CC BY
12твёрдой фазы и, как следствие, от их способности связывать воду. Возможно, при приближении к порогу протекания возрастает погрешность измерения, обусловленная неустойчивостью системы при переходе воды из связанного состояния в рыхлосвязанное. Выводы
Проведённые исследования показывают:
1. Датчик на основе микрополоскового резонатора применим для измерения влажности почвы. Мобильность прибора позволяет использовать его в полевых условиях для оперативной оценки характеристик почв, например, на учебной практике студентов-геологов и почвоведов.
2. Измерение изменения частоты автодина позволяет устранить неоднозначность в определении влажности почвы, возникающую при использовании измерения только амплитуды сигнала, когда значения напряжения зависят от содержания и влаги и проводящих примесей в почве.
3. На качественном уровне наблюдается слабая зависимость между измеряемыми величинами и характеристики почвы, такими как: гранулометрический состав, содержание гумуса, химический состав, гидролитическая кислотность, рНКс|.
Для выявления чёткой взаимосвязи между показаниями прибора и характеристиками почв требуется проведение многофакторного корреляционного анализа.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Микроволновая термовлагометрия. [Текст] / П.А. Федюнин, Д.А. Дмитриев, А.А. Воробьев, В.Н. Чернышов/. - М.: Изд-во Машиностроение-1, 2004. - С. 6 - 8.
2. Сусляев В.И. Контроль истощения ионообменных фильтров тепловых электростанций микроволновыми датчиками. [Текст] / В.И. Сусляев, В.А. Журавлёв, Е.Ю. Коровин / Пол-зуновский вестник, 2011.- № 3/1.- С. 109-111.
3. А.с. 1720032 СССР, G 01 R 27/26. Ячейка для измерения диэлектрической постоянной жидкости. [Текст] / Б.А. Беляев, В.А. Журавлев, В.В. Тюрнев, В.И. Кириченко, В.И. Сусляев (СССР). - № 4746169/09: заявл. 30.10.1989; опубл. 15.03.1992, Бюл. № 10. - 3 с.
4. Кочеткова Т.Д. Мобильный прибор на основе нерегулярного микрополоскового резонатора для измерения влажности почв.[Текст] / Т.Д. Кочеткова, В.И. Сусляев, Е.Ю. Коровин, В.А. Журавлёв //Доклады ТУСУРа. - 2011.-№ 2 (24), часть 1. - С. 249-252
Доцент Т.Д. Кочеткова - tdk_tomsk @mail2000.ru; доцент В.И. Сусляев - susl @mail.tsu.ru; к. ф.-м. н., доцент В.А. Журавлёв [email protected]; к. ф.-м. н., ст. преподаватель Е.Ю. Коровин - [email protected] - кафедра радиоэлектроники Томского государственного университета (ТГУ), (382-2)41-39-73; зам. директора по учебной работе, к. биол. н., доцент Т.П. Соловьёва - [email protected], - Биологический институт ТГУ (382-2)52-98-53, 634050 г.Томск, пр. Ленина, 36.
УДК 620.179.14
ВИХРЕТОКОВЫЙ КОНТРОЛЬ ВНУТРЕННЕГО ДИАМЕТРА ТРУБ
А.Е. Гольдштейн, В.Ф. Булгаков, Е.В. Якимов, Е.И. Уразбеков
Рассматривается техническая реализация метода вихретокового контроля внутреннего диаметра труб из ферромагнитной и аустенитной сталей. Описаны используемая конструкция вихретокового преобразователя, алгоритм преобразования его сигналов, структурная схема системы контроля, методика ее калибровки.
Ключевые слова: вихретоковый преобразователь, математическая модель, амплитудно-фазовое преобразование, система вихретокового контроля.
