CC BY
8галаков A.M., Дмитриев С.Ф., Тарусин Д.Ю., Ишков A.B. // Вестник ТГУ. - Бюлл. опер, научн. инф. № 64, март, 2006. С. 25-29.
Д.т.н., профессор Поляков В.В., к.т.н., доцент Дмитриев С.Ф. и магистрант Мали-
УДК: 620.179.14
ковВ.Н., - АлтГУ (г. Барнаул); д.т.н., профессор Ишков A.B.- olgl68@rambler.ru - АГАУ (г. Барнаул); к.ф.-м.н., гл. спец. Руденский Г.Е. и к.ф.-м.н., н. сотр., Колубаев Е.А. - ИФПМ СО РАН, ТПУ (г. Томск);-, АлтГУ (г. Барнаул).
СВЕРХМИНИАТЮРНЫЕ ВИХРЕТОКОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ С СЕРДЕЧНИКАМИ ПЕРЕМЕННОГО СЕЧЕНИЯ ДЛЯ СОВРЕМЕННЫХ ПРИБОРОВ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО
КОНТРОЛЯ
В.В. Поляков, С.Ф. Дмитриев, A.B. Ишков, Г.Е., Руденский, Е.А., Колубаев, В.Н. Маликов
Представлены результаты численных расчетов и инженерной оптимизации двух конструкций ори-гиналь-ного сверхминиатюрного вихретокового преобразователя (СМВТП), предназначенного для комплектования современных приборов и программно-аппаратных комплексов неразрущающего контроля материалов методом вихревых токов с локальностью до 50 мкм2.
Ключевые слова: вихретоковый преобразователь, электромагнитное поле, вихревой ток, неразру-шающий контроль.
Введение
Во многих прикладных задачах нераз-рушающего контроля (НК) особое место отводится методу вихревых токов (МВТ). МВТ базируется на возбуждении в контролируемом объекте или среде вихревых токов под воздействием переменного магнитного поля, создаваемого вихретоковым преобразователем (ВТП), и одновременной регистрации ВТП создаваемого вихревым током вторичного поля [1]. Различные конструкции ВТП позволяют одновременно определять: структурные и физико-химические свойства металлов и сплавов, твердость и электропроводность, толщину образца и его магнитную проницаемость, электропроводность и напряженность магнитного поля на поверхности и пр. Однако, для каждой конкретной измерительной задачи на практике требуется своя конструкция ВТП.
Создание современных измерительных приборов на основе МВТ требует разработки универсальной конструкции ВТП, позволяющей не только одновременно измерять 2,3 и более параметров объекта контроля, но и обеспечивать миниатюризацию самого устройства, локализацию зоны контроля и отстройку от зазора, а также учитывать при измерении чистоту подготовки поверхности и корреляцию одного параметра с другим. Известные конструкции миниатюрных ВТП (с короткозамкнутым витком, с медной вставкой и др.), хотя и обеспечивают локальность до 0,5-2 мм2, не позволяют эффективно отстра-
иваться от зазора и чувствительны к шероховатости поверхности объекта контроля [2]. Кроме того в МВТ, уже сейчас необходимы приборы с локальностью до 50 мкм2 и ниже.
Для выполнения этих требований ранее нами были разработаны сверхминиатюрные вихретоковые преобразователи (СМВТП) с сердечниками переменного сечения, обеспечивающие такую локальность [3]. Величина сигнала в таких СМВТП сложным образом зависит от параметров контролируемого объекта, но если должным образом выстроить математическую модель отклика ВТП на поле вихревых токов, то становится возможным определять раздельно более десятка параметров исследуемого объекта.
Целью настоящей работы явилась оптимизация конструкции СМВТП на основе модели его отклика при нависании над электропроводящей неферромагнитной средой.
Постановка задачи
Задача расчета отклика СМВТП является не только математической, сводящейся к отысканию решения соответствующего уравнения для векторного потенциала в случае определенного значения обобщенного параметра - /?0, учитывающего свойства объекта, но и физической и инженерной - связанной с подбором оптимальных условий измерений и выбором конструкции самого датчика.
