрового контролю суцільних і трубчастих циліндричних виробів.

8. На основі одержаних співвідношень для визначення похибок вимірювання магнітних і електричних параметрів труб проведено аналіз поведінки цих похибок при різних значеннях узагальненого параметра х трубчастого виробу. Показано, що зі зменшенням товщини стінки феромагнітних труб раціональні з точки зору досягнення малих похибок і високих значень чутливостей діапазон зміни узагальненого параметру розширюється у бік його більших значень, причому відносні похибки визначення магнітного і електричного параметрів не перевищують 2 %.

9. Наведені приклади практичного застосування методів і засобів для контролю параметрів бурильних і обсадних труб у нафтогазодобувной промисловості, а також для визначення параметрів труб на атомних станціях та інших підприємствах.

Список опублікованих праць за темою дисертації:

1. Себко В.П., Хоменко В.Г. Электромагнитный многопараметровый метод контроля трубчатых изделий // Технічна електродинаміка, Тематичний випуск, ч. 2, 1999, с. 39-42.

Автором отримані універсальні функції перетворення для амплітуди і фази нормованого потоку в трубі з різними співвідношеннями між товщиною стінки труби і її діаметром. Приведено схеми включення перетворювача та алгоритм контролю параметрів трубчастих виробів.

2. Себко В.П., Хоменко В.Г. Бесконтактный контроль физико-механических параметров материала цилиндрических проводящих изделий // Вестник ХГПУ, вып. 64, 1999, с. 111-113.

Автором отримані експериментальні залежності електромагнітних параметрів трубчастих виробів від механічної напруги, що виникає в стінках труб.

3. Себко В.П., Хоменко В.Г. К расчёту компонентов сигналов электромагнитного преобразователя с трубчатым изделием. // Вестник ХГПУ, вып. 92, 2000, с. 76-80.

Автором приведена методика розрахунку значень сигналів трансформаторного перетворювача з трубчастим виробом.

4. Себко В.П., Хоменко В.Г. Электромагнитный контроль параметров проводящих трубчатых изделий // Вестник ХГПУ, вып. 61, 1999, с. 337-338.

Автором отримані експериментальні дані для випадку двохпараметрового контролю параметрів труби з оцінкою похибок контролю.

5. Себко В.П., Хоменко В.Г. Погрешности одновременного измерения магнитных и электрических параметров проводящих труб // Труды II научно-технической конференции "Метрология и измерительная техника", т. 1, Харьков, 1999, с. 213-216.

Автором отримані залежності похибок контролю і чутливостей перетворювача при двохпараметровом контролі в широкому діапазоні зміни узагальненого параметра х.

6. Себко В.П., Горкунов Б.М., Хоменко В.Г. Метод и устройство для определения физических параметров труб, используемых в строительстве // Доклады международной практический конференции "Сооружения, конструкции, технологии и строительные материалы XXI века", Ч. 1., Белгород, 1999, с. 96-101.

Автором проведені експериментальні дослідження безконтактного спільного контролю магнітної проникності і питомої електричної провідності трубчастих виробів різного сортаменту.

7. Себко В.П., Горкунов Б.М., Хоменко В.Г., Сиренко Н.Н. Определение параметров цилиндрических трубчатых изделий // Информационно-управляющие системы на железнодорожном транспорте, № 4, 1999, с. 44-47.

Запропоновано схему включення трансформаторного перетворювача для безконтактного контролю питомої електричної провідності і діаметра немагнітних труб.

Хоменко В.Г. Багатопараметровий вихорострумовий перетворювач для безконтактного контролю провідних трубчастих виробів. - Рукопис

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.13 - прилади і методи контролю та визначення складу речовин. Харківський державний політехнічний університет, Харків, 2000.

Дисертація присвячена питанням розробки і дослідження багатопараметрових електромагнітних методів і реалізуючих їх пристроїв для безконтактного одночасного контролю магнітних, електричних і геометричних параметрів металевих трубчастих виробів у подовжніх однорідних магнітних полях. Розроблено алгоритм і модифікацію вихорострумового методу одночасного контролю електромагнітних параметрів феромагнітних і слабо феромагнітних труб на основі підтримування сталості фазового кута нормованого магнітного потоку в трубі, а також спільного безконтактного контролю товщини стінки й середньої електропровідності немагнітних трубчастих виробів на основі введених універсальних функцій перетворення. Одержані співвідношення для розрахунку похибок спільних вимірів відносної магнітної проникності і питомої електропровідності трубчастих виробів.

Ключові слова: вихорострумовий перетворювач, багатопараметровий контроль, магнітне поле, магнітна проникність, електропровідність.

Хоменко В.Г. Многопараметровый вихретоковый преобразователь для бесконтактного контроля проводящих трубчатых изделий. - Рукопись.