Введение
В ряде практических случаев возникает задача контроля внутреннего диаметра труб. В процессе эксплуатации труб такая задача может быть связана с необходимостью контроля возможного изменения внутреннего диаметра в результате пластической деформации, вызванной механическими воздействиями на наружную или внутреннюю поверхности (сопряженными часто с одновре-
менными термическими воздействиями) либо значительными коррозионными повреждениями внутренней поверхности. В случае если труба изготовлена из электропроводящего материала, может быть обеспечен доступ внутрь трубы, длина трубы не превышает нескольких десятков метров, с успехом может быть применен вихретоковый метод контроля. Конкурентными преимуществами вих-ретокового метода по сравнению с альтерна-
тивными методами контроля являются отсутствие необходимости контакта с поверхностью трубы (что особенно актуально в случае наличия механических и коррозионных повреждений поверхности, а также различных загрязнений), высокая скорость контроля, широкий диапазон измеряемых диаметров труб (реально от нескольких миллиметров до нескольких метров), простота калибровки, малое влияние внешних факторов, отсутствие необходимости доступа к наружной поверхности трубы, возможность автоматизации процесса контроля и протоколирования его результатов. При определенных условиях контроля абсолютная погрешность измерений может не превышать десятых долей миллиметра, что удовлетворяет требованиям широкого круга практических задач.
Используемый метод контроля.
Для решения поставленной задачи наиболее подходит трансформаторный вих-ретоковый преобразователь (ВТП), конструкция которого схематично показана на рисунке 1. По физической сущности ВТП является накладным. Переменным током / , протека-
Задача измерения внутреннего диаметра трубы, по сути, сводится к классической для вихретокового метода контроля задаче измерения зазоров между накладным вихретоко-вым преобразователем и поверхностью электропроводящего объекта. Поэтому для создания модели взаимодействия магнитного поля вихретокового преобразователя с объектом контроля могут быть использованы известные математические выражения, приведенные в частности в [1]. При этом используем допущения, что обмотки имеют бесконечно малое поперечное сечение, а глубина проникновения электромагнитного поля меньше толщины стенки трубы.
Начальные напряжения измерительных и компенсационной обмоток определяются взаимоиндуктивностями М/ между соответствующей обмоткой и обмотками возбуждения:
С/0,=УсоМ,/ (1)
где / - номер обмотки в соответствии с рис. 1; ю - угловая частота тока возбуждения. Значение взаимоиндуктивности Му меж-
А
В
Рисунок 1 - ВТП внутри контролируемой трубы: 1, 2 - обмотки возбуждения; 3, 4 - измерительные обмотки; 5 - компенсационная обмотка.
ду двумя коаксиальными обмотками с числами витков w/ и Wj и радиусами и ^ с достаточной степенью точности может быть найдено с использованием выражения:
ющим через последовательно соединенные и согласно включенные обмотки возбуждения 1 и 2, создается переменное магнитное поле, наводящее вихревые токи в поверхностном слое контролируемой трубы. Измерение индуцированных вихревых токов осуществляется с помощью измерительных обмоток 3 и 4. Обмотка 5 используется для компенсации начальных напряжений измерительных обмоток. Число витков обмотки 1 - w1 равно числу витков обмотки 2 - W2, число витков обмотки 3 - Wз равно числу витков обмотки 4 - W4, а соотношение чисел витков компенсационной и измерительных обмоток ^ должно обеспечивать равенство начальных напряжений этих обмоток.
= " Ц ^л/^Л | ехР
(
ъ
\
х
V
; X
К Я,
(2)
где цо - магнитная постоянная; Пу - расстояния между плоскостями витков обмоток; J1 -функция Бесселя первого рода первого порядка; х - параметр интегрирования.
п
а
а
п
С использованием (2) могут быть найдены значения взаимоиндуктивностей
М3 = М31 + М32; М4 = М41 + М42 и М5 = М51 + М52.
(3)
Выражения (3) в соответствии с (2) можно записать как произведения чисел витков измерительных либо компенсационной обмоток и соответствующих функций расстояний между обмотками и радиусов обмоток: Мз = ш, ; М4 = wл б4 и М5 = н>5 б5.