Так, например, расчет напряжения в измерительной обмотке СМВТП, возбуждаемого вихревыми токами, возникающими в неферромагнитном проводящем полупростран-ПОЛЗУНОВСКИЙ ВЕСТНИК № 2, 2013
стве, связан с решением уравнений Максвелла и с граничными условиями, зависящими как от структуры рассматриваемых моделей среды, так и от конструкции датчика.
Известно, что при нависании витка с током над проводящей средой в плоскости, параллельной границе раздела, уравнения Максвелла принимают вид:
ю\.Й = 1С1\ го 1Ё=-дВ1Э1, (1)
где: й и Ё - векторы напряженности соответственно магнитного и электрического полей; в - вектор магнитной индукции; Уст -вектор плотности полного тока.
Уравнения Максвелла можно свести к уравнению Гельмгольца для векторного потенциала А [4], определяемого выражением В =го\А , которое, если ток в витке изменяется по гармоническому закону с круговой частотой со, приводится к неоднородному уравнению Гельмгольца.
V2Ä + k2Ä = -[iJ(
а стор'
(2)
где к2 = -)(£>\лао ; у = л/^т; СУ - удельная электропроводимость; ¡л- магнитная проницаемость; //0- магнитная постоянная.
Уравнение (2) в цилиндрической системе координат имеет вид:
I д , дА. д2ЛЛ /2ч . .
- т- (Р Т-) + "ТТ (--к)А = -ММ*
р ар ар дг р
Алгоритм численного решения
Уравнение 1 решается методом интегрального преобразования Фурье-Бесселя с ядром в виде функции Бесселя первого рода первого порядка.
Ранее нами уже были проведены такие расчеты для случая одной композитной среды [5] и получены простые рекуррентные формулы для расчета векторного потенциала верхнего полупространства:
г 34/7-10
А =MoJ1
8л-
R, 2 R
h\ 3\z + h\ f
для каждого слоя:
34/7-10 З/г Я . .
оп \ К2 2К др
и для нижнего полупространства:
А = ИоИп1
г3477 —10 , 3Ач Я
8л-
— ехр(--) — / exp(g z)f з
/? 2R qp р Р
в которых использованы следующие нормированные переменные: 77 = если < 1 или 77 = если < 1; <Г = 2/2Иь если 77 = или если 77 = Я?/Я?2.
Эти формулы могут использоваться и для расчетов параметров поля вихревых то-
ков для случая электропроводящей неферромагнитной среды.
Расчет СМВТП проводился в Ма^Сас! [6] в следующей последовательности: 1) задавались параметры среды, частота электромагнитного поля и сила тока в возбуждающей обмотке /л, а, I А 2) задавались начальные расстояния от датчика до поверхности среды и до эквивалентного витка, замещающего возбуждающую обмотку ВТП Ьь /?2; 3) задавались начальные параметры датчика: число витков и радиус двух обмоток \Л/Ь \Л/2, Я*, Я?2; 4) по заданным параметрам среды и датчика рассчитывалась величина действительная и мнимая компонента и абсолютное значение напряжения в измерительной обмотке СМВТП - Г1е(и), 1т(и), (У; 5) параметры Ьь /?2, \Л/Ь \Л/2, Нь Я?2 увеличивались на величину шага Л и производился новый расчет ¡1е(и),
щи), и.
Анализ результаты расчетов, оптимизация конструкции смвтп
С использованием полученных выше выражений нами были проведены расчёты напряжений, вносимых в измерительную обмотку СМВТП для малых Я?2, Л,- и г в условиях несущественности магнитных потерь и определяющем влиянии гистерезисных потерь ¡дЗ в магнитопроводе датчика для выбранной модели [4]. Результаты некоторых из проведенных расчетов представлены в таблице 1.
