авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 |

Электромеханические преобразователи вихретокового типа для оценки геометрических параметров электропроводящих объектов

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Федотов Александр Юрьевич

ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ВИХРЕТОКОВОГО ТИПА ДЛЯ ОЦЕНКИ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩИХ ОБЪЕКТОВ

Специальность 05.09.01 – Электромеханика и электрические аппараты

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Самара - 2008 г.

Работа выполнена на кафедре «Теоретические основы электротехники» ГОУВПО Самарского государственного технического университета.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой «Теоретические основы электротехники» Высоцкий В.Е.

Официальные оппоненты:

- доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой «Электротехнического инженерно-педагогического образования» СамГТУ Костырев М.Л.

- кандидат технических наук, доцент, зав. кафедрой «Теоретической и общей электротехники» Оренбургского государственного университета Бравичев С.Н.

Ведущая организация: Самарский государственный университет путей сообщения (СамГУПС) 443066, г. Самара, 1-й Безымянный пер.,18. Тел.262-41-12, факс 262-30-76.

Защита диссертации состоится «25» декабря 2008 года в 10 часов. На заседании диссертационного совета Д212.217.04 при Самарском государственном техническом университете (СамГТУ) по адресу: г. Самара, ул. Первомайская 18 в учебном центре СамГТУ-Электрощит.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Самарского государственного технического университета, а с авторефератом на официальном сайте СамГТУ - samgtu.ru.

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенные печатью) просим направлять по адресу: 443100, Самара, ул. Молодогвардейская, 244, СамГТУ, главный корпус, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.217.04, факс: (846)2784400, e-mail: aees@samgtu.ru

Автореферат разослан «___»____________2008г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д212.217.04

кандидат технических наук, доцент ____________Кротков Е.А.

Актуальность темы. Вихретоковые преобразователи для оценки отдельных геометрических параметров используются 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 и формы объектов.

Большой вклад в разработку теории и метода вихревых токов внесли труды российских ученых: Герасимова В.Г., Гончарова В.В., Дорофеева А.Л., Клюева В.В., Никитина А.И., Покровского А.Д., Родигина Н.М., Сандовского В.А., Соболева В.С, Сухорукова В.В., Фастрицкого Б.С., Федосенко Ю.К., Шатерникова В.Е., Шкарлета Ю.М, Шкатова П.Н. и др.

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.



Несмотря на многообразие видов вихретоковых преобразователей (ВТП) и способов выделения информации имеется множество уже поставленных, но еще не решенных задач.

В частности, применение бесконтактных вихретоковых преобразователей, характеристики которых мало зависят от воздействия окружающей среды, позволит значительно расширить область применения существующих систем контроля различных параметров, как объектов пути, так и контактной сети на железнодорожном транспорте, и создать новые системы для повышения качества оценки и точности измерения.

Цель работы - 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 информационного вихретокового электромеханического преобразователя (ИВЭП) для протяженных проводящих объектов сложной формы на базе численных методов;

- разработать методику проектирования ИВЭП;

- определить и проанализировать комплексные геометрические характеристики распределения электромагнитного поля для образцов типовых объектов на основе экспериментального моделирования с использованием ИВЭП;

- разработать аппаратные и программные средства измерения, регистрации и обработки сигналов ИВЭП для анализа геометрических параметров объектов сложной формы;

- разработать опытные образцы ИВЭП и провести экспериментальные исследования.

Методы исследования. В работе приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований, полученных с использованием теории линейных электрических цепей, конечноэлементного подхода и спектрального метода обработки данных. При исследованиях использовались разработанные с участием автора программы сбора и предварительной обработки данных.

Научная новизна работы.

1. Разработана математическая модель для расчета распределения электромагнитного поля на участках протяженного проводящего объекта сложной геометрической формы, которая является базой для проектирования различных типов ИВЭП.

2. Определены аналитическим и экспериментальным путем комплексные геометрические характеристики распределения электромагнитного поля в зоне оценки и на их основе рассчитаны конструктивные параметры и разработаны схемные решения ИВЭП.

3. Предложен функциональный способ построения ИВЭП, который позволяет обеспечить достоверную оценку геометрических параметров электропроводящих объектов сложной формы.

Практическая ценность работы.

1. На основе экспериментальных исследований комплексных геометрических характеристик распределения электромагнитного поля определена конфигурация обмоточных структур ИВЭП.

2. Предложены новые инженерные решения для совершенствования конструкций и метрологических характеристик ИВЭП.

3. Разработаны методы и алгоритмы обработки сигналов для распределенного и функционального типов ИВЭП.

Основные положения, выносимые на защиту.

1.Математическая модель электромагнитного поля ИВЭП протяженных электропроводящих объектов, которая позволяет уточнить его распределение для различной геометрической формы таких объектов.