Нетрудно заметить, что при одинаковых расстояниях между соседними обмотками а, одинаковых радиусах витков измерительных и компенсационной обмоток ^ и одинаковых радиусах витков обмоток возбуждения получаем М3 = М4, М5 = 2М51 = 2Щ2, а необходимое для компенсации начальных напряжений условие равенства М3 = М4 = М5 может быть выполнено при соотношении чисел витков компенсационной и измерительных обмоток
03 _ 04
05 05
(4)
Функции 03, 04 и 05 определяются с использованием выражения (2).
На рисунке 2 показана зависимость величины -л от относительного значения расстояния между соседними обмотками
и отношения t радиусов обмоток
возбуждения и измерительных обмоток.
0.8 0.6 0.4 0.2
0
t = 3 Л = 2
t = 1
0.2
0.4
0.6
Рисунок 2 - Зависимость соотношения числа витков - от относительного значения расстояния между соседними обмотками а* и отношения оадиусов витков t.
Для определения вносимого напряжения ВТП (рисунок 1), определяемого взаимодействием его магнитного поля с электропроводящей трубой, воспользуемся выражением для трансформаторного накладного ВТП с двумя обмотками / и } над полупространством с плоской границей раздела к:
х ],
'М
(5)
где Ь/к - расстояние между плоскостью витков обмотки / и границей раздела к; - расстояние между плоскостью витков обмотки у и границей раздела к; фок- функция влияния объекта контроля.
Как отмечается в [1], результаты взаимодействия накладного ВТП с электропроводящим объектом, имеющим криволинейную поверхность, такую как в случае трубы, по структуре интегральных выражений аналогичны (5) с поправкой на их численные значения, обусловленной кривизной поверхности объекта контроля. Поэтому в нашем случае из соображений упрощения решения целесообразно использовать для определения ивн выражение (5), а расхождение с реальным результатом учесть при калибровке измерителя диаметра.
Аналогичное соображение целесообразно использовать и относительно величины фок. Поскольку для уменьшения влияния изменений электромагнитных свойств материала трубы рекомендуется использовать высокую частоту тока возбуждения, в этом случае |фок|^ 1, а амплитуда ивн стремится к максимальному для данного зазора значению. Поэтому примем допущение, что в нашем случае |фок|= 1, а некоторое отличие от реального результата взаимодействия можно учесть при калибровке.
С учетом принятых допущений амплитудное значение суммарного вносимого напряжения измерительной обмотки 3 и компенсационной обмотки 5 ивн1, возникающее в результате взаимодействия магнитного поля обмоток возбуждения 1 и 2 с верхней А и нижней В поверхностями электропроводящего объекта (рисунок 1), определяется следующим образом:
№
№
3
4
л
а
ubh1 ubh31a + ubh31b + ubh32a + ubh32b '
_ U _ U _ U _ U
bh51A bh51B bh52A ^ bh52B
(6)
Аналогичным образом определяется амплитудное значение суммарного вносимого напряжения измерительной обмотки 4 и компенсационной обмотки 5 ивн2, возникающее в результате взаимодействия магнитного поля обмоток возбуждения 1 и 2 с верхней А и нижней В поверхностями электропроводящего объекта:
U *
U вн1
0.8 -
0.6 -
0.4 -
0.2
t = 3 t = 2
0.2 a
Рисунок 3 - Зависимость и*н1 от расстояния Ьх1 для разных значений отношения радиусов витков t.
Ubh2 UBH41A + UBH41B + UBH42A + UBH42B '
_ U _ U _ U _ U
uBH51A uBH51B u BH52A u BH52B
(7)
Слагаемые в выражениях (6) и (7) определяются с использованием (5).
Зависимости ивн1 и ивн2 от расстояний Пх1 и Пх2 между корпусом ВТП и поверхностью объекта контроля (рис. 1) имеют одинаковый характер. На рис. 3 показана зависимость тносительного вносимого напряжения и*н1 т
величины hx величины UK]
Х1.
