Геометрически подобные магнитоиндукционные преобразователи для толщиномеров защитных покрытий Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 62-408.2

В. А. Сясько

ГЕОМЕТРИЧЕСКИ ПОДОБНЫЕ МАГНИТОИНДУКЦИОННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ДЛЯ ТОЛЩИНОМЕРОВ ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ

Рассматриваются вопросы разработки геометрически подобных магнитоиндук-ционных преобразователей для толщиномеров защитных покрытий изделий из ферромагнитных материалов. Представлены варианты оптимальных преобразователей и приведены их расчетные модели и основные технические характеристики.

Ключевые слова: магнитоиндукционный преобразователь, покрытие, толщиномер, чувствительность.

Магнитоиндукционный метод измерения толщины И покрытий основан на определении изменения магнитного сопротивления участка цепи: первичный измерительный преобразователь — ферромагнитная контролируемая деталь с покрытием. Обобщенная структурная схема магнитоиндукционного толщиномера представлена на рис. 1, где ИТ — источник тока, ПИП — первичный измерительный преобразователь, ВИП — вторичный измерительный преобразователь, МК — микроконтроллер, Д — дисплей, К — клавиатура.

ПИП

Рис. 1

Наиболее распространенные на практике абсолютные первичные измерительные преобразователи (ИП) состоят из первичной (возбуждающей) Щ и вторичной (измерительной) Щ2 обмоток, намотанных на единый ферромагнитный сердечник. Первичный информативный параметр преобразователя — амплитуда или площадь импульса ЭДС И), наводимой на обмотке Щ2 при питании обмотки Щ переменным гармоническим или импульсным током ¡(^ низкой частоты.

Основными показателями качества магнитоиндукционных преобразователей являются:

— чувствительность, определяющая погрешность измерения ДИ и достигаемый (при обеспечении заданной величины ДИ) диапазон измеряемых толщин Итах;

— минимально возможный диаметр зоны измерения Бизм на плоской поверхности при требуемых ДИ и Итах;

— износостойкость;

— температурная и временная стабильность показаний прибора.

Для обеспечения требуемых показателей качества необходимо искать решение, учитывающее взаимосвязанные показатели: Итах, ДИ и Бизм.

Среди абсолютных первичных ИП наибольшее распространение имеют преобразователи с внешним экраном из ферромагнитного материала с осесимметричным магнитным полем [1]. Геометрическая модель такого преобразователя представлена на рис. 2.

При анализе модели примем: Dc = const — диаметр сердечника (однородный гладкий стержень); D21 и D22 — внутренние диаметры обмоток W1 и W2 соответственно; D1 и D2 — наружные диаметры обмоток; D3 — внутренний диаметр экрана; l1, l2, 1э — „воздушные" зазоры между основанием сердечника и началом первичной обмотки, началом вторичной обмотки и экраном соответственно; Н1, Н2, Нс — высоты первичной и вторичной обмоток и сердечника соответственно; Ясф — радиус сферы контактной поверхности сердечника. Толщину стенки экрана примем постоянной и равной 0,6 мм.

Внутренний диаметр экрана D.,, в первом приближении, определяет величины D^ и hmax, а остальные геометрические характеристики определяют чувствительность преобразователя. Задача проектирования геометрически подобных первичных магнитоиндукционных преобразователей заключается в расчете соотношения их геометрических характеристик, что позволяет при минимальном значении D., определить оптимальное, относительно чувствительности ИП и диапазона контролируемых толщин, значение вносимого потокосцепления.

Потокосцепление вторичной обмотки ¥12(h) = ¥12(h ^ю) + ¥вн(^), где ¥12(h ^ю) — по-токосцепление вторичной обмотки при h ^ю (вдали от ферромагнитного изделия); ¥вн(^) — вносимое потокосцепление вторичной обмотки при установке преобразователя на покрытие.

При возбуждении обмотки W1 гармоническим током i(t)

e(t, h) = -d/dt (^12(h ^ю)) - d/dt (^(h)) = e(t, h ^ю) + вш(1 h).

Для постоянного магнитных полей отношение y(h) = 1 + ^ю) =1 +

+Мвн(И)/М12(к ^ю) будем называть относительным коэффициентом вносимой взаимоиндукции, где M12(h ^ю) — коэффициент взаимоиндукции обмоток W1 и W2, Ывн(И) — вносимый коэффициент взаимоиндукции.

Отношение (¥вн(^) - ¥ra(h2))/(h2 - h1) будем называть чувствительностью преобразователя в диапазоне толщин h2_h1.

При проведении измерений совокупность влияющих факторов вызывает некоторую девиацию (разброс) показаний N(h) на выходе вторичного ИП на величину ± 5N, что обусловлено сетевыми, импульсными и высокочастотными помехами, а также собственными шумами, нелинейностями, временной и температурной нестабильностью АЦП и ЦАП и микропроцессорных устройств. Соотношением чувствительности преобразователя и 5N определяются значения hmax, Ah.