Таблица 1. Результаты расчетов напряжения, вносимого в измерительную обмотку СМВТП
h1t м 0,0001 0,0002 0,0002 0,0001
/?2, М 0,0002 0,0002 0,0001 0,0001
ßo 0,2993 0,4088 0,4088 0,2993
hl+h2 ^ D3 0,73 0,71 0,54 0,48
Rem1(/t)x104 100 160 160 100
lmm1(A)x104 2 6 2 2
U0, В 0,536 11,08 6,57 11,08
Re(tyeH) x102 1,25 2,12 0,353 2,68
lm(l/eH)x104 2,5 0,794 1,35 2,68
Анализ проведенных расчетов и зависимостей импеданса СМВТП от действительной части напряжения, вносимого в его измерительную обмотку полем вихрев^дугоков, возникающих в нижнем полупространстве неферромагнитной проводящей среды, показали, что при малых значениях обобщенного параметра р0 МВТ удается получить однозначное численное решение уравнения для векторного потенциала, позволяющее вы-
строить линейный годограф 1т(и)=^е(и)) -рисунок 1.
Как видно из рисунка 1, с заданными параметрами датчика можно уверенно фиксировать измерительные сигналы СМВТП вплоть до 0,5В, что позволяет, подключив их непосредственно к маломощным трактам звуковых адаптеров персональных компьютеров (ПК), создавать современные программно-аппаратные комплексы, выступающих в роли виртуализированных приборов нераз-рушающего контроля (НК) широкого спектра применения [7].
Приведем пример оптимизации конструкции и геометрии сердечника СМВТП. В качестве начальных параметрах датчика и постоянных параметрах среды были выбраны следующие: магнитная проницаемость сердечника //тах=5х102Гн/м при его удельной проводимости а=22,5х106См/м, сила тока в обмотке датчика Лто=30мА частотой /р=Зх103Гц, числа витков измерительной и токовой обмоток и их средние радиусы, соответственно, ИЛ=20, И/2 = 400 и Я?7=0,5-1СГ4м,
Я?2=1,3-10~4м, расстояние от датчика до поверхности /7^=0^-0,2-10"3м, расстояние от эквивалентного витка, заменяющего возбуждающую обмотку трансформаторного датчика отраженного поля, до объекта /72=0-Ю,2хЮ~ Зм.
3.0 р-
1т£/Ен -10\В Д, = 0.4088
Рисунок 1 - Годограф напряжения, вносимого в измерительную обмотку СМВТП, при изменении расстояния между катушками
Магнитные потери определим по известной формуле:
Тогда, с учётом проницаемости ферри-тового сердечника и локальности магнито-провода СМВТП, выражение для напряже-
ния, вносимого в его измерительную обмотку примет вид:
/--\w~wv
и0= 1.7 *10"6 <о(т -0.3)7^^//*/^ ^ >
а действительная и мнимая компоненты абсолютного напряжения, вносимого в измерительную обмотку СМВТП, будут, соответственно, рассчитываться по формулам:
Ке(ивн ) = и0* ехр(-З^) * (Л)), (5)
Iт(11вн) = и0 * ехр(-З^) * Iт(<рх(Л)) . (6)
Соответствующий годограф Ре = /(1т) для низких значений обобщенного параметра Ро, как было показано выше, линейно зависит от параметров нависания СМВТП над контролируемым объектом и может быть непосредственно использован в качестве приборной функции в приборах НК, использующих раздельную обработку сигнала и векторную форму представления результатов на комплексной диаграмме. Оптимизация СМВТП в этом случае может осуществляться путем регулирования расстояния между катушками, их сближением на коническом или пирамидальном сердечнике с фиксированными геометрическими параметрами.
Если изменять не только расстояние между обмотками, но и другие параметры сердечника (конусность, соотношение площадей оснований пирамиды), параметры обмоток (\А/Ь И/2, Я2), включая расстояния Ьь /?2, можно прийти к «классической» нелинейной форме годографа, показанной на рисунке 2.
