Электромеханические преобразователи вихретокового типа для оценки геометрических параметров электропроводящих объектов

• Автор: Федотов, Александр Юрьевич
• Шифр специальности: 05.09.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2008
• Место защиты: Самара
• Количество страниц: 137 с. : ил.

Содержание
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. МЕТОДЫ ОЦЕНОК ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПРОВОДЯЩИХ ОБЪЕКТОВ
1.1. Акустический метод
1.2. Оптический метод
1.3. Вихретоковый метод
1.4. Особенности вихретокового метода контроля
1.5. Классификация ВТП
1.6. Анализ существующих систем на основе вихретоковых преобразователей
ГЛАВА2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВТП
2.1. Математическая и электромагнитная модель накладного ВТП
2.2 Электромагнитная модель проходного ВТП
2.3. Электромагнитная модель ВТП накладного тина с нитевидной обмоткой
2.4. Математическое моделирование
2.4.1 Уравнения Максвелла с учетом движения ВТП
2.3 Экспериментальное моделирование
2.3.1. Магнитное поле эталонных образцов
2.3.2. Магнитное поле нового рельса
2.3.3. Магнитное поле изношенного рельса
2.3.4. Анализ экспериментального моделирования
2.4. Сравнение математического и экспериментального моделирования
ГЛАВА 3. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ВИХРЕТОКОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
3.1. Конструкция трансформаторного ВТП накладного типа
3.2. Элементы преобразователей вихретокового типа
3.2.1. Возбуждающая катушка (полезадающая катушка)
3.2.2. Первичные преобразователи(генераторные катушки)
3.2. Методика расчета распределенного ИВЭП
3.3. Схемные решения внешних элементов ИВЭП
3.3. Спектральные методы в алгоритмах обработки сигналов ИВЭП
ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И ВНЕДРЕНИЕ ИНФОРМАЦИОННЫХ
ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ВИХРЕТОКОВОГО ТИПА
4.1. Комплекс для исследования характеристик ВТП
4.1.1. Основные технические характеристики блоков ГС-100 и ИП
4.1.2 Основные технические характеристики стенда
4.2. Экспериментальные исследования информационного электромеханического распределенного преобразователя вихретокового типа
4.3. Экспериментальные исследования информационного электромеханического функционального преобразователя вихретокового типа
4.4 Сравнительные испытания распределенного и функционального ИВЭП
4.5 Применение ИВЭП
4.5.1. Устройство измерения ширины рельсовой колеи
4.5.2. Датчик фиксации рельсовых пересечений ДФРП
4.5.3. Полоз измерительный
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА
ПРИЛОЖЕНИЯ

Введение
Оценка геометрических параметров проводящих объектов применяется в различных областях практической деятельности. Машиностроение, энергетика, транспорт, авиационная и космическая техника, дефектоскопия — вот те области, где необходим контроль геометрических параметров. По мере развития этих областей ужесточались и требования к точности устройств контроля геометрических параметров объектов [71].
Актуальность работы
Вихретоковые преобразователи для контроля отдельных геометрических параметров используются и на транспорте, в частности, на железнодорожном транспорте [67] для контроля различных параметров подвижного состава, объектов пути и контактной сети [70].
В настоящее время для измерения геометрических свойств проводящих объектов используются системы, основанные на непосредственном контакте с объектом, и системы, в основе которых лежит бесконтактный оптический метод измерения.
Как у контактных, так и у оптических систем есть свои недостатки.
Применение бесконтактных информационных электромеханических преобразователей вихретокового типа (ИВЭП), мало зависящих от воздействия окружающей среды, позволит значительно расширить область применения существующих систем и создать новые системы для повышения качества и точности измерения. Несмотря на многообразие видов вихретоковых преобразователей (ВТП) и способов выделения информации имеется множество уже поставленных, но еще не решенных задач.
Цель работы
Целью данной работы является повышение достоверности оценки геометрических параметров протяженных электропроводящих тел сложной формы путем создания бесконтактных электромеханических преобразователей вихретокового типа с соответствующей конфигурацией электромагнитного поля и обмоточных структур.

Задачи исследования
Для достижения поставленной цели необходимо было сформулировать и решить следующие задачи:
- провести обзор современных схем и конструкций вихретоковых преобразователей для контроля геометрических параметров электропроводящих объектов;
- разработать математическую модель и провести расчет распределения электромагнитного поля для протяженных проводящих объектов сложной формы на базе численных методов с использованием интегральных уравнений;
определить и проанализировать комплексные геометрические
характеристики распределения электромагнитного поля для образцов типовых объектов на основе экспериментального моделирования с использованием ВТП;
разработать аппаратные и программные средства измерения,
регистрации и обработки сигналов ВТП для анализа геометрических параметров объектов сложной формы;
- разработать опытные образцы ВТП и провести экспериментальные исследования.
Основные методы научных исследований.
Основные научно-практические результаты получены путем обобщения современных достижений в области контроля с помощью метода вихревых токов и теоретико-экспериментальных исследований в области анализа выходных сигналов накладных ВТП. Теоретические исследования базируются на математическом аппарате анализа электрических цепей, теории
электромагнитного поля, теории восстановления зависимостей по эмпирическим данным, теории спектрального метода обработки данных, а также на численном анализе и прикладных методах программирования. При исследованиях использовались разработанные при участии автора программы сбора и предварительной обработки данных.

діУ3 _ У і У% дх

2Д ду 2Д
где Х[, у, - координаты вершин треугольника, Д - его площадь. Интегральное выражение, которое необходимо сформировать для решения исходя из формулы энергетического функционала [22], выглядело следующим образом.
г 1 / 'аи' 2 "ал"
1 — +
А 2 V _0Х_ _Эх_
ск сіусіг
(2.15)
Аппроксимация принятая для А, подставлялась в выражение функционала (2.15) и после интегрирования по объему элемента получили матричное уравнение для конечного элемента:
2*> 2*5 і А Ч‘
52д 52>2 а2 = ИаИг'1
Л> V А. л.
где коэффициенты определялись формулами:

алг, ды, алг
-ТГ+ я. +J9O70//),A,.A;.
ах ах ах ах
di = А',сіхбубг;
сіхсіусіг
и с!, рассчитывались для каждого элемента с использованием функций формы и их производных. Интегралы вычислялись аналитически:

(2А )г

(2А)2 4А
ІУ2 ~ УзХУз ~ >)
дх дх
' дМ:'ЛхсІусІ2
дх дх

(2 -УзХУі ~72) 4А