Для нормирования значений вн использовано максимальное значение вносимого напряжения Umax, соответствующее значению расстояния h = 0.
На рисунке 4 показана обратная зависимость h = f (Um), используемая для определения расстояния hx1 по результату измерения ивн1 и расстояния hx2 по результату измерения ивн2.
Анализ полученной зависимости h = f (Um) показывает, что с высокой степе-
_х
a
\ i 2
0.6
0.4
0.2
0.2
Рисунок 4 - Функция преобразования Их1 (ит1) -(1) и ее аппроксимация логарифмическими функциями (2, 3).
нью точности в интервале изменения расстояния Пх от П, до Л/+1 она может быть аппроксимирована логарифмическими функциями вида:
h = _K ln
ги, ^
v U•
+ h ,
(8)
где КI - постоянный множитель, определяемый при первичной калибровке; и, - значение вносимого напряжения, соответствующее расстоянию П, и определяемое при калибровке измерителя перед началом измерений. В случае относительно малого зазора между корпусом ВТП и внутренней поверхности трубы либо невысоких требований к точности измерения зависимость Их = /(ит) во всем диапазоне изменений расстояния Пх может быть аппроксимирована одной функцией:
(
h =_ K ln
U
\
V umax J
(9)
Измеряемое значение внутреннего диаметра трубы й находится суммированием трех слагаемых: измеренных значений пх1 и Пх2 и диаметра корпуса ВТП П0.
Система контроля внутреннего диаметра труб.
Описанный метод был реализован в системе контроля внутреннего диаметра труб, являющейся по принципу построения компьютерным средством измерения. На рисунке 5 показана структурная схема системы контроля, состоящей из генератора 1, измери-
1
0
max
Рисунок 5 - Структурная схема системы измерения внутреннего диаметра труб.
тельного зонда 2, схемы амплитудно-фазовой обработки сигналов 3, платы сбора данных 4, персонального компьютера 5.
В состав измерительного зонда входят ВТП и предварительные усилители. Гармонические выходные напряжения измерительного зонда, пропорциональные вносимым напряжениям £/вн1 и йвя2 преобразуются амплитудно-фазовыми детекторами блока 3 в постоянные напряжения, пропорциональные действительным и мнимым составляющим
функций преобразования (8) или (9), вычисление значения й и его сравнение с установленными пороговыми значениями, индикацию результатов контроля.
На рисунке 6 показан внешний вид панели индикации системы контроля, на которой отображается график изменения значений диаметра по длине контролируемой трубы 1 и уровни разбраковки 2 и 3.
Для калибровки системы контроля в варианте использования функции преобразова-
22
,2
/ ____
/
\ ----
у 3
0 100 200 300 400 500 600 800
Номер отсчета
Рисунок 6 - Внешний вид панели индикации результатов контроля.
вносимых напряжений. Далее эти напряжения преобразуются в цифровую форму и передаются в персональный компьютер с помощью платы сбора данных, в качестве которой используется модуль USB3000, поддерживающий пакет прикладного программного обеспечения LabView. С использованием этого же программного обеспечения разработана программа вычислительной обработки сигналов измерительной информации, предусматривающая цифровую фильтрацию сигналов, определение амплитуд вносимых напряжений £/вн1 и йвя2, вычисление значений расстояний hx1 и hx2 с использованием
ния (9) измерительный зонд помещается внутрь контролируемой трубы либо специального аттестованного образца, изготовленного из отрезка контролируемой трубы. Зонд поочередно прижимается к внутренней поверхности трубы сначала областью расположения измерительной обмотки 3 (= 0), а затем областью расположения измерительной обмотки 4 (^ = 0). При этом программой калибровки производится измерение и запоминание значений вносимых напряжений итах, используемых далее в программе измерений внутреннего диаметра трубы.