Рисунок 2- Годограф напряжения, вносимого в измерительную обмотку СМВТП, при изменении параметров катушек
С применением данного годографа можно решать прикладные задачи на основе МВТ (толщинометрия, исследования электрических, магнитных характеристик и морфологии
ПОЛЗУНОВСКИЙ ВЕСТНИК № 2, 2013
неферромагнитного проводящего полупространства, выбора оптимальных частот возбуждения вихревых токов в многослойных средах и др.), тогда как линейный годограф (рисунок 1), можно использовать для решения задач на стадии разработки СМВТП (оптимизация конструкции датчика, исследования его работы в области высоких частот и проводимостей и др.)
На основе анализа годографов было разработано два типа конструкции СМВТП с электрическими характеристиками, позволяющими непосредственно подключать их к аналоговому входу/выходу звукового адаптера ПК и большинству современных приборов НК (рисунки 3, 4).
f
Рисунок 3 - Схема конструкции СМВТП для прямых технических измерений
Рисунок 4 - Схема конструкции СМВТП для точных измерений и дефектоскопии
Первый тип датчика выполнен по схеме дифференциального СМВТП с тремя катушками, одна из которых является калибровочной, а другие - возбуждающей и измерительной (рисунок 3). Второй тип датчика представляет собой дифференциальный вихретоковый преобразователь, работающий в режиме самосравнения или сравнения с внутренним эталоном (рисунок 4). В качестве материала сердечников обоих СМВТП используется среднечастотный малодиссипа-тивный феррит, выбранный из ферритов марки 2000НМЗ (ГОСТ 12635-67) по величине
максимальной начальной магнитной проницаемости.
Первый тип конструкции СМВТП позволяет проводить с относительной погрешностью до 5% прямые технические измерения различных характеристик материалов, величина которых функционально зависит от напряжения в измерительной обмотке СМВТП. Для повышения точности воспроизводимости и достоверности измерений этот СМВТП требует использования дополнительной защиты от возможных наводок от посторонних переменных магнитных полей, но зато в нем может быть осуществлен режим абсолютной калибровки. Область применения СМВТП этого типа - вихретоковая толщино-метрия и измерения физических параметров неферромагнитных электропроводящих материалов.
Вторая конструкция СМВТП обеспечивает его работу в режиме самосравнения, однако конструктивно датчик изготовлен по принципу сравнения со стандартным образцом, т.е. рабочий и образцовый СМВТП не связаны индуктивно и имеют независимые измерительные и возбуждающие обмотки. Такая конструкция СМВТП обеспечивает измерение характеристик материалов с относительной погрешностью уже до 0,1-0,5 %, защищает рабочий СМВТП от внешних наводок и позволяет использовать его для комплектования большинства современных приборов НК и дефектоскопов МВТ.
Дифференциальное включение катушек и фокусировка возбуждающего поля сердечником позволяет датчикам обоих типов проводить высокочувствительные локальные исследования проводящих материалов на площади до 50 мкм2.
Для сконструированных СМВТП была разработана технология изготовления сигнальных и генераторных катушек с использованием оригинальной оснастки для микроминиатюрных намоточных работ. Катушки СМВТП пропитаны эпоксидным компаундом и обеспечивают устойчивую работу датчиков при температурах до 180-200 °С, а сами датчики с системой распайки помещены в пластмассовый корпус держателя.
Выводы
1. На основе разработанной модели отклика СМВТП построены годографы напряжения, наводимого в измерительной обмотке датчика полем вихревых токов.
2. Анализ полученных годографов 1т(и)=^е(и)) и подбор параметров катушек СМВТП и геометрии сердечника датчика позволили оптимизировать его конструкцию для
проведения технических измерений электрических и магнитных параметров материалов и их дефектоскопии.
Работа выполнена в рамках проекта, поддержанного Министерством образования и науки РФ (дог. № 02.G25.31.0063).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Герасимов, В.Г. Методы и приборы электромагнитного контроля промышленных изделий / Герасимов В.Г., Клюев В.В., Шатерников В.Е. - М.: Изд-во Энергоатомиздат, 1983.
2. Неразрушающий контроль и диагностика: справочник. / В.В. Клюев, Ф.Р. Соснин, В.Н. Филинов и др. Под ред. В.В. Клюева. М.: Машиностроение, 1995.