Для расчета чувствительности первичного ИП в диапазоне измеряемых толщин необходимо рассчитывать значения потокосцеплений ¥12(h ^ю)) и при различных h.

При возбуждении первичной обмотки гармоническим током низкой частоты электрическое поле вихревых токов, возникающих в сердечнике, экране, объекте контроля и электропроводящих покрытиях, пренебрежимо мало. Использование в качестве первичного информативного параметра амплитуды e(t, h) позволяет при анализе электромагнитного поля первичную обмотку и сердечник рассматривать как постоянный магнит [2].

Аналитическое решение системы уравнений, описывающих поле экранированного магнита, представляет собой сложную систему дифференциальных уравнений первого и второго порядка.

В настоящее время для решения задач, связанных с распространением электромагнитных полей, широко применяются численные методы, в частности метод конечных элементов [3]. Этот метод позволяет определять необходимые для расчета чувствительности величины вносимого потокосцепления и вносимого коэффициента взаимоиндукции для первичных преобразователей со сложной геометрией внешних и внутренних границ.

Под оптимальными геометрическими характеристиками первичного магнитоиндукци-онного преобразователя будем понимать такие величины и соотношения, при которых достигается максимальная чувствительность во всем или в некоторой области диапазона измеряемых толщин при минимально возможном диаметре зоны измерения.

На основе программных продуктов, реализующих метод конечных элементов, можно сформулировать двухмерную осесимметричную стационарную нелинейную с открытыми границами задачу расчета первичного магнитоиндукционного измерительного преобразователя.

При анализе модели приняты следующие допущения:

— модель полностью стационарна;

— при необходимости обмотки преобразователя могут быть заменены единичными ампер-витками или совокупностью единичных ампер-витков;

— в ферромагнитных частях модели преобразователя отсутствует гистерезис, характеристика намагничивания материала линейная;

— относительная магнитная проницаемость контролируемой детали, сердечника и экрана цд = цс = ~ 2000 (соответствует магнитомягким сталям), магнитная проницаемость воздуха и обмоток = цобм = 1.

В качестве граничных условий для модели рассматриваемого первичного преобразователя назначим граничные условия первого рода (условия Дирихле), применяемые для задания нулевого значения нормальной составляющей вектора магнитной индукции на оси симметрии и указания о полном затухании поля на бесконечно удаленных границах.

Проанализируем вариант модели преобразователя со следующими основными относительными геометрическими характеристиками: Д/Д, = 0,2; Нс/Дэ = 1,25; 11 = 12 = 1э; Ясф = 2Д (рис. 3).

Первичную обмотку представим намотанной бесконечно тонким проводом по всей длине сердечника, т.е. Н1 = Нс - 1э и Д ~ Д. Будем считать, что обмотка имеет площадь поперечного сечения 51 с числом витком Щ1. Плотность тока возбуждения первичной обмотки - = Щ11/51, где Щ — число витков обмотки возбуждения, I — полный ток.

При расчете ¥12 приняты следующие допущения: — вторичная обмотка с числом витков Щ2 разложена на множество (например, - = I, II, III) единичных осесимметрич-ных вторичных обмоток; радиусы Я- единичных вторичных обмоток приняты равными Я\ ~ Д /2; Яц = (Д - Д)/4; Яш ~ Д/2;

— единичные обмотки с одинаковыми радиусами расположены равномерно по высоте сердечника и находятся так близко друг к другу, что по рассчитанным значениям потокосце-пления каждой отдельно взятой обмотки можно построить неразрывную функцию изменения потока от толщины покрытия И и высоты сердечника Нс.

Вначале производится расчет потокосцепления каждой единичной измерительной обмотки при разных значениях относительной толщины И'=И/Д для каждого из радиусов Я- = (Я[, Яп, Яш) и для относительного расстояния г' = z/Нс от контактной поверхности сердечника.

III II I г

И

Рис. 3

Затем выполняется расчет функции относительного потокосцепления единичной обмотки у(И/, Я), г') для г'. Расчет функций производится для фиксированных значений И/ = 0; 0,1; 0,2; 0,3 и радиусов Яь Яп, Яш.

Особый интерес представляет функция у(И' = 0, Яj, г'), определяющая диапазон изменения относительного потокосцепления единичной вторичной обмотки в зависимости от ее положения по высоте относительно сердечника при различных значениях радиуса. Максимальное значение '=0, Яj, г') достигается для единичных измерительных обмоток, располагающихся непосредственно у основания (г'=0). Однако всегда существует воздушный зазор ¡2, поэтому расчет у(И'=0, Я), г') следует начинать при гV 0. Характер изменения и абсолютные значения у(И'=0, Я), г') для рядов измерительных обмоток с разными радиусами практически одинаковы. Так, начиная с г' = 0,1 результаты расчетов для разных Я) различаются не более чем на 3 %, а при г' > 0,5 различие не превышает 2 %. Как правило, на практике зазор ¡2 соответствует г ' = 0,1. Это дает возможность рассматривать один ряд единичных измерительных обмоток, предполагая при этом, что для других рядов результаты будут идентичны.