ИЗМЕРЕНИЕ РАЗМЕРОВ КАПЕЛЬ ЖИДКОСТИ, ПОЛУЧАЕМЫХ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ РЕЖИМАХ РАБОТЫ
УЛЬТРАЗВУКОВЫХ РАСПЫЛИТЕЛЕЙ
Аналогичным образом производится калибровка системы контроля в варианте использования функции преобразования (8). Отличие заключается в том, что в этом случае измеряются не только значения вносимых напряжений Umax, соответствующие нулевым значениям расстояний пх1 и пх2, но и значения вносимых напряжений U/, соответствующие фиксированным значениям расстояния п/, задаваемых при калибровке специальными образцовыми мерами.
Вывод
В результате проведенных исследований разработана система контроля внутреннего диаметра труб, реализующая вихретоковый метод измерительного преобразования. На основе анализа результатов математического и физического моделирования определена функция вычислительного преобразования сигналов ВТП. Разработана методика калибровки системы контроля, позволяющая обеспечивать высокие метрологические параметры системы в широком диапазоне значений электрических и магнитных параметров объекта контроля. Опыт практического использо-
вания системы для контроля внутреннего диаметра труб теплообменников из аустенит-ных и ферромагнитных сталей показал, что в диапазонах изменений диаметра (15...35) мм и максимального зазора между корпусом преобразователя и поверхностью трубы (1.2,5) мм может быть обеспечена абсолютная погрешность измерений, не превышающая (0,1.0,3) мм.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Неразрушающий контроль. Справочник. [Текст] / под ред. В.В. Клюева: в 7 томах. Т 2: в 2-х кн.: Кн. 1: Контроль герметичности. Кн. 2: Вихретоковый контроль. - М.: Машиностроение, 2003. - 688 с.
Д.т.н., зав. кафедрой А.Е. Гольдштейн, [email protected]; к.т.н., доцент В.Ф. Булгаков, [email protected],; к.т.н., доцент Якимов Е.В., [email protected]; ассистент Уразбеков Е.И., Национальный исследовательский Томский политехнический университет, кафедра информационно-измерительной техники, тел. (3822) 418911.
УДК 66.069.832: 66.084.08
ИЗМЕРЕНИЕ РАЗМЕРОВ КАПЕЛЬ ЖИДКОСТИ, ПОЛУЧАЕМЫХ
ПРИ РАЗЛИЧНЫХ РЕЖИМАХ РАБОТЫ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ
РАСПЫЛИТЕЛЕЙ
В.Н. Хмелев, А.В. Шалунов, А.В. Шалунова, Р.Н. Голых, Д.В. Генне
В статье представлены результаты экспериментов по определению среднего диаметра, среднеквадратичного отклонения формируемых капель и производительности распыления в зависимости от режимов ультразвукового воздействия (амплитуда и частота) и свойств распыляемых жидкостей (вязкость и поверхностное натяжение). Полученные зависимости позволяют определять все исходные параметры, необходимые для проектирования ультразвуковых колебательных систем ультразвуковых распылителей различных жидкостей.
Ключевые слова: ультразвук, аэрозоль, распыление.
Введение
На сегодняшний день, применение ультразвукового (УЗ) способа распыления ограничивает недостаточное количество научных данных, позволяющих определять дисперсные характеристики формируемых капель жидкости и производительность распыления от свойств жидкости и параметров УЗ воздействия [1,2].
Поэтому для определения размеров формируемых капель жидкости и производительности при различных режимах работы ультразвуковых распылителей и свойствах
жидкостей, был проведен ряд экспериментов заключавшихся:
1. в измерении среднего диаметра формируемых капель в зависимости от амплитуды и частоты УЗ воздействия;
2. в измерении среднего диаметра формируемых капель в зависимости от свойств жидкости (вязкости и поверхностного натяжения);
3. в измерении зависимости производительности распыления в зависимости от частоты УЗ воздействия.
В.Н. ХМЕЛЕВ, А.В. ШАЛУНОВ, А.В. ШАЛУНОВА, Р.Н. ГОЛЫХ, Д.В. ГЕННЕ
179