Диссертация посвящена вопросам разработки и исследования многопараметровых электромагнитных методов и реализующих устройств для бесконтактного одновременного контроля магнитных, электрических и геометрических параметров металлических трубчатых изделий в продольных однородных магнитных полях. Разработан алгоритм и модификация вихретокового метода одновременного контроля электромагнитных параметров ферромагнитных и слабоферромагнитных труб на основе поддержания постоянства фазы нормированного магнитного потока в трубе, а также совместного бесконтактного контроля толщины стенки и средней электропроводности немагнитных трубчатых изделий на основе введения универсальных функций преобразования. Получены соотношения для расчёта погрешностей совместных измерений относительной магнитной проницаемости и удельной электропроводности трубчатых изделий.

В работе решены важные задачи создания электромагнитных бесконтактных методов и реализующих их устройств для совместного неразрушающего контроля магнитных, электрических и геометрических параметров трубчатых цилиндрических изделий в продольных зондирующих магнитных полях.

На основе полученных в работе точных и приближённых соотношений, связывающих параметры изделия с электрическими сигналами преобразователя введены специальные комплексные параметры и установлены универсальные функции преобразования.

Разработан ряд алгоритмов, позволяющих совместно определять магнитную проницаемость r и удельную электрическую проводимость трубчатых изделий.

Путём использования универсальных функций преобразования и разработанных алгоритмов созданы вихретоковые методы совместного контроля r и ферромагнитных труб на основе поддержания постоянного значения частоты изменения магнитного поля. Разработаны алгоритмы измерительных и расчётных процедур, а также на его основе модификация вихретокового метода одновременного контроля значений r и ферромагнитных и слабоферромагнитных труб, состоящая в поддержании постоянства значения фазового угла нормированного магнитного потока в трубе.

Определены универсальные функции преобразования, связывающие удельную нормированную вносимую эдс и её фазу трансформаторного вихретокового преобразователя для различных относительных толщин стенок труб с обобщённым параметром трубчатого изделия.

Создана модификация электромагнитного метода совместного бесконтактного контроля внешнего диаметра и электропроводности немагнитных труб на основе полученных универсальных функций преобразования.

Разработан вихретоковый метод совместного бесконтактного определения толщины стенки и средней по этой толщине электропроводности немагнитного трубчатого изделия.

Описаны электрические схемы установок для двухпараметрового контроля труб, основанные на использовании трансформаторного и параметрического вихретоковых преобразователей; на таких установках получены результаты измерений магнитных, электрических и геометрических параметров ферро-, слабоферромагнитных и немагнитных трубчатых изделий. Результаты измерений разработанными и контрольными методами хорошо согласуются между собой.

Предложена методика расчётов ожидаемых значений компонентов сигналов трансформаторного вихретокового преобразователя, определены пределы изменения электрических величин, соответствующих диапазонам изменения параметров трубчатых изделий.

Получены соотношения для определения чувствительностей и погрешностей совместного контроля r и трубчатого изделия.

На основе этих соотношений проведен анализ поведения погрешностей одновременного измерения r и при различных значениях обобщённого параметра трубчатых изделий. Показано, что с уменьшением толщины стенки ферромагнитной трубы рациональные с точки зрения достижения малых погрешностей и высоких значений чувствительности диапазоны изменения обобщённого параметра расширяются в сторону его больших значений. При этом численные значения относительных погрешностей измерения r и труб не превышают 2 % для рационального диапазона изменения обобщённого параметра соответствующего каждому значению относительной толщины стенки ферромагнитной трубы.

Даны примеры практического использования разработанных методов и средств для контроля параметров бурильных и обсадных труб в нефтегазодобывающей промышленности, а также для определения параметров труб на атомных станциях и других предприятиях, где были внедрены результаты данной работы (см. документы в приложении, подтверждающие внедрение).

Ключевые слова: вихретоковый преобразователь, многопараметровый контроль, магнитное поле, магнитная проницаемость, электропроводность.

Homenko V.G. Multiparameter vortex-current the transformer for noncontact monitoring of conductive tubular articles. - Manuscript.

The thesis is devoted to problems of development and research of multiparameter electromagnetic methods and implementing devices for noncontact simultaneous monitoring of magnetic, electrical and geometrical parameters of metal tubular articles in longitudinal homogeneous magnetic fields. The algorithm and modification of vortex-current method of simultaneous monitoring of electromagnetic parameters ferromagnetic and weakly ferromagnetic of funnels designed on the basis of maintaining persistence of a phase of a normalized magnetic flux in a funnel, and also share noncontact monitoring of wall thickness and medial electrical conductivity of non-magnetic tubular articles on the basis of introduction of universal functions of transformation. The relations for calculation of errors of share measuring of a relative magnetic permeability and direct-current conductivity of tubular articles are obtained.

Keywords: the vortex-current transformer, multiparameter monitoring, magnetic field, magnetic permeability, electrical conductivity.

Страницы: 1, 2, 3, 4