Расчеты были проведены только для единичных измерительных обмоток радиусом Яц, поэтому в выражении у(Иг-', Я), г') переменная Я) не учитывалась.

С увеличением толщины И' исследуемого покрытия чувствительность каждой единичной измерительной обмотки снижается и крутизна характеристики уменьшается. Функция у(И ' г = 0,6, г ') в этом случае не превышает величину 1,04 даже для единичных измерительных обмоток, расположенных у основания сердечника. При г ' > 0,5 функция у(И ', г ' > 0,5) = 1, что соответствует теоретически достижимому максимуму толщины покрытия.

При расчетах основное внимание было уделено анализу влияния геометрических характеристик первичного преобразователя на его чувствительность и величину относительного потокосцепления. Были оптимизированы отношение Пс Шэ и расположение обмоток.

В соответствии с результатами анализа магнитоиндукционные преобразователи можно условно разделить на три группы.

1. Малогабаритные преобразователи, предназначенные для измерения толщины гальванических покрытий в диапазоне до 300 мкм на малогабаритных изделиях (в основном это не ферромагнитные электропроводящие защитные покрытия, наносимые электрическим, электрохимическим или химическим способом).

2. Преобразователи общего назначения, предназначенные для измерения толщин в диапазоне до 2 мм (лакокрасочные и другие покрытия, наносимые на изделия сравнительно больших габаритов, с большими радиусами криволинейных поверхностей).

3. Преобразователи, предназначенные для измерения толщин в диапазоне до 30 мм (покрытия на изделиях больших габаритов с квазиплоскими поверхностями).

Преобразователи первой группы. К этой группе преобразователей предъявляются следующие основные требования:

— минимальные диаметр зоны измерения и диаметр экрана Пэ;

— уменьшенный радиус сферы основания сердечника по сравнению с преобразователями других групп (для снижения погрешности, вызванной „качанием" преобразователей „карандашного" типа);

— повышенная износостойкость сердечника: требование связано с необходимостью проведения измерений гальванопокрытий большой твердости.

На рис. 4, а представлен преобразователь „карандашного" типа ИД1 (без наружного подпружиненного корпуса) с уменьшенным радиусом сферы основания сердечника для

минимизации влияния „качания" при измерениях. Относительные геометрические характеристики преобразователя: Д/Д,=0,4; Нс/Д=4,1; 4/Д=0,2; /2/Д,=0,28; #^=0,6;

а)

ш

у.- .■

—_____;

; г

,_

...&

9,8 10,2

0,5 . 0,7

2,2 2,6

б)

У(й')

1,4 1,3 1,2 1,1 1

0

к

Рис. 4

Сердечник преобразователя изготавливается из конструкционной стали ШХ и покрывается слоем хрома толщиной 7 мкм, что обеспечивает малую истираемость и малую вероятность скола покрытия.

Благодаря симметрии магнитной системы преобразователя обеспечивается возможность проведения измерений с отклонением его оси от нормали к поверхности до 4°.

На рис. 4, б представлена зависимость у(к').

Преобразователи второй группы. Основные требования, предъявляемые к этой группе преобразователей следующие:

— диаметр зоны измерения порядка 5...8 мм;

— большое значение радиуса сферы основания сердечника, что обеспечивает лучшую чувствительность в области значительных толщин;

— повышенная износостойкость сердечника: требование связано с необходимостью проведения измерений со сканированием поверхности.

На рис. 5, а представлена конструкция преобразователя ИД2 с оптимизированными геометрическими характеристиками: Д/Д=0,42; Нс/Д=1,7; /э/Д=0,13; /2/Д=0,18; Н2/Д =0,2; Rсф /Д=0,7; Д=Д=Д; £>21=£>22=1,16А>.

На рис. 5, б представлена зависимость у(к'). а) б)

<1

"'йч----

У У

У У У

9,8

2,3 2,8

10,3

сл 1 2, 2,

У(к') 1

0,8

1,1

1,2 1

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 к

Рис. 5

Преобразователи третьей группы. Основные требования, предъявляемые к этой группе преобразователей:

— диаметр зоны измерения должен обеспечивать минимально возможный краевой эффект;

— радиус сферы основания сердечника близкий к плоскому.