2. Методика проектирования информационных вихретоковых электромеханических преобразователей.

2. Результаты исследований комплексных геометрических характеристик электромагнитного поля ИВЭП для объектов сложной формы.

3. Новый, функциональный способ построения ИВЭП, а также алгоритм и методика обработки его сигналов, предложенные автором.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены: на второй всероссийской научно-практической конференции «Перспективные задачи управления» 2007г., на научных семинарах кафедры «Теоретические основы электротехники» Самарского государственного технического университета.

Внедрение результатов работы.

Основные положения, выводы и рекомендации нашли применение в бортовых системах контроля контактной сети БСК-КС на Куйбышевской железной дороге, в компьютеризированных вагонах-лабораториях контроля параметров контактной сети КВЛ-Э на железной дороге республики Казахстан, а также в компьютеризированных вагонах-путеизмерителях КВЛ-П для контроля ширины рельсовой колеи.

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 9 работ, две из которых входят в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий ВАК России, получено три патента на полезную модель для устройств контроля ширины рельсовой колеи, устройства для идентификации дефектов поверхностного слоя головки рельса, а также два свидетельства об официальной регистрации программ сбора и обработки данных для ЭВМ.

Структура диссертации.

Работа состоит из введения, четырех глав заключения, списка использованной литературы и приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель и поставлены задачи исследования, указана научная новизна, практическая ценность работы и основные положения, выносимые на защиту. Приведены сведения о публикациях, структуре и основных вопросах рассмотренных в главах диссертации.

Первая глава посвящена исследованию современного состояния как различных методов контроля геометрических параметров протяженных проводящих тел сложной формы, так и обзору вихретокового метода контроля.

В процессе анализа установлено, что наиболее перспективным методом контроля геометрических параметров протяженных проводящих тел сложной формы для всепогодной эксплуатации в настоящее время является вихретоковый. Рассмотрены основные достоинства и недостатки вихретокового метода контроля применительно к поставленной задаче.

Сделан краткий обзор конструкций и типов современных ВТП. Изучена возможность применения типовых ВТП для поставленной задачи.

Показана необходимость в разработке оригинального универсального ИВЭП для контроля комплексных геометрических параметров типовых протяженных проводящих тел сложной формы с учетом воздействия окружающей среды и сформулированы требования к его конструкции.

Во второй главе рассмотрены математические модели (ММ) для типовых ИВЭП, приведены графики рассчитанные по приведенным формулам. Разработана математическая модель взаимодействия проводящего объекта с электромагнитным полем. В основе ММ лежит метод численного решения дифференциальных уравнений Максвелла методом конечных элементов на персональном компьютере. С помощью модели получено распределение электромагнитного поля для разных геометрических форм объект оценки, сделан вывод о возможности применения ИВЭП для контроля геометрических параметров проводящих тел сложной формы.

Взаимодействие ВТП с объектом контроля определяется системой уравнений Максвелла в дифференциальной форме:

(1)

где -вектор напряженности магнитного поля, -вектор напряженности электрического поля, - вектор магнитной индукции. Вектор плотности полного тока: , где - вектор плотности токов в проводящей среде, - удельная электрическая проводимость, - вектор плотности вихревых токов смещения, - вектор электрического смещения, - вектор плотности токов переноса, - вектор скорости переноса - вектор плотности стороннего тока (тока источника).

Система (1) дополнена уравнениями связи:

, (2)

, (3)

где 0 = 410-7 - магнитная постоянная, - относительная магнитная проницаемость, - векторный потенциал магнитного поля.

Система уравнений (1) преобразуется с учетом следующих допущений:

- ОК неподвижен относительно электромагнитного поля т.е. ;

- среда изотропна и линейна, а ее параметры не зависят от напряженностей полей;

- воздействия синусоидальны;

- последовательность дифференцирования по времени и пространственным координатам можно изменять, а операция дифференцирования линейна и представляется в виде





Поскольку ротор градиента любого скаляра тождественно равен нулю, величину в скобках выражения (5) можно приравнять градиенту некоторого скаляра , например скалярного потенциала электрического поля

. (6)

Заменяя векторы напряженности магнитного и электрического поля в (6) через векторный потенциал магнитного поля получаем :

(7)

откуда после преобразований следует:

где k2 = 2 0 0 - j 0 , (9)

Поскольку векторный потенциал магнитного поля задан с точностью до градиента некоторого скаляра, а потенциал с точностью до постоянной величины, имеется возможность положить значение величины в квадратных скобках выражения (8) равным нулю (так называемая калибровка Лоренца). В результате получаем уравнение Гельмгольца для векторного потенциала магнитного поля

, (10)

В дальнейших рассуждениях используем следующие положения:

  1. Поле ВТП квазистационарно в том смысле, что волновыми процессами в воздухе можно пренебречь. Это вполне оправдано, т.к. размеры ВТП и ОК обычно много меньше длины волны в воздухе, а потери на излучение по сравнению с потерями в ОК малы.
  2. В проводящем теле будем рассматривать только волновые процессы, обусловленные наличием параметров и , т.е. токами смещения( пропорциональными 0 ) как и в воздухе пренебрегаем. Легко показать, что это предположение справедливо не только для металлов, но и для полупроводниковых материалов с удельным сопротивлением до 50[Омсм]. В этом случае выражение (9) принимает вид :
  3. Для получения зависимости сигналов ВТП от параметров объектов и режимов оценки используем электромагнитную модель, в виде витков радиуса Rв и Rи пренебрежимо малого сечения с переменным током , размещенного вблизи однородного цилиндрического объекта (рис.1).

Рис. 1. Схема объекта и размещенного над ним ВТП.

Решая уравнение (10) с граничными условиями, находим интегральное выражение для в виде, где – вносимая в преобразователь составляющая , обусловленная реакцией объекта. Для перехода к ЭДС, вносимой в измерительную обмотку малого сечения за счет влияния объекта, воспользуемся формулой , (11)

где l – длина контура измерительной обмотки, wи., wв – количество витков измерительной и возбуждающей катушек. Вносимая в ВТП составляющая векторного потенциала:

, (12)

где – нормированные присоединенные функции Лежандра первого порядка, и -постоянные, а функции определяются по выражению

, (13)

где , – цилиндрические функции первого рода (Бесселя) полуцелевого порядка.

При перемещении относительно ВТП объекта контроля со скоростью достигающей несколько десятков метров в секунду в объекте могут возникнуть дополнительные вихревые токи. Они обусловлены пересечением электропроводящим объектом силовых линий магнитного поля. Влияние дополнительных вихревых токов может привести к изменению значений сигналов ВТП. Для учета скоростного фактора параметр k в формуле (13) будет иметь вид: .

Рассмотренная математическая модель взаимодействия проводящего объекта контроля с электромагнитным полем является достаточной для поставленной задачи. С помощью ММ получено распределение электромагнитного поля в зоне оценки для разных геометрических форм объекта в том числе и для модели рельса (рис.2).

Рис.2 Распределение поля в для модели рельса.

Для экспериментального моделирования распределений электромагнитного поля создан универсальный ИВЭП для контроля комплексных геометрических характеристик протяженных проводящих тел сложной формы (рис.3).

 труктурная схема универсального-37

Рис.3 Структурная схема универсального ИВЭП для контроля комплексных геометрических параметров типовых протяженных проводящих тел сложной формы

Универсальный ИВЭП предназначен для исследования геометрических параметров проводящих объектов, как при ручном сканировании, так и в автоматическом режиме. Он позволяет фиксировать векторную составляющую поля, совпадающую с плоскостью полезадающей катушки и ортогональную ей. Информация регистрируемая ИВЭП представляется на экране дисплея в виде семейства кривых в декартовой системе координат.

Для сбора и оценки полученных данных создана специальная программа, которая отображает зависимость вертикальной и горизонтальной составляющих электромагнитного поля от текущего положения каретки в реальном времени. Программа также позволяет сохранять полученные данные в различных форматах для последующей обработки.

На примере железнодорожного рельса как проводящего протяженного объекта сложной формы ставились следующие задачи:

- исследовать поле нормального (неизношенного) рельса в зоне, доступной для установки измерительного преобразователя;

- исследовать влияние высоты установки датчика на картину поля;

- получить семейство характеристик поля при горизонтальном смещении объекта;

- получить картину поля изношенного рельса для сравнения с полем нового рельса;

- исследовать влияние ширины рельса на картину поля;

- произвести предварительную обработку информации с целью сокращения анализируемых параметров.

Целью исследований является определение общей картины поля рельса, зоны влияния рельса на поле катушки, изменение вектора поля в зависимости от положения измерительных катушек в горизонтальном и вертикальном направлениях. Семейство характеристик Y1(X1) и Y2(X1) приведено на рис.4. Где Y1 – вертикальная составляющая вектора магнитного поля; Y2 – горизонтальная составляющая. X1 – положение центра датчика относительно условного центра установки.

Семейства характеристик горизонтальных и вертикальных составляющих вихретокового поля были получены для нового рельса, для рельса с боковым износом и для П-образных профилей, для каждого объекта исследований были зарегистрированы характеристики при разных значениях высоты размещения ВТП над объектом исследования, при разном боковом смещении ВТП относительно центра объекта, также для некоторых объектов получены характеристики при разных углах наклона объекта исследования относительно вертикальной оси.



Pages:   || 2 |
 

Похожие работы:










 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.