3. Дмитриев, С.Ф. Виртуализированные измерительные приборы, реализующие метод вихревых токов/ Дмитриев С.Ф., Ишков A.B., Лящен-ко Д.Н., Новоженов A.B. // Научные исследования: информация, анализ, прогноз: монография. -Кн. 28. -Воронеж: ВГПУ, 2010. с. 580-592.
4. Гинзбург, В.Л. Электродинамика./ В.Л. Гинзбург. -М.: Наука. 2004.
5. Сагалаков, A.M. Об одной модели отклика вихретокового преобразователя/ Сагалаков A.M., Дмитриев С.Ф., Тарусин Д.Ю., Ишков A.B. // Вестник ТГУ. - Бюлл. опер, научн. инф. № 64, март, 2006. с. 25-29.
6. Дьяконов, В.П. Mathcad 11/12/13 в математике : справочник./ В. П. Дьяконов. - М. Горячая линия. Телеком, 2007.
7. Ишков, A.B., Современная концепция сопряжения измерительных приборов с ЭВМ/ Ишков A.B., Дмитриев С.Ф. //Измерение, контроль, информатизация: Материалы восьмой между-нар. научн.-техн. конф. -Барнаул: АлтГТУ, 2007. с.3-6.
Д.т.н., профессор Поляков В.В., к.т.н., доцент Дмитриев С.Ф. и магистрант Мали-ковВ.Н., - АлтГУ (г. Барнаул); д.т.н., профессор Ишков A.B.- olg168@rambler.ru - АГАУ (г. Барнаул); к.ф.-м.н., гл. спец. Руденский Г.Е. и к.ф.-м.н., н. сотр., Колубаев Е.А. - ИФПМ СО РАН, ТПУ (г. Томск);-, АлтГУ (г. Барнаул)
УДК: 662.997.05(043)
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МОДУЛЕЙ С ПОМОЩЬЮ ОДНООСНОЙ СИСТЕМЫ ОРИЕНТИРОВАНИЯ
A.C. Петрусёв, A.B. Юрченко, A.B. Охорзина
В статье рассмотрена практическая проблема увеличения мощности солнечной станции без значительного увеличения материальных затрат. Описана система слежения за Солнцем для фотоэлектрических модулей (ФМ) и энергетических систем. Также представлены результаты расчетов параметров, влияющих на эффективность сбора энергии. Приведены результаты натурных испытаний работы фотоэлектрических модулей с системой слежения в Томске.
Ключевые СЛОВа: фотоэлектрические модули, система слежения, эффективность.
Введение
В наше время для получения энергии человек в подавляющем большинстве использует полезные ископаемые, но их запасы ограничены, что стало особенно заметно в последние годы. К тому же выбросы токсичных веществ в атмосферу, выделяющихся при сгорании топлива, постепенно уничтожают нашу планету. В связи с указанными проблемами применение нетрадиционных источников энергии становится вполне оправданным. Среди возобновляемых источников энергии солнечная радиация по масштабам ресурсов, экологической чистоте и повсеместной распространенности наиболее перспективна.
Томский политехнический университет (ТПУ) поддерживает развитие «зелёной энергетики» - на крыше 18 корпуса ТПУ установ-
лены 12 фотоэлектрических модулей (ФМ) суммарной мощностью 3кВт. Данная система является источником электроэнергии для двух аудиторий и трех уличных фонарей, расположенных на территории корпуса и работающих в темное время суток.
Для увеличения эффективности сбора солнечной энергии фотоэлектрическими установками наиболее перспективным является метод периодического ориентирования системы на солнце. Использование подобных систем требует оптимизации режимов работы системы ориентирования с целью уменьшения энергозатрат и механических перемещений всех системы. Для проведения оптимизации была построена математическая модель ФМ с системой ориентирования и для натурной отработки был создан макет системы слежения.
ПОЛЗУНОВСКИЙ ВЕСТНИК № 2, 2013