Для измерения больших толщин покрытий можно спроектировать преобразователи с оптимальными геометрическими характеристиками. Для решения этой задачи рассмотрим конструкцию оптимизированного преобразователя ИД3 (рис. 6, а), имеющего наружный подпружиненный корпус, что обеспечивает перпендикулярность установки к поверхности контролируемой детали. Относительные геометрические характеристики преобразователя: Д/А=0,45; Нс/Дэ=0,9; 4/А=0,09; №=0,13; Н2/А=0,08; Ясф/А=1,3; А=£2=А;

Я21=Я22=1,08£с.

На рис. 6, б представлена зависимость у (И').

б)

2,2 2

1,6

1,4

1,2

Рис. 6

Как показывает анализ графиков, представленных на рис. 4—6, б, при у(И') > 0,08 наклон характеристик отличается менее чем на 10 %, что подтверждает возможность проектирования геометрически подобных магнитоиндукционных преобразователей. Различие относительных геометрических характеристик при малых И обусловлено трудностью реализации их оптимальных значений в силу небольших размеров преобразователей ИД2 и, особенно, ИД1.

Характеристики преобразователей, снятые экспериментально, отличаются от расчетных не более чем на 5—12 %.

На основе выполненных расчетов в ЗАО „Константа" (Санкт-Петербург) была разработана новая серия износостойких магнитоиндукционных преобразователей для электромагнитных толщиномеров защитных покрытий. Изготовленные преобразователи предназначены для измерения контролируемых толщин в диапазоне от 1 мкм до 20 мм и обеспечивают погрешность измерения на уровне 1—2 %. Применение хромированных сердечников из стали ШХ позволило обеспечить очень низкую истираемость при эксплуатации. Разработка нашла применение в авиа-, судо- и машиностроении, а также на гальванических производствах.

1

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Потапов А. И., Сясько В. А. Неразрушающие методы и средства контроля толщины покрытий и изделий: Науч-метод. справ. пособие. СПб: Гуманистика, 2009.

2. Сясько В. А. Интегрирующий электромагнитный толщиномер // Дефектоскопия. 1990. № 12.

3. Буль О. Б. Методы расчета магнитных систем электрических аппаратов. Программа Р№У8: Учеб. пособие. М.: Академия, 2006.

Сведения об авторе

Владимир Александрович Сясько — канд. техн. наук, доцент; Северо-Западный государственный заочный

технический университет; кафедра приборов контроля и систем экологической безопасности, Санкт-Петербург; E-mail: 9334343@rambler.ru

Рекомендована кафедрой Поступила в редакцию

приборов контроля и систем 24.05.10 г.

экологической безопасности

УДК 004.032.2

А. В. Демин, Т. Е. Войтюк

КОНЦЕПТУАЛЬНАЯ МОДЕЛЬ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ РАЗРАБОТКИ МНОГОПЛАСТОВЫХ НЕФТЯНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

Представлена концептуальная модель и описаны основные функции автоматизированной системы контроля и управления процессом разработки многопластовых нефтяных месторождений. Рассмотрены вопросы построения измерительной системы.

Ключевые слова: модель, автоматизированная система, многопластовое месторождение, нефть.

Введение. В автоматизированных системах управления простым или сложным производством предусмотрен автоматический выбор вариантов решения по управлению в виде реакции на изменение входных параметров. Степень автономности системы в принятии решения и последующей его реализации устанавливается лицом, разрабатывающим и обслуживающим систему. Зачастую на автоматизированные системы возлагается функция сбора производственной информации и ее анализа по определенным стереотипам. В этом случае правильность принятого решения зависит от квалификации обслуживающего персонала. Таким образом, возникает альтернатива — уменьшить роль „человеческого фактора", повышая автономность автоматизированных систем в принятии решения (управлении производством), либо повысить подготовленность персонала.

Активное развитие технологий способствует созданию все более сложных и дорогостоящих производств, многие из которых характеризуются быстротекущими процессами. Время „принятия решения" обслуживающим систему персоналом стремительно сокращается, тем самым обусловливая работу человека на пределе возможностей. В этой связи возрастает роль автоматизированных систем управления производственными процессами.

Одной из современных производственных отраслей, в которых целесообразно применение таких автоматизированных систем, является нефтегазовая промышленность. Объемы добываемой нефти и газа из года в год увеличиваются. Однако при такой интенсивной добыче запасы быстро сокращаются, что обусловливает необходимость поиска и разработки новых месторождений, расположенных в удаленных местах с суровым климатом. Вследствие этого растет себестоимость добываемых ресурсов, усложняется транспортировка. Кроме того, добыча по прежней схеме эксплуатации скважины, когда нефть добывается только из одного пласта, экономически не выгодна. Основным способом решения данной проблемы является добыча нефти из многопластовой скважины [1]. Необходимое условие работы по такой технологии — постоянный мониторинг параметров многопластовой скважины [2]. Таким обра-